Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng

Nội dung và kết quả đạt được: Sau thời gian nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: ¾ Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và độn

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư tin học Viện máy và DCCN

5 Nguyễn Văn Thoại Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN

6 Nguyễn Trí Đồng Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN

8 Dương Văn Nghĩa Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN

9 Nguyễn Chí Cường Thạc sỹ tin học Viện máy và DCCN

BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên

cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng “

2 Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Hoài Anh

3 Thời gian thực hiện đề tài: từ 01/01/2011 đến 31/12/2011

4 Nội dung và kết quả đạt được:

Sau thời gian nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau:

¾ Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên

cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam

¾ Xây dựng phần mềm điều khiển nhúng cho trạm trộn bê tông tự động phù hợp với điều kiện Việt Nam đạt tiêu chuẩn Quốc tế trên cơ sở thiết bị phần cứng đã lựa chọn

¾ Xây dựng qui trình chế tạo và lắp ráp hệ thống điều khiển bao gồm phần cứng, phần mềm và thiết bị động lực phù hợp với điều kiện Việt Nam

¾ Thiết kế, chế tạo 01 hệ thống điều khiển cho trạm trộn bê tông tự động trên

cơ sở điều khiển nhúng tương đương sản phẩm cùng loại hiện đại nhất hiện nay đủ điều kiện xuất khẩu sản phẩm này ra thị trường thế giới

¾ Thử nghiệm hệ thống điều khiển trong điều kiện hoạt động thực tế

5 Tài chính:

Toàn bộ kinh phí thực hiện của đề tài đã sử dụng hết và đúng mục đích theo qui định của Nhà Nước

6 Kết luận và kiến nghị:

Nhóm đề tài đã thực hiện đầy đủ nội dung đăng ký cho giai đoạn 2 của đề tài

là thiết kế hệ thống điều khiển nhúng cho trạm trộn bê tông Đây là đề tài có tính thực tiễn cao, đã thiết kế được một bộ hồ sơ hoàn chỉnh và chế tạo được 01 hệ

tính năng hiện đại Hệ thống điều khiển đã được chạy thử, kiểm tra các tính năng hoạt động với kết quả khả quan, đáp ứng được các yêu cầu của một hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông tự động hiện đại

Việc ứng dụng điều khiển nhúng cho các thiết bị cơ - điện tử là công nghệ rất mới ở nước ta, các nghiên cứu trên đây mới chỉ là những ứng dụng thực tế ban đầu đặt nền móng cho những nghiên cứu khác vì vậy nhóm đề tài rất mong được

sự ủng hộ của các ngành để có được những ứng dụng sâu hơn ở những nghiên cứu tiếp theo

MỤC LỤC

Hạng mục Trang

Lời mở đầu 7  

CHƯƠNG I   TÓM TẮT NỘI DUNG ĐÃ THỰC HIỆN TRONG GIAI ĐOẠN I 9  

1.1   Cơ sở xuất phát của đề tài 9  

1.2   Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 9  

1.3   Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trên thế giới 10  

1.4   Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trong nước 11  

1.5   Khảo sát các hệ thống điều khiển ứng dụng trong trạm trộn bê tông hiện đang sử dụng trong nước và trên thế giới 12  

1.6   Thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông dùng bộ điều khiển nhúng 12  

CHƯƠNG 2   BÁO CÁO GIAI ĐOẠN 2 16  

2.1 LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN: TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DỰ LẠNH 120 m3/h 16  

2.1.1 Lý do lựa chọn đối tượng 16  

2.1.2 Cấu hình trạm hiện tại 19  

2.1.3 Cấu hình điều khiển nhúng 19  

2.2 THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG 20  

2.2.1 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam 20  

2.2.2 Công nghệ chế tạo tủ điện động lực và điều khiển 23  

2.2.3 Thiết kế sơ đồ lắp ráp mạch tủ điện 24  

2.2.4 Qui trình công nghệ thi công tủ điện 25  

2.2.5 Qui trình công nghệ thử nghiệm tủ điện 26  

2.3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG 33  

2.3.1 Lựa chọn phần mềm cơ sở 33  

2.3.2 Xây dựng các bài toán và phần mềm điều khiển nhúng 44  

2.3.3 Xây dựng chương trình phần mềm thu thập dữ liệu, quản lý sản xuất 64  

2.4   LẮP ĐẶT TỔNG THỂ TOÀN BỘ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG TỰ ĐỘNG 120 m3/h.

2.5 KẾT QUẢ 73  

CHƯƠNG 3   KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76  

PHỤ LỤC I 78  

PHỤ LỤC II 78  

PHỤ LỤC III 78  

Lời mở đầu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển, hàng loạt các công trình xây dựng đang liên tục mọc lên, rất nhiều các khu chung cư mới, các văn phòng làm việc liên tục được xây dựng đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội Trước nhu cầu rất lớn của việc xây dựng cơ sở hạ tầng nêu trên đòi hỏi rất nhiều các thiết bị thi công cho các công trình xây dựng trong đó có trạm trộn bê tông là thiết bị cơ bản trong việc thi công các công trình xây dựng

Thiết bị trạm trộn bê tông được nghiên cứu tại các nước công nghiệp phát triển

từ rất lâu và tạo ra rất nhiều các hãng sản xuất trạm trộn bê tông nổi tiếng trên thế giới như: Kabag, Steter, Libherr, Các hãng này liên tục nghiên cứu và ứng dụng nhiều công nghệ mới để nâng cao chất lượng cho các sản phẩm của mình Một trong những yếu tố cơ bản để nâng cao chất lượng của trạm trộn bê tông là ứng dụng các công nghệ mới nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển Các công nghệ điều khiển mới như: điều khiển số, điều khiển dựa trên máy tính công nghiệp, điều khiển sử dụng vi xử lý, liên tục được ứng dụng cho hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông, gần đây công nghệ điều khiển nhúng đã bắt đầu ứng dụng cho các trạm trộn bê tông của các hãng nổi tiếng

