Đồ Án Mô Hình Cân Định Lượng Dùng Vít Tải Tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute mô hình cân định lượng dùng vít tải, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Phạm Phú Hải
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tự Động
• Đề tài: Mô Hình Cân Định Lượng Dùng Vít Tải
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dụng của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG DÙNG VÍT TẢI
• 2.1. Phân loại cân định lượng
• 2.2. Hệ thống cân băng kiểm tra
• 2.3. Hệ thống cân định lượng dùng vít tải
• 2.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân định lượng dùng vít tải
• 2.5. Tính toán vít tải
• 2.6. Tính toán động cơ
• 2.7. Nguyên lý điều khiển
• 2.8. Thuật toán PID
• 2.9. Một số ứng dụng của hệ thống cân định lượng dùng vít tải
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.1. Yêu cầu về mặt kết cấu
• 3.2. Thiết kế phần cơ khí
• 3.2.1. Phễu cấp liệu
• 3.2.2. Tay kẹp khí nén
• 3.3. Lựa chọn thiết bị điện
• 3.3.1. Chọn cảm biến trọng lượng
• 3.3.2. Chọn mạch xử lý tín hiệu loadcell
• 3.3.3. Cảm biến phát hiện bao
• 3.3.5. Chọn cơ cấu đóng mở cửa xả
• 3.3.6. Chọn bộ điều khiển
• 3.3.7. Chọn thiết bị điều khiển tốc độ động cơ
• 3.4. Bảng tổng kết thiết bị
• 3.5. Mạng truyền thông
• 3.6. Sơ đồ kết nối phần cứng
• 3.6.1. Sơ đồ kết nối hệ thống
• 3.6.2. Sơ đồ kết nối ngõ vào/ra
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Yêu cầu điều khiển
• 4.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống
• 4.3. Chương trình điều khiển trên PLC CompactLogix L32E
• 4.4. Lựa chọn và thiết kế giao diện giám sát
• 4.4.1. Lựa chọn phần mềm giám sát
• 4.4.2. Yêu cầu công nghệ
• 4.4.3. Thiết kế giao diện giám sát
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 5.1. Mô hình sau khi được lắp đặt hoàn thiện
• 5.1.1. Khung mô hình
• 5.1.2. Bộ phận kẹp bao
• 5.1.3. Động cơ truyền động
• 5.1.5. Phễu cấp liệu và tủ điều khiển
• 5.1.6. Mô hình hoàn chỉnh
• 5.2. Kết quả thiết kế màn hình giám sát
• 5.2.1. Màn hình điều khiển chính
• 5.2.2. Màn hình cài đặt
• 5.2.3. Màn hình đăng nhập
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Trong quá trình sản xuất, mô hình cân đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng nguyên vật liệu và sản phẩm. Đề tài này tập trung vào việc phát triển mô hình cân định lượng sử dụng vít tải nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập và thí nghiệm tại HCMUTE. Mục tiêu chính là cải thiện mô hình để sinh viên có thể tiếp cận và thực hành với công nghệ hiện đại. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong cân định lượng không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các hệ thống điều khiển hiện đại.

1.1 Đặt vấn đề

Khâu định lượng trong sản xuất là rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. Các thiết bị hiện có chưa đáp ứng đủ nhu cầu, do đó, việc phát triển hệ thống cân định lượng bằng vít tải là cần thiết. Hệ thống này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình cân. Việc nghiên cứu và cải tiến mô hình cân sẽ giúp sinh viên có cái nhìn sâu sắc hơn về công nghệ tự động hóa trong ngành công nghiệp.

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là cải thiện mô hình cân định lượng bằng vít tải để phục vụ cho việc học tập và thí nghiệm. Hệ thống sẽ được thiết kế để hoạt động tự động, cho phép sinh viên thực hành và nghiên cứu các thông số vận hành cơ bản. Việc xây dựng các tập số liệu giữa các thông số vận hành và sai số cân sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Hệ Thống Cân Định Lượng Dùng Vít Tải

Chương này trình bày các loại cân định lượng và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Hệ thống cân tĩnh và hệ thống cân động là hai loại chính, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng. Hệ thống cân động thường được sử dụng trong công nghiệp, cho phép cân sản phẩm trong trạng thái chuyển động, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả sản xuất. Việc hiểu rõ về các loại cân và nguyên lý hoạt động sẽ giúp sinh viên thiết kế và thi công mô hình một cách hiệu quả.

2.1 Phân loại cân định lượng

Cân định lượng được chia thành hai loại chính: cân tĩnh và cân động. Cân tĩnh có độ chính xác cao nhưng thời gian đáp ứng chậm, trong khi cân động có thể cân sản phẩm trong trạng thái chuyển động nhưng độ chính xác không cao. Việc lựa chọn loại cân phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình sản xuất và loại sản phẩm cần cân.

2.2 Hệ thống cân băng kiểm tra

Hệ thống cân băng kiểm tra chủ yếu dùng để cân các sản phẩm đã được đóng gói. Hệ thống này có tính tự động hóa cao, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, nó chỉ có thể cân các sản phẩm ở dạng khối. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong hệ thống cân băng kiểm tra sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất và giảm thiểu sai số trong quá trình cân.

III. Thiết Kế Phần Cứng

Chương này tập trung vào việc thiết kế phần cứng cho mô hình cân định lượng. Các yêu cầu về mặt kết cấu và lựa chọn thiết bị sẽ được trình bày chi tiết. Việc lựa chọn cảm biến trọng lượng, mạch xử lý tín hiệu và các thiết bị điều khiển là rất quan trọng để đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả. Thiết kế phần cứng cần phải đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao trong quá trình cân.

3.1 Yêu cầu về mặt kết cấu

Mô hình cần được thiết kế với cấu trúc chắc chắn, đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định trong quá trình hoạt động. Các bộ phận như phễu cấp liệu, tay kẹp khí nén và động cơ truyền động cần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất. Việc thiết kế phần cứng không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả của mô hình mà còn đến khả năng bảo trì và sửa chữa trong tương lai.

3.2 Thiết kế phần cơ khí

Thiết kế phần cơ khí bao gồm việc lựa chọn các vật liệu và cấu trúc phù hợp để đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả. Các bộ phận như phễu cấp liệu và tay kẹp khí nén cần được thiết kế sao cho dễ dàng thao tác và bảo trì. Việc sử dụng công nghệ CAD trong thiết kế sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu sai số trong quá trình sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khâu định lượng giữ vai trò cốt lõi trong dây chuyền sản xuất công nghiệp nhằm xác định chuẩn xác khối lượng nguyên vật liệu, bán thành phẩm và thành phẩm ở các giai đoạn tồn trữ, cấp liệu công nghệ và đóng gói bao bì. Tại nhiều cơ sở sản xuất trong nước, việc định lượng sản phẩm dạng hạt rời vẫn thực hiện thủ công hoặc sử dụng cân tĩnh gián đoạn, dẫn đến năng suất thấp và độ chuẩn xác không đồng đều. Hệ thống cân tĩnh chỉ đo lường khi vật phẩm đứng yên và phù hợp với sản phẩm đóng khối hoặc có thể tích cố định. Trong khi đó, yêu cầu sản xuất hiện đại đòi hỏi một giải pháp kết hợp đồng thời giữa vận chuyển liên tục và cân định lượng.

Trước thời điểm thực hiện đề tài, các nghiên cứu về mô hình cân tự động đa phần chỉ tập trung vào việc thi công cơ khí và đấu nối mạch điện để hệ thống vận hành cơ bản, chưa đi sâu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sai số đo lường, quy luật biến thiên của sai số theo vận tốc cấp liệu, hay xác định vùng làm việc tối ưu của giải thuật điều khiển.

Xuất phát từ thực tế đào tạo và nhu cầu sản xuất, đề tài được triển khai với 3 nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể:

1. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình cân định lượng thu nhỏ dùng vít tải nhằm phục vụ công tác giảng dạy, học tập và thí nghiệm cho sinh viên ngành Công nghệ Điện Tự Động.
2. Ứng dụng bộ điều khiển PLC CompactLogix L32E của hãng Rockwell Automation và biến tần CIMR của hãng Yaskawa để điều khiển ổn định lưu lượng vật liệu, đồng thời xây dựng tập số liệu thực nghiệm thể hiện mối tương quan giữa các thông số vận hành (tốc độ vít tải, ngưỡng khối lượng chuyển đổi cấp tốc độ) với sai số cân nhằm xác định chế độ vận hành tối ưu.
3. Tích hợp phần mềm FactoryTalk View Site Edition để điều khiển tự động toàn bộ chu trình, cho phép cài đặt thông số và giám sát vận hành hệ thống từ xa qua mạng truyền thông công nghiệp EtherNet/IP.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình cân định lượng sử dụng cơ cấu vít tải vận chuyển liệu dạng hạt. Phạm vi thử nghiệm giới hạn với cảm biến trọng lượng tải trọng tối đa 20 kg, đối tượng cân có khối lượng từ 0,4 kg đến 3 kg (tổng tải trọng gồm tay kẹp 1 kg tối đa là 4 kg), vật liệu cân thực nghiệm điển hình là gạo, cát và sỏi nhỏ. Hệ thống được cấu hình điều khiển với hai cấp lưu lượng cấp liệu để kiểm soát sai số.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên phân loại hệ thống đo lường khối lượng trong công nghiệp thành hai nhóm chính: cân tĩnh và cân động.

Tiêu chí so sánh	Cân tĩnh	Cân động
Độ chính xác	Cao	Trung bình / Phụ thuộc vận tốc
Sai số hệ thống	Nhỏ	Lớn hơn do ảnh hưởng dao động
Thời gian đáp ứng	Chậm	Nhanh, đáp ứng liên tục
Đặc điểm đối tượng cân	Vật đóng gói, thể tích cố định	Vật liệu rời, chưa đóng gói (hạt, bột)

Để thiết kế hệ thống cân định lượng dùng vít tải, nhóm tác giả sử dụng các công thức tính toán cơ học truyền động trục vít và công suất động cơ:

• Bước vít ($S$) được tính theo đường kính vít tải ($D = 10\text{ cm}$): $S = 0{,}8D = 8\text{ cm}$.
• Năng suất vít tải ($Q$) phụ thuộc vào khối lượng vun đống ($d$), hệ số chất đầy máng ($B = 0{,}25 \div 0{,}32$) và số vòng quay trục vít ($n = 22 \div 45\text{ vòng/phút}$).
• Công suất trục vít: $P = \frac{Q(H + \omega L)}{367\eta}\text{ (kW)}$, trong đó $H = 10\text{ cm}$ là chiều cao nâng, $L = 40\text{ cm}$ là chiều dài nằm ngang, $\omega$ là hệ số cản chuyển động của nguyên liệu, $\eta$ là hiệu suất truyền động.
• Moment xoắn trục vít: $M_x = 9{,}55 \frac{P_{dc}}{n}\text{ (N.m)}$, với $P_{dc}$ là công suất động cơ điện.

