Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ THANH HÒA
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM
MATLAB - SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG
PHỐI LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu LỜI CẢM ƠN
nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn
chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Điện, Phòng
Đào tạo, và TS. Đỗ Trung Hải đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Xây dựng thuật
toán và ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink điều khiển hệ thống cân băng
phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng”.
Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực tiếp
giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và
Tự động hóa cho bản thân tôi trong nhƣng năm tháng qua. Xin trân trọng cảm ơn các
thày cô giáo bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện đã giúp đỡ về trang thiết bị và kiến
thức thực tế để tôi có thể hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn.
Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và
các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn.
Trân trọng cám ơn./.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Học viên Nguyễn Thị Thanh Hòa
- iii -
1.1.2. Khái niệm 2
1.1.3. Cấu tạo của hệ thống cân băng định lƣợng 3
1.1.4. Cấu tạo của một băng tải 5
1.1.4. Nguyên lý tính lƣu lƣợng của cân băng định lƣợng 5
1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 7
1.2. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 9
1.2.1. Động cơ không đồng bộ 9
1.2.2. Khái quát về biến tần 13
1.2.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần 15
1.3. Cảm biến trọng lực Loadcell 17
1.3.1. Khái niệm Loadcell 17
1.3.2. Tế bào cân đo trọng lƣợng 17
1.3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 20
1.4. Băng tải cao su 23
1.5. Sensor đo tốc độ 25
1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 25
1.5.2. Đo vận tốc băng tải 26
1.6. Đo khối lƣợng liệu trên băng. 27
1.7. Kết luận chƣơng 1 28
CHƢƠNG 2. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 29
- v -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng 29
2.2. Phân phối lƣu lƣợng từng băng tải 30
2.3. Điều khiển lƣu lƣợng từng băng tải 31
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển băng tải 31
2.3.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tƣợng 34
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Cấu trúc của hệ thống cân băng định lượng 3
Hình 1. 2. Hình ảnh hệ thống cân băng định lượng 3
Hình 1. 3. Hệ thống điều khiển cân băng định lượng 4
Hình 1. 4. Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng 5
Hình 1. 5. Định lượng gián đoạn 8
Hình 1. 6. Định lượng liên tục 8
Hình 1. 7. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 11
Hình 1. 8. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động 12
Hình 1. 9. Biến tần 13
Hình 1. 10. Nguyên lý hoạt động của biến tần 14
Hình 1. 11. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 16
Hình 1. 12. Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM 16
Hình 1. 13. Sơ đồ tế bào cân số SFT 18
Hình 1. 14. Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet 19
Hình 1. 15. Cấu tạo của một Loadcell 20
Hình 1. 16. Nguyên lý hoạt động của một Loadcell 21
Hình 1. 17. Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực 22
Hình 1. 18. Băng tải cao su 24
Hình 1. 19. Encoder quang tương đối 25
Hình 1. 20. Mạch đo tín hiệu tốc độ 27
Hình 1. 21. Mạch khuếch đại tín hiệu đo khối lượng 27
Hình 2. 1. Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 29
Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển băng tải cân băng định lượng 32
Hình 2. 3. Cấu trúc điều khiển băng tải cân băng định lượng 33
Hình 2. 4. Cấu trúc điều khiển băng tải 34
Hình 2. 5. Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng 31
Hình 2. 6. Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 35
Hình 3. 15. Cấu trúc điều khiển hệ thống trên Matlab – Simulink 56
Hình 3. 16. Đáp ứng lưu lượng băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 57
Hình 3. 17. Đáp ứng vận tốc băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 58
Hình 3. 18. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 58
Hình 3. 19. Đáp ứng lưu lượng băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 59
Hình 3. 20. Đáp ứng vận tốc băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 60
Hình 3. 21. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 60
Hình 3. 22. Đáp ứng lưu lượng băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 61
Hình 3. 23. Đáp ứng vận tốc băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 62
Hình 3. 24. Đáp ứng vận tốc băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 62
Hình 3. 25. Đáp ứng lưu lượng băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 63
Hình 3. 26. Đáp ứng vận tốc băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 64
Hình 3. 27. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 64
Hình 3. 28. Đáp ứng lưu lượng băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 65
Hình 3. 29. Đáp ứng vận tốc băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 66
Hình 3. 30. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 66
Hình 3. 31. Đáp ứng lưu lượng băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 68
Hình 3. 32. Đáp ứng vận tốc dài băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 68
Hình 3. 33. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 69
- viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ một chiều trong cấu tạo và khi làm việc có một số những nhƣợc điểm
; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Vì vậy, hệ
truyền động - động cơ không đồng bộ đã và đang đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế
Simulink để điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ theo công nghệ cân băng
định lƣợng của dây chuyền sản xuất xi măng.
