Ứng dụng bộ điều khiển khả trình để tự động hoá trạm cân xe ô

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việc cân những khối lượng lớn, đảm bảo thời gian nhanh là một nhu cầu cần thiết cho các bến cảng, nhà máy sản xuất, các đơn vị vận chuyển, các đơn vị kiểm tra quá tải… Muốn biết khối lượng hàng hoá thông thường thực hiện phép tính tương đối thông qua việc cân toàn bộ tải trọng xe. Các hệ thống cân tuy đã được ứng dụng ở một số nơi ở Việt Nam nhưng hầu hết các hệ thống cân xe đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngoài như loadcell, bộ hiển thị (đầu cân), các cảm biến... cùng với chương trình điều khiển quản lý của nước ngoài do vậy sửa chữa, thay thế thiết bị sẽ gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi thay thế linh kiện của các hãng khác nhau. Do vậy đề tài Ứng dụng bộ điều khiển khả trình để tự động hoá trạm cân xe ô tô nhằm mục đích phân tích và tổng hợp nên trạm cân điện tử, từ đó cho phép xây dựng hệ thống một cách đơn giản nhất để người sử dụng có khả năng lựa chọn các linh kiện khác nhau để xây dựng được hệ thống phù hợp với mục đích của mình. Để thực hiện điều này, đề tài cần đưa ra được nguyên tắc làm việc của hệ thống cân điện tử nói chung, các thiết bị cấu thành để từ đó đưa ra phương thức kết nối, phương thức biến đổi tín hiệu để làm đầu vào cho thiết bị khả lập trình PLC, trên cơ sở đó xây dựng thuật toán điều khiển, quy đổi và hiển thị ra thiết bị đầu cuối. Việc ứng dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC trong vấn đề này có ý nghĩa thực tế cao không chỉ trong cuộc sống, mà còn có thể là mô hình giảng dạy trong nhà trường.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc cân những khối lượng lớn, đảm bảo thời gian nhanh là một nhu cầu

cần thiết cho các bến cảng, nhà máy sản xuất, các đơn vị vận chuyển, các đơn

vị kiểm tra quá tải… Muốn biết khối lượng hàng hoá thông thường thực hiện

phép tính tương đối thông qua việc cân toàn bộ tải trọng xe

Các hệ thống cân tuy đã được ứng dụng ở một số nơi ở Việt Nam nhưng

hầu hết các hệ thống cân xe đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngoài

như loadcell, bộ hiển thị (đầu cân), các cảm biến cùng với chương trình điều

khiển quản lý của nước ngoài do vậy sửa chữa, thay thế thiết bị sẽ gặp nhiều

khó khăn, đặc biệt khi thay thế linh kiện của các hãng khác nhau

Do vậy đề tài Ứng dụng bộ điều khiển khả trình để tự động hoá trạm

cân xe ô tô nhằm mục đích phân tích và tổng hợp nên trạm cân điện tử, từ đó

cho phép xây dựng hệ thống một cách đơn giản nhất để người sử dụng có khả

năng lựa chọn các linh kiện khác nhau để xây dựng được hệ thống phù hợp

với mục đích của mình Để thực hiện điều này, đề tài cần đưa ra được nguyên

tắc làm việc của hệ thống cân điện tử nói chung, các thiết bị cấu thành để từ

đó đưa ra phương thức kết nối, phương thức biến đổi tín hiệu để làm đầu vào

cho thiết bị khả lập trình PLC, trên cơ sở đó xây dựng thuật toán điều khiển,

quy đổi và hiển thị ra thiết bị đầu cuối

Việc ứng dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC trong vấn đề này có ý

nghĩa thực tế cao không chỉ trong cuộc sống, mà còn có thể là mô hình giảng

dạy trong nhà trường

2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu tín hiệu hóa và lý thuyết chung về hệ thống cân điện tử khối

lượng lớn

- Xây dựng các sơ đồ thuật toán sử dụng trong bài toán cân tự động

- Nghiên cứu về thiết bị điều khiển khả trình Ứng dụng PLC để xây dựng

thuật toán điều khiển hệ thống cân

- Chạy thực nghiệm trên phần mềm WinCC

2.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng mô hình dạy học phục vụ công tác giảng dạy,