Thuật toán điều khiển lưu lượng sử dụng bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative) tích hợp trong bộ điều khiển lập trình. Tín hiệu điều khiển $u(t)$ được tính toán dựa trên sai số $e(t) = SP - PV$ giữa giá trị đặt (Set Point - $SP$) và giá trị phản hồi thực tế (Process Variable - $PV$). Các tham số của bộ điều khiển PID được xác định theo phương pháp Ziegler-Nichols để đảm bảo thời gian đáp ứng quá độ nhanh và giảm độ vọt lố khi điều khiển biến tần thay đổi tốc độ động cơ truyền động vít tải.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển tự động hóa trên PLC/SCADA và tiến hành thực nghiệm đo lường trên mô hình vật lý nhằm thu thập bộ dữ liệu quan hệ giữa sai số cân với tốc độ vít tải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống điện - điều khiển và mạng truyền thông giám sát SCADA.

Kết cấu cơ khí gồm khung đỡ gia công bằng nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ với 4 chân trụ chống rung; phễu cấp liệu bằng nhôm tấm dày $1\text{ mm}$ hình côn; trục vít tải đường kính $D = 10\text{ cm}$, chiều dài máng $L = 40\text{ cm}$; cơ cấu kẹp bao và cửa xả nguyên liệu được đóng mở bằng xi lanh khí nén.

STT	Tên thiết bị / vật tư	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
1	PLC CompactLogix L32E	Bộ nhớ 750 KB, cổng RS-232, EtherNet/IP	Xử lý trung tâm, giải thuật PID, điều khiển I/O
2	Module ngõ vào 1769-IQ32	32 ngõ vào số 24V DC (Sinking/Sourcing)	Nhận tín hiệu nút nhấn START, STOP, công tắc hành trình
3	Module ngõ ra 1769-OB32	32 ngõ ra số 24V DC (Sourcing)	Xuất lệnh điều khiển rơle, van khí nén, đèn báo
4	Biến tần Yaskawa CIMR	Serial J7AA20P7, công suất 0,75 kW, vào 1 pha 200–240V AC, ra 3 pha, 0,1–400 Hz, V/f, cổng RS-422	Điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ vít tải
5	Động cơ kéo vít tải	Model 4IK25GN-SM, 3 pha AC 208–240V, công suất 25W, dòng định mức 0,25A	Truyền động quay trục vít tải qua hộp giảm tốc
6	Cảm biến trọng lượng (Loadcell)	Model 1661 dạng thanh, dải đo tối đa 20 kg, độ nhạy 2,1 mV/V, nguồn cấp 5–10V DC	Đo khối lượng bao chứa nguyên liệu
7	Mạch khuếch đại TC-10	TEAC TC-10, nguồn 20–30V DC, ngõ ra 0–10V / 4–20mA, kích từ 5/10V DC	Khuếch đại tín hiệu mV từ Loadcell gửi về PLC
8	Cảm biến phát hiện bao	RIKO PK-F05 (quang khuếch tán)	Xác định bao đã được đặt vào vị trí kẹp
9	Cơ cấu khí nén	Xi lanh khí nén tác động 24V DC	Kẹp bao đựng liệu và đóng mở cửa xả phễu

Hệ thống phân phối nguồn điện được chia tách thành ba cấp điện áp:

Cấp điện áp	Thiết bị sử dụng
220V AC (1 pha / 3 pha)	Nguồn cấp biến tần CIMR (1 pha), động cơ vít tải (3 pha qua biến tần), đèn báo nguồn, đèn START, đèn STOP
24V DC	PLC CompactLogix L32E, module I/O (1769-IQ32, 1769-OB32), cuộn hút rơle trung gian, van điện từ khí nén
12V DC	Bộ khuếch đại tín hiệu cảm biến trọng lượng TEAC TC-10

Hạ tầng mạng truyền thông áp dụng kiến trúc 3 cấp của Rockwell Automation:

• Cấp trường (DeviceNet): Kết nối các cơ cấu chấp hành và cảm biến phân tán.
• Cấp điều khiển (ControlNet): Kết nối truyền thông thời gian thực tốc độ cao giữa các bộ điều khiển PLC.
• Cấp thông tin và giám sát (EtherNet/IP): Kết nối PLC CompactLogix L32E với máy tính công tác vận hành phần mềm FactoryTalk View Site Edition.

