t BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI MÃ SỐ: 176.09RD/ HĐ-KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI, CHUYÊN DÙNG CHO HỆ THỐNG 4 CÂN CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ThS. PHAN ANH DŨNG 7751 02/3/2010 Hà Nội, tháng 12/2009 2 BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2009 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng. 2. Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phan Anh Dũng 3. Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2009 đến 30/11/2009 4. Nội dung và k ết quả đạt được Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: + Thu thập, tìm tài liệu, nghiên cứu về thiết bị và công nghệ, khảo sát các thiết bị cùng loại của nước ngoài. + Nghiên cứu, lựa chọn xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp với điều kiện sản xuất, ứng dụng tại Việt nam. + Nghiên cứu, thiết k ế tổng thể nguyên lý và công nghệ cho hệ thống đồng bộ. + Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun chức năng. + Thiết kế phần mềm hệ thống. + Thiết kế chế tạo hệ thống phát đa nhiễu công nghiệp và thiết bị mô phỏng động. + Thiết kế mạch in và các giao diện lắp ráp cho hệ thống. + Lắp ráp linh kiện, nạp phần mềm cho từng cụm thiế t bị. + Lắp ráp tổng thể thiết bị . + Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống. + Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy trình lắp ráp sản phẩm. 5. Tài chính Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Kinh phí sử dụng theo đ úng quy định của nhà nước. 3 6. Kiến nghị Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành. Đề nghị cho phép báo cáo nghiệm thu đề tài. Chủ nhiệm đề tài ThS.Phan Anh Dũng 4 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH S TT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan 1 Phan Anh Dũng Thạc sỹ Điện tử - Viễn thông Chủ nhiệm đề tài Viện Máy và DCCN 2 Phạm Văn Thanh Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN 3 Lê Hoàng Hải Kỹ sư tự động hoá Viện Máy và DCCN 4 Phạm Văn Bỉnh Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN 5 Trần Như Hiếu Kỹ sư cơ khí Viện Máy và DCCN 6 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Công nghệ thông tin Viện Máy và DCCN 7 Nguyễn Văn Đông Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN 8 Nguyễn Tuấn Linh Kỹ sư cơ khí Viện Máy và DCCN 9 Ngô Xuân Cường Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN 10 Trịnh Công Dũng Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN 5 MỤC LỤC Hạng mục Trang Lời nói đầu 6 Phần 1: Tổng quan công nghệ chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối 8 1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối 8 2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước 9 3. Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng 11 Phần 2: Nội dung nghiên cứ u của đề tài 14 1. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam 14 2. Thiết kế tổng thể trung tâm điều khiển 16 3. Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun 17 4. Thiết bị mô phỏng và tạo nhiễu 26 5. Phần mềm điều khiển hệ thống 28 6. Ứng dụng trung tâm điều khiển trong điều khiển hoạt động trạm tr ộn bê tông 30 7. Quy trình chế tạo thiết bị 30 Phần 3: Kết quả thực tế 34 1. Kết quả nghiên cứu chế tạo 34 2. Kết quả thử nghiệm hiện trường 35 Phần 4: Kết luận và kiến nghị 43 Phụ lục 1: Sơ đồ mạch in các mô đun 44 Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 51 6 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi. Đặc biệt là trong các công trình xây dựng và giao thông. Ban đầu, các sản phẩm này được nhập nguyên bộ từ nước ngoài, mà chủ yếu là từ châu Âu. Sự có mặt của những sản phẩm này đã làm thay đổi cơ bản phương thức và năng suất củ a công việc xây dựng, góp phần quan trọng cho thành công ban đầu của nền công nghiệp hoá, hiện đại hoá mà chúng ta đang xây dựng. Sau một thời gian nghiên cứu các sản phẩm của nước ngoài, chúng ta đã từng bước nội địa hoá sản phẩm và đã có nhiều thành công ban đầu, đó là thiết kế chế tạo hầu hết các thành phần cơ khí, thiết kế chế tạo toàn bộ các hệ thống điện, Việ t hoá các phần mềm đo lường điều khiển và lưu giữ dữ liệu. Phần điều khiển tự động cũng có nhiều thành tựu tích cực. Trên cơ sở sử