LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển
cânbăng định lượng cấp liệu cho máy nghiền do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo TS.Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài
liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có
sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện PHÍ MẠNH THẮNG
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền


2.2.2. Qui luật điều khiển tần số cơ bản ………………………………………… 13
2.3. Bộ biến đổi tần số……………………………………………………… ……15
2.4. Bộ biến tần dang điều chế độ rông xung PWM……………………………….16
Chương 3. Xây dựng cấu hình hệ thống điều khiển lưu lượng.
3.1. Cấu hình hệ thống điều khiển của cân băng định lượng ……………………… 21
3.2. Các thông số của cân băng định lượng………………………………………… 21
3.2.1. Các thông số của băng tải……………………………………………………22
3.2.2.Các thông số cơ cấu chấp hành………………………………………………22
3.3. Chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển cân băng…………………………………23
3.3.1. Chọn động cơ……………………………………………………………… 23
3.3.2 . Chọn máy phát tốc………………………………………………………….23
3.3.3. Chọn Loadcel……………………………………………………………… 24
3.3.4. Chọn biến tần……………………………………………………………… 25
3.4. Xây dựng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ………………………………26
3.4.1. Tính toán và vẽ dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ……………… 26
3.4.2 . Tính toán bù điện áp cho động cơ không đồng bộ…………………… … 28
3.4.3. Tính bù độ trượt…………………………………………………………… 31
3.5. Cài đặt biến tần……………………………………………………………… …32
3.5.1. Các đầu dây điều khiển và sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440………….32
3.5.1. Các đầu dây điều khiển và sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440………….32
3.5.2 . Vận hành biến tần………………………………………………………… 34
3.6. Cài đặt thông số cho bộ biến tần của hệ thống điều khiển……………………….36
3.6.1. Chế độ cài đặt nhanh……………………………………………………… 36
3.6.2. Điều khiển v/f……………………………………………………………… 38
3.6.3. Cài đặt bù độ trượt ……………………………………………………… 39 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền


Hình 1.1. Cấu trúc điều khiển một trạm cân băng tải…… …………………………… 6
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ điều khiển cân băng định lượng…………………………………7
Hình 1.3: Sơ đồ cầu tế bào cân Tenzomet…………………………………… …………9
Hình 2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn………… ………… 11
Hình 2.2. Đặc tính động cơ……………………………………………… …………….12
Hình 2.3. Đặc tính động cơ với luật điều khiển U/f = const, khi R

1
≠ 0…………………14
Hình 2.4. đặc tính U(f) lý tưởng và thực tế ………………………… …………………15
Hình 2.5. sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp …………………………………………… 16
Hình 2.6. Nguyên lý điều chế độ rộng xung. ……………………………………… ….17
Hình 2.7. Sơ đồ nghịch lưu ba pha ………………………………………… …………18
Hình 2.8. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha……………………… ……20
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng cân băng định lượng……….…… 21
Hình 3.2. Đặc tính cơ động cơ…………………………………………… ………… 27
Hình 3.3. Đường đặc tính quan hệ U(f) hiệu chỉnh…………………… …………… 39
Hình 3.4. Quan hệ U(f) sau khi hiệu chỉnh…………………………………… ……….30
Hình 3.5. Sơ đồ khối của biến tần MM440………………………………… ………….33
Hình 3.6. Màn hình LCD và các nút bấm………………………………… ………… 34
Hình 3.7. Dạng đặc tính cài đặt v/f……………………………… ……………………38
Hình 3.8. Biến tần loại CPU 224-XP của siemens…………………………… ……….40
Hình 3.9. Ghép nối hệ thống………………………………… ……………………… 41
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống………………………………… ……………… 42
Hình 4.2. Sơ đồ bộ điều khiển……………………………… ………………45
Hình 4.3. Mạch vòng điều chỉnh lưu lượng…………………………………………… 45
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng trên Simulink……………….47
Hình 4.5. Đáp ứng lưu lượng thực của hệ thống………………………………… ……48

Danh mục hình vẽ

1
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay góp phần to lớn vào sự phát
triển kinh tế, xã hội. Nhu cầu của con người ngày càng tăng cao do vậy việc tiêu thụ các
nguồn năng lượng phục vụ cho công nghiệp, sinh hoạt cũng tăng theo. Vì vậy việc tiết
kiệm năng lượng và tìm ra các giải pháp nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng là vô
cùng quan trọng và cấp thiết.3
Đề tài tốt nghiệp của em có tên là: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân
băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền” .
Nội dung đồ án gồm các phần như sau:
- Công nghệ sản xuất xi măng và cân băng định lượng
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
- Xây dưng cấu hình hệ thống điều khiển
- Xây dưng tổng hợp hệ thống điều khiển
- Mô phỏng hệ thống
Sau khoảng thời gian 11 tuần được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.
Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, và tìm hiểu cùng các bạn
trong nhóm của em, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn và khả
năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được
nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thầy cô giáo, các bạn và những người quan
tâm đến đề tài này.
Hà nội, ngày 06 tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện Phí Mạnh Thắng

- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng alumin bao gồm loại xi măng alumin có hàm
lượng Al
2
O
3
lớn hơn 30% và nhỏ hơn 46%, loại xi măng cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3

từ 46% đến 70%, loại xi măng đặc biệt cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3
lớn hơn 70%.
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Canxi Sunfo Aluminat gồm loại xi măng nở
(EC), loại xi măng dự án lực (PSC).
Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
3
- Các loại xi măng khác bao gồm loại xi măng chịu axit (ARC) và loại xi măng cản xạ
(RSC).
b. Phân loại theo mác xi măng có ba loại bao gồm
- Mác thấp: độ bền tiêu chuẩn nhỏ hớn 25 Mpa/ cm
2
.
- Mác thường: độ bền tiêu chuẩn trong khoảng 25 – 45 Mpa/ cm
2

Công nghệ sản xuất xi măng nói chung gồm các bước sau:
- Chuẩn bị nguyên vật liệu.
- Nghiền liệu.
- Nung luyện Clinker.
- Nghiền xi măng.
- Đóng bao và xuất hàng.
a. Chuẩn bị nguyên liệu
Các nguyên vật liệu chính để sản xuất ra xi măng như đá vôi, đá sét, quặng sắt,
than,… được khai thác từ mỏ hoặc được nhập từ nhiều nơi đưa về nhà máy bằng nhiều
phương tiện khác nhau. Khi đưa về nhà máy, các nguyên vật liệu này phần lớn có kích
thước hạt lớn nhỏ khác nhau, không thuận tiện cho việc nghiền, sấy, vận chuyển và lưu
trữ.
Do vậy, trước tiên các nguyên vật liệu này sẽ được đưa qua máy nghiền sơ bộ để
đập nhỏ (với đá vôi) hoặc qua máy cán (với đất sét). Vật liệu sau khi được đập nhỏ và các
hạt có độ đồng đều do vậy giảm được hiện tượng phân ly của độ hạt khác nhau trong quá
trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi trong quá trình phối liệu tạo thành phần liệu sống được
chính xác.
b. Nghiền nguyên liệu
Các nguyên liệu được dùng để sản xuất Clinker sẽ được hệ thống điều khiển phối
hợp theo tỷ lệ định trước bằng hệ thống cân băng định lượng rồi được đưa tới máy
nghiền. Tại máy nghiền, các nguyên liệu này sẽ được nghiền nhỏ thành bột liệu mịn và
được sấy để giảm bớt độ ẩm. Sau đó, bột liệu theo dòng khí sẽ được lắng đọng ở các
cyclon và được chứa vào Silo đồng nhất liệu trước khi đưa tới hệ thống nung luyện
Clinker.
c. Nung luyện Clinker
Để tăng năng suất cũng như giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình nung luyện
Clinker, bột liệu sống được đưa qua một hệ thống tiền sấy để nâng dần nhiệt độ trước khi
đưa vào lò nung. Hệ thống tiền sấy này bao gồm nhiều cyclon ở nhiều tầng khác nhau lợi
dụng khí thải đầu ra của lò nung để sấy và đồng nhất bột liệu sống thêm một lần nữa.


1.2. Hệ thống cân băng định lượng

Hình 1.1. Cấu trúc điều khiển một trạm cân băng tải
- Thiết bị sử dụng cho hệ thống:
+ Cảm biến trọng lượng, cảm biến đo tốc độ.
+ Đầu cân tích hợp tính lưu lượng băng cân
+ Độ điều khiển băng cân theo công suất đặt trước.
+ Bộ biến tần điều khiển động cơ băng tải.
+ Hệ thống cơ khí băng cân.
+ Máy tính, máy in giám sát, điều khiển, in ấn báo cáo theo ngày, theo tháng.
- Số lượng thành phần cân: Theo nhu cầu sử dụng của khách hàng, số lượng thành
phần có thể là 2,3,4 …12 thành phần.
Cấu trúc điều khiển được thực hiên trên cơ sở máy tính giám sát làm nghiệm vụ
quản lý dữ liệu tập trung. Các thông số của quá trình sản xuất được truyền từ các bộ các
bộ điều khiển tới máy tính thông qua mạng truyền thông công nghiệp theo chuẩn RS485.
Chuẩn truyền thông này đảm bảo về khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, và tính bền vững
của dữ liệu.

