t
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI,
CHUYÊN DÙNG CHO HỆ THỐNG 4 CÂN CÔNG NGHIỆP ỨNG
DỤNG TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS. PHAN ANH DŨNG
7751
02/3/2010

Hà Nội, tháng 12/2009

2

BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2009
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và
cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất


3
6. Kiến nghị
Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng
ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm.
Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành. Đề nghị cho
phép báo cáo nghiệm thu đề tài. Chủ nhiệm đề tài

ThS.Phan Anh Dũng


5
MỤC LỤC

Hạng mục Trang
Lời nói đầu 6
Phần 1: Tổng quan công nghệ chế tạo trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối 8
1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối 8
6LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ
điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi. Đặc biệt là trong các công trình
xây dựng và giao thông.
Ban đầu, các sản phẩm này được nhập nguyên bộ từ nước ngoài, mà chủ
yếu là từ châu Âu. Sự có mặt của những sản phẩm này đã làm thay đổi cơ bản
phương thức và năng suất củ
a công việc xây dựng, góp phần quan trọng cho
thành công ban đầu của nền công nghiệp hoá, hiện đại hoá mà chúng ta đang
xây dựng.
Sau một thời gian nghiên cứu các sản phẩm của nước ngoài, chúng ta đã
từng bước nội địa hoá sản phẩm và đã có nhiều thành công ban đầu, đó là thiết
kế chế tạo hầu hết các thành phần cơ khí, thiết kế chế tạo toàn bộ các hệ thống
điện, Việ
t hoá các phần mềm đo lường điều khiển và lưu giữ dữ liệu.
Phần điều khiển tự động cũng có nhiều thành tựu tích cực. Trên cơ sở sử
dụng máy tính công nghiệp, PLC, hoặc các bộ điều khiển đơn giản của nước
ngoài, chúng ta đã xây dựng được các hệ thống điều khiển có tính chính xác cao,
ổn định không thua kém các sản phẩm của các nướ
c phát triển.
Tuy nhiên, do nhu cầu nội địa hoá ngày càng tăng cùng với sự phát triển
về trình độ điện tử và tự động hoá trong nước nên chúng ta luôn luôn mong
muốn xây dựng các hệ thống điều khiển được chế tạo hoàn toàn trong nước.
Với mong muốn trên cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển và cấp


ThS. Phan Anh Dũng
8
Phần 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU
KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI

1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối
Việc điều khiển định lượng và cấp phối các vật liệu xây dựng đã được
chuyển đổi từ cơ sang điện tử hiển thị số trong một khoảng thời gian dài. Nhờ
đồng hồ hiển thị số và phần mềm điều khiển chuyên dụng, khối lượng vậ
t liệu


9
+ Sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và
cấp phối chuyên dụng.
+ Sử dụng kết hợp máy tính và các mô đun vi điều khiển cho việc quản lý
điều khiển hệ thống.
Trong đó, việc sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối có tính kinh tế cao, độ ổ
n định tốt và khả năng mở rộng
dễ dàng được nhiều hãng lựa chọn như là một giải pháp tối ưu.
2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước
Tại các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối. Các hãng này đã chế tạo ra các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối có tính năng tốt và độ linh hoạt cao. Tuy nhiên, giá thành
các b
ộ thiết bị này khá cao, khi đưa về sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc
nghiệt của Việt Nam thì vẫn có một số sai hỏng mà nhà sản xuất không lường
đến.
Việc nhập khẩu một loạt các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông
nhựa những năm giữa thập kỷ 90 đã đem lại sự thay đổi lớn trong việc định
lượng và cấ
p phối, cho phép nâng cao năng lực sản xuất, năng suất và độ chính
xác lên rất nhiều lần. Cùng với đó, các công trình xây dựng, giao thông đòi hỏi
khối lượng vật liệu lớn được tiến hành nhanh hơn, tốt hơn.
Ngoài các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa thì các hệ
thống điều khiển cân đóng bao xi măng, đóng bao đạm, cũng rất cần được
điều khiển t
ự động. Tuy nhiên, do các hệ thống đó có số lượng nhỏ so với các hệ
thống trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa nên ít được phát triển.
Cho đến đầu thế kỷ 21, một số nhà máy đóng bao còn sử dụng phương pháp

