Hệ thống điều khiển và giám sát cân trộn và nghiền nguyên liệu chuyên nghiệp

Khám phá giải pháp điều khiển và giám sát cân trộn, nghiền nguyên liệu hiệu quả, tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm.

• Tác giả: Đào Trọng Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển và giám sát cân trộn và nghiền nguyên liệu
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Giới thiệu nội dung
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu chương
• 2.2. Hệ thống cân định lượng và nghiền trong nhà máy
• 2.3. Cấu tạo của một hệ cân bằng định lượng
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giải pháp điều khiển

Giải pháp điều khiển là trọng tâm của đề tài, tập trung vào việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động cho quy trình cân trộn và nghiền nguyên liệu. Hệ thống sử dụng thuật toán PID để điều chỉnh tốc độ băng tải, đảm bảo lưu lượng nguyên liệu chính xác. Các thiết bị như PLC, biến tần, và cảm biến được tích hợp để tối ưu hóa quá trình điều khiển. Tự động hóa giúp giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.1. Thuật toán PID

Thuật toán PID được áp dụng để điều chỉnh tốc độ băng tải dựa trên tín hiệu từ cảm biến trọng lượng và tốc độ. Tối ưu hóa các thông số PID giúp hệ thống đạt được độ chính xác cao trong việc cân đo nguyên liệu. Các thông số này được điều chỉnh thông qua phần mềm Tia Portal, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

1.2. Tích hợp PLC và biến tần

PLC (Programmable Logic Controller) và biến tần là hai thành phần chính trong hệ thống điều khiển. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần. Công nghệ cân trộn được áp dụng để đảm bảo nguyên liệu được trộn đều và chính xác. Sự kết hợp này giúp hệ thống hoạt động liên tục và ổn định.

II. Giám sát cân trộn

Giám sát cân trộn là quá trình theo dõi và kiểm soát lượng nguyên liệu được đưa vào hệ thống. Hệ thống sử dụng cảm biến trọng lượng (Loadcell) và encoder để đo lường chính xác khối lượng và tốc độ băng tải. Dữ liệu được truyền về PLC và hiển thị trên giao diện HMI, cho phép người vận hành giám sát và điều chỉnh hệ thống một cách dễ dàng.

2.1. Cảm biến trọng lượng và encoder

Cảm biến trọng lượng (Loadcell) và encoder là hai thiết bị quan trọng trong việc giám sát cân trộn. Loadcell đo khối lượng nguyên liệu trên băng tải, trong khi encoder đo tốc độ quay của băng tải. Dữ liệu từ hai thiết bị này được xử lý để tính toán lưu lượng nguyên liệu thực tế, đảm bảo độ chính xác trong quá trình cân trộn.

2.2. Giao diện HMI

Giao diện HMI (Human-Machine Interface) được thiết kế để hiển thị các thông số vận hành của hệ thống. Người vận hành có thể theo dõi lưu lượng nguyên liệu, tốc độ băng tải, và các thông số khác một cách trực quan. Hệ thống giám sát này giúp phát hiện và xử lý sự cố kịp thời, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục và hiệu quả.

III. Nghiền nguyên liệu

Nghiền nguyên liệu là giai đoạn quan trọng trong quy trình sản xuất, đảm bảo nguyên liệu đạt độ mịn và chất lượng yêu cầu. Hệ thống sử dụng máy nghiền được điều khiển tự động để nghiền nguyên liệu sau khi được cân trộn. Quá trình này được giám sát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

3.1. Máy nghiền tự động

Máy nghiền tự động được tích hợp vào hệ thống để nghiền nguyên liệu sau khi cân trộn. Quy trình sản xuất được tối ưu hóa để đảm bảo nguyên liệu được nghiền đều và đạt độ mịn yêu cầu. Máy nghiền được điều khiển thông qua PLC, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.2. Giám sát quá trình nghiền

Quá trình nghiền được giám sát thông qua các cảm biến và giao diện HMI. Hệ thống giám sát giúp theo dõi độ mịn của nguyên liệu và phát hiện các sự cố như quá tải hoặc hỏng hóc. Điều này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thời gian dừng máy.

IV. Hiệu quả và ứng dụng

Hiệu quả của hệ thống được thể hiện qua việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống điều khiển và giám sát tự động giúp giảm chi phí nhân công và tăng năng suất. Quản lý nguyên liệu được cải thiện, đảm bảo nguyên liệu được sử dụng một cách hiệu quả và tiết kiệm.

4.1. Tối ưu hóa quy trình

Hệ thống giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua việc tự động hóa các công đoạn cân trộn và nghiền nguyên liệu. Điều này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Công nghệ cân trộn và nghiền tự động đảm bảo độ chính xác và hiệu quả cao.

4.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống có thể được áp dụng trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, và các ngành công nghiệp khác. Tự động hóa và giám sát giúp các doanh nghiệp cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng năng suất nông nghiệp trong những năm gần đây đã đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia xuất khẩu nông sản hàng đầu. Cùng với sự phát triển kinh tế, xu hướng tiêu dùng chuyển dịch mạnh mẽ sang các sản phẩm thực phẩm có nguồn gốc từ ngũ cốc nhằm đáp ứng yêu cầu về dinh dưỡng, sức khỏe tim mạch và phòng ngừa bệnh tật. Trong quy trình chế biến ngũ cốc và thức ăn chăn nuôi, các công đoạn định lượng, phối trộn và nghiền nguyên liệu đóng vai trò quyết định đến chất lượng, tỷ lệ thành phần và độ đồng đều của thành phẩm.

Tuy nhiên, tại nhiều cơ sở sản xuất trong nước, các khâu này vẫn phụ thuộc vào phương thức thủ công hoặc sử dụng các hệ thống điều khiển tự động nhập ngoại có chi phí đầu tư cao, khó tùy chỉnh theo đặc tính riêng của từng loại nguyên liệu. Trước thực tế đó, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển - giám sát tự động khâu cân định lượng, trộn và nghiền nguyên liệu mang tính cấp thiết cao.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát cân trộn và nghiền nguyên liệu" do sinh viên Đào Trọng Tuấn và Nguyễn Minh Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 01/2023) tập trung giải quyết bài toán trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

1. Thiết kế và điều khiển ổn định mô hình băng tải định lượng sử dụng thuật toán PID.
2. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát mô hình cân định lượng qua giao diện máy tính.

Để hoàn thành các mục tiêu trên, nhiệm vụ thực hiện đề tài gồm 6 nội dung:

1. Nội dung 1: Tìm hiểu, lựa chọn giải pháp.
2. Nội dung 2: Tính toán thiết kế các khối chức năng của hệ thống.
3. Nội dung 3: Thi công mô hình phần cứng và mạch điều khiển.
4. Nội dung 4: Vận hành và hiệu chỉnh lỗi.
5. Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực nghiệm.
6. Nội dung 6: Hoàn thành báo cáo đồ án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cân băng định lượng động, bồn trộn phối liệu, cơ cấu đóng mở xả liệu bằng khí nén và máy nghiền nguyên liệu hạt (ngô, gạo).
• Phạm vi cơ khí: Băng tải có kích thước chiều dài 620 mm, đường kính puly 45 mm; năng suất vận hành mô hình trong khoảng từ 0 đến 1,5 kg/phút (năng suất định mức 25 g/s).
• Phạm vi điều khiển và giám sát: Thuật toán PID được dò tìm thông số thông qua công cụ tích hợp sẵn trên phần mềm TIA Portal; hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu được thiết kế trên máy tính cá nhân (PC) thông qua phần mềm WinCC Runtime Advanced thay vì màn hình công nghiệp HMI phần cứng độc lập.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 15/09/2022 đến tháng 01/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nguyên lý kỹ thuật đo lường, lý thuyết điều khiển tự động và truyền thông công nghiệp để giải quyết bài toán cân định lượng liên tục:

• Nguyên lý cân băng định lượng động: Khối lượng nguyên liệu trên băng tải được đo liên tục thông qua cảm biến trọng lượng (Loadcell) đặt dưới bàn cân có chiều dài vùng cân $L_{hd} = 0,45\text{ m}$. Vận tốc dài của băng tải ($V$) được xác định gián tiếp qua tốc độ quay của tang bị động thông qua cảm biến Encoder: $$V = \frac{\text{CountPulse} \times D \times \pi}{0,1 \times \text{Resolution}} \text{ (m/s)}$$ Trong đó: $D = 0,045\text{ m}$ là đường kính tang bị động; $\text{Resolution} = 1000\text{ xung/vòng}$ là độ phân giải của Encoder; $\text{CountPulse}$ là số xung Encoder đếm được trong khoảng thời gian lấy mẫu 0,1 giây. Lưu lượng nguyên liệu thực tế ($Q$) được tính theo công thức: $$Q = \frac{Q_b \times V}{L_{hd}} \text{ (kg/s)}$$ Trong đó: $Q_b$ là khối lượng nguyên liệu đo được trên vùng cân (kg); $L_{hd}$ là chiều dài lớp liệu được cân trên băng tải (m).

• Lý thuyết điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative): Bộ điều khiển thực hiện tính toán sai số giữa lưu lượng đặt và lưu lượng thực tế, từ đó xuất tín hiệu điều khiển vận tốc động cơ:

  • Khâu tỉ lệ: $P = K_p \cdot e(t)$
  • Khâu tích phân: $I = K_i \int_0^t e(t) dt$
  • Khâu vi phân: $D = K_d \frac{de(t)}{dt}$

• Lý thuyết điều khiển biến tần và truyền thông Modbus RTU: Sử dụng biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha thông qua phương pháp biến đổi điện áp/tần số (V/f) bằng mạch nghịch lưu IGBT và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). PLC S7-1200 đóng vai trò là Master truyền nhận dữ liệu điều khiển (tần số, lệnh chạy/dừng) với biến tần (Slave) qua chuẩn giao tiếp RS-485 sử dụng giao thức Modbus RTU.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã sử dụng:

• Phương pháp tính toán cơ khí và truyền động điện: Xác định công suất cản tĩnh của băng tải ($P = P_1 + P_2$), tính toán lực cản khi có tải và không tải, từ đó tính chọn công suất động cơ và biến tần.
• Phương pháp thiết kế hệ thống và tích hợp phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển I/O PLC, mạch giao tiếp truyền thông nối tiếp và mạch đóng cắt khí nén.
• Phương pháp thực nghiệm: Chạy thử nghiệm mô hình thực tế, áp dụng công cụ Commissioning/Tuning trên TIA Portal để dò tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID_Compact.
• Nguồn dữ liệu: Tín hiệu xung tần số cao từ Encoder (kết nối chân HSC của PLC), tín hiệu điện áp tương tự 0–10V từ Loadcell qua bộ khuếch đại, và dữ liệu trạng thái hệ thống từ các thanh ghi Modbus.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh gồm các khối chức năng: cấp liệu định lượng, trộn nguyên liệu, xả liệu bằng khí nén, nghiền hạt và khối điều khiển - giám sát trung tâm.

Thiết bị / Khối chức năng	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Thông số chính	Vai trò trong hệ thống
Động cơ băng tải cân	Oriental 51K40GN-S + Hộp số 5GN25-K	3 pha 220V/50Hz, 40W, 1300 vòng/phút, mô-men 400 N.m	Truyền động chính cho băng tải định lượng 1 và 2
Biến tần	Mitsubishi FR-D720S-0.4K	Vào: 1 pha 170–264V, Ra: 3 pha 200–240V, 0,4 kW, 2,5A	Điều chỉnh tốc độ động cơ theo tần số đặt từ PLC
Bộ điều khiển lập trình	Siemens PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC	8 DI, 6 DQ, 2 AI (0–10V), HSC 100kHz, bộ nhớ 50KB	Xử lý thuật toán PID, đếm xung, điều khiển toàn hệ thống
Module truyền thông	Siemens CM 1241 RS422/485	Cổng giao tiếp nối tiếp RS-485	Giao tiếp Modbus RTU giữa PLC và biến tần
Cảm biến khối lượng	Loadcell thanh Mavin NA1	Tải trọng 10 kg, ngõ ra 2,0 mV/V, cấp chính xác OIML C3	Đo khối lượng nguyên liệu trên bàn cân băng tải
Bộ khuếch đại Loadcell	SMOWO RW-ST01A	Nguồn 24VDC, ngõ ra 0–10V, sai số 0,1% ± 2 chữ số	Chuẩn hóa tín hiệu mV từ Loadcell sang dải analog 0–10V
Cảm biến tốc độ	Encoder Omron E6B2-CWZ5B	Độ phân giải 1000 xung/vòng, ngõ ra PNP pha A, B, Z	Đo tốc độ quay của tang bị động băng tải
Động cơ băng tải trung gian	ZGA37-3530	24VDC, công suất 20W, tốc độ 66 vòng/phút, kéo 5 kg.cm	Vận chuyển nguyên liệu sau trộn xuống máy nghiền
Động cơ máy nghiền	Động cơ rotor dây quấn HC5430	1 pha 220V, 0,82A, công suất 100W, 18000 vòng/phút	Nghiền mịn hạt ngô, gạo theo yêu cầu công nghệ
Van điện từ khí nén	AIRTAC 4V210-08	Nguồn 24VDC, ren 1/4", áp suất làm việc tối đa 0,8 MPa	Điều khiển cấp khí nén đóng mở xi lanh xả liệu
Xi lanh khí nén	SMC CDJ2D16-75-B	Thân Inox, đường kính nòng 16 mm, hành trình 75 mm	Đóng/mở cửa xả tại đáy bồn trộn nguyên liệu

Quy trình tính toán kỹ thuật:

• Tính toán công suất truyền động: Công suất dịch chuyển vật liệu $P_1 = F_1 \cdot v \approx 0,3075\text{ W}$; công suất khắc phục ma sát không tải $P_2 = F_2 \cdot v \approx 58,94\text{ W}$ (tính toán công suất tĩnh $P = P_1 + P_2 \approx 3,2475\text{ W}$). Động cơ được chọn có công suất 40W, kết hợp biến tần 0,4 kW (áp dụng hệ số an toàn $k = 1,2$).
• Tính chọn Loadcell: Với khối lượng bàn cân 3 kg, khối lượng băng tải 2 kg, khối lượng liệu định mức 2,5 kg, tổng tải trọng tác dụng lớn nhất lên cảm biến là $M \approx 5,2\text{ kg}$. Loadcell 10 kg được lựa chọn để điểm làm việc rơi vào khoảng giữa thang đo, tránh quá tải và đảm bảo độ tuyến tính.

Cấu trúc chương trình và thuật toán:

• Khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt (OB30): Đảm bảo chu kỳ lấy mẫu thời gian thực để cập nhật xung đếm từ Encoder và đọc giá trị Analog từ khối khuếch đại RW-ST01A.
• Khối hàm PID_Compact: Tiếp nhận sai số giữa lưu lượng đặt và lưu lượng thực tế, xuất tín hiệu điều khiển tần số.
• Khối truyền thông MB_COMM_LOAD và MB_MASTER: Khởi tạo cổng truyền thông RS-485 trên module CM 1241 và thực hiện đọc/ghi các thanh ghi lệnh, thanh ghi tần số của biến tần Mitsubishi FR-D720S.
• Giao diện SCADA trên WinCC RT Advanced: Gồm màn hình Home (tổng quan trạng thái, bật/tắt), màn hình System (cài đặt thông số, hiển thị giá trị dòng, áp, tần số), màn hình Trend (vẽ đồ thị đáp ứng lưu lượng thực tế so với điểm đặt), màn hình Alarm (cảnh báo sự cố kết hợp còi báo) và cơ chế phân quyền hai cấp:

Chức năng hệ thống	Cấp Administrator	Cấp Operator
Giám sát trạng thái băng tải	Có	Có
Bật / Tắt hệ thống	Có	Có
Xem biểu đồ lưu lượng (Trend)	Có	Có
Thay đổi các thông số cài đặt hệ thống	Có	Không
Xem màn hình cảnh báo lỗi (Alarm)	Có	Có

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành chế biến thực phẩm ngũ cốc, đặt vấn đề về sự cần thiết của việc tự động hóa khâu cân định lượng và nghiền nguyên liệu nhằm thay thế phương pháp thủ công và giảm chi phí đầu tư thiết bị ngoại nhập. Tác giả xác lập mục tiêu đề tài gồm thiết kế mô hình cơ khí - điện, ứng dụng thuật toán PID ổn định lưu lượng và xây dựng giao diện giám sát máy tính. Chương này cũng xác định phạm vi giới hạn của mô hình với dải năng suất từ 0 đến 1,5 kg/phút, sử dụng công cụ dò thông số PID trên phần mềm TIA Portal và phân bố bố cục báo cáo thành 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích tổng quan dây chuyền sản xuất và cấu tạo chi tiết gồm 12 thành phần của một hệ cân băng định lượng công nghiệp. Tác giả xây dựng các công thức toán học xác định vận tốc băng tải ($V$) dựa trên số xung Encoder và lưu lượng tức thời ($Q$) qua tín hiệu Loadcell. Chương này trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID (khâu tỉ lệ $P$, tích phân $I$, vi phân $D$), lý thuyết biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp PWM qua van bán dẫn IGBT, cùng cấu trúc khung truyền thông Modbus RTU trên chuẩn vật lý RS-485.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật của hệ thống. Tác giả tính toán lực kéo, công suất cản tĩnh ($P \approx 3,2475\text{ W}$) để chọn động cơ Oriental 40W và biến tần Mitsubishi 0,4 kW; tính toán tải trọng làm việc ($M \approx 5,2\text{ kg}$) để chọn Loadcell 10 kg và bộ khuếch đại SMOWO RW-ST01A. Chương này đưa ra bản vẽ chi tiết băng tải (kích thước 620 x 40 x 80 mm, puly 45 mm), sơ đồ kết nối chân Input/Output cho PLC S7-1200, mạch điều khiển rơ le trung gian, mạch giao tiếp Modbus RS-485, các lưu đồ thuật toán tính lưu lượng, lưu đồ chương trình ngắt, lưu đồ hệ thống nghiền và thiết kế cấu trúc phân quyền giao diện SCADA trên nền WinCC RT Advanced.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình thi công thực tế phần cứng và lập trình điều khiển. Phần cơ khí trình bày việc lắp ghép khung nhôm định hình, cố định con lăn, gá đặt phễu cấp liệu, bồn trộn, máy nghiền và xi lanh khí nén SMC. Phần điện trình bày việc bố trí aptomat, nguồn tổ ong 24VDC, rơ le trung gian, máng điện và biến tần trong tủ điều khiển. Phần lập trình mô tả chi tiết việc cấu hình PLC S7-1200, cài đặt thông số bộ đếm tốc độ cao HSC (mức lọc 10 microsec), tạo khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt, cấu hình khối PID_Compact, thực hiện quá trình Commissioning dò tìm thông số $K_p, K_i, K_d$, và lập trình các khối truyền thông MB_COMM_LOAD, MB_MASTER giao tiếp với biến tần qua cổng truyền thông CM 1241.

Chương 5: Kết quả

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện mô hình. Hệ thống phần cứng hoạt động đồng bộ giữa 3 băng tải, 1 bồn trộn, 1 máy nghiền và 2 xi lanh xả liệu. Giao diện WinCC RT Advanced hiển thị đầy đủ các màn hình Home, System, Trend, Alarm và phân quyền người dùng, đồng thời hỗ trợ trích xuất dữ liệu vận hành sang bảng tính Excel. Các bộ hệ số PID thực nghiệm sau quá trình cân chỉnh được ghi nhận, giúp hệ thống duy trì lưu lượng ổn định bám sát giá trị đặt và tạo ra sản phẩm bột ngô, bột gạo có độ mịn đồng đều.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành bao gồm: thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh, lập trình điều khiển ổn định lưu lượng bằng thuật toán PID, thiết lập mạng truyền thông Modbus RTU và xây dựng hệ thống giám sát SCADA. Tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất định hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính và số liệu thực nghiệm:

• Thi công hoàn chỉnh mô hình cơ khí gồm 3 băng tải, 1 bồn trộn phối liệu, 1 máy nghiền và 2 xi lanh khí nén với kích thước khung cơ bản 620 x 40 x 80 mm, đường kính puly 45 mm.
• Xây dựng thành công hệ thống thu thập dữ liệu đo lường: đọc tín hiệu analog 0–10V từ Loadcell 10 kg qua bộ khuếch đại RW-ST01A và đọc xung tốc độ cao qua kênh HSC của PLC S7-1200 từ Encoder Omron 1000 xung/vòng để tính toán chính xác lưu lượng tức thời $Q$.
• Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU giữa PLC S7-1200 (thông qua module CM 1241 RS422/485) và biến tần Mitsubishi FR-D720S-0.4K, cho phép ghi tần số và điều khiển tốc độ động cơ linh hoạt qua các khối hàm MB_COMM_LOAD và MB_MASTER.
• Ứng dụng thành công thuật toán PID_Compact trên phần mềm TIA Portal để ổn định lưu lượng cấp liệu của hai băng tải trong phạm vi năng suất 0 – 1,5 kg/phút.
• Xây dựng hệ thống SCADA trên phần mềm WinCC RT Advanced với các tính năng: giám sát trạng thái thiết bị thời gian thực, điều khiển Auto/Manual, vẽ đồ thị đáp ứng Trend, ghi nhận và kích hoạt còi báo lỗi (Alarm), phân quyền bảo mật 2 cấp (Admin/Operator) và xuất dữ liệu báo cáo ra file Excel.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật đề xuất:

• Bố trí cách ly mạch lực và mạch điều khiển thông qua rơ le trung gian và hệ thống máng cáp chuyên dụng nhằm hạn chế triệt để hiện tượng nhiễu xung điện từ biến tần tác động lên tín hiệu analog của Loadcell.
• Ứng dụng khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt trong chương trình PLC để cố định thời gian lấy mẫu, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cho giải thuật vi tích phân số.

Đóng góp của đề tài:

• Tự thiết kế, chế tạo và tích hợp thành công một mô hình tự động hóa khép kín từ khâu cân định lượng liên tục, phối trộn nguyên liệu, đóng mở xả liệu bằng khí nén đến khâu nghiền mịn với chi phí thấp, có khả năng áp dụng làm mô hình thực hành phục vụ đào tạo và nghiên cứu.
• Cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về phương pháp ghép nối truyền thông Modbus RTU giữa PLC Siemens S7-1200 và dòng biến tần Mitsubishi FR-D700 series.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được đề cập trong văn bản:

• Việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID chủ yếu dựa trên công cụ tự chỉnh định (Autotune/Commissioning) của phần mềm TIA Portal mà chưa xây dựng mô hình toán học giải tích chi tiết của đối tượng để đối chứng lý thuyết.
• Hệ thống giám sát mới được triển khai trên môi trường máy tính (PC Runtime), chưa tích hợp màn hình công nghiệp HMI phần cứng độc lập tại hiện trường.
• Quy mô thử nghiệm mới dừng lại ở mức phòng thí nghiệm với dải năng suất nhỏ (0 – 1,5 kg/phút) và đối tượng nguyên liệu giới hạn ở hạt ngô và hạt gạo.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp phần cứng điều khiển tại chỗ bằng màn hình HMI chuyên dụng và mở rộng tính năng giám sát, thu thập dữ liệu từ xa thông qua nền tảng IoT và ứng dụng di động.
• Mở rộng thử nghiệm hệ thống với dải năng suất lớn hơn và kiểm nghiệm trên nhiều loại nguyên vật liệu có độ ẩm, kích thước hạt và tỷ trọng khác nhau.
• Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi để giảm thiểu độ vọt lố và thời gian xác lập khi lưu lượng cấp liệu có sự biến động đột ngột.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Công nghệ Thực phẩm.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Phương pháp tính toán cơ khí, công suất cản tĩnh và phương pháp tính chọn dải đo cảm biến Loadcell cho hệ thống cân băng tải liên tục (trình bày tại Chương 3).
• Sơ đồ mạch đấu nối phần cứng PLC S7-1200 với các thiết bị ngoại vi công nghiệp (biến tần, cảm biến quang/encoder, van điện từ khí nén, bộ khuếch đại analog).
• Quy trình cấu hình và lập trình truyền thông Modbus RTU giữa PLC Siemens và biến tần Mitsubishi thông qua khối MB_COMM_LOAD và MB_MASTER trên phần mềm TIA Portal (trình bày tại Chương 4).
• Phương pháp thiết kế giao diện SCADA hoàn chỉnh với đầy đủ các khối chức năng quản lý cảnh báo, vẽ đồ thị thời gian thực, bảo mật phân quyền và trích xuất dữ liệu Excel.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưu lượng nguyên liệu thực tế ($Q$) trên băng tải được tính toán dựa trên những thông số nào? Lưu lượng thực tế được tính toán theo công thức $Q = \frac{Q_b \times V}{L_{hd}}$ (kg/s). Trong đó, $Q_b$ là khối lượng nguyên liệu đo được từ cảm biến Loadcell NA1 (sau khi qua bộ khuếch đại RW-ST01A đưa về ngõ vào Analog của PLC), $L_{hd} = 0,45\text{ m}$ là chiều dài vùng cân, và $V$ là vận tốc dài của băng tải được tính từ số xung của Encoder Omron E6B2-CWZ5B 1000P/R gắn trên trục tang bị động đường kính $D = 0,045\text{ m}$.

2. Hệ thống sử dụng những thiết bị phần cứng chính nào cho khâu điều khiển và truyền động? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC kết hợp module truyền thông CM 1241 RS422/485; động cơ kéo 2 băng tải định lượng là động cơ không đồng bộ 3 pha Oriental 51K40GN-S (40W) đi kèm hộp số 5GN25-K; thiết bị điều khiển tốc độ là biến tần Mitsubishi FR-D720S-0.4K; cảm biến đo khối lượng là Loadcell Mavin NA1 10kg kèm bộ khuếch đại SMOWO RW-ST01A; cảm biến đo tốc độ là Encoder tương đối Omron E6B2-CWZ5B (1000 xung/vòng).

3. Giao thức truyền thông giữa PLC S7-1200 và biến tần Mitsubishi FR-D720S được thiết lập như thế nào? Truyền thông giữa PLC và biến tần được thực hiện theo giao thức Modbus RTU trên nền chuẩn vật lý RS-485 thông qua module CM 1241. Trong phần mềm TIA Portal, khối hàm MB_COMM_LOAD được gọi tại chu kỳ quét đầu tiên (FirstScan) để cấu hình cổng truyền thông, và khối hàm MB_MASTER được sử dụng để ghi/đọc dữ liệu điều khiển tần số và trạng thái chạy/dừng trực tiếp vào các thanh ghi của biến tần Mitsubishi FR-D700.

4. Chức năng phân quyền trên giao diện giám sát WinCC RT Advanced được cấu hình ra sao? Hệ thống thiết lập 2 cấp phân quyền: Cấp Administrator được cấp toàn quyền truy cập tất cả các chức năng (giám sát băng tải, bật/tắt hệ thống, xem biểu đồ Trend, thay đổi thông số cài đặt, xem màn hình cảnh báo Alarm); Cấp Operator chỉ được phép giám sát, bật/tắt hệ thống, xem biểu đồ và xem cảnh báo, bị vô hiệu hóa tính năng thay đổi các thông số cài đặt nhằm đảm bảo tính an toàn cho quy trình vận hành.

5. Phạm vi năng suất và phương pháp điều khiển PID của đề tài có giới hạn kỹ thuật gì? Đề tài giới hạn mô hình hoạt động trong dải năng suất từ 0 đến 1,5 kg/phút (năng suất định mức 25 g/s). Thuật toán PID được thực thi thông qua khối hàm PID_Compact với các thông số $K_p, K_i, K_d$ được dò tìm bằng công cụ Commissioning tích hợp trên phần mềm TIA Portal, và việc giám sát hệ thống được thực hiện trên giao diện máy tính cá nhân (PC Runtime).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát cân trộn và nghiền nguyên liệu" đã giải quyết thành công bài toán tích hợp cơ - điện tử và tự động hóa trong dây chuyền chế biến nông sản quy mô mô hình. Việc kết hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-D720S qua giao thức truyền thông Modbus RTU cùng giải thuật PID đã đảm bảo duy trì lưu lượng cấp liệu ổn định theo giá trị đặt trong dải năng suất 0 – 1,5 kg/phút. Giao diện SCADA trên nền WinCC RT Advanced đáp ứng đầy đủ các yêu cầu giám sát thời gian thực, quản lý cảnh báo lỗi, bảo mật phân quyền và trích xuất dữ liệu vận hành, mang lại giá trị thực tiễn và tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ở chương này nhóm trình bày cơ sở lí thuyết về các vấn đề liên quan của hệ thống, giới thiệu các phần mềm cần sử dụng cho hệ thống.  Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này sẽ trình bày về yêu cầu thiết kế của hệ thống, từ đó tính toán và lựa chọn linh kiện thích hợp để xây dựng sơ đồ nguyên lí của toàn hệ thống.  Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày thi công phần cứng, thiết kế giao điện giám sát, điều khiển, cấu hình cho thiết bị và lập trình cho các chương trình của hệ thống.

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày những kết quả đạt được sau thời gian thực hiện, kết quả thực nghiệm từ hệ thống, từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tóm tắt nội dung đề tài và kết luận những việc đã làm được, hạn chế. Từ đó rút ra những nhận xét và hướng phát triển của đề tài. 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chương - Giới thiệu các công đoạn dây truyển sản xuất thức ăn chăn nuôi - Trình bày cấu tạo và quy trình hoạt động của cân băng định lượng trong thực tế - Tổng quan về Modbus 2. Hệ thống cân định lượng và nghiền trong nhà máy Hệ thống cân băng định lượng trong các nhà máy thường là hệ thống cân động, tham gia vào quá trình cân đo các nguyên liệu theo các tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trước, cung cấp nguyên liệu đảm bảo lưu lượng sao cho phù hợp với điều kiện trước khi tạo ra sản phẩm mới từ nguyên liệu đã cấp.1: Băng tải cân định lượng trong công nghiệp Trong quá trình sản xuất đòi hỏi tính liên tục, pha trộn nguyên liệu có độ chính xác, cân được khối lượng nguyên vật liệu đã được vận chuyển theo yêu cầu của thành phẩm. Cân băng định lượng là một trong những khâu quan trọng giúp cho nhà máy hoạt động một cách liên tục, cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt một giá trị trước.

Vai trò của băng tải trong các nhà máy công nghiệp là vô cùng quan trọng, điều này được thể hiện rõ nét trong nhà máy xí nghiệp xi măng, các nhà máy chế biến thức ăn gia súc, các nhà máy chế biến thực phẩm, … vận chuyển nguyên vật liệu, thành phần thay cho sức người và phương tiện vận chuyển cơ động khác. Trong khuôn viên nhà máy, phân xưởng để vận chuyển vật liệu từ nơi này đến nơi khai thác, bến bãi tập kết hoặc kho chứa nguyên vật liệu để phục vụ cho quá trình sản xuất. [2] 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Máy nghiền trong công nghiệp Bên cạnh đó quá trình nghiền hạt liệu cũng quan trọng không kém trong quá trình tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu. Hạt trước khi đổ vào nghiền phải được trộn đều và không lẫn những loại khác và chảy vào máy theo lượng nhất định để tránh tình trạng máy bị quá tải.

Sản phẩm được nghiền ra phải đáp đứng đủ các yếu tố như độ mịn, độ hao hụt. Máy nghiền phải có công suất đủ mạnh để duy trì trong thời gian dài, tản nhiệt,… 2. Cấu tạo của một hệ cân bằng định lượng Hình 2.3: Cấu tạo cân băng định lượng 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Cấu tạo của cân băng định lượng gồm các phần cơ bản sau: 1: Cảm biến tốc độ 2: Tang bị động 3: Phễu cấp liệu 4: Cảm biến trọng lượng (Load cell) – biến đổi trọng lượng nhận được trên băng thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại 5: Băng truyền 6: Tang chủ động 7: Hộp số - giảm số vòng quay, tăng momen kéo của động cơ 8: Động cơ – truyền động chính cho băng tải 9: Biến tần – điều khiển động cơ 10: Bộ điều khiển PLC – nhận tín hiệu từ cảm biến, xuất tín hiệu điều chỉnh tốc độ của băng tải và lưu lượng liệu ở điểm đổ liệu sao cho tương ứng với giá trị đặt 11: Màn hình điều khiển – giám sát HMI: cho phép giám sát liên tục các thông số trong hệ thống để điều khiển, chỉ thị các giá trị đo lường, cài đặt năng suất. 12: Bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell – biến đổi tín hiệu Loadcell sang tín hiệu mà bộ điều khiển đọc được  Quy trình hoạt động Đầu tiên, cảm biến Load cell sẽ đo khối lượng của băng tải và bàn cân.

Tiếp đến, người vận hành sẽ nhập giá trị năng suất (set point) vào màn hình giám sát trên máy tính. Nguyên liệu được đổ vào phễu chứa. Khi nhấn nút hoạt động, băng tải sẽ truyền động bằng động cơ qua hộp số để tăng momen kéo. Khi băng tải hoặt động, nguyên liệu được kéo ra và dẫn lên một bàn cân được bố trí dưới băng tải.

Lượng vật liệu này cùng băng tải và bàn cân tác dụng lên loadcell. Tín hiệu điện áp ra của loadcell được khuếch đại và đưa đến bộ điều khiển đế tính ra khối lượng loadcell cân được trên băng tải (𝑄𝑏) tại thời điểm đo. Cùng lúc đó cảm biến tốc độ sẽ đo tốc độ quay của tang bị động và gửi truyền về bộ điều khiển để tính được tốc độ dài (𝑉) của băng tải theo công thức: 𝑉 = (𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡𝑃𝑢𝑙𝑠𝑒 × 𝐷 × 𝜋)/(0.1 × 𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑛𝑡𝑖𝑜𝑛)(𝑚⁄𝑠) [2] 𝐷: đườ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ 𝑡𝑎𝑛𝑔 𝑏ị độ𝑛𝑔 (𝑚) 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜𝑛: độ 𝑝ℎâ𝑛 𝑔𝑖ả𝑖 𝐸𝑛𝑐𝑜𝑑𝑒𝑟 (𝑥𝑢𝑛𝑔⁄𝑣ò𝑛𝑔) 𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡𝑃𝑢𝑙𝑠𝑒: 𝑠ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 𝐸𝑛𝑐𝑜𝑟𝑑𝑒𝑟 đế𝑚 𝑛𝑔ượ𝑐 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thiết bị điều khiển đưa ra năng suất nguyên liệu thực tế dựa vào tín hiệu khối lượng nguyên liệu và tốc độ băng tải: 𝑄𝑏 ∗ 𝑉 𝑄= 𝐿ℎ𝑑 𝑄: lưu lượng nguyên liệu (kg/s) 𝐿ℎ𝑑: chiều dài lớp liệu được cân trên băng tải Bộ điều khiển sẽ so sánh lưu lượng nguyên liệu thực tế (actual value) với giá trị cài đặt. Bộ điều khiển xử lý tính toán theo thuật toán PID để luôn đảm bảo lưu lượng nguyên liệu đúng với giá trị cần thiết.

Khi mà lưu lượng nguyên liệu trên băng tải nhỏ hơn giá trị đặt thì đòi hỏi phải tăng tốc độ động cơ lên để băng tải chuyển động nhanh hơn, nhầm cung cấp đủ lượng nguyên liệu cần thiết. Ngược lại khi lượng nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lưu lượng nhiều hơn thì bộ điều khiển sẽ tự động điều khiển cho động cơ quay với tốc độ chậm lại. Sau đó, nguyên liệu được xả xuống qua xy lanh để dưới bồn trộn và qua băng tải để đưa xuống máy nghiền thông qua của xả dưới bồn có chứa van khí nén. Tại đây liệu sẽ được xả theo đợt để xuống máy nghiền.

Máy nghiền có nhiệm vụ nghiền nhỏ các hạt theo cài đặt của người vận hành. Tổng quan về bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động [[bộ điều khiển]]) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.

Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[3] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt.

Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.[4] Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống. Khâu tỉ lệ: Khâu tỉ lệ (độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.

Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ. 𝑃 = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡 ) Trong đó: 𝐾𝑝 : Hệ số tỉ lệ 𝑒 (𝑡 ): Sai số theo thời gian Khâu tỉ lệ có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ càng lớn thì đáp ứng của hệ thống càng nhanh. Tuy nhiêu, khi hệ số tỉ lệ các lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng lớn dẫn đến tạo vọt lố cao và sinh ra dao động lớn.

22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khâu tích phân: tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.