Phần mềm điều khiển được lập trình bằng RSLogix 5000, thực hiện đọc tín hiệu analog từ Loadcell qua bộ TC-10, so sánh khối lượng tức thời với hai ngưỡng đặt để chuyển đổi giữa tốc độ cấp nhanh (lưu lượng lớn) và cấp chậm (lưu lượng nhỏ) nhằm giảm thiểu sai số rơi liệu. Giao diện SCADA trên FactoryTalk View Site Edition gồm các màn hình chính: Màn hình điều khiển chính (vận hành Run/Stop, hiển thị lưu lượng, khối lượng tức thời), Màn hình cài đặt thông số (cài đặt khối lượng đích, tham số PID), Màn hình đăng nhập phân quyền bảo mật, cùng các cửa sổ điều khiển động cơ, cửa xả và tay kẹp bao.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, sự cần thiết của việc hiện đại hóa khâu định lượng sản phẩm dạng hạt bằng cơ cấu vít tải trong công nghiệp. Tác giả phân tích các hạn chế của những nghiên cứu trước đó tại trường khi mới dừng ở mức hoàn thiện phần cứng cơ bản mà chưa xây dựng tập dữ liệu đánh giá sai số. Chương này xác định 3 mục tiêu nghiên cứu, giới hạn đề tài ở dải cân dưới 20 kg (đối tượng cân 0,4–3 kg), phương pháp tiếp cận và bố cục tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG DÙNG VÍT TẢI

Chương 2 cung cấp kiến thức nền tảng về đo lường và định lượng công nghiệp, phân biệt rõ ưu nhược điểm giữa cân tĩnh và cân động qua Bảng 2.1. Nội dung đi sâu vào nguyên lý hoạt động của hệ thống cân vít tải phối hợp đo tĩnh - động, cấu trúc cảm biến Loadcell và sơ đồ khối điều khiển vòng kín. Tác giả trình bày chi tiết các công thức tính toán kích thước vít tải ($D = 10\text{ cm}$, $S = 8\text{ cm}$, $n = 22 \div 45\text{ vòng/phút}$), tính toán công suất động cơ truyền động, nguyên lý thuật toán PID vi tích phân tỉ lệ và khảo sát các ứng dụng thực tế của vít tải trong sản xuất phân bón, chế biến thực phẩm và cấp liệu bồn trộn.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, lựa chọn và kết nối phần cứng của mô hình. Tác giả lựa chọn khung nhôm định hình $30 \times 30\text{ mm}$, phễu cấp liệu nhôm tấm $1\text{ mm}$, động cơ 4IK25GN-SM 25W kết hợp biến tần Yaskawa CIMR 0,75 kW, cảm biến quang RIKO PK-F05, Loadcell 1661 20 kg đi kèm bộ khuếch đại TEAC TC-10, cùng bộ điều khiển lập trình CompactLogix L32E với các module 1769-IQ32 và 1769-OB32. Chương này lập danh mục tổng kết thiết bị, phân loại chi tiết ba cấp nguồn điện (220V AC, 24V DC, 12V DC), phân tích mô hình mạng truyền thông 3 cấp (DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP) và đưa ra các bản vẽ sơ đồ đấu nối ngõ vào/ra số và ngõ vào tương tự.

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 tập trung xây dựng yêu cầu công nghệ và lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống theo chu trình tự động: phát hiện bao $\rightarrow$ kẹp giữ bao $\rightarrow$ mở cửa xả $\rightarrow$ chạy vít tải cấp nhanh $\rightarrow$ chuyển cấp chậm khi gần đạt giá trị đặt $\rightarrow$ ngắt vít tải $\rightarrow$ đóng cửa xả $\rightarrow$ nhả tay kẹp. Tác giả thuyết minh chương trình ladder trên RSLogix 5000 tích hợp khối hàm PID để ổn định lưu lượng, đồng thời xây dựng cấu trúc giao diện SCADA trên FactoryTalk View Site Edition gồm các trang giám sát, trang cài đặt khối lượng, trang đăng nhập và các cửa sổ điều khiển chấp hành thủ công.

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ

Chương 5 công bố kết quả lắp đặt hoàn thiện mô hình cơ khí - điện thực tế tại phòng thí nghiệm Rockwell Automation, bao gồm khung mô hình, cụm kẹp bao khí nén, động cơ truyền động, phễu cấp liệu và tủ điều khiển trung tâm. Tác giả kiểm tra sự tương thích và vận hành đồng bộ giữa phần cứng PLC CompactLogix L32E với giao diện giám sát FactoryTalk View Site Edition (màn hình chính, màn hình cài đặt, màn hình đăng nhập), ghi nhận khả năng đáp ứng điều khiển thời gian thực và thu thập dữ liệu đo lường khối lượng từ Loadcell.

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án: chế tạo thành công mô hình vật lý thu nhỏ, xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp 2 cấp tốc độ bằng PID và triển khai hệ thống SCADA giám sát qua mạng EtherNet/IP. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai nhằm nâng cao độ chính xác đo lường và khả năng tương thích công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật theo đúng mục tiêu đặt ra:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình cân định lượng vít tải hoạt động ổn định với cơ cấu cơ khí gọn gàng (khung nhôm $30 \times 30\text{ mm}$, vít tải $D = 10\text{ cm}, L = 40\text{ cm}$), hệ thống tay kẹp bao và cửa xả khí nén tác động chính xác.
• Tích hợp thành công chuỗi thu thập tín hiệu trọng lượng từ Loadcell 1661 qua bộ khuếch đại TEAC TC-10 về module analog của PLC CompactLogix L32E, kết hợp giải thuật PID trên phần mềm RSLogix 5000 điều khiển biến tần Yaskawa CIMR J7AA20P7 để giữ ổn định tốc độ động cơ 4IK25GN-SM 25W.
• Thiết kế hệ thống giám sát SCADA trên FactoryTalk View Site Edition kết nối qua mạng EtherNet/IP, cung cấp đầy đủ chức năng cài đặt thông số khối lượng, giám sát thời gian thực, quản lý cảnh báo và phân quyền người dùng.
• Đóng góp cụ thể của đề tài là xây dựng một hệ thống thực nghiệm hoàn chỉnh, kết nối các thiết bị tự động hóa chuẩn công nghiệp của hãng Rockwell Automation và Yaskawa, khắc phục tình trạng nghiên cứu thuần túy lý thuyết hoặc chỉ dừng lại ở mạch cơ bản của các đề tài trước đó tại cơ sở đào tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Quy mô mô hình mang tính chất thử nghiệm phòng thí nghiệm, dải đo bị giới hạn bởi cảm biến Loadcell 20 kg và đối tượng cân nhỏ (tối đa 3 kg).
• Vật liệu thực nghiệm chủ yếu khảo sát trên một số loại hạt rời điển hình (như gạo), chưa bao quát hết các nguyên liệu có tính chất cơ lý phức tạp (vật liệu có độ ẩm cao, tính kết dính, hoặc độ mài mòn lớn).
• Cơ cấu cơ khí vít tải chế tạo thủ công nên khe hở giữa cánh vít và máng vỏ chưa đạt độ chính xác cơ khí tuyệt đối, ảnh hưởng nhất định đến lưu lượng rơi tự do.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả xác định:

• Mở rộng khảo sát thực nghiệm với đa dạng chủng loại nguyên vật liệu (cát, sỏi, bột mịn, phân bón) để hoàn thiện bảng dữ liệu sai số cân ứng với từng đặc tính vật liệu.
• Tối ưu hóa giải thuật chuyển cấp tốc độ và tinh chỉnh bộ thông số PID theo thời gian thực nhằm rút ngắn thời gian chu kỳ cân mà vẫn đảm bảo triệt tiêu sai số quán tính rơi liệu.
• Mở rộng kết nối truyền thông liên mạng giữa PLC Rockwell với các bộ điều khiển khác hãng thông qua chuẩn OPC Server của bên thứ ba.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực tế đối với:

• Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Điện Tự Động, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện các bài thí nghiệm, đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về hệ thống cân động và cân định lượng công nghiệp.
• Người nghiên cứu có thể tham khảo phương pháp tính toán cơ khí trục vít tải (đường kính, bước vít, công suất truyền động), sơ đồ ghép nối tín hiệu Loadcell qua mạch khuếch đại TC-10 về PLC CompactLogix L32E, cũng như quy trình thiết kế giao diện SCADA trên FactoryTalk View Site Edition kết nối qua mạng EtherNet/IP.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển lập trình và phần mềm nào được sử dụng để điều khiển hệ thống?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC CompactLogix L32E (bộ nhớ 750 KB) của hãng Rockwell Automation, được lập trình bằng phần mềm RSLogix 5000 tích hợp khối hàm PID để điều khiển tốc độ động cơ qua biến tần.

2. Thông số kỹ thuật của cảm biến trọng lượng (Loadcell) và bộ khuếch đại tín hiệu trong mô hình là gì?
Mô hình sử dụng Loadcell 1661 dạng thanh có tải trọng định mức tối đa 20 kg, độ nhạy 2,1 mV/V, nguồn kích 5–10V DC. Tín hiệu mV từ Loadcell được đưa qua bộ khuếch đại TEAC TC-10 (nguồn cấp 20–30V DC, kích từ 5V hoặc 10V DC) để chuyển đổi thành tín hiệu analog điện áp 0–10V hoặc dòng điện 4–20mA truyền về PLC.

3. Cơ cấu truyền động vít tải sử dụng động cơ và biến tần loại nào?
Cơ cấu vít tải được truyền động bởi động cơ 3 pha model 4IK25GN-SM công suất 25W, dòng điện 0,25A, cấp nguồn từ biến tần Yaskawa CIMR (serial J7AA20P7) công suất 0,75 kW, điều khiển chế độ V/f tuyến tính với tần số ngõ ra từ 0,1 đến 400 Hz.

4. Hệ thống điện của mô hình phân chia các cấp điện áp như thế nào?
Hệ thống sử dụng 3 cấp điện áp độc lập: 220V AC (cung cấp cho biến tần, động cơ 3 pha, đèn nguồn, nút START/STOP), 24V DC (cung cấp cho PLC L32E, module I/O 1769-IQ32/OB32, rơle trung gian, van khí nén), và 12V DC (cung cấp cho mạch khuếch đại TC-10).

5. Mạng truyền thông nào được ứng dụng để giám sát hệ thống từ xa?
Hệ thống ứng dụng kiến trúc mạng truyền thông 3 cấp của Rockwell Automation, trong đó giao tiếp giữa PLC CompactLogix L32E với máy tính giám sát SCADA (FactoryTalk View Site Edition) được thực hiện qua cổng mạng EtherNet/IP.

