TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
Đề tài: Thiết kế hệ thống cân liệu

Hà Nội
Tháng 08 năm 2016


Mục lục
Phần I: Đề bài và quy trình công nghệ ................................................................................ 3
Phần II: Tính Chọn Thiết bị................................................................................................. 5
1. Tính chọn PLC. ............................................................................................................ 6
2.Tính chọn Load cell và khuếch đại ............................................................................... 7
2.1 Chọn Load Cell: ...................................................................................................... 7
2.2 Bố trí đầu cân: ......................................................................................................... 9
2.3 Thiết kế mạch mạch khuếch đại như sau: ............................................................... 9
2.4 Phương pháp cân và sai số cách khắc phục sai số ................................................ 10
3. Tính chọn át, công tắc tơ, rơ le nhiệt, phương pháp khởi động cho động cơ băng tải.
........................................................................................................................................ 14
3.1. Động cơ băng tải gầu (15KW) ............................................................................. 14
3.2 Động cơ băng tải ngang 7.7KW .......................................................................... 18
4 Tính chọn khí nén đóng mở van các siro, buồng cân, toa........................................... 20
4.1 Chọn máy nén khí: ................................................................................................ 20
4.2 Sơ đồ khí nén: ....................................................................................................... 21
4.3 chọn van khí nén: .................................................................................................. 21
4.4 Sơ đồ phần đấu nối phần cứng PLC. ................................................................... 23
Phần III. Grafcep và chương trình điều khiển................................................................ 24
Phần IV. Giao diện giám sát và điều khiển ..................................................................27

Page | 1


NỘI DUNG ĐỀ BÀI

Đề tài: Thiết kế hệ thống cân liệu
Yêu cầu:







Chọn PLC
Chọn thiết bị bảo vệ
Vẽ nguyên lý sơ đồ đấu nối
Xây dựng chương trình Grafcep
Viết chương trình điều khiển
Thực hiện điều khiển giám sát bằng Wincc

Page | 2


Phần I. Đề bài và quy trình công nghệ
1. Đề bài: Thiết kế hệ thống cân liệu
Công suất băng tải gầu: 15 Kw
Công suất băng tải ngang: 7.7 Kw
Tải trọng mỗi mẻ cân là 100Kg
Tải trọng của buồng cân là 50Kg


Page | 3


-Quy trình công nghệ:

-

Nguyên lý hoạt động

Khi bắt đầu khởi động bấm nút “Start” thì động cơ băng gầu bắt đầu hoạt động, sau
10s thì động cơ băng tải ngang được hoạt động, sau đó xy lanh van cân tác động mở van
ra. Ở quá trình cân, ta tiến hành cân theo từng mẻ và cân theo kiểu cộng dồn. Sau khi
bấm “Start” ta lần lượt chọn các mã cần bằng nút bấm chọn “Mã”, ở đây cài đặt 3 mã cân
để cân theo các tỉ lệ cân phù hợp với nhu cầu. Quá trình chuyển mã như sau: Khi đang
cân ở 1 mã bất kì nếu muốn chọn mã khác bấm vào nút chuyển mã “Mã” quá trình cân ở
mã trước phải được cân hết 1 mẻ mới được phép chuyển sang mã cân tiếp theo, quá trình
được cân được lặp lại tuần hoàn. Khi muốn dừng hệ thống ta bấm vào nút “stop” hệ
thống sẽ chờ cho quá trình cân hết 1 mẻ và xả hết. Sau đó là đóng van xả lại, sau 10s
dừng động co băng tải, sau 10s nữa tiếp tục dừng động co băng gầu và quá trình kết thúc.
Trong quá trình hoạt động nếu có sự cố, ở đây sự cố chủ yếu là quá tải động cơ băng tải
ngang và động cơ băng tải gầu, rơ le nhiệt tác động. Tả phải xử lí đồng thời là: đóng van
xả của thùng chứa, dừng động cơ băng tải ngang và băng tải gầu, quá trình cân vẫn tiếp
tục cho đến hết 1 mẻ cân.

Page | 4


Bảng khối lượng cân mỗi mã
Silo/ Mã

1
2
3
4

Mã 1
20 Kg
20Kg
30 Kg
30 Kg

Bảng khối lượng thực trên buồng cân
Thứ tự xả Silo\Mã Mã 1
1
70 Kg
2
90Kg
3
120 Kg
4
150 Kg

Mã 2
25 Kg
25 Kg
25 Kg
25 Kg

Mã 2
75 Kg

100 Kg
125 Kg
150 Kg

Mã 3
30 Kg
30 Kg
20Kg
20 Kg

Mã 3
80 Kg
110 Kg
130Kg
1500 Kg

Page | 5


Phần II. Tính Chọn Thiết bị
1. Tính chọn PLC.
Chọn PLC S7 300 của hảng siemens.
- Chọn nguồn: chọn modul PS 307 5A (6ES7 307 1E00-0AA0)
Với: - điện áp vào 120÷230V AC
- Đầu ra 24V AC / 5A
- Chọn CPU chính: chọn CPU 314C – 2DP (6ES7 314-6CF00-0AB0)

Với: - 24 đầu vào số
-16 đầu ra số
- 4 đầu vào tương tự

- 2 đầu ra tương tự

Page | 6


- 4 đầu ra PWM tần số 2.5 KHz
- 4 bộ đếm tốc độ cao 30 KHz 24V DC
- 2 công giao tiếp MPI
2. Tính chọn Load cell và khuếch đại
2.1 Chọn Load Cell: Sử dụng Load Cell HXS Keli có tải trọng 60Kg có hình ảnh:

Có thông số kĩ thuật:
-Tải trọng: 60Kg
-Cấp chính xác: OIML R60 C3
-Cảm biến loại Single Point
-Điện áp biến đổi (2±0.002) mV/V
-Điện áp kích thích: 6-15 V
-Điện trở đầu vào: (381±4) Ω
Page | 7


-Điện trở đầu ra: (350±1) Ω
-Điện trở cách điện: ≥ 5000 (ở 50 VDC) MΩ
-Đạt tiêu chuẩn bảo vệ IP67
-Chất liệu: anodized aluminum
-Ướng dụng cân bàn, cân sàn
-Quá tải 150%
Kính thước sàn cân tối đa: (600x800) mm
-Chiều dài dây tín hiệu: 2m
-Màu sắc dây: Đỏ, Đen, Xanh, Trắng

-Ứng dụng cân băng tải, cân đóng gói, cân sàn, cân bàn có độ rung và dao động
- Bảng một số màu sắc hay gặp trong thực tế của load cell

Page | 8


2.2 Bố trí đầu cân:
Ta bố trí 3 đầu cân đều nhau xung quanh buồng cân, mỗi đầu cân cách nhau 1 góc
1200 như hình vẽ.

Ưu điểm: 3 đầu cân được bố trí thành hình tam giác nên cơ cấu chắc chắn, chống
rung động.
Nhược điểm: Tải trọng phân bố không đều có thể làm ảnh hưởng đến sai lệch khi
cân.
→ Cách khắc phục: Thiết kế cân đối xứng, buồng cân tròn, trơn, đổ vật liệu từ các
siro vào buồng cân thì phải đúng chính giữa buồng cân.
2.3 Thiết kế mạch mạch khuếch đại như sau:
-Vì cảm biến Load Cell đưa ra điện áp tương đối nhỏ nên ta cần phải khuếch đại tín
hiệu đó lên cho phù hợp với tín hiệu chuẩn mà đầu vào analog mà moddul mở rộng PLC
có thể đọc tốt đảm bảo chính xác.
+, Chọn điện áp kích thích cho Load Cell là 12V
Ta được điện áp đầu ra của cảm biến sẽ là: 12x2=24mmV
+, Chọn mạch khuếch đại là khuếch đại thuật toán OA không đảo.
Sơ đồ mạch điện cấp nguồn cho cảm biến và khuếch đại là:

Page | 9


Ta có giá trị của tín hiệu điện sau khi qua bộ khuếch đại là:
𝑅𝑓


Ur = Uv.(1+ )
𝑅1

=Uv.(1+415,6)
Hệ số khuếch đại K=416,6
 Ur = 24mV. 416,6 = 9.998V ≈ 10V
Nhận xét: Qua mạch khuếch đại thuật toán nếu tín hiệu trọng lượng vào cần từ
0→60Kg thì sẽ đưa ra tín hiệu điện áp từ 0→10V.
2.4 Phương pháp cân và sai số cách khắc phục sai số
+ Ta thực hiện theo phương pháp cân cộng dồn: Có nghĩa là sau mỗi lần thực hiện
cân cốt liệu lại coi vật cân là bì để thực hiện cân loại cốt liệu tiếp theo.
Ví Dụ:
-Cân cát: Tải trọng tĩnh 1 = tải trọng của bì + khối lượng cát

