Sơ đồ hệ thống khí nén của máy được thể hiện ở hình 5.20
Hình 5.20: Sơ đồ hệ thống khí nén máy bóc vỏ.
1- Bộ lọc dầu; 2- Van an toàn; 3- Van một chiều có trở lực lò xo. 4- Các van phân phối; 5,6,7 - Các xy lanh khí nén; 8 – Van giảm áp
5.11.3 Tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén:
Các thông số ban đầu yêu cầu để đảm bảo cho hệ thống xy lanh khí nén có thể họat động được là:
• Lực ép: F = 100 N.
• Áp lực khí nén: p = 6 bar. • Vận tốc ép: v = 2 m/s. • Hành trình ép: 240 mm.
+ Chọn xylanh đóng mở cửa xả liệu và cửa phễu cân.
Lực tác động lên pittong của xylanh được tính toán theo công thức: 2 . . 4 D F =π pµ (*) Trong đó: F = 100N : là lực tác động lên pittông. D: đường kính của xylanh (cm2).
p = 6bar = 6.105 N/m2 : Áp suất tác động lên piston. μ : hệ số hiệu dụng của xy lanh.
Xylanh khí nén làm việc chịu tải trọng động, khi đó do tổn hao về ma sát, do có tính đàn hồi của xylanh khí nén khi chịu tải thay đổi vì vậy hệ số hiệu dụng của xylanh thường chọn bằng 0,5. Từ công thức (*) ta có 5 4 4.100 0,0206 6.10 .0,5 F D p π µ π = = = m = 20,6 mm
Tra bảng thông số của xy lanh, chọn xy lanh có các thông số : - Đường kính xy lanh D = 40 mm.
- Đường kính đầu ty xy lanh : d = 20 mm. - Hành trình dập D = 240 mm. + Chọn xylanh nén trục cao su • Lực ép: F = 100 N. • Áp lực khí nén: p = 6 bar. • Vận tốc ép: v = 2 m/s. • Hành trình ép: 240 mm. 5 4 4.100 0,0282 .2.10 .0,5 F D p π µ π = = = m = 28,2 mm
Tra bảng thông số của xy lanh, chọn xy lanh có các thông số : - Đường kính xy lanh D = 40 mm.
- Đường kính đầu ty xy lanh : d = 20 mm. - Hành trình dập D = 240 mm.
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY BÓC VỎ.
6.1 Các yêu cầu điều khiển của máy bóc vỏ:
Bảng 6.1: Các yêu cầu và đối tượng điều khiển của máy bóc vỏ. STT Yêu cầu điều khiển Đối tượng
điều khiển Điều khiển Nội dung thực hiện
1 Xylanh (2) Van phân
phối ON/OFF
Mở cửa xả liệu xuống phễu cân (4).
2 Xylanh (5) Van phân
phối ON/OFF
Mở cửa xả liệu xuống phễu cấp liệu (6).
3 Xy lanh (13) Van phân
phối
Tạo lực ép giữa hai trục cao su
4 Mức nguyên liệu trong phễu cấp liệu (6) Cảm biến tiệm cận (8) Tín hiệu phản hồi Xác định vị trí hết liệu trong phễu cấp liệu (6).
5 Khối lượng nguyên
liệu trong phễu cân (4) Loadcell
Phản hồi khối lượng
Cân khối nguyên liệu trong phễu.
6 Động cơ rung Biến tần Điều khiển
tần số rung
Tạo chuyển động rung cho máng rung cấp liệu (9).
7 Động cơ servo Điều khiển
vị trí Điều chỉnh vị trí máng nghiêng cấp liệu (11). 8 Giám sát độ mòn trục cao su cố định (16) Cảm biến laser Phản hồi độ mòn Xác định độ mòn của trục cao su, từ đó điều chỉnh các thông số khác.
9 Động cơ trục chính Biến tần Điều khiển tốc độ
Điều chỉnh tốc độ động cơ để duy trì vận tốc dài trục
cao su khi bị mòn.
6.2 Cấu hình phần cứng điều khiển máy bóc vỏ:
Hình 6.2: Cấu hình phần cứng điều khiển máy bóc vỏ.
PLC Màn hình giám sát và điều khiển Van khí nén Loadcell (3) Van khí nén Biến tần Cảm biến tiệm cận (8) Biến tần Bộ điều khiển động cơ servo Van khí nén Cảm biến laser (15) Xylanh (2) Xylanh (5) Động cơ rung (7) Động cơ (10) Động cơ servo (12) Xylanh (13) ON/OFF ON/OFF ON/OFF Encoder từ động cơ servo
Hình 6.3: Cấu hình phần cứng điều khiển máy bóc vỏ
6.3 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống điều khiển máy bóc vỏ:6.3.1 Lựa chọn PLC: 6.3.1 Lựa chọn PLC:
PLC dùng để thu nhận các tín hiệu từ các thiết bị điều khiển và xuất tính hiệu đến các cơ cấu chấp hành để vận hành hệ thống điều khiển. Việc lựa chọn PLC dựa vào số lượng và dạng tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra trong hệ thống.
