lời cảm ơn€¦ · web view2021. 3. 24. · lời cảm ơn. Để hoàn thành luận văn...

Lời cảm ơnĐể hoàn thành luận văn này, con xin cảm ơn bố mẹ, người đã

vất vả nuôi nấng con và bên luôn bên cạnh con để vượt qua mọi khó khăn trong cuộn đời. Đồng thời luôn khuyên nhủ, động viên con mỗi khi con mắc sai lầm. Cảm ơn vì tất cả tình cảm mà bố mẹ đã dành cho con.

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô ở Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh nói chung cũng như Khoa Cơ Khí nói riêng vì công lao giảng dạy, truyền đạt các kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tại trường. Những kiến thức ấy sẽ là hành trang quan trọng trong công việc và cuộc sống của em sau này.

Trong quá trình làm luận văn, em đã gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận các kiến thức trong thực tế. Em xin cảm ơn thầy Võ Anh Huy vì đã hướng dẫn, nghiêm khắc và tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Cảm ơn các anh chị tại công ty cơ điện tử Quang Huy BK vì đã hỗ trợ thiết bị cũng như truyền đạt những kinh nghiệm thực tế quí báu.

Mình xin cảm ơn tất cả các bạn sinh viên khóa K13 vì đã giúp đỡ, trao đổi và chia sẻ kiến thức và cùng nhau học tập trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa.

Cảm ơn những người bạn thân đã luôn bên cạnh tôi dù lúc vui hay lúc buồn. Luôn an ủi động viên tôi khi tôi gặp khó khăn và bế tắc trong cuộc sống. Chính các bạn là nguồn động lực to lớn để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Với thời gian thực hiện luận văn ngắn và chưa có nhiều kinh nghiệm đúc kết từ kiến thức thực tế, luận văn này chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót. Rất mong sự góp ý từ thầy cô và các bạn để đề tài trở nên hoàn thiện hơn.

I

Xin chân thành cảm ơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 3 năm 2018

Phạm Văn Phú

Tóm tắt luận vănTrong thời đại công nghiệp hóa và hiện đại hóa hiện nay, thức

ăn công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi ở mọi quốc gia chăn nuôi gia súc và thủy sản.

Ở Việt Nam ta nói riêng, các loại thức ăn công nghiệp đã được dùng rộng rãi, phổ biến ngay cả trong các hộ chăn nuôi nhỏ. Tuy nhiên, dù được sử dụng nhiều nhưng thức ăn công nghiệp đến giờ vẫn chưa đạt được chất lượng tốt nhất. Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương án khác nhau đã được phát minh và đưa vào sử dụng.

Trong đề tài này, tôi xin đề cập tới một phương án, đó là ủ viên thức ăn để tăng chất lượng viên thức ăn nuôi tôm. Đồng thời cũng trình bày cách tính toán, thiết kế và điều khiển một hệ thống máy ủ viên thức ăn tôm, lập trình điều khiển hệ thống máy ủ viên tôm và xây dựng giao diện SCADA để tương tác giữa những người dùng, trợ giúp người dùng trong quá trình điều khiển của hệ thống.

Từ khóa: Post-conditioning, SCADA WinCC, TIA PORTAL, Siemens PLC.

II

Mục lục

Lời cảm ơn...........................................................................................I

Tóm tắt luận văn................................................................................II

Mục lục..............................................................................................III

Danh sách hình vẽ............................................................................VI

Danh sách bảng biểu........................................................................IX

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................1

1.1 Vai trò của viên thức ăn tôm trong sản xuất thủy sản...............1

1.1.1 Vai trò của viên thức ăn tôm...............................................1

1.1.2 Quá trình chế biến viên thức ăn nuôi tôm...........................2

1.2 Vai trò cuả quá trình ủ trong chế biến thức ăn nuôi tôm...........3

1.2.1 Ủ là gì..................................................................................3

1.2.2 Vai trò của quá trình ủ.........................................................3

1.3 Vai trò của quá trình sấy...........................................................4

1.4 Máy ủ viên thức ăn tôm.............................................................4

1.5 Các bước thực hiện đề tài..........................................................6

III

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU MÁY Ủ VIÊN...................................................................................................7

2.1 Nguyên lý hoạt động.................................................................7

2.2 Lưu đồ giải thuật.......................................................................9

2.3 Phân tích các cơ cấu có trong máy ủ viên thức ăn tôm...........11

2.3.1 Buồng ủ.............................................................................11

2.3.2 Rotary xả liệu vào buồng ủ................................................13

2.3.3 Cơ cấu phân liệu................................................................14

2.3.4 Cơ cấu tăng đưa................................................................15

2.3.5 Vít tải lấy phế liệu..............................................................15

2.3.6 Băng tải sấy.......................................................................17

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ........19

3.1 Phân tích và lựa chọn thiết bị điều khiển.................................19

3.1.1 Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị điều khiển.........19

3.1.2 Nêu nhận xét và lựa chọn thiết bị điều khiển....................20

3.2 Phân tích và lựa chọn thiết bị HMI...........................................20

3.2.1 Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị HMI...................20

3.2.2 Nêu nhận xét và lựa chọn thiết bị HMI...............................21

3.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ.........21

3.3.1 Đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển nhiệt độ...............................................................................................21

3.3.2 Nêu nhận xét và lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ...................................................................................................22

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN............................................23

4.1 Mạch động lực.........................................................................23

IV

4.1.1 Lựa chọn động cơ điện......................................................23

4.1.2 Tính chọn các thiết bị khác................................................28

4.1.3 Sơ đồ mạch động lực.........................................................33

4.2 Mạch điều khiển......................................................................35

4.2.1 Xác định các thiết bị sử dụng............................................35

4.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ............................................41

4.2.3 Giao tiếp MODBUS.............................................................47

4.2.4 Sơ đồ mạch điều khiển......................................................51

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN..................................54

5.1 Mục đích..................................................................................54

5.2 Lập trình mô phỏng máy ủ viên thưc ăn tôm bằng phần mềm TIA-PORTAL...................................................................................54

5.2.1 Biểu đồ chức năng và viết lập trình Ladder.......................55

5.2.2 Nạp chương trình, kết nối thiết bị và chạy thử...................58

5.2.3 Các lệnh sử dụng...............................................................61

5.2.4 Thiết kế giao diện HMI.......................................................65

5.3 WinCC – SCADA.......................................................................73

5.3.1 Giao diện màn hình WinCC................................................73

5.3.2 Các thiết bị sử dụng trong WinCC......................................77

5.4 Các cờ sử dụng chính trong hệ thống......................................78

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................82

6.1 Đánh giá kết quả đạt được......................................................82

6.2 Những hạn chế........................................................................82

6.3 Phương hướng phát triển đề tài...............................................82

V

Tài liệu tham khảo............................................................................83

Danh sách hình vẽHình 1. 2 Qui trình chế biến thức ăn tôm của công ty IDAH...............2

Hình 1. 3 Máy ủ viên của công ty IDAH..............................................5

Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lý máy ủ viên................................................8

Hình 2. 2: Buồng ủ............................................................................12

Hình 2. 3: Vách ngăn ủ.....................................................................12

Hình 2. 4: Rotary xả liệu...................................................................13

Hình 2. 5: Cơ cấu phân liệu..............................................................14

Hình 2. 6: Cơ cấu tăng đưa...............................................................15

Hình 3. 1: Cặp nhiệt điện..................Error! Bookmark not defined.

Hình 3. 2: Nhiệt điện trở RTD............Error! Bookmark not defined.

Hình 3. 3: Bán dẫn LM35..................Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 1: Động cơ một chiều...........Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 2: Động cơ xoay chiều..........Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 3: Biến tần INVT CHF100A....Error! Bookmark not defined.

VI

Hình 4. 4: Mạch đấu Y - của 2 động cơ băng tải............................34

Hình 4. 5: Mạch điều khiển khởi động Y - của 2 động cơ băng tải.Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 6: Mạch điện các động cơ.....................................................35

Hình 4. 7: Màn hình HMI KTP1000 Basic Color PN. . .Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 8: Cảm biến quang...............Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 9: Hệ thống các thiết bị điều khiển nhiệt độ........................41

Hình 4. 10: Cách đấu dây cảm biến nhiệt độ PT1000.................Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 11: Cảm biến nhiệt độ PT1000.............Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 12: Đồng hồ nhiệt DTA4848. Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 13: Van điều khiển dùng khí nén.........Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 14: Phoenix TRIO-PS 10A......Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 15: Sơ đồ đấu dây PLC.........................................................51

Hình 4. 16: Mạch điều khiển bằng tay hoặc PLC...............................52

Hình 4. 17: Mạch điều khiển bằng MODBUS.....................................53

Hình 5. 2 Chế độ hoạt động Auto/Manual trong hệ thống.................10

Hình 5. 3: Giao tiếp Modbus.............................................................10

Hình 5. 4: Dừng ngay lập tức khi quá nhiệt độ và quá dòng.............11

Hình 5. 5: Biểu đồ chức năng...........................................................57

Hình 5. 6: Dạng bậc thang của trạng thái 1.....................................58

Hình 5. 7: Lệnh trong trạn thái 1......................................................58

VII

Hình 5. 8: Giao diện chính................................................................66

Hình 5. 9: Màn hình điều khiển.........Error! Bookmark not defined.

Hình 5. 10: Bảng điều khiển khi ở chế độ Auto.................................67

Hình 5. 11: Bảng điều khiển ở chế độ Manual..................................68

Hình 5. 12: Màn hình sơ đồ máy ủ....................................................69

Hình 5. 13: Màn hình thông số điều khiển thực tế và cài đặt trục tiếp70

Hình 5. 14: Màn hình cài đặt............................................................71

Hình 5. 15: Màn hình cài đặt động cơ...............................................72

Hình 5. 16: Màn hình cài đặt đồng hồ...............................................73

Hình 5. 17: Cài đặt địa chỉ IP để kết nối trong TIA và WinCC............74

Hình 5. 18: Giao diện WINCC............................................................75

Hình 5. 19: Màn hình chính...............................................................75

Hình 5. 20: Màn hình chế độ AUTO...................................................76

Hình 5. 21: Màn hình chế độ MANUAL..............................................76

VIII

Danh sách bảng biểuBảng 2. 1: Thông số vít tải...............................................................16

Bảng 3. 1: Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị điều khiển.......19

Bảng 3. 2: Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị HMI.................20

Bảng 3. 3: Đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển nhiệt độ 21

Bảng 3. 4: Đánh giá ưu nhược điểm các loại cảm biến nhiệt độ.Error! Bookmark not defined.

Bảng 4. 1 Các thông số của bộ chuyển đổi điện áp AC/DC...............37

Bảng 5. 1: Tín hiệu vào/ra sử dụng trên PLC....................................78

Bảng 5. 2: Cờ sử dụng trong PLC......................................................79

IX

Bảng 5. 3: Các cờ chứa dữ liệu.........................................................80

X

Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Vai trò của viên thức ăn tôm trong sản xuất thủy sản

1.1.1 Vai trò của viên thức ăn tôm

Đón đầu nhu cầu xuất khẩu tôm đang có xu hướng gia tăng, Việt Nam đang phát huy lợi thế nuôi tôm để cung cấp cho các thị trường. Để làm được điều đó, nguồn dinh dưỡng trong quá trình nuôi là một yếu tố cần thiết, đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng và năng suất.

Hiện có ba loại thức ăn dành cho tôm:

Thức ăn tự nhiên, bao gồm các phiêu sinh vật (động vật và thực vật phù du), các mùn bã hữu cơ, các loại thực vật sống trong nước…

Thức ăn tự chế được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sẵn có như ốc, cá tạp, phụ phẩm nông nghiệp.

Thức ăn công nghiệp cung cấp bởi các nhà sản xuất.

Về cơ bản, thức ăn nuôi tôm cần có đủ các dinh dưỡng cần thiết như đạm (protein), chất béo (lipid), đường (carbonhydrate), vitamin và khoáng chất được phối theo một tỉ lệ phù hợp. Các loại thức ăn tự nhiên tuy có sẵn nhưng không bảo đảm về số lượng lẫn chất lượng. Thức ăn tự chế biến có giá thành rẻ nhưng lại không bảo đảm về mặt dinh dưỡng. Bởi vậy, thức ăn công nghiệp trở thành lựa chọn ưu tiên cho những người muốn nuôi tôm năng suất cao.

Thức ăn nuôi tôm công nghiệp có các ưu điểm:

Độ ổn định trong nước tốt, đảm bảo mức độ ô nhiễm thấp nhất. Thức ăn có tính hấp dẫn cao, kích thích tôm bắt mồi tốt. Thức ăn được tổng hợp đầy đủ nhu cầu dinh dưỡng cho tôm

như các axit amin thiết yếu, axit béo, vitamin, khoáng chất, chất kích thích cho tôm lột xác và giúp tôm khỏe mạnh.

1


Kích cỡ thức ăn phù hợp cho từng giai đoạn phát triển, tăng độ đồng đều tôm nuôi.

Sản xuất trên một quy trình kiểm soát vệ sinh chặt chẽ từ khâu nguyên liệu đến thành phẩm. Đạt hệ số chuyển hóa thức ăn tối ưu, giúp tôm mau lớn.

1.1.2 Quá trình chế biến viên thức ăn nuôi tôm

Sau đây là qui trình chế biến viên thức ăn tôm của công ty IDAH:

Hình 1. 1 Qui trình chế biến thức ăn tôm của công ty IDAH

Sau khi nạp nguyên liệu vào bồn chứa nguyên liệu thô, các thành phần nguyên liệu khô sẽ được cân định lượng để phù hợp với khẩu phần dinh dưỡng đã thiết lập.

Sau đó sẽ được đưa qua hệ thống trộn lần thứ nhất (trộn nguyên liệu khô).

Tiếp theo sẽ được đưa qua máy nghiền siêu mịn (Hammer Mill và Pulverizer) để nghiền nhỏ nguyên liệu thành dạng bột với 80% đến 95% đạt chuẩn.

