Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giá trị kinh tế là yêu cầu trọng tâm của các ngành công nghiệp. Đối với lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông tươi (bê tông thương phẩm), việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động vào dây chuyền sản xuất đóng vai trò quyết định nhằm đảm bảo tỷ lệ cấp phối chính xác, rút ngắn thời gian xử lý và giảm thiểu sai số do con người. Việc kết hợp bộ điều khiển lập trình logic (PLC) với máy tính giám sát tạo nên hệ thống đo lường, điều khiển có độ chính xác cao, thời gian xử lý ngắn, đồng thời hỗ trợ hiệu quả công tác thống kê và lưu trữ dữ liệu vận hành.

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình giám sát trạm trộn bê tông qua WinCC, Step7-300" được sinh viên Huỳnh Tấn Sang thực hiện tại Viện Công nghệ Thông tin - Điện - Điện tử, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu (chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa, niên khóa 2015–2019) dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Văn Tâm. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế, thi công mô hình phần cứng và lập trình hệ thống điều khiển, giám sát quy trình trộn bê tông phục vụ mục đích đào tạo thực hành và nghiên cứu ứng dụng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về tính chất cơ lý của bê tông, các thành phần cốt liệu và nguyên lý hoạt động của các loại trạm trộn bê tông thương phẩm.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển khả trình PLC Siemens Simatic S7-300, các module mở rộng và các khối hàm chức năng.
  3. Nghiên cứu phần mềm SCADA WinCC, cấu trúc các module quản lý dữ liệu, cảnh báo và tập lệnh lập trình C-Script phục vụ thiết kế giao diện người - máy (HMI).
  4. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo lường và chấp hành trong hệ thống trạm trộn: cảm biến tải trọng Loadcell (cầu điện trở Wheatstone), van điện từ khí nén/thủy lực, công tắc hành trình và động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc.
  5. Thiết kế bản vẽ bố trí mô hình (AutoCAD, Corel), thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in (Orcad), gia công phần cứng trên bảng mica khổ A3.
  6. Lập trình vi điều khiển AT89S52 bằng ngôn ngữ C để điều khiển hệ thống LED hiển thị mô phỏng; lập trình điều khiển PLC S7-300 bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm Step7 V5.5; xây dựng giao diện điều khiển, giám sát trên WinCC.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống tự động hóa quá trình định lượng và trộn bê tông tươi. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc xây dựng mô hình mô phỏng quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng vi điều khiển và đèn LED để mô phỏng các cơ cấu chấp hành, sử dụng biến trở thay thế cảm biến Loadcell để mô phỏng tín hiệu khối lượng, và thực hiện giám sát thông qua kết nối truyền thông giữa PLC S7-300 và máy tính chạy phần mềm WinCC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật đo lường cảm biến và công nghệ phần mềm SCADA công nghiệp:

  • Bộ điều khiển khả trình Siemens Simatic S7-300: Cấu trúc module linh hoạt gồm module CPU (như CPU312, CPU314, CPU315, CPU314C-2DP), module nguồn nuôi (PS 2A, 5A, 10A), module mở rộng tín hiệu (SM: DI, DO, AI, AO), module ghép nối (IM 360, IM 361, IM 365), module chức năng (FM) và module truyền thông (CP). Hệ thống hỗ trợ xử lý tín hiệu số (0V/24VDC), tín hiệu tương tự (0–10V, 4–20mA) và các chuẩn truyền thông công nghiệp (RS232, RS485, Modbus). Đồ án sử dụng phần mềm Step7 V5.5 với ngôn ngữ lập trình Ladder (LAD) và khai thác các khối tổ chức (OB) chuyên dụng để quản lý vòng quét, ngắt thời gian và xử lý lỗi hệ thống.
  • Hệ thống giám sát WinCC (Windows Control Center): Công cụ HMI/SCADA tích hợp các phân hệ: Graphics Designer (thiết kế giao diện đồ họa động), Alarm Logging (quản lý cảnh báo, sự cố), Tag Logging (thu thập, lưu trữ dữ liệu thời gian thực), Report Designer (xuất báo cáo) và User Archives (lưu trữ công thức cấp phối). Hệ thống sử dụng các hàm C-Script thao tác với Tag như SetTagBit, SetTagByte, GetTagBit, GetTagByte kết hợp các toán tử logic và xử lý số học.
  • Cảm biến trọng lượng Loadcell: Cấu tạo gồm cảm biến biến dạng (strain gauge) gắn trên thanh kim loại đàn hồi theo cấu hình cầu điện trở Wheatstone. Phân tích nguyên lý hoạt động của Loadcell tương tự (ngõ ra 1–3 mV/V, tối đa 30 mV, nhạy cảm với nhiễu đường truyền) và Loadcell số (tích hợp bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 16–20 bit tốc độ cao, vi xử lý bù trôi nhiệt, bộ nhớ EEPROM, giao tiếp mạng chuẩn RS485/422 với khoảng cách truyền dẫn đến 1200 m).
  • Thiết bị phụ trợ và cơ cấu chấp hành: Máy nén khí (piston, roto, ly tâm, hướng trục, kiểu phun) điều khiển tự động áp lực qua rơ le; van đảo chiều khí nén (solenoid), van chắn, van áp suất; van thủy lực 4 cửa 2 vị trí; công tắc hành trình cơ học xuất mức logic 0/1; động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc khởi động đổi nối sao - tam giác.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về công nghệ sản xuất bê tông, các tiêu chuẩn cấp phối mác bê tông và tài liệu kỹ thuật thiết bị tự động hóa của hãng Siemens.
  2. Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm AutoCAD và Corel để thiết kế bản vẽ kết cấu mặt bảng mô hình; sử dụng phần mềm Orcad để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và layout mạch in PCB.
  3. Phương pháp thực nghiệm - mô phỏng: Gia công mạch in, hàn linh kiện, đi dây bảng điều khiển; lập trình nhúng C cho vi điều khiển AT89S52; lập trình logic điều khiển trên Step7 V5.5; cấu hình và kết nối truyền thông giữa PLC và WinCC để kiểm thử hoạt động liên động toàn hệ thống.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm về cấp phối bê tông được trích xuất từ bảng định mức cấp phối thực tế của Trạm bê tông thương phẩm Tây Mỗ thuộc Công ty Cổ phần Cơ giới Lắp máy và Xây dựng (VIMECO).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng chức năng giữa phần cứng mô hình, khối điều khiển cục bộ, khối điều khiển trung tâm và trạm giám sát:

[ Trạm giám sát WinCC (PC) ]
[ Khối điều khiển trung tâm: PLC Simatic S7-300 ]
[ Khối điều khiển trung gian: MCU AT89S52 ]
[ Bảng mô hình hiển thị LED & Biến trở mô phỏng Loadcell ]

Kiến trúc phần cứng và mô hình hiển thị

  • Bảng điều khiển: Gia công trên vật liệu mica khổ A3, in ấn bề mặt dựa trên bản vẽ thiết kế từ AutoCAD được chuyển đổi qua phần mềm Corel để xử lý màu sắc và phân vùng bố trí các phễu liệu, bồn trộn, đường ống.
  • Mạch nguồn điều khiển: Thiết kế trên phần mềm Orcad, sử dụng các IC ổn áp họ LM78xx gồm LM7805 (cung cấp nguồn 5VDC cho vi điều khiển AT89S52) và LM7812 (cung cấp nguồn 12VDC), cùng các đường cấp nguồn 10V và 24VDC cho hệ thống mạch logic và cổng giao tiếp PLC.
  • Mô phỏng cơ cấu chấp hành và cảm biến: Hệ thống đèn LED được bố trí để mô phỏng trạng thái hoạt động của 3 băng tải cốt liệu, gầu nâng, động cơ bồn trộn, trạng thái đóng/mở của các van khí nén và van xả. Tín hiệu cân khối lượng từ các Loadcell được mô phỏng bằng các biến trở xoay, cho phép người vận hành thay đổi điện áp đầu vào tương ứng với khối lượng cát, đá 1, đá 2, xi măng, nước và phụ gia.
  • Khối vi điều khiển trung gian AT89S52: Đóng vai trò cầu nối hiển thị, nhận tín hiệu điều khiển logic từ các cổng ngõ ra của PLC S7-300 để quét và kích hoạt các chuỗi LED chạy theo đúng quy trình công nghệ; đồng thời gửi ngược tín hiệu trạng thái cảm biến về các cổng ngõ vào của PLC.