Trong nước ta do nhu cầu xây dựng rất lớn do vậy đã hình thành một số cơ sở sản xuất trạm trộn bê tông, chất lượng các sản phấm trạm trộn bê tông sản xuất trong nước đã cạnh tranh với các sản phẩm nhập ngoại từ các hãng nổi tiếng của các nước công nghiệp phát triển Hiện nay các sản phẩm trạm trộn bê tông sản xuất trong nước đã chiếm đến 95% thị phần trong nước và một số đã xuất khẩu ra thị trường thế giới, các đơn vị lớn sản xuất trong lĩnh vực này phải kế đến là: viện máy và dụng cụ công nghiệp, công ty CP tập đoàn xây dựng và thiết bị công nghiệp (CIE), viện nghiên cứu điện tử, tin học, tự động hóa (VIELINA), Hiện nay chất lượng các trạm trộn bê tông của các đơn vị này cần nâng cao để nâng cao chất lượng sản phẩm bê tông xi măng bình thường và cung cấp các bê tông đặc biệt như: bê tông lạnh, bê tông đầm lăn, bê tông khối lớn, ngoài ra nhiều công trình lớn cần thiết bị trạm trộn bê tông rất lớn như: công trình thủy điện Đồng Nai

trạm trộn bê tông đến 500 m3/h, Do vậy trong quá trình sản xuất các trạm trộn

bê tông trong nước đang rất cần sự đầu tư nghiên cứu để nâng cấp sản phẩm hiện tại đáp ứng nhu cầu thực tế

Trước nhu cầu cấp bách trên việc nghiên cứu thành công đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng“ có một ý nghĩa rất lớn đáp ứng yêu cầu cấp bách của sản xuất trong nước

và là bước đi đầu tiên đặt nền móng cho các nghiên cứu ứng dụng của điều khiển nhúng cho các thiết bị cơ-điện tử công nghệ cao khác

Do thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót, nhóm đề tài rất mong được sự đóng góp của các cấp và các đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn Thay mặt nhóm đề tài chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ của các ngành, các cấp đặc biệt là Bộ Công Thương, Viện máy và dụng cụ Công nghiệp và các đồng nghiệp đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này

CHƯƠNG I TÓM TẮT NỘI DUNG ĐÃ THỰC HIỆN TRONG GIAI ĐOẠN I

1.1 Cơ sở xuất phát của đề tài

• Ngày nay các yêu cầu của sản xuất ngày càng cao và mẫu mã liên tục thay đổi để phù hợp với khách hàng do vậy thiết bị sản xuất đặc biệt là hệ thống điều khiển phải rất linh hoạt

• Trong thời gian gần đây các hãng sản xuất thiết bị điều khiển lớn trên thế giới như: Siemens, Hitachi, đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu điều khiển nhúng và đã ứng dụng giải quyết rất nhiều các bài toán tự động hóa trong thực tế Trong thời gian tới rất nhiều hệ thống điều khiển cho thiết bị sẽ sử dụng điều khiển nhúng

• Sau thời gian sản xuất các trạm trộn bê tông, viện IMI đã chế tạo được một

số trạm bê tông năng suất lớn và bê tông đặc biệt như: bê tông lạnh, bê tông đầm lăn, Những bộ điều khiển trước đây như: bộ điều khiển chuyên dụng (vi xử lý), PC base, PLC, đã xuất hiện các hạn chế vì vậy cần những bộ điều khiển mới khắc phục những nhược điểm này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

• Ứng dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến và hiện đại nhất hiện nay để tạo ra các sản phẩm cơ - điện tử công nghệ cao ngang tầm với các nước công nghiệp phát triển Cụ thể là nghiên cứu chế tạo 01 hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng

• Tạo tiền đề cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển cho các sản phẩm cơ

- điện tử công nghệ cao khác ứng dụng công nghệ điều khiển nhúng – một công nghệ điều khiển mới được ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong tương lai

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trên thế

giới

• Trong thời gian gần đây do yêu cầu ngày càng cao của thực tế các bài toán điều khiển, tự động hóa ngày càng lớn và phức tạp vì vậy các hệ thống điều khiển cũ bắt đầu xuất hiện các hạn chế, Do đó các hãng tự động hóa lớn trên thế giới đầu tư nghiên cứu và đưa ra hệ thống điều khiển mới gọi là “điều khiển nhúng”

• Với sự phát triển của công nghệ thông tin và điện tử, hệ thống nhúng trong công nghiệp với thuật ngữ “Embedded Automation” Hệ thống điều khiển nhúng của hãng SIEMENS – CHLB Đức là ví dụ cho điều khiển nhúng ứng dụng trong công nghiệp Theo hang SIEMENS hệ thống điều khiển nhúng

là hệ thống điều khiển mở như PC-Based và ổn định như PLC tiêu chuẩn,

và được SIEMENS phát triển và đưa ra thị trường vào năm 2008 Bộ điều khiển mới này là bộ điều khiển “modular Embedded Controller” viết tắt là (S7-mEC) Đây là bộ điều khiển dựa trên thiết kế của bộ PLC nổi tiếng S7-

300 với công nghệ nhúng trên PC Được định nghĩa là bộ “Embedded Controller” hay tạm dịch là bộ điều khiển nhúng Bộ điều khiển này kết hợp được ưu điểm nổi trội của PLC S7-300 và PC trên cùng một thiết bị Đây là một trong những sản phẩm nằm trong dòng sản phẩm SIMATIC Embedded Automation Ngoài ra trong các dòng sản phẩm này còn có các sản phẩm SIMATIC Microbox, SIMATIC Panel PC, SIMATIC Multi Panel

Hình1 Một vài ứng dụng của bộ điều khiển nhúng

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trong

nước

• Các cơ sở, các viện nghiên cứu trong nước đang đầu tư mạnh mẽ để ứng dụng các kỹ thuật mới nhằm tạo ra sức cạnh tranh với các thiết bị nhập ngoại Đặc biệt hệ thống điều khiển nhúng đang rất được đầu tư nghiên cứu ứng dụng cho các sản phẩm của mình do hệ điều khiển này có nhiều ưu điểm

• Các nghiên cứu về điều khiển nhúng trong nước đã bước đầu có những công trình đưa vào ứng dụng thực tế và đạt được các kết quả nhất định như: Viện công nghệ thông tin xây dựng “hệ thống đo và điều khiển nhúng trên

cơ sở mạng Ethernet và giao thức TCP/IP”, Hệ thống cảnh báo đường ngang và cảnh báo vượt tốc tàu hỏa ứng dụng cho ngành đường sắt của công ty cổ phần CadPro, gia công phần mềm nhúng cho các hãng lớn của nước ngoài như: Hitachi, Mitsubishi,

• Các bài toán ứng dụng hệ điều khiển nhúng chủ yếu là các bài toán nhỏ và các ứng dụng đơn giản Trong xu thế hội nhập hiện nay nhu cầu xây dựng các hệ thống điều khiển đặc biệt là điều khiển nhúng cho các dây chuyền và thiết bị lớn, phức tạp trong nước rất lớn nhằm chủ động sản xuất và làm chủ công nghệ trong sản xuất của mình

1.5 Khảo sát các hệ thống điều khiển ứng dụng trong trạm trộn bê tông

hiện đang sử dụng trong nước và trên thế giới

a) Hệ thống điều khiển của hãng Advanced Control Systems Inc (ACS) – CHLB Đức: Xin xem ở báo cáo giai đoạn I

b) Hệ thống điều khiển của hãng ELBA - CHLB Đức: Xin xem ở báo cáo giai đoạn I

c) Hệ thống điều khiển của hãng Bikotronic GmbH – CHLB Đức: Xin xem ở báo cáo giai đoạn I

d) Hệ thống điều khiển của Viện IMI: Xin xem ở báo cáo giai đoạn I

1.6 Thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông dùng bộ điều khiển

nhúng

a) Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển bao gồm:

• Điều khiển hệ thống cân: cân cốt liệu, cân xi măng, cân nước,…

• Điều khiển hệ thống chuyển cốt liệu lên cối trộn: băng tải, skip

• Điều khiển hệ thống cửa xả: xả xi măng, xả nước, xả bê tông, xả phụ gia,… Với việc thực hiện các mô hình và hệ thống điều khiển trên xác định được đầu vào ra của bộ điều khiển như sau:

• Đầu vào Analog: 08

• Đầu vào số: 32

• Đầu ra số: 32

b) Tính toán, thiết kế thiết bị phần cứng của hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông:

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhúng cho trạm trộn:

Bộ xử lý nhúng trung tâm

Mô đun vào ra, thu thập tín hiệu tại chỗ

từ, aptomat, )

Cơ cấu chấp hành (động

cơ, van điện khí,…)

Mô đun vào ra, thu thập tín hiệu tại chỗ (Cụm thiết bị lạnh)

Rơ le trung gian, thiết bị điện động lực (Khởi động

từ, aptomat, )

Cơ cấu chấp hành (động

cơ, van điện khí,…)

Bộ xử lý nhúng trung tâm

Mô đun vào ra, thu thập tín hiệu tại chỗ

từ, aptomat, )

Cơ cấu chấp hành (động

cơ, van điện khí,…)

Mô đun vào ra, thu thập tín hiệu tại chỗ (Cụm thiết bị lạnh)

Rơ le trung gian, thiết bị điện động lực (Khởi động

từ, aptomat, )

Cơ cấu chấp hành (động

cơ, van điện khí,…)

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống nhúng cho trạm trộn

Yêu cầu đối với bộ điều khiển nhúng:

• Tín hiệu vào số: 32 tín hiệu

• Tín hiệu vào analog: 08 đầu vào analog

• Tín hiệu ra số: 32 tín hiệu

• Bộ vi xử lý trung tâm cài đặt các phần mềm nhúng chuyên dụng và phần mềm quản lý cơ bản nhằm phục vụ công tác lưu trữ và quản lý dữ liệu trong quá trình vận hành

• Có khả năng mở rộng thêm các môđun vào-ra (tín hiệu vào, tín hiệu ra số hoặc analog) để sử dụng cho các trạm trộn bê tông đặc biệt như: bê tông đầm lăn, bê tông lạnh,

• Có khả năng mở rộng cho các môđun đặc biệt như: môđun nhiệt độ, để đáp ứng yêu cầu của những trạm đặc biệt

Qua quá trình nghiên cứu và phân tích thực tế nhóm đề tài chọn bộ điều khiển nhúng của hãng Siemens – CHLB Đức là phù hợp với trạm trộn bê tông sản xuất trong nước hiện nay

Bộ điều khiển nhúng của hãng Siemens – CHLB Đức bao gồm:

• 01 bộ CPU nhúng IPC427C BUNDLE:

Hình 3 Bộ điều khiển nhúng

- Bộ xử lý trung tâm CELERON M 1.2 GHz Core2 Duo, 800 MHz FSB

- 01 cổng Profibus DP, 02 cổng IE 1.0 Gbit, 01 cổng màn hình DVI-I

- Ram 1.0 GBYTE DDR3 1066, Đĩa Compact Flash 4.0 GB

- Giao diện I/O qua mạng Ethernet công nghiệp hoặc Profibus

• 01 bộ thu thập tín hiệu ET200M

• Các môđun DI, DO và Analog (bao gồm các môđun chủ và tớ) để thu thập

và cung cấp tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành

• 01 card giao tiếp mạng công nghiệp Profibus

• 01 màn hình thao tác cho vận hành LCD touchscreen

CHƯƠNG 2 BÁO CÁO GIAI ĐOẠN 2

2.1 LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN: TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DỰ LẠNH 120 m3/h

2.1.1 Lý do lựa chọn đối tượng

Bộ điều khiển nhúng là thế hệ điều khiển tiên tiến có khả năng đáp ứng tốt với các đối tượng điều khiển tương đối phức tạp với khả năng ghép nối các mô đun phân tán Nhóm đề tài đã chọn đối tượng điều khiển là hệ thống trạm trộn bê tông

dự lạnh 120m3/h bao gồm:

¾ Hệ thống trạm trộn 120m3/h

Hình 4 Bản vẽ tổng thể trạm trộn bê tông năng suất 120 m3/h

Trạm trộn bê tông lạnh 120 m3/h như trên bao gồm có 02 cân cốt liệu, mỗi cân gồm 04 thành phần được định lượng theo nguyên tắc cộng dồn từng thành phần Sau khi cân xong băng tải cân sẽ chuyển cốt liệu đã định lượng vào băng tải xiên rồi chuyển lên phễu cốt liệu trung gian Cân xi, cân nước, cân tro bay, cân phụ gia được định lượng độc lập sau đó phối hợp cùng với cốt liệu ở phễu trung gian để xả xuống cối trộn Tại cối trộn các vật liệu được trộn với nhau sau một khoảng thời gian trộn sẽ thành bê tông và xả ra

Hệ thống làm lạnh nước với thiết bị chính là Water Chiller đóng vai trò hết sức quan trọng Hệ thống này làm giảm nhiệt độ của nước từ nhiệt độ bình thường (khoảng 20oC) xuống 5-7oC Nước sau khi được hệ thống làm lạnh sẽ được sử dụng để làm đá vẩy và trộn bê tông thay cho nước bình thường để làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp bê tông sau trộn

Bộ điều khiển Chiler đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống làm lạnh , quyết định khả năng làm việc , tính hiệu quả của thiết bị Nhóm đề tài sử dụng bộ điều khiển nhúng để điều khiển hệ thống làm lạnh nước Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển như sau:

Hình 5 Sơ đồ bộ điều khiển

Cảm biến : đo và kiểm soát thông số như : nhiệt độ , áp suất , lưu lượng…truyền tín hiệu tới bộ điều khiển

Cơ cấu chấp hành : Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển đưa tới cơ cấu chấp hành như : Van , rơle , công tắc tơ

Màn hình (HMI) : Theo dõi chu trình hoạt động , cài đặt thông số vận hành Tiêu trí đặt ra đối với bộ điều khiển Chiler điều khiển chính xác chu trình , đảm bảo độ tin cậy dễ vận hành sửa chữa Với các tính năng:

Điều khiển công suất lạnh theo cấp hoặc liên tục

Giao diện (HMI) người – máy thân thiện Lựa chọn cài đặt các thông số linh hoạt Hiệu chỉnh (Calib) các thông số đầu vào Cảnh báo sự cố kịp thời , đảm bảo an toàn chu trình hoạt động Kiểm soát chu trình liên tục ở các chế độ bằng tay hay tự động

¾ Hệ thống sản xuất đá mảnh

Hệ thống sản xuất đá mảnh với thiết bị chính là máy nén, bơm, van, Hệ thống tạo ra sản phẩm là đá lạnh với kích thước nhỏ để làm nguyên liệu thay một phần nước trộn vào bê tông

2.1.2 Cấu hình trạm hiện tại

Hiện nay các bộ điều khiển trạm trộn bê tông dự lạnh tại Việt Nam và trên thế giới thường thấy bao gồm 03 bộ điều khiển độc lập, một số hãng thì 03 bộ điều khiển đó có khả năng ghép nối truyền thông với nhau Do đó để điều khiển đồng

bộ cả hệ thống sẽ gặp một số vấn đề về phối hợp hoạt động đồng bộ cả hệ thống

2.1.3 Cấu hình điều khiển nhúng

Bộ điều khiển nhúng bao gồm 01 bộ CPU nhúng IPC427C BUNDLE kết nối với các mô đun thu thập tín hiệu ET200M Mỗi mô đun ET200M lại được gắn cùng với các mô đun mở rộng như mô đun đầu vào số (Digital Input), mô đun đầu

ra số (Digital Output), mô đun vào/ ra tương tự (Analog Input/ Output) Các tín hiệu của hệ thống được bộ điều khiển nhúng IPC 427C thu nhận và điề khiển qua các mô đun này

Kết luận:

Hệ thống điều khiển nhúng với cấu hình như trên đã đáp ứng được yêu cầu về bài toán điều khiển đồng bộ hệ thống trạm trộn bê tông dự lạnh 120m3/h Hệ thống có khả năng điều khiển và giám sát hoàn toàn hệ thống từ điều khiển quá trình trạm trộn, quá trình sản xuất nước lạnh đến quá trình sản xuất đá mảnh, đá vẩy

2.2 THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG 2.2.1 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam

a Tính toán thiết kế bộ điều khiển

Do môi trường làm việc của trạm trộn bê tông tương đối khắc nghiệt và hệ thống trạm trộn này thường đặt tại những vùng xa trung tâm do vậy yêu cầu đầu tiên đối với thiết bị điều khiển là hoạt động ổn định, tin cậy trong môi trường khắc nghiệt, đơn giản trong vận hành và dễ dàng thay thế sửa chữa

Qua quá trình nghiên cứu và phân tích thực tế nhóm đề tài chọn bộ điều khiển nhúng của hãng Siemens – CHLB Đức là phù hợp với trạm trộn bê tông sản xuất trong nước hiện nay Bộ điều khiển bao gồm:

1 01 bộ CPU nhúng IPC427C BUNDLE chạy hệ điều hành Windows XP Embeded với các phần mềm lập trình Step7, WinAC Rtx 4.6 với hiệu năng mạnh mẽ hoạt động tốt khi nhiệt độ môi trường xung quanh lên đến 55°C với cấu hình chi tiết như sau:

2 Bộ vi xử lý Intel Core 2 Duo

3 Bộ nhớ DDR3 với dung lượng 1GB

4 Cạc màn hình Graphics Media Accelerator GMAX4500

5 Ổ cứng 250Gb và thẻ CF thay thế cho ổ cứng truyền thống

6 Tích hợp sẵn 04 cổng giao diện USB 2.0

7 02 cổng kết nối Gigabit Ethernet có khả năng kết nối với các thiết bị điều khiển theo chuẩn truyền thông công nghiệp

8 Tích hợp sẵn cạc CP5611 có 01 cổng giao tiếp Profibus với các thiết bị điều khiển, các module chức năng mở rộng như bộ thu thập tín hiệu ET200M

Hình 8 Bộ thu thập tín hiệu ET200M

9 01 bộ thu thập tín hiệu ET200M cho phép mở rộng I/O với hệ thống thông qua cổng truyền thông Profibus Nhóm đề tài sử dụng ET200M

để kết nối IPC427 box với các loại module mở rộng sau:

- Modul đầu ra số ( Digital Output )

- Modul vào/ra tương tự ( Analog In/Output )

b Tính chọn thiết bị động lực

Thiết bị điện động lực trong trạm trộn bê tông lạnh chủ yếu là các Aptomat, Khởi động từ, Rơle trung gian, Sau khi nghiên cứu kỹ tính năng các thiết bị nhóm đề tài đã quyết định lựa chọn các thiết bị sản xuất bởi các hãng của Hàn quốc như LG, Hanyoung, Sungho,

Các công tắc tơ, áptômat được lựa chọn để điều khiển hoặc bảo vệ các động

cơ phải có dòng làm việc tối thiểu bằng dòng định mức của động cơ trong đó

Iđc = Pđm/ 3.U.cosϕ

Sau khi tính được dòng định mức của động cơ tra bảng thiết bị của hãng sản xuất chọn được loại công tắc tơ có I ≥ Iđc và rơ le nhiệt có dải điều chỉnh dòng điện chứa dòng điện định mức này

Đối với các động cơ điện khi khởi động trực tiếp từ lưới điện thì dòng điện khởi động của các động cơ gấp từ 5 ÷ 7 lần Iđm của động cơ như vậy đối với động

cơ lớn (khoảng ≥ 22 kW) dòng khởi động của động cơ rất lớn do vậy rất dễ gây ra sụt áp khi khởi động

Trạm trộn bê tông nhóm đề tài nghiên cứu gồm các động cơ lớn chủ yếu là các thiết bị sau: động cơ băng tải, động cơ cối trộn, động cơ vít tải, động cơ bơm nước, đặc tuyến tải của các thiết bị này là mô men tỷ lệ thuận với tốc độ

Để giảm dòng điện khởi động cho các động cơ lớn trong trạm trộn bê tông nhóm đề tài sử dụng phương pháp khởi động đổi nối sao/tam giác (Y/∆)

2.2.2 Công nghệ chế tạo tủ điện động lực và điều khiển

Dựa trên sơ đồ nguyên lý thiết kế và lựa chọn thiết bị điện động lực và điều

khiển xây dựng chế tạo hệ thống điện động lực và điều khiển như sau:

Xây dựng bảng kê chi tiết các thiết bị điện

Thiết kế vỏ tủ điện

Thiết kế vị trí, bố trí các linh kiện trong tủ điện

Đấu dây trong các bảng điện của tủ điện

Lắp đặt hoàn chỉnh tủ điện

Lắp đặt và đấu nối các thiết bị điều khiển

bên ngoài vào tủ

Chạy thử từng phần

Chạy thử liên động theo thiết kế

2.2.3 Thiết kế sơ đồ lắp ráp mạch tủ điện

Từ sơ đồ nguyên lý thiết kế sơ đồ lắp ráp mạch tủ điện đảm bảo các điều kiện

cụ thể như sau:

Chọn các thiết bị điều khiển động lực

Thiết kế vị trí lắp đặt các nút ấn, đèn báo, còi,

Xác định kích thước các thiết bị điện cung cấp

Thiết kế vị trí lắp đặt các thiết bị bảo vệ

Thiết kế sơ bộ vị trí lắp đặt các thiết bị điện động lực

Tính toán kích thước tấm bắt linh kiện

Đ Kiểm tra, hiệu chỉnh các thiết kế

2.2.4 Qui trình công nghệ thi công tủ điện

Sau khi hoàn thành toàn bộ thiết kế kỹ thuật tiến hành thi công tủ điện theo qui trình công nghệ thi công như sau:

Thiết kế sơ đồ nguyên lýThiết kế sơ đồ lắp ráp

Chế tạo vỏ tủ điện, các hộp tại chỗ

Tính chọn và mua các thiết bị điện

Lắp ráp các phụ kiện

Lắp ráp các thiết bị động lực chính,

các thiết bị bảo vệ

Đấu dây tại tấm bắt linh kiện và trong tủ điện

Kiểm tra và hiệu chỉnh vị trí lắp ráp các thiết bị

Lắp các tấm bắt linh kiện, các bảng điện

Kiểm tra liên động tại xưởng Đấu điện kiểm tra từng phần và ở chế độ tay Kiểm tra tổng thể toàn bộ tủ điện

Chạy thử không tải và có tải, kiểm tra hiệu chỉnh tham số cho phù hợp Lắp đặt tủ điện vào thiết bị,đi dây bên ngoài

2.2.5 Qui trình công nghệ thử nghiệm tủ điện

Sau khi thi công xong tủ điện tiến hành thử nghiệm tủ điện theo các bước như sau:

Chuẩn bị các thiết bị cho quá trình thử nghiệm

Chuẩn bị các thiết bị đoChuẩn bị dây nguồn và dây nối điều khiển Đấu nối tủ điện với các thiết bị mô phỏng Kiểm tra bằng mắt toàn bộ hệ thốngKiểm tra cách điện tại những điểm cần thiết Kiểm tra khả năng chập điện của nguồn điện

Cấp nguồn vào tủ điệnKiểm tra nguồn cấp

Tắt tất cả các aptomat hoặc cầu chì sau aptomat nguồn trong tủ điệnBật aptomat hoặc cầu dao nguồn

Kiểm tra từng phần

Kiểm tra chế độ tay toàn hệ thốngKiểm tra liên động toàn hệ thốngXuất xưởng và lắp đặt tại hiện trường

Qui trình thử nghiệm tổng thể hệ thống điều khiển và động lực cho hệ thống sản xuất bê tông như sau :

a Thử nghiệm không tải và liên động không tải

Sau khi lắp đặt xong sẽ tiến hành chạy thử thiết bị hệ thống không tải như sau:

- Chạy thử từng phần hệ thống trạm trộn như: các cửa cân, các cửa xả, các băng tải, các vít tải, cối trộn,

- Hiệu chỉnh các thiết bị nếu cần thiết

- Hiệu chỉnh từng thiết bị trong quá trình chạy thử

- Chạy thử liên động toàn hệ thống trạm trộn (chạy thử ở chế độ mô phỏng)

- Chạy thử liên động không tải toàn hệ thống sản xuất bê tông lạnh ở chế độ liên động không tải

b Hiệu chỉnh và kiểm định các cân cho phần trạm trộn với từng cân theo trình tự như sau:

- Hiệu chuẩn tĩnh:

Chuẩn bị các quả cân chuẩn

(Quả chuẩn)

Hiệu chỉnh điểm “0”

Đặt quả chuẩn vào cân

Hiệu chỉnh giá trị dải

Đ

S

Kiểm tra giá trị hiển thị trên cân và giá trị thực tế của quả chuẩn

- Hiệu chỉnh cân động :

- Kiểm định và cấp giấy chứng nhận kiểm định

Chuẩn bị vật liệu vào các phễu chứa, si lô chứa,

Hiệu chỉnh sơ bộ tham số

Tính toán tham số

Kiểm tra khối lượng thực tế và giá trị khối lượng đặt

Kết thúc và hệ thống tự động điều chỉnh phù hợp trong quá

c Chạy thử và hiệu chỉnh toàn trạm bê tông

- Lấy mẫu các thành phần vật liệu (cát, đá) để tính toán được cấp phối chuẩn

- Chuẩn bị đầy đủ vật liệu vào phễu chứa, si lô chứa, bể nước

- Tiến hành chạy và thử nghiệm bê tông theo trình tự như sau :

Chuẩn bị vật liệu vào các phễu chứa, si lô chứa, bể nước,

Hiệu chỉnh sơ bộ tham số

Tính toán tham số

Kiểm tra khối lượng thực tế và giá trị khối lượng đặt

Kết thúc và hệ thống tự động điều chỉnh phù hợp trong quá

Từ những nghiên cứu ở giai đoạn I nhóm đề tài đã nghiên cứu và xây dựng nên sơ đồ khối điều khiển sử dụng bộ điều khiển nhúng như sau:

Màn hình điều khiểnTouch Panel(TP)

Màn hình thao tác, vận hành Máy in

Thu nhận giá

trị tương tự

của các cân

Công tắc hành trình

Thiết bị điện động lực

Thiết bị điện điều khiển trung gian

Cơ cấu chấp hành (động cơ)

Cơ cấu chấp hành (van điện khí)

