CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG I. GIỚI THIỆU CHUNG 1.Định hướng chọn đề tài: Điều khiển tự động đã được biết đến trong công nghệ điều khiển quá trình (Process Control Technology), hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System) trong các nhà máy chế biến như: xi măng, cán thép, sản xuất giấy, nước ngọt… Các doanh nghiệp hiện nay đứng trước thách thức hội nhập nhằm ổn định và phát triển, do đó các hệ thống dây chuyền tự động được ứng dụng nhằm giảm bớt sự lao động chân tay, đạt độ chính xác cao, an toàn nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất cho nhà máy dẫn đến sản phẩm làm ra có khả năng cạnh tranh ở thị trường, hướng tới xuất khẩu. Kỹ thuật đo lường và hiển thị dùng PLC kết hợp hiển thị các thông số qua các giao diện được ứng dụng nhiều vào các doanh nghiệp trong các dây chuyền sản xuất.Một bộ phận trong toàn bộ dây chuyền là hệ thống cân định lượng đòi hỏi ở độ chính xác cao.Trong đó LOADCELL là thiết bị để xác định trọng lượng vật cần đo.Có nhiều loại từ thấp đến cao, tuỳ vào mục đích của người sử dụng. Bởi vậy hệ thống cân định lượng là một phần không thể tách rời trong dây chuyền sản xuất công nghiệp ngày nay.
Mô hình hệ thống: Mô hình cân định lượng là một khung hình trụ hệ thống bao gồm: một phễu đựng nguyên vật liệu, một hệ thống động cơ nối trục bánh răng qua cơ cấu dây betl và sẽ tịnh tiến bởi trục pame, trên trục này có gắn miếng sắt chắn nguyên liệu rơi xuống.Bên dưới là một cái thố nằm trên bàn cân LOADCELL, các nút ON,OFF, Đầu Cân,Mạch Điều Khiển Tốc Độ Động cơ,Cảm Biến Quang CX-24 (loại cực thu hở), Công tắc và CPU224. SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 6 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG 3. Diển giải đề tài: Khi nhấn ON, động cơ hoạt động cơ cấu sẽ kéo theo miếng sắt chặn mở ra với lượng nguyên liệu khoảng 80% thì chạm vào Giới Hạn 2, nó sẽ tác động làm cho động cơ quay ngược trở lại.khi LOADCELL báo đúng 1kg thi đồng thời động cơ và miếng sắt dừng và khít lại ở Giới Hạn 2. Khi cân đủ 1kg lấy thố ra cảm biến sẽ tác động làm cho động cơ dừng và khi bỏ thố đựng nguyên liệu vào cảm biến sẽ tự động kích làm cho động cơ tiếp tục mở và cứ như thế.
Hệ thống này được điều khiển thông qua PLC và toàn bộ quá trình làm việc được mô phỏng bằng giao diện WINCC. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG: 1. Mô hình hệ thống cân định lượng được thiết kế như sau: SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 7 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG 2. Khối mạch điều khiển: SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 8 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG 3.
Hệ thống động cơ: CHƯƠNG II: MỘT SỐ THIẾT BỊ TRONG THIẾT KẾ MÔ HÌNH I. LOADCELL Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng LOADCELL cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là LOADCELL tương tự). Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị. Một hệ thống cân dùng LOADCELL tương tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc một vài LOADCELL nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ.
SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 9 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG Mỗi LOADCELL tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng LOADCELL. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in.
Những LOADCELL này hoạt động trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ. Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng.Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng.Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression). Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu điện áp đầu ra của LOADCELL rất nhỏ (thường không quá 30mV).Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như: - Nhiễu điện từ: Sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn.
- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: Do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn. Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa LOADCELL với thiết bị đo lường càng tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 10 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG LOADCELL. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ.
Trong khi nối song song nhiều LOADCELL với nhau, mỗi LOADCELL tải với một đầu ra độc lập với các LOADCELL khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng LOADCELL riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô. Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều LOADCELL dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung bình của từng LOADCELL. Điều đó khiến dễ xảy ra hiện tượng có LOADCELL bị lỗi mà không được nhận biết.
Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định LOADCELL nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ VOLT- AMPE với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục. Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như: Quá trình chỉnh định hệ thống. Nhiễu rung và ồn. Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.
Quá trình phân tích dò tìm lỗi Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan. Đi dây cáp tín hiệu dài. Môi trường hoạt động quá kín. Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế.
Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khác nhau, thiết bị đo ở cách xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp. Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế. Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp, năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại LOADCELL khác nhau nên các thuật toán chỉnh định SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 11 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ.
Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém.Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục. Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo LOADCELL đã khám phá khả năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và khái niệm LOADCELL số ra đời. Ban đầu, khi khái niệm LOADCELL số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là các LOADCELL số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổi một LOADCELL chất lượng thấp lên một LOADCELL chất lượng cao. Thực tế thì ngược lại, mỗi LOADCELL số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp.
Thứ nhất, phải có một LOADCELL cơ bản với độ chính xác, độ ổn định và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc. Thứ hai, phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số. Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin. (Tham khảo cấu trúc một LOADCELL số trên hình 2.) Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của LOADCELL chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một SVTH: NGUYỄN ĐỨC NHŨ Trang 12 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐỊNH LƯỢNG ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số.
Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của LOADCELL phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ. Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ. được vi xử lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định.
Các MODULE điện tử này có thể được đặt ngay trong LOADCELL, cáp LOADCELL hoặc trong hộp junction box.