Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực xây dựng và thi công công trình, nhu cầu cung ứng bê tông thương phẩm với khối lượng lớn, đồng đều về chất lượng và tối ưu hóa thời gian thi công ngày càng gia tăng. Để đáp ứng yêu cầu này, thực tiễn sản xuất đưa ra hai giải pháp chính: tăng cường nhân công thủ công hoặc ứng dụng trạm trộn bê tông tự động hóa công suất lớn. Giải pháp tự động hóa giúp giải phóng sức lao động, giảm thiểu rủi ro do thao tác con người và kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ cấp phối nguyên liệu. Đề tài "Điều khiển và giám sát hệ thống trộn bê tông dùng PLC S7-1200 - WinCC" được xây dựng nhằm thiết kế, tính toán và mô phỏng một hệ thống trạm trộn bê tông công nghiệp có công suất lên đến 5.000 kg/mẻ.
Nhiệm vụ và yêu cầu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua các nội dung kỹ thuật sau:
- Thiết lập sơ đồ khối chức năng và nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống điều khiển và giám sát.
- Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực và mạch điều khiển.
- Tính toán và lựa chọn các thiết bị điện động lực, khí cụ bảo vệ và đóng cắt gồm: động cơ trộn công suất $50\text{ HP}$ ($37{,}3\text{ kW}$), rơ le nhiệt, contactor, aptomat (MCCB/CB), cảm biến trọng lượng (Loadcell), cảm biến mức (ON/OFF), van điện từ, tiết diện dây dẫn và kích thước vỏ tủ điện.
- Thiết kế sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị bên trong tủ điện điều khiển.
- Xây dựng sơ đồ đấu nối chi tiết các ngõ vào/ra (I/O) với bộ điều khiển lập trình logic PLC.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình chương trình điều khiển tuần tự cho hệ thống trên PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (bao gồm chế độ hoạt động bình thường, chế độ xử lý lỗi và chế độ dừng khẩn cấp).
- Thiết kế giao diện HMI/SCADA trên phần mềm WinCC để giám sát trạng thái thời gian thực, nhập liệu thông số cấp phối và điều khiển hệ thống thông qua mô phỏng.
Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ trộn bê tông tự động theo mẻ và hệ thống điều khiển tích hợp giữa PLC Siemens SIMATIC S7-1200 với giao diện phần mềm giám sát WinCC. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán thiết kế phần cứng tủ điện cho tải động cơ $50\text{ HP}$, lập trình điều khiển logic tuần tự cho mẻ trộn tối đa $5.000\text{ kg}$, và kiểm thử hoạt động thông qua môi trường giả lập (simulation) trên máy tính từ tháng 10 năm 2024 đến tháng 11 năm 2024 tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động, kỹ thuật cảm biến đo lường và kỹ thuật truyền động điện công nghiệp:
- Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200: Khảo sát kiến trúc phần cứng, cấu hình module, tập lệnh logic và khả năng truyền thông thông qua cổng Profinet tích hợp chuẩn Ethernet công nghiệp.
- Cảm biến trọng lượng (Loadcell): Ứng dụng cấu trúc cảm biến biến dạng cơ học gồm điện trở dán (Strain gage) kết hợp cầu điện trở cân bằng Wheatstone, cho phép chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện áp tỷ lệ (chuẩn $0\text{ – }10\text{ VDC}$) tương ứng dải tải trọng từ $0$ đến $5.000\text{ kg}$.
- Cảm biến mức ON/OFF: Thiết bị báo đầy/báo cạn tiếp điểm relay để nhận biết mức nguyên liệu trong bồn cân và bồn trộn chính.
- Van điện từ (Solenoid Valve): Cơ cấu chấp hành đóng/mở dòng lưu chất và nguyên liệu hạt rời (cát, xi măng, nước, bê tông) dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và chênh lệch áp suất.
- Phần mềm kỹ thuật TIA Portal và WinCC: Nền tảng Totally Integrated Automation Portal (Step 7 Basic) để cấu hình phần cứng, viết mã chương trình PLC và phần mềm WinCC (Windows Control Center) phục vụ xây dựng giao diện điều khiển giám sát SCADA.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết kỹ thuật điện và thực nghiệm mô phỏng hệ thống:
- Phương pháp tính toán dòng điện định mức, dòng khởi động và hệ số an toàn để lựa chọn chính xác thông số định mức của khí cụ đóng cắt, bảo vệ và dây dẫn điện.
