VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Khi tiến hành lựa chọn thiết bị cho một hệ thống nào đó thì sẽ có rất nhiều phương án để lựa chọn thiết bị, và với cùng một thiết bị nhưng của nhiều hãng sản xuất khác nhau trên thị trường. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống điều khiển tự động là lựa chọn được các thiết bị điều khiển và đo lường tốt nhất cho hệ thống, vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống lại rẻ về chi phí đầu tư và chi phí bảo dưỡng, thay thế dễ dàng, có khả năng mở rộng được hệ thống trong tương lai. Đặc biệt, đối với các thiết bị làm việc trong các môi trường làm việc khác nhau sẽ có các phương án lựa chọn khác nhau để phù hợp với các yêu cầu công nghệ của hệ thống đề ra. Một yếu tố quyết định cho tuổi thọ của thiết bị nói chung đó là: thiết bị phải được chế tạo bằng loại vật liệu sao cho phù hợp với môi trường mà thiết bị đó làm việc. Ở hệ thống cân băng định lượng, các thiết bị phải làm việc trong môi trường thức ăn, bụi cám, nên đòi hỏi rất khắt khe về vật liệu làm thiết bị. Ngoài các yếu tố về độ chính xác, nhiệt độ môi trường, độ IP ( độ bảo vệ của thiết bị với môi trường bên ngoài ), độ an toàn với môi trường, chức năng của loại thiết bị đó để làm gì, loại thiết bị đó do hãng nào sản xuất, làm việc liên tục hay không liên tục, nếu mà làm việc liên tục thì dải làm việc của thiết bị như thế nào và đưa ra đầu ra là tín hiệu ( dòng điện hay điện áp )… Sau khi đã lựa chọn cho thiết bị với đầy đủ các thông số kỹ thuật như trên thì cuối cùng sẽ lựa chọn ra loại thiết bị cần cho hệ thống và mã sản xuất của thiết bị đó.
Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của cân băng định lượng, các thiết bị sẽ được lựa chọn cho mạch điều khiển gồm các thiết bị sau:
+ Thiết bị điều khiển
+ Thiết bị điều khiển giám sát
+ Thiết bị đo: đo khối lượng nguyên liệu trên băng tải, đo tốc độ băng tải + Các thiết bị bảo vệ mạch
3.1. Bộ điều khiển
3.1.1. Phương án bộ điều khiển dùng vi xử lí
Trong hệ thống cân băng định lượng có thể sử dụng vi xử lí cho hệ thống điều khiển. Nhưng để thiết kế được bộ điều khiển dùng vi xử lí tốn nhiều thời gian và kinh phí cho quá trình thiết kế. Môi trường sản xuất thức ăn công nghiệp nhiều yếu tố gây nhiễu về nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện sản xuất khắc nghiệt như rung lắc, bụi để bộ điều khiển sử dụng vi xử lí có thể được chấp nhận sử dụng thì phải trải qua nhiều quá trình kiểm tra, kiểm định để đảm bảo thỏa mãn các tiêu chuẩn trong nghiệp như IP, NEMA,... gây tốn rất nhiều thời gian. Ngoài ra, việc chế tạo vi mạch đòi hỏi công nghệ chế tạo vi mạch rất khắt khe vì vi mạch có khả năng kháng nhiễu thấp, dễ bị nhiễu trong những môi trường làm việc phức tạp với bụi bẩn, sóng hài từ các thiết bị công suất trong công nghiệp, phụ thộc nhiều vào kĩ thuật làm mạch. Do vậy, việc sử dụng bộ điều khiển trung tâm - vi xử lý là phương án không phù hợp trong hệ thống này.
3.1.2. Phương án bộ điều khiển PLC .
Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC được các hãng sản xuất thiết kế và kiểm định thỏa mãn các tiêu chuẩn nhất định trong công nghiệp để phù hợp với môi trường hoạt động theo yêu cầu. PLC có ngôn ngữ lập trình xác định như LAD, STL, FPD nên dù có nhiều hãng sản xuất PLC nhưng cách lập trình lại gần như nhau nên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lập trình. Xét về tính tiện dụng thì PLC là thiết bị được tích hợp sẵn, còn vi xử lý thì phải chế tạo mạch và các linh kiện khác. Như vậy, với chương trình điều khiển, PLC là bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng khối chương trình ( OB, FC, FB… ) và được thực hiện với chu kỳ quét. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer, Counter và các hàm chức năng đặc biệt khác.