Quy trình công nghệ và thuật toán điều khiển

Quy trình vận hành trạm trộn được thiết kế với hai chế độ điều khiển:

  1. Chế độ Tự động (AUTO):

    • Bước 1 (Chuẩn bị và Reset): Người vận hành nhấn nút Reset trên bàn điều khiển để mở đồng loạt cửa xả bê tông, cửa xả thùng cân cát, đá, xi măng, nước và phụ gia nhằm đảm bảo không còn tồn đọng vật liệu từ mẻ trước. Khi các điều kiện thỏa mãn, hệ thống chuyển sang trạng thái sẵn sàng.
    • Bước 2 (Cài đặt thông số): Nhập tỷ lệ cấp phối trên giao diện WinCC gồm khối lượng cát, đá 1, đá 2, xi măng, nước, phụ gia, tổng số mẻ trộn và thông tin quản lý (tên lái xe, biển số, thời gian xuất xưởng).
    • Bước 3 (Định lượng vật liệu): Nhấn nút Start, động cơ bồn trộn khởi động ở chế độ không tải. Các phễu xả mở để cấp cát, đá 1 lên băng tải vào thùng cân; xi măng được cấp từ xi lô qua vít tải; nước và phụ gia được bơm vào thùng cân riêng. Khi khối lượng cân bằng giá trị cài đặt, các động cơ cấp liệu và bơm dừng hoạt động.
    • Bước 4 (Trộn khô): Khi thùng trộn rỗng và cửa xả đã đóng, cốt liệu (cát, đá) và xi măng được xả vào thùng trộn. Quá trình trộn khô diễn ra trong thời gian 15 giây.
    • Bước 5 (Trộn ướt): Nước và phụ gia được xả tiếp vào thùng trộn. Quá trình trộn ướt diễn ra trong thời gian 10 giây (tổng thời gian trộn một mẻ đạt khoảng 25 giây).
    • Bước 6 (Xả bê tông): Cửa xả thùng trộn mở ra để trút bê tông vào xe bồn chuyên dụng trong thời gian 10 giây, sau đó đóng cửa xả để kết thúc một chu kỳ mẻ.
    • Bước 7 (Lặp chu kỳ): Hệ thống tự động quay lại bước cân định lượng cho mẻ tiếp theo cho đến khi số mẻ hoàn thành bằng đúng số mẻ đã cài đặt.

  2. Chế độ Bằng tay (MANUAL):

    • Người vận hành chuyển khóa chế độ sang MANUAL, gạt chuyển mạch đóng/mở cửa xả về vị trí STOP.
    • Khởi động động cơ trộn, chủ động nhấn các nút cấp liệu riêng lẻ (cát, xi măng, nước, phụ gia; riêng đá cấp tuần tự đá 1 rồi đến đá 2) và theo dõi số liệu hiển thị trên phần mềm hoặc đồng hồ chỉ thị để ngắt cấp liệu khi đủ khối lượng.
    • Người vận hành lần lượt nhấn nút xả cốt liệu và xi măng để trộn khô, nhấn xả nước và phụ gia để trộn ướt, sau đó nhấn nút xả bê tông thành phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương Mở đầu: Tổng quan về đề tài - Ứng dụng của đề tài

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa trạm trộn bê tông trong sản xuất công nghiệp, mục tiêu nghiên cứu và định hướng ứng dụng của đề tài. Tác giả xác định mô hình sau khi hoàn thiện sẽ đóng vai trò thiết bị thí nghiệm trực quan cho sinh viên học tập các môn học PLC, Điều khiển quá trình, hệ thống SCADA, đồng thời có thể sử dụng làm giáo cụ đào tạo kỹ thuật cho công nhân và nhân viên vận hành trạm trộn bê tông thực tế.

Chương I: Tổng quan về bê tông và trạm trộn bê tông

Chương I hệ thống hóa kiến thức chuyên ngành về công nghệ bê tông và thiết bị trạm trộn:

  • Thành phần và đặc tính bê tông: Bê tông tươi là hỗn hợp gồm xi măng, cát (chiếm khoảng 29%), đá dăm (chiếm khoảng 52%), nước và phụ gia (gồm phụ gia hoạt động bề mặt và phụ gia rắn nhanh FDN 2002A). Các đặc tính kỹ thuật chính gồm: cường độ chịu lực (tăng nhanh thời gian đầu và chậm dần theo tuổi bê tông), tính co nở nhiệt/ẩm, tính chống thấm và quá trình đông cứng (thời gian bắt đầu đông kết không sớm hơn 45 phút; thời gian vận chuyển và đổ bê tông không được vượt quá 90 phút để tránh phân tầng, đông cứng).
  • Phân loại trạm trộn: Phân loại theo năng suất gồm trạm năng suất nhỏ (10–30 $\text{m}^3/\text{h}$), trạm năng suất trung bình (30–60 $\text{m}^3/\text{h}$) và trạm năng suất lớn (60–120 $\text{m}^3/\text{h}$). Phân loại theo kết cấu gồm trạm tháp cố định (chiều cao 18–20 m, hiệu quả kinh tế trong bán kính vận chuyển dưới 30 km) và trạm tháo lắp di chuyển được (chiều cao 7–10 m, phục vụ các công trình phân tán).
  • Phân loại máy trộn: Máy trộn tự do và máy trộn cưỡng bức (gồm trục đứng dạng đĩa và trục nằm ngang hình con rùa; làm việc liên tục năng suất 5–120 $\text{m}^3/\text{h}$ hoặc làm việc theo chu kỳ dung tích nạp 250–600 lít với thời gian một mẻ trộn dưới 90 giây). Phương pháp xả gồm: lật nghiêng thùng, máng dỡ liệu, xả qua đáy thùng và thùng quay ngược.
  • Số liệu cấp phối thực tế: Trích dẫn bảng cấp phối bê tông mác 150 do Trạm bê tông thương phẩm Tây Mỗ (VIMECO) cung cấp:
Mác bê tông Độ sụt (mm) Xi măng Bỉm Sơn (kg) Cát vàng (kg) Đá dăm 1x2 (kg) Nước sinh hoạt (kg) Phụ gia FDN 2002A (kg) Dung trọng ($\text{kg/m}^3$)
150 $60 \pm 20$ 250 851 1112 174 1.00 2387
150 $80 \pm 20$ 260 852 1100 175 1.00 2388

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II trình bày cơ sở lý thuyết về phần cứng và phần mềm tự động hóa:

  • Cấu trúc PLC Simatic S7-300: Giới thiệu các họ CPU, module ghép nối IM (IM 360 mở rộng 1 tầng tối đa 10 m lấy nguồn từ CPU; IM 361 mở rộng 3 tầng tối đa 10 m cấp nguồn 24VDC riêng; IM 365 mở rộng 1 tầng tối đa 1 m), các kiểu dữ liệu cơ bản (Bool, Byte, Word, DWord, Int, Real) và 3 ngôn ngữ lập trình (LAD, STL, FBD).
  • Các khối hàm tổ chức (OB) đặc biệt: Phân tích chi tiết chức năng của các khối OB trong hệ điều hành PLC S7-300:
Khối OB Tên gọi tiếng Anh Chức năng hoạt động
OB1 Main Program Cycle Quản lý vòng quét chính, thực hiện lặp liên tục trong suốt chu kỳ làm việc của CPU.
OB10 Time of Day Interrupt Ngắt theo thời gian thực (gọi định kỳ theo phút, giờ, ngày qua hàm SFC28).
OB20 Time Delay Interrupt Ngắt trễ thời gian (thực hiện sau khoảng thời gian đặt trước qua hàm SFC32).
OB35 Cyclic Interrupt Ngắt theo chu kỳ thời gian cố định (mặc định 100 ms).
OB40 Hardware Interrupt Ngắt phần cứng phát sinh từ cổng Onboard hoặc các module SM, CP, FM.
OB80 Cycle Time Fault Báo lỗi khi thời gian vòng quét (scan time) vượt quá giới hạn cực đại (mặc định 150 ms).
OB81 Power Supply Fault Xử lý sự cố liên quan đến bộ nguồn nuôi CPU.
OB82 Diagnostic Interrupt Ngắt chẩn đoán khi phát hiện lỗi từ các module vào/ra mở rộng có tính năng tự kiểm tra.
OB85 Not Load Fault Báo lỗi khi CPU gọi tín hiệu ngắt nhưng khối OB xử lý tương ứng không tồn tại.
OB87 Communication Fault Báo lỗi xảy ra trong quá trình truyền thông dữ liệu.
OB100 Start Up Information Khối khởi động, thực hiện duy nhất 1 lần khi CPU chuyển trạng thái từ STOP sang RUN.
OB121 Synchronous Error Báo lỗi logic trong chương trình (sai kiểu dữ liệu, truy cập khối DB/FC/FB không tồn tại).
OB122 Synchronous Error Báo lỗi khi truy xuất vào module mở rộng không có thực trong cấu hình phần cứng.
  • Phần mềm giám sát WinCC: Trình bày cấu trúc HMI, các khối chức năng đồ họa, quản lý cảnh báo và lưu trữ. Giới thiệu cú pháp các hàm lập trình C-Script điều khiển Tag như SetTagBit(Tag, value), SetTagByte(Tag, value), SetTagSByte(Tag, value), GetTagBit(Tag), GetTagByte(Tag), cùng các toán tử số học (+, -, *, /, %, ++, --) và toán tử bit (&, |, ^, ~, <<, >>).
  • Nghiên cứu so sánh công nghệ Loadcell: Đánh giá đặc tính giữa Loadcell tương tự và Loadcell số:
Tiêu chí so sánh Loadcell tương tự Loadcell số
Tín hiệu ngõ ra Điện áp tương tự nhỏ (1–3 mV/V, thường $\le 30\text{ mV}$) Dữ liệu số đã qua xử lý ADC 16–20 bit tốc độ cao
Khả năng chống nhiễu Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và trôi trở kháng dây dẫn Tín hiệu số mạnh, khả năng chống nhiễu điện từ vượt trội
Khoảng cách truyền tín hiệu Ngắn, suy hao tín hiệu theo chiều dài cáp Kéo dài lên đến 1200 m qua chuẩn RS485/RS422
Cân chỉnh và thay thế Phức tạp, phải cân chỉnh lại toàn bộ hệ thống khi thay cảm biến Dễ dàng thay thế độc lập không cần chỉnh định lại tải chết
Tích hợp xử lý Dựa hoàn toàn vào bộ hiển thị hoặc đầu cân ngoài Tích hợp vi xử lý, cảm biến nhiệt và EEPROM bù sai số ngay tại cảm biến
Chi phí và vận hành Chi phí đầu tư thấp, lắp đặt đơn giản Chi phí đầu tư cao, đòi hỏi người vận hành có chuyên môn
  • Thiết bị điều khiển phụ trợ: Phân loại van khí nén (van định hướng solenoid, van chắn một chiều, van điều tiết/giới hạn/trình tự áp suất); van đảo chiều thủy lực 4 cửa 2 vị trí; công tắc hành trình tiếp điểm cơ khí xuất tín hiệu 0V/24VDC; động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc xoay chiều.

Chương IV: Thiết kế và thi công mô hình trạm trộn bê tông

Chương IV trình bày quy trình triển khai phần cứng và phần mềm của mô hình:

  • Trình bày các bước thiết kế bản vẽ mô hình trên AutoCAD và Corel; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn (LM7805, LM7812, đường nguồn 5V, 10V, 12V, 24VDC), layout mạch in bằng phần mềm Orcad.
  • Triển khai kỹ thuật hàn linh kiện, đi dây bảng điều khiển mô hình trên bảng mica khổ A3.
  • Xây dựng mã nguồn nhúng C cho vi điều khiển AT89S52 để quét chuỗi LED mô phỏng và gửi tín hiệu logic về PLC S7-300; lập trình LAD trên Step7 V5.5 điều khiển tuần tự quá trình cân, trộn khô (15s), trộn ướt (10s), xả liệu (10s); thiết kế giao diện WinCC giám sát toàn diện trạm trộn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm theo mục tiêu đặt ra:

  • Kết quả kỹ thuật thực nghiệm:
    • Chế tạo hoàn thiện mô hình phần cứng trạm trộn bê tông trên bảng mica khổ A3, tích hợp mạch nguồn đa mức điện áp (5V, 10V, 12V, 24VDC).
    • Ghép nối thành công khối vi điều khiển AT89S52 với PLC Siemens S7-300; hệ thống LED mô phỏng chính xác trạng thái hoạt động của 3 băng tải cốt liệu, gầu nâng, bồn trộn và các van xả.
    • Sử dụng các biến trở mô phỏng chính xác tín hiệu cân khối lượng cốt liệu (cát, đá 1, đá 2, xi măng, nước, phụ gia).
    • Xây dựng chương trình điều khiển Step7 V5.5 chạy ổn định hai chế độ AUTO và MANUAL với các mốc thời gian công nghệ thực tế: trộn khô 15 giây, trộn ướt 10 giây, xả bê tông 10 giây.
    • Thiết kế hoàn chỉnh giao diện SCADA trên WinCC, cho phép cài đặt thông số cấp phối mác bê tông 150, giám sát thời gian thực trạng thái thiết bị và hỗ trợ quản lý vận hành.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Cung cấp một mô hình thực hành trực quan, chi phí hợp lý phục vụ giảng dạy các học phần chuyên ngành: Lập trình PLC S7-300, Điều khiển quá trình và Hệ thống SCADA tại nhà trường.
    • Xây dựng tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình công nghệ trạm trộn bê tông tươi, kỹ thuật kết nối giữa PLC - WinCC và phương pháp phối hợp điều khiển giữa vi điều khiển và PLC.
    • Mô hình có khả năng ứng dụng trong công tác đào tạo, bồi dưỡng kỹ thuật cho đội ngũ công nhân và cán bộ vận hành trạm trộn bê tông tại các doanh nghiệp xây dựng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Hệ thống sử dụng biến trở xoay để mô phỏng tín hiệu tải trọng thay vì sử dụng các đầu cân và cảm biến Loadcell thực tế.
    • Các cơ cấu chấp hành công suất lớn (động cơ bồn trộn, băng tải, máy nén khí, xi lanh khí nén, van xả) mới dừng lại ở mức mô phỏng bằng hệ thống đèn LED và mạch vi điều khiển, chưa kết nối trực tiếp với thiết bị tải công nghiệp thực tế.
    • Chưa triển khai các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp số (như Profibus-DP hay Industrial Ethernet) để kết nối trực tiếp giữa các module phân tán hoặc đầu cân kỹ thuật số với PLC.
  • Hướng phát triển mở rộng:
    • Thay thế các biến trở bằng hệ thống cân định lượng sử dụng cảm biến Loadcell tải trọng nhỏ kết hợp bộ khuếch đại chỉ thị cân thực tế.
    • Lắp đặt các động cơ bước/động cơ giảm tốc nhỏ và hệ thống cơ cấu khí nén mini để mô phỏng chân thực chuyển động cơ khí của bồn trộn và các cửa xả phễu liệu.
    • Mở rộng chức năng quản trị dữ liệu trên WinCC: tích hợp cơ sở dữ liệu SQL Server để lưu trữ lịch sử mẻ trộn, in phiếu xuất kho tự động và quản lý định mức cấp phối cho nhiều mác bê tông khác nhau (mác 200, 250, 300).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng và nội dung học thuật sau:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa quy trình sản xuất, cấu trúc lập trình LAD trên Step7 V5.5, phương pháp khai thác các khối tổ chức ngắt và xử lý lỗi (OB10, OB20, OB35, OB40, OB80–OB122) trên PLC S7-300.
  • Người nghiên cứu và phát triển hệ thống SCADA/HMI: Tham khảo kỹ thuật thiết kế giao diện đồ họa trên WinCC, phương pháp liên kết Tag và ứng dụng các hàm lập trình C-Script (SetTagBit, GetTagBit, SetTagByte...) trong điều khiển và giám sát công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành trạm trộn bê tông thương phẩm: Tham khảo quy trình công nghệ chuẩn của trạm trộn bê tông tươi, nguyên lý hoạt động của hệ thống cân định lượng Loadcell và các cơ cấu van khí nén, thủy lực trong nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Trong chế độ điều khiển tự động (AUTO), các mốc thời gian của một mẻ trộn bê tông được thiết lập như thế nào?
Theo quy trình công nghệ được lập trình trong đồ án, sau khi hoàn tất cân định lượng các thành phần vật liệu, cốt liệu và xi măng được xả vào bồn để thực hiện quá trình trộn khô trong 15 giây. Tiếp theo, nước và phụ gia được xả vào để thực hiện quá trình trộn ướt trong 10 giây (tổng thời gian trộn một mẻ là 25 giây). Sau khi trộn xong, cửa xả mở ra để trút bê tông vào xe chuyên dụng trong 10 giây rồi đóng lại kết thúc mẻ trộn.