Page | 10


-Cân đá mạt: Tải trọng tĩnh 2 = tải trọng tĩnh 1 + khối lượng đá mạt

-Cân đá nhỏ: Tải trọng tĩnh 3 = tải trọng tĩnh 2 + khối lượng đá nhỏ

-Cân đá lớn: Tải trọng tĩnh 4 = tải trọng tĩnh 2 + khối lượng đá lớn

+Sai số của hệ thống cân: ta thấy quá trình cân luôn gặp phải những sai số bao gồm:
- Trong quá trình làm việc của hệ cân và cảm biến chịu tác động của môi trường
xung quanh như sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất. Các yếu tố này sẽ tác động lên hệ
cân và làm cảm biến cân sai lệch kết quả đo. Thông thường sai số này thường đòi hỏi cỡ
0.5% đến 1%.
- Sai số do quá trình rơi vật liệu gây ra: Trong quá trình vật liêu rơi sẽ chịu lực tác

dụng gia tốc trọng trường (g=10m/s) gia tốc này sẽ tạo nên lực F=mg (m: là khối lượng
vật liệu rơi) tác động lên buồng cân. Lực này phụ thuộc vào loại vật liệu, khối lượng vật
Page | 11


liệu. Sai số này tác động liên tục trong quá trình làm việc. Lực này sẽ mất đi hay sai số tự
do sẽ mất đi ngay sau khi vật nằm yên trong buồng cân.

F: lực rơi tự do của vật liệu
m: khối lượng vật liệu
g: gia tốc trọng trường

-Sai số do thời gian đóng cửa xả: Khi lượng vật liệu cân đã đủ khối lượng yêu cầu
thì cân và cảm biến sẽ phát tín hiệu xử lý. Hệ thống này sẽ truyền tín hiệu điều khiển
đóng của xả và cửa xả đóng lại không cho vật liêu rơi xuống buồng cân nữa. Từ lúc cảm
biến phát tín hiêu đến lúc của xả đóng lại sẽ có 1 lượng vật liệu tiếp tục rơi vào buồng
cân. Lượng vật liệu này chính là lượng vật liệu dư thừa gây nên sai số cho quá trình cân.
Sai số này phụ thuộc vào độ biến thiên thời gian tác động của cửa xả, lượng vật liệu trên
buồng chứa cấp liệu, áp lực khí nén, lượng vật liệu qua cửa xả...

Nạp liệu vào buồng cân
Page | 12


- Sai số do bố trí đầu cân không đều của vật liệu trong buồng cân khi sử dụng nhiều
cảm biến cân. Trong quá trình vật liệu chảy xuống buồng cân thì lượng vật liệu phân bố
trong buồng cân không đều mà trong trạm trộn bê tông khi cân côt liệu người ta tường sử
dụng buồng cân 3 đầu cân treo. Lúc đó sự phân bố vật liệu không đồng đều mà tác động
lên các đầu cân khác nhau. Điều này gây sai số trong quá trình cân vật liệu.
- Sai số tích lũy của vật liệu trước và vật liệu sau: Trong quá trình cân côt liệu

thường thì người ta sử dụng cân cộng dồn 3 đến 4 loại vật liệu. Như chúng ta đã nói ở
phần sai số do thời gian đóng cửa xả, sẽ có 1 lượng vật liệu của loại vật liệu trước tính
vào khối lượng cho loại vật liệu sau nó. Do đó dẫn đến sai số quá trình cân các vật liệu từ
thứ 2 trở về sau.
- Sai số do các thiết bị phụ trợ gây nên: Trong quá trình cân tự động, các thiết bị nạp
và xả phải được gắn sao cho khi các thiết bị này tác động không gây ra thay đổi tải trọng
đối với hệ thống cân.
+ Cách khắc phục sai số:
- Sai số tĩnh: bao gồm sai số của hệ thống cân và cảm biến cân, sai số do các thiết
bị. Với sai số này chúng ta có thể khắc phục bằng cách bù trừ 1 lượng nào đó khi tổ chức
hệ cân hoặc khi thay đổi vật liệu.
- Sai số động: Là các sai số thay đổi theo quá trình cân bao gồm quá trình vật liệu
rơi gây ra, sai số do bố trí không đều của các vật liệu.
=> Muốn khắc phục sai số này thì chúng ta phải hiệu chỉnh liên tục, tính toán lượng
bù trừ thích hợp.

Page | 13


3. Tính chọn áptomat, công tắc tơ, rơ le nhiệt, phương pháp khởi động cho động cơ
băng tải.
3.1. Động cơ băng tải gầu (15KW)
+Dùng phương pháp khởi động Y→∆ để giảm dòng khởi động
Ta cáo sơ đồ nguyên lý:

-Trong đó:









AT là atomat
K contactor đóng cắt nguồn cho động cơ
K∆ contactor để động cơ thực hiện chế độ nối ∆
KY contactor để động cơ thực hiện chế độ nôi Y
RN Rơ le nhiệt bảo vệ quá tải động cơ
RT rơ le thời gian
M tiếp điểm thường hở của role trung gian

Tính toán đòng định mức cho động cơ:
Page | 14


Ta có các thông số: - hiệu suất động cơ: η = 0,9
-Hệ số cosφ = 0,85
I

P
15

 30 A
. 3.380 0,9.0.85. 3.380

Căn cứ vào dòng điện định mức của động cơ ta chọn các loại khí cụ điện:
+ Atomat:
Chọn hệ số cho atomat là: 1,5


+ Contactor chọn 3 cái có thông số:

Page | 15


+ Chọn Rơ le nhiệt:
- Chọn hệ số cho rơ le nhiệt là 1,2
=> Điều chỉnh rơ le nhiệt Iđm =36A

Ta điều chỉnh dòng định mức Rơ le nhiệt khoảng 35A là hợp lý.
+ Chọn Rơ le trung gian cho mạch điều khiển:

Page | 16


+ Chọn Rơ le thời gian:

Page | 17


3.2. Động cơ băng tải ngang 7.7 KW
Ta chọn phương pháp khởi động trực tiếp
Sơ đồ nguyên lý của động cơ:

-Trong đó:
 AT là át to mát bảo vệ quá tải và ngắn mạch động cơ
 K là contactor có nhiệm vụ đóng cắt động cơ
 RN là rơ le nhiệt bảo vệ quá tải động cơ
 M tiếp điểm thường hở của rơle trung gian
Tính toán đòng định mức cho động cơ:

Ta có các thông số: - hiệu suất động cơ: η=0,9
-Hệ số cosφ=0,85
I

P
7.7

 15,3 A
. 3.380 0,9.0.85. 3.380

Căn cứ vào dòng điện định mức của động cơ ta chọn các loại khí cụ điện:
Page | 18


+ Chọn Atomat
Chọn hệ số của atomat là 1,5

+Chọn rơ le nhiệt:
Chọn hệ số cho rơ le nhiệt là 1,2
=> Điều chỉnh rơ le nhiệt Iđm=18A

Page | 19


4. Tính chọn khí nén đóng mở van các silo, buồng cân, toa.
4.1 Chọn máy nén khí:
Máy nén khí dùng để cấp khí nén điều khiển đóng mở các silô cấp liệu, buồng cân,
toa.
Ở đây ta chọn máy nén khí:


Đây là máy nén khí piston có hệ thống ngưng và xả nước có trong khí nén, hệ thống
phun dầu bôi trơn các bộ phận công tác khi đi qua xi lanh, van phân phối khí trang bị rơ
le điều chỉnh áp lực, đông hồ báo áp lực.

Page | 20


Ưu điểm: Kết cấu gọn gàng, trọng lượng máy trên một đơn vị năng xuất nhỏ, chiếm
diện tích lắp đặt không nhiều, tiện lợi tháo lắp các cum và chi tiết máy, độ tin cậy cao.
4.2 Sơ đồ khí nén:

4.3 Chọn van khí nén:
Chọn loại van bán điện từ TG 2531
Với các thông số: - Nguông cấp 220V-AC, 24V - DC
Loại van: 5 cửa 2 trạng thái:
Trạng thái ban đầu:
 P thông với B
 A thông với R
Khi có điện van chuyển trạng thái:
 P thông với A
 B thông với S

Page | 21


Sơ đồ:

Page | 22



4.4 Sơ đồ phần đấu nối phần cứng PLC.

-Sơ đồ đấu nối dây:

Page | 23


Phần III. Grafcep và chương trình.
1. Grapcef chương trình

Page | 24