đào tạo tại trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý chung trạm cân xe ô tô và các phần mềm công

nghệ sử dụng trong điều khiển quá trình hoạt động, giám sát, quản lý

- Đặt ra bài toán cụ thể cần giải quyết trong đề tài từ đó xây dựng

chương trình điều khiển ứng dụng bộ điều khiển khả trình

- Ứng dụng phần mềm WinCC Flexible xây dựng chương trình giám sát

- Thiết kế mô hình ứng dụng vào công tác giảng dạy Trên cơ sở chức

năng của đề tài có thể tách ra thành nhiều bài tập nhỏ để học viên nghiên cứu,

xây dựng chương trình và kết nối kiểm tra hoạt động Sau cùng là bài tập tổng

hợp ghép nối từ các bài tập nhỏ

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về hệ thống cân điện tử, tìm hiểu về hệ thống cân sử dụng

Loadcell, các cảm biến sử dụng trong việc đo khối lượng, các bộ biến đổi A/D

- Xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống cân xe từ đặt yêu cầu

bài toán cần giải quyết để xây dựng lưu đồ thuật toán, thống kê địa chỉ vào ra

cho PLC, viết chương trình điều khiển trong phần mềm Microwin Kết nối

Microwin với PC

- Xây dựng chương trình điều khiển giám sát trên WinCC Flexible, chạy

chương trình mô phỏng bằng phần mềm và mô hình thực tế

5 Lý do chọn PLC trong đề tài tự động hoá trạm cân xe ô tô

Việc sử dụng PLC trong tự động hoá có những ưu điểm sau:

- Kích thước nhỏ, gọn, thời gian tác động nhanh

- Phần mềm: Chương trình mềm dẻo có thể thay đổi

- Phần cứng: Có thể kết hợp với các moodul mở rộng

- Đáp ứng được những môi trường khắc nghiệt, chống nhiễu tốt

- Giá cả phù hợp, thời gian lắp đặt nhanh, dễ bảo trì

Hiện nay có nhiều loại PLC ở Việt Nam như Siemen, Omron, Hitachi…

nhưng PLC của siemen được sử dụng nhiều vì đây là một dòng sản phẩm rất

nổi tiếng trên thế giới và qua thực tiễn cho thấy chất lượng của PLC có độ bền

cao, đi đầu trong các lĩnh vực điều khiển tự động Mặt khác, chiến lược của

hãng là đầu tư cho giáo dục và được đưa vào tào tạo trong các trường kỹ thuật

nên được sự đón nhận rất đông đảo của các kỹ sư và công nhân nên họ quen

sử dụng với bộ điều khiển PLC này

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu về hệ thống tự động cân tải trọng xe ô tô sử dụng bộ điều

khiển khả trình cũng là một hướng để giải quyết vấn đề tự động hoá trong

thực tế Mặt khác trong trường đào tạo nghề có thể ứng dụng làm mô hình dạy

học cũng rất thiết thực để nội dung bài giảng thêm phong phú và giúp sinh

viên có thể tiếp cận với thực tế

Vinh, ngày tháng năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Tùy Linh

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ 1.1 Hệ thống cân sử dụng LOADCELL và ứng dụng

Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell như sau :

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống cân điện tử

Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử

lý, máy tính hay PLC … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm

khối truyền dữ liệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không tùy mục

đích sử dụng Nếu sử dụng PLC có thể dùng phần mềm dao diện SCADA

Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển thành tín

hiệu điện ở ngõ ra Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần

trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được

đưa về bộ xử lý để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị hoặc có thêm

việc in ấn Bộ xử lý cần thiết phải có thêm bộ nhớ để lưu trữ số liệu, ví dụ

trong việc chỉnh 0 và trừ bì của cân …

Do tính linh hoạt của bộ xử lý, tùy theo mục đích cụ thể mà chương

trình viết cho bộ xử lý khác nhau Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng Ngoài ứng dụng

trong việc cân xe, có thể kể ra các ví dụ khác mà dùng hệ thống cân điện tử

sử dụng loadcell như sau:

• Trong hệ thống bán hàng có sử dụng cân điện tử loại này, việc tính

tiền có thể được tự động hoàn toàn Hàng ở đây là những loại có thể cân

được, có thể là rau quả, thủy sản … Người sử dụng nhập vào bàn phím giá cả

của một đơn vị cân và giá cả này có thể hiển thị ra màn hình hoặc Led 7

đoạn Khi người dùng nhấn nút tính tiền trên bàn phím, bộ xử lý PLC sẽ

nhận giá trị cân được với giá của một đơn vị cân này và hiển thị ra giá cả đã

được tính toán cho số hàng ấy Sau khi để giá này hiển thị một khoảng thời

gian vừa đủ cho người dùng đọc nó, hệ thống cân có thể sẽ hiển thị lại giá trị

cân được Giá tiền này có thể được lưu lại và nếu được nối đến máy tính của

quầy thu tiền, khách hàng có thể nhận được bảng báo cáo bao gồm trọng

lượng cân được, giá cả của một đơn vị cân và tổng số tiền phải trả cho số

hàng đó …

• Cân cũng là một trong những biện pháp để phát hiện ra sản phẩm

trong hệ thống đếm tự động Khi phát hiện có khối lượng quy định thì mới

đếm Điều này sẽ tránh được việc đếm sai nếu cùng một lúc có hai sản phẩm

hoặc vật thể khác không phải là sản phẩm che cảm biến quang

• Một ứng dụng khác của hệ thống cân này có thể kể ra là dùng trong

bưu điện Sau khi cân kiện hàng và xác định nơi cần gởi Ngõ ra của hệ thống

cân này thường được nối đến hệ thống in bưu phí lên nhãn dán vào kiện hàng

gởi đi

Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều

trong các nhà máy ở nước ta là dùng trong việc đóng gói sản phẩm Người

dùng có thể nhập vào khối lượng cho một gói hàng hay xe… khi đạt đến giá

trị quy định này, ngõ ra của bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót

hàng hay dây chuyền để đóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các

relay để làm đóng, mở các valve selenoid dùng khí nén

Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển

viết cho bộ PLC và cách giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Phần này thì

khác nhau đối với các ứng dụng cụ thể khác nhau

Nội dung của luận văn này đề cập đến hệ thống cân xe đã được sử

dụng phổ biến ở nước ta

1.2 Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng đo khối lượng

1.2.1 Các phương pháp đo khối lượng

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định

bằng định luật II Newton, mà theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng

m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:

Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức

hút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là

gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực Các phương pháp đo

khối lượng là dựa vào quan hệ này

Công thức (1-1) không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không

có gia tốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Hai lực cân

bằng và đối nhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc

Có hai cách để tạo nên lực cân bằng: phương pháp cân bằng 0 và phương

pháp dịch chuyển

Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được

chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn

Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào

việc đo khối lượng Một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân Các

quảcân được hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên

đĩa bên kia cho đến khi cân bằng Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng

các quả cân đặt lên

Hình 1.2 Phương pháp cân bằng không

Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được

chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn

Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cân bằng Theo định luật

moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P1.l1 = P2.l2 (1-2)

Suy ra m1gl1 = m2gl2 với g không đổi thì m1l1 = m2l2 Theo biểu thức

trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy ra

khối lượng cần tìm

Hình 1.3 Phương pháp cân bằng dịch chuyển

Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự

dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra Khối

lượng chưa biết đặt trên giá cân treo trên lò xo đã được hiệu chỉnh Lò xo di

động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động

lên khối lượng chưa biết Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối

lượng chưa biết Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ

làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay

của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân

Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở

xoay.Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thông qua cơ cấu di chuyển thích hợp

sẽ làm xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra cũng thay đổi Điện áp này được

đưa về bộ chuyển đổi AD và xử lý Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương

pháp này là rất khó tìm biến trở tuyến tính Ngoài ra còn có thể sử dụng một

Encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di

chuyển này Sơ đồ hai hệ thống cân loại này được vẽ như trong hình sau:

Hình 1.4.a Cân trọng lượng bằng encoder

Hình 1.4.b Cân trọng lượng bằng Varitor

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ

biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác

động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi

thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết Sau đây là giới thiệu về loại cảm

biến này

1.2.2 Giới thiệu về loadcell

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm

điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi

tương ứng trong điện trở Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch

chuyển: loại liên kết và loại không liên kết

Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định

trên bề mặt của bộ phận đàn hồi Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm

cần đo biến dạng của vật đàn hồi Biến dạng này được truyền trực tiếp vào

tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trị điện trở tương ứng

Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di

động nhỏ Một lượng di động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay

đổi điện trở làm cảm biến Lượng di động cũng thường được tạo nên bằng lực

tác động vào một bộ phận đàn hồi

Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của

bộ phận đàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định

trên bề mặt của bộ phận đàn hồi

Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở,

mạch lấy tín hiệu ra tối ưu nhất là mạch cầu Đây là một phương pháp để đo

sự thay đổi nhỏ trong điện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với

sự thay đổi của điện trở khi có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến

Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp: mạch cầu cân bằng và

mạch cầu không cân bằng Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được

xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trước Ở cách đo không cân bằng, sự

thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ

giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại

sai lệch này lên để dễ dàng xử lý

Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu

Wheatstone không cân bằng như sau:

Hình 1.5 Cầu Wheatstone không cân bằng

Các trị số điện trở R2, R3, R4 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện

trở làm cảm biến là Rs ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là Rbal

(balance) Liên hệ giữa giá trị R2, R3, R4 và Rbal khi cầu cân bằng là:

4

3 2

R

R R

R bal  (1-3) Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai

lệch giữa RS và Rbal Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng

ta sử dụng hai hệ số ε và α như sau :

Hệ số ε là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa RS và Rbal được định

nghĩa là:

bal

bal S R

3

R R

R





 (1-5)

Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là:

dc S

R R

4 (1-6)

Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu:

dc S a

b

R R

R R

R R R R R R R R

3

4 2 3 2 4 2

S

bal S a

b

R

R R R R R

R R R

R R

R3 3  4

(1-10) khi đó (1-9) trở thành :

dc bal

bal bal

S

bal S a

b

R

R R R R

R R R

R

R R R R R

R R R

3

4 4

3

4

(1-11)

Để biểu thị biểu thức ab theo tỷ lệ với RS - Rbal mà không còn RS, ta

cộng và trừ ở mẫu số của phân số cuối cho Rbal.R3 (ở cùng tử số)

3

3 4

3

4 3

4 3

4 3

4 3

4 3

bal

bal S bal

bal

bal bal

bal s

bal

bal S

R R R

R R R R

R R

R R R

R R R R R R R R R

R R

R R R R

(1-12)

3

R R

R R

R

R R

3

3 với RR S R bal (1-14)

Và như vậy điện áp ngõ ra ab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm

biến gây ra bởi khối lượng (hay lực) tác dụng lên

Ngoài ra nếu nguồn Vdc cung cấp có nhiễu một lượng   thì theo

nguyên lý xếp chồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức:

R R R V

V

S

bal S dc

dc ab

Trong đó có phụ thuộc vào tích   (R S R bal)    R là thành phần rất

nhỏ so với R Do đó có thể bỏ qua được nhiễu  

Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau

(Rs là điện trở cảm biến):

Hình 1.6 Các cách nối điện trở cảm biến trên nhánh cầu

Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng

rãi trong các loadcell thực tế Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên

hai mặt của loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2

cảm biến điện trở sẽ co lại khi có lực tác dụng Do đó ta có quan hệ sau:

4 4 2

2 3

3 1

1

S S S

S S

S S

S

R

R R

R R

R R

Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể

được tính như sau:

Hình 1.7.a Sơ đồ cầu cộng tín hiệu từ các loadcell

Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín

hiệu từ các loadcell lại với nhau, R1 là tải

Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau:

Hình 1.7.b Sơ đồ Thevenin tương đương

Ở đây R0 là tổng trở ra của loadcell

R R R

V I







2 1

(1-17)

R R R

RI V

0 (1-21)

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện

trở này Để tính tổng trở ra của loadcell ta ngắn mạch nguồn áp cung cấp V,

khi đó mạch trở thành:

Hình 1.8 Sơ đồ cầu của Loadcell khi ngắn mạch nguồn áp cung cấp

V RI R R R

2 1 0

R R

R R R

R R R R R I

V R

2 1

2 2

1 0

R R R

V RR

R R

R V V

L

L L

2 2 1 1

0

0 (1-28)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận thấy là điện áp ra VL không thay đổi

tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở cảm biến Hệ thống làm tuyến tính

hoá sự thay đổi này thì do nhà sản xuất thiết kế

1.2.3 Một số Loadcell thực tế

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA

(Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques.Inc,

Tedea-Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo

tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây

ra của loadcell có màu sắc khác nhau Có thể kể ra như sau:

Hình 1.9 Sơ đồ chân tín hiệu từ Loadcell

Một số màu thông dụng của các đầu dây của Loadcell

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua

từng loại loadcell

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau Do

đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của

mỗi loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra

danh định (giá trị này có thể là từ 2 miliVolt / Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc

hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở

ngõ ra, mức độ chịu được quá tải (Với giá trị điện áp ra danh định là 2 mili

Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt

ứng với khối lượng tối đa.)

Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình

dạng khác nhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu

ứng dụng riêng Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực

tế

Hình 1.10 Một số hình ảnh về Loadcell trong thực tế

1.3 Hệ thống cân xe

Mặc dù hệ thống này đã được sử dụng khá phổ biến trong các trạm cân

xe, nhưng việc lấy và xử lý số liệu từ Loadcell do một bộ phận thực hiện

thường gọi là đầu cân, mà bộ phận này hầu hết là được mua từ nước ngoài

Và như vậy sơ đồ khối của một hệ thống cân xe gồm những thành phần như

sau:

