• Cân khối lượng một nguyên liệu
Trên cơ sở phân tích các nguyên nhân gây ra sai số cân, phương pháp nâng cao độ chính xác quá trình cân thực chất là giảm thiểu thậm chí là loại bỏ ảnh hướng của các yếu tố gây sai số, cụ thể :
- Đối với sai số gây ra do sự rung động khi nguyên liệu rơi xuống silo cân, do nhiễu của bản thân hệ cân, cần sử dụng bộ lọc giá trịđầu vào, giá trị cân do PLC đọc từ hệ cân là giá trị số nên có thể sử dụng phương pháp đơn giản là lấy 2 đến 3 giá trị gần nhất đọc được chia trung bình lấy kết quả làm giá trị thực.
Giả sử PLC đọc giá trị cân từ hệ cân theo chu kỳ T = 50ms, kết quả lần đọc thứ n là x(n), giá trị cân được tính bằng :
- Đối với sai số cột rơi, sai số do độ trễ của cơ cấu chấp hành, có thể giảm thiểu bằng phương pháp sau :
- Giả thiết : 1) Vít tải là van đóng mở kiểu on-off 2) Cột rơi có thể tích V.
3) Nguyên liệu cân trong cột rơi có khối lượng riêng D.
Như vậy, sai số cân do cột rơi, trễ của cơ cấu chấp hành, đặc tính vật liệu có thể gộp lại và được tính bởi công thức:
m = V*D (kg) (2)
Thực tế, V là phần thể tích nguyên liệu tính từ lúc chương trình điều khiển ra lệnh đóng vít tải, D là khối lượng riêng nguyên liệu phụ thuộc vào mật độ cột rơi và đặc tính nguyên liệu(độẩm…)
Bản chất hệ thống cân và PLC trao đổi dữ liệu bằng số nên khối lượng m xác định trong (2) hoàn toàn mang tính lý thuyết, làm cơ sở xây dựng phương pháp giảm sai số.
Giả sử cần cân khối lượng nguyên liệu là x0, khi chương trình điều khiển đọc được giá trị x0 từ hệ cân sẽ ra lệnh đóng vít tải, nhưng do có độ trễ và cột rơi nên khối lượng nguyên liệu thực tếở silo cân là x1>x0, sai số cân là :
dx = x1 – x0 (3)
dx chính là đại diện của m trong (2) còn gọi là giá trị offset.
Do đó, để khối lượng nguyên liệu được cân đúng là x0, thì giá trịđặt khi cân là: x1’ = x0 – dx (4)
Trong (2) ta thấy, ngoài việc dx phụ thuộc vào V là đại lượng hầu như không thay đổi (đối với 1 hệ cân), dx phụ thuộc vào D, tức là phụ thuộc mật độ cột rơi, độ ẩm của nguyên liệu cân, do trong quá trình vận hành, D có thể thay đổi dẫn đến dx cũng thay đổi, vì vậy giá trị dx cần được cập nhật trong quá trình cân.
Như trên hình vẽ ta thấy, đối với 2 đường đặc tính nguyên liệu khác nhau, tức là mật độ cột rơi khác nhau, độẩm nguyên liệu khác nhau thì trong cùng khoảng thời gian t1 tương ứng cùng thể tích nguyên liệu qua vít tải, khối lượng nguyên liệu cân được cũng khác nhau, ta có :
k = x1 : x2 = D1 : D2 (5)
Coi V không đổi ta cũng có:
k = dx1 : dx2 (6)
Như vậy, từ các công thức (4), (5), (6) ta có thể cân đúng được khối lượng nguyên liệu x0 nếu biết :
1) Giá trịđọc từ hệ cân x2 2) Sai số cân thử dx1
3) Độ thay đổ khối lượng riêng k.
x0 = x2 + (dx1 : k)
hay: x2 = x0 – (dx1 : k) (7)
Vấn đề còn lại là phải xác định hệ số k trong công thức (7).
Từ (5) cho ta một các để xác định k, k chính là độ thay đổi khối lượng nguyên liệu qua vít tải trong một đơn vị thời gian của lần cân hiện tại so với lần cân thử.Trước đó giả thiết rằng khi cân thử khối lượng nguyên liệu x0 trong khoảng thời gian t0, ở lần cân hiện tại giá trị cần cân là x, khi giá trị cân được là x/2 mất khoảng thời gian là t, ta có :
k = (x0 : t0) : (x : (2*t)) = 2*x0*t : x : t0 (8)
Đối với một lần cân thì các giá trị x0, t0, x, t là xác định được, do đó k xác định được theo (8). Giá trị cần cân được xác định theo (7).
• Cân một mẻ cân
Do các bố trí các silo cân và silo cấp liệu trong dây chuyền công nghệ, đối với một mẻ cân, các nguyên lieu được cân theo kiểu cộng dồn từng nguyên liệu cho đến khi đủ một mẻ cân thì hỗn hợp nguyên liệu mới được băng tải vận chuyển đến công đoạn nghiền. Mặt khác, các nguyên liệu khác nhau thỉ tỉ trọng khối lương trong một mẻ cân khác nhau tương đối nhiều, để đảm bảo chính xác khối lượng các nguyên liệu trong một mẻ cân, cần phải có một trình tự hợp lý:
- Thành phần nguyên liệu có tỉ trọng khối lượng nhỏ thì dùng cân nhỏ. - Cân lần lượt các nguyên liệu có tỉ trong khối lượng từ nhỏđến lơn. - Giữa các lần cân cần đảm bảo khoảng thời gian trễ hợp lý sao cho giá trị
khối lượng nguyên liệu được cân trong lần cân đó là giá trị thực, không còn sai số do cột rơi và độ khô ẩm gây ra.
Giá trị thực cân của các nguyên liệu có thể vẫn khác so với tính toán, tuy nhiên, do việc áp dụng thuật toán cho một lần cân ở trên nên sai số đã được giảm, mặt khác, do trình tự cân từ nguyên liệu có tỉ trọng khối lượng từ nhỏ nhất đến lớn nhất dẫn tới sai số cân của nguyên liệu nhỏđược bù vào khối lượng nguyên liệu có tỉ trọng lớn, sai số của một mẻ cân được giảm đến mức tối đa theo thuật toán điều khiển.
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ CÂN ĐỊNH LƯỢNG
3.1. Yêu cầu điều khiển giám sát hoạt động của hệ thống.
3.1.1. Yêu câu điều khiển hệ thống.
Công đoạn cân định lượng dùng để định lượng các thành phần nguyên liệu sản xuất thức ăn chăn nuôi theo một tỉ lệ đặt trước với sai số trong giới hạn cho phép. Vì thế chức năng của nó sẽ là vận chuyển và cân định lượng từng loại nguyên liệu trước khi cho vào quá trình trộn và xẻ mảnh. Vậy, ta phải thiết kế được hệ thống điều khiển các cơ cấu chấp hành như các van, vít tải, băng truyền để dẫn nguyên liệu vào bàn cân, và xả nguyên liệu từ bàn cân. Đồng thời ta phải thiết kế hệ thống đo đạc trọng lượng cho 2 hệ cân sử dụng Load Cell là phần tử cảm biến trọng lượng. Quy trình điều khiển công đoạn cân định lượng này sẽ được nói kỹ ở phần lập trình chương trình điều khiển cho PLC S7-300.
3.1.2. Yêu cầu giám sát hoạt động của hệ thống.
Sau khi xây dựng được hệ thống điều khiển, đo lường ta cần xây dựng giao diện vận hành giám sát hoạt động của hệ thống. Giao diện cần phải thân thiện dễ sử dụng với người vận hành hệ thống. Ở đây, ta dùng WinCC để xây dựng giao diện vận hành giám sát hoạt động của hệ thống.
3.2. Lựa chọn Load Cell và xây dựng mạch chuyển đổi.
3.2.1. Nguyên lý hoạt động của Load Cell.
Loadcells được sử dụng gần như trong mọi hệ thống cân điện tử. Cảm biến loadcell là loại cảm biến được thiết kế riêng đểđo lực. Vì vậy nó được dùng trong hệ thống cân định lượng.
Cấu tạo của Loadcell gồm 1 thanh dầm hoặc vòng tròn (có thể biến dạng được), có dán 4 cảm biến đo biến dạng( chính là 4 điện trở tenzo) tại những vị trí đảm bảo gần như chính xác tuyệt đối. Khi thanh dầm (hoặc vòng tròn) biến dạng thì 2 cảm biến chịu biến dạng kéo(1 và 3) có cùng điện trở R+dR, 2 cảm biến chịu biến dạng nén( 2 và 4) có cùng điện trở R-dR. 4 điện trở tenzo này được mắc hình cầu.
Có 1 nguồn áp 1 chiều để cung cấp cho mạch cầu (E1). Tín hiệu ra là điện áp 1 chiều (E0).
Hình 3. 1: Loadcell
Loadcell được chế tạo với nhiều giới hạn khác nhau. Trong giới hạn làm việc, đặc tính của Loadcell được xem là tuyến tính.
Khi sử dụng ta cần phải biết các thông số của Loadcell: - Giới hạn đo(full- scale load).
- Điều kiện làm việc.
- Điện áp nguồn cung cấp(excitation voltage). - Độ nhạy của Loadcell( output at rate capacity).
Độ nhạy của Loadcell thường được cho dưới dạng tín hiệu ra của Loadcell tương ứng với lực tác động cực đại lên Loadcell khi nguồn cung cấp là 1 V. Tín hiệu ra của Loadcell sẽ tỉ lệ với điện áp cấp cho mạch cầu.
• Nguyên lý hoạt động của Load Cell.
Loadcell thực chất là một loại chuyển đổi đo lực. Thiết bị này chuyển đổi lực hay khối lượng thành tín hiệu điện.
Máy đo lực căng là trái tim của loadcell. Cảm biến lực căng là là thiết bị có điện trợ thay đổi khi bị kéo hoặc nén. Các cảm biến được phát triển từ lá kim loại nhiệt luyện rất mỏng và được ghép với nhau thành một lớp điện môi mỏng. Các miếng cảm biến được gắn với một phần tử kéo căng bằng chất kết dính đặc biệt. Vị
trí chính xác của cảm biến đo, cách thức gắn và vật liệu được sử dung đều có ảnh hưởng tới khả năng đo của loadcell.
Hình 3. 2: Nguyên lý hoạt động của Load Cell
Mỗi miếng cảm biến bao gồm một hoặc nhiều dây được gắn lên bề mặt của đòn cân, đai hoặc cột (phần tử kéo căng) trong loadcell. Khi bề mặt mà cảm biến gắn vào bị kéo căng ra, các dây kéo hoặc nén và thay đổi điện trở của nó tỉ lệ với tải. Một hoặc nhiều cảm biến lực căng được sử dụng để tạo nên một loadcell.
Nhiều cảm biến được nối với nhau tạo thành bốn nhánh của cầu Wheatstone. Khi điện áp vào đặt lên cần, đầu ra sẽ có một điện áp tỷ lệ với lực tác dụng lên loadcell. Tín hiệu đầu ra này có thể khuếch đại và xử lý bằng các thiết bị đo phù hợp.
Hình 3. 3: Một số loại Load Cell
3.2.2. Lựa chọn các loại Load Cell cho hệ cân.
Dựa vào yêu cầu công nghệ và đặc thù bài toán cân định lượng trong nhà máy, phải chọn Loadcell sao cho phù hợp. Đạt được các mục tiêu ổn định, chính xác, làm việc trong môi trường khác nghiệt. Ngoài ra tiêu chí giá thành cũng rất quan trọng, do đó các Loadcell được chọn có tải định mức bằng với tải định mớc của cân.
*Với cân C1
Cân mức 500kg ta chọn Loadcell SUL, là loại Loadcell thích hợp cho tải định mức 500kg làm. Có độ bền cao, có khả năng làm việc trong môi trường bụi bẩn.
¾ Đặc điểm, kích thước
Tính năng kỹ thuật Đơn vị Thông số kỹ thuật
Điện áp ra mv/v 2.0±0.1% 3.0±0.1% Cân bằng điểm 0 %F.S. ±2 Đại số tuyến tính %F.S. 0.03 Độ trễ (30min) %F.S. 0.03 Hiệu ứng nhiệt độ tại ngõ ra %F.S./10oC 0.025 Hiệu ứng nhiệt độ tại thời 0 %F.S./10oC 0.025 Điện trở ngõ vào Ω 385±30 Điện trở ngõ ra Ω 350±4 Cách điện MΩ >2000/50VDC Điện áp kích thích V 10 Điện áp kích thích tối đa V 15 Nhiệt độ làm việc oC -10~40 Nhiệt độ làm việc mở rộng oC -20~60 Bảo vệ quá tải %F.S. 150 Quá tải cho phép %F.S. 200 Kích thước dây dẫn mm Ф5x6000 Cấp bảo vệ IP68 (mm) kg A B C D E F G H 0.5k 15.8 25.4 76.2 130.2 31.8 31.8 13.5 21/2-20UNF M2x1.75
* Với C2
Cân mức 2000kg, đòi hỏi Loadcell có dải làm việc đủ lớn để chịu tải trong quá trình làm việc nên không sử dụng Loadcell SUL , ta dùng cảm biến Loadcell STA- 2-2000 thích hợp đểđo lực kéo và lực nén.
Hình 3. 5: STA-2-2000 Load Cell
¾ Tính chất:
- Vỏ thép chống rỉ.
