Bài tập lớn đo lường và tự động hóa hệ thống điện (hệ thống trộn và ép đùn tạo ống PVC)

Bài tập lớn thiết kế nghiên cứu chương trình PLC cho hệ thống trộn hạt nhựa và ép đùn ống nhựa PVC bằng PLC. Bài tập này cung cấp cho sinh viên chi tiết cách tính toán, xây dựng và thiết kế hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tự động bằng PLC. Mong rằng tài liệu sẽ giúp các em tham khảo và làm bài hiệu quả

HỆ THỐNG TRỘN VÀ ÉP ĐÙN HẠT NHỰA PVC

MỤC LỤC

A LỜI NÓI ĐẦU 2

B NỘI DUNG 3 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRỘN VÀ ÉP ĐÙN HẠT NHỰA PVC 3

1 Tổng quan quy trình công nghệ sản xuất ống PVC: 3

2 Tìm hiểu về hệ thống trộn hạt nguyên liệu và ép đùn: 4 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN MÁY TRỘN VÀ ÉP ĐÙN PVC 11

3 Giới thiệu về PLC: 11

4 Chọn PLC cho hệ thống: 15

5 Sơ đồ thuật toán điều khiển PLC cho hệ thống trộn và ép đùn PVC: 16

6 Thiết kế chương trình PLC cho hệ thống: 18

A LỜI NÓI ĐẦU

Với nền công nghiệp phát triển như vũ bão hiện nay của thế giới nói chungcũng như Việt Nam, việc ứng dụng khoa học công nghệ làm tăng năng suất sảnsuất, tiết kiệm thời gian và sức người, tăng độ chính xác và cải thiện chất lượngcủa sản phẩm luôn là xu hướng hàng đầu của các nhà máy, xí nghiệp, tổ sản xuất

Đo lường và tự động hóa trong hệ thống điện 2 là bộ môn nghiên cứu chung

về các hệ thống tự động hóa trong nhà máy điện, nhà máy xí nghiệp Giới thiệu vàphân tích các hệ thống tự động hóa điển hình trong nhà máy điện, nhà máy côngnghiệp, xí nghiệp Hệ thống tự động trạm phát điện dự phòng, hệ thống điện tựđộng hóa trong các tòa nhà thông minh Ứng dụng các thiết bị khả trình lập trìnhcác hệ thống tự động hóa năng lượng

Để có thể hiểu hơn về các kiến thức trong bộ môn cũng như khả năng thựchành lập trình và kết nối các thiết bị điều khiển logic khả trình PLC trong môitrường công nghiệp, việc thiết kế một hệ thống đo lường điều khiển tự động hóatực tế là một điều kiện rất cần thiềt

Em mong rằng thông qua bài tập này, thầy có thể góp ý cho em trong việcxây dựng thiết kế một hệ thống thật Qua đó em có thể nâng cao kỹ năng, sự tiến

bộ trong mảng thiết kế hệ thống tự động hóa mai sau

Do kiến thức và hiểu biết của em còn một chút hạn chế nên bài tập nàykhông tránh khỏi sai sót Em rất mong nhận được sự đánh giá, nhận xét và góp ýcủa thầy để đồ án cũng như kiến thức của em được hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS.Nguyễn Hữu Quyền đãhướng dẫn tận tình để em có thể hoàn thiện bài tập

Hải Phòng, ngày 1 tháng 10 năm 2020

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRỘN VÀ ÉP ĐÙN HẠT NHỰA

PVC

1 Tổng quan quy trình công nghệ sản xuất ống PVC:

Hình 1.1 Dây chuyển sản xuất ống nhựa PVC Quy trình sản xuất ống nhựa PVC cơ bản gồm các công đoạn sau:

 B1: Trộn hạt nhựa : là khâu quan trọng đầu tiên trong quá trình sản xuất ốngviệc trộn hạt nhựa theo tỉ lệ thường phụ thuộc vào bí quyết và kinh nghiệmcủa nhà máy

 B2: Cấp nhiên liệu : hạt nhựa được đưa đến phễu cấp liệu qua ống dẫn liệunhờ bơm hút vào băng tải lò xo

 B3: Ép đùn tạo hình ống : từ phễu cấp liệu nguyên liệu được rải đều xuốngcửa hút của máy ép đùn nhờ trục xít xoắn được lai bởi động cơ xoay chiều

=> nguyên liệu được gia nhiệt hóa lỏng => vùng tạo hình ống (khuôn)

 B4: Hút chân không làm mát : ống ra được đưa đi làm mát Hút chân khôngtạo ra áp suất chênh lệch giữa áp suất khí quyển và áp suất trong bể (nơi ống

đi qua) => định hình kích thước ống chống biến dạng

 B5: In chữ : thường sử dụng máy công cụ CNC khi đặt ống lên máy thì băngchuyền đưa ống chạy dọc theo mắt mực của máy mắt mực này sẽ phun logo

ống ( dãn rộng đầu ông) được thực hiện bởi máy nong => ống pvc được gia nhiệt (2000 độ c) => đưa đầu nong (được định kích cỡ trước).

Để cụ thể hóa cũng như làm trực quan hơn quy trình sản xuất ống nhựa PVC, ta

có thể quan sát lưu đồ thuật toán bên dưới:

Hình 1.2 Lưu đồ thuật toán sản xuất ống nhựa PVC

2 Tìm hiểu về hệ thống trộn hạt nguyên liệu và ép đùn:

2.1 Hệ thống trộn hạt nguyên liệu:

 Kết cấu hệ thống trộn nguyên liệu:

- Máy trộn nguyên liệu Là loại máy trộn công nghiệp, chuyên dung để trộnnhững nguyên liệu dạng hạt, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa,gốm,… Máy có công suất lớn, hiệu quả khá cao, đảm bảo nguyên liệu đượctrộn đều

Hình 2.1.1 Máy trộn WSQF-1000

 Cấu tạo máy trộn nguyên liệu:

Hình 2.1.2 Cấu tạo của máy trộn nguyên liệu

 Chú thích:

- Motor pulley: Ròng rọc truyền động

- Electric motor: Động cơ điện

- Vertical dump: Phễu đựng nguyên liệu

- Screw: Trục vít tải nguyên liệu

- Material outlet: Cửa ra nguyên liệu sau khi trộn

- Clearing compartment: Khoang trống

- Belt pulley: Đai truyền động

- Window: Cửa sổ

- Ladder: Thang sắt

- Access: Lối vào

- Electrical control box: Hộp điều khiển tại hiện trường

- Cycle material outlet: ống trụ dẫn nguyên liệu sau khi trộn

- Feeder hopper: Phễu nạp liệu

 Nguyên lý hoạt động:

Khi ta cấp nguyên liệu (hỗn hợp hạt nhựa) vào phếu nạp liệu rồi ấn Start,Động cơ điện thông qua bộ truyền động sẽ làm trục vít quay, trộn và hút hạt nhựarải phun từ dưới đáy lên trên cao Quá trình này được lặp lại tuần hoàn trong mộtthời fian cài đặt trước Nhờ quá trình này, hỗn hợp hạt nhựa và chất phụ gia đượctrộn đều với nhau Khi thời gian tới hạn, động cơ sẽ dừng, cửa xả liệu của máy trộn

mở ra, dẫn hỗn hợp đã được trộn đi xuống máy ép đùn Sauk hi hoàn thành quátrình xả liệu, cửa xả lại đóng vào Nguyên liệu tiếp tục được cấp cho máy trộnthông qua phễu cấp nguyên liệu, quá trình tiếp tục được diễn ra

 Nguyên liệu để làm PVC bao gồm:

- Hạt nhựa PVC: được nhà máy sản xuất từ quá trình trùng hợp nhũ tương

- Chất độn (bột đá): làm hạ giá thành sản phẩm, tăng độ cứng và chịu áp lực

- Chất dẻo hóa: làm liền bề mặt, tạo độ trơn bóng cho sản phẩm

- Chất ổn định: tăng độ bền của sản phẩn khi tiếp xúc với môi trường

- Chất tạo màu: giúp sản phẩm có màu sang đẹp

- Chất bôi trơn: kiểm soát đặc tính ma sát, bám dính cảu hạt nhựa trong suốtquá trình sản xuất

 Bảng thông số động cơ của máy trộn tương ứng với công suất tải của máy:

Hình 2.1.3 Bảng thông số động cơ điện của máy trộn tương ứng với tải trọng của

Hình 2.2.1 Hệ thống ép đùn PVC trục vít

 Cấu tạo máy ép đùn trục vít:

Hình 2.2.2 Cấu tạo máy ép đùn trục vít

 Chú thích:

- Drive Motor: Động cơ điện

- Gear box: Hộp số truyền động

- Hopper: Phễu dẫn nguyên liệu

- Barrel: Xilanh

- Screw: Trục vít

- Heaters: điện trở gia nhiệt

- Cooling fans: quạt tản nhiệt

- Die: khuôn kéo ống

 Cấu tạo trục vít bao gồm 3 phân vùng như sau:

- Vùng cấp liệu: gồm 3-10 vòng ren đầu, đường kính lõi và độ sâu của renkhông đổi

- Vùng nén (vùng chuyển pha): dọc theo chiều dài, đường kính lõi tăng dần,

độ sâu của ren giảm dần Mục đích của vùng này là nén nhựa, ép khí và cáctạp chất ra khỏi nhựa và gia nhiệt cho nhựa

- Vùng định lượng: Đường kính lõi không đổi và độ sâu của ren rất nhỏ, mụcđích của vùng này là nấu nóng chảy nhựa, bảo đảm sự đồng đều của hỗn hợpnhựa

Hình 2.2.3 Trục vít

 Nguyên lý hoạt động:

Sau khi nguyên liệu được trộn (máy trộn), của xả của máy trộn dẫn hỗn hợpxuống phễu nguyên liệu của máy ép đùn Động cơ điện thông qua hộp số truyềnđộng làm quay trục vít Trục vít dẫn hỗn hợp này đi qua Xilanh Tại xilanh có bốtrí các điện trở nhiệt hoặc các bộ gia nhiệt, hỗn hợp nóng chảy và quánh dẻo được

ép và đùn về phía đầu khuôn tạo hình Các quạt tản nhiệt để làm mát cho mạch gianhiệt

Để cung cấp nhiệt độ cho xi-lanh trong quá trình gia công có thể sử dụngdầu gia nhiệt, hơi quá nhiệt hoặc nhiệt điện trở Nhiệt trên xi-lanh được phân bốtheo vùng ép

Hệ thống gia nhiệt phải có khả năng đạt nhanh nhiệt độ mong muốn và phảiđiều chỉnh được từ 50-300 độ C

Hệ thống gia nhiệt được đặt dọc theo thân máy đùn, các máy đùn có chiềudài vừa thì thường có ít nhất 3 vùng gia nhiệt, các máy có chiều dài lớn hơn thì cótrên 8 vùng

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN MÁY

TRỘN VÀ ÉP ĐÙN PVC

3 Giới thiệu về PLC:

PLC là bộ não của các hệ thống dây chuyền tự động, có tác dụng điều khiểncác cỗ máy hay các dây chuyền công nghệ PLC có thể được phân ra thành nhiềuloại theo các “họ” theo chức năng và các lĩnh vực ứng dụng

PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị điều khiển logic khả trình,dùng dể thực hiện các phép toán điều khiển số học qua việc lập trình, thay vì biểudiễn phép toán đó qua mạch số Do đó PLC biến thành phương tiện điều khiển số

vô cùng gọn nhẹ, có thể biến đổi phép toán, ngoài ra dễ cung cấp trao đổi dữ liệuvới môi trường lân cận Tất cả các hệ thống điều khiển được ghi nhớ vào bộ nhớPLC dưới hình thức các khối của chương trình, phép lặp theo scan