cho quá trình làm việc cũng như bảo hành bảo dưỡng.
Các thiết bị phần cứng đã nhập về để thiết kế chế tạo các thiết bị điều
khiển định lượng gồm: Máy tính công nghiệp, PLC S7-200, S7-300, K3MA,
K3HB, Các hệ thống chúng ta sản xuất trên cơ sở các phần cứng đó phần nào
đã đáp ứng nhu cầu kỹ thuật v
ề các hệ thống định lượng hiện nay tại Việt Nam.
Dù vậy, các thiết bị này vẫn còn một hạn chế cơ bản, là dựa quá nhiều vào phần
cứng nhập khẩu từ nước ngoài, ảnh hưởng đến giá thành cũng như khả năng bảo
hành bảo dưỡng cho người sử dụng.
Các đơn vị đã có nhiều thời gian nghiên cứu theo các hướng trên là Công
ty Cổ phần xây dựng và thi
ết bị công nghiệp CIE, Công ty 1-5, Viện Điện tử -
tin học, Viện Khoa học Giao thông vận tải Đặc biệt là Viện máy và Dụng cụ
công nghiệp là một trong những đơn vị đi đầu trong cả nước trong lĩnh vực cơ
điện tử, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phối hợp giữa các ngành cơ khí, tự
động hóa, tin học và điện tử, đã tiến hành nghiên cứ
u rất nhiều trong lĩnh vực
này.
Xuất phát từ tính kinh tế, ổn định và khả năng tùy biến linh hoạt của các
trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối sử dụng vi điều khiển, Viện IMI
tiến hành nghiên cứu chế tạo các Trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối,
chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu
xây dự
ng nhằm thay thế các hệ thống nhập ngoại, đảm bảo tính linh hoạt khi sử
dụng sản phẩm, thuận tiện cho việc bảo hành bảo trì và tiết kiệm ngoại tệ cho
đất nước.

11
3. Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng
3.1. Bộ điều khiển định lượng BUCODAT 2

Nước sản xuất: Mỹ
Các tính năng cơ bản:
+ Điều khiển định lượng 1 cân.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LED.
+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu
+ Số đầu vào ra: 7

12
Thiết bị này chỉ điều khiển mẻ cho 01 cân nên để mở rộng số lượng cân,
phải cần nhiều bộ hiển thị và kết hợp PLC hoặc các hệ thống logic khác đảm bảo
sự hoạt động đồng bộ của cả hệ thống.
3.3. Hệ thống điều khiển dùng PLC
Nước sản xuất: Việt Nam
Các tính năng cơ bản:
+ Đi
ều khiển định lượng 3 cân.
+ Độ chính xác ADC: 32000 vạch
+ Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái.
+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm
trộn.
+ Tổng số đầu vào ra: 48. Vào ra dạng rơ le On/Off.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LCD 4 hàng.
+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu.
Đây là một hệ thống khá ổn định và có giá cả vừa phải. Các mô đun đượ
c
tách rời thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống. Tuy vậy, khả năng xử lý dữ liệu
tương tự chậm khiến cho độ chính xác khi định lượng của hệ thống không cao.
Ngoài ra, việc phụ thuộc hoàn toàn vào phần cứng và thậm chí cả phần mềm lập
trình nhập ngoại cũng ảnh hưởng đến khả năng sửa chữa, bảo hành bảo dưỡng
và tố

Tổng kết:

Qua tìm hiểu một vài thiết bị nếu trên, có thể rút ra một số đặc điểm cần
phải có đối với một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối để đảm bảo khả
năng kỹ thuật và kinh tế. Đó là:
+ Có khả năng định lượng 3- 4 thành phần.
+ Có khả năng kết nối máy tính.
+ Độ ổn định cao: khả n
ăng chống nhiễu điện và nhiễu rung tốt.
+ Tính chủ động trong sửa chữa, lắp đặt tốt.
+ Chia thành các mô đun thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống.
+ Giá thành phù hợp. 14

