Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng định lượng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp modbus

Bài viết này trình bày một thiết kế hệ thống cân băng định lượng có khả năng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp truyền thông theo các chuẩn công nghiệp phổ biến. Do vậy, hệ thống thiết kế sẽ có khả năng tích hợp vào các hệ thống khác nhau và giao tiếp với các màn hình giao diện người – máy (Human Machine Interface – HMI) của các hãng nổi tiếng trên thế giới để nhận các chỉ thị, hiển thị và lưu trữ các thông tin vận hành một cách rất thuận tiện mà không cần sử dụng máy tính.

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 163 - 169 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP TỪNG THÀNH PHẦN VÀ GIAO TIẾP MODBUS Nguyễn Tiến Hưng*, Vũ Quốc Đông Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Các hệ thống cân băng định lượng sử dụng rộng rãi nhà máy sản xuất xi măng, khai khoáng, chế biến thực phẩm, thức ăn gia súc, phân bón Trước đây, hệ thống cân băng định lượng thường sử dụng máy tính điều khiển tất cân nên khó tích hợp hệ thống sản xuất lớn đại vốn gần điều khiển tự động hoàn toàn từ khâu nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm đầu Các hệ thống cân băng định lượng tự động có khả điều khiển độc lập thành phần giao tiếp với tầng điều khiển cấp thông qua giao thức truyền thơng khắc phục khó khăn nói Tuy nhiên, hãng sản xuất thường cung cấp giải pháp tổng thể cho nhà máy nên việc tích hợp thiết bị hãng khác vào hệ thống gặp khó khăn khơng tương thích phần cứng phần mềm Bài báo trình bày thiết kế hệ thống cân băng định lượng có khả điều khiển độc lập thành phần giao tiếp truyền thông theo chuẩn công nghiệp phổ biến Do vậy, hệ thống thiết kế có khả tích hợp vào hệ thống khác giao tiếp với hình giao diện người – máy (Human Machine Interface – HMI) hãng tiếng giới để nhận thị, hiển thị lưu trữ thông tin vận hành cách thuận tiện mà khơng cần sử dụng máy tính Điều đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định liên tục toàn hệ thống Key words: Cân băng định lượng, điều khiển, truyền thông công nghiệp, vi xử lý, Modbus ĐẶT VẤN ĐỀ * Các hệ thống cân băng định lượng sử dụng rộng rãi dây chuyền sản xuất công nghiệp để vận chuyển nguyên liệu với lưu lượng đặt trước (tính Kg/phút Tấn/giờ) Một hệ thống cân băng định lượng gồm nhiều băng tải có dạng hình Các thành phần băng tải bao gồm: khung cân, cảm biến trọng lượng (loadcell), điều khiển tốc độ với động điện đo tốc độ băng tải [1] Phễu liệu Trục quay sau Các lăn đỡ liệu Động điện Cảm biến Cảm biến tốc độ trọng lượng Trục quay trước Cơ cấu căng băng Hình Cấu trúc cân băng định lượng Trong trình làm việc bình thường, băng tải có lưu lượng đặt trước khơng có liên quan với băng tải khác Tuy nhiên, lý tốc độ * Tel: 0913 286461, Email: h.nguyentien@tnut.edu.vn băng tải không đạt giá trị mong muốn băng tải khác hoạt động làm cho lưu lượng băng tải khơng giữ giá trị đặt trước Sự làm việc khơng hồn hảo cân băng thời gian đủ lớn dẫn đến sai lệch tỷ lệ phối liệu tạo phế phẩm Vì vậy, để đảm bảo tỷ lệ phối liệu lưu lượng thực tế băng tải vượt giới hạn cho trước điểm đặt lưu lượng băng tải lại điều chỉnh cho tất lưu lượng băng tải tăng hay giảm với tỷ lệ phần trăm [1] Mô hình động học đầy đủ đơn giản hóa cân băng trình bày tài liệu [2, 3, 4, 5] Với việc mơ tả tốn học cân băng giúp cho việc áp dụng điều khiển tốc độ có khả giảm lượng tiêu thụ băng tải [3] MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA BĂNG TẢI Mơ hình hệ thống cân băng đơn giản hóa mơ tả hình Việc xây dựng mơ hình tốn cho băng tải thực dựa số giả thiết sau [2]: 163 Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ - Động truyền động có mơmen động học nhanh thời gian trễ nhỏ - Kết nối trục động lăn kết nối cứng - Băng chuyền mơ tả lò xo khơng có khối lượng - Ma sát tập trung lăn tải trọng Ma sát xem nhiễu ngồi 189(13): 163 - 169 qn tính lăn, khớp nối cấu mã hóa nhỏ so với qn tính động mơ hình băng tải đơn giản hóa với tham số sau [2]: &  f    LKew J M & & ff  Kew Mc x& (2) w  L  x đó, w độ kéo dãn băng; K e hệ số đàn hồi băng; L  Hình Mơ hình băng tải đơn giản hóa Mơ hình tốn hệ thống truyền động cân băng hình biểu diễn sau: G  r[K1(x )(Rq1  x )  K3 (Rq2  Rq1]  G1 r[K2 (x )(Rq1  x )  K3 (Rq2  Rq1)]  G2 đó, (1) & G1  (J1  G (JG  J M ))q&  f1, & G2  J 2q& f , & f1 ; G3  Mcx& J1,J động băng tải Với tham số cho phụ lục A, ta xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái (2) sau: x& Ax  Bu y  Cx Trong đó: K1(x )(Rq1  x )  K2 (x  Rq2 )  G3 Trong R số truyền G mômen quán tính lăn dẫn động truyền động; J M ,JG mơmen qn tính động hộp giảm tốc; M c khối lượng tải trọng; R bán kính lăn; K1, K2 , K3 hệ số giãn nở băng tải bị thay đổi tùy theo vị trí tải trọng; x vị trí tải trọng;  mômen động cơ; q1,q2 , vị trí góc lăn dẫn động, lăn truyền động động cơ; G tỷ lệ giảm tốc; l1,l2 ,l độ dài hành trình;  f 1, f 0 0 A 0  0 7.699  10 7.185  105   ,  13.64 0    x1       C  1 0 0 x  x  B ,  , x      x   2.56  10  Để khảo sát việc điều khiển hệ thống băng tải điều khiển PID kinh điển ta xây dựng mơ hình Simulink đơn giản hình mômen ma sát lăn; f f lực ma sát tác động đến tải trọng; (J1  G (JG  J M )) tổng mơmen qn tính lăn truyền động; G mơmen truyền động Mơ hình động học (1) có tính phi tuyến cao với tương tác chéo nhiễu ngồi tác động Với mục tiêu phân tích hệ thống khơng cần đến mơ hình xác hệ thống Vì vậy, giả thiết mơmen 164 Hình Mơ hệ thống điều khiển băng tải Kết mô đáp ứng dịch chuyển tải trọng băng tải cho hình CẤU TRÚC PHẦN CỨNG Cấu trúc phần cứng toàn hệ thống cân băng định lượng mơ tả hình Hệ thống gồm có N băng tải, điều khiển điều khiển băng tải độc lập cho cân Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Hình Đáp ứng dịch chuyển tải trọng băng tải Hình Cấu trúc tồn hệ thống cân băng Các điều khiển cân có khả đọc tín hiệu trọng lượng từ Loadcell, sau tính tốn tốc độ cho băng tải dựa lưu lượng yêu cầu cho trước đưa tín hiệu điều khiển biến tần cho đạt sai số lưu lượng thực tế giới hạn cho phép Bộ điều khiển cân có khả đọc tín hiệu phản hồi tốc độ từ Encoder loại cảm biến tốc độ khác Các điều 189(13): 163 - 169 khiển cân kết nối chung với hình giao diện người – máy (Human Machine Interface – HMI) hãng tiếng giới thông qua giao tiếp chuẩn công nghiệp Modbus để nhận thị, hiển thị lưu trữ thông tin vận hành cách thuận tiện mà khơng cần sử dụng máy tính Điều đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định liên tục toàn hệ thống Việc truyền thơng qua Modbus cho phép tồn hệ thống có khả kết nối dễ dàng tích hợp với hệ thống khác nhà máy tuân theo chuẩn giao tiếp công nghiệp phổ biến Cấu trúc phần cứng điều khiển băng tải mơ tả hình Bộ điều khiển bao gồm khối vi xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F407VGTX Các tín hiệu từ loadcell đưa đến đầu vào khuếch đại loadcell giao tiếp SPI chuyên dụng HX711 Trong trường hợp sử dụng khuếch đại loadcell ngồi tín hiệu tương tự từ khuếch đại loadcell đưa đến chân S+, sau thơng qua mạch khuếch đại đệm lọc đưa đến đầu vào chuyển đổi tương tự - số (ADC) vi điều khiển Các thuật toán điều khiển thực chương trình phần mềm cho vi xử lý Tín hiệu điều khiển đưa đến biến tần thông qua giao tiếp tương tự số (dưới dạng xung điều chế PWM lựa chọn thông qua chuyển mạch JP1) hay giao tiếp Modbus Trong trường hợp điều khiển tương tự tín hiệu điều khiển biến tần đưa qua chuyển đổi số - tương tự sử dụng vi mạch MCP4901 thông qua mạch khuếch tạo điện áp điều khiển chuẩn công nghiệp - +10VDC cho biến tần Tín hiệu phản hồi tốc độ từ biến tần lọc sơ phản hồi hệ thống tín hiệu tương tự xung điều chế (lựa chọn chuyển mạch JP2) Nếu tín hiệu phản hồi tương tự đưa qua mạch đệm để đưa đến đầu vào ADC vi điều khiển Trong trường hợp phản hồi 165 Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ xung PWM đưa đến đầu vào Capture vi điều khiển Phần giao tiếp với HMI thực thông qua giao thức Modbus với chuẩn RS485 Ngoài ra, điều khiển cẩn băng định lượng có mạch hiển thị LCD với độ phân giải 192x64 điểm, 07 phím cài đặt, lưu trữ EEPROM, mạch đồng hồ thời gian thực, mạch giao tiếp encoder MISO S+ 12 SHX711 SCK GND 11 EXC REF ADC1 EXP J ADC2 +24V GND 485A1 RS485 S+ 485B1 SLoadcell GND EXP 485A2 RS485 GND 485B2 IVC CAP FBK PWM 485A1 DA AO1 485B1 SW2 A D PWM IVC U2 MCP4821 A+ SW3 CAP FBK MISO SW1 A+ -12V U3 + - SCK EEPROM STM32 Sử dụng loại có EEPROM Ax0 ADC1 S+ Ax1 S+ Ax2 Key pad Điện áp chuẩn cho Loadcell +5V LM1117 5V +24V LM2575 +5V +5V LM1117 +3V U4 AO1 +10V J2 -12V + - +5V REF +12V Ax0 Battery for real time Buzze -12V + - Buzze EB EA IDX External interrupt +12V DA Dx0 Dx1 Dx2 D S+ +3V3 LCD 198x64 A U5 +12V ADC2 +3V3 DB9 Back side 485A2 485B2 GND GND A0512S-1W +5V +12V GND EXC LẬP TRÌNH CÁC HÀM TRUYỀN THƠNG MODBUS Truyền thơng Modbus có 08 hàm, bao gồm hàm số 01, 02, 03, 04, 05, 06, 15 16 Tuy nhiên, nghiên cứu cần sử sụng 04 hàm (01, 03, 05 16) đủ cần thiết cho điều khiển băng tải Vì vậy, hàm trình bày phần báo Hàm Modbus số 01 Hàm đọc trạng thái ON/OFF N cuộn dây Slave cuộn thứ i Hình minh họa việc đọc trạng thái 15 cuộn dây (N  15) cuộn thứ i  13 Trước tiên cần xác định cuộn dây thứ i  13 nằm bít thứ nhớ lệnh sau: CoilMem = addr_begin/8; CoilBit = addr_begin%8; Trong đó, addr_begin địa bắt đầu cuộn dây, CoilMem địa ô nhớ 166 CoilBit số thứ tự bit nhớ Trong ví dụ CoilMem = 13/8 = CoilBit = 13%8 = Như vậy, để tạo byte thứ truyền trạng thái cuộn dây cuộn dây thứ 13 cần phải dịch phải byte thứ CoilBit lần, sau dịch trái byte thứ hai (8-CoilBit)=3 lần cuối lấy tổng byte vừa dịch (hình 7) Từ Byte thứ hai trở làm tương tự Lưu ý cuộn dây tạo thành Page (8 bits) Chẳng hạn đọc trạng thái 15 cuộn dây ví dụ cần phải đọc (15/8) + = Pages Tuy nhiên, đặt CoilPage = num_data/8 + 1; với num_data số cuộn dây cần đọc gặp trường hợp số cuộn dây bội số dẫn đến số Page bị tăng lên Ví dụ, num_data = 7, số Page (num_data/8)+1 = Tuy nhiên, num_data = (num_data/8)+1 = 2, cuộn dây nằm Page Chính vậy, số Page cần tính sau: CoilPage = (num_data-1)/8 + 1; -12V Hình Cấu trúc phần cứng điều khiển băng tải 189(13): 163 - 169 Khi đó, num_data = (num_data-1)/8 + = Nếu num_data = 16 (num_data-1)/8 + = 2… Byte Byte Byte Byte Cuộn thứ i = 13 Dịch trái bits Dịch phải bits 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Số lượng cuộn dây cần đọc N = 15 Byte + byte cần truyền Byte + byte thứ hai cần truyền 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 Dịch phải bits Byte 20 19 18 17 16 15 14 13 Dịch trải bits Byte Dịch phải bits Byte 28 27 26 25 24 23 22 21 Dịch trái bits Byte Hình Minh họa đọc trạng thái 15 cuộn dây Hàm Modbus số 03 Hàm Modbus số 03 đọc nội dung ghi Slave Do biến điều khiển băng tải lưu dạng số thực nên hàm 03 phải tùy biến để đọc số thực Ví dụ, tham số M4x[0] = 168.9 có dạng hexa sau Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ tắt Các giá trị tính từ địa ghi sau: M4x[0] = 0x4328E666 = 168.9 A B C D Hình Thứ tự byte số thực Số lưu mảng M4x với thứ tự byte 0, 1, 2, sau (byte 0x66, byte 0xE6, byte 0x28 byte 0x43) M4x[0] = 66 E6 28 D C B 43 = 168.9 A LSB MSB Hình Thứ tự byte số thực lưu nhớ Tuy nhiên, với HMI, số truyền với thứ tự byte hình 10 168.9 = E6 66 43 28 C D A B Hình 10 Thứ tự byte truyền giao thức Modbus B A D C Byte count Function Address Nghĩa Word byte cao truyền trước, byte thấp truyền sau Ví dụ, đáp ứng việc truyền số thực nói lên HMI có dạng hình 11 Byte transfer direction 189(13): 163 - 169 03 03 04 E6 66 43 28 Hình 11 Đáp ứng truyền số thực giao tiếp Modbus Như vậy, để truyền số thực lên HMI cần phải biết địa ô nhớ lưu số thực Tiếp theo, byte cao Word truyền trước Hàm Modbus số 05 Hàm 05 có chức bật tắt cuộn dây Số lượng cuộn dây mảng lưu liệu cuộn dây định nghĩa sau: #define NUM_COILS 120 uint8_t M0x[NUM_COILS/8]; Có thể coi trạng thái cuộn dây lưu ghi bits, bit ứng với Coil Biến CoilReg lưu giá trị số ghi (thanh ghi ghi), biến CoilBit lưu giá trị bit bật CoilReg = addr/8; CoilBit = addr%8; Để tắt Coil cần phải truyền giá trị 0x0000 Lúc bit tương ứng ghi xóa lệnh sau: if(wr_data == 0){ M0x[CoilReg] &= ~(1