Bàn phím

BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG

Hình 9 Sơ đồ khối điều khiển nhúng cho trạm trộn bê tông 120 m 3 /h

- Khối thu nhận tín hiệu vào ra số

Modull vào ra, thu thập dữ liệu Modul

Analog

Bộ xử lý trung

tâm IPC427C

BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG

Modul Digital IO

Rơle trung gian

- Cữ báo mức đầy vơi của silo xi măng

- Cữ báo đầy của phễu cốt liêu

Hình 11 Khối thu nhận tín hiệu vào ra số

2.3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG 2.3.1 Lựa chọn phần mềm cơ sở

và khi máy tính khi đó sự ổn định của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc kết nối giữa PLC và PC Ở đề tài này nhóm thực hiện đề tài đã kết hợp một máy tính PC và bộ điều khiển PLC thành một máy tính nhúng công nghiệp duy nhất, nhờ vậy hệ thống điều khiển sẽ hoạt động ổn định hơn rất nhiều, giảm bớt sự cồng kềnh trước đây của phần điều khiển trạm trộn bê tông tự động Với phần mềm điều khiển trạm trộn ứng dụng công nghệ nhúng trên máy tính nhúng ta có thể vừa giám sát, vận hành được trạm trộn, vừa quản

lí tốt các thông tin dữ liệu của trạm trộn

Phần mềm điều khiển trạm trộn bê tông được lập trên phần mềm gốc của hãng SIEMENS – CHLB Đức như : Step7, WinAC RTX, sau đó nạp vào

bộ điều khiển nhúng IPC427C của hãng SIEMENS – CHLB Đức và máy

tính để thực hiện điều khiển toàn bộ dây chuyền

Như đã nói ở trên, Microbox PC IPC427C đã tích hợp bao gồm cả phần

điều khiển lẫn xử lí dữ liệu cho trạm trộn bê tông tự động Tuy nhiên để thu thập được các tín hiệu tại chỗ ta cần các module vào ra mở rộng Các tín hiệu tại chỗ bao gồm tính hiệu từ các cảm biến, công tắc hành trình, thiết bị động lực … được đặt tại hiện trường IPC427C kết nối với các module vào

ra thông qua ET200M với kết nối Profibus

Sau khi nghiên cứu chi tiết nguyên lý của trạm trộn bê tông 120 m3/h và từ các sơ đồ khối và lưu đồ thuật toán nhóm đề tài đã từng bước xây dựng phần mềm điều khiển nhúng Nhóm đề tài đã sử dụng chương trình SIMATC Manager để từng bước viết ra phần mềm điều khiển nhúng sau đó nạp vào WinAC RTX

i Các chương trình trong một CPU WinAC RTX:

Một CPU về cơ bản chạy hai chương trình khác nhau:

- Quản lý restart và hot restart

- Cập nhật bảng ảnh đầu vào quá trình và xuất ra ngoài bảng ảnh đầu ra quá trình

- Gọi chương trình điều khiển trong WINAC RTX

- Nhận biết và quản lý lỗi

Chương trình:

Người lập trình tạo ra chương trình và download nó xuống CPU Chương trình chứa đựng tất cả các function cần thiết để xử lý một công việc tự động hoá cụ thể nào đó Các nhiệm vụ của chương trình gồm có:

- Chỉ định các trạng thái cho một restart và hot restart trên CPU (chẳng hạn, khởi tạo các tín hiệu với giá trị cụ thể)

- Xử lý dữ liệu quá trình (ví dụ, sinh ra các kết nối logic cho các tín hiệu nhị phân, tìm và định trị các tín hiệu analog, chỉ định các tín hiệu nhị phân cho đầu ra,…)

- Đáp ứng lại các ngắt

- Xử lý các nhiễu loạn trong vòng quét chương trình

ii Các block trong một chương trình:

Phần mềm lập trình cho phép cấu trúc chương trình, nghĩa là phân chương trình thành các phần chương trình nhỏ riêng biệt Điều này có những điểm thuận lợi sau:

- Các chương trình mở rộng dễ hiểu hơn

- Các phần chương trình riêng biệt có thể được tiêu chuẩn hoá

- Bố cục chương trình được đơn giản hoá

- Dễ dàng sửa đổi chương trình

- Việc gỡ rối được đơn giản hoá do có thể test từng phần chương trình riêng biệt

- Việc đưa hệ thống đi vào hoạt động được thực hiện dễ dàng hơn

Các loại block:

Có thể sử dụng vài loại block khác nhau trong một chương trình S7:

Organization blocks (OB) Các OB quyết định nên cấu trúc của chương

trình

System function blocks (SFB)

và system functions (SFC)

Các SFB và SFC được tích hợp trong CPU S7

và cho phép truy cập tới một số chức năng hệ thống quan trọng

Function blocks (FB) Các FB là các block với một “bộ nhớ” mà

người dùng có thể lập trình tuỳ theo ý mình Functions (FC) Các FC chứa đựng các chương trình con cho

các nhiệm vụ được thực hiện thường xuyên nhiều lần

Instance data blocks

(instance DB)

Các Instance DB được kết hợp với block khi

có một FB hoặc SFB được gọi Chúng được tạo ra tự động trong quá trình dịch (compile) Shared data blocks (DB) Là các vùng dữ liệu để lưu trữ dữ liệu cần

dùng NgoàI dữ liệu được chỉ định cho một

FB, shared DB cũng có thể được định nghĩa

và sử dụng bởi bất kỳ một block nào

iii Thứ tự gọi các block trong chương trình:

Để thực hiện chương trình, các block tạo nên chương trình phải được gọi Điều này được thực hiện bằng các lệnh đặc biệt của STEP7, các lệnh gọi block mà chỉ có thể được lập trình trong các khối logic

Thứ tự và chiều sâu lồng ghép các block:

Thứ tự và việc lồng ghép các lệnh gọi block được hiểu là thứ tự gọi Số lượng tối đa các block có thể lồng nhau phụ thuộc vào từng CPU cụ thể

Hình vẽ dưới đây minh hoạ thứ tự và chiều sâu lồng ghép các lệnh gọi trong một vòng quét:

Hình 12 Thứ tự và chiều sâu lồng ghép các lệnh

Gọi block:

Hình dưới đây chỉ ra thứ tự gọi block trong một chương trình

Hình 13 Thứ tự gọi block trong một chương trình

iv Các loại block:

OB cho xử lý chương trình tuần hoàn (OB1):

Việc xử lý chương trình tuần hoàn là kiều thực hiện chương trình thông thường của WINAC RTX Hệ điều hành gọi OB1 một cách tuần hoàn và với lệnh gọi này, nó bắt đầu việc thực hiện chương trình

Lập trình xử lý chương trình tuần hoàn:

Lập trình theo kiểu xử lý chương trình tuần hoàn bằng cách viết chương trình trong OB1 và trong các block được gọi trong OB1 sử dụng STEP7 Việc xử lý chương trình tuần hoàn được bắt đầu ngay khi chương trình khởi động hoàn thành không mắc lỗi

Các Function (FC):

Các function thuộc loại các khối người dùng tự lập trình Một function là một khối logic “không có bộ nhớ” Các biến tạm thuộc FC được lưu trong ngăn xếp dữ liệu cục bộ Dữ liệu này sau đó mất đi khi FC đã được thực hiện Để lưu dữ liệu vĩnh viễn, các function có thể sử dụng các khối dữ liệu shared (shared data block)

Do một FC không có bất kỳ bộ nhớ nào của chính nó, người lập trình phải chỉ định cho nó các tham số thực tế Không thể chỉ định các giá trị khởi đầu (initial value) cho các dữ liệu cục bộ của một FC

Các Function Block (FB):

Các FB cũng thuộc loại các khối người dùng tự lập trình Một FB là một block “có bộ nhớ” Nó được chỉ định một DB như là bộ nhớ của nó (instance data block) Các tham số được truyền cho FB và các biến tĩnh (static variables) được lưu trong instance DB Các biến tạm được lưu trong ngăn xếp dữ liệu cục bộ

Những dữ liệu lưu trong instance DB không bị mất đi khi việc thực hiện FB hoàn thành Tuy nhiên, khi đó những dữ liệu lưu trong ngăn xếp dữ

liệu cục bộ vẫn bị mất đi

Các Instance Data Block:

Một instance data block được chỉ định tới mọi lệnh gọi FB mà cần phải truyền tham sô Các tham số thực tế và các dữ liệu tĩnh (static) của

FB được lưu trong instance DB Các biến được khai báo trong FB quyết định cấu trúc của instance data block ‘Instance’ có nghĩa là một lệnh gọi

FB

Tạo một instance DB:

Trước khi tạo một instance data block, FB tương ứng phải có rồi Cần khai báo số hiệu của FB khi tạo instance DB

Một instance DB cho mỗi lệnh gọi riêng:

Nếu chỉ định vàI instance DB tới một FB, FB này có chương trình điều khiển một động cơ, có thể sử dụng FB này để điều khiển các động cơ

Các dữ liệu cho mỗi động cơ cụ thể (ví dụ như tốc độ, thời gian khởi động, tổng thời gian chạy) được lưu trong các DB khác nhau DB đi liền với

FB khi nó được gọi sẽ quyết định động cơ nào được điều khiển Với cách này, chỉ cần một FB cho nhiều động cơ (xem hình sau)

Hình 14 Sử dụng FB

Các Shared Data Block (DB):

Khác với các block logic, các DB không chứa các lệnh STEP7 Chúng được sử dụng để lưu dữ liệu người dùng, nói cách khác, các DB chứa các biến mà chương trình ứng dụng làm việc với nó

Cỡ(dung lượng) của các DB có thể thay đổi tuỳ theo CPU

Có thể cấu trúc các shared DB sao cho phù hợp với yêu cầu công nghệ thực tế

Shared DB trong chương trình ứng dụng:

Nếu một khối logic (FC, FB, hoặc OB) được gọi, nó có thể chiếm tạm thời không gian trong vùng dữ liệu local (L stack) Ngoài vùng dữ liệu này, khối logic có thể mở một vùng nhớ khác dưới dạng một DB Khác với các dữ liệu trong vùng dữ liệu local, các dữ liệu trong một DB không bị xoá khi DB bị đóng lại, hay nói cách khác, sau khi khối logic tương ứng đã được thực hiện

Mỗi FB, FC, hoặc OB có thể đọc dữ liệu từ một shared DB hoặc ghi

dữ liệu tới một shared DB Dữ liệu này giữ nguyên trong DB khi DB đóng lai

Một shared DB và một instance DB có thể được mở cùng lúc Hình sau cho thấy các phương thức truy cập tới các DB

Hình 15 Sử dụng Shared DB Các System Function Block (SFB) và System Function (SFC):

Các khối lập trình sẵn:

Bạn không cần tự lập trình cho tất cả các function Các CPU S7 cung

cấp cho bạn các block được lập trình sẵn, bạn có thể gọi chúng trong chương trình của bạn

Các SFB:

Một SFB là một function block tích hợp trong CPU S7 Các SFB là một phần của hệ điều hành và không được load như là một phần của chương trình Giống như các FB, SFB là các block với “bộ nhớ” Bạn cũng phải tạo các instance DB cho các SFB và đownload chúng tới CPU như một phần của chương trình

Các CPU cung cấp các SFB sau đây:

- Cho truyền thông thông qua các kết nối đã được cấu hình

- Cho các function đặc biệt đã tích hợp ( ví dụ, SFB29 “HS_COUNT” trên CPU 312 IFM và CPU 314 IFM)

Các SFC:

Một SFC là một function được lập trình sẵn tích hợp trong CPU S7

Có thể gọi SFC trong chương trình của bạn Các SFC là phần của hệ điều