Việc có thể tạo ra một chương trình điều khiển chuẩn xác buộc PLC phải cóchức năng như một máy tính, phải có bộ xử lý trung tâm (CPU), hệ điều hành, bộlưu nhớ để ghi lại chương trình điều khiển, tài liệu, ngoài ra còn có các cổng kếtnối ra và vào để trao đổi dữ liệu với môi trường Không chỉ áp dụng vào các thuậttoán điều khiển số, PLC còn phải trang bị cho nó nhiều khối chức năng như bộnhớ chương trình, bộ nhớ đọc-ghi (RAM), bộ nhớ cố định (ROM) vv

Đối với lĩnh vực sản xuất, khi muốn thực hiện điều khiển một quy trình côngnghệ hay các trang– thiết bị công nghiệp họ sẽ liên kết hoặc ghép nối các linhkiện điều khiển rời (rơle ,timer ,contactor ) lại với nhau, điều đó phụ thuộc vàoviệc của hệ thống điều khiển đó cần gì Vì vậy việc trên khá khó khăn trong vấn đềthi công, bảo dưỡng nên chi phí khá tốn kém Đó thực sự là một trở ngại khi muốnthay đổi cách thức hoạt động.

Một PLC thì cần có đủ tất cả các chức năng: bộ đếm, bộ định thời, thanh ghi(register) và các lệnh để giúp việc điều khiển khác nhau Mọi hành động của PLCchịu sự tác động của chương trình trong bộ nhớ, luôn nắm bắt tín hiệu vào, xử lýcác tín hiệu để điều khiển ngõ ra

Hình 3.1 Hình ảnh PLC của hãng Delta.

 Nhiệm vụ của PLC.

+Thu thập mọi dữ liệu của hệ thống qua cảm biến

+Kết nối với các bộ điều khiển mạng khác

+Lưu trữ dữ liệu, chương trình

+Nhập, xuất tín hiệu điều khiển, báo hiệu

+Kết nối, giao tiếp với các hệ thống điều khiển khác nhau

 Ưu điểm của PLC so với việc dùng rơle hoặc hệ thống khác:

+Việc đấu nối bớt được 80% dây nối

+Khả năng biến đổi linh hoạt chương trình, phép toán.

+Tốc độ truy cập nhanh, chỉ vài ms

+Ngôn ngữ dùng để lập trình đơn giản, dễ tìm hiểu

+Tính chính xác cao, kết cấu nhỏ gọn

+Có khả năng kết nối với các thiết bị xung quanh hoặc PLC khác

+Bớt được rơle với timer so với các chương trình xưa

+Lợi ích về khả năng chống nhiễu

+Có thể phát hiện sự cố một cách nhanh chóng, xử lý tín hiệu

 Cấu trúc cơ bản của PLC:

Hình 3.2 Cấu trúc cơ bản của PLC.

- Ngõ vào: Nơi PLC tiếp nhận xử lý dữ liệu từ các lệnh điều khiển như cảm biến,nút ấn cảm biến để kiểm định các số liệu Dữ liệu qua PLC hoặc là dữ liệu số hoặc

là dữ liệu tương tự qua modul nhận tín hiệu như DI hay AI

- Nguồn cấp: Là nơi giúp PLC duy trì hoạt động bằng việc cấp năng lượng, chủyếu dùng nguồn 24VDC

- Khối trung tâm (CPU): Đóng vai trò đầu não, thực hiện toàn bộ nhiệm vụ điềukhiển thời gian thực, truyền thông, chuẩn đoán và kiểm tra, quản lý thông tin, lưutrữ và vảo vệ.

- Ngõ ra: Dùng để ghép nối với các trang bị điều khiển nó cũng có tính năngtương tự như của ngõ vào

- Bộ nhớ: Đây là một phần có chức năng rất quan trọng của PLC, nó có chức năngghi nhớ và lưu trữ dữ liệu, thông thường PLC có các loại bộ nhớ như sau:

+Bộ nhớ RAM: Dùng để nạp chương trình, có thể điều chỉnh hay xóa thông tin ởthời điểm nào cũng được, nếu nguồn cấp chẳng may bị mất thì phần nội dung trongRAM sẽ không được lưu trữ, để tránh điều này xảy ra thì cần trang bị pin khô.+Bộ nhớ ROM: Tác dụng để nhớ các lệnh đơn giản và các hàm mang tính chấttoán học, dữ liệu trong ROM không bị đổi thay kể cả lúc nguồn cấp bị mất

+Bộ nhớ EEPROM: Gắn bó chặt chẽ với những truy xuất của RAM, sự ổn địnhcao, nhưng việc lưu và thay đổi nội dụng bị giới hạn

+Bộ nhớ EPROM: Là bộ nhớ chỉ dùng để đọc còn việc tác động để thay đổi nộidung là không thể được, khi mất nguồn cung cấp thì nội dung vẫn còn vì nó đượccài trong máy, được sản xuất nạp và lưu trữ hệ điều hành từ trước

 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC:

PLC thực hiện chương trình cheo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi làvòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từcác cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiệnchương trình Trong từng dòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiênđến lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nộidung của bộ đệm ảo ngõ ra (Q) tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằnggiai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Một chu kỳ quét của PLC thể hiệntrên hình 1.2, trong đó:

Read Input (Đọc ngõ vào): PLC đọc trạng thái của toàn bộ các ngõ vào vàchứa vào bộ đệm ngõ vào

Execute Program (Thực thi chương trình): PLC dựa vào các trạng thái ngõvào để thực thi theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ đệm ngõ ra

Diagnostics Communications (Chẩn đoán và truyền thông): PLC tiến hànhchẩn đoán lỗi và kiểm tra quá trình truyền thông

Update Outputs (Xuất kết quả): PLC xuất kết quả trong vùng nhớ đệm ngõ

ra để điều khiển thiết bị ngoại vi

Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động vòng quét của PLC

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gianvòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòngquét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quétthực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chươngtrình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tínhiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gianvòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực củachương trình điều khiển trong PLC Thời gian quét càng ngắn, tính thời gian thựccủa chương trình càng cao

4 Chọn PLC cho hệ thống:

 PLC S7-200 của Siemens:

Cấu trúc tổng quát của một PLC S7.200 bao gồm các thành phần sau:

Nguồn cung cấp (Power Supply):

Nguồn có thể tích hợp sẵn bên trong PLC hoặc làm riêng bên ngoài Có nhiều cấpđiện áp khác nhau tùy loại PLC, gồm 110VAC hoặc 220VAC hoặc 24VDC (hiệnnay có hai cấp điện áp thường được sử dụng là 24VDCvà 220V-AC.

 Khối xử lý trung tâm CPU (Central Proceesoing Unit):

Đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như 1 máy tính, dùng để lưu trữ và xử lýchương trình theo yêu cầu của người lập trình

 Khối ngõ ra (Output):

Các loại cơ cấu chấp hành như: Bóng đèn, cuộn dây, vale, biến tần…được điềukhiển bởi PLC thông qua module Output Tùy vào đối tượng điều khiển cần tínhiệu số hay tương tự mà moudle ngõ ra của PLC cũng có hai loại là module số ngõ

ra (Digital Output Module) và module ngõ ra tương tự (Analog Output Module)

 Đèn báo:

Dùng để chỉ báo trạng thái PLC, gồm nguồn, chạy chương trình, lỗi hệ thống Cáccảnh báo này rất cần thiết trong chẩn đoán sự cố

Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình

đã được nạp vào bộ nhớ chương trình

Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình đang thựchiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off)

Đèn SF-màu đỏ: Đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc hệđiều hành Ở đây cần phân biệt rõ lỗi hệ thống với lỗi chương trình người dùng,khi lỗi chương trình người dùng thì CPU không thể nhận biết được vì trướckhi download xuống CPU, phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khidịch sang mã máy

Đèn Ix.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào

Đèn Qx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra

5 Sơ đồ thuật toán điều khiển PLC cho hệ thống trộn và ép đùn PVC:

 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống trộn nguyên liệu: