Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng định lượng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp modbus

Bài viết này trình bày một thiết kế hệ thống cân băng định lượng có khả năng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp truyền thông theo các chuẩn công nghiệp phổ biến. Do vậy, hệ thống thiết kế sẽ có khả năng tích hợp vào các hệ thống khác nhau và giao tiếp với các màn hình giao diện người – máy (Human Machine Interface – HMI) của các hãng nổi tiếng trên thế giới để nhận các chỉ thị, hiển thị và lưu trữ các thông tin vận hành một cách rất thuận tiện mà không cần sử dụng máy tính.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng định lượng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp modbus Nguyễn Tiến Hưng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 163 - 169 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP TỪNG THÀNH PHẦN VÀ GIAO TIẾP MODBUS Nguyễn Tiến Hưng*, Vũ Quốc Đông Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Các hệ thống cân băng định lượng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất xi măng, khai khoáng, chế biến thực phẩm, thức ăn gia súc, phân bón... Trước đây, các hệ thống cân băng định lượng thường sử dụng một máy tính điều khiển tất cả các cân nên khó có thể được tích hợp trong một hệ thống sản xuất lớn và hiện đại vốn gần như được điều khiển tự động hoàn toàn từ khâu nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm đầu ra. Các hệ thống cân băng định lượng tự động có khả năng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp với tầng điều khiển cấp trên thông qua một giao thức truyền thông sẽ khắc phục được các khó khăn nói trên. Tuy nhiên, do các hãng sản xuất thường cung cấp các giải pháp tổng thể cho từng nhà máy nên việc tích hợp các thiết bị của các hãng khác nhau vào trong hệ thống sẽ gặp khó khăn do không tương thích về phần cứng và phần mềm. Bài báo này trình bày một thiết kế hệ thống cân băng định lượng có khả năng điều khiển độc lập từng thành phần và giao tiếp truyền thông theo các chuẩn công nghiệp phổ biến. Do vậy, hệ thống thiết kế sẽ có khả năng tích hợp vào các hệ thống khác nhau và giao tiếp với các màn hình giao diện người – máy (Human Machine Interface – HMI) của các hãng nổi tiếng trên thế giới để nhận các chỉ thị, hiển thị và lưu trữ các thông tin vận hành một cách rất thuận tiện mà không cần sử dụng máy tính. Điều này đảm bảo sự hoạt động tin cậy, ổn định và liên tục của toàn bộ hệ thống. Key words: Cân băng định lượng, bộ điều khiển, truyền thông công nghiệp, vi xử lý, Modbus ĐẶT VẤN ĐỀ * Các hệ thống cân băng định lượng được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp để vận chuyển các nguyên liệu với lưu lượng đặt trước (tính bằng Kg/phút hoặc Tấn/giờ). Một hệ thống cân băng định lượng gồm nhiều băng tải có dạng như hình 1. Các thành phần chính của một băng tải bao gồm: một khung cân, một bộ cảm biến trọng lượng (loadcell), một bộ điều khiển tốc độ với một động cơ điện và một bộ đo tốc độ băng tải [1]. Phễu liệu Trục quay sau Các con lăn đỡ liệu Động cơ điện Cảm biến Cảm biến tốc độ trọng lượng Trục quay trước Cơ cấu căng băng Hình 1. Cấu trúc của một cân băng định lượng. Trong quá trình làm việc bình thường, mỗi băng tải có một lưu lượng đặt trước và không có sự liên quan với các băng tải khác. Tuy nhiên, nếu vì một lý do nào đó tốc độ của một * Tel: 0913 286461, Email: h.nguyentien@tnut.edu.vn trong các băng tải không đạt được giá trị mong muốn trong khi các băng tải khác vẫn đang hoạt động đúng sẽ làm cho lưu lượng của băng tải đó không giữ được giá trị đặt trước. Sự làm việc không hoàn hảo của một cân băng trong một thời gian đủ lớn sẽ dẫn đến sai lệch tỷ lệ phối liệu và tạo ra các phế phẩm. Vì vậy, để đảm bảo tỷ lệ phối liệu thì khi lưu lượng thực tế của một băng tải vượt quá một giới hạn cho trước thì điểm đặt của các lưu lượng của các băng tải còn lại sẽ được điều chỉnh sao cho tất cả lưu lượng của các băng tải sẽ được tăng hay giảm với cùng một tỷ lệ phần trăm [1]. Mô hình động học đầy đủ và đơn giản hóa của cân băng được trình bày trong các tài liệu [2, 3, 4, 5]. Với việc mô tả toán học của các cân băng giúp cho việc áp dụng các bộ điều khiển tốc độ có khả năng giảm được năng lượng tiêu thụ của băng tải [3]. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA BĂNG TẢI Mô hình của một hệ thống cân băng đơn giản hóa được mô tả trên hình 2. Việc xây dựng mô hình toán cho băng tải được thực hiện dựa trên một số giả thiết sau đây [2]: 163 Nguyễn Tiến Hưng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ - Động cơ truyền động có mômen động học nhanh và thời gian trễ nhỏ. - Kết nối giữa trục động cơ và các con lăn là kết nối cứng. - Băng chuyền có thể được mô tả bởi lò xo không có khối lượng. - Ma sát tập trung ở các con lăn và tải trọng. Ma sát này được xem như là các nhiễu ngoài. 189(13): 163 - 169 quán tính của các con lăn, các khớp nối và các cơ cấu mã hóa là rất nhỏ so với quán tính của động cơ thì mô hình băng tải có thể được đơn giản hóa với các tham số hằng như sau [2]: &  f    LKew J M & & ff  Kew Mc x& (2) w  L  x trong đó, w là độ kéo dãn của băng; K e là hệ số đàn hồi của băng; L  Hình 2. Mô hình băng tải đơn giản hóa Mô hình toán của hệ thống truyền động cân băng trên hình 2 được biểu diễn như sau: G  r[K1(x )(Rq1  x )  K3 (Rq2  Rq1]  G1 r[K2 (x )(Rq1  x )  K3 (Rq2  Rq1)]  G2 đó, (1) & G1  (J1  G 2 (JG  J M ))q& 1  f1, & G2  J 2q& 2 f 2 , & f1 ; G3  Mcx& J1,J 2 động của băng tải. Với các tham số cho trong phụ lục A, ta có thể xây dựng được mô hình không gian trạng thái của (2) như sau: x& Ax  Bu y  Cx Trong đó: K1(x )(Rq1  x )  K2 (x  Rq2 )  G3 Trong R là hằng số truyền G là mômen quán tính của các con lăn dẫn động và truyền động; J M ,JG là mômen quán tính của động cơ và hộp giảm tốc; M c là khối lượng của tải trọng; R là bán kính của các con lăn; K1, K2 , K3 là các hệ số giãn nở của băng tải bị thay đổi tùy theo vị trí của tải trọng; x là vị trí của tải trọng;  là mômen của động cơ; q1,q2 , là vị trí góc của con lăn dẫn động, con lăn truyền động và động cơ; G là tỷ lệ giảm tốc; l1,l2 ,l là độ dài hành trình;  f 1, f 2 1 0 0 0 A 0 0  5 0 7.699  10 0 1 0 7.185  105  0  1 ,  13.64 0 0    x1      0  C  1 0 0 0 x  x 2  B ,  , 0 x 3  .     7 x 4   2.56  10  Để khảo sát việc điều khiển hệ thống băng tải này bằng một bộ điều khiển PID kinh điển ta có thể xây dựng một mô hình Simulink đơn giản như hình 3. là các mômen ma sát của các con lăn; f f là lực ma sát tác động đến tải trọng; (J1  G 2 (JG  J M )) là tổng các mômen quán tính đối với con lăn truyề ...