Kết luận

Đồ án đã thiết kế, tính toán và thi công hoàn chỉnh mô hình cân định lượng dùng vít tải phục vụ học tập và thí nghiệm chuyên ngành Công nghệ Điện Tự Động. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, biến tần Yaskawa CIMR, cảm biến trọng lượng Loadcell 1661 và bộ điều khiển PLC CompactLogix L32E ứng dụng thuật toán PID. Toàn bộ chu trình vận hành được giám sát và cài đặt trực quan từ xa qua phần mềm SCADA FactoryTalk View Site Edition trên nền tảng mạng EtherNet/IP.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 tổng quan. Nội dung của chương này tập trung giải quyết các vấn đề mục tiêu nghiên cứu, giới hạn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận vấn đề Chương 2 Cơ sở lý thuyết hệ thống cân định lượng dùng vít tải. Chương này trình bày tổng quan về các loại cân định lượng được sử dụng trong công nghiệp, nguyên lý điều khiển và một số ứng dụng của nó để từ đó tác giả đưa ra lựa chọn mô hình cân định lượng cho phù hợp với mục đích nghiên cứu trong đề tài.Thiết kế phần cứng.Trên cơ sở lựa chọn chương 2, nội dung chính của chương 3 sẽ tập trung thực hiện thiết kế phần cứng và lựa chọn thiết bị để thi công mô hình sao cho chi phí thi công là thấp nhất mà vẫn thỏa mãn các tiêu chuẩn của hệ thống cân định lượng.Thuật toán điều khiển. Chương này trình bày yêu cầu công nghệ để từ đó đề xuất và xây dựng các thuật toán điều khiển mô hình cũng như lựa chọn và thiết kế giao diện giám sát thỏa yêu cầu.Nội dung của chương 5 sẽ trình bày kết quả đạt được sau khi kết hợp hoạt động giữa phần cứng và phần mềm giám sát, các điều kiện thực nghiệm, kết quả đạt được là cá bộ dữ liệu quan hệ giữa sai cố và các thông số điều khiển.

Các bộ dữ liệu được GVHD: Ths. Nguyễn Trần Minh Nguyệt 3 do an I. Tổng Quan trình bày một cách đầy đủ thông qua hình ảnh và bảng số liệu tương ứng và có các đánh giá và các đề xuất phù hợp với mô hình. Kết luận và hướng phát triển Nhận xét đánh giá kết quả nhận được sau khi hoàn thành đề tài, từ đó đưa ra các phương án phát triển và hoàn thiện về mô hình nhằm tiến tới tối ưu hệ thống trong tương lai, đó chính là nội dung và nhiệm vụ của chương này.

Nguyễn Trần Minh Nguyệt 4 do an II. Cơ Sở Lý Thuyết Hệ Thống Cân Định Lượng Dùng Vít Tải CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG DÙNG VÍT TẢI Nội dung chương 2 trình bày về các loại cân định lượng, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của một hệ thống cân định lượng điển hình nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản về cân định lượng. Ngoài ra, phần cuối chương còn giới thiệu một vài ứng dụng của hệ thống cân định lượng để tạo nền tảng cho việc thiết kế mô hình cân tối ưu nhất 2.1 Phân loại cân định lượng Dựa vào tính chất hệ thống cân định lượng được chia thành 2 loại là hệ thống cân tĩnh và hệ thống cân động. Hệ thống cân tĩnh là hệ thống cân mà sản phẩm được cân ở trạng thái đứng yên.

Hệ thống cân tĩnh cho độ chính xác rất cao, tuy nhiên thời gian chậm hơn và chỉ cân được các sản phẩm đã được đóng gói hoặc các sản phẩm có thể tích xác định. Hệ thống cân này phần lớn được ứng dụng trong lĩnh vực dân dụng như trong các hộ gia đình, trong siêu thị và các chợ để phục vụ cho nhu cầu định lượng. Một số loại cân tĩnh sử dụng phổ biến trên thị trường được miêu tả trong Hình 2. Cân treo hình2.1Các loại cân tĩnh Hệ thống cân động là hệ thống cân mà sản phẩm được cân ở trạng thái chuyển động.

Hệ thống cân động có độ chính xác kém khi sản phẩm cân có khối lượng nhỏ, GVHD: Ths. Nguyễn Trần Minh Nguyệt 5 do an II. Cơ Sở Lý Thuyết Hệ Thống Cân Định Lượng Dùng Vít Tải nhưng có thể cân được nhiều loại sản phẩm và phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Hệ thống cân động được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp.

Hệ thống cân động điển hình được thể hiện trong Hình 2.