PHẦN 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

liệu, xi măng, nước, mỗi cân có thể có 2 hoặc 4 thành phần; các trạ
m trộn bê
tông nhựa nóng với 4 cân vật liệu; các cân đóng bao với 4 hay 8 cửa. Ngoài ra,
một số trạm trộn bê tông tươi sử dụng thêm cân phụ gia. Tất cả các hệ thống

15
định lượng trên đều yêu cầu phải làm việc đồng bộ với độ phân giải ADC của
các cân là 10-12 bit.
Cấu hình lựa chọn cho trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối
như sau:
+ Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống.
+ Hệ thống được chia thành nhiều mô đun nhỏ có các tính năng khác
nhau. Thuận tiện cho việc mở rộng, kiểm tra, thay thế các mô đun.
+
Điều khiển toàn bộ hệ thống bao gồm cả điều khiển định lượng và điều
khiển logic hệ thống.
+ Có khả năng định lượng tối thiểu 4 thành phần. Tín hiệu cân đưa về có
thể ở dạng áp, hoặc dạng xung. Độ phân giải ADC là 12 bit, hoặc có thể là 10 bit
(của VĐK PIC) với những thành phần không cần độ chính xác quá cao.
ICL7109 là một IC chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân 2 s
ườn
dốc, hạn chế nhiều xung khá tốt nên được lựa chọn làm linh kiện ADC cho mô
đun điều khiển cân.
+ Các mô đun xử lý tín hiệu tương tự được chia thành các nhóm xử lý 02
thành phần. Do vậy có thể mở rộng trong trường hợp yêu cầu 06 thành phần, 08
thành phần, hoặc cao hơn nữa.
+ Số đầu vào ra là 32 hoặc hơn, đảm bảo khả năng linh hoạt khi mở rộng
các thành phần của hệ
thống.
+ Có khả năng phối hợp điều khiển hệ thống định lượng nhằm cung cấp

cũng như giữ các mô đun với PC. Trong trường hợp cần mở rộng hệ thống lên
nhiều mô đun tương tự, ta có thể thay đổi tốc độ đường truyền lên 19.200 kb/s
để đảm bảo tốc độ truyền.
2. Thiết kế tổng thể trung tâm điều khiển
Sơ đồ khố
i của hệ thống được mô tả trong Hình 1: Trong đó: Mô đun
điều khiển
trung tâm
Mô đun

+ Mô đun điều khiển logic: là mô đun kết hợp các đầu ra của các mô đun
cân và các tín hiệu đầ
u vào trạng thái khác để điều khiển quá trình hoạt động
logic bên ngoài hệ thống.
+ Mô đun truyền thông: có nhiệm vụ tạo đường truyền vật lý cho việc kết
nối giữa các mô đun khác. Mô đun này dùng chuẩn truyền thông RS-485 và bộ
bộ chuyển đổi RS-232/RS-485 để đồng bộ thông tin truyền trên bus.
Đây là một mô đun phân tán, các thành phần con của mô đun này có thể
được ghép vào các mô đun khác và coi như là một thành phần của các mô đun
khác.
+ Mô đun bàn phím: các dữ liệu, thông số hệ thống và các thông số định
mức của người dùng được nhập qua mô đun này.
+ Mô đun hiển thị: hiển thị trạng thái, giá trị các cân, trạng thái thiết bị,
công thức, số mẻ,
+ Mô đun nguồn: cung cấp nguồn đầy đủ cho các mô đun khác. Từ nguồn
đầu vào 220 Vac, qua mô đun này chuyển thành các nguồn 24Vdc, ±12Vdc,
±5Vdc có độ ổn định cao và dòng lớn.
Ngoài các mô đun trên, hệ thống c
ần các mạch nạp dữ liệu, các mô đun
mô phỏng hệ thống ngoài, mô đun tạo nhiễu kiểm tra hệ thống,
3. Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun
Các mô đun cần thiết kế bao gồm:
+ Mô đun điều khiển trung tâm.
+ Mô đun điều khiển cân.
+ Mô đun điều khiển logic.
+ Mô đun truyền thông.
+ Mô đun bàn phím.
+ Mô đun nguồn.

18

+ Bộ nhớ Ram: 2048 Byte
+ Cổng giao tiếp USB V2.0
+ Bộ nhớ flash ghi/xoá 100.000 lần
+ Dữ liệu lưu được 40 năm.
Mô đun điều khiển trung tâm kết nối dữ liệu từ các mô đun khác thông
qua mạch truyền thông Max485 và truyền dữ liệu về máy tính qua mạch giao
ti
ếp 232/485.
Khi kết nối với mô đun điều khiển cân, các dữ liệu được truyền xuống
gồm có các thông tin sau:
+ Yêu cầu chuyển trạng thái của mô đun cân khi bấm bàn phím.
class="bi x17 y181 w8 hf"

20
+ Yêu cầu lưu các dữ liệu cân được nhập vào từ bàn phím.
+ Yêu cầu và nhận về các thông tin về số liệu cân và trạng thái ở chế độ
hoạt động bình thường.
Khi kết nối với mô đun điều khiển logic, các dữ liệu được truyền xuống
bao gồm:
+ Các thông số đặt thời gian.
+ Các thông số hệ thống.
Các thông số cân cần xác định là:
+ Khối lượng các cân
+ Trạng thái cân tươ
ng ứng.
3.2. Mô đun điều khiển cân
Mô đun này có chức năng sau:
+ Nhận các thông số làm việc như định mức, thời gian từ mô đun điều
khiển trung tâm để phục vụ cho quá trình xử lý.
+ Chuyển đổi các tín hiệu cân, là các tín hiệu điện áp nhỏ hoặc các tín

23
Trong sơ đồ trên có Jắc PULSE IN cho trường hợp tín hiệu đầu vào không
phải dạng tín hiệu tương tự mà là tín hiệu xung. Khi đó, nhờ có các bộ PMW
của PIC16F877A mà mạch có thể nhận trực tiếp dữ liệu xung, không cần qua
các bộ xử lý đếm truyền thống. Điều này cũng góp phần làm mạch nhỏ gọn hơn,
ổn định hơn. Tín hiệu đầu vào chân PMW là chân ANT (chân 33 của
PIC16F877A).
Các tín hiệu khởi động cân là các tín hiệ
u số đầu vào cho cân được đưa ra
từ mô đun điều khiển logic trên cơ sở các đầu vào thỏa mãn điều kiện khởi động.
Trong qua trình làm việc, mô đun này liên tục gửi giá trị thu thập được về mô
đun vi điều khiển trung tâm cũng như đưa ra các rơ le trạng thái cân tương ứng.
Do PIC16F877A có đến 8 kênh ADC 10 bit nên trong những ứng dụng có
độ sai số yêu cầu nhỏ hơn 10 bit thì không cần sử dụ
ng thêm các bộ ADC khác,
điều này giúp giảm bớt kích thước và tăng độ ổn định của mạch. Sơ đồ thể hiện
mạch không dùng bộ chuyển đổi ADC ICL 7109 được thể hiện trên Hình 4.
3.3. Mô đun điều khiển logic
Mô đun này có nhiệm vụ nhận các tín hiệu trạng thái từ các mô đun cân,
lệnh điều khiển từ mô đun điều khiển chung và các tín hiệu trạng thái ngoài của
h
ệ thống, quyết định các trạng thái điều khiển đầu ra, giúp cho hệ thống hoạt
động đồng bộ.
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trên Hình 5.
Mô đun điều khiển logic với sử dụng vi điều khiển PIC16F877A cùng
mạch truyền thông Max485 để truyền dữ liệu về mô đun điều khiển. Tín hiệu
vào ra các mô đun này bao gồm:
+ Các tín hiệu đầu ra trạng thái các mô đun cân.
+ Các tín hiệ
u đầu ra điều khiển hoạt động hệ thống.