Hiện nay có nhiều nhà sản xuất PLC như: Siemens, Omron, Mitsubishi, … Trong trường hợp này chọn loại PLC S7-200 của Siemens đáp ứng được các yêu cầu điều khiển các thiết bị đã đặt ra.
Hình 6.4: PLC S7-200 của hãng Siemens. Các thông số kỹ thuật của PLC S7-200 của Siemens:
- PLC S7-200, CPU 224.6ES7214-1BD23-0XB0. - Nguồn cung cấp: 220 VAC.
- Ngõ vào: 14 DI DC. - Ngõ ra: 10 DO Relay.
- Bộ nhớ chương trình: 12 kB. - Bộ nhớ dữ liệu: 8 kB.
- Điều khiển PID: Có.
- Phần mềm: Step 7 Micro/WIN.
- Bit memory/Counter/Timer: 256/256/256. - Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 kHz.
- Bộ đếm lên/xuống: Có.
6.3.2 Lựa chọn màn hình giám sát và điều khiển:
Màn hình điều khiển và giám sát dùng để chứa và lập trình phần mềm điều khiển đồng thời dùng để cài đặt và hiển thị giá trị năng suất của thiết bị. Chọn loại màn hình giám sát và điều khiển TD200 của hãng Siemens để kết nối và lập trình cho PLC do tương thích với PLC S7-200 như đã lựa chọn ở trên.
Hình 6.5: Màn hình giám sát và điều khiển TD200 của hãng Siemens. Các thông số kỹ thuật của màn hình giám sát và điều khiển TD200:
- Độ rộng màn hình: 2,2”. - Loại màn hình: TD200. - Kiểu giao tiếp: Phím bấm.
- Chuẩn truyền thông: RS485, RS232.
- Giao thức truyền thông: MPI, Profielbus DP. - Tương thích PLC: S7-200.
6.3.3 Lựa chọn các cảm biến: a. Cảm biến tải.
Cảm biến tải là cảm biến dùng để cân khối lượng của vật liệu dựa vào tín hiệu hiệu điện thế ngõ ra ứng với một tải trọng nhất định.
Hình 6.6: Một số loại cảm biến tải.
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến tải, loại cảm biến tải của hãng VMC được lựa chọn sử dụng trong trường hợp này là hợp lý và kinh tế vì chúng có một số đặc tính kỹ thuật sau:
Hình 6.7: Cảm biến tải VLC-132 của hãng VMC. - Mức tải tối đa: 60, 100, 250, 500, 635 kg.
- Điện áp biến đổi: 2mV/V ± 10%.
- Khoảng nhiệt độ hoạt động: -200C ÷ +600C. - Điện trở vào: 400±15Ω.
- Điện trở ra: 300±3 Ω. - Quá tải an toàn: 150%.
- Quá tải phá hủy an toàn: 300 %. - Điện áp kích thích: 10 VDC/AC.
b. Cảm biến điện dung:
Cảm biến điện dung dùng để phát hiện sự có mặt của vật liệu là thóc, gạo bên trong hệ thống cấp liệu tự động.
Hình 6.8: Một số loại cảm biến điện dung
Loại cảm biến điện dung được sử dụng ở đây là loại cảm biến của hãng OMRON vì chúng có một số đặc tính kỹ thuật sau:
Hình 6.9: Cảm biến điện dung E2K-C của hãng OMRON. - Đường kính: 34 mm.
- Điện áp cấp: 12 ÷ 24 VDC.
- Công suất tiêu thụ điện: Tối đa 10 mA ở 12 VDC,Tối đa 15 mA ở 24 VDC. - Loại vật có thể phát hiện: Các vật phi kim loại.
- Độ nhạy: Có thể điều chỉnh.
- Khoảng cách phát hiện tối đa hiệu quả: 3 ÷ 25 mm. - Tần số đáp ứng: 70 Hz.
- Chỉ thị: Chỉ đối tượng (LED đỏ).
- Mức độ chịu rung: 10 ÷ 55 Hz, rung 1,5 mm. - Mức độ chịu sốc: khoảng 50 G's.
6.3.4 Lựa chọn đầu cân:
Đầu cân dùng để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến tải sau đó truyền tín hiệu về bộ điều khiển PLC
Hình 6.10: Một số đầu cân.
Việc lựa chọn đầu cân phải phù hợp với tín hiệu ngõ ra của cảm biến tải và phải giao tiếp được với bộ điều khiển PLC. Trong trường hợp này chọn đầu cân của hãng AND là phù hợp.
Hình 6.11: Đầu cân AD4401 của hãng AND (Nhật). Các đặc tính kỹ thuật của đầu cân AD4401 của hãng AND:
- Màn hình hiển thị: VFD.
- Khả năng kết nối loadcell 2 mV/V và 3 mV/V, 4x350 Ω hoặc 8x700 Ω. - Giao tiếp: COM1: RS232/422/485, COM2: RS232/422/485.
- Tốc độ biến đổi A/D: 20 lần/s. - Tín hiệu ngõ vào: 10 - 15 mV. - Điện áp cung cấp loadcell: 5 VDC. - Nhiệt độ làm việc: -100 C ÷+400 - Độ phân giải hiển thị: 10000 e
6.3.5 Lựa chọn biến tần:
Biến tần dùng để thay đổi tần số hoạt động của động cơ từ đó làm thay đổi số vòng quay của động cơ rung.
Hình 6.12: Các loại biến tần.
Hiện nay có nhiều nhà cung cấp biến tần cho các động cơ hoạt động trong môi trường công nghiệp như: Siemens. ABB, VDF,…Trong trường hợp này sử dụng biến tần của hãng ABB là phù hợp với công suất động cơ yêu cầu.
Hình 6.13: Biến tần ACS55-01N-02A2-2 cuả hãng ABB. Các thông số kỹ thuật của biến tần ACS55-01N-02A2-2:
- Công suất: 0,75 kW. - Điện áp cấp: 220 V.
- Dãy công suất: 0,18…2,2 kW. - Đạt chuẩn IP20.
- Dãy tần số: 0-120 Hz - Ba đầu vào số (DI)
- Một đầu vào tương tự (AI). - Một đầu ra rờ le (RO)
6.3.6 Lựa chọn động cơ servo và bộ điều khiển động cơ servo :
Động cơ servo được điều khiển bởi bộ điều khiển servo thông qua bộ đo tốc độ vòng quay (Encoder). Động cơ servo có các đặc điểm sau:
- Điều khiển vị trí chính xác. - Moment lớn.
- Thời gian đáp ứng nhanh. - Kết nối được với PLC.
Trên thị trường các thiết bị này được cung cấp thành một bộ để tương thích với nhau. Có nhiều nhà cung cấp động cơ và bộ điều khiển servo như: OMRON, Siemens, Mitsubishi,… Trong trường hợp này lựa chọn động cơ và bộ điều khiển servo của hãng OMRON là hợp lý.
Hình 6.14: Động cơ Servo AC A10030 và bộ điều khiển servo R7D-AP01H của hãng OMRON.
Các thông số kỹ thuật của ĐỘNG cơ Servo AC A10030 và bộ điều khiển servo R7D-AP01H:
Động cơ Servo AC A10030: - Công suất: 200 W.
- Moment danh nghĩa: 0,637 N.m. - Moment tối đa: 1,91 N.m.
- Tải xoay cho phép: 245N.
- Độ phân giải của encoder: 2.000 xung / vòng quay cho pha A và pha B, 1 xung/ vòng quay cho pha Z.
- Công suất tiêu thụ: 7 W. - Dòng điện tiêu thụ: 0,29 A.
Bộ điều khiển servo R7D-AP01H: - Công suất: 200W.
- Dòng điện ra: 2rms.
- Dòng điện ra tối đa: 6 rms.
- Nguồn cấp: Nguồn 1 pha 200/230 VAC (từ 170 đến 253V) tần số 50/60 Hz. - Phương pháp điều khiển: Điều khiển số.
- Phản hồi tốc độ 2000 xung/ vòng quay sử dụng encoder lũy tiến. - Đáp ứng xung điều khiển: 250 kHz.
- Nhiệt độ hoạt động: 0 tới 550C.
- Độ ẩm hoạt động tối đa: 90% (không ngưng tụ).
- Khả năng chịu rung 10 tới 55 Hz theo các chiều X, Y, Z. - Điện trở cách điện giữa dây nguồn với vỏ: tối thiểu 0,5 MΩ.
6.4 Các giải thuật điều khiển máy bóc vỏ:
6.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển máy bóc vỏ:
NO START
Người vận hành điều chỉnh năng suất, tốc độ và áp suất.
Yêu cầu chọn lựa loại lúa, đo độ ẩm của lúa Yêu cầu chuyển sang chế độ Man để cài cài đặt lại các thông số cho phù hợp
Khởi động máy ở chế độ Man Man
Người vận hành bấm nút mở máy
Chế độ Auto
Mở xylanh (1.15)
Đo độ mòn từ cảm biến (15) Điều khiển đ/cơ (12), chính máng (11)
Đóng xylanh (5), Mở Xylanh (2)
NO YES
Mphễu (4) Mmax
Đóng xylanh (2), Đọc tín hiệu KL từ loadcell (3) Mở xy lanh (5)
NO
YES Xylanh (13) mở
Khởi động động cơ trục chính (10)
Khởi động timer đo năng suất Khởi động động cơ rung (7)
Đóng xy lanh (13)
NO YES
CB (8) báo có thóc Đọc giá trị các Núm chỉnh năng suất, tốc
độ, áp suất và hiển thị lên text screen YES Chế độ
Auto
NO YES
Lấy các bộ thông số vận hành tương ứng cho loại lúa/ độ ẩm làm tín hiệu đặt vận hành
Loại lúa/ độ ẩm đã biết
6.4.2 Lưu đồ giải thuật khi vận hành bằng tay
Khởi động động cơ trục chính (10) Khởi động máy ở chế độ Man
NO YES
Xylanh (13) mở Mở xylanh (13)
Đo độ mòn từ cảm biến (15)
Điều khiển đ/cơ (12) để chỉnh máng nghiêng (11) Đóng xylanh (5), Mở Xylanh (2)
NO YES
Mphễu (4) Mmax
Đóng xylanh (2), Đọc tín hiệu KL từ loadcell (3) Mở xy lanh (5)
NO YES
CB (8) báo có thóc
Khởi động timer đo năng suất / Khởi động động cơ rung (7)/ Đóng xylanh (13)
ZZZKhởi động đ/cơ rung ( 1.11)
N O YES
CB (8) báo hết thóc
Đọc thời gian từ Timer Khởi động lại Timer Mở Xylanh (5) Tính NS = Mphễu(4) / Ttimer Chỉnh tần số rung của(7) Đóng xylanh (5) Mở Xylanh (2) Đóng xylanh (2) Đọc tín hiệu KL từ (3) N O YES Mphễu (4) Mmin N O YES Mphễu (4) Mmax Đo độ mòn từ cảm biến (15) Chỉnh tốc độ động cơ (10) Chỉnh động cơ servo (12) Cập nhật các thông số cài đặt mới của người vận hành
N O
Cập nhật các thông tin vận hành cho loại gạo tương ứng vào cơ sở dữ liệu
Chế độ Auto
YES
Yêu cầu ghi nhận thông tin loại gạo/ độ ẩm Chế độ Auto N O N O Chế độ Auto Chế độ Auto
6.4.3 Lưu đồ giải thuật khi vận hành tự động:
N O YES
CB (8) báo hết thóc
Đọc thời gian từ Timer Khởi động lại Timer Mở Xylanh (5) Tính NS = Mphễu(4) / Ttimer Chỉnh tần số rung của (7) N O YES Mphễu (4) Mmin Đóng xylanh (5) Mở Xylanh (2) N O YES Mphễu (4) Mmax Đóng xylanh (2) Đọc tín hiệu KL từ (3) Đo độ mòn từ cảm biến (15) Chỉnh tốc độ động cơ (10) Chỉnh động cơ servo (12) Đóng xy lanh (2), Mở xy lanh (5) Mở xy lanh (13) Ngắt động cơ rung (7) Ngắt động cơ trục chính (10) END YES Chế độ Auto NO STO P YES NO Cảm biến (8) báo hết thóc
+ Các thông số đầu vào được nhập vào cơ sở dữ liệu trước khi vận hành bao gồm: kích thước thóc, giá trị độ ẩm, điều chỉnh các núm chỉnh năng suất, vận tốc dài trục cao su, áp suất khí nén ban đầu.
+ Trong quá trình vận hành kiểm tra giá trị tỷ lệ gãy vỡ và tỷ lệ bóc vỏ bằng thiết bị đo, nếu đạt yêu cầu ghi nhận các giá trị áp suất khí nén, vận tốc dài của trục cao su, vị trí máng nghiêng rãi liệu, tỷ lệ gãy vỡ, tỷ lệ bóc vỏ vào cơ sở dữ liệu.
+ Từ độ mòn đo được từ cảm biến laser, tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ để đảm bảo duy trì vận tốc dài, và điều chỉnh vị trí máng nghiêng rãi liệu.
+ Các bộ thông số được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu:
- Các thông số của vật liệu (kích thước thóc, độ ẩm thóc…) .
- Các thông số kỹ thuật và vận hành (áp suất khí nén, vận tốc dài, vị trí máng nghiêng rãi liệu).
- Các yếu tố mục tiêu (tỷ lệ bóc vỏ, tỷ lệ gãy vỡ).
+ Lần vận hành sau thì dựa vào yếu tố mục tiêu yêu cầu đạt và thông số ảnh hưởng đầu vào thì bộ điều khiển tự động lựa chọn thông số vận hành phù hợp với yêu cầu.
KẾT LUẬN
- Luận văn đã đưa ra các giải pháp cải tiến để nâng cao năng suất, tỷ lệ bóc vỏ, giảm tỷ lệ gãy vỡ.