TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

73
THIẾT KẾ MODUL MÔ PHỎNG DÙNG TRONG THỬ NGHIỆM HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT - QUẢN LÝ
TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
DESIGNING A MODEL MODULE FOR TESTING BATCH CONCRETE
MANAGEMENT – MONITOR - CONTROL SYSTEM
Ngô Như Khoa - Phạm Ngọc Phương
Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi tập trung vào việc thiết kế và xây dựng modul mô phỏng
vào/ra dựa trên vi điều khiển nhúng PsoC, phục vụ cho công tác thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ
thống điều khiển – giám sát và quản lý trong các trạm trộn bêtông kiểu không liên tục. Modul có
chức năng giả lập toàn bộ các tín hiệu vào/ra sát thực tế. Đặc biệt trong đó, các đầu ra tương
tự giả lập tín hiệu cảm biến trọng lượng của các hệ cân định lượng – định lượng cốt liệu, định
lượng ximăng, định lượng nước và phụ gia được thiết kế có tính toán đến tốc độ nạp của từng
thành phần phối liệu vào hệ cân định lượng đảm bảo mô phỏng sát với thực tế. Qua thử
nghiệm, về cơ bản modul đã đáp ứng đầy các yêu cầu của công tác thử nghiệm hệ thống, chi
phí thấp và áp dụng hiệu quả trong sản xuất kể cả trong điều kiện sản xuất hàng loạt.

ABSTRACT
In this paper, we focus on designing and making an in/out model module based on
embedded microprocessor PsoC for testing and adjusting batch concrete management –
monitor – control systems. The module can simulate the entire in/out situations matching with
real conditions. Especially, the outputs simulate loadcell signals of weight batching systems -
weight batching of soil and sand, cement, water and additives designed with due attention to the
speed of loading the components into weight batching systems ensuring the match with reality.
The test of this module has shown that, basically, it has fully met the requirements of system
testing with low cost and effective application to production even mass production.

Trong phạm vi nghiên cứu của bài báo này, chúng tôi tập trung trình bày về một
số vấn đề chính trong việc thiết kế và xây dựng mạch điện tử mô phỏng các tín hiệu đầu
vào/ ra cho tủ điều khiển bằng mạch nhúng vi điều khiển để giả lập toàn bộ tín hiệu đầu
vào (nguồn áp, dòng, tín hiệu logic) cho PLC theo chu trình đã được lập trình sẵn. Mạch
mô phỏng dựa trên vi điều khiển nhúng có thể được lập trình để tham số hóa các tín
hiệu:
- Đầu vào số: Giả lập các tín hiệu của các công tắc hành trình và lấy tín hiệu trực
tiếp tới đầu vào I/O của PLC.
- Đầu vào tương tự: Giả lập các tín hiệu của đầu cân loadcell (có thể lựa chọn đầu
vào dòng hoặc áp) để đưa đến modul vào số EM231 của PLC S7-200.
2. Xác định bài toán mô phỏng
2.1. Đối tượng giả lập - trạm trộn bêtông
Các trạm trộn bêtông theo chu kỳ có thể được thiết kế khác nhau ở một số khâu
chính, đó là: (i) Kiểu máy trộn sử dụng (máy trộn k iểu turbin, máy trộn kiểu hành tinh,
máy trộn kiểu trục ngang); (ii) Cách cân cốt liệu (cân cộng dồn đá, cát khi xả trực tiếp
lên xe skip; cân cộng dồn đá, cát khi xả lên băng tải định lượng; cân cộng dồn đá, cát
khi xả lên bunke định lượng phụ); (iii) Cách vận chuyển cốt liệu (băng tải, xe skip). Tuy
nhiên, về khía cạnh bài toán điều khiển, ta có thể sử dụng một mô hình tổng quát cho
các kiểu thiết kế trên. Để thuận tiện cho việc mô tả bài toán, chúng tôi sử dụng mô hình
thiết kế như sau.
- Máy trộn kiểu hành tinh, có một động cơ trộn (không đảo chiều), cửa xả
ximăng được điều khiển bằng xilanh khí, có 2 công tắc hành trình xác định trạng thái;
- 04 bunke cốt liệu, ở mỗi bunke cốt liệu có sensor đo độ ẩm; cửa xả cốt liệu
được điều khiển bằng xilanh khí, có 2 công tắc hành trình xác định trạng thái;
- Cân cộng dồn đá, cát khi xả trực tiếp lên xe skip, hệ cân cốt liệu đặt ngay dưới
vị trí nạp liệu cho xe skip, toàn bộ xe skip được đặt trên giá cân có 4 loadcell;
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

75
- Vận chuyển cốt liệu bằng xe skip, xe skip được kéo bởi động cơ có đảo chiều;


Giao tiếp PLC
TD200
Bàn điều
khiển
Bộ điều khiển trung tâm PLC
PC
Mạch động lực (Tủ điện)
Thiết bị chấp hành 1
Thiết bị chấp hành 2
Thiết bị chấp hành n
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

76
- Tủ động lực: Được lắp đặt toàn bộ các thiết bị điều khiển cho hệ thống
- Các thiết bị chấp hành: Các động cơ, các van khí,…
- Cảm biến: Các loadcell trọng lượng và các sensor xác định độ ẩm của cốt liệu
và các công tắc hành trình xác định trạng thái của các cơ cấu.
Sơ đồ giao tiếp chi tiết các thành phần trên được mô tả trong Hình 2.
PLC
S7 200
Computer
0-100
deg
mV
10-50
ADC 12 (16) bit
8 AI
Motor (5), (6)
Motor (7)

Up to 16 DO
Xi lanh cửa xả 11
Sw cửa xả nước
Sw cửa xả ximăng
Sw cửa xả bê tông
Sw nạp cốt liệu
Xi lanh cửa xả 4
Xi lanh cửa xả 3
Xi lanh cửa xả 2
Xi lanh cửa xả 1
Sw chờ nạp cốt liệu
Sw chờ cân cốt liệu
12 bit
Upto 16 DI
RS232/ RS485
TD 200
Hình 2. Sơ đồ kết nối các thành phần trong hệ thống điều khiển
2.3. Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển với MODUL mô phỏng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

77

Hình 3. Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển với MODUL mô phỏng
3. Thiết kế modul mô phỏng
3.1. Lựa chọn thiết kế
Với bài toán đặt ra chúng tôi đã lựa chọn thiết kế mạch mô phỏng dựa trên vi
điều khiển 8 bit PSoC (Programmable System on Chip) của hãng Cypress [2] (Hình
bên). So với các vi điều khiển 8-bít tiêu chuẩn, các chip PSoC có thêm các khối tương
tự và số lập trình có khả năng lập trình được, chúng cho phép việc thiết lập một số
lượng lớn các ngoại vi. Các khối số chứa một


7. Van xả nước (1)
8. Van xả bêtông (1)
6 lines (digital):
1. Vị trí xe Skip (3)
2. Cửa xả ximăng (1)
3. Cửa xả nước (1)
4. Cửa xả bêtông (1)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

78
3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điện modul mô phỏng
Modul được thiết kế bao gồm: 08 đầu vào số cách ly. Sử dụng cho 12 đường tín
hiệu số được liệt kê trong Hình 3, trong đó 4 tín hiệu báo kích hoạt van xả liệu được
ghép song song tạo nên 1 tín hiệu duy nhất, chỉ thị quá trình cân cốt liệu; 2 tín hiệu báo
kích hoạt động cơ vít tải ximăng ghép song song tạo nên 1 tín hiệu duy nhất chỉ thị quá
trình cân ximăng; 08 đầu ra số cách ly, sử dụng cho 6 đường tín hiệ u số; 04 đầu ra
tương tự, sử dụng cho 4 đường tín hiệu tương tự (Hình 3); màn hiển thị LCD 16x2. Sơ
đồ mạch nguyên lý của modul được thể hiện trong Hình 4.
0
12V
12V
12V
5V
5V
0
0
5V
0
5V

OUT5
LCD_E
DA3
XRES
DATA7
DATA2
OUT6
LCD_D7
DATA2
RL5
OUT7
DA2
INP2
DATA1
LCD_D5
RL1
OUT2
OUT1
INP7
LCD_RW
XRES
OUT8
SDATA/DATA7
SCLK/DATA8
RL3
RL8
DATA4
LCD_RS
INP3
INP5

INP4
DA1
DATA6
SDATA/DATA7
RL7
OUT5
DATA1
OUT2
INP1
DATA6
LCD_D4
LCD_RS
OE1
DATA6
LCD_D4
INP6
INP8
INP6
DATA7
DATA4
LCD_RW
LE2
OUT8
OUT6
RL2
OUT3
INP7
LCD_D6
GND
GND

