ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUANG HUY
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU
KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216 Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Do khắc phục được một số nhược điểm của động cơ một chiều
trong cấu tạo và khi làm việc như: không cần có cổ góp và chổi than,
những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên;
không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Vì vậy, hệ truyền
động - động cơ không đồng bộ đ
ã và đang được ứng dụng nhiều trong
thực tế sản xuất.
Một nhược điểm cơ bản của hệ truyền động này là việc điều
chỉnh tốc độ ở dải rộng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên với sự phát triển
của công nghệ vật liệu, của khoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều
chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đã được khắc phục bằng phương
pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ).
Với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển không
cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở là đáp ứng được yêu cầu. Tuy
nhiên, với các hệ truyền
động yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì
trong hệ phải có mạch tổng hợp và tạo tín hiệu điều khiển.
Công nghệ cân băng được dùng nhiều trong các dây truyền
công nghiệp ví dụ như sản xuất xi măng. Nó là một trong những công

để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ
cân băng định lượng có tính khoa học và thực tiễn cao.

3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lượng.
1.1.1. Đặt vấn đề
Hệ thống cân băng định lượng là một trong các hệ thống có vai
trò rất quan trọng trong các dây truyền sản xuất trong công nghiệp,
thương mại. Các quá trình công nghệ nói chung đều đi từ xử lý các
nguyên liệu thô ban đầu để tạo ra các thành phẩm. Vậy làm thế nào để

định lượng được khối lượng nguyên liệu đầu vào một cách chính xác và
để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng với chi phí sản xuất
thấp nhất?
1.1.2. Khái niệm
Cân băng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau
mà thành, nó thuộc dạng cân định lượng băng tải, được dùng cho hệ
thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại). Thực hiệ
n việc
phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra.
Cân băng định lượng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân
băng tải, nó là thiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên
trở trên băng tải mà tốc độ của nó được điều chỉnh để nhận được lưu
lượng vật liệu ứng vớ
i giá trị do người vận hành đặt trước.
1.1.3. Cấu tạo của cân băng định lượng
Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển
để điều chỉnh tốc
độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy
liệu bằng giá trị đặt do người vận hành đặt trước.
Do đó lưu lượng có thể tính là:
Q =
gL
VFc
g
L
VFc
*
*2
2
*

(1.5)
1.1.4.2. Đo trọng lượng liệu trên băng tải
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.
1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng
Việc điều chỉnh cấp liệ
u cho băng cân định lượng chính là điều
chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân và được thực hiện bằng 3
phương pháp.
- Phương pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn)
Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensor
cấp liệu kiểu trôi để điều khiển một số thiết bị cấp liệu.
Hình 1. 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng
1.3. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần
1.3.1. Động cơ không đồng bộ
1.3.1.1. Khái quát về động cơ không đồng bộ
1.3.1.2. Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ
* Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

Hình 1. 5 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động
* Tính chọn công suất động cơ
Công suất động cơ:
P
1
=
1
12
F
V




BỘ
KHUẾCH ĐẠI

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
được chỉnh lưu và lọc
thành nguồn 1 chiều bằng phẳng.

Hình 1. 6 Nguyên lý hoạt động của biến tần
1.3.2.3. Ưu điểm khi sử dụng biến tần
- Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí.
- Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống.
- Đáp ứng yêu cầu công nghệ.
- Tăng năng suất sản xuất.
1.3.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằ
ng 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.
1.4. Cảm biến trọng lực Loadcell
1.4.1. Khái niệm Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực ho
ặc trọng
lượng thành tín hiệu điện.
Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh
hay các lực biến thiên chậm. Một số trường hợp loadcell được thiết kế
để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.

8
1.4.2. Tế bào cân đo trọng lượng
Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao
gồm 2 loại tế bào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân
Tenzomet.

- Điện áp, độ trễ, trở kháng đầu vào, điện trở cách điện, phá hủy cơ học,
giá trị ra, trở kháng đầu ra. Quá tải an toàn, hệ số tác động của nhiệt độ.
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0.
1.4.3.4. Công thức tính khối lượng của LoadCell
Khi có tải chạy trên băng thì mô men lực của tải trọng sẽ đượ
c
cân bằng với mômen lực của đối trọng và LoadCell.

Hình 1. 8 Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực

1
220
1
1
2
l
lmLg
L
m



(Kg)
1.5. Băng tải cao su
Hệ thống băng tải được sử dụng để vận chuyển hàng hóa hoặc
tài liệu từ một điểm cố định khác trong một không gian. Các chức năng
cụ thể của hệ thống băng tải có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào
thiết kế của máy, nhưng nhiều hệ thống sử dụng một băng tải cao su để
v
ận chuyển hàng hoá.

11
1.8. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày được khái quát chung về hệ thống cân
băng định lượng. Xây dựng được cấu trúc chung của hệ thống cân băng
định lượng; các thành phần của hệ thống gồm động cơ truyền động
điện, biến tần, băng tải, bộ phận giảm tốc; lý thuyết về tế bào cân; lý
thuyết về phương pháp xác định tốc độ
quay dùng phương pháp mã hóa
xung; các phần tử để thu thập tín hiệu phản hồi hệ thống cũng như các
công thức tính các đại lượng vận tốc, khối lượng từ các tín hiệu phản
hồi đó.

12
CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng
Xuất phát từ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng được trình
bày trong chương 1, ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng
định lượng được trình bày như hình 2.2.

Hình 2. 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng
Để
tổng hợp hệ thống, tìm ra luật điều khiển ta phải xác định
mô hình toán học mô tả các thành phần trong cấu trúc hệ thống. Tác giả
sử dụng công cụ nhận dạng mô hình (System Identification toolbox)
của phần mềm Matlab (Mathwork) để xác định mô hình toán học. Khi
đó ta coi đối tượng điều khiển gồm biến tần, động cơ, bộ phận giảm tốc
và băng tải, với tín hiệu vào là tín hi
ệu điều khiển biến tần U
đk
và tín

e

Q

BĐK

U
đk
(-)

V

m
Q
đ
Hệ thống
Băng tải

13
2.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tượng
2.2.1. Thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng
Để nhận dạng mô hình toán học đối tượng (Hệ thống băng tải)
ta thực hiện cấp tín hiệu điều khiển U
đk
cho biến tần, đó đáp ứng vận
tốc của băng tải.

Hình 2. 3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng
Sau khi thu thập dữ liệu vào/ra của hệ băng tải, đáp ứng vận tốc
băng tải với thời gian trích mẫu 1ms, ta tiến hành nhận dạng đối tượng

Hệ thống
Băng tải

14
điều khiển điều khiển lưu lượng hệ cân băng định lượng được trình bày
trong hình sau:

Hình 2. 4 Cấu trúc điều khiển hệ thống
Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển lưu
lượng R
Q
sao cho trong quá trình làm việc lưu lượng liệu thực của hệ
thống luôn bám theo một lượng đặt cho trước. Bộ điều khiển R
Q
được
tổng hợp theo phương pháp modul tối ưu. Để thực hiện tổng hợp R
Q
ta
giả thiết khối lượng m là hằng số (nguyên liệu trên băng là đồng nhất).

Hình 2. 5 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số)
Bộ điều khiển R
Q
:

55
0.41093 1 1
2 1.5 8694.4 0.78045 2 1.5 8694.4 0.78045
1
2.0186 10 4.9124 10


Q
đ
(-)

m

v
R
Q
X

u
d
k
e

W
DT

15
2.4. PLC S7-200
2.4.1. Giới thiệu chung họ PLC S7- 200
* Đặc điểm họ PLC S7 - 200:
* Ứng dụng:
* S7-200 CPU:
* Các module mở rộng:
PLC S7-200 có thể mở rộng ngõ vào/ra bằng cách ghép nối
thêm các module mở rộng về phía bên phải của CPU. Bảng dưới trình
bày các module có thể mở rộng của PLC S7-200. Với các CPU khác

Hình 3. 2 Biến tần Commander SE 17
3.1.3. Loadcell
Để đo khối lượng nguyên liệu trên băng, tác giả sử dụng cảm biến
loadcell mã hiệu PT1000 do hãng PT sản xuất.

Hình 3. 3 Loadcell PT1000 gắn trên băng tải
Tín hiệu ra của loadcell được đưa vào modul mở rộng tương tự EM235
của PLC S7-200.

Hình 3. 4 Modul mở rộng EM235
3.1.4. Thiết bị đo vận tốc băng tải

Hình 3. 5 Encoder gắn trên tang bị động

18
3.1.5. PLC S7 200 (thiết bị thực hiện luật điều khiển)

Hình 3. 6 Thiết bị thực hiện luận điều khiển - CPU226
3.1.6. Băng tải

Hình 3. 7 Băng tải liệu
3.1.7. Bảng điều khiển

Hình 3. 8 Bảng điều khiển

19
3.1.7. Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng


Hình 3. 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi

21
- Đáp ứng vận tốc dài băng tải:

Hình 3. 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi
- Tín hiệu khối lượng trên băng tải:

Hình 3. 15 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi tín hiệu đặt thay đổi
3.2.2.3. Đáp ứng hệ khi nguyên liệu trên băng không đồng nhất
(nhiễu tác động)
- Tín hiệu tốc độ đặt: Q
đ
= 100kg/h
- Đáp ứng lưu lượng của hệ:

Hình 3. 16 Đáp ứng lưu lượng hệ khi nguyên liệu băng không đồng nhất

22
- Đáp ứng vận tốc dài băng tải:

Hình 3. 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải khi nguyên liệu băng không đồng nhất
- Tín hiệu khối lượng trên băng tải:

Hình 3. 18 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi nguyên liệu băng
không đồng nhất
3.2.2.4. Đánh giá kết quả thực nghiệm
Từ các kết quả thực nghiệm trên, có thể thấy một số đặc điểm sau:
- Đáp ứng của hệ thống luôn bám theo tín hiệu đặt cho dù các tín hiệu