Nguyên liệu sẽ tiếp tục được trộn lần hai, lần này nguyên liệu sẽ được thêm vào các chất dinh dưỡng, dầu, chất béo,... Sau giai đoạn này, hỗn hợp viên thức ăn theo công thức đã được hoàn thành.

Hỗn hợp đã trộn được đưa qua máy ép viên. Hơi nước được đưa vào và nấu viên ở nhiệt độ cao. Thời gian nấu có thể được điều chỉnh bằng bộ điều khiển. Đường kính viên được quyết định bởi đường kính

2


lỗ ép, lỗ ép có các đường kính 1.2, 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.3, và 2.5 mm.

Các viên sau khi ép được đưa vào hệ thống ủ và sấy để tăng chất lượng viên thức ăn.

Hệ thống làm nguội sẽ làm nguội để viên thức ăn đạt nhiệt độ +2oC so với môi trường.

Tất cả các viên sẽ đi qua sàng rung để loại bỏ bột viên hoặc tạp chất trước khi đóng gói. Các viên vụn sẽ được đưa qua hệ thống băm để sản xuất thức ăn dạng vụn.

Sau cùng, viên thức ăn sẽ được cân và đóng bao để trữ lại.

1.2 Vai trò cuả quá trình ủ trong chế biến thức ăn nuôi tôm

1.2.1 Ủ là gì

Ủ là phương pháp dùng chính sức nóng của nguyên liệu đã được gia nhiệt, tiếp tục giữ nóng nguyên liệu trong thời gian dài. Nhờ ủ kín để kéo dài độ nóng, nguyên liệu sẽ tiếp tục được nung nóng, các nguyên liệu sẽ mềm, chất ngọt nhưng không bị bấy nát. Vi nồi ủ được đậy kín, ủ thức ăn nóng trong môi trường chân không nên dinh dưỡng trong thực phẩm ít bị hao hụt, tiết kiệm được nhiên liệu.

Ưu điểm:

Tiết kiệm nhiên liệu (vì chỉ cần nấu một thời gian ngắn trên bếp sau khi sôi)

Giữ nhiệt tốt Chủ động thời gian

Khuyết điểm:

Không thích hợp khi cần nấu ở nhiệt độ cao Cấn nhiều thời gian

3


1.2.2 Vai trò của quá trình ủ

Trong thành phần của viên thức ăn nuôi tôm có một lượng đáng kể là tinh bột. Và làm thế nào để giữ viên thức ăn trong nước ổn định và dinh dưỡng luôn đóng một vai trò quan trọng trong chất lượng thức ăn. Phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất là ủ. Chất lượng viên cũng sẽ tốt hơn sau khi ủ.

Trong sản xuất thức ăn nuôi tôm, phương pháp này được áp dụng để ủ viên tôm sau khi ép. Khi các viên rời khỏi khuôn, viên bị nở ra, nhưng nếu được ủ từ từ, đường kính hạt trở nên co lại. Sự co ngót này mang lại các hạt lại với nhau, bao gồm các hạt tinh bột, protein và các chất kết dính khác. Nếu không có quá trình ủ, khi các viên bị thay đổi đột ngột về nhiệt độ, như trong trường hợp các viên tiếp xúc ngay lập tức với chất làm lạnh (như nước), chúng không có thời gian để co lại, và các vết nứt nhỏ xuất hiện, nước tràn vào phá hủy cấu trúc viên.

1.3 Vai trò của quá trình sấy

Kỹ thuật sấy đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và đời sống. Trong ngành công nghiệp nói chung thì việc bảo quản chất lượng sản phẩm rất quan trọng. Vật liệu sau khi sấy có thời gian bảo quản lâu hơn, chống nấm mốc phát triển, chất lượng được nâng cao, giá thành tăng lên,..

Quá trình sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng nhiệt. Có hai loại chính là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo.

Sấy tự nhiên là phơi dưới nắng. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, không tốn nhiên liệu. Nhưng lại có quá nhiều khuyết điểm như:

Cần nhiều không gian phơi sấy Cần nhiều nhân công Phụ thuộc vào thời tiết

4


Không kiểm soát được nhiệt độ, độ ẩm Nông sản không sạch, có nhiều tạp chất.

Vì những khuyết điểm kể trên, sấy nhân tạo ngày càng phổ biến và thay thế sấy tự nhiên. Đối với quá trình sấy đòi hỏi năng suất cao và sản xuất lớn, sấy tự nhiên tất nhiên sẽ không được lựa chọn.

Sau khi qua quá trình ủ viên, hơi nước vẫn còn tồn đọng bên trong viên thức ăn nuôi tôm. Bởi vậy, giai đoạn sấy là cần thiết để có thể làm bay hơi nước trong viên, giúp bảo quản được lâu hơn đồng thời đạt được chất lượng tốt.

1.4 Máy ủ viên thức ăn tôm

Trên thị trường có nhiều loại máy ủ viên, nhưng máy ủ viên kết hợp với máy sấy băng tải tiêu biểu nhất là máy do công ty IDAH sản suất. Loại máy này có các ưu điểm như:

Chủ động tính toán thời gian ủ Điều khiển nhiệt độ ủ Quá trình ủ, sấy diễn ra liên tục. Có hệ thống lấy phế liệu.

Hình 1. 2 Máy ủ viên của công ty IDAH

5


Máy ủ viên có thể làm việc liên tục, đáp ứng dây chuyền đòi hỏi năng suất cao. Viên tôm được đưa vào buồng ủ và được gia nhiệt, bắt đầu quá trình ủ. Sau đó được đưa xuống dàn sấy băng tải để tách ẩm. Nhiệt độ và thời gian ủ được cài đặt trước.

Máy còn kết hợp hệ thống sấy băng tải phái dưới để sấy viên tôm sau khi ủ. Hệ thống sấy băng tải có các ưu điểm:

Sử dụng được 2 mặt băng tải Tiết kiệm không gian sấy và chi phí đầu tư. Băng tải sấy dạng khay di chuyển phù hợp với vật liệu dạng

tấm, miếng, không cần đảo trộn trong quá trình sấy. Băng tải sấy chịu nhiệt được vận hành một cách đơn giản, chế

độ an toàn cao nhờ các hệ thống an toàn đi kèm như role, còi báo...

Cấu tạo máy sấy băng tải thực sự tiết kiệm nhiên liệu nhờ mặt thoáng tiếp xúc nhiệt cao làm giảm đáng kể lượng tiêu hao nhiên liệu sấy.

Đặc điểm của thiết bị sấy băng tải là sản xuất liên tục xuyên suốt, đáp ứng trong hệ thống dây chuyền lớn. Nguyên lý làm việc của máy là vật liệu rơi từ phễu rải liệu, sau đó được bộ phân truyền động đưa vào di chuyển trong máy sấy. Máy sấy có nhiều vùng sấy tổ hợp thành, khí nóng xuyên qua lớp nguyên liệu phủ trên mặt băng tải theo chiều từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Tốc độ băng tải tùy theo tốc độ thiết lập.

1.5 Các bước thực hiện đề tài

Với đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điện điều khiển máy ủ viên thức ăn tôm”, ta cần thực hiện các bước chính sau đây[6]:

Phân tích quá trình công nghệ: tìm hiểu, phân tích hoạt động của hệ thống điều khiển, thứ tự hoạt động cũng như vai trò của các bộ phận trong hệ thống. Từ đó có thể viết ra lưu đồ giải

6


thuật. Bước này sẽ thực hiện ở chương 2: phân tích cơ khí và nguyên lý hoạt động.

Xác định và lựa chọn các thiết bị vào và ra: Xác định các thiết bị điện đầu vào và đầu ra. Phần này sẽ thực hiện ở chương 4: thiết kế hệ thống điện.

Phân định những đầu vào và đầu ra: Tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra cần được lập trình hóa và xác định địa chỉ tương ứng của PLC. Những thiết bị đầu vào phản ánh nội dung dữ liệu cần xử lý như: công tác, cảm biến,... Những thiết bị đầu ra là những thiết bị thừa hành như các van điện từ , động cơ, đèn báo,... Phần này sẽ thực hiện ở chương 4 thiết kế hệ thống điện.

Viết chương trình: viết chương trình dưới dạng sơ đồ Ladder thông qua thứ tự thao tác của hệ thống điều khiển như đã xác định, theo từng bước một. Bước này sẽ thực hiện sẽ chương 5: thiết kế hệ thống điều khiển, bằng phần mềm TIA Portal.

Nạp chương trình vào trong bộ nhớ: sau khi hoàn chỉnh lập trình, ta kiểm tra lỗi mã hóa bằng phần mềm và nạp chương trình vào bộ nhớ. Sử dụng phần mềm mô phỏng để xem xét các bước hoạt động và kiểm tra lỗi. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế, bước này chỉ thực hiện mô phỏng bằng phần mềm TIA Portal, sẽ được nêu ở chương 5.

Kết nối thiết bị: Việc đấu nối thiết bị phải phân định bảng phân định vào ra. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế, bước này chỉ thực hiện bằng việc gán các Tag khi mô phỏng bằng phần mềm TIA Portal. Phần này sẽ được biểu diễn ở chương 5.

Chạy thử: để đảm bảo cấu trúc chương trình và các tham số đã cài đặt là chính xác. Nếu có lỗi hoặc chưa hợp lý thì sửa liên tục. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế,

7


bước này chỉ thực hiện mô phỏng màn hình HMI bằng phần mềm TIA Portal. Phần này sẽ được biểu diễn ở chương 5.

8

Chương 2: Nguyên lý hoạt động và phân tích cơ cấu máy ủ viên

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU MÁY Ủ VIÊN

Chương này sẽ tìm hiểu, phân tích nguyên lý hoạt động cũng như vai trò của các bộ phận trong hệ thống máy ủ viên đã có sẵn. Từ đó có thể viết được lưu đồ giải thuật vận hành của máy. Đồng thời chương này cũng phân tích cơ cấu của máy để hiểu rõ hơn về các thành phần của máy và lựa chọn động cơ phù hợp.

2.1 Nguyên lý hoạt động

Khi viên thức ăn tôm ra khỏi máy ép, viên được đưa vào tháp ủ bằng rotary và được rải đều bằng trục phân đều liệu. Tại đây, viên thức ăn được xả thẳng xuống băng tải, được các vách ngăn che kín tạo thành buồng ủ.

Sau khi liệu dâng cao đến mức chạm vào cảm biến quang, rotary xả liệu ngưng lại. Hơi nóng được đưa vào các calorifer đặt trong các vách ngăn, bắt đầu quá trình ủ viên. Thời gian ủ được cài đặt trước.

Sau khi ủ xong, các vách ngăn được kéo lên một độ cao để tạo bề dày lớp liệu phù hợp, băng tải bắt đầu chạy, bắt đầu quá trình sấy. Giữa các băng tải ủ có các ống chứa calorifer để gia nhiệt. Đồng thời có quạt hút ẩm để hút ẩm từ viên thức ăn tôm ra ngoài.

Vận tốc và thời gian sấy được cài đặt trước. Sau khi qua hai băng tải ủ, viên thức ăn được xả ra ngoài qua phễu rải liệu. Các viên thức ăn rơi vãi trong quá trình sấy được đưa ra ngoài bởi vít tải.

7


Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy ủ viên

8


1. Rotary xả liệu vào

2. Trục phân đều liệu

3. Vách nhiệt

4. Ống nhiệt

5. Vách ngăn có tăng đưa

6. Quạt hút ẩm

7. Vít tải lấy liệu rơi vãi

8. Ống calorifer của băng tải sấy

9. Phễu ra liệu

10. Băng tải xích

2.2 Lưu đồ giải thuật

Phương pháp biểu diễn lưu đồ rất thường dùng khi thiết kế phần mềm máy tính,

đồng thời nó cũng rất phổ biến để biểu diễn trình tự họat động của một hệ thống điều

khiển. Lưu đồ có quan hệ trực tiếp đến sự mô tả bằng lời hệ thống điều khiển, chỉ ra

từng điều kiện cần kiểm tra ở từng bước và các xử lý trong bước đó theo chuỗi trình

tự.

Sau khi chương trình được khởi động, lệnd Reset all được thực thi để reset các giá trị timer, nhiệt độ, vận tốc ở phiên làm việc trước. Sau đó các giá trị như nhiệt độ, vận tốc, thời gian timer ,chế độ auto được cài đặt mặc định nếu người dùng không muốn thay đổi.

Khi hoạt động, cảm biến nhiệt độ và cường độ dòng điện đọc về từ biến tần được cập nhật liên tục. Nếu nhiệt độ và cường độ dòng điện vượt quá ngưỡng quy đinh, hệ thống sẽ dừng ngay lập tức. Đồng thời có thể nhập xuất các giá trị liên tục khi máy đang hoạt động.

Người dùng có thể chọn chế độ hoạt động Auto hoặc Manual. Nếu chọn Auto máy sẽ hoạt động theo thứ tự đã quy định. Nếu chọn Manual, người dùng có thể tùy ý bật tắt các thiết bị trong hệ thống.

9


Hình 2. 2: Chế độ hoạt động Auto/Manual trong hệ thống

Hình 2. 3: Giao tiếp Modbus

10


Hình 2. 4: Dừng ngay lập tức khi quá nhiệt độ và quá dòng.

2.3 Phân tích các cơ cấu có trong máy ủ viên thức ăn tôm

2.3.1 Buồng ủ

Buồng ủ là nơi giữ viên thức ăn tôm sau khi được cấp từ rotary. Tại đây quá trình ủ sẽ bắt đầu. Cần bảo đảm thể tích buồng ủ thỏa mãn yêu cầu 3 tấn/mẻ.

Buồng ủ có kích thước:

Chiều dài: 1900mm

Chiều rộng: 1800mm

Chiều cao: > 1880mm

Bề dày buồng ủ: 2mm

11


Hình 2.5: Buồng ủThể tích buồng khi không có cơ cấu bển trong:

V=1800.1900 .1800=6,43m3 (2.1)

Hình 2.6: Vách ngăn ủVách ngăn ủ là nơi chứa các ống nhiệt, cấp nhiệt cho buồng ủ

khi hoạt động.

12


Thể tích vách ngăn ủ:

3 vách ngăn giữa:

( 12

.200 .200+880.200).1800 .3=1,06m3 (2.2)

2 vách ngăn 2 bên:

( 12

.200 .132+880.132) .1800 .2=0,47m3 (2.3)

Tổng thể tích vách ngăn ủ:

1,06+0,47=1,53m3 (2.4)

Thể tích chứa liệu:

6,43−1,53=4,9m3 (2.5)

Khối lượng riêng của viên thức tôm sau khi ra khỏi máy ép: ρ=1,4 g/c m3

Vậy buồng ủ có thể chứa:

4,9.106 .1,4=6,87 tấn (2.6)

Vậy buồng ủ thỏa mãn yêu cầu công suất 3 tấn/mẻ.

2.3.2 Rotary xả liệu vào buồng ủ

Hình 2.7: Rotary xả liệu

13


Buồng ủ sử dụng rotary để đưa vào buồng ủ sau khi ra khỏi máy ép viên. Cần xác định được động cơ cần thiết cho rotary để đạt được năng suất tốt nhất.

Lượng liệu xuống khi rotary xoay một vòng:

( π . D2

4. 51360

−π .d2

4. 51360 ) .6 .750=88890 cm3=12447 g liệu (2.7)

Như vậy cần xoay 242 vòng để xả 3 tấn liệu.

Thời gian xả liệu là 5 phút.

Vậy vận tốc động cơ cần thiết là: n≈50v / ph.

Momen cần thiết để tải liệu:

T=F .d=μ . N .d=0,8.12,447 .0,225=2,24 Nm (2.8)

Công suất động cơ cần thiết:

Pct=T .n

9,55.106 =0,23 kW (2.9)

Cống suất lựa chọn động cơ: Pđc=1,25.Pct=0,28 kW (2.10)

Vậy chọn động cơ 3K90Sb6, với công suất 0,55 kW, số vòng quay 1000 vg/ph, chọn hộp giảm tốc có tỉ số 1:20.

2.3.3 Cơ cấu phân liệu

Hình 2. 8: Cơ cấu phân liệuCơ cấu phân liệu là bộ phận phân đều liệu ra khắp buồng ủ để

liệu không bị dồn về một ngăn và đạt năng suất tốt. Cần xác định 14


được động cơ cần thiết cho cơ cấu quạt liệu để có thể kết hợp với rotary cấp liệu.

Với 6 tấm gạt liệu, mỗi vòng cơ câu sẽ phân đều được 200g liệu.

Số liệu cần gạt là 3 tấn.

Số vòng quay cần thiết:

3.106

200=15000vòng (2.11)

Thời gian phân liệu cần thiết là 5 phút.

Vận tốc cơ cấu cần thiết:

n=150005

=3000 vg/ ph (2.12)

Chọn động cơ 4K71A2 với với công suất 0,55 kW, số vòng quay 3000 vg/ph.

2.3.4 Cơ cấu tăng đưa

Hình 2.9: Cơ cấu tăng đưaCơ cấu tăng đưa rất cần thiết trong buồng ủ vì là cơ cấu điều

chỉnh độ dày của lớp liệu theo mong muốn. Cơ cấu tăng đưa có thể điều chỉnh độ cao của miếng thép 4mm bằng cách vặn bulong lên xuống.

Cơ cấu tăng đưa có thể tăng đưa từ 0 đến 78 mm làm thay đổi bề dày lớp liệu từ 52 mm đến 130 mm.

15


Bề dày miếng tăng đưa: 4 mm.

2.3.5 Vít tải lấy phế liệu

Vít tải là cơ cấu lấy những viên thức ăn tôm bị rơi vãi khi chuyển từ băng tải trên xuống băng tải sấy phía dưới. Cần xác định công suất động cơ cần thiết để vít tải hoạt động tốt nhất.

Năng suất lấy phế liệu là Q=2tấn /h

Tại khu vực cấp nguyên liệu khối lượng riêng của nguyên liệu là 1−1,4 g /cm3, ρ=1000kg/m3.

Bảng 2. 1: Thông số vít tải.

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Đường kính hộp vít D2 260 mm

Chiều dài hộp vít L 1600 mm

Đường kính ngoài của lá vít D1 250 mm

Đường kính trong của trục vít D 150 mm

Bước xoắn của trục vít S 150 mm

Số bước vít z 10 bước

Bề dày vít l1 8 Mm

Góc nghiêng β 10 độ

Năng suất trọng lượng của vít tải:

Q=60 π .D2

4S .n .ψ . γ . c (2.13)

Trong đó:

Tỷ trọng của vật liệu: γ=1,4 T /m3≈1,4 g /m3

Đường kính trục vít: D=150mm

Bước vít S=150mm

16


Số vòng quay trục vít: Theo bảng 12.1 Tài liệu [2] chọn n=150 v / ph

Hệ số điền đầy diện tích tiết diện ngang của trục vít trong vít tải ngang: chọnψ=0,32

Hệ số tính đến giảm sự điền đầy khi vật chuyển động lên trên theo độ nghiêng và sự giảm năng suất của vít tải: c=0,8

¿>Q=60π 0,152

40,15.150 .0,32.1,4 .0,8=8,55T /h (2.14)

Vậy thỏa năng suất yêu cầu

Công suất cần thiết là:

Pct=Q .L .ω

367 (2.15)

Trong đó:

Chiều dài vít tải: L=1600 (mm)

Hệ số cản chuyển động: ω=1,5

¿>P ct=8,55.1,6 .1,5

367=55,91W (2.16)

Công suất lựa chọn động cơ:Pdc=1,25.Pct=1,25.55,91=69,9W (2.17)

Ta chọn động cơ 4K71A4 công suất 0,55(kW ) , với số vòng quay tối đa n=1500 vg / ph, chọn hộp số có tỉ số truyền 1/10.

2.3.6 Băng tải sấy

Băng tải sấy là cơ cấu chính trong máy ủ viên tôm. Mục đích là để sấy khô viên thức ăn tôm sau khi ủ và đạt được năng suất tốt nhất. Cần tính được công suất động cơ cần thiết để có thể tải được liệu với vận tốc phù hợp.

Công suất cần thiết cho băng tải khi vận chuyển:

17


Pct=Q .L .ω

367=21,825 kW (2.18)

Năng suất băng tải:Q=3,6 qv . v (2.19)

Với:

Trị số tải trọng trên một đơn vị chiều dài qv=225,12kg /m

Vận tốc băng tải chọn v=0,1m /s

¿>Q=3,6.225,12 .0,1≈81kg/ s=291,6T /h (2.20)

Hệ số cản chuyển động:

ω=2k+fdD

.c=2.0,1+0,05.0,010,05

.1,25=5,013 (2.21)

¿>P ct=Q .L .ω

367=21,825kW (2.22)

Chọn công suất động cơ:Pđc=1,25.Pct=27,28 kW (2.23)

Số vòng quay động cơ:

n=60 vzt

=60.0,17.0,15

=5,7 vg/ ph (2.24)

Ta chọn động cơ 3K200M4 công suất 30(kW ) , với số vòng quay tối đa n=1500 vg / ph.

18

Chương 3: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

Từ mục tiêu nhiệm vụ của đề tài, chương này sẽ phân tích và lựa chọn các phương án điều khiển chính, phương thức giao tiếp điều khiển và phương pháp điều khiển nhiệt độ phù hợp với đề tài máy ủ viên thức ăn tôm.

3.1 Phân tích và lựa chọn thiết bị điều khiển

3.1.1 Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị điều khiển

Trong điều khiển hệ thống, cần chọn lựa thiết bị điều khiển chính có thể thực hiện hàng loạt các sự kiện, thỏa mãn được các yêu cầu cần thiết để đạt được năng suất cao nhất.

Trong công nghiệp, người ta thường sử dụng bốn thiết bị điều khiển chính sau: rờ le, vi điều khiển và PLC.

Bảng 3. 1: Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị điều khiển

Chỉ tiêu so sánh Rờ le Vi điều

khiển PLC

Giá thành Thấp Thấp Cao

Khả năng điều khiển Thấp Tốt Tốt

Kích thước lắp đặt Lớn Gọn Gọn

Tốc độ điều khiển Chậm Nhanh Nhanh

Khả năng chống nhiễu

Tốt Không tốt Tốt

Thiết kế Phức tạp Khá phức tạp Đơn giản

Lập trình Phức tạp Khá phức Đơn giản19


tạp

Bảo trì Khó khăn Khó khăn Dễ dàng

3.1.2 Nêu nhận xét và lựa chọn thiết bị điều khiển

Qua bảng đánh giá so sánh các thiết bị điều khiển công nghiệp hiện nay, ta thấy rằng:

Thiết bị rờ le mặc dù có giá thành rẻ nhưng nếu một mình tạo nên một bộ điều khiển nhiều quá trình, hệ thống lớn thì phải sử dụng rất nhiều rờ le, điều này dẫn tới khó khăn trong việc lắp đặt, thiết kế cũng như bảo dưỡng. Vì vậy rờ le thích hợp cho những cụm điều khiển đơn giản hoặc hỗ trợ các thiết bị khác.

PLC và vi điều khiển đều đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ xử lý, lắp đặt dễ dàng, kích thước nhỏ gọn. Lập trình vi điều khiển và PLC đều là lập trình căn bản. Tuy nhiên do yêu cầu về độ ổn định, khả năng chống nhiễu, bảo trì cũng như khả năng kết nối với các thiết bị khác, phương án PLC được lựa chọn làm thiết bị điều khiển chính.

3.2 Phân tích và lựa chọn thiết bị HMI

3.2.1 Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị HMI

Thiết bị tương tác người – máy (HMI) là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống công nghiệp hiện đại. HMI có vai trò giám sát, quản lý hệ thống, tương tác với người vận hành, giúp người vận hành nắm bắt và thiết lập các thông số hệ thống qua đó vận hành hệ thống tốt hơn.

Các thiết bị HMI thường được dùng trong các hệ thống hiện nay là: tổ hợp bàn phím và màn hình LCD (Keypad – LCD) và màn hình HMI (HMI Monitor).

Bảng 3. 2: Đánh giá ưu nhược điểm các loại thiết bị HMI

20


Chỉ tiêu so sánh Keypad – LCD HMI

Giá thành Thấp Cao

Kích thước lắp đặt Nhỏ Nhỏ

Thiết kế phần cứng Tự thiết kế Có sẵn

Tính ổn định Kém Cao

Tương tác Kém Cao

Thiết kế giao diên Khó khăn Đơn giản

Giao tiếp Vi điều khiển PLC

Bảo trì Khó khăn Đơn giản

3.2.2 Nêu nhận xét và lựa chọn thiết bị HMI

Qua bảng đánh giá so sánh các phương án về thiết bị tương tác người – máy, ta có các nhận xét sao:

Với Keypad – LCD, đây là thiết bị chỉ thích hợp cho học tập và nghiên cứu vi điều khiển. Nếu dùng trong thực tế sẽ rất khó khăn trong thiết kế phần cứng và lập trình nhưng độ thẩm mỹ và độ ổn định lại không cao.

Màn hình HMI tuy có giá thành cao hơn nhưng lại đảm bảo các yêu cầu về kích thước lắp đặt, khả năng thiết kế giao diện, tính ổn định, tương tác tốt, bảo trì dễ dàng cũng như lập trình dễ dàng vì có phần mềm hỗ trợ và khả năng kết nối dễ dàng với PLC. Do đó phương án dùng màn hình HMI được lựa chọn làm thiết bị tương tác người và máy.

3.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ

21


3.3.1 Đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Điều khiển nhiệt độ là phần không thể thiếu đối với máy ủ viên, điều khiển nhiệt độ giúp cho nhiệt độ máy luôn được giữ ở mức thích hợp nhất, đem lại năng suất cao nhất.

Trông công nghiệp, các phương pháp điều khiển nhiệt độ phổ biến là các phương pháp ON/OFF, PID hoặc Fuzzy.

Bảng 3. 3: Đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Chỉ tiêu so sánh ON/OFF PID Fuzzy

Quy trình tính toán Rất đơn giản Đơn giản Phức tạp

Độ chính xácThấp, có

khoảng dao động

Cao Cao

Tính ổn định Thấp Cao Cao

Lập trình Rất đơn giản Đơn giản Phức tạp

Phần cứng hỗ trợ Dùng rờ le Dùng PLC, vi

điều khiểnDùng vi điều

khiển

3.3.2 Nêu nhận xét và lựa chọn phương pháp điều khiển nhiệt độ

Phương pháp ON/OFF tuy rất đơn giản nhưng độ chính xác nhưng tính ổn định lại không cao. Cần phải có độ dao động, khoảng sai số để máy móc không phải tắt mở liên tục gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ. Đối với yêu cầu cần điều khiển nhiệt độ chính xác, ta không chọn phương án này.

Phương pháp Fuzzy tuy chính xác và có tính ổn định cao, tuy nhiên tính toán và lập trình lại phức tạp. Phương pháp thích hợp cho

22


hệ thống cần sự thích nghi với môi trường cao và yêu cầu khắt khe về sai số nhiệt độ. Đối với đề tài, ta không chọn phương án này.

Phương pháp dùng PID có quy trình tính toán đơn giản, độ chính xác và tính ổn định cao, ngoài ra điều khiển PID còn rất phổ biến trong công điều khiển công nghiệp. Được hỗ trợ nhiều trong các thiết bị như PLC và đồng hồ nhiệt DTA. Do đó điều khiển PID được lựa chọn là phương pháp điều khiển nhiệt độ.

23

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Chương này sẽ phân tích và lựa chọn các thiết bị điện trong

mạch động lực và mạch điều khiển và thiết kế mạch điện phù hợp cho máy ủ viên thức ăn tôm.

Ở chương này, ta sẽ xác định và lựa chọn các thiết điện trong mạch động lực và mạch điều khiển, xác định địa chỉ tương ứng với chân PLC. Từ đó vẽ được mạch điện phù hợp.

