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

Tất cả các bộ điều khiển băng tải riêng rẽ có thể được dễ dàng kế nối với một hệ thống điều khiển cấp trên thông qua chuẩn giao tiếp công nghiệp Modbus nên có thể được [r]

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 thông 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]

Trục quay sau

Các lăn đỡ liệu

Cơ cấu căng băng Cảm biến

trọng lượng

Cảm biến tốc độ

Trục quay trước

Phễu liệu Động

điện

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

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

- Động truyền động có mơmen động học nhanh thời gian trễ nhỏ

- Kết nối trục động lăn kết nối cứng

- Băng chuyền mơ tả lị xo khơng có khối lượng

- Ma sát tập trung lăn tải trọng Ma sát xem nhiễu

Hình Mơ hình băng tải đơn giản hóa

Mơ hình tốn hệ thống truyền động cân băng hình biểu diễn sau:

1 1

[ ( )( ) ( ]

r K x Rq  x K Rq Rq G

G

2( )( 1)]

[ x Rq x)K Rq( Rq 

r K G

(1)

1( )(x Rq1 x) K x Rq2(  2)

K G

Trong đó,

1 (J1 ( ))1

G  G JG JM q&&f ,

2  2q&&f2

G J , G3Mcx f&& 1; J J1, 2 mômen quán tính lăn dẫn động

truyền động; JM,JG mơmen qn tính

động hộp giảm tốc; Mc khối lượng tải trọng; Rlà bán kính lăn;

1, 2,

K K K hệ số giãn nở băng tải bị thay đổi tùy theo vị trí tải trọng; x

vị trí tải trọng;  mômen động cơ;

1, 2,

q q vị trí góc lăn dẫn động, lăn truyền động động cơ; G tỷ lệ giảm tốc; l l l1 2, , độ dài hành trình;  f1, f2 mômen ma sát lăn; ff lực ma sát tác động đến tải trọng;

2

1 ( ))

(J G JGJM 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 tác động Với mục tiêu phân tích hệ thống khơng cần đến mơ hình xác hệ thống Vì vậy, giả thiết mơmen

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]:

 &&  

M f e

J LK w

  &&

cx ff Ke

M w (2)



 

w L x

trong đó, wlà độ kéo dãn băng; Kelà hệ

số đàn hồi băng; LR

G số truyền

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:

5

0 0

0

0 0

0 7.699 10 7.185 10 13.64

 

 

 

 

 

   

  

 

A ,

7 0

2.56 10

 

 

 

 

 



 

 



B , C 1 0 0,

1             

x x x x x

.

Để khảo sát việc điều khiển hệ thống băng tải điều khiển PID kinh điển ta xây dựng mơ hình Simulink đơn giản hình

Hình Mơ hệ thống điều khiển băng tải

Kết mô đáp ứng dịch chuyển tải trọng băng tải cho hình CẤU TRÚC PHẦN CỨNG

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

Hình Đáp ứng dịch chuyển tải trọng băng tải

Hình Cấu trúc toàn hệ thống cân băng

Các điều khiển cân có khả đọc tín hiệu trọng lượng từ Loadcell, sau tính toán 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

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 không cần sử dụng máy tính Điều đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định liên tục toàn hệ thống Việc truyền thông qua Modbus cho phép tồn hệ thống có khả kết nối dễ dàng tích hợp với hệ thống khác nhà máy tn theo chuẩn giao tiếp công nghiệp phổ biến

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

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 cịn 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 STM32 J 1 AO1 PWM IVC SW2 +24V GND S+ S-GND EXP GND IVC A D +5V LM2575 +24V Loadcell FBK 485A1 485B1 +3V LM1117 +5V External interrupt DA Key pad LCD 198x64 EEPROM EA EB IDX DB9 Back side DA 485A2 485B2 PWM REF +5V Buzze +5V Buzze Battery for real time D A MCP4821 A+ CAP FBK SW3 + -+12V -12V ADC1 AO1 +10V Ax0 + -+12V -12V ADC2 +3V3 CAP RS485 485A1 485B1 RS485 +5V +12V -12V A0512S-1W G N D HX711 MISO 12 11 SCK MISO SCK 485A2 485B2 GND U3 + -+12V ADC1 +3V3 -12V S+ S-GND EXC Ax0 Sử dụng loại có EEPROM REF EXC EXP LM1117 5V Dx0 Dx1 Dx2 GND

Điện áp chuẩn cho Loadcell A+ SW1 J2 U4 U2 U5 ADC2 S+ Ax1 S+ Ax2 S+

Hình Cấu trúc phần cứng điều khiển băng tải

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

CoilBit số thứ tự bit nhớ

Trong ví dụ CoilMem = 13/8 = 1

CoilBit = 13%8 = 5 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

cùng 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) + = 2 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 = 1 Tuy nhiên, num_data = 8 (num_data/8)+1 = 2, cuộn dây nằm Page Chính vậy, số Page cần tính sau:

CoilPage = (num_data-1)/8 + 1;

Khi đó, num_data =

(num_data-1)/8 + = 1 Nếu num_data = 16 (num_data-1)/8 + 1 = 2…

23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 27 26 25 24

15 14 13

20 19 18 17 16 15 14 13 20 19 18 17 16

23 22 21 28 27 26 25 24

28 27 26 25 24 23 22 21

Dịch phải bits Dịch trái bits

Cuộn thứ i = 13

Số lượng cuộn dây cần đọc N = 15

Byte Byte Byte Byte Byte Byte Byte

Dịch phải bits Dịch trải bits Dịch phải bits

Dịch trái bits Byte + byte

đầu tiên cần truyền Byte +

3 byte thứ hai

cần truyền

Byte

28

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

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

C D

M4x[0] = 0x4328E666 = 168.9

A B

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)

E6 28 43

M4x[0] = 66

MSB

A B C D

LSB

= 168.9

Hình Thứ tự byte số thực lưu trong nhớ

Tuy nhiên, với HMI, số truyền với thứ tự byte hình 10

66 43 28

168.9 = E6

B A

D C

Hình 10 Thứ tự byte truyền giao thức Modbus

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

03 03 04 E6 66 43 28

A

d

d

re

s

s

F

u

n

c

ti

o

n

B

y

te

c

o

u

n

t

C D A B

Byte transfer direction

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

tắt Các giá trị tính từ địa ghi sau:

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<<CoilBit);

}

Để bật cuộn dây cần phải truyền giá trị 0xFF00 Lúc bit tương ứng ghi set lệnh sau:

if(wr_data == 0xFF00){

M0x[CoilReg] |= 1<<CoilBit; }

Hàm Modbus số 16

Hàm 16 có chức ghi giá trị vào chuỗi ghi lưu trữ

Dữ liệu nhận thông qua giao tiếp

Modbus lưu vào biến M_4x lệnh

M_4x[wr_addr+ii] =

buf_rece[7+ii];

Tuy nhiên, biến M_4x biến trung gian để nhận liệu qua giao tiếp Modbus liệu byte Sau nhận được, byte liệu cần thiết biến đổi thành số thực cần thiết lưu vào biến thông số M4x (mảng số thực) thông qua lệnh sau:

jj=(wr_addr+ii)%4; kk=(wr_addr+ii)/4; if (jj<4) {

buf_float[jj] =

buf_rece[7+ii]; }

if (jj==3) {

M4x[kk-1] =

FloatGetFromBuff(); }

Cứ sau byte nhận liệu chuyển thành số thực lưu vào mảng

thông số M4x Chính chuyển liệu

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

04 byte mảng liệu M_4x (byte

0, 1, 2, 3) dùng để lưu trạng thái hệ thống Dữ liệu truyền cho tham số điều khiển byte thứ Chẳng hạn, muốn thay đổi giá trị tham số P000 (tham số đầu tiên) địa bắt đầu phải

wr_addr = 04

các byte có địa 05, 06

07 Khi biến đếm ii chạy từ đến biến

trung gian jj nhận giá trị 0, 1,

3 Trong biến trung gian kk nhận giá

trị 1, 1, (4/4=1, 5/4=1 6/4=1 7/4=1) Ở biến kk có vai trị xác định xem cụm 04 byte liệu nhận thuộc tham số thực (tham số thứ có địa kk nhận giá trị 8/4=2, 9/4=2, 10/4=2 11/4=2)

Khi jj<4 (jj=0, 1, 2, 3) biến mảng trung gian lưu giá trị liệu nhận if (jj<4) {

buf_float[jj] = buf_rece[7+ii]; }

Mỗi jj=3 có nghĩa cụm 04 byte liệu nhận chuyển thành số thực lưu vào biến tham số tương ứng (bắt đầu từ index 0)

if ((jj==3) && (kk>0)) { M4x[kk-1] =

FloatGetFromBuff(); }

KẾT LUẬN

Hệ thống cân băng định lượng điều khiển độc lập thành phần giao tiếp Modbus có khả thay cho sản phẩm nhập tương đương có giá thành cao, chủ động hoàn toàn việc thiết kế, chế tạo, viết phần mềm (firmware), bảo hành, bảo trì nâng cấp sản phẩm Mỗi băng tải thành phần điều khiển điều khiển riêng, có đầy đủ chức đầu vào/ra cần thiết Các điều khiển có khả làm việc độc lập mà không cần điều khiển từ

máy tính Tất điều khiển băng tải riêng rẽ dễ dàng kế nối với hệ thống điều khiển cấp thông qua chuẩn giao tiếp cơng nghiệp Modbus nên tích hợp vào hệ thống có nhà máy cách dễ dàng

LỜI CẢM ƠN

Các tác giả trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tài trợ cho việc nghiên cứu vấn đề đề cập báo

PHỤ LỤC A

Các thông số băng tải [2]

Mômen quán tính động JM 0.0012N/m

Tải trọng Mc 1.1Kg

Tỷ số truyền G

Bán kính lăn R 0.02m

F 970N

0.00267

L 0.74

2

L 1.405

3

L 0.00267

REFERENCES

1 N.T Hưng, N.T.M Hương (2017), “Ứng dụng điều khiển giới hạn chéo hệ thống cân băng điều tốc” Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, tập 173, số 13, 2017 Trang 219-224

2 A Selezneva (2007), Modeling and synthesis of tracking control for the belt drive Msc thesis Lappeenranta University of Technology

3 D He (2007), Energy Saving for Belt Conveyors by Speed Control Delft University of Technology

4 D He, Y Pang, and G Lodewijks (2016), “Determination of acceleration for belt conveyor speed control in transient operation,” IACSIT International Journal of Engineering and Technology, vol 8, no

5 ConveyorBeltGuide (2016) Conveyor components [Online] Available:

Nguyễn Tiến Hưng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 163 - 169

ABSTRACT

DESIGN AND MANUFACTURING A BELT SCALE REGULATOR ALONG WITH MODBUS COMMUNICATION

Nguyen Tien Hung*, Vu Quoc Dong

University of Technology - TNU

Belt scale systems are widely used in many industrial areas such as cement producing, foodstuff, chemical fertilizer Previously, since a belt scale system can be regulated by a computer for all conveyor belts, it is difficult to integrate it into a big and modern industrial line where the input materials are processed automatically until the final products are produced The belt scale regulators with an included industrial communication standard are employed in the belt conveyor systems in order to overcome above limitation However, since international companies usually provide a total solution for a manufacturing process, using different devices of different brand names in an industrial line exhibits some disadvantages of hardware and software incompatibilities This paper presents a design of a belt scale system using regulators with an industrial communication standard Therefore, the regulator can be integrated into different manufacturing systems and communicated with Human Machine Interface devices provided by many famous companies in order to display and store operation data without any computer This guarantees reliability, stability, and continuousness of the overall system

Keywords: Belt scale system, regulator, industrial communication, microcomputer, Modbus

Ngày nhận bài: 13/11/2018; Ngày hoàn thiện: 27/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018

*

http://www.conveyorbeltguide.com/Engineering.html