- Phương pháp lập trình điều khiển theo chu trình tuần tự (Grafcet/Lưu đồ giải thuật), phân tách rõ ràng các trạng thái vận hành bình thường, trạng thái cảnh báo sự cố và trạng thái dừng khẩn cấp.
- Nguồn dữ liệu tra cứu kỹ thuật được trích xuất từ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Siemens (S7-1200 Programmable Controller System Manual), bảng tra thông số rơ le nhiệt và contactor của LS Electric, tiêu chuẩn chọn dây dẫn điện Cadivi và thiết bị công nghiệp Hanyoung.
Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống
Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống điều khiển và giám sát trạm trộn bê tông được cấu thành từ 9 khối chức năng liên kết chặt chẽ:
- Khối nguồn: Cung cấp các cấp điện áp $380\text{ VAC}$ (3 pha cho động cơ), $220\text{ VAC}$ và $24\text{ VDC}$ cho mạch điều khiển và cảm biến.
- Khối nút nhấn: Tiếp điểm điều khiển ngõ vào gồm các nút nhấn START, STOP, RESET và nút dừng khẩn EMERGENCY.
- Khối cảm biến: Bao gồm cảm biến Loadcell xuất tín hiệu analog ($0\text{ – }10\text{ VDC}$) về ngõ vào analog AI0 của PLC và các cảm biến mức ON/OFF tại các bồn.
- Khối xử lý trung tâm (PLC): PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC tiếp nhận tín hiệu ngõ vào, thực hiện thuật toán xử lý và xuất lệnh điều khiển.
- Khối trung gian: Các rơ le trung gian nhận lệnh từ ngõ ra số của PLC để đóng/cắt cuộn hút contactor và đèn báo.
- Khối động lực (Động cơ trộn): Động cơ 3 pha $380\text{ VAC}$, công suất $P = 50\text{ HP}$ ($37{,}3\text{ kW}$) đảm nhận việc quay thùng trộn đảo chiều.
- Khối van điện từ: Hệ thống van xả cát, xi măng, nước, van xả bồn cân và van xả bê tông thành phẩm.
- Khối đèn báo: Đèn hiển thị trạng thái vận hành RUN-L, dừng hệ thống STOP-L và cảnh báo sự cố ERR-L.
- Khối giao diện giám sát: Màn hình SCADA trên WinCC kết nối máy tính với PLC qua giao thức Profinet.
Tính toán và lựa chọn thiết bị mạch động lực
Với động cơ trộn công suất $P_{\text{đm}} = 37{,}3\text{ kW}$, điện áp lưới $U_{\text{lưới}} = 380\text{ V}$, hiệu suất $\eta = 0{,}92$, và hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}85$, dòng điện định mức của động cơ được tính toán theo công thức:
$$I_{\text{đm}} = \frac{P_{\text{đm}}}{\sqrt{3} \cdot U_{\text{lưới}} \cdot \cos\varphi \cdot \eta} = \frac{37300}{\sqrt{3} \cdot 380 \cdot 0{,}85 \cdot 0{,}92} \approx 72{,}47\text{ A}$$
Từ giá trị dòng điện định mức, các khí cụ điện và dây dẫn được tính chọn theo các hệ số kỹ thuật tiêu chuẩn:
| Thiết bị / Khí cụ điện |
Công thức / Tiêu chí tính chọn |
Giá trị tính toán |
Mã thiết bị được chọn |
Thông số kỹ thuật |
| Bộ điều khiển PLC |
Đáp ứng 7 DI, 10 DO, 1 AI ($0\text{–}10\text{ V}$) |
Đủ số lượng I/O |
Siemens S7-1200 CPU 1214C |
DC/DC/DC, 14 DI, 10 DO, 2 AI |
| Rơ le nhiệt |
$I_{\text{RN}} \ge k \cdot I_{\text{đm}}$ ($k = 1{,}3$) |
$I_{\text{RN}} \ge 94{,}21\text{ A}$ |
LS MT-150 |
Dải chỉnh $95\text{ – }130\text{ A}$ / $110\text{ – }150\text{ A}$ |
| Contactor |
$I_{\text{c}} \ge k \cdot I_{\text{đm}}$ ($k = 1{,}5$) |
$I_{\text{c}} \ge 108{,}7\text{ A}$ |
LS MC-130a |
Dòng định mức $130\text{ A}$ (3 pole) |
| Aptomat khối (MCCB) |
$I_{\text{CB}} \ge k \cdot I_{\text{đm}}$ ($k = 1{,}5$) |
$I_{\text{CB}} \ge 108{,}7\text{ A}$ |
LS ABS103c |
Dòng định mức $125\text{ A}$ |
| Dây dẫn động lực |
$S = \frac{I_{\text{đm}}}{J}$ ($J = 5\text{ A/mm}^2$) |
$S = 14{,}49\text{ mm}^2$ |
Cadivi đồng |
Tiết diện tiêu chuẩn $16\text{ mm}^2$ |
| Cảm biến Loadcell |
Đo khối lượng cấp phối $0\text{ – }5.000\text{ kg}$ |
Tín hiệu $0\text{ – }10\text{ VDC}$ |
Loadcell tiêu chuẩn |
Dải đo $0\text{ – }5.000\text{ kg}$, ngõ ra áp |
| Vỏ tủ điện |
Chứa PLC, khí cụ động lực và rơ le |
Bố trí thiết bị |
Vỏ tủ sơn tĩnh điện |
Kích thước $900 \times 600 \times 300\text{ mm}$ |
Bảng phân bổ địa chỉ I/O của PLC S7-1200
| Phân loại |
Tên thiết bị / Tín hiệu |
Ký hiệu / Địa chỉ PLC |
Chức năng hoạt động |
| Ngõ vào số (DI) |
Nút nhấn START |
I0.4 |
Kích hoạt bắt đầu chu trình trộn |
|
Cảm biến ON/OFF bồn cân |
I0.5 |
Nhận biết xả hết nguyên liệu trong bồn cân |
|
Cảm biến ON/OFF bồn trộn |
I0.6 |
Nhận biết xả hết bê tông thành phẩm |
|
Tiếp điểm rơ le nhiệt |
I0.7 |
Báo sự cố quá tải động cơ |
|
Nút nhấn STOP |
I1.0 |
Dừng hệ thống sau khi kết thúc chu trình |
|
Nút nhấn RESET |
I1.1 |
Xóa lỗi và đưa hệ thống về trạng thái ban đầu |
|
Nút dừng khẩn cấp EMERGENCY |
I1.2 |
Ngắt toàn bộ hệ thống ngay lập tức |
| Ngõ vào tương tự (AI) |
Cảm biến tải trọng Loadcell |
AI0 |
Đọc tín hiệu điện áp $0\text{ – }10\text{ VDC}$ ($0\text{ – }5.000\text{ kg}$) |
| Ngõ ra số (DO) |
Đèn RUN-L |
Q0.3 |
Đèn báo hệ thống đang chạy |
|
Van xả cát vào bồn cân |
Q0.0 |
Điều khiển nạp cát |
|
Van xả xi măng vào bồn cân |
Q0.5 |
Điều khiển nạp xi măng |
|
Van xả nước vào bồn cân |
Q0.4 |
Điều khiển nạp nước |
|
Van xả bồn cân |
Q0.6 |
Xả nguyên liệu từ bồn cân vào bồn trộn chính |
|
Van xả bồn trộn (Bê tông) |
Q0.1 |
Xả bê tông thành phẩm ra bể chứa |
|
Động cơ trộn quay thuận |
Q0.7 |
Kích hoạt contactor quay thuận |
|
Động cơ trộn quay nghịch |
Q1.0 |
Kích hoạt contactor quay nghịch |
|
Đèn STOP-L / Đèn ERR-L |
Q0.2 / Q1.1 |
Đèn báo dừng và đèn báo lỗi hệ thống |
Quy trình điều khiển và giải thuật vận hành
Chương trình điều khiển phân chia thành ba trường hợp vận hành cụ thể:
-
Chế độ vận hành bình thường (Không lỗi):
- Khi cấp nguồn, đèn báo 3 pha và đèn STOP-L sáng; động cơ và các van ở trạng thái ngắt.