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
- Phƣơng pháp luận:
Nghiên cứu lý thuyết về động cơ không đồng bộ, phƣơng pháp điều chỉnh tốc
độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số. Nghiên cứu về biến tần; phần mềm Matlab -
Simulink; công nghệ cân băng định lƣợng; phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và
thuật toán điều khiển.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán.
Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý
thuyết.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tông quan về hệ thống cân băng định lƣợng trong dây chuyền sản
xuất xi măng
Chƣơng 2: Bài toán điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng
Chƣơng 3: Thực nghiệm hệ thống cân băng định lƣợng
6. Kết luận và kiến nghị
- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƢỢNG CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG
1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lƣợng
1.1.1. Đặt vấn đề
Việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng trong các nhà máy, xí nghiệp là hết sức
quan trọng. Trong rất nhiều quá trình, việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng là không
thể thiếu để có thể đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm cuối cùng là tốt nhất, với năng suất
công nghệ đặt ra.
Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, hệ thống cân băng định lƣợng còn
đáp ứng sự ổn định về lƣu lƣợng liệu và điều khiển lƣợng liệu cho phù hợp với yêu
cầu. Chính vì nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều phối và hoạch định
sản xuất, do đó nó quyết định chất lƣợng sản phẩm, góp phần vào sự thành công của
công ty, nhà máy.
Cân băng định lƣợng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó là
thiết bị cung cấp kiểu trọng lƣợng vật liệu đƣợc chuyên trở trên băng tải mà tốc độ của
nó đƣợc điều chỉnh để nhận đƣợc lƣu lƣợng vật liệu ứng với giá trị do ngƣời vận hành
đặt trƣớc.
- 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 1.1.3. Cấu tạo của hệ thống cân băng định lƣợng
Hình 1. 1. Cấu trúc của hệ thống cân băng định lượng
Hình 1. 2. Hình ảnh hệ thống cân băng định lượng - 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Hình 1. 3. Hệ thống điều khiển cân băng định lượng
Cấu tạo hệ thống cân băng định lƣợng gồm kết cấu cơ khí và hệ thống điều
khiển:
- Kết cấu cơ khí: Hệ thống cân băng định lƣợng gồm một số băng tải đƣợc
9
2
3
4
5
6
- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Để xác định lƣu lƣợng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng
thời vận tốc dài của băng tải và trọng lƣợng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài ∂
(kg/m). Trong đó tốc độ của băng tải đƣợc đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động
học với động cơ.
Tốc độ băng tải V(m/s) là tốc độ của vật liệu đƣợc truyền tải. Tải của băng
truyền (ƍ) là trọng lƣợng vật liệu đƣợc truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂ (kg/m).
Cân băng tải có bộ phận đo trọng lƣợng để đo ∂, bộ phận đo V và bộ điều khiển
để điều chỉnh tốc độ băng tải sao cho lƣu lƣợng liệu đến điểm đổ liệu bằng giá trị đặt
do yêu cầu công nghệ.
Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo
lƣu lƣợng không đổi ở điểm đổ liệu.
Q = ƍ * V (1.1)
Trọng lƣợng tổng trên băng là lực F
c
(N) đƣợc đo bởi hệ thống cân trọng lƣợng
và ∂, đƣợc tính theo biểu thức:
ƍ
g
L
F
Do đó lƣu lƣợng có thể tính là:
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Q =
gL
VFc
g
L
VFc
*
*2
2
*
(1.5)
1.1.4.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải
Trọng lƣợng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lƣợng của băng tải và
trọng lƣợng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo đƣợc trọng lƣợng của liệu thì ta phải tiến
hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lƣợng của băng tải).
Bộ điều khiển xác định trọng lƣợng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn
băng tải.
Nguyên lý của quá trình trừ bì nhƣ sau:
Băng tải phải đƣợc chia thành các phân đoạn xác định. Trong lúc trừ bì băng tải
rỗng (không có liệu trên băng) trọng lƣợng của mỗi đoạn băng đƣợc ghi vào bộ nhớ.
Khi vận hành bình thƣờng cân băng tải trọng lƣợng của mỗi vật liệu trên mỗi phân
đoạn đƣợc xác định bằng cách lấy trọng lƣợng đo đƣợc trên đoạn đó trừ đi trọng lƣợng
băng tải tƣơng ứng đã ghi trong bộ nhớ. Điều này đảm bảo cân chính xác trọng lƣợng
liệu ngay cả khi dùng băng tải có độ dày không đều trên chiều dài của nó. Việc điều
chỉnh trọng lƣợng cần phải thực hiện đồng bộ với vị trí của băng (belt index đƣợc gắn
nhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhƣng phạm vi điều chỉnh
không rộng. Phƣơng pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn và có thể đƣợc
đặt bởi ngƣời sử dụng, nhƣng trong phạm vi điều chỉnh thiết bị phải làm việc gián
đoạn thì ảnh hƣởng không tốt đến tuổi thọ của thiết bị.
