Luận văn

Xây dựng mô hình, điều khiển
giám sát trạm trộn bê tông
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 1

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đồ án này, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến:
Thầy Trần Quang Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm chúng em thực
hiện tốt đồ án này trong khoảng thời gian ngắn nhất.
Các thầy cô trong khoa công nghệ điện tử đã truyền đạt cho chúng em những
kiến thức về chuyên môn, tạo mọi điều điện thuận lợi để chúng em thực hiện tốt đồ
án ” xây dựng mô hình, điều khiển giám sát trạm trộn bê tông “ dùng PLC và giám
sát bằng wincc.
Sau cùng là gửi lời cảm ơn tới gia đình và tất cả những người bạn, những
người đã gắn bó cùng học tập, cùng làm đồ án đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm em trong
quá trình thực hiện.

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

2.2Phân loại 12
2.3 Cấu tạo chung trạm trộn bê tông xi măng 12
2.4 Nguyên lý hoạt động chung của trạm trộn bê tông xi măng 17
PHẦN II: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 CỦA SIEMMENS 18
1.1 PLC là gì? 18
1.2 Cấu trúc và hoạt động của PLC 19
1.3 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200 của Siemens. 23
1.4 Cấu trúc chương trình của S7-200: 28
1.5 Các lệnh sử dụng trong chương trình: 29
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 4

CHƢƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN 36
2.1 Module analog của Siemems 36
2.2 Module analog EM 235 40
2.3 Module analog EM 223 43
2.4 Đầu đọc tín hiệu cân PAXS và PAXI 43
2.5 Thiết bị khí nén 58
2.6 Cảm biến: 60
2.7 Loadcell: 64
2.8Một số thiết bị khác: 66
PHẦN III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG.
CHƢƠNG 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 69
Phần Cứng 69
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG TỦ ĐIỆN 71
Điều Khiển 71
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 79
3.1 Chương trình điều khiển 79
3.2Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát sử dụng WinnCC 115

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ
TRẠM TRỘN BÊ TÔNG.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG
1.1 Khái niệm về bê tông:
Bê tông là hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi-măng, nước. Trong đó cát và
đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước,
ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết.
Hỗn hợp vật liệu sau đó được nhào trộn tạo nên hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê
tông phải có độ dẻo nhất định, phù hợp với mục đích sử dụng. Có nhiều loại bê
tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên. Mỗi thành phần cát, đá, xi măng,
nước, … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau.
1.2 Các thành phần cấu tạo bê tông:
a). Xi măng:
Việc lựa chon xi măng là đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất ra bê tông, có
nhiều loại xi măng khác nhau, xi măng mác càng cao thì khả năng kết dính càng tốt
và làm chất lượng thiết kế bê tông tăng lên tuy nhiên giá thành của xi măng mác cao
là rất lớn. Vì vậy khi thiết kế bê tông vừa phải đảm bảo chất đúng yêu cầu kĩ thuật và
giải quyết tốt bài toán kinh tế.
b). Cát:
Cát dùng trong sản xuất bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, kích
thước hạt cát là từ 0.4 – 5 mm. Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng,
thành phần tạp chất, thành phần hạt… Trong thành phần của bê tông cát chiếm
khoảng 29%.
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 7

c). Đá dăm:
Đá dăm có nhiều loại tùy thuộc vào kích cỡ của đá, do đó tùy thuộc vào kích cỡ
của bê tông mà ta chọn kích thước đá phù hợp. Trong thành phần bê tông đá
dăm

tuổi 28 ngày được dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện tiêu chuẩn ( nhiệt độ 20
0
C

2
0
C), độ ẩm không khí 90% đến 100%. Mác M là chỉ tiêu cơ bản nhất đối với mọi
loại bê tông và mọi kết cấu.
Tiêu chuẩn nhà nước quy định bê tông có các mác thiết kế sau:
 Bê tông nặng: M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, M500,
M600.
Bê tông nặng có khối lượng riêng khoảng 1800 kg/m
3
đến 2500kg/m
3
cốt liệu sỏi
đá đặc chắc.
 Bê tông nhẹ: M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300 bê tông nhẹ
có khối lượng riêng trong khoảng ến 1800kg/m
3
, cốt liệu là các
loại đá có lỗ rỗng, keramzit, xỉ quặng
Trong kết cấu bê tông cốt thép chịu lực phải dùng mác không thấp hơn M150.

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 9

Cường độ của bê tông tăng theo thời gian, đây là một tính chất đáng quý của bê
tông, đảm bảo cho công trình làm bằng bê tông bền lâu hơn những công trình làm
bằng gạch,

390
0.438
0.829
195
350
450
0.406
0.846
200
400
465
0.419
0.819
186
Bảng I.1.1: Một số Mác bê tông cụ thể với xi măng PCB40.
1.3.2 Tính giãn nở của bê tông:
Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng thể tích, nở ra
trong nước và co lại trong không khí. Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn độ nở 10 lần
một giới hạn nào đó, độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bê tông còn hiện tượng co
ngót luôn kéo theo hậu quả xấu.
Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân: trước hết là sự mất nước hoặc xi
măng, quá trình Cacbon hoá Hyđroxit trong đá xi măng. Hiện tượng giảm thể tích
tuyệt đối của hệ xi măng - nước. Co ngót là nguyên nhân gây ra nứt, giảm cường độ,
chống thấm và để ổn định của bê tông, và bê tông cốt thép trong môi trường xâm
thực. Vì vậy đối với những công trình có chiều dài lớn, để tránh nứt người ta đã phân
đoạn để tạo thành các khe co dãn.
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 10

1.3.3 Tính chống thấm của bê tông:

Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 11

CHƢƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
1. Giới thiệu chung:
Hiện nay trên thị trường có hai loại tạm trộn chính: trạm trộn bê tông nhựa
nóng và trạm trộn bê tông xi măng.
 Trạm trộn bê tông nhựa nóng: Dùng để sản xuất bê tông từ hỗn hợp nhựa
đường (hắc ín), đá, chất phụ gia…, nó được ứng dụng phổ biến trong xây dựng
đường xá, các công trình giao thông, cầu, cảng… được rải lên bề mặt. Hình I.2.1: Trạm trộn bê tông nhựa nóng thực tế

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 12

 Trạm trộn bê tông xi măng: Ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay nhất là
trong lĩnh vực xây dựng, bê tông được sản xuất từ hỗn hợp cát, đá, xi măng, nước, phụ
gia.

Hình I.2.2: Trạm trộn bê tông xi măng thực tế
2. Trạm trộn bê tông xi măng:
2.1 Giới thiệu chung:
Trạm trộn bê tông xi măng là một tổng thành nhiều cụm và thiết bị, các cụm
thiết bị này phải phối hợp nhịp nhàng với nhau để hoà trộn các thành phần: cát,
đá, nước, phụ gia và xi măng tạo thành hỗn hợp bê tông xi măng. Một trạm trộn bê
tông có các yêu cầu chung sau đây:
- Đảm bảo trộn và cung cấp được nhiều mác bê tông với thời gian điều chỉnh
nhỏ nhất.
- Cho phép sản xuất được sản xuất được hai loại hỗn hợp bê tông khô hoặc ướt.


Cấp liệu trực tiếp từ bãi chứa mà không qua thiết bị vận chuyển trunggian.
-

Diện tích mặt bằng cho toàn trạm không cần lớn lắm.
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 14

 Nhược điểm:
- Vật liệu ở bãi chứa phải được vun cao cho đủ lượng dự trữ.
- Việc cấp liệu cho máy trộn không liên tục.
- Bãi chứa phải có vách ngăn phân chia vật liệu.
- Với phương án này chỉ áp dụng cho trạm trộn có năng suất thấp
b. Cấp liệu kiểu băng tải:
 Nguyên lý:
- Vật liệu (cát, đá) đựoc tập kết ngoài bãi sau đó được máy xúc gầu lật đổ vào
bunke, thiết bị định lượng. Sau khi được định lượng đúng yêu cầu thì băng tải
vận chuyển đổ vào thùng trộn.
 Ưu điểm:
- Cấp liệu cho máy trộn được liên tục.
-
Vật liệu ở bãi chứa không cần phải vun cao và không cần phải có tấm
phân
cách vật liệu.
 Nhược điểm:
- Việc cấp liệu cho băng tải phải có thiết bị chuyên dùng.
- Khoảng cách giữa băng tải và thùng trộn tương đối lớn dẫn đến khả năng tiếp
xúc của vật liệu với môi trường nhiều, sẽ gậy ô nhiễm môi trường nếu không được
che chắn kỹ.
- Phương án này áp dụng cho các trạm trộn có năng suất lớn.

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 16

2.3.4Thiết bị định lƣợng:
a. Định lƣợng theo thể tích:
 Nguyên lý:
- Vật liệu được xả vào trong thùng chứa có thể tích phù hợp với thể tích vật liệu
cho một mẻ trộn.
 Ưu điểm: kết cấu đơn giản, giá thành hạ.
 Nhược điểm:
- Định lượng thành phần cốt liệu thiếu chính xác dẫn đến chất lượng bê tông
không được đảm bảo.
- Định lượng theo thể tích thường dùng để định lượng nước & phụ gia hoặc
dùng để định lượng vật liệu ở các trạm trộn bê tông nhỏ lẻ, nhưng hiện nay ít sử
dụng.
b. Định lƣợng theo khối lƣợng:
Phương pháp này có sự kết hợp giữa cơ và điện nên độ chính xác cao.
 Nguyên lý:
- Vật liệu được xả vào bàn cân, trên bàn cân có gắn thiết bị cảm biến,
tín hiệu nhận từ cảm biến được xử lý bởi máy tính sau đó kết quả được hiển thị
trên bộ chỉ thị. Ở đây cát đá được định lượng theo kiểu cộng dồn, còn nước, phụ
gia và xi măng được định lượng độc lập.
 Ưu điểm:
- Định lượng vật liệu có độ chính xác cao; có thể cộng dồn nhiều loại vật liệu
trong một mẻ.
 Nhược điểm:
- Kết cấu phức tạp, giá tành đắt.

Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 19

PHẦN II:GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ
CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 CỦA
SIEMMENS
1.1 PLC là gì?
PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị có thể lập trình, được thiết kế
chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lí từ đơn giản đến
phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà có thể thực hiện một loạt các chương
trình hoặc sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là
ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện
được đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kích hoạ nó sẽ bật ON, OFF hoặc
phát ra một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC.
Như vậy nếu thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có
thể thực hiện các chức năng khác nhau trong các môi trường điều khiển khác nhau.
Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron,
Mitsubishi, Pesto, Alan Bradley, Shneider. Hitachi, …. Mặt khác ngoài PLC cũng
đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: các cổng mở rộng AI (Analog
Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ vào.

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 20

1.2 Cấu trúc và hoạt động của PLC
1.2.1 Cấu trúc:
 Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần ( xem hình II.1.2 )


Hình II.1.3: Thực hiện chương trình theo vòng quét trong PLC
Thường việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong một khoảng thời gian rất
ngắn, một vòng quét đơn có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms.
Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương
trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi. Để khắc phục việc
thời gian quét dài thì các nhà sản xuất đã chế tạo ra các hệ thống PLC cập nhật tức
thời, các hệ thống này thường áp dụng cho những nơi có số lượng I/O nhiều và cần
xử lý lượng thông tin lớn.
1.2.3 Lợi ích của việc sử dụng PLC
Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng
được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp. Kích
thước của PLC ngày nay được thu nhỏ lại để số lượng I/O và bộ nhớ càng nhiều
hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được
nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 22

Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (với
một sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở các ngõ vào/ra …), mà
không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải
thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển ( đối với hệ thống điều khiển relay …)
khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền
dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn.
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng
không gian nhỏ nhưng khả năng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống điều
khiển khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn với các hệ thống điều khiển lớn,
phức tạp và quá trình lắp hệ thống ít tốn thời gian hơn các hệ thốn khác.
Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC
nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận

 CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng được mở rộng
thêm bằng 7 modul mở rộng
 CPU 224XP có 14 cổng vào và 10 cổng ra có khả năng được mở rộng
thêm bằng 7 modul mở rộng.
Trong đề tài này nhóm chỉ đề cập đến PLC S7- 200, CPU 224XP ( xem mục
3.2 ), các CPU khác tương tự.

Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh
Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 24

1.3.2 CPU 224XP:

Hình II.1.4: Hình ảnh thực tế PLC S7-200, CPU 224XP
– CPU 224XP có hai loại chủ yếu: nguồn cấp 24VDC hoặc 220VAC.
– 512 từ đơn ( word ), tức là 1K byte, để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ
đọc/ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM.( Vùng
nhớ có giao diện với EEPROM ).
– 14 cổng vào logic và 10 cổng ra logic.
– 2 ngõ vào analog và một ngõ ra analog.
– 6 bộ đếm tốc độ cao: 2x200kHz và 4x400kHz.
– 2 ngõ ra xung tần số cao: tối đa 100kHz.
– Có thể ghép nối thêm 7 modul để mở rộng số cổng vào và ra, bao gồm cả
modul tương tự ( analog ).
– Tổng số cổng logic vào/ra cực đại là 256: 128 cổng vào và 128 cổng ra.
– Có 256 bộ tạo thời gian trễ ( Timer ), trong đó 4 Timer có độ phân giải 1ms,
16 Timer có độ phân giải 10ms và 236Timer có độ phân giả 100ms.