4.1 Mạch động lực

4.1.1 Lựa chọn động cơ điện

Phần này sẽ trình bày các đặc điểm nổi bật về khởi động, điều khiển vận tốc,.. của các động cơ sử dụng trong môi trường công nghiệp hiện nay. Từ đó lựa chọn động cơ phù hợp nhất với đề tài.

4.1.1.1 Động cơ một chiều

Động cơ một chiều là loại máy điện biến điện một chiều thành cơ năng.

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều vào khoảng 5 – 20MW. Sự hạn chế công suất ở máy điện một chiều do tia lửa ở cổ gớp.

Cấp điện cho máy một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớn nhất là 1000V.

Động cơ một chiều sử dụng khi đòi hỏi vận tốc cố định khi khối lượng tải thay đổi, momen khởi động lớn hoặc momen lớn khi vận tốc nhỏ. Thường ứng dụng trong thang máy, các thiết bị gia công, máy may, máy nén khí,...

Khởi động động cơ một chiều: Khởi động trực tiếp:

24


Đây là phương pháp đóng động cơ trực tiếp vào lưới điện, không qua một thiết bị phụ nào. Dòng khởi động có giá trị rất lớn, đạt (10÷30 ) I đm. Sự tăng dòng đột ngột này làm xuất hiện tia lửa ở cổ gớp, xuất hiện xung cơ học và làm sụt áp điện áp lưới. Phương pháp này hầu như không được sử dụng.

Khởi động dùng điện trở khởi động:

Người ta đưa vào rotor một điện trở có khả năng điều chỉnh và gọi là điện trở khởi động. Phương pháp này giúp tăng điện trở và giảm dòng khởi động. Điện trở phải được ngắt dần theo sự tăng của tốc độ. Tuy nhiên việc lựa chọn số nấc điện trở và nối điện trở sao cho đảm bảo ϕ lớn nhất. Việc này đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức nhất định.

Điều chỉnh tốc độ: Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp nguồn nạp:

Khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi, ta điều chỉnh được tốc độ động cơ. Tuy nhiên điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp chỉ điều chỉnh được theo chiều giảm tốc độ (vì mỗi cuộn dây đã được thiết kế với U đm, không thể thay đổi điện áp cuộn dây). Song độ láng điều chỉnh lớn, còn phạm vi điều chỉnh hẹp.

Điều chỉnh băng thay đổi điện trở mạch roto:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ưu khuyết điểm sao:

Ưu điểm: dễ thực hiện, vốn đầu tư ít, điều chỉnh tương đối láng.

Khuyết điểm: phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điều khiển càng rộng), không thực hiện được ở vùng gần tốc độ không tải. Điều chỉnh có tổn hao lớn. Người ta đã chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổn hao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đưa vào.

25


Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi từ thông có những ưu khuyết điểm sao:

Ưu điểm: điều chỉnh tốc độ theo chiều tăng (từ tốc độ định mức) rất láng, phạm vi điều chỉnh rộng, tổn hao điều chỉnh nhỏ, dễ thực hiện và kinh tế.

Khuyết điểm: không điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức.

Do những ưu khuyết điểm trên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông thường được áp dụng hợp với những phương pháp khác nhằm tăng phạm vi điều chỉnh.

4.1.1.2 Động cơ đồng bộ

Động cơ xoay chiều đồng bộ là máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ từ trường quay. Hầu hết máy điện đồng bộ làm việc như máy phát có tần số 50Hz hoặc 60Hz.

Sự khác nhau căn bản giữa máy điện đồng bộ và không đồng bộ là ở phương pháp kích thích tạo từ trường chính cho máy. Ở máy điện đồng bộ từ trường chính được sinh ra do dòng một chiều chạy qua cuộn dây kích từ, do đó máy đồng bộ không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện xoay chiều; còn máy điện không đồng bộ phải lấy công suất kháng từ lưới điện xoay chiều hoặc từ tụ điện để tạo từ trường chính (từ trường quay).

Khởi động động cơ đồng bộ: Khởi động bằng máy ngoài:

Thực chất quá trình này là đồng bộ hóa hay tự đồng bộ. Ta dùng một máy lai ngoài (động cơ dị bộ, hoặc động cơ một chiều,...) quay rotor động cơ đồng bộ tới tốc độ cần thiết để hòa vào lưới. Phương

26


pháp này có nhược điểm là cần dùng một động cơ ngoài nên tốn kém và ít được dùng.

+ Phương pháp khởi động dị bộ

Đây là phương pháp giống như khởi động động cơ dị bộ. Phương pháp này tạo ra momen có biên độ tăng dần giúp cho rotor tăng tốc để bước vào đồng bộ. Có thể sử dụng các phương pháp như ở máy dị bộ để giảm dòng khởi động. Tuy nhiên, việc thực hiện các thao tác tương đối phức tạp, để thực hiện được phương pháp này cần có kiến thức nhất định.

Khởi động bằng phương pháp tần số:

Ở phương pháp này, stator sẽ được cấp một nguồn điện có khả năng điều chỉnh tần số, khi tăng dần tần số nguồn điện từ 0 đến tần số đồng bộ, nếu mạch kích từ của động cơ được cấp dòng thì cùng với tăng tần số nguồn cung cấp, tốc độ động cơ cũng tăng, đến khi đạt tốc độ đồng bộ ta nối động cơ vào lưới và ngắt nguồn cấp có tần số ra khỏi động cơ.

Động cơ đồng bộ thích hợp cho các thiết bị úng dụng không cần thay đổi vận tốc trong vận hành vì vận tốc của động cơ đồng bộ cố định khi tải không đổi nên thích hợp cho các để sử dụng cho các ứng dụng như máy bơm ly tâm, máy xay xi măng, máy cán thép,...

4.2.1.3 Động cơ không đồng bộ

Loại động cơ có cấu tạo đơn giản là động cơ không đồng bộ (dị bộ). Phần lớn máy điện 3 pha có công suất từ một vài W tới vài megawat, có điện áp từ 100V đến 6000V.

Động cơ có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từ trường, quay cùng chiều với từ trường.

Căn cứ vào cách thực hiện rotor, người ta phân biệt 2 loại: loại có rotor lồng sóc và loại rotor dây quấn.

27


Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, còn máy rotor dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính động tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh.

Khởi động động cơ không đồng bộ: Khởi động trực tiếp:

Là quá trình đưa động cơ đang ở trạng thái nghỉ (đứng im) vào trạng thái làm việc quay với tốc độ định mức. Khởi động trực tiếp là đóng động cơ vào lưới không qua thiết bị phụ nào.

Khi khởi động động cơ trực tiếp, dòng động cơ rất lớn, có thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần. Tuy dòng khởi động lớn như vậy nhưng momen khởi động lại nhỏ, mặt khác khi khởi động từ thông cũng bị giảm do điện áp giảm làm momen khởi động càng nhỏ.

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả nghiêm trọng:

Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng tỏa ra ở máy nhiều, đặc biệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động.

Dòng khởi động lớn làm sụt áp lưới điện lớn gây trở ngại cho các phụ tải cùng làm việc với lưới điện.

Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất nhỏ, và khởi động nhẹ (tức là khi momen cản trên trực nhỏ). Khi khởi động nặng không dùng phương pháp này.

Khởi động dùng phương pháp thêm điện trở phụ vào mạch rotor:

Với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, để giảm dòng khởi động ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch rotor .

Việc đưa thêm điện trở phụ vào mạch rotor ta được 2 kết quả: giảm dòng khởi động và tăng momen khởi động.

28


Ở phương pháp này nếu chọn điện trở Rp thích hợp có thể đạt được momen khởi động bằng giá trị momen cực đại.

Khi mới khởi động, toàn bộ điện trở khởi động được đưa vào rotor, cùng với tăng tốc độ rotor, ta cũng cắt dần điện trở khởi động ra khỏi động cơ rotor để khi tốc độ đạt giá trị định mức, thì điện trở khởi động cũng được cắt hết ra khỏi rotor.

Khởi động bằng phương pháp giảm điện áp:

Với động cơ rotor lồng sóc không thể đưa điện trở vào mạch rotor như động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nên sẽ sử dụng phương pháp giảm điện áp khởi động: cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và đối nối sao – tam giác.

Đặc điểm chung của các phương pháp này là cùng với việc giảm dòng khởi động, momen khởi động cũng giảm.

Phương pháp sử dụng cuộn kháng hoặc điện trở phụ đấu nối tiếp vào cuộn dây stato để làm giảm điện áp đặt vào cuộn dây, do vậy sẽ giảm được dòng khởi động. Sau khi kết thúc quá trình khởi động, các cuộn kháng sẽ được nối tắt để động cơ làm việc ở chế độ định mức. Phương pháp này cần trang bị điện khá cồng kềnh vì cần phải bổ sung thiết bị cho mạch động lực.

Đối nối sao – tam giác chỉ thực hiện được với những động cơ khi làm việc định mức cuộn dây stator nối tam giác. Khi khởi động bằng mạch sao – tam giác, điện áp trên mỗi cuộn dây pha giảm đi √3 lần, momen giảm đi 3 lần (momen động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp nguồn cung cấp), khi đó dòng điện sẽ giảm 3 lần so với khi hoạt động ở chế độ tam giác.

Tất cả các phương pháp khởi động trên chỉ thực hiện ở những động cơ có khởi động nhẹ. Đối với động cơ cần khởi động nặng thì không áp dụng được.

29


Khởi động bằng phương pháp tần số:

Động cơ được cấp điện từ một bộ biến tần, lúc đầu tần số và điện áp có giá trị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ tăng dần, momen khởi động cũng tăng dần. Khi tần số đạt giá trị định mức, tốc độ động cơ đạt giá trị định mức. Phương pháp này bảo đảm dòng khởi động không vượt quá giá trị dòng định mức. Tuy nhiên việc đầu tư rất tốn kém.

Hiện nay, phương pháp này càng ngày càng phổ biến, cùng với phát triển của biến tần. Ngoài khả năng khởi động êm, biến tần còn có thể đảo chiều quay động cơ, chức năng dừng mềm, thay đổi vận tốc linh hoạt theo tần số khi thiết bị đang hoạt đông.

Khởi động mềm:

Bản chất của phương pháp khởi động mềm là kiểm tra dòng khởi động khi thay đổi điện áp. Dòng khởi động sẽ được so sánh với giá trị dòng đặt, sau đó sẽ có tác động lên bộ điều chỉnh và tiếp đó là lên bộ mở các thyristor. Kết quả là dòng khởi động luôn nhỏ hơn dòng đặt. Ưu điểm của khởi động mềm là khả năng tùy chỉnh momen khởi động phù hợp với nhu cầu tải.

Kết luận: Sau những phân tích được nêu, với tiêu chí lựa chọn động cơ sử dụng cần các đặc điểm: có nhiều phương pháp khi khởi động động cơ, có khả năng thay đổi vận tốc trên dải tốc độ rộng, có thể đảo chiều quay linh hoạt, an toàn trong môi trường làm việc, giá thành rẻ so với các động cơ cùng phân khúc. => Ta chọn động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc cho tất cả các động cơ trong hệ thống.

30


4.1.2 Tính chọn các thiết bị khác

Mục này sẽ lựa chọn CB tổng, contactor, rờ le quá tải nhiệt, biến tần, dây dẫn dùng trong mạch động lực. Quá trình tính toán dựa theo tài liệu [6].

Đối với các thiết bị điện nói chung, ta quan tâm đến các thông số sau:

Điện áp định mức Dòng điện định mức Công suất định mức Tần số lưới điện định mức

Đối tính toán lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ, ta phải dựa trên cơ sở dòng điện định mức của phụ tải. Cách tính dòng điện định mức đối với phụ tải 3 pha:

I đm=P1

√3 .Ud . cosφ(4.1)

Đối với động cơ điện ba pha, trên nhãn thường ghi công suất cơ P2, mà:

P2=P1

η=¿ I đm=

P2

√3 .U d . cosφ .η(4.2)

Trong đó:

P1 : công suất tiêu thụ điện (W) P2 : công suất cơ (công suất trên trục động cơ) (W) Ud: điện áp dây định mức của lưới điện ba pha (V) cosφ: hệ số công suất η: hiệu suất

Với công thức trên, ta tính được I đm của các động cơ trong hệ thống:

Động cơ cấp liệu:I đm=1,66 A

31


Động cơ phân liệu:I đm=1,3 A

Động cơ vít tải:I đm=1,63 A

Động cơ quạt hút:I đm=1,66 A

Động cơ băng tải:I đm=56,27 A

Khi khởi động, dòng khởi động qua động cơ lớn hơn nhiều lần so với dòng định mức. Ta có công thức:

I kđ=kmm. I đm (4.3)

Đối với các động cơ khởi động trực tiếp là động cơ phân liệu, cấp liệu, vít tải, quạt hút, ta chọn kmm=(5÷7). Với động cơ khởi động bằng biến tần, ta chọn kmm=1,5.

Từ đó, ta tính đượcI kđ của các động cơ trong hệ thống:

Động cơ cấp liệu:I kđ=9,96 A

Động cơ phân liệu:I kđ=7,8 A

Động cơ vít tải:I kđ=9,78 A

Động cơ quạt hút:I kđ=9,96 A

Động cơ băng tải:I kđ=84,405 A

4.1.2.1 CB (Áp tô mát)

Là khí cụ điện dùng để đóng ngắt điện bằng tay nhưng có thể tự động ngắt mạch khi có sự cố quá tải hoặc ngắn mạch.

Ở đây, ta lựa chọn MCCB 3 pha: do dòng điện có thể lên tới 1000A (còn MCB thì không vượt quá 100A).

Chọn dòng tính toán khi các động cơ trong quá trình sấy là vít tải, băng tải, quạt hút đồng thời khởi động.

I tt=∑i=1

n

I kđ=198,51 A

Dòng định mức cho CB:

I đmCB= (1,2÷1,5 ) I tt=297,765 A

32


Tổng dòng định mức là: 297,765 A. Chọn MCCB mạch động lực BW400SAG-3P với dòng định mức 300A.