2. Tỷ lệ cấp phối cho $1\text{ m}^3$ bê tông mác 150 (độ sụt $60 \pm 20\text{ mm}$) theo số liệu thực tế từ VIMECO gồm những thành phần nào?
Theo bảng số liệu cấp mẫu từ Trạm bê tông thương phẩm Tây Mỗ (VIMECO) được tác giả trích dẫn, $1\text{ m}^3$ bê tông mác 150 (độ sụt $60 \pm 20\text{ mm}$) gồm: 250 kg xi măng Bỉm Sơn, 851 kg cát vàng, 1112 kg đá dăm 1x2, 174 kg nước sinh hoạt và 1.00 kg chất phụ gia FDN 2002A (tỷ lệ 0.40 kg / 100 kg xi măng), đạt dung trọng tổng thể $2387\text{ kg/m}^3$.

3. Khối vi điều khiển AT89S52 đóng vai trò gì trong mô hình phần cứng của đồ án?
Vi điều khiển AT89S52 (được lập trình bằng ngôn ngữ C) đóng vai trò trung gian hiển thị và điều phối mô hình: nhận các tín hiệu kích hoạt điều khiển từ PLC S7-300 để điều khiển hiệu ứng chạy của chuỗi LED mô phỏng (băng tải, gầu nâng, bồn trộn, trạng thái đóng/mở van); đồng thời thu nhận và gửi ngược các tín hiệu trạng thái logic của cảm biến LED về các cổng đầu vào của PLC.

4. Khối ngắt theo chu kỳ OB35 và khối ngắt phần cứng OB40 trong PLC S7-300 có nhiệm vụ gì theo thuyết minh đồ án?
Khối OB35 (Cyclic Interrupt) là khối chương trình được CPU thực hiện lặp lại cách đều nhau theo một khoảng thời gian cố định đặt trước (mặc định là 100 ms). Khối OB40 (Hardware Interrupt) là khối chương trình được CPU kích hoạt thực hiện ngay khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt từ các thiết bị ngoại vi đưa vào thông qua các cổng vào/ra số Onboard đặc biệt hoặc qua các module mở rộng SM, CP, FM.

5. Điểm khác biệt cơ bản về nguyên lý và khoảng cách truyền tín hiệu giữa Loadcell tương tự và Loadcell số là gì?
Loadcell tương tự xuất tín hiệu điện áp millivolt rất nhỏ (1–3 mV/V, thường không quá 30 mV) trực tiếp từ cầu Wheatstone nên dễ bị suy hao, nhiễu điện từ và giới hạn khoảng cách truyền ngắn. Ngược lại, Loadcell số tích hợp sẵn bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC 16–20 bit tốc độ cao và vi xử lý bù nhiệt ngay tại cảm biến, truyền dữ liệu số qua chuẩn giao tiếp RS485/RS422 với khoảng cách truyền dẫn xa lên đến 1200 m.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Tấn Sang đã giải quyết thành công bài toán thiết kế và thi công mô hình giám sát trạm trộn bê tông tươi dựa trên sự kết hợp giữa PLC Siemens Simatic S7-300 và phần mềm SCADA WinCC. Tác giả đã kết nối nhịp nhàng giữa mạch vi điều khiển AT89S52 điều khiển hiển thị LED, mạch nguồn ổn áp LM78xx, hệ thống biến trở mô phỏng Loadcell với chương trình điều khiển logic Step7 V5.5 và giao diện HMI trực quan. Công trình không chỉ cung cấp một mô hình giáo cụ trực quan giá trị phục vụ công tác đào tạo thực hành chuyên ngành Tự động hóa mà còn hệ thống hóa toàn diện các kiến thức kỹ thuật về công nghệ bê tông, cảm biến tải trọng và hệ thống điều khiển công nghiệp.