- Phƣơng pháp 3 (Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp)
Phƣơng pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của 2
phƣơng pháp trên: phƣơng pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục. Phƣơng
pháp này tận dụng những ƣu điểm và khắc phục những nhƣợc điểm của 2 phƣơng
pháp trên và đƣợc thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lƣợng.
1.2. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần
1.2.1. Động cơ không đồng bộ
1.2.1.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ (KĐB) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo vận hành đơn
giản an toàn, sử dụng trực tiếp từ lƣới điện xoay chiều 3 pha nên động cơ KĐB đƣợc
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trung bình nó
chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác. Trƣớc đây do các hệ thống truyền động động cơ
KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB
khó khăn hơn nhiều so với động cơ 1 chiều. Ngày nay do việc phát triển của công nghệ
chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật tin học. Nên động cơ KĐB phát triển và dần có
xu hƣớng thay thế động cơ 1 chiều trong các hệ truyền động.
Khác với động cơ 1 chiều, động cơ KĐB đƣợc cấu tạo bởi phần cảm và phần
ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nhƣ mômen động cơ sinh ra phụ thuộc
vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ KĐB là hệ
điều chỉnh nhiều tham số.
Ta có phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
1
1
s
: Hệ số trƣợt của động cơ (1.8)
f
1
: Tần số điện áp đặt vào stator
p: Số đôi cực của động cơ
U
f
: Trị số hiệu dụng điện áp pha của stator
2
R
: Điện trở Roto quy đổi về stator
x
nm
: Điện kháng ngắn mạch
ω: Vận tốc góc của động cơ
Từ công thức (2.2) cho ta thấy tốc độ động cơ KĐB phụ thuộc vào sự biến đổi
tần số lƣới điện. khi điều chỉnh tần số thì tốc độ động cơ cũng thay đổi theo.
Đặc tính M(s) đạt điểm cực đại khi
0
ds
dM
=> Mômen tới hạn và hệ số trƣợt
tới hạn đƣợc tính theo công thức:
22
1
2
1
2
33
f
LLs
p
f
U
xs
U
M
f
nm
f
th
(1.10)
Trong đó L
1
và L
’
2
là điện cảm của cuộn dây stator và của roto đã quy đổi về stator.
- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Biểu thức trên cho thấy khi tăng tần số nguồn (f
1
< f
1đm
với điều kiện từ thông Φ = const (hoặc gần đúng giữa
U
f
/f
1
= const) thì M
th
đƣợc giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1đm
.
Hình 1. 7. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ
0
14
13
1đm
12
11
f
11
f
12
f
2 n
(rad/s) (1.11)
Trong đó: n là tốc độ động cơ (v/ph)
Tốc độ của bánh răng 2 (tốc độ của puly chủ động):
D
V
2
(rad/s) (1.12)
Trong đó: D: Đƣờng kính bánh răng 2
V: Tốc độ của băng truyền (m/s)
Tốc độ của bánh răng 1:
21
i
(rad/s) (1.13)
Trong đó: i là tỷ số truyền giữa băng răng 1 và 2
Tỷ số truyền của hộp số:
1
1
i
Tỷ số truyền giữa puly và động cơ:
2
2
i
* Tính chọn công suất động cơ
Công suất động cơ:
- 13 -
1.2.2.1. Định nghĩa
Biến tần là thiết bị biến đổi điện xoay chiều ở tần số này thành điện xoay chiều
ở tần số khác có thể điều chỉnh đƣợc.
Hình 1. 9. Biến tần
1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn
điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha đƣợc chỉnh lƣu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng
phẳng. Công đoạn này đƣợc thực hiện bởi bộ chỉnh lƣu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy,
hệ số công suất cosυ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này đƣợc biến đổi (nghịch lƣu) thành điện áp xoay
chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay đƣợc thực hiện thông qua hệ IGBT
(transistor lƣỡng cực có cổng cách ly) bằng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung
(PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số
chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ
và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Hình 1. 10. Nguyên lý hoạt động của biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và
tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy
luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện
áp => tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4.
Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của
tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc
hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh
sẽ làm năng suất tăng lên so với khi sử dụng nguồn trực tiếp, giúp loại bỏ đƣợc một số
phụ kiện cồng kềnh, kém hiệu quả nhƣ puli, motor rùa (motor phụ)…
1.2.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần
Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần số ta phải có một
bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua
một biến tần.
Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi đƣợc ngƣời ta đã thiết kế ra nhiều
loại biến tần nhƣng trong luận văn này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làm việc
theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation). Bộ biến tần
này đáp ứng đƣợc yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra đƣợc điện áp và dòng
điện gần giống hình sin.
Copyright: Tài liệu đại học ©