4.1.2.2 Cầu chì

Chọn cầu chì bảo vệ duy nhất cho một động cơ:

I tt=Ikđk

Trong đó:

k là hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào chế độ khởi động (tải nặng hay nhẹ) và thời gian khởi động cụ thể. Chọn k=2,5 nếu động cơ khởi động nhẹ nhàng (thời gian ngắn dưới 10s và tần số khởi động ít), chọn k=(1,6÷2) nếu động cơ khởi động nặng nề (thời gian dài hơn 10s và tần số khởi động lớn).

Dòng điện tính toán:

Động cơ cấp liệu:I tt=3,98 A

Động cơ phân liệu:I tt=3,13 A

Động cơ vít tải:I tt=3,912 A

Động cơ quạt hút:I tt=3,98 A

Động cơ băng tải:I tt=52,75 A

Đường kính dây chảy bằng chì:

d Pb=0,215. 3√I tt2

Động cơ cấp liệu:d Pb=0,54mm

Động cơ phân liệu:d Pb=0,46mm

Động cơ vít tải:d Pb=0,53mm

Động cơ quạt hút d Pb=0,54mm

Động cơ băng tải:d Pb=3mm

Vậy chọn cầu chì ba pha OMG5S – 100 63A cho động cơ băng tải, cầu chì OFL 10x38 6A cho các động cơ còn lại.

33


4.1.2.3 Contactor – Rờ le quá tải nhiệt

Contactor là thiết bị điện đóng ngắt 3 pha được điều khiển bằng cách kích điện vào cuộn dây trong contactor. Contactor thường đi kèm với một rờ le quá tải nhiệt (thermo overload relay), gọi là khởi động từ. Rơ le quá tải nhiệt là thiết bị bảo vệ cho mạch chính. Nó bảo vệ cho động cơ trong trường hợp quá tải hoặc mất pha.

Thời gian tác động của role nhiệt rất chậm nên khi tính toán chỉ cần quan tâm đến dòng điện định mức của động cơ.

Dòng điện định mức các động cơ trong hệ thống:

Động cơ cấp liệu:I đm=1,66 A

Động cơ phân liệu:I đm=1,3 A

Động cơ vít tải:I đm=1,63 A

Động cơ quạt hút:I đm=1,66 A

Động cơ băng tải:I đm=56,27 A

Chọn Contactor SC-N3 65A và tờ le nhiệt TR-N3 cho 2 động cơ băng tải; contactor SC-03 9A và rờ le nhiệt TR-0N cho các động cơ còn lại.

4.1.2.4 Dây dẫn

Tổng dòng định mức là: 125,14 A. Mật độ dòng điện làm việc: 2,5 A /mm2

Tiết diện dây dẫn là:

S= IJ≈50mm2 (4.1)

=> dùng dây dẫn Cadivi 10 mm cho dây dẫn từ nguồn đến các Contactor.

Tính tương tự ta chọn dây dẫn Cadivi 8 mm từ Contactor đến 2 động cơ băng tải, dây 2 mm cho các động cơ còn lại. Tính toán tương tự ta cũng có thể tìm ra kích thước dây dẫn của mạch điều khiển.

34


4.1.2.4 Biến tần

Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ. Ngoài ra, biến tần giúp động cơ khởi động và dừng êm, giảm công suất tiêu thụ điện, tăng tuổi thọ động cơ. Biến tần còn có khả năng giao tiếp được với PLC bằng giao tiếp MODBUS.

Ta dùng 2 biến tần điều khiển 2 động cơ băng tải cùng lúc. Băng tải dùng động cơ là 3K200M4 công suất 30(kW ), với số vòng quay tối đa n=750 vg / ph. Vì vậy, ta chọn biến tần có công suất lớn hơn công suất động cơ : Biến tần INVT CHF100A-030G/037P-4 30/37kW, 3P 380V

- Điện áp ngõ vào (V) 3 pha 220/380V (dãy điện áp vào biến tần)

- Công suất định mức (kW) 30/37kW (công suất biến tần)- Tần số ngõ vào: 47-63 Hz- Điện áp ngõ ra: 0 - mức điện áp ngõ vào- Tần số ngõ ra: 0 - 400 Hz- Điều khiển PID: Có- Truyền thông Modbus-RTU.

4.1.3 Sơ đồ mạch động lực

Mạch điện sử dụng nguồn ba pha 380V.

Đối với hai động cơ điều khiển băng tải, phương án dùng biến tần được lựa chọn vì các lý do: Momen khởi động vẫn đúng định mức ở tốc độ quay thấp. Dòng khởi động thấp (chỉ bằng 0,5 đến 1 lần dòng định mức, giá trị dòng điện lớn nhất bằng 1,5 lần dòng định mức). Có hỗ trợ dừng mềm để tránh hư hỏng các thiết bị khi dừng đột ngột. Ngoài ra biến tần đáp ứng được nhu cầu của hệ thống cần phải điều khiển vận tốc liên tục.

35

http://banbientan.com/chf100a-030g-037p-4/


Vì các ưu điểm trên, phương án dùng biến tần điều khiển hai động cơ băng tải được lựa chọn.

Hình 4. 1: Mạch động lực của 2 động cơ băng tải.Đối với các động cơ còn lại, khi khởi động cần momen lớn để kéo

tải vì có thể còn liệu sót lại trên hệ thống, do đó không thể sử dụng khởi động sao – tam giác (khi khởi động sao – tam giác, momen khởi động chỉ còn 25% so với khi khởi động trực tiếp). Phương án sử dụng mạch sao tam giác không thể sử dụng khi momen khởi động lớn hơn 50% momen định mức của động cơ. Do đó phương án khởi động trực tiếp được lựa chọn.

36


Hình 4. 2: Mạch điện các động cơ.Khi bắt đầu điều khiển, cuộn dây ES được kích. Các tiếp điểm ES

đóng lại và khởi động các động cơ.

Đối với hai động cơ điều khiển băng tải, tiếp điểm ES có tác dụng cấp điện vào biến tần. Khi muốn khởi động động cơ cần phải thao tác trên màn hình HMI hoặc trên biến tần.

4.2 Mạch điều khiển

4.2.1 Xác định các thiết bị sử dụng

4.2.1.1 PLC

PLC được hiểu là bộ điều khiển có khả năng lập trình được, là thiết bị để thay thế phương pháp dùng rờ le truyền thống. Nó chính là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình sản xuất và thường gắn ngay tại dây chuyền sản xuất.

PLC là một thiết bị điều khiển được trang bị các chức năng logic, tạo xung, đếm thời gian, đếm xung và thực hiện các nhiều phép tính kĩ thuật ứng dụng trong kĩ thuật điều khiển tự động hóa.

Đề tài sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200, CPU 1214C,

AC/DC/Relay với các thông số:

Power supply: 85 - 264 VAC, 50 mA–150 mA

37


Frequency: 47 – 63 Hz CPU processing times: Bit operation: 0.08 µs; / instruction Word operation: 1.7 µs; / instruction floating point arithmetic: 2.3 µs; / instruction I/O: 14 DI 24 VDC; 10 DO 2 A; 2 AI 0-10 VDC. Program/data memory: 100 KBVì không đủ số cổng DO nên cần module mở rộng DIGITAL

OUTPUT SM1222 với 8 DO.

4.2.1.2 HMI

HMI là giao diện giữa người và máy. là một hệ thống dùng để người dùng giao tiếp,thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua bất kỳ mọi hình thức.

HMI cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống. HMI có giao diện đồ họa, giúp cho người dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống.

Sử dụng màn hình HMI KTP1000 Basic Color TN.

Supply voltage: 24 VDC Input current: 0.6 A Power: 15 W Memory: 1024 kbyte

4.2.1.3 Cảm biến quang

Cảm biến quang là thiết bị có khả năng nhận biết được hầu hết các vật trừ các vật trong suốt như thủy tinh. Chúng có thể nhận biết vật ở khoảng cách xa và môi trường chân không.

Nguyên lý hoạt động: phần phát và phần thu của cảm biến được đặt cùng một khối. Ánh sáng từ phần phát đập vào vật cản và phản xạ lại vào phần thu. Tùy theo cảm biến là Light ON hay Dark ON,

38


trạng thái ngõ ra của cảm biến sẽ thay đổi trạng thái khi phần thu nhận đủ ánh sáng hoặc không đủ ánh sáng.

Sử dụng cảm biến quang theo tiêu chuẩn của hãng Carlo

Gavazzi – Italy. Là loại cảm biến quang hoạt động phát hiện vật theo nguyên tắc thu phát chung, với khoảng cách tối đa 1 mét, tích hợp núm điều chỉnh phạm vi phát hiện vật từ 50mm đến 1000mm, giúp cảm biến được áp dụng linh động hơn trong các ứng dụng. Cảm

biến quang được sử dụng trong những ứng dụng phát hiện vật chính xác cũng như những vật có kích thước cỡ nhỏ.

Cảm biến quang sẽ đo mức liệu được rải vào buồng chứa, khi liệu đến mức đã cài đặt cảm biến sẽ trả giá trị về PLC và dừng cấp liệu.

Nguồn cấp: 10 – 30 VDC. 0.5 - 20mA Khoảng cách: 50 – 1000 mm. Thời gian đáp ứng: nhỏ hơn 1 ms. Độ nhạy: có thể chỉnh bằng biến trở Ngõ ra: PNP hoặc NPN. Nhiệt độ làm việc: -25 đến 60 độ C. Kích thước: Phi 18mm.

Hình 4. 3: Chân cảm biến quang trường hợp NPN

4.2.1.4 Bộ chuyển đổi điện áp

Đề tài có nhiều thiết bị cần sử dụng điện áp 24VDC để điều khiển nên cần thiết cần phải có 1 bộ chuyển đổi từ 1 pha sang điện 24VDC.

39

http://kythuatdienviet.com/cam-bien-do-toc-do-gio.html

http://kythuatdienviet.com/cam-bien-ap-suat-cam-bien-do-ap-suat.html

http://kythuatdienviet.com/carlo-gavazzi-viet-nam.html

http://kythuatdienviet.com/carlo-gavazzi-viet-nam.html


Đề tài sử dụng thiết bị Phoenix TRIO-PS 10A làm bộ chuyển điện áp.

Bảng 4. 1 Các thông số của bộ chuyển đổi điện áp AC/DC

Thông số Giá trị

Đầu vào 100 - 240VAC/1,5 – 3A

Đầu ra 22.5- 29.5VDC/10A

Hình 4. 4: Sơ đồ cấu tạo bộ chuyển đổi điện áp

4.2.1.5 Rờ le trung gian

Do đầu ra của PLC là 24 VDC nên sử dụng rờ le trung gian LY4N DC24.

Hình 4. 5: Sơ đồ chân rờ le trung gian4.2.1.6 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến đo nhiệt độ RTD hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại.

Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay

40


đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.

Thiết bị RTD được sử dụng rộng rã vì có dải đo lớn (khoảng -200 đến 850OC), chính xác, ổn định và tuổi thọ cao.

Pt (Platinum resistance thermometers) là nhiệt điện trở bạch kim. Vì bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở. Bên ngoài có bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.

Có thể sử dụng điện trở Pt100 hoặc Pt1000. Sự khác nhau của 2 điện trở nằm ở chỗ khi chúng ta sử dụng dây nối để kéo dài cảm biến, đối với cảm biến Pt100, giá trị điện trở dây dẫn ảnh hưởng là 0.39 ohm / độ C. Nếu dùng Pt100 đo nhiệt độ có cáp dài 10m thì điện trở dây dẫn sẻ là 0.7 đến 0.8OHM tương đương 2 độ C. Nghĩa là bị sai số cỡ 2 độ vì dây dẫn.

Đối với PT1000, giá trị điện trở dây dẫn ảnh hưởng đến nhiệt độ là 3,91 ohm / độ C. Vậy nếu dùng dây dẫn trên nối cho PT1000, sai số của điện trở dây ảnh hưởng đến kết quả đo chỉ là 0.2 độ C. Trong những ứng dụng nào đó, việc này là chấp nhận được.

Tuy nhiên khi sử dụng bộ chuyển đổi điện áp có thể giảm đi sai số, cũng như trong đề tài không yêu cầu quá khắt khe về nhiệt độ. Đề tài cũng cần sử dụng cảm biến Pt100 để phù hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển nhiệt độ. (vì đồng hồ nhiệt chỉ sử dụng được cảm biến Pt100).

Cảm biến nhiệt độ sẽ đo giá trị nhiệt độ trong buồng ủ và băng tải sấy, sau đó trả giá trị về đồng hồ nhiệt để hiển thị và điều khiển nhiệt độ cho phù hợp nhiệt độ cài đặt.

Ngõ ra: có thể là 2 dây,3 dây hoặc 4 dây. Sai số: 0,01OC

41


Dãy nhiệt: Tùy thuộc loại PT100 sử dụng, có thể là 100 C đến 200 C, 0-100 C, 0-200 C, 0-400 C, 0-500 C, 0-600 C, ...

4.2.1.7 Đồng hồ nhiệt Delta DTA4848C1Bộ điều khiển nhiệt độ hay còn gọi là đồng hồ nhiệt độ

Delta DTA Series được thiết kế dành cho các ứng dụng thực tế, với 1 ngõ ra, 2 Arlarm, 2 chế độ điều khiển là PID và ON/OFF. Đầu dò cảm biến có thể là can nhiệt độ hoặc cặp nhiệt độ đều được. Nó được ứng dụng rộng rãi trong ngành nồi hơi, lò hơi, máy ép nhựa, lò ấp trứng..

Đồng hồ nhiệt sẽ đo nhiệt độ từ cảm biến Pt100, trả giá trị nhiệt độ về PLC và

xuất giá trị điện áp để điều khiển van tuyến tính.

Nguồn cấp: 100 – 240 VAC

Hỗ trợ cảm biến: PT100 3 dây

Chế độ điều khiển: ON/OFF, Manual, PID.

Sensor Type: Thermocouple, 3-wire Platinum RTD.

Giá trị điều khiển:

Relay Output: 250VAC, 5A

Voltage Pulse output: 14VDC 40mA

Current Output: 4 – 20mADC

Sai số: 0,1%

Thời gian lấy mẫu: 0.5s

Hình 4. 6: Sơ đồ đấu dây DTA4848

42


4.2.1.8 Van tuyến tính

Van tuyến tính là van điều khiển được dùng để điều khiển tuyến tính , van tuyến tính nhận tín hiệu điều khiển là tín hiệu dòng 4-20mA, 0-20mA hoặc tín hiệu áp 0-10V, 0-5V, 1-5V hoăc 2-10 VDC để điều khiển góc mở của van.

Van tuyến tính thường có hai loại: van điều khiển tuyến tính khí nén và van điều khiển tuyến tính điện.

Van tuyến tính khí nén thường được sử dụng rất nhiều trong ứng dụng điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất hoặc điều khiển lưu lượng.

Van tuyến tính khí nén có ưu điểm là thời gian đáp ứng rất nhanh có thể đáp ứng được cho rất nhiều ứng dụng trong việc điểu khiển và khống chế áp suất, nhiệt độ. Nhược điểm là phải có nguồn cấp khí nén thì van mới hoạt động được và thậm chí là nguồn khí nén phải ổn định và đủ áp lực (thông thường là từ 4-6 bar) thì van mới hoạt động tốt được.

Khi mất nguồn khí nén hoặc mất điện van tuyến tính khí nén sẽ đóng van lại hoặc mở ra tùy thược vào loại van là van thường đóng hay van thường mở. Vì bên trong bầu khí nén là các lò xo chịu lực có độ đàn hồi cao (Thường được chất tạo từ hợp kim thép). khi mất nguồn khí nén đưa vào bầu khí nén thì các lò xo này có tác dụng đưa van trở về vị trí ban đầu mặc định của van.

Van tuyến tính sẽ nhận giá trị điện áp từ đồng hồ nhiệt để mở van theo góc tương ứng. Từ đó có thể thay đổi nhiệt độ trong buồng ủ hoặc buồng sấy.

Điện áp sử dụng: 220 VAC. Tín hiệu điều khiển: 4-20 mA, 0-10 VDC. Độ dài trục công tác: 10 – 100 mm. Vận tốc trục công tác: 1.2/1.3 (mm/sec)

43

http://vandieukhien.org/van-dieu-khien/

http://vandieukhien.org/


4.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ

4.2.2.1 Các đặc điểm của hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng trong đề tàiĐối với điều khiển điều khiển nhiệt độ, sử dụng một hệ thống

các thiết bị gồm: cảm biến nhiệt độ, van tuyến tính và đồng hồ nhiệt.

Hình 4. 7: Hệ thống các thiết bị điều khiển nhiệt độ.

Các thiết bị có khả năng kết nối với nhau vì:

Đồng hồ nhiệt có khả năng nhận tín hiệu cảm biến Pt100 và so sánh với giá trị cài đặt.

Đồng hồ nhiệt DTA4848C1 có bộ điều khiển PID, so sánh giá trị nhiệt độ cài đặt và giá trị nhiệt độ từ cảm biến, từ đó xuất giá trị điện áp 4−10mA đề điều khiển van tuyến tính. Đồng hồ có giao tiếp MODBUS để trả tín hiệu về PLC.

Van tuyến tính nhận điện áp nguồn 220VAC. Đồng thời cũng nhận tín hiệu điều khiển 4−10mA từ đồng hồ nhiệt.

44


Các chân nối cũng như giá trị điện áp đều có trong datasheet của các thiết bị.

Đồng hồ DTA nhận tín hiệu, hiển thị lên màn hình và so sánh với giá trị nhiệt độ đã cài đặt. Trong đồng hồ có hỗ trợ điều khiển PID để tăng độ chính xác khi điều khiển. Sau đó đồng hồ sẽ xuất giá trị dòng điện từ 4−10mA phù hợp để thay đổi áp suất điều khiển độ mở của van tuyến tính.

Lượng hơi cần thiết qua van:Gh=Q . t

t: thời gian van mở với lưu lượng Q Q: lưu lượng hơi qua van

Mà:Q=v . A=v .Smax . x

x là phần trăm diện tích tại tiết diện được mở Smax là diện tích khi mở tiết diện 100% v vận tốc hơi nước khi qua tiết diện.

Liện hệ giữa áp suất và phần trăm mở van:

45


Hình 4. 8: Liên hệ giữa áp suất và độ mở của van điều khiển.Vậy nếu điều khiển được áp suất có thể được lượng hơi đi qua

van, từ đó có thể điều khiển nhiệt độ trong máy. Van tuyến tính nhận tín hiệu điền từ đồng hồ nhiệt DTA. Từ đó áp suất điều khiển van sẽ thay đổi và độ mở của van sẽ thay đổi. Vì thay đổi góc mở nên lưu lượng khí nóng từ lò hơi sang các buồng sẽ thay đổi và làm thay đổi nhiệt độ.

Tín hiệu đầu vào: giá trị điện áp để van tạo ra áp suất để điều khiển tiết diện hơi nóng qua van để gia nhiệt.

Tín hiệu đầu ra: nhiệt độ trong buồng ủ và băng tải sấy

Do lựa chọn phương án điều khiển này, việc lựa chọn các thiết bị sao cho bảo đảm tính kết nối giữa các thiết bị và độ chính xác là rất quan trọng.

Vị trí đặt cảm biến và số lượng cảm biến:

46


Hình 4. 9: Vị trí đặt cảm biến trên buồng ủĐối với buồng ủ: nhiệt được đưa vào bằng một ống dẫn chính,

sau đó sẽ được chia đều ra năm ngăn chứa ống nhiệt. Do nhu cầu không quá khắt khe về nhiệt độ trên buồng ủ, nên buồng chỉ cần một cảm biến để theo dõi nhiệt độ. Van tuyến tính sẽ được đặt tại ống dẫn chính để kiếm soát lượng hơi nóng vào trong buồng ủ.

Đặt cảm biến tại vị trí đó để không bị ảnh hưởng bởi liệu bên ngoài, đo được nhiệt độ từ các ống thoát ra.

47


Hình 4. 10: Vị trí đặt cảm biến trong băng tải sấyĐối với buồng sấy: trong buồng sấy có ba hàng ống nhiệt. Ở mỗi

hàng nhiệt sẽ được đưa vào bằng một ống dẫn chính. Do đó mỗi hàng sẽ có một cảm biến để đo nhiệt độ. Van tuyến tính sẽ được đặt tại ống dẫn chính để kiểm soát lượng hơi nóng tại mỗi hàng trong buồng sấy.

4.2.2.2 Điều khiển PID trong đồng hồ nhiệt

PID là bộ điều khiển vòng kín. Bộ điều khiển PID liên tục tính toán giá trị e(t) là sai số của giá trị cài đặt SP (r (t )) và PV ( y (t )). Từ đó tạo ra giá trị u(t ) mới thông qua các giá trị P,I,D. Bộ điều khiển sẽ sẽ giảm sai số e (t) theo thời gian bằng cách hiệu chỉnh giá trị u(t ). Khả năng của bộ điều khiển PID là sử dụng thuật toán tỉ lệ, tích phân, đạo hàm lên giá trị phản hồi để điểu khiển tốt hơn.

48


Hình 4. 11: Sơ đồ điều khiển PID nói chungĐối với đề tài, các giá trị ứng với đồ thị:

r (t ): giá trị nhiệt độ cài đặt (SV) set trên đồng hồ. y (t ): giá trị nhiệt độ hiện tại (PV). e (t ) : sai số giữa giá trị nhiệt độ hiện tại và giá trị nhiệt độ cài

đặt. u(t ): giá trị sau khi qua hàm PID. Ở đề tài này là giá trị điện áp

4 –20mA xuất ra van tuyến tính. Plant/Process: hàm truyền của hệ thống, đầu vào là điện áp

xuất ra từ đồng hồ, đầu ra là giá trị nhiệt độ hiện tại. Kp, Ki, Kd: Các hệ số PID, người dùng có thể cài đặt.

Đối với đề tài này, người dùng sẽ cài đặt giá trị nhiệt độ mong muốn r (t ) lên đồng hồ. Cảm biến sẽ đọc giá trị nhiệt độ hiện tại y (t ) và trả về đồng hồ. Đồng hồ sẽ tính sai số giữa giá trị cài đặt và giá trị hiện tại e (t) và dùng hàm PID để xuất ra giá trị điện áp u(t ) phù hợp. Giá trị điện áp sẽ được cộng thêm hoặc trừ bớt đi để áp suất mở van thay tăng hoạc giảm. Nhiệt độ buồng sẽ thay đổi vì nhiệt lượng qua ống dẫn thay đổi.

Người dùng có thể thay đổi các hệ số PID để điều khiển thêm hiệu quả:

Hệ số Kp: Giá trị càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh, tăng overshoot, nhiều dao động.

49


Hệ số Ki: Giá trị càng lớn steady-state error giảm càng nhanh, overshoot tăng.

Hệ số Kd: Giá trị càng lớn thì overshoot càng giảm, settling time giảm, thời gia đáp ưng tăng không đáng kể.

Ở đề tài này, do không biết được hàm truyền của hệ thống, cũng như không có điều kiện để tìm quan hệ giữa giá trị đầu vào và đầu ra, nên ta sử dụng phương pháp Manual Tuning để set các hệ số PID:

Tăng hệ số Kp đến khi đạt giá trị thời gian phản hồ mong muốn. Sau đó tăng Ki để giảm steady-state error, settling time mong

muốn. Sau đó tăng Kd để giảm overshoot.

4.2.3 Giao tiếp MODBUS

4.2.3.1 Giới thiệu

Giao thức MODBUS là giao tiếp giữa các phần mềm và là ngôn ngữ được áp dụng phổ biến trong bộ điều khiển điện. Với giao thức này, bộ điều khiển có thể giao tiếp với các thiết bị khác thông qua mạng (kênh truyền tín hiệu hoặc lớp vật lý, chẳng hạn như RS485). Và với tiêu chuẩn công nghiệp này, các thiết bị kiểm soát của các nhà sản xuất khác nhau có thể được kết nối với một mạng lưới công nghiệp để thuận tiện để được theo dõi. Có hai chế độ truyền dẫn cho giao thức MODBUS: Chế độ ASCII và RTU (Remote Terminal Units).

Mạng MODBUS là một mạng điều khiển với một master và nhiều slaver, có nghĩa là chỉ có một thiết bị thực hiện với vai trò là chủ nhân và các thiết bị khác là các nô lệ trên một mạng MODBUS.

Master là thiết bị có quyền gửi tin nhắn tới mạng MODBUS để kiểm tra và tra vấn các thiết bị khác. Slaver là thiết bị thụ động chỉ gửi thông dữ liệu đến mạng MODBUS sau khi nhận được thông báo điều khiển hoặc yêu cầu từ master. Sau khi master gửi tin nhắn, có

50


một khoảng thời gian cho các slaver đáp ứng, đảm bảo rằng chỉ có một slaver gửi tin nhắn đến chủ nhân tại một thời điểm.

Trên một mạng MODBUS, tất cả các thiết bị phải chọn cùng một chế độ truyền và các thông số cơ bản của chúng, chẳng hạn như tốc độ baud, bit số, bit kiểm tra, và bit dừng.

Giao tiếp MODBUS sử dụng trong đề tài là chế độ RTU 2 dây RS485. Khi một mạng cần phải chuyển các khối nhỏ thông tin trên một khoảng cách dài, RS-485 thường là chuẩn giao tiếp được lựa chọn. Các nút mạng có thể là máy tính cá nhân, vi điều khiển, hoặc bất kỳ thiết bị có khả năng truyền thông nối tiếp không đồng bộ. So với Ethernet và giao diện mạng khác, phần cứng và giao thức yêu cầu của RS-485 đơn giản hơn và rẻ hơn.

Giao tiếp RS485 sử dụng cặp dây xoắn, một dây được định nghĩa là A (+) và một dây định nghĩa là B (-). Nếu mức điện áp giữa A và B nằm trong khoảng + 2 ~ 6 V, thì logic là "1", nếu mức điện nằm trong khoảng -2V ~ -6V, đó là logic "0". Cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau. Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao.

Tốc độ truyền thông (communication baud rate) là số bit nhị phân trong một giây, đơn vị là bit/s (bps). Tốc độ truyền càng cao, tốc độ truyền càng nhanh hơn và chống nhiễu càng kém.

Bảng 4. 2: Baud rate ứng với khoảng cách truyền

Baud rateMax

Tranmission distance

Baud rateMax

Tranmission distance

2400BPS 1800m 9600BPS 800m4800BPS 1200m 19200BPS 600mĐiện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở

được đặt tại hai điểm tận cùng kết thúc của đường truyền. Giá trị của 51


điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 - 120Ω.

Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ có thể chấp nhận nhưng nếu ở mức độ lớn có thể làm tín hiệu bị sai lệch.

Giao tiếp RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng. Bên cạnh đó khả năng truyền thông qua khoảng cách xa ở tốc độ cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao tiếp được trải ra trên diện rộng.

Đối với đề tài, giao tiếp MODBUS sẽ được sử dụng cho 2 thiết bị:

Đồng hồ nhiệt: PLC set các giá trị nhiệt độ, hệ số PID và nhận tín hiệu phản hồi từ đồng hồ nhiệt. Từ đó có thể điều khiển được nhiệt độ của hệ thống.

Biến tần: PLC set các giá trị vận tốc, các chế độ quay,... của biến tần để điều khiển động cơ hai băng tải.

4.2.3.2 Truyền tín hiệu trong RS485

Bảng 4. 3: Khung truyền dữ liệu

Start bit

Bit 1

Bit 2

Bit 3

Bit 4

Bit 5

Bit 6

Bit 7

Bit 8

Check bit

End bit

Khi truyền thông, mỗi byte sẽ viết dưới dạng mã Hex.

