Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát trạm trộn bê tông bằng PLC S7-300

Tổng hợp tài liệu, báo cáo và những kiến thức chuyên sâu về đề án phần 3. Cung cấp thông tin hữu ích cho sinh viên và người nghiên cứu.

• Tác giả: Đoàn Thị Diên
• Người hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Nam Định

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông PLC S7 300

Hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 là giải pháp tự động hóa hiện đại trong ngành xây dựng. PLC S7-300 thuộc dòng sản phẩm của Siemens, được thiết kế với kiến trúc module hóa linh hoạt. Hệ thống bao gồm các thành phần chính: module CPU xử lý trung tâm, module nguồn PS, module tín hiệu vào ra SM, bộ giao tiếp truyền thông CP. Quy trình trộn bê tông tự động bao gồm các công đoạn: định lượng nguyên liệu, cấp liệu, trộn và xuất bê tông. Hệ thống SCADA kết hợp với PLC S7-300 cho phép giám sát toàn bộ quy trình theo thời gian thực. Người vận hành có thể theo dõi thông số, điều khiển thiết bị và xử lý sự cố từ xa. Giải pháp này giúp nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng bê tông đồng đều và giảm thiểu sai sót do con người.

1.1. Cấu trúc phần cứng PLC S7 300 trong hệ thống trạm trộn

PLC S7-300 có cấu trúc module hóa với rack gắn DIN rail. Module CPU là trung tâm xử lý, chứa vi xử lý, bộ nhớ và các cổng truyền thông MPI, DP. Các loại CPU phổ biến gồm CPU 312, CPU 314, CPU 315-2DP với tốc độ xử lý khác nhau. Module nguồn PS cung cấp điện áp DC 24V cho toàn hệ thống. Module tín hiệu SM bao gồm DI (Digital Input) đọc tín hiệu công tắc, cảm biến và DO (Digital Output) điều khiển contactor, van điện từ. Module AI đọc tín hiệu analog từ cảm biến trọng lượng, lưu lượng.

1.2. Vai trò của hệ thống SCADA trong giám sát trạm trộn bê tông

Hệ thống SCADA đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và quy trình sản xuất. Phần mềm WinCC của Siemens được sử dụng để xây dựng màn hình giám sát. Hệ thống sử dụng hai loại tags: tags nội (internal tags) lưu trữ dữ liệu trong WinCC và tags ngoại (external tags) kết nối trực tiếp với PLC qua driver truyền thông. Giao diện đồ họa hiển thị trạng thái hoạt động của băng tải, vít tải, trục trộn, van xả. Cảnh báo sự cố và lưu trữ dữ liệu vận hành giúp truy xuất lịch sử sản xuất.

II. Phân tích vấn đề điều khiển quy trình trộn bê tông truyền thống

Quy trình trộn bê tông truyền thống tồn tại nhiều hạn chế nghiêm trọng. Định lượng nguyên liệu thủ công dẫn đến sai số lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bê tông thành phẩm. Nhân công vận hành phải thao tác trực tiếp tại hiện trường, tiếp xúc bụi xi măng và tiếng ồn từ thiết bị. Thời gian trộn không được kiểm soát chính xác gây lãng phí năng lượng và giảm năng suất. Khó khăn trong việc theo dõi đồng thời nhiều thông số: tỷ lệ phối liệu, thời gian trộn, độ ẩm cốt liệu. Hệ thống không có khả năng lưu trữ dữ liệu, gây khó khăn khi truy xuất và đánh giá chất lượng mẻ trộn. Chi phí nhân công vận hành cao, yêu cầu nhiều kỹ thuật viên có kinh nghiệm. Các sự cố như kẹt liệu, quá tải motor thường xảy ra và khó phát hiện kịp thời, gây thiệt hại thiết bị và gián đoạn sản xuất.

2.1. Hạn chế trong định lượng và phối trộn nguyên liệu thủ công

Định lượng thủ công sử dụng cân cơ học hoặc đo thể tích không đảm bảo độ chính xác. Sai số định lượng xi măng, cát, đá có thể lên đến 5-10%, vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Tỷ lệ nước xi măng không ổn định dẫn đến cường độ bê tông không đồng đều giữa các mẻ. Quy trình phối trộn phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm người vận hành. Việc thay đổi cấp phối bê tông mất nhiều thời gian điều chỉnh thủ công.

2.2. Khó khăn trong giám sát và vận hành hệ thống không tự động

Hệ thống không tự động yêu cầu nhân viên túc trực liên tục tại nhiều vị trí khác nhau. Thông số vận hành không được hiển thị tập trung, gây khó khăn khi giám sát toàn diện. Khi xảy ra sự cố, thời gian phát hiện và xử lý kéo dài làm giảm hiệu quả sản xuất. Không có cơ chế cảnh báo sớm cho các tình huống bất thường như quá tải, kẹt liệu. Dữ liệu vận hành không được lưu trữ, mất khả năng phân tích xu hướng và tối ưu quy trình.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông bằng PLC S7 300

Giải pháp thiết kế sử dụng PLC S7-300 kết hợp SCADA để tự động hóa toàn bộ quy trình. Hệ thống điều khiển bao gồm tủ điện chứa PLC, các module mở rộng và thiết bị bảo vệ. Phần mềm lập trình STEP 7 được sử dụng để viết chương trình điều khiển cho PLC. Ngôn ngữ lập trình Ladder Logic (LD) và Statement List (STL) được áp dụng cho các thuật toán điều khiển. Cảm biến trọng lượng loadcell lắp đặt tại các phễu định lượng đảm bảo độ chính xác cao. Biến tần điều khiển tốc độ motor băng tải, vít tải tối ưu quá trình cấp liệu. Hệ thống giám sát WinCC hiển thị trạng thái hoạt động theo thời gian thực với giao diện trực quan. Công thức phối trộn được lưu trữ và gọi tự động, cho phép sản xuất nhiều loại bê tông khác nhau. Hệ thống cảnh báo sự cố qua đèn tín hiệu và còi báo động, bảo vệ thiết bị an toàn.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển và lập trình PLC S7 300

Mạch điều khiển được thiết kế trên phần mềm STEP 7 với cấu trúc tổ chức chương trình rõ ràng. Khối OB1 là chương trình chính điều phối các khối chức năng FC và FB. Cảm biến loadcell kết nối với module analog AI để đọc trọng lượng nguyên liệu. Tín hiệu digital từ công tắc hành trình, nút nhấn được xử lý qua module DI. Chương trình điều khiển định lượng sử dụng thuật toán PID để điều chỉnh tốc độ cấp liệu chính xác. Biến tần điều khiển motor qua tín hiệu analog 4-20mA từ PLC.

3.2. Thiết kế giao diện giám sát SCADA bằng phần mềm WinCC

Giao diện giám sát được xây dựng trên WinCC Explorer với các màn hình chức năng. Màn hình tổng quan hiển thị sơ đồ công nghệ và trạng thái thiết bị theo thời gian thực. Màn hình định lượng cho phép người vận hành nhập công thức phối trộn và giám sát quá trình cân liệu. Kết nối tags được thiết lập qua driver MPI giữa WinCC và PLC S7-300. Chức năng lưu trữ dữ liệu và báo cáo sản xuất hỗ trợ quản lý chất lượng và truy xuất nguồn gốc.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống trạm trộn bê tông tự động

Hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông bằng PLC S7-300 đã đạt được các mục tiêu đề ra. Độ chính xác định lượng nguyên liệu đạt trên 99%, đảm bảo chất lượng bê tông theo tiêu chuẩn. Năng suất sản xuất tăng từ 20-30% so với phương pháp vận hành thủ công. Số nhân viên vận hành giảm đáng kể, chỉ cần 1-2 người điều khiển từ phòng giám sát. Hệ thống hoạt động ổn định liên tục 24/7 với khả năng chịu tải cao trong môi trường công nghiệp. Chi phí đầu tư ban đầu được hoàn vốn nhanh nhờ tiết kiệm nhân công và giảm phế phẩm. Giải pháp có tính mở rộng cao, dễ dàng nâng cấp thêm module hoặc tích hợp với hệ thống quản lý doanh nghiệp. Công nghệ PLC S7-300 và SCADA của Siemens được ứng dụng rộng rãi trong nhiều trạm trộn bê tông quy mô lớn tại Việt Nam. Thành công của dự án mở ra hướng nghiên cứu áp dụng cho các dây chuyền sản xuất vật liệu xây dựng khác.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống

Hệ thống đạt hiệu quả cao về mặt kỹ thuật với độ tin cậy vận hành trên 99%. Thời gian trung bình giữa hai lần hỏng hóc MTBF lớn, giảm chi phí bảo trì. Về kinh tế, chi phí đầu tư hệ thống khoảng 500-800 triệu đồng tùy quy mô. Thời gian hoàn vốn dự kiến từ 12-18 tháng nhờ tiết kiệm chi phí nhân công và nguyên liệu. Chất lượng bê tông ổn định giúp giảm tỷ lệ phế phẩm và khiếu nại từ khách hàng.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng ứng dụng hệ thống

Hệ thống có thể mở rộng tích hợp IoT để giám sát và điều khiển từ xa qua mạng internet. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI giúp tối ưu công thức phối trộn dựa trên dữ liệu lịch sử. Kết nối với hệ thống ERP quản lý doanh nghiệp để đồng bộ hóa thông tin sản xuất và kinh doanh. Công nghệ này có thể áp dụng cho trạm trộn vữa, trạm trộn nhựa đường và các dây chuyền sản xuất vật liệu xây dựng khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỘN BÊ TÔNG XI MĂNG 1. Khái niệm và phân loại bê tông 1. Khái niệm Bê tông là hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước. Ngoài ra còn có thêm phụ gia vào để thoả mãn yêu cầu đặt ra.

Hỗn hợp vật liệu mới nhào trộn xong gọi là hỗn hợp bê tông, hỗn hợp bê tông phải có độ dẻo nhất định, tạo hình và dầm chặt được dễ dàng. Cốt liệu có vai trò là bộ khung chịu lực, vữa xi măng và nước bao bọc xung quanh đóng vai trò là chất kết dính, đồng thời lấp đầy khoảng trống của cốt liệu. Khi rắn chắc, hồ xi măng kết dính các cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông. Bê tông có cốt thép gọi là bê tông cốt thép.

Phân loại Bê tông có nhiều loại, có thể phân loại như sau: - Theo loại kết dính: Bê tông xi măng, bê tông silicát, bê tông thạch cao, bê tông polime, bê tông đặc biệt. -Theo loại cốt liệu: Bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt, bê tông cốt kim loại. - Theo phạm vi sử dụng: Bê tông thường được dùng trong kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn). Bê tông thuỷ công dùng để xây đập.

Bê tông đặc biệt, bê tông chịu nhiệt, bê tông chống phóng xạ. Vật liệu làm bê tông + Xi măng: Xi măng là chất kết dính tạo sự đông cứng, xi măng được hoà với nước tạo thành hồ xi măng xen giữa các hạt cốt liệu, đồng thời tạo ra tính linh động của bê tông (được đo bằng độ sụt nón) mác của xi măng được chọn phải lớn hơn mác của bê tông cần sản xuất. Xi măng làm bê tông phải không gây ra bất kỳ hiệu ứng nào có hại cho bê tông, chất lượng của xi măng phải đảm bảo theo tiêu chuẩn công nghiệp của từng quốc gia hay theo một tiêu chuẩn quốc tế nào đó thì càng tôt. Nhóm sinh viên: Quách Thanh Hà + Bùi Thu Đông + Đoàn Thị Diên 3 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát Giáo viên hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 Xi măng có rất nhiều loại khi chọn xi măng để sản xuất bê tông cần xem xét đến các yếu tố như quy mô, vị trí, môi trường xung quanh cũng như các điều kiện về thi công, khí hậu… để chọn loại xi măng cho thich hợp.

Tuỳ yêu cầu của từng loại bê tông có thể dùng các loại xi măng khác nhau như: xi măng pooclăng, xi măng pooclăng bền sunfat, xi măng pooclăng xỉ, xi măng puzơlan và các chất kết dính khác để thoả mãn yêu cầu của bê tông. + Cốt liệu nhỏ – cát: Cát là một trong những cốt liệu làm thành bê tông. Cát lấy từ cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ (0,14÷5) mm theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), từ (0,15÷4,75) mm theo tiêu chuẩn Mỹ, từ (0,08÷5) mm TCVN. Lượng cát khi trộn với xi măng và nước, phụ gia phải được tính toán hợp lý, nếu nhiều cát quá thì tốn xi măng không kinh tế và ít cát quá thì cường độ bê tông giảm.

Cốt liệu lớn - đá dăm hoặc sỏi: Đá dăm hoặc sỏi đều được dùng làm bê tông nhưng mỗi loại có ưu nhược điểm khác nhau. Sỏi có mặt tròn, nhẵn, độ rộng và diện tích mặt ngoaì nhỏ nên cần ít nước, tốn xi măng mà vẫn dễ đầm, dễ đổ nhưng lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp hơn bê tông đá dăm. Ngược lại đá dăm được đập vỡ có nhiều góc cạnh, diện tích mặt ngoài lớn và không nhẵn nên lực dính bám với vữa xi măng lớn tạo ra được bê tông có cường độ cao hơn. Tuy nhiên mác của xi măng đá dăm phải cao hơn hay bằng mác của bê tông tạo ra hay bê tông cần sản xuất.

+ Nước: Nước để trộn bê tông (rửa cốt liệu, nhào trộn vệ sinh buồng máy, bảo dưỡng bê tông) phải đảm bảo không ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết và thời gian rắn chắc của xi măng và không ăn mòn thép. Nước sinh hoạt là nước có thể dùng được Lượng nước nhào trộn là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng nước dùng trong nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng và lượng nước do cốt liệu. Lượng nước trong bê tông xác định tính chất của hỗn hợp bê tông.

Khi lượng nước quá ít, dưới tác dụng của lực hút phân tử nước chỉ hấp thụ trên bề mặt vật rắn mà chưa tạo ra độ lưu động của hỗn hợp, lượng nước tăng đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện nước tự do, màng nước trên mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giảm Nhóm sinh viên: Quách Thanh Hà + Bùi Thu Đông + Đoàn Thị Diên 4 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát Giáo viên hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 xuống, độ lưu động tăng thêm, lượng nước ứng với lúc bê tông có độ lưu động lớn nhất mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp. + Phụ gia: Phụ gia là các chất vô cơ hoặc hoá học khi cho vào bê tông sẽ cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông hoặc bê tông cốt thép. Có nhiều loại phụ gia cho bê tông để cải thiện tính dẻo, cường độ, thời gian rắn chắc hoặc tăng độ chống thấm.Thông thường phụ gia sử dụng có hai loại: Loại rắn nhanh và loại hoạt động bề mặt. Phụ gia rắn nhanh: thường là loại muối gốc (CaCl2) hay muối Silic.

Do là chất xúc tác và tăng nhanh quá trình thuỷ hoá của C3S và C2S mà phụ gia CaCl2 có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong điều kiện tự nhiên mà không làm giảm cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày. Hiện nay người ta sử dụng loại phụ gia đa chức năng, đó là hỗn hợp của phụ gia rắn nhanh và phụ gia hoạt động bề mặt hoặc các phụ gia tăng độ bền nước. Thành phần vật liệu của bê tông. Thành phần vật liệu của bê tông đóng vai trò quyết định đến chất lượng hay quyết định đến cường độ chịu lực cũng như mác của bê tông.

Từ thực nghiệm người ta đã xác định được mác của bê ông ứng với từng loại vật liệu nhất định với một tỉ lệ xác định, ngược lại từ mác của bê tông người ta dễ dàng tra được tỉ lệ thành phần trong bê tông. Ví dụ bảng cấp phối bê tông cho một số mác bê tông. +Loaị bê tông mác 150 độ sụt 60 20 mm tại công trường. Vật liệu sử dụng : - Xi măng Sông Đà.

- Cát vàng Kim Tiến. - Nước sinh hoạt - Phụ gia FDN 2002 A (0.40/100 kg xi măng Nhóm sinh viên: Quách Thanh Hà + Bùi Thu Đông + Đoàn Thị Diên 5 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát Giáo viên hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 Bảng thành phần cấp phối theo trọng lượng bê tông mác 150 độ sụt 60 20 (mm) Vật liệu dùng cho 1m3 bê tông (kg) Mác Dung Bê tông Xi măng Cát Đá Nước Phụ gia Độ sụt trọng kg kg kg kg FDN 2002A mm Kg/ m3 150 250 851 1112 174 1.00 60÷20 2387 Bảng thành phần cấp phối theo thể tích tuyệt đối bê tông mác 150 độ sụt 60 20 (mm) Thành phần vật liệu Nguồn gốc Khối lượng riêng(kg/m3) Thể tích(m3) Xi măng Sông Đà 3150 0.325 Nước Sinh hoạt 1000 0.174 Phụ gia FDN 2002A 1160 0.001 Hàm lượng khí 0.01 + Loại bê tông : Bê tông mác 150 độ sụt 80÷20 (mm) tại công trường Vật liệu sử dụng: - Xi măng Sông Đà - Đá dăm 1x2 Hoà Bình - Cát vàng - Nước sinh hoạt - Phụ gia FDN 2002A (0.40/100 kg xi măng) Nhóm sinh viên: Quách Thanh Hà + Bùi Thu Đông + Đoàn Thị Diên 6 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát Giáo viên hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 Bảng thành phần cấp phối theo trọng lượng bê tông mác 150 độ sụt 80÷20 (mm) Vật liệu dùng cho 1m3 bê tông (kg) Mác Dung Xi măng Cát Đá Nước Phụ gia Độ sụt bê tông trọng kg kg kg kg FDN 2002 A mm Kg/ m3 150 260 852 1100 175 1.00 80÷20 2388 Bảng thành phần cấp phối theo thể tích tuyệt đối: bê tông mác 150 độ sụt 80÷20 (mm) Thành phần vật liệu Nguồn gốc Khối lượng riêng(kg/m3) Thể tích(m3) Xi măng Sông Đà 3150 0.322 Nước Sinh hoạt 1000 0.176 Phụ gia FDN 2002A 1160 0.001 Hàm lượng khí 0. Tổng quan vể trạm trộn bê tông 1. Khái niệm và chức năng của trạm trộn bê tông Trạm trộn bê tông được chế tạo nhằm sản xuất ra bê tông với chất lượng tốt và đáp ứng nhanh nhu cầu về bê tông trong xây dựng.

Trạm trộn bê tông là hệ thống máy móc có mức độ tự động hóa cao thường được sử dụng phục vụ cho các công trình vừa và lớn hay cho một khu vực có nhiều công trình đang xây dựng. Trước đây khi khoa học kĩ thuật chưa phát triển, máy móc còn nhiều lạc hậu thì việc có được một khối lượng bê tông lớn chất lượng tốt là điều rất khó khăn. Chính vì vậy để thiết kế những dây chuyền bê tông tự động là điều cần thiết cho mỗi công trường cũng như ngành xây dựng trong nước. Nhóm sinh viên: Quách Thanh Hà + Bùi Thu Đông + Đoàn Thị Diên 7 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát Giáo viên hướng dẫn: Thạc sỹ Trần Hiếu cho trạm trộn bê tông sử dụng PLC S7-300 1.2 Phân loại trạm bê tông.

Dựa theo năng suất, người ta chia các nơi sản xuất bê tông thành 3 loại như sau: + Trạm bê tông năng suất nhỏ (10÷30 m3 / h) + Trạm trộn bê tông năng suất trung bình (30÷60 m3 / h) + Nhà máy sản xuất bê tông năng suất lớn (60÷120 m3 / h) Dựa theo thiết kế người ta chia ra làm hai loại trạm trộn + Trạm trộn cố định: Trạm phục vụ cho công tác xây dựng một vùng lãnh thổ đồng thời cung cấp bê tông phục vụ trong phạm vi bán kính làm việc hiệu quả. Thiết bị của trạm được bố trí theo dạng tháp, một công đoạn. Nghĩa là vật liệu được đưa lên cao một lần, thường vật liệu được đưa lên độ cao từ (18÷20) m so với mặt đất, chứa trong các silô. Trong quá trình dịch chuyển xuống chúng được đi qua cân định lượng sau đó đưa vào máy trộn.