Hình 1.11 Sơ đồ khối của hệ thống cân xe tự động dùng PLC

Tùy theo yêu cầu của từng trạm cân mà có thêm bộ hiển thị từ xa hay

không Sau đây là mô tả chi tiết các khối trong hệ thống trên

1.3.1 Cầu cân

Cầu cân bao gồm một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại

chịu lực tốt, còn gọi là bàn cân Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4

loadcell Số lượng loadcell bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe,

có thể là 6, 8 loadcell Một đầu của loadcell được gắn chặt vào phần đế cố

định dưới đất, đầu còn lại của loadcell được gắn vào bàn cân Loadcell sử

dụng ở đây là loại chịu lực nén Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng

của trọng lực xe, mỗi loadcell bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp

này được dẫn về hộp nối để cộng các tín hiệu từ các loadcell này lại trước khi

đưa về đầu cân xử lý Ngoài ra còn có hai bệ để xe chạy lên và chạy xuống,

phần này không dính đến bàn cân

Tùy theo yêu cầu và vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân như sau:

Hình 1.12.a Loại bàn cân được Hình 1.12.b Loại bàn cân

được

bố trí nằm nằm ngang mặt đất bố trí nhô lên trên mặt đất

Hình 1.13.a Loại cân nổi trên mặt đất

Hình 1.13.b Loại cân chìm, nằm ngang mặt đất

Ngoài ra còn có hệ thống nối đất bảo vệ cho trạm cân xe

1.3.2 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây

Trong hệ thống cân xe, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải

trọng chịu đựng, chiều dài xe Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell Loadcell có

thể được lắp như hình sau:

Hình 1.14 Cách gá lắp Loadcell

Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín

hiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý Nếu đầu cân không có chức năng

này ta hải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên

Vì mỗi Loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên

Junction box có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch

điện áp đối với cùng một tải trọng Các biến trở này được mắc vào nguồn

cung cấp cho loadcell vì thay đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu

điện áp ra Ngòai ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng

thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các loadcell Sơ đồ nguyên lý kết nối như

sau:

Hình 1.15 Sơ đồ đấu dây của các Loadcell

Với cách kết nối như vậy thì mạch tương đương của bộ cộng tín hiệu

cho 4 loadcell có thể được vẽ như sau:

Hình 1.16 Sơ đồ tương đương của bộ cộng tín hiệu

Ri >> ri, I = 1,2,3,4 với ri là điện trở nguồn tín hiệu

E sig S sig(  ) S sig(  ) (1-29)

Zin : là tổng trở nhập của bộ khuếch đại

Gọi U là điện áp ngõ vào bộ khuếch đại Ta có :

4 4 4 3

3 3 2

2 2 1

1

1

r R

E U r R

E U r R

E U r R

E U Z

sig sig

sig sig in

E E

E E R Z

2 1

(

in

E E

E E R Z

Sau đây là hình dạng một số loại loadcell có tải trọng lớn thường được

sử dụng trong các trạm cân xe:

Hình 1.17 Hình dạng một số loại loadcell có tải trọng lớn

Ngoài bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại loadcell

còn có thêm thiết bị bảo vệ quá tải có thể là các lò xo như những hình ở trên

1.3.3 Thiết bị chỉ thị khối lượng (Weighing Indicator)

Cũng như loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại,

do nhiều hãng sản xuất khác nhau Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công

việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên các chức năng cơ

bản của một đầu cân là lấy tín hiệu điện áp từ loadcell, biến đổi A/D, xử lý và

hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng,

có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in Ngoài ra còn có các chức

năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”, … Để thực hiện các chức năng như

trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp

cho loadcell và A/D

Hình 1.18 Hình ảnh một số bộ hiển thị Led 7 đoạn

Thông thường AD sử dụng là loại 16 bit hoặc cao hơn sẽ cho độ phân

giải là một phần 65536 và như vậy độ chính xác sẽ rất cao Ngoài bộ PLC đủ

mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh

1.3.4 Quản lý trạm cân dùng máy tính

Mặc dù một số đầu cân có chức năng in ấn, nhưng để in những bảng

báo cáo như phiếu xuất kho, tính giá tiền cho khối lượng hàng cân được một

cách tự động, cũng như chức năng lưu trữ dữ liệu thành file … thì trang bị

một máy tính cho trạm cân là một yêu cầu cần thiết

Số liệu cân được từ đầu cân được truyền về máy tính thường là mã

ASCII theo chuẩn RS232 hoặc RS485 Dữ liệu truyền theo kiểu bất đồng bộ

và tốc độ baud thay đổi được thường là 1200, 2400, 4800, 9600 bit/giây

Chương trình viết cho máy tính thường để hiện giá trị này ra màn hình Tùy

theo yêu cầu cụ thể của nhà máy hoặc trạm cân mà chương trình được viết

cho in ra những bảng báo cáo khác nhau theo mẫu được quy định sẵn của nhà

máy Các bảng báo cáo này có thể được lưu lại thành file trong máy tính để

khi cần thiết có thể gọi ra được Ngoài ra chương trình máy tính có thể cho

biết được số xe đã được cân trong ngày cùng với tên khách hàng hoặc biển số

xe cũng như tổng lượng hàng đã xuất hay nhập trong ngày, tháng, ăm… thậm

chí có thể phát hiện xe nào chở hàng quá tải Hơn thế nữa những dữ liệu này

có thể truyền về trung tâm xử lý nếu máy tính đó được nối mạng Tất cả các

công việc này tùy theo yêu cầu của trạm cân mà viết chương trình cho máy

tính phù hợp

Một trạm cân thường có các thiết bị như hình sau:

Hình 1.19 Hình ảnh máy tính quản lý trạm cân

1.3.5 Giới thiệu một bộ hiển thị khối lượng và cách cân chỉnh

đầu cân thực tế

Phần này giới thiệu sơ lược một bộ hiển thị khối lượng (Weighing

Indicator) cụ thể là AD–4323 được sản xuất bởi A&D Company, Limited của

Nhật và cách cân chỉnh cho một đầu cân thực tế Cùng họ với bộ hiển thị

(hay còn gọi là đầu cân) này là AD–4321 đã được sử dụng tại nhà máy

MOBIL UNIQUE VIETNAM do Công ty Encorp Co, LTD của Thái Lan lắp

đặt Tuy không phải là loại được sử dụng phổ biến nhưng ở đây chỉ muốn

giới thiệu một đầu cân điển hình và cách cân chỉnh khi lắp đặt cũng như sửa

chữa

Đầu cân này có các đặc điểm như sau :

Sử dụng bộ biến đổi A/D tốc độ nhanh đến 70 lần trong một giây Vì

vậy AD – 4323 thích hợp cho việc tĩnh và cả việc cân động Bộ biến đổi A/D

có độ phân giải cao và chính xác Dễ dàng cân chỉnh bằng chức năng FDC

(Full Digital Compensation)

Có những lựa chọn thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị bên ngoài

như máy in, máy tính, bộ hiển thị từ xa trong việc truyền dữ liệu song song

mã BCD hay nối tiếp theo chuẩn RS – 232C

Màn hình hiển thị huỳnh quang màu xanh loại lớn dễ dàng nhìn thấy

trong bất kỳ điều kiện ánh sáng nào Ngoài ra AD-4323 còn cung cấp các lựa

chọn (Option) cho các ứng dụng khác

Hình 1.20 Mô tả các phím chức năng:

STANDBY/OPERATE: Nút này dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai

chế độ STANDBY và OPERATE Ở chế độ STANDBY, màn hình hiển thị

sẽ tắt và không có dữ liệu xuất ra

ZERO: Khi nhấn nút này thì sẽ hiển thị ZERO khi không có thiết bị

cần cân Không nên nhấn nút này với chức năng TARE của đầu cân

TARE: Nút TARE dùng để chuyển sang chế độ NET, số 0 được hiển

thị và khối lượng cần trừ bì sẽ được lưu vào bộ nhớ

NET/GROSS: Nút này dùng để lựa chọn một trong hai chế độ NET và

GROSS Chế độ NET là khối lượng ròng sau khi trừ bì (đã được lưu vào khi

nhấn TARE) và GROSS là khối lượng tổng cộng bao gồm cả bì cân

PRINT: Nút PRINT được dùng trong việc truyền tới máy in ( nếu sử

dụng OP- 01 ) hay truyền nối tiếp theo chuẩn RS–232C đến máy tính Các

đèn báo lb sẽ sáng khi dùng đơn vị cân là pound (chỉ có ở Mỹ), đèn kg ,

t sẽ sáng nếu sử dụng đơn vị cân là kg hay tấn tương ứng

Các thông số kỹ thuật:

Ngõ vào Analog và sự biến đổi AD:

• Độ nhạy ngõ vào: Đến 0,6  V / D (D là độ chia nhỏ nhất

min.division)

• Tầm chỉnh Zero : 0,35 mV ~ 24 mV

• Điện áp cấp cho loadcell : 12 Volt DC ± 5%, 280 mA

• Độ không tuyến tính: 0,01% toàn tầm

• Nguồn pin nuôi bộ nhớ có thể hoạt động trong 6 năm hoặc hơn nếu

không có cấp điện cho AD4323

Ngoài ra AD4323 còn cung cấp khá nhiều chức năng hữu ích Sau đây

là một số chức năng thông dụng:

• F01: Điều chỉnh dấu chấm thập phân Có thể cho hiển thị 1, 2, 3 hay

4 số sau dấu chấm

• F02: Chọn lựa đơn vị cân

• F03: Cập nhật việc hiển thị : 14 lần/ giây hay 4 lần/ giây

• F05: Đặt tầm chỉnh Zero : 2% hay 10% khối lượng tối đa

• F10: Chỉnh độ rộng xung tín hiệu FINISH : 0,1 giây - 0,2 giây Lựa

chọn OP–01 cho dữ liệu là mã BCD

• F31: Dữ liệu xuất ra là số hiển thị, trọng lượng ròng hay trọng lượng

kể cả bì cân

• F32: Cách thức xuất dữ liệu : chuỗi, tự động in

Lựa chọn OP – 04 : cho giao tiếp nối tiếp

• F41: Tốc độ Baud: 600, 1200, 2400, 4800, 9600

• F42: Dữ liệu xuất ra là: số hiển thị , GROSS, NET, TARE …

Giải thích cách chỉnh cân:

• Chỉnh độ phân giải : Khối lượng hiển thị lên màn hình thì dựa vào độ

phân giải này Đây là khoảng thay đổi nhỏ nhất mà thiết bị có thể nhận biết

được Ví dụ nếu đặt độ phân giải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách

nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103… Nếu độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ

hiển thị 100, 102, 104… Có thể lựa chọn độ phân giải này là 1, 2, 5, 10, 20

hay 50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trong catalogue của

AD 4323

• Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân

Thực hiện việc này là để AD 4323 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với

khối lượng thêm vào Có thể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường

xuyên để tránh ảnh hưởng của việc thay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng

khác

• Khối lựợng tối đa : Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người

sử dụng muốn cân Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là

những giới hạn khác mà người dùng đặt Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối

lượng lớn nhất này

• Cân chỉnh bước cân (Span Calibration) : Với việc chỉnh Zero nhằm

mục đích đặt giá trị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm

giới hạn mà có thể cân được (khối lượng lớn nhất) Điều này là để cho AD

4232 biết hai đầu mút mà có thể cân được chính xác AD 4232 sẽ tính toán

giá trị cân được nếu khối lượng cần cân nằm trong hai giới hạn này Tuy

nhiên trong thực tế, có thể dùng các khối lượng chuẩn để cân chỉnh cho việc

này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối lượng

chuẩn càng gần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác) Sở dĩ cần

cân chỉnh Zero là để AD đọc giá trị sai lệch điện áp ban đầu khi không có vật

gì ở trên bàn cân Chỉnh bước cân là cho AD biết được giá trị điện áp ứng với

một khối lượng chuẩn đặt lên bàn cân Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá

trị điện áp này và chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi

đơn vị cân và lưu các giá trị này vào bộ nhớ Khi có khối lượng cần cân, bộ

xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và trừ đi điện áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ

số đã lưu trước đó sẽ ra được khối lượng cần cân

Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu điện áp ngõ ra loadcell quá

lớn lúc chỉnh Zero thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG - của Loadcell

Hoặc ngược lại nếu tín hiệu ra của Loadcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh

Zero thì trong trường hợp này phải mắc thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và

SIG +

Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ

50KΩ đến 500KΩ; có chất lượng cao và có hệ số nhiệt thấp Các lỗi khi cân

chỉnh trên đây và một số lỗi khác sẽ được báo lên màn hình và cách xử lý đã

được hướng dẫn trong Introduction Manual” của AD4232

Ngoài ra AD-4323 còn cung cấp một số tính năng khác rất hữu ích ví

dụ trong việc giao tiếp I/O để điều khiển theo chương trình cân do người

dùng quy định sẵn …

1.4 Phương pháp Khuếch đại tín hiệu từ Loadcell

Do tín hiệu ở đầu ra của bộ Loadcell rất nhỏ, thường từ (2-3) mV nên

để bộ xử lý có thể nhận được tín hiệu theo chuẩn cần phải có mạch khuếch

đại điện áp Sau đây là một số mạch khuếch đại thường dùng

1.4.1 Bộ khuếch đại

Có nhiều dạng khuếch đại khác nhau Tuy nhiên, để khuếch đại tín

hiệu từ cảm biến ra có thể sử dụng các mạch khuếch đại dùng Op như sau:

 Bộ khuếch đại không đảo

Hình 1.21 Mạch khuếch đại không đảo

Hệ số khuếch đại của mạch này là:

1.4.2 Mạch khuếch đại dùng cho tín hiệu vi sai

Trong các ứng dụng đo lường, ta cần phải đo điện áp vi sai rất nhỏ như

trường hợp đo điện áp của loadcell này là một ví dụ, tín hiệu này không phải

là so sánh với mass Để đo tín hiệu loại này cần có mạch đo như sau:

Hình 1.23 Mạch khuếch đại vi sai

Có thể tính toán hệ số khuếch đại cho mạch này như sau:

Giả sử Opamp là lý tưởng, thì ta có: độ lệch điện áp vòng hở

U U R

U U R

2 1 2 2 1 1 1

1 2 2 1

R U R U R U R

U U R

U R

R

R U R U R U

1 2 2 1 2 2 2

1 2 1 2

R U R U R U R

U U R

U R

2 2 2 1 2 2

R R

R U R U R U

1 2 2 1 2 2

R

R U R U R U R

R U R U R U U U

R

R U R U R U

U U R

R R

V out    (1- 42 )

Hệ số khuếch đại của mạch có thể được thay đổi bằng cách dùng biến

trở thay cho điện trở cố định R1

Ưu điểm của mạch khuếch đại loại này là hạn chế được tín hiệu đồng

pha vì điện áp đồng pha đặt lên đồng thời ở 2 lối vào không cho ra tín hiệu

trên R1 và vì thế cũng không được khuếch đại lên (chính xác hơn là có xuất

hiện ở ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán nhưng với hệ số khuếch đại bằng

1) Việc loại bỏ các thành phần cùng pha này là do tầng khuếch đại thuật toán

cuối cùng đảm nhiệm, tầng này có tác dụng như là bộ khuếch đại trừ

1.5 Kết luận

Ở chương này giới thiệu tổng quan về một trạm cân điện tử, các thành

phần cơ bản cũng như cấu trúc và sơ đồ cụ thể của một trạm cân điện tử

Trong chương cũng giới thiệu một số mạch khuếch đại tín hiệu, ưu và nhược

điểm của các mạch khuếch đại đó, ngoài ra còn giới thiệu về cách đấu nối và

xử lý tín hiệu Loadcell từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn và tính toán trạm

cân ở các phần sau

Chương 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO HỆ

THỐNG CÂN XE 2.1 Giới thiệu về phần mềm Microwin

2.1.1 Khái quát chung

Step7-Microwin là phần mềm lập trình cho PLC S7-200, hiện tại có 3

phiên bản V3.1, V3.2 và V4.0 Giao diện của phần mềm:

Hình 2.1 Giao diện phần mềm Microwin V4.0

 Các phần tử cơ bản trong chương trình PLC S7-200

Trong một chương trình PLC được viết trong phần mềm bao gồm:

+ Chương trình chính (Main program) + Chương trình con (Subroutine) + Chương trình ngắt (Interupt rountine) + Khối hệ thống (System block)

+ Khối dữ liệu (Data block)

 Chương trình OB1 (Main program)

Đây là phần khung chương trình, chứa các lệnh điều khiển ứng dụng

Với 1 số chương trình điều khiển nhỏ, đơn giản chúng ta có thể viết tắt các

lệnh trong khối này Chương trình ứng dụng được bắt đầu từ chương trình

chính, các lệnh được xử lý lần lượt từ trên xuống dưới và chỉ 1 lần ở mỗi

vòng quét Trong S7-200 chương trính được chứa trong khối OB1

 Chương trình con SUB (Subroutine)

Các lệnh viết trong chương trình con chỉ có thể được xử lý khi chương

trình con được gọi (Call) từ các chương trình chính, từ 1 chương trình con

khác hoặc từ 1 chương trình ngắt Sử dụng chương trình con khi chúng ta

muốn phân chia nhiệm vụ điều khiển Mối chương trình con được viết cho 1

nhiệm vụ nhỏ hoặc khi có nhiệm vụ điều khiển tương tự nhau (ví dụ : điều

khiển băng tải 1, điều khiển băng tải 2) thì chúng ta chỉ cần tạo chương trình

con 1 lần và có thể gọi ra nhiều lần từ chương trình chính

Sử dụng chương trình con có 1 số ưu điểm sau:

+ Chương trình điều khiển được chia theo nhiệm vụ điều khiển nên có

cấu trúc rõ ràng, rất dễ ràng cho việc kiểm tra chỉnh sửa chương trình

+ Giảm thời gian vòng quét của chương trình CPU không phải liên tục

xử lý các lệnh của chương trình mà chỉ xử lý chương trình con khi có lênh gọi

tương ứng

+ Chương trình con cho phép giảm công việc soạn thảo khi có các

chương trình con giống nhau

 Chương trình ngắt INT ( Interupt rountine)

Chương trình ngắt được thiết kế cho 1 sự kiện ngắt được định nghĩa

trước Bất cứ khi nào xác định sự kiện ngắt xảy ra thì S7-200 thực hiện

chương trình ngắt