Từ yêu cầu của hệ thống và những phân tích trên chọn bộ điêu khiển cho hệ thống điều khiển trong mô hình cân băng đinh lượng là PLC.
Hiện nay, có các hãng sản xuất PLC nổi tiếng và phổ biến như: Siemen, Mitsubishi, Omron có PLC ở các phân khúc khác nhau như:
- Mini PLC - có thể điều khiển từ 15 đến 128 điểm I/O: Logo ( Siemens) ; ZEN ( Omron); Zeilo ( Schneider).
- Great PLC - có thể thực hiện tới trên 512 điểm I/O : S7-300, S7-400, S7- 1500 ( Siemens); CJ1M ( Omron) ; MELSEC Q , MELSEC A (Mitsubishi).
Tuy nhiên, Siemen là hãng sản xuất PLC đã có mặt ở Việt Nam từ lâu, hỗ trợ thiết bị cho nhiều trường đại học để giảng dạy và được khá nhiều trường học lựa chọn là hãng thiết bị để sinh viên tiếp cận, học. Ngoài ra, trong các nhà máy sản xuất hiện nay chủ yếu sử dụng PLC của hãng Seimens do vậy khả năng tiếp cận thiết bị PLC Siemen dễ dàng và thuận lợi hơn.
Các dòng Siemen có mặt ở Việt Nam hiện nay như:
+ S7-200: dòng sản phẩm trung bình có ứng dụng cho các dự án với I/O khoảng 128.
+ S7-300 và S7-400: là dòng sản phẩm cao cấp cho các dự án vừa đến lớn, có số lượng I/O lớn, viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, thời gian đáp ứng nhanh.
+ Logo dòng sản phẩm cho các ứng dụng nhỏ khoảng 16-24 I/O
+ S7-1500: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7 - 300, S7- 400 vừa được ra mắt trong thời gian gần đây với những ưu điểm vượt trội. S7- 1500 có truyền thông profinet với giắc cắm RJ 45, đây là loại giắc cắm tiện dụng, phổ biến nhưng lại có độ bền cơ học không cao bằng giắc cắm chuẩn RS 485 của S7 – 300.
+ S7-1200: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7-200, tích hợp sẵn giắc cắm RJ 45 cho truyền thông qua cổng Ethernet có thể kết nối PC-PLCs, PLCs-HMI, PLCs-PLCs. Tốc độ truyền thông profinet 10/100Mbits/s, tích hợp tính năng đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình.
Nhận thấy hệ thống cân băng định lượng có số lượng đầu vào ra ít, cần có truyền thông với HMI nên cần bộ điều khiển nhỏ gọn, tích hợp sẵn các tính năng cần thiết trên PLC và giá thành thấp nên ta lựa chọn dùng trong hệ thống là PLC
S7 – 1200 của hãng Siemen.
Kết luận: Do yêu cầu công nghệ của hệ thống cân băng định lượng cần các đầu
vào, đầu ra như:
+ 1 Tín hiệu analog vào của loadcell : 0-10V
+ 1 Tín hiệu vào của xung Encoder : 2000(xung/vòng)*0.56(vòng/s)=1120Hz - Có giao thức truyền thông Modbus RTU để giao tiếp với biến tần
- Có truyền thông Profinet để kết nối với màn hình HMI - Có PID số
Nên lựa chọn PLC S7-1200 1214C AC/DC/RLY
Hình 3.2. PLC S7-1200 1214C AC/DC/RLY
- Mã sản phẩm : 6ES7214-1BE30-0XB0
- Cấp độ bảo vệ : IP20.
- 14 ngõ vào số ( DI), 10 ngõ ra Relay( DQ). - 2 ngõ vào Analog(AI) 0 - 10V.
- Điện áp cấp : 85 - 260V AC. - 1 Cổng kết nối RJ 45 .
- Bộ nhớ dữ liệu 50KB, Bộ nhớ chương trình 50KB. - 3 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) 100kHz - 3 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) 30kHz
3.1.3. Module truyền thông
Biến tần LS IG5A có khả năng truyền thông Modbus RTU nên để có thể giao tiếp với biến tần qua truyền thông thì PLC S7-1200 cần một module có khả năng truyền thông theo giao thức RS 485.
Nên lựa chọn Module truyền thông CM 1241 RS422/485
Hình 3. 3. CM 1241 RS422/RS485
+ Nguồn cấp 24VDC được cấp thông qua PLC. - Lắp đặt: ghép nối với PLC S7-1200 thông qua jack cắm
3.3. Màn hình điều khiển và giám sát
Hệ thống cân băng định lượng của đề tài cần một thiết bị HMI đặt tại hiện trường . HMI cần có khả năng kết nối với bộ điều khiển PLC S7-1200 qua truyền thông Profinet và có chỉ số IP phù hợp với môi trường sản xuất thức ăn.
Trên màn hình của HMI cần có các nút ảo để thay thế cho các nút bấm vật lí để người vận hành thao tác điều khiển hoạt động của mô hình cân băng định lượng của đề tài. Ngoài ra, trên HMI cần có các I/O Field để nhập các số liệu, cài đặt các thông số kĩ thuật xuống PLC S7-1200 và hiện thị số liệu được đưa từ PLC S7-1200 giúp giám sát trực tiếp các thông số của hệ thống theo thời gian thực.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại HMI, nhưng để đồng bộ , kết nối dễ dàng với bộ điều khiển PLC S7-1200 và có kích thước nhỏ gọn nên ta chọn màn hình SIMATIC HMI KTP400 BASIC của hàng Seimens.
Hình 3. 4. SIMATIC HMI KTP400 BASIC Thông tin kĩ thuật của màn hình :
- Mã : 6AV2123-2DB03-0AX0 - Nguồn cấp : 24VDC 0.1A - Giao thức kết nối : Profinet
- Kích thước màn hình cảm ứng : 4” - Cấp độ bảo vệ : IP65
3.2. Cảm biến đo khối lượng..
Hệ thống cân băng định lượng của đề tài cần một thiết bị cảm biến để đo khối lượng nguyên liệu rắn trên băng tải trong khi băng tải hoạt động, chịu được rung lắc, có độ nhạy cao, nhỏ gọn để có khả năng gắn ngay dưới băng tải . Có nhiều phương pháp để đo khối lượng thông qua đo thể tích, đo mức hoặc đo lưu lượng. Nhưng chính xác nhất vẫn là đo trực tiếp và loại cảm biến để đo khối lượng chất rắn phù hợp và phổ biến nhất hiện nay là Cảm biến lực ( Loadcell).
Qua nghiên cứu và khảo sát các loại Loadcell hiện đang có trên thị trường : - Theo lực tác động :Loadcell chịu kéo; Loadcell chịu nén ; Loadcell chịu uốn ; Loadcell chịu xoắn
- Theo hình dạng : dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu và dạng chữ S Nguyên liệu trên băng tải và băng tải tác dụng lực thẳng đứng từ trên xuống, kết cấu cơ khí mô hình cân băng định lượng có dạng hình chữ nhật .
Kết luận : Để mục đích phù hợp với mô hình cân băng định lượng của đề
tài nên sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ khí và kiểu lực tác động.
3.2.1. Tính chọn tải trọng của cảm biến đo khối lượng
Cân băng định lượng được thiết kế với năng suất định mức 0.5 tấn/giờ. Vận tốc định mức V = 0.1 m/s
Chiều dài băng tải L = 1m
Chiều dài vùng cân = 0.815m Khối lượng băng tải : m1 = 0,5kg/m Khối lượng bàn cân: m2 = 0.5kg Mật độ liệu trên băng:
Lưu lượng vận chuyển được tính theo công thức:
Q: lưu lượng tải liệu (kg/s)
V: tốc độ băng tải (m/s)
Do đó khối lượng nguyên liệu trên cảm biến là :
¿3600Q∗1000∗V∗¿36000.5∗1000∗0.1∗0.815=1.13kg
Tổng khối lượng tác dụng nên loadcell bằng:
M = m2 + m1 *Lhd + Qb = 0.5 + 0.5*0.815 + 1.13 = 2.04(kg)
Để đảm bảo cảm biến không bị hỏng khi khối lượng đặt lên cảm biến lớn hơn quy định, ta lựa chọn cảm biến sao cho tổng khối lượng tính toán đặt lên loadcell nằm ở khoảng giữa thang đo của cảm biến
Kết luận : Chọn cảm biến khối lượng Loadcell YZC-133 5kg
Hình 3. 5 Loadcell YZC-133 Bảng 3. 1. Thông số kĩ thuật Loadcell YZC-133
Model YZC - 133
Tải trọng 5Kg
Độ lệch tuyến tính (%) 0.05 Trở kháng đầu vào (Ω ) 1066 +- 20 Trở kháng ngõ ra (Ω ) 1000 +- 20 Trở kháng cách li (MΩ) 50V 2000 Điện áp hoạt động 5V Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 độ C
Quá tải an toàn 120%
Giới hạn khả năng chịu quá tải 150
Chất liệu cảm biến Nhôm
Độ dài dây 180mm
Dây đỏ Ngõ vào ( + )
Dây đen Ngõ vào ( - )
Dây xanh Lá Ngõ ra ( + )
Dây trắng Ngõ ra ( - )
3.1.3. Thiết bị khuếch đại tín hiệu Loadcell
Loadcell xuất ra tín hiệu dạng điện áp nhưng rất nhỏ ( cỡ mV) bộ điều khiển không xử lí được nên để bộ điều khiển đọc được tín hiệu từ loadcell gửi về ta cần một thiết bị khuếch đại tín hiệu loadcell. Thiết bị khuếch đại có khối khuếch đại, khối này thực hiện các chức năng là chuẩn hóa các tín hiệu từ loadcell, sau đó biến tín hiệu này thành tín hiệu analog theo chuẩn tương thích cho bộ điều khiển.
Nhận thấy bộ điều khiển PLC S7-1200 có hai đầu vào Analog dạng điện áp từ 0– 10V. Vì thế, ta lựa chọn bộ khuyếc đại có khả năng tín hiệu Loadcell sang tín hiệu Analog dạng điện áp từ 0-10V để cho phù hợp với tín hiệu đầu vào analog trên bộ điều khiển PLC S7-1200.
ST01A . Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell SMOWO RW-ST01A có khả năng cho ra tín hiệu analog dạng điện áp 0-10V, mạch điện kháng nhiễu tốt, thiết kế chống thấm nước, bụi, đóng kín tốt, phù hợp với môi trường sản xuất thức ăn.
Kết luận : Chọn Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell SMOWO RW-ST01A
Hình 3. 6 Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A
Bảng 3. 2 Thông số kĩ thuật Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A
Nguồn cấp DC24V
Ngõ ra 0-5VDC, 0-10VDC và 4-20mA
3.3. Cảm biến đo tốc độ.
3.3.1. Lựa chọn phương pháp đo tốc độ
Để đo tốc độ dịch chuyển băng tải ta đo gián tiếp thông qua tốc độ quay của tang bị động trên băng tải. Để xác định được tốc độ quay của tang bị động ta cần một cảm biến tốc độ vòng quay gắn với trục của tang bị động.
Có hai loại cảm biến đo tốc độ vòng quay được sử dụng hiện nay là máy phát tốc ( Tacho generator) và bộ mã hóa vòng quay ( Encoder).
Máy phát tốc có thể dùng để đo tốc độ vòng quay, tín hiệu ra là tín hiệu tương tự nhưng lại không hoàn toàn tuyến tính, vì nó phụ thuộc vào đặc tính từ hóa của vật liệu từ. Mặt khác ở dải tốc độ thấp điện áp đầu ra hầu như không có, ở dải vận tốc cao thì điện áp đầu ra lại bị bão hòa. Máy phát tốc lại có kích thước lớn, cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo và dải đo hẹp nên bị hạn chế sử
dụng trong công nghiệp. Vì thế trong mô hình cân băng định lượng của đề tài không sử dụng máy phát tốc để đo tốc độ băng tải
Trong khi đó, Encoder lại nhỏ gọn, có độ chính xác cao, dễ lắp đặt, dải đo tốc độ rộng từ thấp đến cao. Tuy nhiên vì Encoder chuyển đổi tốc độ sang tín hiệu xung nên đòi hỏi bộ xử lí phải có khả năng đếm tốc độ cao để xử lí.
Có 2 loại Encoder hiện nay là : Encoder tương đối và Encoder tuyệt đối . Encoder tuyệt đối có thể xác định và giữ được giá trị tín hiệu trả về từ encoder hay khi encoder mất nguồn.
Encoder tuyệt đối lại chế tạo phức tạp khiến giá thành cao, có nhiều tín hiệu ra làm khó khăn để xử lí. Encorder tuyệt đối không nên dùng cho các ứng dụng có tốc độ cao và vòng quay >360 độ vì khi hết một vòng vị trí các xung lại trở lại giống hệt vong trước tại vị trí đó làm phức tạp khi lập trình.
Encoder tương đối có giá thành rẻ, có thể đo tốc độ cao, chỉ có 1, 2 hoặc 3 tín hiệu xung giúp đơn giản trong quá trình xử lí tín hiệu. Mặt khác, trong mô hình cân băng định lượng của đề tài chỉ cần xác định tốc độ quay của trục tang bị động mà không cần biết vị trí của nó.
Kết luận: Lựa chọn Encoder tương đối để đo tốc độ dịch chuyển băng