ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRONG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
Dương Chính Cương*, Đỗ Thị Mai, Hoàng Tiến Tùng, Lê Thị Thu Huyền Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Trong các ngành sản xuất công nghiệp hiện nay, nhu cầu sử dụng hệ thống cân định lượng là một nhu cầu thiết yếu nhằm đáp ứng tính liên tục, chính xác của quá trình sản xuất. Chủ yếu hệ thống cân băng định lượng sử dụng trong các nhà máy ở Việt nam nhập từ nước ngoài. Nắm bắt tình hình thực tế, rất nhiều công ty thuộc lĩnh vực Tự động hóa trong nước đã xây dựng các giải pháp công nghệ cho hệ thống cân định lượng của riêng mình dựa theo tiêu chuẩn quốc tế có khả năng ứng dụng cao. Tuy nhiên, các hệ thống cân băng định lượng này có giá thành cao. Dựa trên sự thiếu hụt trang thiết bị học tập mô phỏng các hệ thống cân băng định lượng trong thực tế dành cho sinh viên, chúng tôi – nhóm giảng viên Khoa Công nghệ Tự động hóa - Trường Đại học CNTT&TT nhận thấy sự cần thiết trong việc nghiên cứu, chế tạo một mô hình hệ thống cân định lượng nhằm mục đích cung cấp tài liệu và thiết bị thực hành, thí nghiệm cho sinh viên trong Khoa, đáp ứng mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng. Bài báo này trình bày hướng thiết kế, xây dựng mô hình, phương pháp lập trình điều khiển, giám sát hoạt động và phương thức truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống.
Từ khóa: cân băng định lượng, mô hình hệ thống, điều khiển, giám sát.
GIỚI THIỆU*
Mô hình hệ thống cân băng định lượng xây dựng đáp ứng nhu cầu đào tạo của Khoa Công nghệ Tự động hóa. Hệ thống bao gồm 03 dây chuyền băng tải được dẫn động bởi động cơ không đồng bộ 3 pha tương ứng cho 3 nguyên liệu đầu vào. Cảm biến cân Loadcell được bố trí như trên Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ bố trí loadcell
Quá trình cân trên mỗi băng tải được điều khiển bởi 1 PLC tương ứng. Đồng thời sử dụng 1 PLC trung tâm cho nhiệm vụ điều khiển giám sát hoạt động đồng bộ toàn hệ thống [6], [7].
*Tel: 01869 308883, Email: dccuong@ictu.edu.vn
Bài toán cân băng định lượng đặt ra ở đây là bài toán cân động liên tục, tức dòng nguyên liệu di chuyển “có tính dòng chảy” trong quá trình cân. Các yêu cầu cụ thể đối với hệ thống được trình bày trong phần II. Lập trình hệ thống điều khiển được giới thiệu ở phần III.
Thiết kế hệ thống giám sát được thực hiện trong phần IV. Một số kết quả thực nghiệm hệ thống được trình bày ở phần V. Cuối cùng là một số kết luận và định hướng phát triển hệ thống.
YÊU CẦU BÀI TOÁN
Các vấn đề đặt ra cần giải quyết [5]
Vấn đề điều khiển
- Đọc và hiển thị giá trị khối lượng vật liệu trên băng chuyền tại từng thời điểm dựa trên tín hiệu thu thập được từ cảm biến Loadcell;
- Điều khiển tốc độ động cơ băng tải sử dụng biến tần ABB ACS150;
- Điều khiển hệ thống cân băng định lượng cân theo tỷ lệ và khối lượng vật liệu đặt trước phù hợp với yêu cầu của từng quy trình công nghệ;
- Đồng bộ hóa hoạt động toàn hệ thống.
Vấn đề giám sát
Thiết kế giao diện giám sát các thông số hoạt động:
- Từng dây chuyền băng tải cân định lượng đơn lẻ;
- Toàn bộ hệ thống khi được điều khiển đồng bộ hoạt động trên PLC trung tâm.
Vấn đề truyền thông [1],[2]
Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển được thể hiện trên Hình 2.
Hình 2. Mô hình phân cấp chức năng và hệ thống mạng trong hệ thống cân băng định lượng Chiếu theo Hình 2, hệ thống cân băng định lượng bao gồm 3 cấp chức năng chính: cấp giám sát, cấp điều khiển, cấp trường; tương ứng với 2 cấp hệ thống mạng: Cấp trường và cấp điều khiển.
- Đối với cấp trường: Không sử dụng giao thức mạng truyền thông công nghiệp, mà thực hiện trao đổi thông tin trực tiếp thông qua tín hiệu số và tín hiệu tương tự.
- Đối với cấp điều khiển: Sử dụng loại giao thức mạng đặc trưng của S7-1200 hiện nay là Ethernet, với đặc điểm là kết nối thiết bị vào hệ thống mạng dễ dàng, cấu hình thiết bị đơn giản, tốc độ truyền thông cao đáp ứng tính năng thời gian thực, giá thành thấp, đáp ứng được điều kiện làm việc của môi trường công nghiệp.
Một số giả định [5]
- Lưu lượng nguyên liệu do silo cấp là không đổi hoặc thay đổi không đáng kể;
- Vận tốc chuyển động của băng tải được cài đặt trước thông qua điều khiển ngõ vào số trên biến tần là xác định và không thay đổi;
- Giá trị đo được của loadcell tại mọi thời điểm trong 1 mẻ cấp liệu có thể coi là như nhau hoặc dao động quanh một giá trị trung bình Pctb với sai số nằm trong giới hạn cho phép;
- Nguyên liệu cân dạng mịn, đều.
Lượng nguyên liệu chảy vào thùng chứa được xác định theo công thức sau:
P = Pctbs.ttl (1) trong đó:
+ Pctbs: giá trị trung bình mà loadcell cân được trong một đơn vị thời gian.
+ ttl: Thời gian trung bình cần thiết để đạt được giá trị khối lượng nguyên liệu cần trộn.
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Phương thức lập trình [3]
Có 2 phương thức lập trình PLC cơ bản: lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc.
Với những yêu cầu điều khiển được nêu ra trong phần II của bài báo, chúng tôi chia nhỏ chương trình thành nhiều khối, mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ riêng, cụ thể.
Như vậy, bài toán này được giải quyết thông qua phương thức lập trình có cấu trúc dựa trên ngôn ngữ LAD.
Các khối lập trình chính [3]
-Khối OB (organization block): Khối tổ chức chương trình. Có nhiều loại khối OB:
Program cyclic, start up, time delay interrupt, cyclic interrupt, time error interrupt, diagnostic error interrupt.
Trong bài toán này, các khối lập trình được sử dụng bao gồm:
+ Start up (OB100): khối lệnh được thực thi 1 lần khi CPU chuyển từ chế độ STOP sang RUN + Khối Main (OB1): được thực thi một cách tuần hoàn khi CPU ở chế độ RUN
+ Khối Cyclic Interrupt (OB30): khối lệnh được thực thi một cách tuần hoàn theo chu kỳ, không phụ thuộc vào chu kỳ xử lý chương trình của CPU
- Khối FC: chứa mã chương trình tương ứng với từng nhiệm vụ riêng. Mỗi hàm FC được cung cấp một tổ hợp ngõ vào và ngõ ra dành cho việc chia sẻ sữ liệu với khối đang gọi nó.
Không yêu cầu vùng nhớ dành riêng cho nó.
- Khối DB: chia làm 2 loại
+ Global data block: lưu trữ dữ liệu có thể được truy nhập bởi tất cả các khối trong chương trình. Tất cả các khối OB, FB, FC đều có thể đọc hoặc ghi dữ liệu của mình vào Global DB
+ Instance data block: chỉ chứa dữ liệu dành riêng cho 1 khối FB gọi nó
- Khối FB: khối function block, chứa code của chương trình, lưu trữ dữ liệu xử lý của nó
thường xuyên trong khối instance data block tương ứng.
- Khối OB30: cyclic interrupt _LOADCELL:
thực hiện nhiệm vụ chính là đọc giá trị điện áp đầu ra của Loadcell. Đầu ra của loadcell có dạng điện áp chuẩn 0-10V, tương ứng với ngõ vào tương tự tích hợp sẵn trong CPU. Bộ AI sẽ biến đổi điện áp đầu vào tương ứng với giá trị khối lượng vật liệu trên băng chuyền về các giá trị integer tương ứng lưu trữ tại ô nhớ dạng word vùng nhỡ ngõ vào của PLC. Thời gian lấy mẫu tín hiệu tương tự thực hiện bằng thời gian thực thi khối OB30: 10ms.
Thiết kế PLC trung tâm và giao diện điều khiển giám sát HMI thể hiện trong Hình 3.
Hình 3: Cấu trúc lập trình hệ thống Project “PLC.MAIN.CHINH” bao gồm các phần lập trình cho từng băng tải (1,2,3), phần lập trình cho PLC trung tâm và phần giao diện điều khiển giám sát HMI.
Xây dựng các khối lập trình để điều khiển dây chuyền băng tải 1 thể hiện trên Hình 4.
Hình 4. Các khối block chính của từng băng tải Cấu trúc lập trình tương tự cho các dây chuyền băng tải 2,3. Từng khối block có nhiệm vụ như sau:
- Khối STARTUP OB100: thực hiện nhiệm vụ khởi tạo hệ thống.
- Khối FC1: ĐỌC LOADCELL: thực hiện nhiệm vụ tính toán giá trị thực tế của khối lượng vật liệu trên băng tải dựa vào kết quả lấy mẫu của khối OB32 (xử lý tín hiệu tương tự).
- Khối DB1: khối dữ liệu lưu trữ các biến phục vụ cho toàn bộ các khối code khác của chương trình.
- Khối Main OB1: thực hiện nhiệm vụ gọi các khối code của chương trình, đảm bảo chương trình thực thi theo đúng thuật toán điều khiển.
- Khối DB2: lưu trữ dữ liệu nhận về từ PLC MAIN
- Khối OB31 _LIMIT: tính toán giới hạn trên (H_Limit) và giới hạn dưới (L_Limit) cho khối lượng cần cân M_TONG
PLC MAIN thực hiện nhiệm vụ điều khiển các PLC riêng lẻ. Truyền tín hiệu điều khiển khởi động, dừng, điều khiển đóng mở cân định lượng toàn hệ thống (START_TT, STOP_TT, ON.CDL_TT, OFF.CDL_TT), tỷ lệ đặt, khối lượng đặt, tín hiệu đồng bộ hoạt động toàn hệ thống đến các PLC chấp hành;
nhận các tín hiệu giá trị cân tại từng thời điểm, và trạng thái hoạt động từng dây chuyền cân băng định lượng băng tải lên PLC MAIN. Để thực hiện các nhiệm vụ đó, cần tiến hành lập trình truyền thông thông qua các hàm truyền nhận dữ liệu PUT/GET của truyền thông S7 communication dựa trên nền giao thức cấp dưới Profinet. Cấu trúc lập trình cho PLC MAIN được trình bày như trong Hình 5.
Hình 5: Các khối lập trình chính của PLC MAIN Việc ghép nối PLC với các thiết bị ngoại vi được thực hiện thông qua các ngõ vào/ra vật lý (xem trong Bảng 1). Chúng sẽ được quét 1 lần trong 1 chu kỳ thực hiện chương trình của PLC.
Bảng 1. Các ngõ vào/ra của hệ thống STT Địa chỉ Comment
Ngõ vào của từng PLC riêng lẻ
1 I0.0 START
2 I0.1 STOP
3 I0.2 ON.CDL
4 I0.3 OFF.CDL
5 I0.4 Điều khiển khởi động, dừng từ PLC MAIN
6 I0.5 Điều khiển cân, dừng cân từ PLC MAIN
7 IW64 Địa chỉ đầu vào Loadcell Ngõ ra của từng PLC riêng lẻ 1 Q0.0 Đóng/mở van silo cấp liệu 2 Q0.1 Khởi động biến tần
3 Q0.2 Điều khiển động cơ chạy với tần số đặt trước
Ngõ vào PLC MAIN
1 I0.0 START (nút bấm) toàn hệ thống 2 I0.1 STOP (nút bấm) toàn hệ thống 3 I0.2 ON cân định lượng toàn hệ thống 4 I0.3 OFF cân định lượng toàn hệ thống
Ngõ ra PLC MAIN
1 Q0.0
Điều khiển khởi động/dừng toàn hệ thống (đấu nối vào I0.4 của PLC riêng lẻ) 2 Q0.2
Điều khiển cân/dừng cân toàn hệ thống (đấu nối với I0.5 của từng PLC riêng lẻ)
Lưu đồ thuật toán:
GIÁM SÁT [4], [8]
Để thực hiện chức năng giám sát, các thông số về trạng thái hoạt động của hệ thống phải được kết nối với HMI (xem trong bảng 2).
Bảng 2. Các tag của PLC riêng lẻ kết nối với HMI
Stt Tên tag
1 DB1_LOADCELL
2 DB1_M_SETPOINT
3 DB1_M_TONG
4 DB1_TYLE_PLC
5 DEN_STOP
6 DONGCO_F1
7 DUY_TRI
8 KD_BT
9 ON_CDL_BT
10 OFF_CDL_BT
11 Q_VANSILO
12 RESET
13 START_HMI
14 STOP_HMI
Cấu trúc màn hình giao diện hệ thống được thể hiện như trong Hình 6.
Hình 6. MAIN - màn hình giao diện điều khiển giám sát trung tâm
Trên màn hình MAIN có thể theo dõi được thông số về giá trị tức thời của Loadcell, khối lượng cân, giá trị tỷ lệ, giá trị đặt của từng băng tải; cũng như tiến hành điêu khiển hoạt động hệ thống thông qua các nút bấm trong vùng “CONTROL”.
Các nút F1, F2, F3 gọi màn hình giao diện điều khiển giám sát của từng PLC I, II, III.
Nút F4: quay lại màn hình giao diện điều khiển giám sát trung tâm.
Hình 7. Màn hình giao diện điều khiển giám sát của dây chuyền 1
Tương tự đối với các nút bấm F1, F2, F3, F4 trên màn hình giao diện điều khiển giám sát trung tâm.
KẾT QUẢ
Kết quả nghiên cứu đạt được:
Phần cứng được thể hiện trong Hình 8,9.
- Mô hình hệ thống cân băng định lượng
Hình 8. 3 dây chuyền băng tải trong hệ thống cân định lượng
Hình 9. Các module điều khiển
Từ Hình 9 có thể thấy 4 PLC điều khiển, 1 bộ kết nối mạng D-Link sử dụng để ghép nối và truyền tin qua lại giữa PLC – PLC, PLC – HMI; các nút bấm điều khiển ngõ vào PLC.
- Chương trình điều khiển (phần mềm):
+ Điều khiển cân định lượng từng băng tải với vật mẫu theo yêu cầu khối lượng xác định đặt trước tại từng module (PLC) đơn lẻ + Điều khiển đồng bộ hoạt động toàn bộ hệ thống cân với tỷ lệ đặt và khối lượng cân tổng có thể cài đặt được tại PLC điều khiển trung tâm
+ Lập trình hàm truyền thông PUT/GET cho việc thu thập dữ liệu quá trình từ các PLC đơn lẻ về PLC trung tâm và truyền tín hiệu điều khiển từ PLC trung tâm đến từng PLC đơn lẻ - Giao diện điều khiển giám sát:
Hoàn thành thiết kế giao diện điều khiển giám sát:
+ Hoạt động của từng dây chuyền cân định lượng (3 HMI riêng lẻ).
+ Hoạt động của toàn bộ hệ thống thông qua PLC trung tâm (HMI trung tâm).
- Xây dựng được 9 bài thực hành thí nghiệm nằm trong 8 môn học cốt lõi của ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, được áp dụng trong hoạt động đào tạo của Khoa Công nghệ tự động – Trường ĐH CNTT&TT Thái Nguyên bắt đầu từ học kỳ II năm học 2016-2017.
Bảng 3 thống kê tên bài thực hành và tên môn học sẽ áp dụng trong chương trình đào tạo.
Bảng 3. Bài thực hành và tên môn học được áp dụng
STT Tên bài thực hành Môn học áp dụng
1 Tổng quan về mô hình hệ thống Cân băng định lượng Trang bị điện
2 Trang bị điện cho hệ thống cân băng định lượng Máy điện và khí cụ điện 3 Hệ thống điều khiển trung tâm – PLC S7 1200 – 1211C. Kỹ thuật thông tin công nghiệp 4 Hệ thống đo lường – xử lý tín hiệu loadcell Mavin_NA2 Kỹ thuật vi điều khiển
5 Hệ PLC – Biến tần – Động cơ Kỹ thuật lập trình công nghiệp
6 Cân định lượng (xử lý tín hiệu tương tự trên PLC S7-1200) Kỹ thuật lập trình công nghiệp 7 Xây dựng giao diện điều khiển giám – HMI cho dây chuyền cân
băng định lượng riêng lẻ
-Kỹ thuật lập trình công nghiệp -Hệ SCADA và ứng dụng 8 Xây dựng giao diện điều khiển giám sát – HMI cho PLC trung tâm -Kỹ thuật lập trình công nghiệp
-Điều khiển quá trình
9 Lập trình truyền thông S7 communication Kỹ thuật thông tin công nghiệp
KẾT LUẬN
Bài toán điều khiển và giám sát hệ thống cân băng động liên tục là một bài toán phức tạp, có tính đến nhiều yếu tố tác động ảnh hưởng đến độ chính xác của khối lượng vật liệu trên băng chuyền như là: lực căng băng tải, lực ma sát chuyển động băng chuyền, thời gian trễ của bộ điều khiển, sai số của thiết bị đo, thời gian trễ của giao thức truyền thông, sai số của cơ cấu chấp hành, thời gian lấy mẫu của tín hiệu tương tự… Trong phạm vi bài báo này, với việc giả định một số yếu tố như đã trình bày tại mục II, cùng với việc loại bỏ sự tác động ảnh hưởng của nhiễu; bằng kết quả thực nghiệm, sai số hệ thống đạt được là 2,34% < 5% đã đảm bảo chất lượng điều khiển hệ thống. Cụ thể phương pháp tính toán và kiểm nghiệm chất lượng hệ điều khiển sẽ được trình bày trong bài báo nối tiếp chuyên đề này do nhóm tác giả thực hiện. Trong tương lai chúng tôi hướng tới nghiên cứu mở rộng và đi sâu vào hệ thống cân băng định
lượng có tính toán tới một số nhiễu khác tác động lên hệ thống, điều khiển ổn định tốc độ băng tải qua PID.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Minh Sơn (2001), Mạng truyền thông trong công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.
2. Siemens (1998), SIMATIC NET: Industrial Communication network, Siemens AG.
3. Siemens (2009), SIMATIC S7 – 1200, Easy Book manual, Siemens AG 11/2009.
4. Siemens (2010), SIMATIC WINCC, Human Machine Interface, Siemens AG.
5. Hoàng Minh Sơn (2009), Cơ sở điều khiển quá trình, Nxb Bách khoa Hà Nội.
6. Chitra S., Vijaya Raghavan (2014), “Conveyor Control Using Programmable Logic Controller”, International Journal of Advancements In Research & technology, 8/2014.
7. Ashawini Bhiungade (2015), Automation of conveyor using PLC, Technical Research organization India
8. M.Kanmani, Jnivedha, Gsundar: Belt conveyor monitoring and fault detecting using PLC and
SCADA, IJAREEIE, 5/2014.
SUMMARY
DESIGN THE SUPERVISORY AND CONTROL SYSTEM FOR QUANTITATIVE WEIGHING SYSTEM
Duong Chinh Cuong*, Do Thi Mai, Hoang Tien Tung, Le Thi Thu Huyen University of Information and Communication Technology - TNU Nowaday, it is really neccessary to use a quantitative weighing system in the industrial manufacture. Most of weighing system in Vietnam are imported from other countries. Some vietnamese automation companies represent the control technique solutions and build own weighing systems. However, the system is quite expensive. Focusing on the lack of practical systems for trainning in Automation Faculty of Thai Nguyen University of Information and Communication Technology, we design and install a quantitative weighing system. In this paper, mechanic system design, control and supervisory solution are represented. Experiment results are suit to the discipline of quantitative weighing system.
Keywords: quantitative weighing system, model system, control, monitoring
Ngày nhận bài: 01/3/2017; Ngày phản biện: 11/4/2017; Ngày duyệt đăng: 30/9/2017
*Tel: 01869 308883, Email: dccuong@ictu.edu.vn