Các tín hiệu trong RTU được gởi đi liên tục. Thời gian nghỉ giữa các khung

truyền phải lớn hơn 3,5 bytes. Nếu một khung truyền gởi tín hiệu lâu hơn 3,5 bytes, tín

hiệu sẽ bị ngừng.

Có nhiều nguyên nhân (ví dụ như nhiễu điện) sẽ làm cho quá trình truyền bị lỗi. Nếu gửi mức logic 1, điện áp sẽ là 6V. Nhưng vì tín

52


hiệu bị nhiễu, điện áp sẽ thành -6V. Nếu không kiểm tra lỗi, thiết bị nhận sẽ không tìm ra lỗi. Bởi vậy việc checkout rất quan trọng. Quá trình kiểm ta có thể có 2 phần, kiểm tra từng byte và kiểm tra cả hệ thống truyền (CRC check).

Đối với kiểm tra từng byte:

Bit kiểm tra chẵn (even checkout): thêm một bit kiểm tra chẵn trước khi truyền

dữ liệu để kiểm tra số lượng bit “1” trong dữ liệu đã truyền là chẵn hay lẻ. Nếu số

lượng bit “1” là chẵn, check bit sẽ là 0, nếu không, check bit sẽ là 1.

Bit kiểm tra lẻ (odd checkout): thêm một bit kiểm tra chẵn trước khi truyền dữ

liệu để kiểm tra số lượng bit “1” trong dữ liệu đã truyền là chẵn hay lẻ. Nếu số lượng

bit “1” là lẻ, check bit sẽ là 0, nếu không, check bit sẽ là 1.

Ví dụ, khi truyền tín hiệu “11001110”, có 5 số 1 trong dữ liệu. Nếu dùng even

checkout, bit kiểm tra sẽ là “1”. Thiết bị nhận cũng thực hiện kiểm tra chẵn lẻ. Nếu bit

kiểm tra chẵn lẻ của thiết bị nhận khác “1”, sẽ có lỗi trong quá trình truyền.

Bảng 4. 4: Cấu trúc truyền một lệnh trong RTU:

START T1-T2-T3-T4 (tranmission time of 3.5 bytes)

ADDR Communication address: 0 – 247 (decimal address)

CMD03H: read slave parameter06H: write slave parameter

DATA (N-1)...

DATA(0)

The data of 2*N byte is the main content of the communication as well as the core of data exchanging

CRC CHK LOW BIT

Detection value: CRC (16bit)CRC CHK HIGH BIT

END T1-T2-T3-T4 (tranmission time of 3.5 bytes)

Ví dụ: đọc 2 dữ liệu từ thanh ghi 0004H của biến tần, cấu trúc có dạng:

Bảng 4. 5: Ví dụ đọc dữ liệu

START T1-T2-T3-T4 (transmission time of 3.5 bytes)

53


ADDR 01H

CMD 03H

High bit of the start address 00H

Low bit of the start address 04H

High bit of the data number 00H

Low bit of the data number 02H

CRC low bit 85H

CRC high bit CAH

END T1-T2-T3-T4 (transmission time of 3.5 bytes)

Trong đó:

T1-T2-T3-T4 giữa Start và End là thời gian dài nhất để truyền một khung tín

hiệu (frame). Thời gian nghỉ giữa các khung dữ liệu nên lớn hơn 3,5 bytes để

tránh trường hợp trùng dữ liệu khi truyền.

ADDR: địa chỉ của biến tần, có thể set lại.

CMD: lệnh thực hiện (03H ở đây là lênh read, 06H là write)

Start address: địa chỉ thanh ghi mà master sẽ đọc (0004H)

Data number: số lượng data mà master sẽ đọc (0002H)

Hình 4. 12: Cấu trúng truyền từ PLC sang biến tầnDữ liệu giao tiếp là bằng mã hex nhưng thực tế thì mã hex không có phẩy thập

phân. Ví dụ như 50,12 Hz không thể biểu diễn bằng mã hex nên 50,12 được nhân 100

thành 5012, vậy mã hex là 1394H có thể biểu diễn cho 50,12.

Trong đề tài này sẽ sử dụng các lệnh có sẵn trong PLC để xuất các lệnh xuống

đồng hồ nhiệt và biến tần. Chương tiếp theo sẽ nói rõ hơn về thực hiện giao tiếp

modbus bằng PLC.

54


4.2.4 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 4. 13: Sơ đồ đấu dây PLC.

Hệ thống sử dụng nguồn 220VAC từ mạch động lực, dùng biến áp TRIO để chuyển thành điện 24VDC.

Ngõ vào của PLC được đấu theo kiểu Sink. Ở ngõ ra, mỗi relay trung gian sẽ ứng với một contactor muốn điều khiển. Khi relay có tín hiệu, tiếp điểm NO đổi trạng tái, khi đó dòng điện sẽ qua cuộn dây Contactor điều khiển khởi động các động cơ, dẫn điện vào biến tần hoặc khởi động các van cấp nhiệt và đồng hồ nhiệt.

Khi không sử dụng PLC, tiếp điểm NC không đổi trạng thái và có thể sử dụng nút BT để dẫn điện vào các cuộn dây

55


Hình 4. 14: Mạch điều khiển bằng tay hoặc PLC.Bảng 4. 6: Địa chỉ các chân PLC trong mạch điện

Ký hiệu Nội dung

Q0.0 Motor cấp liệu

Q0.1 Motor phân liệu

Q0.2 Van cấp nhiệt buồng ủ

Q0.3 Van cấp nhiệt buồng sấy

Q0.4 Motor vít tải

Q0.5 Motor quạt hút 1


Q0.7 Đèn báo quá nhiệt

Q1.0 Đèn báo quá dòng

Q1.1 Đèn báo lỗi truyền thông

I0.0 Start

I0.1 Kích trạng thái Auto

I0.2 Kích trạng thái Manual

I0.3 Cảm biến quang

I0.4 Bắt đầu sấy

I0.5 Stop

56


Hình 4. 15: Mạch điều khiển bằng MODBUS.Khi tiếp điểm ES được đóng lại, điện 220VAC sẽ được dẫn vào để

khởi động van tuyến tính.

Sử dụng giao tiếp Modbus của PLC để điều khiển biến tần và giao tiếp với đồng hồ nhiệt DTA4848.

57

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNChương này sẽ thực hiện các bước sau:

Viết chương trình: viết chương trình dưới dạng sơ đồ Ladder thông qua thứ tự thao tác của hệ thống điều khiển như đã xác định, theo từng bước một bằng phần mềm TIA Portal.

Nạp chương trình vào trong bộ nhớ: sau khi hoàn chỉnh lập trình, ta kiểm tra lỗi mã hóa bằng phần mềm và nạp chương trình vào bộ nhớ. Sử dụng phần mềm mô phỏng để xem xét các bước hoạt động và kiểm tra lỗi. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế, bước này chỉ thực hiện mô phỏng đổ code bằng phần mềm TIA Portal.

Kết nối thiết bị: Việc đấu nối thiết bị phải phân định vào ra. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế, bước này chỉ thực hiện bằng việc gán các Tag khi mô phỏng bằng phần mềm TIA Portal.

Chạy thử: để đảm bảo cấu trúc chương trình và các tham số đã cài đặt là chính xác. Nếu có lỗi hoặc chưa hợp lý thì sửa liên tục. Do hạn chế của đề tài, không có thiết bị trong thực tế, bước này chỉ thực hiện mô phỏng màn hình HMI bằng phần mềm TIA Portal.

5.1 Mục đích

Đối với các loại máy móc nói chung hay máy ủ viên nói riêng, ta cần một hệ thống điều khiển để quản lý, điều khiển các thiết bị trong hệ thống và đọc các giá trị từ cảm biến cũng như cài đặt các giá trị mới và điều khiển động cơ. Từ đó có thể theo dõi hoạt động của máy, tình trạng của hệ thống hiện thời và đạt được năng suất cao nhất.

5.2 Lập trình mô phỏng máy ủ viên thưc ăn tôm bằng phần mềm TIA-PORTAL

58


Đối với một hệ thống lớn, việc mô phỏng là vô cùng cần thiết vì không phải lúc nào cũng có sẵn một hệ thống để thực thi và kiểm tra ngày lập tức. Đồng thời, mô phỏng cũng giúp giảm chi phí vận hành thử nghiệm không cần thiết và sửa các lỗi nếu có xảy ra, giúp đạt hiệu quả tốt nhất khi áp dụng thực tế.

Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) là phần mềm mạnh mẽ của Siemens giúp mô phỏng hệ thống sử dụng PLC Siemens và màn hình HMI đầy đủ các dòng. Hỗ trợ rất tốt trong việc mô phỏng điều khiển PLC vaf HMI trong thực tế.

5.2.1 Biểu đồ chức năng và viết lập trình Ladder

Từ lưu đồ giải thuật, ta viết được biểu đồ chức năng biểu diễn từng trạng thái hoạt động và điều kiện logic cho từng trạng thái.

Khi điện được bật lên, các thiết bị PLC, HMI, đồng hồ nhiệt được cấp điện trực tiếp không qua tiếp điểm, biến tần có thể dùng CB để ngắt điện.

Set các giá trị địa chỉ biến tần và đồng hồ nhiệt, ngoài ra cần set các thông số như giới hạn tần số vì không thể thực hiện các thao tác này khi giao tiếp MODBUS.

Sau khi lệnh First Scan được thực hiện, có thể dùng màn hình HMI hoặc sử dụng các nút nhấn để điều khiển trực tiếp. Quá trình hoạt động sẽ qua các trạng thái sau:

Trạng thái 1: Set các giá trị mặc định như nhiệt độ, tần số,... Các giá trị này có thể thay đổi bằng màn hình HMI hoặc thay đổi trực tiếp trên biến tần và đồng hồ. Sau khi bấm nút Start. Các nhánh trạng thái 2, 8, 11, 17 được thực hiện song song.

Nhánh Auto:

Trạng thái 2: đây là trạng thái chờ, khi nút I0.1 được nhấn, trạng thái 3 sẽ được bắt đầu.

59


Trạng thái 3: khi thực hiện trạng thái này, lệnh reset một trường sẽ được thực hiện để dừng tất cả các hoạt động bên nhánh trạng thái Manual.

Trạng thái 4: Sau đó Q0.0 và Q0.1 được thực hiện. Trạng thái 5: Sau khi cảm biến I0.3 có tín hiệu, Q0.2 được thực

hiện trong thời gian T1 Trạng thái 6: Đây là trạng thái chờ sau khi hết thời gian T1,

trạng thái 7 cần sự can thiệp của người dùng ngoài thực tế. Trạng thái 7: Nút I0.4 được nhấn, các thiết bị Q0.3, Q0.4, Q0.5,

Q0.6 được kích hoat.

Nhánh Manual:

Trạng thái 8: đây là trạng thái chờ, khi nút I0.2 được nhấn, trạng thái 9 sẽ được bắt đầu.

Trạng thái 9: khi thực hiện trạng thái này, lệnh reset một trường sẽ được thực hiện để dừng tất cả các hoạt động bên nhánh trạng thái Auto.

Trạng thái 10: sau khi thực hiện xong trạng thái 9, có thể thực hiện thay đổi trạng thái các thiết bị Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, Q0.4, Q0.5, Q0.6 bằng tay.

Nhánh giao tiếp MODBUS:

Trạng thái 11: khai báo các thông số cho cổng MODBUS. Trạng thái 12: lúc này giao tiếp giữa PLC với biến tần và đồng

hồ nhiệt sẽ được thực hiện, các giá trị nhiệt độ, vân tốc, tần số,... sẽ được cập nhật liên tục.

Trạng thái 13: Khi có lỗi truyền thông xuất hiện, Q1.1 sẽ được kích hoạt

Trạng thái 14: Khi phát hiện bị quá nhiệt, Q0.7 sẽ được kích hoạt

60


Trạng thái 15: Khi phát hiện bị quá dòng, Q1.0 sẽ được kích hoạt

Trạng thái 16: Khi các trạng thái 13 hoặc 14 hoặc 15 được kích hoạt xong, trạng thái này sẽ được thực hiện để xóa các trạng thái đang hoạt động.

Nhánh Stop:

Trạng thái 17: đây là trạng thái chờ, khi nút I0.5 được nhấn, quá trình Stop bắt đầu.

Trạng thái 18: xóa tất cả các trạng thái và giá trị đang thực hiện. Sau đó quay lại trạng thái 1.

61


Hình 5. 1: Biểu đồ chức năng.

62


Từ sơ đồ SFC, ta có thể thiết biểu thức logic cho từng bước và chuyển sang dạng Ladder.

Ví dụ cho trạng thái 1:

Biểu thức logic:

TT 1= (FirstScan+TT 14 ) .TT 2. TT 8 .TT 11 . TT 13

Dạng bậc thang trong phần mềm TIA Portal:

Hình 5. 2: Dạng bậc thang của trạng thái 1Khi các trạng thái hoạt động, lệnh trong trạng thái sẽ được thực

thi.

Hình 5. 3: Lệnh trong trạn thái 1Làm tương tự với các trạng thái còn lại theo biểu đồ chức năng

sẽ được code điều khiển PLC theo lưu đồ giải thuật. Code đầy đủ có trong phần Phụ lục.

63


5.2.2 Nạp chương trình, kết nối thiết bị và chạy thử

Trong thực tế, sau khi hoàn thành lập trình ladder, người lập trình sẽ sử dụng cáp lập trình để đổ code vào PLC. Nhưng do thiếu điều kiện thực nghiệm, nên đề tài này sẽ mô phỏng đổ code, chạy code bằng phần mềm TIA Portal kết hợp với phần mềm S7-PLC SIM.

Mô phỏng việc kết nối các thiết bị bằng việc gắn Tag vào các chân PLC

Hình 5. 4: Bảng gắn Tag.Compile code bằng phần mềm:

64


Hình 5. 5: Compile bằng phần mềmĐổ code bằng phần mềm:

Hình 5. 6: Đổ code bằng phần mềmChạy thử bằng phần mềm: Bước này có thể kết hợp với thiết kế

màn hình HMI.

65


Hình 5. 7: Mô phỏng chạy thử bằng phần mềm5.2.3 Các lệnh sử dụng

Trong quá trình lập trình điều khiển PLC, có sử dụng các khối lệnh sau:

Timer:

IN: kích timer chạy Q: Giá trị xuất ra khi timer chạy xong. PT: Thời gian cài đặt.

66


ET: Thời gian timer đang chạy thực tế

Set một giá trị:

Reset:

Reset một dải giá trị:

Biến trên: giá trị bắt đầu xóa. Biến dưới: số giá trị sẽ xóa bắt đầu từ biến trên.

Lệnh gán giá trị:

EN: Kích để bắt đầu thực hiện lệnh IN: giá trị muốn gán OUT: Biến muốn gán ENO: Cho phép dòng điện chạy qua

Lệnh so sánh: Cho phép dòng điện chạy qua khi thỏa mãn điều kiện so sánh.

Lệnh INC: Tăng một giá trị cho biến.

67


EN: Kích để bắt đầu thực hiện lệnh. IN/OUT: Biến cần tăng giá trị. ENO: Cho phép dòng điện chạy qua

Lệnh cấu hình cổng MODBUS:

EN: Kích để bắt đầu thực hiện khối lệnh. REQ: Thực hiện lệnh khi có xung cạnh lên. PORT: Địa chỉ cổng giao tiếp vật lý BAUD: Chọn tốc độ BAUD (chọn tùy theo bảng) Parity: Bit parity MB_DB: Khối lệnh Master hoặc Slaver kế tiếp ENO: Cho phép dòng điện chạy qua DONE: Có giá trị khi thực hiện xong ERROR: Có giá trị khi có lỗi STATUS: Gán mã lỗi vào biến.

Lệnh khai báo Master:

68


EN: Kích để bắt đầu thực hiện lệnh. REQ: Thực hiện lệnh khi có xung cạnh lên. MB_ADDR: Địa chỉ của thiết bị giao tiếp.

Hình 5. 8: Thanh ghi thiết lập địa chỉ MODE: Chọn Mode giao tiếp là Write (1) hay Read (0) DATA_ADDR: Địa chỉ thanh ghi lệnh cần thực hiện

(Địa chỉ phải nằm trong khoảng 40001 – 49999 hoặc 400001 – 465535 nên phải thực hiện qua các bước: đổi địa chỉ thanh ghi từ mã Hex sang Dec, sau đó công với 40001 hoặc 400001 để được địa chỉ gần nhập)

DATA_LEN: Độ dài lệnh cần thực hiện. ENO: Cho phép dòng điện chạy qua DONE: Có giá trị khi thực hiện xong.

69


BUSY: Trạng thái hoạt động của khối ERROR: Có giá trị khi có lỗi STATUS: Gán mã lỗi vào biến.

5.2.4 Thiết kế giao diện HMI

Việc đổ code từ phần mềm TIA sang màn hình sẽ cần cáp kết nối để thực hiện. Tuy nhiên, do thiếu điều kiện thực nghiệm nên đề tài sẽ thực hiện việc mô phỏng bằng phần mềm TIA Portal.

Các Tag được gán khi thiết kế màn hình HMI phải đảm bảo tính đồng nhất với các Tag khi viết code lập trình Ladder.

Hình 5. 9: Gán Tag vào nút nhấn khi thiết kế HMI

70


Hình 5. 10: Bảng Tag khi thiết kế HMI

Hình 5. 11: Giao diện chínhTừ màn hình giao diện chính, người dùng có thể khởi động, cài

đặt thông số điều khiển hoặc xem thông số điều khiển hiện tại. Khi

71


chưa bấm nút bắt đầu, không thể chọn nút Auto hoặc Manual ở màn hình điều khiển.

Màn hình sơ đồ máy để người dùng có thể biết vị trí các cảm biến và thông số.

Màn hình thông số để người dùng quan sát các thông số hiện tại và cài đặt thông số mới trực tiếp khi máy đang hoạt động.

Có thể thay đổi thông số trước khi máy hoạt động trong màn hình cài đặt và cài đặt các thông số nâng cao cho động cơ và đồng hồ nhiệt.

Trên mỗi màn hình đều có:

Nút Home để về màn hình chính. Nút Emergency để dừng động cơ ngay lập tức. Khung thể hiện ngày giờ trong lúc hoạt động. Nút Back để quay về màn hình trước đó. Các nút chuyển đôi màn hình để không cần về màn hình

chính.

72


Hình 5. 12: Bảng điều khiển khi ở chế độ Auto

73


Hình 5. 13: Bảng điều khiển ở chế độ Manual

74


Hình 5. 14: Màn hình sơ đồ máy ủ

75


Hình 5. 15: Màn hình thông số điều khiển thực tế và cài đặt trục tiếp

76


Hình 5. 16: Màn hình cài đặt

77


Hình 5. 17: Màn hình cài đặt động cơ

78


Hình 5. 18: Màn hình cài đặt đồng hồ.

5.3 WinCC – SCADA

5.3.1 Giao diện màn hình WinCC

Hệ thống SCADA được sử dụng để giám sát và kiểm soát các quá trình vật lý có liên quan đến công nghiệp và cơ sở hạ tầng trên quy mô lớn và khoảng cách xa.

SIMATIC WinCC là phần mềm dùng cho hệ thống giám sát và thu thập số liệu (SCADA) của Siemens. SIMATIC WinCC có thể được sử dụng kết hợp với bộ điều khiển của Siemens.

Khi kết nối các Tag từ phần mềm TIA với WinCC, để phần mềm SCADA và

PLC hiểu nhau và hoạt động đúng thì các địa chỉ của Tag trong PLC và trên phần mềm

SCADA trên máy tính phải trùng nhau. Sau khi đọc danh sách Tag hoặc copy từ TIA,

ta nên kiểm tra lại danh sách Tag để đảm bảo đã đầy đủ và chính xác.

79


Khi muốn kết nối TIA với WinCC cần đặt đúng địa chỉ IP:

Hình 5. 19: Cài đặt địa chỉ IP để kết nối trong TIA và WinCC

80


Hình 5. 20: Giao diện WINCC

Hình 5. 21: Màn hình chínhỞ giao diện màn hình chính, sau khi bấm nút Start ta có thể

bấm Auto hoặc Manual để bắt đầu điều khiển hệ thống.

81


Hình 5. 22: Màn hình chế độ AUTO

Hình 5. 23: Màn hình chế độ MANUALỞ màn hình Auto hoặc Manual đều hiển thị các thông số nhiệt

độ và tần số của động cơ cài đặt và hiện tại. Người dùng có thể hiệu

82


chỉnh theo ý muốn khi máy đang hoạt động. Khi có lỗi về truyền thông, quá nhiệt, hay quá dòng, đèn báo sẽ sáng và báo và dừng ngay lập tức.

Màn hình Manual có các nút bật tắt các cơ cấu chấp hành theo ý muốn. Khi được bật, các cơ cấu chấp hành sẽ chuyển sang màu xanh lá, màu đỏ khi không hoạt động.

Có thể dừng bất cứ lúc nào bằng cách nhấn nút Stop ở màn hình chính.

5.3.2 Các thiết bị sử dụng trong WinCC

Khi thiết kế giao diện trong WinCC có thể sử dụng các biểu tượng đa dạng trong thư viện sẵn có để làm cho giao diện bắt mắt hơn. Các biểu tượng đều có thể thay đổi màu sắc, góc xoay, vị trí, ẩn hiện khi các tag tahy đổi.

Các biểu tượng sử dụng:

Rotary: Là Group của các hình vẽ, sẽ thay đổi góc quay tạo hiệu ứng xoay như rotary khi đổi trạng thái.

Motor: Biểu thị cho motor trong thức tế để tạo chuyển động cho băng tải, vít tải, motor phân liệu.

Quạt hút ẩm: Thay thế cho quạt hút ẩm trong thực tế.

Van cấp nhiệt: Van cấp nhiệt để cung cấp nhiệt độ cho buồng ủ và băng tải sấy.

83


Cảm biến: Biểu thị cho các cảm biến đo mức, đo nhiệt độ trong hệ thống.

Nút nhấn: Để chuyển đổi các màn hình, bật tắt các thiết bị trong hệ thống.

Hiện thị nhập xuất: Để hiện thị giá trị hiện tại như nhiệt độ, thời gian, các thông số cài đặt cũng như có thể thay đổi giá trị cài đặt ngay lập tức.

Đèn : Các đèn đổi màu khi thay đổi giá trị. Có tác dụng để báo thiết bị nào đang hoạt đông. Báo các lỗi đang mắc phải để người dùng có thể nhận biết.

5.4 Các cờ sử dụng chính trong hệ thống

Khi lập trình, các cờ được đặt tên và ký hiệu để dễ dàng trong việc kiểm soát và điều khiển.

Các cổng vào ra được đặt tên giống với các chân PLC trong thưc tế.

Bảng 5. 1: Tín hiệu vào/ra sử dụng trên PLC


Q0.0 Motor cấp liệu

Q0.1 Motor phân liệu

Q0.2 Van cấp nhiệt buồng ủ

Q0.3 Van cấp nhiệt buồng sấy

Q0.4 Motor vít tải


84



Q0.7 Đèn báo quá nhiệt

Q1.0 Đèn báo quá dòng

Q1.1 Đèn báo lỗi truyền thông

I0.0 Start

I0.1 Kích trạng thái Auto

I0.2 Kích trạng thái Manual

I0.3 Cảm biến quang

I0.4 Bắt đầu sấy

I0.5 Stop

Khi lập trình PLC, ta cần sử dụng các cờ trạng thái để có thể kích khi mô phỏng cũng như ứng với các trạng thái hoạt động mà không làm ảnh hưởng đến các cờ ứng với chân PLC trong thực tế.

Bảng 5. 2: Cờ sử dụng trong PLC


M1.0 First Scan

M0.1 Trạng thái 1









85








M3.0 Start

M3.1 Kích trạng thái Auto

M3.2 Kích trạng thái Manual

M3.3 Kích cảm biến NPN (khi mô phỏng)

M3.4 Bắt đầu sấy

M3.5 Stop

M4.0 Kích motor cấp liệu

M4.1 Kích motor phân liệu

M4.2 Kích van cấp nhiệt buồng ủ

M4.3 Kích van cấp nhiệt buồng sấy

M4.4 Kích motor băng cải trên

M4.5 Kích motor băng cải dưới

M4.6 Motor vít tải

M4.7 Motor quạt hút 1

M5.0 Motor quạt hút 2

Các cờ dữ liệu cần đúng với giá trị dữ liệu cần thiết. Cũng chú ý đến độ dài bit để không bị ảnh hưởng dữ liệu trong biến đó.

Bảng 5. 3: Các cờ chứa dữ liệu:

MD20 Giá trị nhiệt độ buồng ủ hiện tại86


MD22 Giá trị nhiệt độ buồng sấy hiện tại 1



MD32 Giá trị nhiệt độ buồng ủ cài đặt

MD34 Giá trị nhiệt độ buồng sấy cài đặt 1



MD44 Vận tốc băng tải trên hiện tại

MD46 Vận tốc băng tải trên cài đặt

MD48 Vận tốc băng tải dưới hiện tại

MD50 Vận tốc băng tải dưới cài đặt

MD0 Thời gian ủ hiện tại

MD10 Thời gian ủ cài đặt

87


88

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

6.1 Đánh giá kết quả đạt được

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điện điều khiển cho máy ủ viên tôm”, tôi đã thực hiện những điều sau:

Tìm hiểu về công dụng và nguyên lý hoạt động của máy ủ viên tôm.

Tính toán và lựa chọn động cơ sử dụng cho các cơ cấu chấp hành.

Thiết kế mạch điện. Tính toán và lựa chọn các thiết bị trong mạch điện. Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển PLC bằng phần mềm

TIA Portal. Thiết kế giao diện HMI để điều khiển máy bằng phần mềm TIA

Portal. Thiết kế giao diện SCADA để giám sát và vận hành máy ủ bằng

phần mềm WinCC

6.2 Những hạn chếTrong quá trình thực hiện luận văn này, do kiến thức còn hạn

hẹp và thời gian không cho phép nên dẫn đến một số hạn chế sau: Chỉ thực hiện phần tính toán và thiết kế trên lý thuyết và mô

phỏng, chưa có mô hình thực tế để kiểm chứng hoạt động của máy.

Chưa tối ưu bài toán điều khiển để nâng cao khả năng tự động hóa.

6.3 Phương hướng phát triển đề tài Tối ưu phương án tự động hóa

89

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài

Sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ trong thực tế. Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển độ ẩm. Phát triển hệ thống mạng SCADA để có thể vận hành máy từ

xa.

90

Tài liệu tham khảo[1] Nguyễn Hữu Lộc (2013). Cơ sở thiết kế máy. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

[2] Nguyễn Hồng Ngân, Nguyễn Danh Sơn (2010). Kỹ thuật nâng chuyển tập 2. Máy vận chuyển liên tục. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

[3] Lê Khánh Điền (2010) Vẽ cơ khí . Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

[4] Nguyễn Kim Đính (2015) Kỹ thuật điện. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

[5] Killian (2014) Modern Control Technology: Components and Systems

[6] Bùi Hồng Huế (2011) Giáo trình điện công nghiệp Nhà xuất bản Xây Dựng

[7] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS. Nguyễn Trọng Thắng (2016) Nguyên lý hoạt động của máy điện Nhà xuất bản xây dựng.

[8] Công ty Shenzhen INVT Electric (2015) Operation Maual

[9] Công ty ABB Softstarter Handbook

[10] Công ty HEM Bảng tra động cơ điện

[11] Công ty Fuji Electric Bảng tra các thiết bị điện dựa theo công suất và thiết bị điện.

[12] Công ty Siemens Datasheet PLC S7 1200

[13] Các datasheet đi kèm theo linh kiện, thiết bị dùng trong luận văn.

91

lời cảm ơn€¦ · web view2021. 3. 24. · lời cảm ơn. Để hoàn thành luận văn...

Documents