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
7
Các bộ điều khiển làm nghiệm vụ điều khiển đảm bảo giữ cho lưu lượng không đổi
thông qua việc điều khiển tốc độ động cơ.
Các bộ biến tần nhận lệnh từ các bộ điều khiển để điều chỉnh và duy trì tốc độ ổn
định của băng tải.
1.2.1. Khái niệm về cân băng định lượng
Cân bằng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành, cân băng
định lượng của nhà máy sản xuất xi măng là cân định lượng băng tải, được dùng cho hệ
thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại). Thực hiện việc phối liệu một cách
liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra.
Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, các dây chuyền sản xuất xi măng, hệ

Trong đồ án này chúng em thiết kế hệ thống cân băng định lượng cấp liệu cho công
đoạn nghiền liệu đá vôi.
1.2.4. Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng
1.2.4.1. Công thức tính lưu lượng
Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời
vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài. Trong đó tốc độ
của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động cơ.
Lưu lương được xác định theo biểu thức: Q =
m.V
L

1.2.4.2. Nguyên lý của quá trình trừ bì
Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải và
trọng lượng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiến
hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lượng của băng tải ).

Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống cân băng định lượng
9
Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn băng
tải.
Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau :
Băng tải phải được chia thành các phân đoạn xác định. Trong lúc trừ bì băng tải
rỗng (không có liệu trên băng) trọng lượng của mỗi đoạn băng được ghi vào bộ nhớ. Khi
vận hành bình thường cân băng tải trọng lượng của mỗi vật liệu trên mỗi phân đoạn được
xác định bằng cách lấy trọng lượng đo được trên đoạn đó trừ đi trọng lượng băng tải
tương ứng đã ghi trong bộ nhớ. Điều này đảm bảo cân chính xác trọng lượng liệu ngay cả
khi dùng băng tải có độ dày không đều trên chiều dài của nó. Việc điều chỉnh trọng lượng
cần phải thực hiện đồng bộ với vị trí của băng (belt index được gắn trên băng) mới bắt
đầu thực hiện trừ bì. Khi ngừng cân vị trí của băng tải được giữ lại trong bộ nhớ do đó ở
lần khởi động tiếp theo việc trừ bì được thực hiện ngay.

lượng vật liệu trên băng cân thì thấy tín hiệu U

r
là khuyếch đại nên sau đó gửi tín hiệu
này qua biến đổi A/D vào bộ điều khiển để xử lý.
Giả sử cấp cho đầu vào cầu cân một điện áp là UN=10v, với điện áp ngõ ra là
2mV/V thì với tải max ta sẽ đo được điện áp ở ngõ ra là 20mV.
Bảng 1.1.Thống kê một số tế bào cân Tenzomet.
Tải định mức (kg) 20 30 50 70 100 150 250 300
Tải cực đại 150% tải định mức
Sai số < 0.015%
Phạm vi điều chỉnh -10 ÷ 40
Nguồn cung cấp -10 ÷ 15
1.2.6. Các sai số trong hệ thống cân băng và cách hiệu chỉnh
Do đặc điểm đo lường và điều khiển cân băng diễn ra trong khi nguyên vật liệu vẫn
được vận chuyển liên tục và cũng do nhiều nguyên nhân có thể gây ra sai số như:
Do trọng lượng của riêng phần băng tải khi chuyển động ảnh hưởng đến kết quả đo
của loadcell.
Do sức căng băng không đủ, gây sai số cho kết quả đo.
Do độ trượt băng cao su với Puli đầu trục, gây ảnh hưởng tới kết quả đo tốc độ băng
tải.
Do vận tốc vận chuyển có giới hạn nên gây ra độ trễ của kết quả đo so với giá trị
thực tế.
Trước khi vận hành cân băng có các thủ tục quan trọng sau cần thực hiện để đảm
bảo cho cân băng hoạt động chính xác.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ

2pf
P
hoc n

1
=
60f
p
tc l w

1
=
2p
60
n =
n
9,55

Rụto ng c khụng ng b gm 2 loi:
v Rụto dõy qun, dõy qun nh stato, ni ra ngoi thụng qua cỏc vnh trt.
v Rụto lng súc : Cu to nh cỏi lng : gm cỏc thanh nhụm.
Di tỏc dng ca t trng quay ,trong roto cm ng cú mt sut in ng , do
roto ni ngn mch, cú dũng in, tỏc dng ca t trng quay lờn roto cú dũng in to
thnh momen lm quay roto, tc roto c xỏc nh theo:
w = w

1
(1-s) vi s =
w


ỗ
ổ
ứ
ữ
ử
R

1
+
R

2
s
2
+
( )
X

1s
+ X

2
2

(2.1)
c tớnh ng c cú mt im cc tr: M

th
v s



th
=
R

2
+ R

f
R

1
2

+ X

n
2

(2.3)
c tớnh ng c nh hỡnh 2.3.