dụng máy tính công nghiệp, PLC, hoặc các bộ điều khiển đơn giản của nước ngoài, chúng ta đã xây dựng được các hệ thống điều khiển có tính chính xác cao, ổn định không thua kém các sản phẩm của các nướ c phát triển. Tuy nhiên, do nhu cầu nội địa hoá ngày càng tăng cùng với sự phát triển về trình độ điện tử và tự động hoá trong nước nên chúng ta luôn luôn mong muốn xây dựng các hệ thống điều khiển được chế tạo hoàn toàn trong nước. Với mong muốn trên cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển và cấp phối, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế t ạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng”. Mục đích của đề tài là sử dụng vi điều khiển và các linh kiện phụ trợ để xây dựng một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối được sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam như sau: + Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh 01 trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp. + Chế tạo hoàn chỉnh 01 hệ thống điều khiển hoạt động cho trạm trộn bê tông đa thành phần: định lượng 4 cân đồng thời và có thể mở rộng; điều khiển 7 hoạt động tự động của hệ thống cân công nghiệp trong sản xuất vật liệu xây dựng. Vì thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân tình để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn, có tính thực tế cao hơn, góp phần nâng cao khả năng nội địa hoá các sản phẩm cơ điện tử cũng như góp phần nâng cao trình độ nhóm ngành đ iện tử công nghiệp tại Việt nam. Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá trình thực hiện đề tài. Hà nội, ngày 02 tháng 12 năm 2009 TM Nhóm đề tài Chủ nhiệm đề tài ThS. Phan Anh Dũng 8 Phần 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI 1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối Việc điều khiển định lượng và cấp phối các vật liệu xây dựng đã được chuyển đổi từ cơ sang điện tử hiển thị số trong một khoảng thời gian dài. Nhờ đồng hồ hiển thị số và phần mềm điều khiển chuyên dụng, khối lượng vậ t liệu xây dựng được xác định một cách khá chính xác khi định lượng. Khi một hệ thống cần sử dụng nhiều vật liệu xây dựng hoặc một hệ thống cần điều khiển định lượng và cấp phối nhiều thành phần, hệ thống đó phải có một trung tâm điều khiển chung. Các hãng sản xuất thiết bị ở các nước khác nhau đã nghiên cứu chế tạo các trung tâm điều khiển khác nhau. Về mặt công nghệ, một hệ thống đo lường điều khiển định lượng thường có các chức năng sau: + Nhận tín hiệu tương tự từ các cảm biến cân, chuyển thành tín hiệu số để xác định giá trị cân. + Nhận tín hiệu từ các cảm biến số, chuyển đổi tín hiệu về dạng tín hiệu số phù hợp cho vi ệc xử lý. + Điều khiển các tín hiệu đầu ra ở mức điện áp phù hợp cho việc định lượng cân chính xác. + Nhận dữ liệu nhập theo yêu cầu của người dùng. + Hiển thị thông tin trạng thái. + Truyền tín hiệu về máy tính cho việc thu thập và xử lý dữ liệu. Ngoài ra, một hệ thống phối hợp điều khiển nhiều thành phần còn có bộ điều khiển logic chung, phố i hợp sự hoạt động nhịp nhàng của hệ thống, việc thiết kế phần cứng cũng như phần mềm của các mô đun tạo nên sự linh hoạt trong việc đáp ứng các nhu cầu khác nhau của các hệ thống điều khiển định lượng. Các trung tâm điều khiển có thể ở một trong các dạng sau: + Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển chung. + Sử dụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC cho việc quản lý dữ liệu và điều khiển. 9 + Sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối chuyên dụng. + Sử dụng kết hợp máy tính và các mô đun vi điều khiển cho việc quản lý điều khiển hệ thống. Trong đó, việc sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối có tính kinh tế cao, độ ổ n định tốt và khả năng mở rộng dễ dàng được nhiều hãng lựa chọn như là một giải pháp tối ưu. 2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước Tại các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối. Các hãng này đã chế tạo ra các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối có tính năng tốt và độ linh hoạt cao. Tuy nhiên, giá thành các b ộ thiết bị này khá cao, khi đưa về sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của Việt Nam thì vẫn có một số sai hỏng mà nhà sản xuất không lường đến. Việc nhập khẩu một loạt các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa những năm giữa thập kỷ 90 đã đem lại sự thay đổi lớn trong việc định lượng và cấ p phối, cho phép nâng cao năng lực sản xuất, năng suất và độ chính xác lên rất nhiều lần. Cùng với đó, các công trình xây dựng, giao thông đòi hỏi khối lượng vật liệu lớn được tiến hành nhanh hơn, tốt hơn. Ngoài các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa thì các hệ thống điều khiển cân đóng bao xi măng, đóng bao đạm, cũng rất cần được điều khiển t ự động. Tuy nhiên, do các hệ thống đó có số lượng nhỏ so với các hệ thống trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa nên ít được phát triển. Cho đến đầu thế kỷ 21, một số nhà máy đóng bao còn sử dụng phương pháp đóng thủ công, các công nhân cho vật liệu vào bì rồi cho lên cân để kiểm tra lại trước khi đóng bao. Để thực hiện tự động quá trình định lượng, trộn lẫn vậ t liệu hay đóng gói bao bì, ngoài hệ thống cơ khí phù hợp, cần thiết phải có hệ thống điều khiển định lượng và cấp phối chuyên dùng. Ban đầu, khi bán các hệ thống định lượng, các hãng nước ngoài bán kèm các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng của họ. Ví dụ: BUCODAT2, BUCODAT3, WLC2, EM321, . Trong giai đoạn đầu chế tạo phần cơ khí của các hệ thống định lượng, chúng ta vẫn phả i nhập ngoại các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng đó. 10 Sau giai đoạn làm quen với các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng của các nước tiên tiến, cùng với sự phát triển của công nghệ trong nước, chúng ta đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng. Kết quả là một số thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng sử dụng cho các trạm trộn bê tông tươi, các trạm tr ộn bê tông nhựa nóng, các hệ thống cân đóng bao, đã được nghiên cứu chế tạo. Một số đơn vị nghiên cứu sử dụng máy tính công nghiệp kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển định lượng và cấp phối hay sử dụng PLC để lập trình điều khiển hệ thống. Ngoài ra, cũng có những đơn vị mua bộ điều khi ển định lượng rời của nước ngoài rồi xây dựng các hệ thống kết nối các thiết bị lại với nhau, cùng với các mô đun thu nhận dữ liệu để thực hiện việc điều khiển định lượng và cấp phối. Sự chủ động về mặt công nghệ đo lường điều khiển trong các thiết bị này giúp chúng ta không bị phụ thuộc vào phầ n mềm nước ngoài quá nhiều, thuận tiện cho quá trình làm việc cũng như bảo hành bảo dưỡng. Các thiết bị phần cứng đã nhập về để thiết kế chế tạo các thiết bị điều khiển định lượng gồm: Máy tính công nghiệp, PLC S7-200, S7-300, K3MA, K3HB, Các hệ thống chúng ta sản xuất trên cơ sở các phần cứng đó phần nào đã đáp ứng nhu cầu kỹ thuật v ề các hệ thống định lượng hiện nay tại Việt Nam. Dù vậy, các thiết bị này vẫn còn một hạn chế cơ bản, là dựa quá nhiều vào phần cứng nhập khẩu từ nước ngoài, ảnh hưởng đến giá thành cũng như khả năng bảo hành bảo dưỡng cho người sử dụng. Các đơn vị đã có nhiều thời gian nghiên cứu theo các hướng trên là Công ty Cổ phần xây dựng và thi ết bị công nghiệp CIE, Công ty 1-5, Viện Điện tử - tin học, Viện Khoa học Giao thông vận tải Đặc biệt là Viện máy và Dụng cụ công nghiệp là một trong những đơn vị đi đầu trong cả nước trong lĩnh vực cơ điện tử, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phối hợp giữa các ngành cơ khí, tự động hóa, tin học và điện tử, đã tiến hành nghiên cứ u rất nhiều trong lĩnh vực này. Xuất phát từ tính kinh tế, ổn định và khả năng tùy biến linh hoạt của các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối sử dụng vi điều khiển, Viện IMI tiến hành nghiên cứu chế tạo các Trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dự ng nhằm thay thế các hệ thống nhập ngoại, đảm bảo tính linh hoạt khi sử dụng sản phẩm, thuận tiện cho việc bảo hành bảo trì và tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước. [...]... khá cao 1.2 Đặc điểm công nghệ + Công nghệ thiết kế phần mềm điều khiển: nhờ việc ứng dụng các hệ thống điều khiển trong một khoảng thời gian khá dài nên chúng ta đã nắm được các nguyên lý thiết kế cơ bản cho các hệ thống điều khiển định lượng + Công nghệ chế tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp + Công nghệ hàn: hiện nay trình... đun phần cứng để kiểm nghiệm trong thực tế 6 Ứng dụng trung tâm điều khiển trong điều khiển hoạt động trạm trộn bê tông Một ứng dụng rất quan trọng của trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối chính là trong lĩnh vực điều khiển trạm trộn bê tông tự động Do vậy đề tài xây dựng một bộ điều khiển theo hướng này Cấu hình trạm trộn được lựa chọn như sau: + Trạm trộn có 3 hoặc 4 cân: gồm cốt liệu, xi măng,... đầu vào ra là 20 + Hiển thị dữ liệu bằng 02 màn hình LCD 2 x 20 + Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu Đây là bộ điều khiển định lượng dùng vi điều khiển, có tốc độ làm việc khá cao, điều khiển định lượng nhanh và chính xác Có khả năng điều khiển định lượng 02 cân, nhưng nó chỉ điều khiển được độc lập, không có khả năng phối hợp điều khiển hai cân Ngoài ra, việc khởi động hệ thống cân. .. hoặc 4 thành phần; các trạm trộn bê tông nhựa nóng với 4 cân vật liệu; các cân đóng bao với 4 hay 8 cửa Ngoài ra, một số trạm trộn bê tông tươi sử dụng thêm cân phụ gia Tất cả các hệ thống 14 định lượng trên đều yêu cầu phải làm việc đồng bộ với độ phân giải ADC của các cân là 10-12 bit Cấu hình lựa chọn cho trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối như sau: + Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển. .. phí để mua thiết bị phần cứng khá cao, tăng chi phí đầu vào của hệ thống 3.2 Thiết bị điều khiển mẻ BC-52P Nước sản xuất: Mỹ Các tính năng cơ bản: + Điều khiển định lượng 1 cân + Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LED + Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu + Số đầu vào ra: 7 11 Thiết bị này chỉ điều khiển mẻ cho 01 cân nên để mở rộng số lượng cân, phải cần nhiều bộ hiển thị và kết hợp... hoặc các hệ thống logic khác đảm bảo sự hoạt động đồng bộ của cả hệ thống 3.3 Hệ thống điều khiển dùng PLC Nước sản xuất: Việt Nam Các tính năng cơ bản: + Điều khiển định lượng 3 cân + Độ chính xác ADC: 32000 vạch + Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái + Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm trộn + Tổng số đầu vào ra: 48 Vào ra dạng rơ le On/Off + Hiển thị dữ liệu. .. khác và được vẽ chung trong một hình 3.1 Mô đun điều khiển trung tâm Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong Hình 2: Hoạt động: Khi bật nguồn, mô đun điều khiển trung tâm điều khiển hiển thị các giá trị trạng thái các cân, khối lượng cân, trạng thái số mẻ định mức, thực tế, Giao tiếp giữa trung tâm điều khiển với mô đun hiển thị được thực hiện qua 02 jắc cắm 14 chân LCD1 và LCD2 Mô đun điều khiển trung tâm. .. Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng 3.1 Bộ điều khiển định lượng BUCODAT 2 Nước sản xuất: Đức Đây là thiết bị được sử dụng rộng rãi ở Việt nam hiện nay Các tính năng cơ bản: + Sử dụng vi điều khiển EF6809 + Tần số thạch anh 3,6864MHz + Điều khiển định lượng 2 cân + Độ chính xác ADC: 12 bit + Tín hiệu đầu vào: tín hiệu khởi động cân 1, cân 2 + Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: EMPTY,... khiển hệ thống định lượng nhằm cung cấp một quá trình đo lường điều khiển kín cho hệ thống định lượng cấp phối + Có khả năng kết nối máy tính, đảm bảo cho việc thu thập dữ liệu và quản lý dữ liệu 1 .4 Lựa chọn công nghệ và thiết bị cho đề tài - Lựa chọn vi điều khiển: Hiện nay có nhiều dòng vi điều khiển khác nhau như họ 8051, AVR, PIC, PSOC, Lựa chọn dòng PIC vì các lý do sau: + Độ ổn định cao, khả... khuyếch đại và các bộ chuyển đổi ADC với độ ổn định cao, đồng thời cần vi điều khiển và các bộ dồn kênh, phân kênh cho việc thu nhận dữ liệu Trung tâm điều khiển có từ 02 đến 04 mô đun này, mỗi mô đun điều khiển định lượng của 02 cân + Mô đun điều khiển logic: là mô đun kết hợp các đầu ra của các mô đun cân và các tín hiệu đầu vào trạng thái khác để điều khiển quá trình hoạt động logic bên ngoài hệ thống . NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2009 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI 1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối Việc điều khiển định lượng và cấp phối các vật liệu xây dựng đã được. khiển và cấp phối, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế t ạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong