Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình trạm trộn bê tông sử dụng phần mềm TIA Portal và bộ điều khiển PLC S7-1200
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO Đồ án thiết kế hệ thống Tự động hoá Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình trạm trộn bê tơng sử dụng phần mềm TIA Portal điều khiển PLC S7-1200 Sinh viên thực Lớp : Hoàng Anh Tuấn : CNTĐH_K15A GVHD : ThS Bùi Tuấn Anh Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống SCADA phát triển mạnh chiếm vị trí quan trọng ngành kinh tế quốc dân Kỹ thuật điều khiển logic khả trình phát triển sở cơng nghệ máy tính bước phát triển tiếp cận theo nhu cầu phát triển cơng nghiệp Ngày PLC có vị trí quan trọng cơng nghiệp coi trung tâm não hệ thống điều khiển Là sinh viên ngành tự động hóa , em cảm thấy tự hào học tập nghiên cứu mơn ngành tự động hóa điển hình môn “Hệ thống SCADA ứng dụng công nghiệp” với ứng dụng quan trọng rộng lớn ngành công nghiệp đời sống Và đặc biệt kỳ làm tập lớn chúng em có hội kiểm nghiệm tính đắn ứng dụng kiến thức lý thuyết học PLC Nội dung tập lớn chúng em :” Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho mơ hình trạm trộn bê tơng sử dụng phần mềm TIA Portal điều khiển PLC S7-1200” với nội dung : - Chương 1- Tổng quan công nghệ hệ thống trạm trộn bê tông - Chương 2- Giới thiệu tổng quan phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S71200 - Chương 3- Soạn thảo chương trình, lưu đồ thuật tốn nối dây thiết bị Chúng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Bùi Tuấn Anh quan tâm hướng dẫn , chúng em tận tụy, nhiệt tình Chúng em xin chân thành cám ơn! CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG 1.1 Khái niệm chức trạm trộn bê tơng Hình 1.1: Trạm trộn bê tơng Trạm trộn bê tông chế tạo nhằm sản xuất bê tông với chất lượng tốt đáp ứng nhanh nhu cầu bê tông xây dựng Trạm trộn bê tơng hệ thống máy móc có mức độ tự động hóa cao thường sử dụng phục vụ cho cơng trình vừa lớn hay cho khu vực có nhiều cơng trình xây dựng Trước khoa học kĩ thuật chưa phát triển, máy móc cịn nhiều lạc hậu việc có khối lượng bê tông lớn chất lượng tốt điều khó khăn Chính để thiết kế dây chuyền bê tông tự động điều cần thiết cho công trường ngành xây dựng nước Một trạm trộn gồm có phận chính:Bộ phận chứa vật liệu nước, phận định lượng máy trộn Giữa phận có thiết bị nâng, vận chuyển phễu chứa trung gian Cơng nghệ sản xuất bê tơng nói chung tương tự nhau: Vật liệu sau định lượng đưa vào trộn Trong trường hợp kết hợp sản xuất bê tơng vữa xây dựng dây chuyền giảm 32% diện tích mặt bằng, từ 30%:50% công nhân, từ 8%:j9% vốn đầu tư thiết bị Một nhà máy bê tơng vữa liên hiệp có hiệu cao lượng bê tông vữa cung cấp không 300.000 m3 / năm 1.2 Cấu tạo chung trạm trộn Một trạm trộn gồm có phận chính: Bãi chứa cốt liệu, hệ thống máy trộn bê tông hệ thống cung cấp điện 1.2.1 Bãi chứa cốt liệu Bãi chứa cốt liệu khoảng đất trống dùng để chứa cốt liệu (cát, đá to đá nhỏ) cát, đá to, đá nhỏ chất thành đống riêng biệt Yêu cầu bãi chứa cốt liệu phải rộng thuận tiện cho việc chuyên chở lấy cốt liệu đưa lên máy trộn 1.2.2 Hệ thống máy trộn bê tông Hệ thống máy trộn bê tông bao gồm hệ thống thùng chứa liên kết với hệ thống định lượng dùng để xác định xác tỉ lệ loại nguyên vật liệu cấu tạo nên bê tông Băng tải dùng để đưa cốt liệu vào thùng trộn gồm máy bơm nước, máy bơm phụ gia, xi lô chứa xi măng, vít tải xi măng, thùng trộn bê tơng, hệ thống khí nén Giữa phận có thiết bị nâng, vận chuyển phễu chứa trung gian 1.2.3 Hệ thống cung cấp điện Trạm trộn bê tông sử dụng nhiều động có cơng suất lớn trạm trộn bê tơng cần có hệ thống cung cấp điện phù hợp để cung cấp cho động nhiều thiết bị khác 1.3 Phân loại trạm trộn Dựa theo suất, người ta chia nơi sản xuất bê tông thành loại sau: + Trạm bê tông suất nhỏ (10:30 m3 / h) + Trạm trộn bê tơng suất trung bình (30:60 m3 / h) + Nhà máy sản xuất bê tông suất lớn (60:120 m3 / h) 1.3.1 Trạm cố định Trạm phục vụ cho công tác xây dựng vùng lãnh thổ đồng thời cung cấp bê tông phục vụ phạm vi bán kính làm việc hiệu Thiết bị trạm bố trí theo dạng tháp, cơng đoạn có ý nghĩa vật liệu đưa lên cao lần, thao tác công nghệ tiến hành Thường vật liệu đưa lên độ cao từ (18÷20) m so với mặt đất, chứa phễu xi măng (chứa xi lô) Trong trình dịch chuyển xuống chúng qua cân định lượng sau đưa vào máy trộn Điểm cuối cửa xả bê tông phải cao miệng cửa nhận thiết bị nhận bê tơng.Trong dây chuyền lắp loại máy trộn bê tông cần chúng đảm bảo mối tương quan suất với thiết bị khác Để phục vụ cho công tác bê tông yêu cầu khối lượng lớn, tập trung, đường xá vận chuyển thuận lợi, cự ly vận chuyển 30 km sử dụng trạm kinh tế Trong trường hợp vừa có cơng trình tập trung u cầu khối lượng lớn, vừa có điểm xây dựng phân tán đặc trưng cho đô thị Việt Nam cần sử dụng sơ đồ hỗn hợp, vừa cấp hỗn hợp khơ cho cơng trình nhỏ, phân tán đường xá lưu thông Nếu cung cấp bê tơng phải dùng ơtơ trộn cịn cung cấp hỗn hợp khơ việc trộn tiến hành đường vận chuyển hay nơi đổ bê tông 1.3.2 Trạm tháo lắp di chuyển Dạng tháo lắp di chuyển dễ dàng, di động phục vụ số vùng hay cơng trình lớn thời gian định Thiết bị công nghệ trạm thường bố trí dạng hay nhiều cơng đoạn, nghĩa vật liệu đưa lên cao nhờ thiết bị lần Thường giai đoạn phần định lượng riêng phần trộn riêng, hai phần nối với thiết bị vận chuyển (gầu vận chuyển, băng tải xe, xe vận chuyển) Vật liệu đưa lên cao lần đầu nhờ máy xúc, gàu xúc băng chuyền vào phễu riêng biệt sau q trình định lượng Tiếp theo vật liệu đưa lên cao lần vào máy trộn Cũng dạng trên, dây chuyền lắp loại máy trộn miễn đảm bảo mối tương quan suất chế độ làm việc thiết bị khác Cửa xả phải cao cửa nhận bê tông thiết bị vận chuyển (nếu tháp cao phải đưa lên cao lần nữa) So với dạng cố định loại trạm có độ cao nhỏ nhiều (từ 7m÷10m) lại chiếm mặt lớn Phần diện tích dành cho khu vực định lượng, phần diện tích dành cho trộn bê tông phần nối hai khu vực dành cho vận chuyển Trên thực tế, tổng mặt cho loại trạm nhỏ chúng có sản lượng nhỏ nên bãi chứa nhỏ Khi xây dựng cơng trình phân tán, đường xấu, lưu thông xe không tốt thường sử dụng trạm trộn di động cung cấp bê tông khô ô tô trộn Việc trộn tiến hành đường vận chuyển hay nơi đổ bê tông 1.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động trạm trộn bê tông 1.4.1Cấu tạo - Bãi chứa cốt liệu: Từ bãi chứa cốt liệu cát đá Vật liệu đưa xuống băng tải riêng biệt chờ để tiến hành cân - Bộ phận định lượng: Phân phối liệu gồm phễu: hai phễu đá phễu cát, định lượng có cân điện tử (3 cảm biến trọng lượng) Việc đóng, mở phễu điều khiển xi lanh khí nén riêng biệt Phía phễu thùng đáy mở nhờ xi lanh khí nén cửa xả xuống thùng cân, sau cân xong thùng liệu trút xuống phễu trộn chung - Chuyển xi măng lên xi lô: Xi măng đưa lên xi lô chứa cách bơm xi măng từ xe chở xi măng chuyên dụng lên xi lô Xi măng đưa lên miệng xi lơ nhờ trục vít xoắn hướng trục với xi lô chứa Từ miệng xi lô chứa xi măng vận chuyển tới cân định lượng xả vào thùng trộn - Xe kíp, dùng để vận chuyển cốt liệu từ phễu riêng biệt lên thùng cân 1.4.2 Quá trình chuẩn bị Từ nguyên vật liệu xây dựng để sản xuất sản phẩm cuối bê tông ta cần thực công việc sau: Cốt liệu để riêng biệt bãi chứa cốt liệu Cốt liệu máy xúc lật đưa lên đầy thùng phễu riêng rẽ, chờ xả xuống băng tải để vận chuyển lên thùng cân cốt liệu, xi măng đưa lên xi lô chứa xi măng cao Nước bơm lên đầy thùng chứa để chờ cân định lượng 1.4.2.1 Kiểm tra điều kiện làm việc Để bắt đầu q trình hoạt động mới, tránh trường hợp có q trình hoạt động trước (chẳng hạn cố) Trong thùng cân nước, cân phụ gia, cân xi măng, thùng trộn chưa xả hết nguyên liệu Tại bàn điều khiển người vận hành ấn nút Reset để : + Mở cửa xả bê tông + Mở cửa xả thùng cân cát + Mở cửa xả thùng cân đá + Mở cửa xả thùng cân xi măng + Mở cửa xả thùng cân nước, phụ gia Lúc cho phép hệ thống làm việc Sau q trình chuẩn bị xong Từ máy tính người vận hành nhập thông số mác bê tông như: khối lượng cát, đá1, đá2, xi măng, nước, phụ gia, số mẻ liệu quản lý hành tên lái xe, biển số xe, ngày, xuất hành Sau tới tủ điều khiển người vận hành chọn chế độ hoạt động cho máy tự động hay tay Nếu chế độ tự động người vận hành nhấn nút Auto, chế độ tay nhấn nút Manual 1.4.2.2 Chế độ điều khiển tự động Ở chế độ điều khiển tự động người vận hành cần nhấn nút Start bàn điều khiển Động trộn bê tông cho chạy chế độ không tải Máy tự động cân đo khối lượng nguyên vật liệu, thực phương pháp cân riêng lẻ Mở van xả cát, cát xả xuống băng tải để đưa lên thùng cân Đồng thời đá xả để đưa lên thùng cân Trong q trình cân cốt liệu đồng thời cân ln xi măng ,nước phụ gia Xi măng từ xi lơ chứa đưa vào thùng cân nhờ vít tải, khối lượng xi măng khối lượng đặt dừng động vít tải Nước, phụ gia bơm lên đưa vào thùng cân khối lượng đặt dừng động bơm nước phụ gia Khi điều kiện thùng trộn “rỗng', cửa xả thùng trộn “đóng”, cốt liệu xi măng đưa đổ vào thùng trộn bê tơng bắt đầu q trình trộn khơ Sau thời gian trộn khơ 10s xả nước phụ gia vào trộn, bắt đầu thời gian trộn ướt 10s (Thời gian trộn mẻ khoảng 20s) cửa xả thùng trộn mở ra, bê tơng xả vào xe chuyên dụng Sau thời gian xả khoảng 10s, đóng cửa xả bê tơng lại Kết thúc mẻ trộn Để chuẩn bị cho mẻ trộn q trình trộn bê tơng sau xả nguyên liệu: cát, đá, nước, xi măng phụ gia tiếp tục vận chuyển lên thùng cân nghĩa : Khi số mẻ trộn chưa số mẻ đặt sau xả cốt liệu xi măng xong tiếp tục quay lại thực cân cốt liệu xi măng Khi xả nước phụ gia xong tự động quay lại cân nước, phụ gia Khi cân đủ dừng lại chờ mẻ Khi số mẻ số mẻ đặt dừng hết trình cân lại 1.4.2.3 Chế độ điều khiển tay Ở chế độ điều khiển tay,người vận hành gạt công tắc cân vật liệu xuống OFF, quan sát số liệu cân thiết bị hiển thị bàn điều khiển quan sát hình phần mềm Nhấn nút chạy động trộn Đưa tay gạt sang chế độ hoạt động tay, gạt chuyển mạch đóng mở cửa xả sang vị trí “Stop”, cần điểu khiển, gạt chuyển mạch sang vị trí đóng mở cửa xả để đóng, mở cửa xả Nhấn nút cấp cát,đá, đồng thời cấp xi măng, nước, phụ gia Người vận hành theo dõi số cân hiển thị máy tính, đủ nhấn vào lần nút để dừng trình cấp Khi cốt liệu cấp đủ đưa chúng vào thùng trộn Lúc nhấn nút xả cốt liệu đồng thời nhấn nút xả xi măng Do động trộn chạy trình hoạt động nên sau xả xong cốt liệu, xi măng coi máy trôn bê tông khơ, thời gian trộn ướt bắt đầu tính xả nước phụ gia Sau trộn ướt mẻ bê tơng hồn thành, người vận hành việc nhấn nút xả bê tông Không để chuyển mạch đóng mở cửa xả vị trí “tự động” bê tơng bị xả theo chế độ tự động chưa cân đủ nước đủ xi măng 1.5 Thành phần vật liệu trộn bê tông Để kết cấu bê tông thiết cần có nguyên liệu sau: 1.5.1 Xi măng Xi măng kết hợp với nước tạo thành hồ xi măng xen hạt cốt liệu, đồng thời tạo tính linh động bê tơng (được đo độ sụt nón) Mác xi măng chọn phải lớn mác bê tông cần sản xuất, phân bố hạt cốt liệu tính chất ảnh hưởng lớn đến cường độ bêtơng Bình thường hồ xi măng lấp đầy phần rỗng hạt cốt liệu đẩy chúng xa chút (với cự li 243 lần đường kính hạt xi măng) Trong trường hợp phát huy vai trị cốt liệu nên cường độ bê tơng cao yêu cầu cốt liệu cao cường độ bê tông khoảng 1,5 lần Khi bê tông chưá lượng hồ xi măng lớn, hạt cốt liệu bị đẩy xa đến mức chúng khơng có tác dụng tương hỗ Khi cường độ đá, xi măng cường độ vùng tiếp xúc đóng vai trị định đến cường độ bê tông nên yêu cầu cốt liệu thấp Tuỳ u cầu loại bê tơng dùng loại xi măng khác nhau, dùng xi măng pô lăng, xi măng pô lăng bền sunfat, xi măng pơlăng xủ, xi măng puzolan chất kết dính khác để thoả mãn yêu cầu chương trình 1.5.2 Cát Cát để làm bê tơng cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ (0,14:5) mm theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), từ (0,15:4,75) mm theo tiêu chuẩn Mỹ, từ (0,08:5) mm TCVN Lượng cát trộn với xi măng nước, phụ gia phải tính tốn hợp lý, nhiều cát q tốn xi măng khơng kinh tế cát q cường độ bê tơng giảm 1.5.3 Đá dăm Sỏi có mặt trịn, nhẵn, độ rộng diện tích mặt ngo nhỏ nên cần nước, tốn xi măng mà dễ đầm, dễ đổ lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp bê tông đá dăm Ngược lại đá dăm đập vỡ có nhiều góc cạnh, diện tích mặt ngồi lớn khơng nhẵn nên lực dính bám với vữa xi măng lớn tạo bê tơng có cường độ cao Tuy nhiên mác xi măng đá dăm phải cao hay mác bê tông tạo hay bê tông cần sản xuất 1.5.4 Nước Nước để trộn bê tông (rửa cốt liệu, nhào trộn vệ sinh buồng máy, bảo dưỡng bê tông) phải đảm bảo không ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết thời gian rắn xi măng khơng ăn mịn thép Nước sinh hoạt nước dùng Lượng nước nhào trộn yếu tố quan trọng định tính cơng tác hỗn hợp bê tông Lượng nước dùng nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng lượng nước cốt liệu Lượng nước bê tông xác định tính chất hỗn hợp bê tơng Khi lượng nước ít, tác dụng lực hút phân tử nước hấp thụ bề mặt vật rắn mà chưa tạo độ lưu động hỗn hợp, lượng nước tăng đến giới hạn xuất nước tự do, màng nước mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giảm xuống, độ lưu động tăng thêm, lượng nước ứng với lúc bê tơng có độ lưu động lớn mà không bị phân tầng gọi khả giữ nước hỗn hợp Nước biển dùng để chế tạo bê tơng cho kết cấu làm việc nước bẩn tổng loại muối nước không vượt 35g lít nước Tuy nhiên cường độ bê tơng giảm không sử dụng bê tông cốt thép 1.5.5 Phụ gia Phụ gia chất vô hố học cho vào bê tơng cải thiện tính chất hỗn hợp bê tơng bê tơng cốt thép Có nhiều loại phụ gia cho bê tơng để cải thiện tính dẻo, cường độ, thời gian rắn tăng độ chống thấm Thông thường phụgia sử dụng có hai loại: Loại rắn nhanh loại hoạtđộng bề mặt Phụ gia rắn nhanh thường loại muối gốc (CaCl2) hay muối Silic Do chất xúc tác tăng nhanh q trình thuỷ hố C3S C2S mà phụ gia CaCl2 có khả rút ngắn q trình rắn bê tơng điều kiện tự nhiên mà không làm giảm cường độ bê tông tuổi 28 ngày Hiện người ta sử dụng loại phụ gia đa chức năng, hỗn hợp phụ gia rắn nhanh phụ gia hoạt động bề mặt phụ gia tăng độ bền nước Thành phần vật liệu bê tơng đóng vai trò định đến chất lượng hay định đến cường độ chịu lực mác bê tông.Từ thực nghiệm người ta xác định mác bê ông ứng với loại vật liệu định với tỉ lệ xác định, ngược lại từ mác bê tông người ta dễ dàng tra tỉ lệ thành phần bê tông 1.5.6 Tỷ lệ pha trộn thành phần bê tông Khái niệm mác bê tơng : Khi nói đến mác bê tơng nói đến khả chịu nén mẫu bê tông Theo tiêu chuẩn xây dựng hành Việt Nam (TCVN 3105:1993, TCVN 4453:1995), mẫu dùng để đo cường độ mẫu bê tơnghình lập phương có kích thước 150 mm X 150 mm X 150 mm, dưỡng hộ điều kiện tiêu chuẩn quy định TCVN 3105:1993, thời gian 28 ngày sau bê tơng ninh kết Sau đưa vào máy nén để đo ứng suất nén phá hủy mẫu (qua xác định cường độ chịu nén bê tông), đơn vị tính MPa (N/mm2) daN/cm2 (kg/cm2) Trong kết cấu xây dựng, bê tông chịu nhiều tác động khác nhau: chịu nén, uốn, kéo, trượt, chịu nén ưu lớn bê tông Do đó, người ta thường lấy cường độ chịu nén tiêu đặc trưng để đánh giá chất lượng bê tông, gọi mác bê tông 1.6 Các thiết bị hệ thống: 1.6.1 Áp- tơ- mát: Áp-tơ-mát, cịn gọi máy ngẳt tự động hay CB, loại khí cụ điện dùng để ngắt tự động mạch điện chiều xoay chiêu xảy tải, ngắn mạch, sụt áp, Chúng dùng để đóng ngắt khơng thường xun mạch đỉện điều kiện làm việc bình - Alarm Logging: Cung cấp thông tin cố dạng chữ số, loại cố thời gian, lưu trữ cố sở liệu –Tag Logging: Nhận liệu từ trình hay biến để hiển thị dạng bảng hay đồ thị lưu trữ Có loại tag tag biến nhớ chương trình, tag trình liên kết với địa vùng nhớ PLC – User Administrator: Phân cấp mức truy cập vào hệ thống password, báo cáo lịch sử truy cập hệ thống - Global Script: Giúp biên tập hàm C liên kết với kiện - Report Designer: Tạo báo cáo in ấn - Text Library: Soạn văn thông báo - Communication Driver: Tạo kết nối SCADA PLC hay RTU - Redundancy: Tạo độ dư thừa để tăng độ tin cậy, ví dụ dùng máy tính để chạy phần mềm SCADA song song - Database: Chứa thơng số đặc trưng q trình - Scalability: Giúp thay đổi thêm bớt thiết bị hệ thống - Client / Server: Phần mềm SCADA cài đặt nhiều máy tính nối mạng LAN theo chế độ nhiều người dùng, gồm server nhiều client Các máy client nhận liệu từ server Hiện có nhiều phần mềm SCADA sử dụng rộng rãi, kể FIX Intellution, WinCC (Siemens), RSView (Allen Bradley), Intouch (Wonderware), Think & Do ( Think & Do Software ), Scitect … d.Mạng truyền thơng: Hệ SCADA có hai lớp truyền thơng chính: Truyền thơng nội (internal communication) truyền thông truy nhập thiết bị (access to devices) - Truyền thông nội bộ: Là truyền thông máy chủ với máy trạm máy chủ với Giao thức truyền thông sử dụng trường hợp giao thức TCP/IP (Transmision control/internet protocol) - Truyền thông truy cập thiết bị: Data server truy cập điều khiển theo chu kỳ đặt trước để cập nhật liệu đưa số tín hiệu điều khiển đến thiết bị Các tham số trình truy cập nhật theo chu kỳ định gọi chu kỳ lấy mẫu Chu kỳ lấy mẫu khác loại tham số Những tham số biến thiên nhanh áp suất, tốc độ… có chu kỳ lấy mẫu ngắn, tham số biến thiên chậm nhiệt độ có chu kỳ lấy mẫu dài Việc đặt chu kỳ lấy mẫu tham số phải người làm engneering thực sở kinh nghiệm hiểu biết công nghệ Trong chu kỳ lấy mẫu điều khiển chuyển liệu yêu cầu tham số tương ứng lên server Để truyền thông với điều khiển(PLC…) Các hệ thống SCADA phải cung cấp chương trình điều khiển 11 truyền thơng (Driver) cho loại PLC Thông thường xây dựng giải pháp cho hệ SCADA, người thiết kế cần xác định rõ chủng loại điều khiển cần sủ dụng để từ lựa chọn Driver thích hợp cho ứng dụng CHƯƠNG : SOẠN THẢO CHƯƠNG TRÌNH, LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ NỐI DÂY THIẾT BỊ 3.1 Soạn thảo chương trình 3.2 Lưu đồ thuật tốn 3.3 Sơ đồ khối 3.4 Giao diện Wincc 3.5 Sơ đồ nối dây với thiết bị