Hỡnh 2.2. c tớnh ng c.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
13
2.1.3. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế:
v Điều chỉnh điệp áp stato
v Điều chỉnh điện trở phụ roto.

2.2.2. Qui luật điều khiển tần số cơ bản
Nội dung: Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi
tần số khác nhau : l =
M

th
M

C

Biểu thức của qui luật tần số cơ bản có dạng tổng quát khi coi điện trở stato bằng
không (R

1
=0)
U

1
f
=
U

1đm
f

đm

M

C

=
U

1đm
f
= const

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
14
v M

c
=
1
w
;
U

1
f
= const
v M

c
= w
2

;
U



1
f
+
è
ç
æ
ø
÷
ö
R

1
f
2
+ 4p
2

L

n
2

è
ç
æ
ø
÷
ö
U

0
và k được chọn để điện áp sato có trị số cần thiết ở tần số bằng không và
trị số định mức ở tần số định mức. Với phụ tải động cơ yêu cầu momen khởi động lớn,
điện áp Uo được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn ở tần số zero (thời điểm đầu tiền
của quá trình khởi động). Nhưng trị số Uo lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ
thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm
đáng kể. Với phụ tải quạt gió, momen động cơ có tốc độ thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần
số có thể giảm nhỏ đến mức độ phát nóng của động cơ bé nhất.Trong các hệ thống truyền
động điện khác, mức độ
tăng điện áp ở tấn số thấp có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải .
2.3. Bộ biến đổi tần số
Để cung cấp cấp cho động cơ nguồn điện có điện áp và tần số thay đổi cần có một
bộ biến đổi tấn số, gọi tắt là bộ biến tần (BBT), sơ đồ khối mạch lực của hệ truyền động
BBT – ĐK như hình 2.9 . BBT có khâu trung gian một chiều gồm 3 khâu là Chỉnh
lưu (CL), Lọc và Nghịch Lưu (NL).Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz ) được
chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh
lưu điều khiển , sau đó được lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áo
xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
16 U

1
f

chu kỳ có thể làm giảm tần số của sóng sin đầu ra, tăng bề rộng xung có thể làm tăng
biên độ của sóng sin.
Dựa vào dạng sóng mang có thể có phân thành điều chế:
v Điều chế một cực tính.
v Điều chế hai cực tính.
Xung hai cực tính (hình 2.6a) được tạo ra bằng cách so sánh điện áp răng cưa u(t)
với điện áp chủ đạo e(t) có dạng hình sin. Xung răng cưa là xung có 2 cực tính trong cả
chu kỳ điều biến, do đó điện áp ra của nghịch lưu u(t) sẽ là xung hai cực tính có độ rộng
thay đổi theo quy luật hình sin:
Δt = KsinΩtHệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
17
Với : Dt là độ rộng xung.
K là hệ số.
Ω là tần số của nghịch lưu.

Để điều chế xung một cực tính, so sánh điện áp răng cưa một cực tính trong mỗi nửa chu
kỳ (hình 2.6b)Hình 2.6. Nguyên lý điều chế độ rộng xung.
a. Hai cực tính b. Một cực tính
Các tham số quan trọng khi thiết kế nghịch lưu điều chế PWM:

Hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
18
v Hệ số điều biến biên độ:
m

d
không đổi. Để nhận được điệp áp
đối xứng ba pha , các điện áp điều khiển hình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120
0

được so
sánh với cùng một điện áp răng cưa tần số cao (thông thường lớn hơn 1- 2 KHz).
Nguyên lý điều khiển nghịch lưu ba pha được biểu diễn trên hình 2.7 (với m

f
=
15). Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điều biến điện áp đơn
cực.

Hình 2.7. Sơ đồ nghịch lưu ba pha.
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu ba pha :
Các tín hiệu xung điều khiển T
+A
và T
-A
được tạo ra bằng so sánh hai tín hiệu điện áp
răng cưa u
rc
và u
đk
tạo ra các xung điều khiển phần tử chuyển mạch của vế A (T
+A
,T
-A
):