18
17
16
SMP
GND
P1.5
P1.0
VDD
P1.3
P1.1
P1.7
P0.7
P0.5
P0.3
P0.1
P2.7
P2.5
P2.3
P2.1
P0.6
P0.4
P0.2
P0.0
P2.6
P2.4
P2.2
P2.0
XRES
P1.6
P1.4

1k
R9
1k
D10
LED
D11
LED
D12
LED
D13
LED
D14
LED
R21
10K
SW1
RESET
J13
trotreo 4.7K
1
2
3
4
5
6
7
8
9
D16
DIODE

J21
220V_in
1
2
LS9
RELAY SPDT
3
5
4
1
2
LS8
RELAY SPDT
3
5
4
1
2
LS7
RELAY SPDT
3
5
4
1
2
C1
10u
C17
470u/25v
C19

5
6
7
8
9
OE
GND
LE
VCC
1Q
2Q
3Q
4Q
5Q
6Q
7Q
8Q
1D
2D
3D
4D
5D
6D
7D
8D
JP8
HEADER 3_0
1
2
3

10
12
14
16
18
U13
74HC573_RELAY
1
10
11
20
19
18
17
16
15
14
13
12
2
3
4
5
6
7
8
9
OE
GND
LE

4
- +
1
2
3
4
- +
1
2
3
4
- +
1
2
3
4
- +
1
2
3
4
- +
1
2
3
4
- +
1
2
3

RELAY SPDT
3
5
4
1
2
C12
104
U4
4N35
1
6
2
5
4
U6
4N35
1
6
2
5
4
U8
4N35
1
6
2
5
4
U7

J26
HEADER 6
1
2
3
4
5
6
U15
4N35
1 6
2
5
4
U14
4N35
1 6
2
5
4
R12
100K
R11
100k
R15
100K
R10
100K
R13
100K

LED
D19
LED
JP3
HEADER 3_0
1
2
3
JP4
HEADER 3_0
1
2
3
JP5
HEADER 3_0
1
2
3
JP6
HEADER 3_0
1
2
3

Hình 4. Sơ đồ mạch nguyên lý của modul mô phỏng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

79
3.3. Các thuật toán chính


Bước 9: Kiểm tra tín hiệu bơm phụ gia, nếu được kích hoạt thì tăng giá trị đầu ra
Analog2 với độ dốc k6 sau đó chuyển sang Bước 10. Nếu không được kích hoạt thì
chuyển sang Bước 10.
Bước 10: Kiểm tra tín hiệu Van xả nước, nếu được kích hoạt thì đặt đầu ra cửa xả
nước =1; đặt đầu ra Cửa xả nước=0 sau thời gian trễ T3; sau đó chuyển sang Bư
ớc 11.
Nếu không được kích hoạt thì chuyển sang Bước 11.
Bước 11: Kiểm tra tín hiệu Bơm xi măng, nếu được kích hoạt thì tăng giá trị đầu ra
Analog3 với độ dốc k7 sau đó chuyển sang Bước 12. Nếu không được kích hoạt thì
chuyển sang Bước 12.
Bước 12: Ki
ểm tra tín hiệu van xả xi măng, nếu được kích hoạt thì đặt đầu ra cửa xả
ximăng =1; đặt đầu ra Cửa xả ximăng=0 sau thời gian trễ T4 sau đó chuy
ển sang bước
13. Nếu không được kích hoạt thì chuyển sang bước 13.
Bước 13: Kiểm tra tín hiệu Van xả bêtông, nếu được kích hoạt thì đặt đầu ra cửa xả
ầ ễ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009

80
Trong đó, các độ dốc ki (i=1 4) được xác định phụ thuộc vào tốc độ xả cốt liệu
[1] (cỡ hạt cốt liệu và diện tích cửa xả); ki (i=5,6) được xác định theo công suất bơm
của các hệ thống bơm nước (k5) và bơm phụ gia ( k6); k7 được xác định theo công suất
hệ thống vít tải ximăng. Các bộ định thời T1 T5 được xác lập theo quy trình trộn bêtông
tương ứng với loại máy trộn cụ thể [3].
4. Kết quả và thảo luận
Từ thiết kế trên đây, chúng tôi đã lắp đặt thử nghiệm modul mô phỏng. Việc thử
nghiệm cho thấy bản thiết kế mạch mô phỏng đầu vào cho tủ điều khiển bằng mạch điều
khiển nhúng có thể đưa ra được các tham số: Các đầu vào số - giả lập các tín hiệu của