- Người vận hành nhập tổng khối lượng bê tông cần trộn (đơn vị $\text{kg}$) và tỷ lệ thành phần (cát, xi măng, nước) trên giao diện WinCC. Hệ thống tự động tính toán khối lượng thành phần đặt tương ứng.
- Nhấn nút START: Đèn RUN-L sáng. Van cát mở để nạp cát vào bồn cân Loadcell. Khi khối lượng cát đạt giá trị đặt, van cát đóng lại, van xả bồn cân mở để xả cát vào bồn trộn chính, đồng thời động cơ trộn bắt đầu quay thuận.
- Cảm biến mức báo bồn cân đã xả hết cát: Van xi măng mở nạp xi măng vào bồn cân. Khi khối lượng xi măng đạt giá trị đặt, van xi măng đóng lại, van xả bồn cân mở để xả xi măng vào bồn trộn chính, động cơ trộn tiếp tục duy trì quay thuận.
- Cảm biến mức báo xả hết xi măng: Van nước mở nạp nước vào bồn cân. Khi khối lượng nước đạt giá trị đặt, van nước đóng, van xả bồn cân mở xả nước vào bồn trộn, động cơ trộn tiếp tục hoạt động.
- Bồn trộn chính thực hiện chu trình trộn: Quay thuận liên tục trong thời gian $30\text{ phút}$, dừng nghỉ $20\text{ giây}$, sau đó động cơ đảo chiều quay nghịch trong $30\text{ phút}$.
- Kết thúc thời gian trộn nghịch, van xả bê tông mở để đưa bê tông thành phẩm ra bể chứa. Khi cảm biến mức phát hiện bồn trộn chính đã hết bê tông, van xả đóng lại, động cơ trộn dừng hoạt động và hệ thống tự động cộng dồn hiển thị số lượng mẻ trộn.
- Khi nhấn nút STOP, hệ thống không dừng đột ngột mà tiếp tục hoàn thành trọn vẹn mẻ trộn hiện tại, sau đó mới dừng hẳn và chuyển về trạng thái ban đầu, đèn STOP-L sáng.
-
Chế độ xử lý sự cố và lỗi vận hành:
- Sự cố rơ le nhiệt (Quá tải động cơ): Khi rơ le nhiệt nhảy tiếp điểm, PLC lập tức xuất lệnh ngắt động cơ trộn, đồng thời kích hoạt đèn ERROR chớp tắt với chu kỳ $1\text{ s}$ ($0{,}5\text{ s}$ sáng, $0{,}5\text{ s}$ tắt). Trong thời gian $5\text{ phút}$, nếu sự cố không được khắc phục thì PLC ngắt toàn bộ hệ thống.
- Sự cố nạp liệu (Lỗi Loadcell): Sau khi đã nhấn START mà trong vòng $1\text{ phút}$ giá trị cân Loadcell không tăng theo tính toán nạp liệu, đèn ERROR sẽ chớp tắt với chu kỳ $2\text{ s}$, hệ thống vẫn tiếp tục duy trì hoạt động. Nếu sau $5\text{ phút}$ lỗi cấp liệu vẫn không được xử lý thì hệ thống sẽ tự động dừng.
- Xóa lỗi: Sau khi khắc phục sự cố, người vận hành nhấn nút RESET để xác nhận xóa cờ lỗi, đưa hệ thống trở lại trạng thái sẵn sàng ban đầu.
-
Chế độ dừng khẩn cấp (EMERGENCY):
- Khi tác động nút nhấn EMERGENCY, toàn bộ các van điện từ và động cơ trộn lập tức bị cắt điện dừng ngay lập tức. Sau khi nhả nút khẩn cấp, người vận hành bắt buộc phải nhấn nút RESET thì hệ thống mới được phép tái lập về trạng thái ban đầu.
Thiết kế giao diện giám sát SCADA trên WinCC
Giao diện SCADA được xây dựng với các phần tử đồ họa động tương ứng với trạng thái I/O của hệ thống:
- Các nút nhấn điều khiển: START, STOP, RESET, EMERGENCY dạng hình khối màu xám.
- Đèn báo trạng thái: Đèn RUN chuyển màu xanh lá cây khi ở mức logic 1 (màu xám khi mức 0); Đèn ERR chuyển màu đỏ hoặc vàng khi có lỗi (màu xám khi bình thường).
- Cơ chế đổi màu đường ống và cơ cấu chấp hành:
- Khi van xả cát mở: Icon bồn cát, van xả cát và đường ống chuyển sang màu xanh lá cây.
- Khi khối lượng cát đạt giá trị đặt: Van xả chuyển màu đỏ, bồn trộn chính và motor trộn chuyển sang màu xanh lá cây.
- Khi cát xả hết khỏi bồn cân: Đường ống cát trở về màu xám; icon bồn xi măng, van xi măng và đường ống xi măng chuyển sang màu xanh lá cây.
- Quá trình nạp nước diễn ra tương tự: Các icon chuyển xanh khi mở nạp và chuyển đỏ khi đạt ngưỡng cân.
- Trong giai đoạn xả bê tông ra bể chứa: Van xả bê tông và icon bể chứa chuyển sang màu xanh lá cây cho đến khi cảm biến báo cạn tác động đưa tất cả về màu xám mặc định.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của tự động hóa trạm trộn bê tông trong ngành xây dựng hiện đại, phân tích so sánh giữa phương pháp trộn thủ công và phương pháp trộn tự động công suất lớn. Tác giả xác định mục tiêu trọng tâm là thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mẻ trộn $5.000\text{ kg}$ với động cơ $50\text{ HP}$, ứng dụng PLC Siemens S7-1200 và WinCC. Chương này cũng công bố kế hoạch thực hiện chi tiết 8 giai đoạn từ ngày 15/10/2024 đến ngày 29/11/2024 của sinh viên Võ Duy Thiệu dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Đắc Chi và KS. Nguyễn Trung Thắng.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các thiết bị phần cứng và phần mềm:
- Cung cấp cấu trúc phần cứng của dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C), phân tích các cổng kết nối I/O, cổng truyền thông Profinet và tập lệnh điều khiển.
- Phân tích chi tiết cấu tạo cảm biến trọng lượng Loadcell (gồm thanh kim loại đàn hồi "Load" và các điện trở dán "Strain gage"), giải thích nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone và công thức quy đổi biến dạng điện áp thành khối lượng thông qua gia tốc trọng trường.
- Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến mức ON/OFF (báo đầy/báo cạn) ngõ ra relay.
- Mô tả cấu tạo kỹ thuật của van điện từ gồm thân van (đồng, gang, inox), màng làm kín (EPDM, PTFE, Viton), cuộn coil điện từ ($24\text{ VDC}/220\text{ VAC}$), lò xo hồi vị chịu áp $8\text{ – }10\text{ bar}$ và trục piston đóng mở nhanh.
- Giới thiệu tổng quan về nền tảng tích hợp TIA Portal và phần mềm thiết kế giao diện SCADA WinCC.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Chương 3 tập trung vào phần tính toán kỹ thuật và thiết kế phần cứng:
- Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển gồm 9 khối chức năng.
- Lập bảng tổng hợp các ngõ vào/ra của hệ thống (yêu cầu 7 DI, 10 DO, 1 AI áp $0\text{ – }10\text{ VDC}$) và đối chiếu với thông số các dòng CPU của S7-1200 để đưa ra quyết định lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (tích hợp sẵn 14 DI, 10 DO, 2 AI).
- Thực hiện các bước tính toán điện kỹ thuật chi tiết cho tải động cơ $P = 37{,}3\text{ kW}$ ($50\text{ HP}$):
- Dòng điện định mức tính toán: $I_{\text{đm}} = 72{,}47\text{ A}$.
- Dòng tính chọn rơ le nhiệt: $I_{\text{RN}} \ge 1{,}3 \cdot 72{,}47 = 94{,}21\text{ A}$, chọn rơ le nhiệt LS MT-150.
- Dòng tính chọn contactor: $I_{\text{contactor}} \ge 1{,}5 \cdot 72{,}47 = 108{,}7\text{ A}$, chọn contactor LS MC-130a ($130\text{ A}$).
- Dòng tính chọn aptomat bảo vệ: $I_{\text{CB}} \ge 1{,}5 \cdot 72{,}47 = 108{,}7\text{ A}$, chọn MCCB 3 pha LS ABS103c định mức $125\text{ A}$.
- Tiết diện dây dẫn mạch động lực: $S = 72{,}47 / 5 = 14{,}49\text{ mm}^2$, chọn dây đồng Cadivi tiết diện $16\text{ mm}^2$.
- Thiết lập sơ đồ bố trí lắp đặt thiết bị bên trong tủ điện kích thước $900 \times 600 \times 300\text{ mm}$ và sơ đồ đấu nối dây mạch động lực, mạch điều khiển I/O.
- Lập bảng tổng hợp chi phí dự toán các thiết bị chính trong hệ thống dựa trên giá tham khảo thị trường.
CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Chương 4 là trọng tâm giải thuật điều khiển của đồ án:
- Xây dựng bảng quy trình công nghệ 16 bước chi tiết cho toàn bộ trạm trộn bê tông.
- Xây dựng sơ đồ tổng quan hoạt động và giản đồ Grafcet/Lưu đồ giải thuật cho quy trình nạp - xả nguyên liệu tuần tự (cát $\rightarrow$ xi măng $\rightarrow$ nước).
- Lập trình chu trình trộn hỗn hợp: Quay thuận $30\text{ phút}$, nghỉ dừng $20\text{ giây}$, đảo chiều quay nghịch $30\text{ phút}$.
- Lập trình các thuật toán xử lý sự cố: Xử lý tín hiệu ngắt rơ le nhiệt với chu kỳ chớp đèn lỗi $1\text{ s}$, giám sát thời gian thực nạp liệu Loadcell sau $1\text{ phút}$ (chớp đèn lỗi $2\text{ s}$), giới hạn thời gian tự động dừng sau $5\text{ phút}$ nếu không khắc phục lỗi, và xử lý nút dừng khẩn cấp EMERGENCY kèm điều kiện xóa lỗi bằng nút RESET.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ KẾT NỐI GIAO DIỆN VỚI PLC
Chương 5 trình bày việc xây dựng không gian giám sát SCADA trên phần mềm WinCC:
- Khởi tạo project và thiết lập cấu hình truyền thông giữa WinCC với PLC S7-1200 qua địa chỉ IP Profinet.
- Lựa chọn và tạo lập các đối tượng đồ họa HMI: Bồn chứa nguyên liệu, silo cát/xi măng/nước, bồn cân Loadcell, bồn trộn chính, motor trộn, các đường ống dẫn và van điện từ.
- Thiết lập thuộc tính biến (Tag mapping) và cấu hình hiệu ứng động (Dynamic Animation): Chuyển đổi màu sắc trạng thái (Xám $\rightarrow$ Xanh lá cây $\rightarrow$ Đỏ) tương ứng với từng giai đoạn nạp liệu, cân định lượng, trộn thuận, trộn nghịch và xả thành phẩm.
- Tích hợp các trường nhập liệu số (I/O Field) cho phép cài đặt tổng khối lượng và tỷ lệ cấp phối trực tiếp từ giao diện máy tính.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt tính toán thiết kế phần cứng và lập trình mô phỏng SCADA, đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất các hướng phát triển mở rộng cho hệ thống trạm trộn trong thực tế.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Hoàn thành tính toán thiết kế phần cứng: Xác định chính xác thông số dòng điện định mức ($72{,}47\text{ A}$) cho động cơ công suất lớn $50\text{ HP}$ ($37{,}3\text{ kW}$), lựa chọn đồng bộ tổ hợp khí cụ điện đóng cắt - bảo vệ của hãng LS gồm MCCB ABS103c ($125\text{ A}$), Contactor MC-130a ($130\text{ A}$), Rơ le nhiệt MT-150 ($95\text{ – }130\text{ A}$) và dây dẫn đồng Cadivi $16\text{ mm}^2$.
- Lựa chọn cấu hình PLC tối ưu: Lựa chọn chính xác bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC đáp ứng vừa đủ số lượng 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số và 2 ngõ vào analog, tránh lãng phí dung lượng phần cứng so với các dòng CPU cao hơn.
- Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển logic: Lập trình điều khiển tuần tự quy trình cấp phối 3 thành phần (cát, xi măng, nước) với dung tích mẻ trộn đến $5.000\text{ kg}$, chu trình đảo chiều động cơ (thuận $30\text{ phút}$, nghỉ $20\text{ s}$, nghịch $30\text{ phút}$) và thuật toán xử lý an toàn đa cấp (quá tải nhiệt chớp tắt chu kỳ $1\text{ s}$, lỗi cấp liệu chớp tắt chu kỳ $2\text{ s}$, ngắt hệ thống sau $5\text{ phút}$, dừng khẩn cấp tức thời).
- Thiết kế giao diện SCADA WinCC trực quan: Xây dựng thành công giao diện điều khiển giám sát thời gian thực với đầy đủ chức năng nhập thông số mẻ trộn, hiển thị giá trị cân thực tế, đếm số mẻ trộn và mô phỏng trạng thái hoạt động thông qua chuyển đổi màu sắc trực quan.
Giải pháp và đóng góp kỹ thuật
- Cung cấp một phương án thiết kế chuẩn tắc cho trạm trộn bê tông công nghiệp quy mô vừa ($5.000\text{ kg}$), kết hợp chặt chẽ giữa việc tính toán lý thuyết khí cụ điện động lực với lập trình tự động hóa PLC và SCADA.
- Đưa ra giải pháp an toàn vận hành hai lớp: Dừng mềm sau khi hoàn tất chu trình khi nhấn nút STOP thông thường nhằm tránh lãng phí nguyên liệu đang trộn dở dang, và dừng ngắt cứng ngay lập tức khi kích hoạt nút EMERGENCY nhằm bảo đảm an toàn cho người và thiết bị.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Điểm còn hạn chế
- Hệ thống mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ đấu nối và kiểm thử hoạt động thông qua phần mềm mô phỏng (giả lập trên WinCC và TIA Portal), chưa được gia công lắp ráp tủ điện thực tế và chưa chạy thử nghiệm trên mô hình phần cứng thật.
- Các cảm biến báo mức ON/OFF và van điện từ cơ cấu chấp hành trên thực tế chỉ được mô phỏng tín hiệu logic trên phần mềm, chưa khảo sát các yếu tố trễ cơ khí và quán tính dòng chảy vật liệu hạt rời.
Hướng phát triển của đề tài
- Thi công lắp đặt tủ điện thực tế dựa trên bản vẽ bố trí và sơ đồ chân I/O đã thiết kế, kết nối phần cứng PLC S7-1200 thật với mô hình trạm trộn cơ khí thu nhỏ.
- Tích hợp biến tần (Inverter) để điều khiển khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ động cơ trộn $50\text{ HP}$, giúp giảm dòng khởi động và tiết kiệm điện năng.
- Nâng cấp hệ thống SCADA trên nền tảng Web Server hoặc kết nối IoT/Cloud để hỗ trợ giám sát, lưu trữ dữ liệu sản xuất và xuất báo cáo sản lượng từ xa qua thiết bị di động.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích đối với:
- Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử tại các trường cao đẳng, đại học kỹ thuật đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về lập trình PLC S7-1200 và SCADA WinCC.
- Kỹ sư thiết kế tủ điện và lập trình hệ thống tự động hóa công nghiệp quan tâm đến phương pháp tính toán lựa chọn khí cụ đóng cắt cho động cơ công suất trung bình - lớn ($50\text{ HP}$) và giải thuật điều khiển trạm trộn nguyên liệu tuần tự.
Các nội dung kỹ thuật có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:
- Quy trình từng bước tính chọn khí cụ điện (MCCB, Contactor, Rơ le nhiệt, tiết diện dây dẫn) theo dòng điện định mức và hệ số an toàn.
- Bảng phân bổ I/O chi tiết và sơ đồ đấu nối dây giữa PLC S7-1200 CPU 1214C với rơ le trung gian và contactor.
- Thuật toán logic điều khiển tuần tự theo thời gian và khối lượng kết hợp cơ chế bẫy lỗi an toàn (Interlock, Timer, Counter, Fault Reset).
Câu hỏi thường gặp
1. Khối lượng trộn tối đa và công suất động cơ trộn trong đề tài được thiết kế là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế để điều khiển và giám sát mẻ trộn bê tông có khối lượng lên đến $5.000\text{ kg}$. Cơ cấu chấp hành chính là động cơ trộn 3 pha sử dụng nguồn điện $380\text{ VAC}$, công suất định mức $P = 50\text{ HP}$ (tương đương $37{,}3\text{ kW}$).
2. Dòng điện định mức của động cơ trộn được tính ra bao nhiêu và các khí cụ điện động lực được chọn với mã hiệu nào?
Dòng điện định mức tính toán của động cơ $50\text{ HP}$ là $I_{\text{đm}} = 72{,}47\text{ A}$. Dựa trên hệ số an toàn, các khí cụ của hãng LS Electric được lựa chọn gồm: Rơ le nhiệt MT-150 (dải chỉnh dòng tương thích với contactor), Contactor 3 cực MC-130a (dòng định mức $130\text{ A}$), Aptomat khối MCCB ABS103c (dòng định mức $125\text{ A}$) và dây dẫn đồng Cadivi tiết diện $16\text{ mm}^2$.
3. Quy trình trộn bê tông trong chu trình hoạt động bình thường diễn ra theo trình tự nào?
Sau khi nhập tổng khối lượng và tỷ lệ cấp phối trên WinCC rồi nhấn START, hệ thống nạp và cân tuần tự từng nguyên liệu qua bồn cân Loadcell: Cát $\rightarrow$ Xi măng $\rightarrow$ Nước. Mỗi khi nguyên liệu đạt giá trị đặt, van xả bồn cân sẽ mở để trút vào bồn trộn chính. Khi đủ 3 thành phần, động cơ quay thuận $30\text{ phút}$, nghỉ $20\text{ giây}$, quay nghịch $30\text{ phút}$, sau đó mở van xả bê tông ra bể chứa và dừng khi cảm biến báo cạn.
4. Hệ thống xử lý sự cố quá tải rơ le nhiệt và lỗi cấp liệu Loadcell như thế nào?
Khi rơ le nhiệt tác động (quá tải), động cơ trộn dừng ngay lập tức và đèn ERROR chớp tắt chu kỳ $1\text{ s}$. Trường hợp nạp liệu sau $1\text{ phút}$ mà Loadcell không tăng khối lượng, đèn ERROR chớp tắt chu kỳ $2\text{ s}$ nhưng hệ thống vẫn tiếp tục chạy. Ở cả hai trường hợp, nếu sau $5\text{ phút}$ sự cố không được khắc phục thì toàn bộ hệ thống sẽ tự động dừng.
5. Giao diện WinCC thể hiện trạng thái hoạt động của hệ thống qua quy ước màu sắc như thế nào?
Trạng thái ngắt hoặc mặc định ban đầu thể hiện bằng màu xám. Khi các van xả nạp liệu mở, icon bồn chứa, van và đường ống tương ứng sẽ chuyển sang màu xanh lá cây; khi cân đạt ngưỡng đặt thì van chuyển màu đỏ. Bồn trộn chính và motor trộn chuyển sang màu xanh lá cây khi đang quay. Đèn báo RUN hiển thị màu xanh lá cây khi hoạt động, đèn ERR hiển thị màu đỏ hoặc vàng khi có sự cố.
Kết luận
Đồ án "Điều khiển và giám sát hệ thống trộn bê tông dùng PLC S7-1200 - WinCC" của tác giả Võ Duy Thiệu đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ tính toán thiết kế phần cứng, lập trình logic và mô phỏng SCADA cho trạm trộn bê tông công suất $5.000\text{ kg}$. Bản thuyết minh cung cấp chi tiết các bước tính chọn khí cụ đóng cắt cho động cơ $50\text{ HP}$, xây dựng quy trình công nghệ 16 bước chặt chẽ cùng các thuật toán bảo vệ an toàn tin cậy. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao, phục vụ hiệu quả cho việc học tập, nghiên cứu và triển khai thực tế các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