- Loadcell STA-2-2000 có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt.. - Tải định mức giới hạn : 2000kg. - Khả năng làm việc quá tải : 150% tải định mức. - Khả năng chịu tải giới hạn : >300% tải định mức. - Đầu ra : 2mV/V với tải định mức (±0.25%). - Độ chính xác : <±0.03% tải định mức. - Cầu điện trở : 350Ω - Điện áp kích thích : bình thường 10vdc, tối đa là 15vdc. - Điện trở cách điện : >500MΩ @ 100vdc - Dải nhiệt độ hoạt động : -20°C đến +70°C - Cấp bảo vệ : IP68
Hình 3. 6: Kích thước của Loadcell
Trong hệ cân lớn, phễu cân sẽ được treo vào nhiều Loadcell, các Loadcell được đồng bộ qua một hộp đấu dây có nhiệm vụ cộng các tín hiệu cân của các Loadcell và truyền về bộđiều khiển để xử lý.
3.2.3. Xây dựng mạch khuếch đại tín hiệu.
Điện áp đầu ra của 2 loại Load cell của 2 hệ cân đều là từ 0-2mv/V. Vì thế ta sẽ cấp nguồn hoạt động cho các Load Cell là 5V, khi đó điện áp đầu ra sẽ là 0-10mv tương ứng với tải lực. Điện áp này quá nhỏ, vì thế ta cần khuếch đại điện áp này lên thành từ 0-10V tương thích với điện áp đầu vào của các cổng vào tương tự của PLC.
Các tín hiệu điện áp này có thể coi là các tín hiệu vi sai, tương đối nhỏ nên cần phải khuếch đại lên một mức phù hợp . Ởđây chúng ta dùng đến bộ khuếch đại dụng cụ đo, có khả năng khuếch đại chính xác các tín hiệu vi sai đồng thời loại bỏ được các tín hiệu nhiễu đồng pha lớn. Đặc điểm của bộ khuếch đại này là có trở kháng vào cao, độ trôi thấp.
Hình 3. 7: Mạch khuêch đại vi sai
Ở tầng khuêch đại vi sai này ta chọn hệ số khuêch đại là K=1000 lần. Đầu vào VREF dùng để chỉnh 0. Đểđiều hệ số khuêch đại ta điều chỉnh RV1.
3.2.4. Xây dựng mạch lọc thông thấp.
Trước khi tín hiệu được đưa vào module tương tự của PLC, cần có các các biện pháp lọc nhiễu triệt để làm tăng độ chính xác của tín hiệu đo. Các nguồn nhiễu chủ yếu là:
- Nhiễu do nguồn điện lưới. - Nhiễu từ trường.
- Nhiễu do rung cơ khí.
Tùy từng loại nhiễu cụ thể mà ta dùng các phương pháp lọc nhiễu khác nhau. Chẳng hạn như nhiễu do từ trường ta phải dùng hộp bọc có tác dụng cản từ trường.
Một loại nhiễu mà chúng ta cần hết sức quan tâm là nhiễu do nguồn điện lưới có tần số 50Hz gây nên. Để lọc nhiễu này, ta dùng bộ lọc thông thấp tích cực Butterworth. Bộ lọc này gồm tổ hợp điện trởđiện dung và một hoặc nhiều phần tử tích cực như OP-AMP có sử dụng hồi tiếp. Các bộ lọc tích cực RC có thể chế tạo dễ dàng với kích thước vật lý hợp lý và đặc tuyến tần số của chúng tiến sát tới dạng lý tưởng.
Sơđồ nguyên lý của bộ lọc nhiễu Butterworth như sau:
Hình 3. 8: Mạch lọc thông thấpSallen-Key Butterworth
Đặc tính tần số:
3.2.5. Xây dựng mạch khuếch đại đệm.
Sau hai tầng khuếch đại và lọc nhiễu, ta sử dụng bộ khuếch đại đệm. Bộ khuếch đại đệm này có trơ kháng đầu vào lớn và trở kháng đầu ra nhỏ nên không làm suy hao tín hiệu khi đưa tín hiệu điện áp vào module vào tương tự của PLC.
Hình 3. 10: Mạch khuếch đại đệm
3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng S7-300.
3.3.1. Giới thiệu về S7-300.
Hình 3. 11: Siemens PLC S7-300
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) viết tắt là PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộđiều khiển
số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đăc biệt dễ thay đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với các PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối trương trình (khối OB, FC hoăc FB) và được thực hiên lặp theo chu kỳ của vong quét.
Hình 3. 12: Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộđiều khiển logic khả trình
(PLC)
Để có thể thực hiên được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều