Luận văn Thiết kế, điều khiển hệ thống cân đóng bao bán tự động trong sản xuất thức ăn thủy sản
LỜI CÁM ƠN
Em xin cảm ơn tới thầy Võ Anh Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt
quá trình hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh, đã tận tâm giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu
trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các bạn chung nhóm luận văn đã luôn
động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2017
Trần Đức Thắng
i
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn trình bày nghiên cứu, thiết kế, điều khiển hệ thống cân đóng bao bán tự động
trong sản xuất thức ăn thủy sản. Máy thiết kế với năng suất cân từ 300 - 400 bao/giờ, trọng
lượng cân trong khoảng 10 - 50 Kg với sai số 0,1 Kg.
Nội dung của đề tài được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Lựa chọn phương án.
Chương 3: Thiết kế cơ khí.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển.
Chương 5: Tổng kết và hướng phát triển đề tài.
ii
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng tĩnh ................................................................1
1.2 Cân đóng bao trong sản xuất thức ăn chăn nuôi ....................................................2
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài....................................................................4
1.3.1 Mục tiêu...........................................................................................................4
1.3.2 Nhiệm vụ.........................................................................................................4
1.3.3 Phạm vi đề tài..................................................................................................4
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ..................................................................................5
2.1 Bồn chứa nguyên liệu ............................................................................................5
2.1.1 Lựa chọn phương án cửa tháo liệu..................................................................5
2.1.2 Lựa chọn chế độ dòng chảy.............................................................................6
2.2 Lựa chọn cánh khuấy. ............................................................................................9
2.2.1 Cánh khuấy turbin...........................................................................................9
2.2.2 Cánh khuấy mái chèo......................................................................................9
2.2.3 Cánh khuấy dạng mỏ neo..............................................................................10
2.2.4 Lựa chọn cánh khuấy ....................................................................................11
2.3 Lựa chọn cảm biến Load cell...............................................................................12
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động....................................................................12
2.3.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản. .......................................................................13
2.3.3 Phân loại........................................................................................................14
2.4 Phương án đọc tín hiệu từ loadcell ......................................................................16
2.4.1 Đọc tín hiệu Analog trực tiếp từ loadcell......................................................16
2.4.3 Đầu cân..........................................................................................................17
2.5 Phân tích lựa chọn thiết bị điều khiển..................................................................17
2.5.1 So sánh thiết bị điều khiển ............................................................................17
2.5.2 Nhận xét và lựa chọn thiết bị điều khiển......................................................19
iii
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ...............................................................................................23
3.1 Thiết kế băng tải bao............................................................................................23
3.1.1 Lựa chọn các thông số cơ bản.......................................................................23
3.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ...........................................................................23
3.2 Tính toán thiết kế phễu chứa................................................................................26
3.2.1 Tính toán áp suất ...........................................................................................26
3.2.2 Tính toán tốc độ xả vật liệu...........................................................................28
4.1 Cấu hình hệ thống điện của hệ thống...................................................................32
4.1.1 Thiết bị chấp hành.........................................................................................32
4.1.2 Đầu cân..........................................................................................................33
4.1.3 Loadcell.........................................................................................................35
4.1.4 PLC................................................................................................................35
4.1.5 Các thiết bị khác............................................................................................38
4.2 Thiết kế mạch điện cho hệ thống .........................................................................39
4.2.1 Sơ đồ mạch động lực cho hệ thống cân. .......................................................39
4.2.2 Sơ đồ mạch khí nén cho hệ thống cân...........................................................40
4.2.3 Sơ đồ mạch điều khiển cho hệ thống cân......................................................40
4.3 Lưu đồ giải thuật..................................................................................................41
4.4.1 Chương trình chính .......................................................................................42
4.4.2 Giao thức MODBUS RTU............................................................................44
4.4.3 Giao tiếp RS485 với đầu cân.........................................................................45
4.5.1 Chế độ auto....................................................................................................51
4.5.2 Chế độ manual...............................................................................................53
5.1 Kết luận................................................................................................................55
5.2 Định hướng phát triển đề tài ................................................................................55
PHỤ LỤC TRONG CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH TRONG TIA PORTAL................57
iv
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................70
v
Danh sách hình ảnh
Hình 1.1: Một số hệ thống hệ thống cân thường dùng........................................................2
Hình 1.2: Mô hình cân đóng bao bán tự động.....................................................................3
Hình 1.3: Một số hình ảnh cân thực tế trên thị trường ........................................................3
Hình 2.1: Cửa tháo dạng hình nêm và hình nón..................................................................5
Hình 2.2: Các dạng dòng chảy vật liệu dạng hạt trong bồn chứa........................................6
Hình 2.3: Biểu đồ dự đoán chế độ đòng chảy .....................................................................8
Hình 2.4: Các dạng cánh khuấy turbin ................................................................................9
Hình 2.5: Cánh khuấy dạng mái chèo ...............................................................................10
Hình 2.6: Cánh khuấy dạng mỏ neo ..................................................................................11
Hình 2.7: Cánh khuấy cho hệ thống cân............................................................................11
Hình 2.8: Cấu tạo của một loadcell dạng thanh.................................................................12
Hình 2.9: Mạch cầu Wheastone.........................................................................................13
Hình 2.10: Mốt số loại loadcell trên thị trường.................................................................15
Hình 2.11: Vị trí load cell..................................................................................................15
Hình 2.12: LCD va HMI Keypad......................................................................................19
Hình 2.13: HMI proface ....................................................................................................20
Hình 2.14: HMI monitor....................................................................................................21
Hình 3.1: Kích thước của động cơ và hộp số ....................................................................26
Hình 3.2: Đường đặc tính của áp suất ...............................................................................28
Hình 3.3: Mô hình đáy cửa xả...........................................................................................30
Hình 3.4: Hệ thống cân hoàn thiện....................................................................................31
Hình 4.1: Động cơ và hộp số băng tải ...............................................................................32
vi
Hình 4.2: Van điện từ SY7120-5LZD-02..........................................................................33
Hình 4.3: Đầu cân W100...................................................................................................34
Hình 4.4: Loadcell CB14-100K ........................................................................................35
Hình 4.5: PLC S7-1214-DC/DC/DC................................................................................36
Hình 4.6: Module RS485 CM 1241 ..................................................................................37
Hình 4.7: Màn hình HMI KTP1000 Basic PN. .................................................................37
Hình 4.8: sơ đồ mạch động lực..........................................................................................39
Hình 4.9: Sơ đồ mạch khí nén ...........................................................................................40
Hình 4.10: Sơ đồ mạch điều khiển ....................................................................................40
Hình 4.11: Sơ đồ giải thuật điều khiển..............................................................................41
Hình 4.12: Chương trình chính cho hệ thống cân .............................................................43
Hình 4.13: Một khung truyền của giao thức Modbus RTU ..............................................44
RTU ...................................................................................................................................47
Hình 4.17: Chương trình điều khiển các thiết bị chấp hành..............................................48
Hình 4.18: Màn hình điều khiển chính..............................................................................50
Hình 4.19: Màn hình auto..................................................................................................51
Hình 4.20: Màn hình “setting” cho chế độ auto................................................................52
Hình 4.21: Màn hình manual.............................................................................................53
vii
Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu dạng hạt[3].................................................8
Bảng 2.2: So sánh Vi điều khiển và PLC ..........................................................................18
Bảng 3.2: Thông số các cấp mở cửa thoát liệu..................................................................30
Bảng 4.1: Thông số động cơ 3AWAR 63-06F-TH-TF .....................................................32
Bảng 4.2: Thông số hộp số 2 cấp SUA 506B....................................................................32
Bảng 4.3: Thông số van SY7120-5LZD-02 ......................................................................33
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật đầu cân ................................................................................34
Bảng 4.5: Thông số loadcell CB14-100K .........................................................................35
Bảng 4.6: Thông số PLC ...................................................................................................36
Bảng 4.7: Thông số màn hình HMI KTP1000 Basic PN ..................................................37
Bảng 4.8: Địa chỉ thanh ghi của đầu cân[10] ....................................................................45
Bảng 4.9: Thanh ghi Status register (40007).....................................................................45
Bảng 4.10: Ký hiệu, chức năng cơ bản của các nút trên HMI...........................................49
viii
Chương 1: Tổng quan
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương này trình bày việc ứng dụng cân tĩnh định lượng để xác định khối lượng
sản phẩm đầu ra trong lĩnh vực sản xuất nói chung và sản xuất thức ăn chăn thủy sản
nói riêng. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cân tĩnh trên thị trường.
1.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng tĩnh
Việc đo lường, kiểm soát các khối lượng trong các nhà máy, xí nghiệp rất quan
trọng. Trong nhiều quá trình, việc đo lường tốt giúp cho nhà máy hoạt động một cách
liên tục, năng suất cao và tạo ra những sản phẩm tốt. Trước đây để định lượng nguyên
vật liệu trong bồn chứa, phễu chứa trong dây chuyền sản xuất, người ta sử dụng các sử
phương pháp đo lường như đo bằng thể tích, đo mức, đo bằng lưu lượng, đo bằng cân
cơ học... với sự cồng kềnh và độ chính xác không cao
Ngày nay, các hệ thống hiện đại đòi hỏi các hệ thống phải có độ chính xác cao và
năng suất lớn, được kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống sản xuất đã cho ra đời
các hệ thống cân điện tử đo lường sử dụng loadcell. Qua đó tiết kiệm chi phí tiêu hao
nguyên liệu, tăng năng suất, quản lý được chi phí sản xuất.
Các hệ thống cân sử dụng loadcell thường dùng như: Cân bồn, cân phễu, cân băng
tải, cân dạng cơ,...
1
Chương 1: Tổng quan
a. Hệ thống cân bồn
b. Hệ thống cân phễu
b. Hệ thống cân băng tải
Hình 1.1: Một số hệ thống hệ thống cân thường dùng[1]
1.2 Cân đóng bao trong sản xuất thức ăn chăn nuôi
d. Hệ thống cân cơ
Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi. Ở nước ta
hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng
thức ăn chăn nuôi truyền thống. Thức ăn công nghiệp được sản xuất tại các nhà máy
thức ăn nuôi với quy mô lớn với hệ thống tự động hóa.
Một hệ thống cân đóng bao bán tự động gồm các thành phần như hình dưới:
2
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.2: Mô hình cân đóng bao bán tự động
Nguyên liệu (cám thành phẩm, gạo,...) được cho vào bồn chứa nguyên liệu. Bồn
chứa có cơ cấu đóng mở đáy bồn được điều khiển để xả nguyên liệu cần cân vào cụm
cân. Bao được kẹp sẵn dưới nhờ xilanh khí nén. Khi cân đủ bồn chứa sẽ đóng ngưng
cho nguyên liệu xả xuống tiếp. Nguyên liệu đã được cân trong cụm cân được xả vào
bao, bao được thả rơi xuống băng tải và được khâu lại bằng máy khâu bao cầm tay.
Hình 1.3: Một số hình ảnh cân thực tế trên thị trường
3
Chương 1: Tổng quan
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
1.3.1 Mục tiêu
Nghiên cứu thiết kế, điều khiển hệ thống cân bán tự động trong cân thức ăn thủy
sản.
1.3.2 Nhiệm vụ
Tìm hiểu tổng quát về hệ thống cân định lượng.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân đóng bao bán tự động trong cân thức ăn thủy sản
Nghiên cứu bộ điều khiển cho hệ thống
Mô phỏng, thực nghiệm kiểm chứng ( nếu có điều kiện)
1.3.3 Phạm vi đề tài
Thiết kế hệ thống cân đóng bao bán tự động với công suất 300-400 giờ.
Khối lượng cân từ 10 - 50Kg
Sai số cân 0,1 Kg
4
Chương 2: Lựa chọn phương án
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Chương này trình bày lựa chọn , chọn loadcell, đầu cân, bộ điều khiển.
2.1 Bồn chứa nguyên liệu
2.1.1 Lựa chọn phương án cửa tháo liệu.
Có hai phương án thường được sử dụng để tháo nguyên liệu từ trong bồn chứa, đó
là cửa tháo dạng hình nón và cửa thảo dạng hình nêm
Hình 2.1: Cửa tháo dạng hình nêm và hình nón
Cửa thảo hình nón
Ưu điểm:
Do đa số bồn chứa, silo được làm hình trụ nên cửa tháo hình nón phổ biến.
Có tính thẩm mĩ.
Thường được sử dụng kết hợp với van bướm, và vít tải để vận chuyển nguyên
liệu đi.
Nhược điểm
Các van xả không thích hợp đóng mở nhiều lần.
Điều khiển lưu lượng đáp ứng chậm.
Cửa tháo hình nêm
Ưu điểm
5
Chương 2: Lựa chọn phương án
Thường được sử dụng các cơ cấu cân.
Điều khiển mở khí nén, đáp ứng nhanh.
Nhược điểm
Ít được hỗ trợ thiết bị sẵn trên thị trường.
Kết luận: Lựa chọn cửa xả dạng hình nêm, kết hợp với cơ cấu đóng mở điều khiển
bằng xilanh khí nén. Độ mở của cơ cấu xả được chia làm 3 cấp, độ mở giảm dần để tăng
tốc độ cân lẫn độ chính xác.
2.1.2 Lựa chọn chế độ dòng chảy
Các hạt chất rắn do sự tác động của nội ma sát giữa các hạt sẽ tạo ra các chế độ
dòng chảy khác nhau khi thoát ra khỏi bồn chứa. Có hai loại dòng chảy phổ biến là mass
flow và funnel flow. Ngoài ra còn một trường hợp đặc biệt kêt hợp từ hai loại trên được
gọi là expanded flow.
Tên của các dạng dòng này đặc trưng cho cách mà chất rắn di chuyển trong bồn
chứa qua cửa thoát liệu. Với chế độ mass flow tất cả vật liệu sẽ cùng chuyển động trong
bồn chứa mặc dù có thể không cùng vận tốc. Funnel flow thì chỉ phần vật liệu giữa bồn
chứa nằm phía trên cửa thoát liệu di chuyển. Còn funnel flow là sự kết hợp của hai dạng
trên.
Hình 2.2: Các dạng dòng chảy vật liệu dạng hạt trong bồn chứa
6
Chương 2: Lựa chọn phương án
Mass flow
Ưu điểm:
Dòng lưu lượng ổn định hơn
Có thể dự đoán được trạng thái ứng suất tại thành bồn chứa
Có sức chứa tốt hơn do tận dụng tối da thể tích
Vật liệu vào trước sẽ cho ra trước
Nhược điểm
Gây mòn vách bồn đối với vật liệu mài mòn
Ứng suất cao trên thành bồn
Chiều cao lớn
Funnel flow
Ưu điểm
Yêu cầu chiều cao thấp
Nhược điểm
Tạo rung lắc cho bồn khi vật liệu rơi
Vật liệu được cho vào trước ra sau cùng
Không tận dụng hết dung lượng lưu trữ
Gây mất cân bằng bồn chứa
Vì vậy trong thiết kế bồn chứa người ta thường sử dụng thiết kế sao cho luôn tạo
dòng mass flow. Có thể tham khảo biểu đồ của Jenike[2] để dự đoán lựa chọn chế độ
lưu lượng trong thiết kế ở sơ đồ hình 2.3. Biểu đồ dự đoán lưu lượng dạng mass flow
hay funnel flow phụ thuộc vào các giá trị dốc của cửa thoát và góc vật liệu với tường do
tạo bởi ma sát '
.
7
Chương 2: Lựa chọn phương án
Hình 2.3: Biểu đồ dự đoán chế độ đòng chảy
được đo bằng thực nghiệm hoặc bằng 2 /3 giá trị trong bảng ....
Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu dạng hạt[3]
Giá trị
'
' 2.30 / 3 20o
Lựa chọn giá trị trong cột Gains(small) ta được giá trị góc
Tra với biểu đồ trong hình 2.3 ta lựa chọn giá trị đáy cửa xả bằng 16o
8
Chương 2: Lựa chọn phương án
2.2 Lựa chọn cánh khuấy[4].
Cánh khuấy thường được sử dụng trong các bồn trộn công nghiệp, về công dụng
chung cánh khuấy được sử dụng để khuấy, trộn, đảo hỗn hợp chất rắn, chất lỏng, dung
dịch hòa tan,... Ngoài ra đối với cánh khuấy được sử dụng cho hệ thống cân có tác dụng
đánh tan nguyên liệu vón cục, làm ổn định quá trình xả đáy trong khi cân. Có nhiều loại
cánh khuấy như: Khuấy turbin, khuấy mái chèo, khuấy mỏ neo,...
2.2.1 Cánh khuấy turbin
Cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và cao, để khuấy
trộn các loại dung dịch (chất lỏng) có độ nhớt cao, hoà tan các chất rắn nhanh, khuấy
động các hạt rắn đã lắng cặn. Tùy vào mục đích khuấy trộn mà cánh turbin có thể thẳng,
nghiêng hay cong.
Hình 2.4: Các dạng cánh khuấy turbin
Ưu điểm:
Cánh khuấy tạo ra lực ly tâm lớn nên làm tăng khả năng va đập giữa nguyên
liệu và máy khuấy nên các thành phần của hỗn hợp di chuyển vào nhau dễ hơn
Trộn được chất lỏng có độ nhớt lớn
Nhược điểm:
Dùng động cơ công suất lớn
2.2.2 Cánh khuấy mái chèo
Cánh khuấy dạng máy chèo có 2 cánh. Do mái chèo phát sinh ra dòng phản xạ nên
có thể khuấy ở cả thể lỏng và thể rắn ở tốc độ khuấy thấp.
9
Chương 2: Lựa chọn phương án
Thích hợp với những chất lỏng (dung dịch ) có độ nhớt,, hay độ đậm đặc cao.
Hình 2.5: Cánh khuấy dạng mái chèo
Ưu điểm:
Thiết kế đơn giản
Có thể khuấy chất rắn ở tốc độ thấp
Ít rung lắc
Nhược điểm:
Năng suất thấp
2.2.3 Cánh khuấy dạng mỏ neo
Cánh khuấy dạng mỏ neo có cánh có hình dạng phù hợp với hình dạng của thùng
chứa, thường là thùng chứa hình cầu. Thông thường được đúc cánh bằng gang
10
Chương 2: Lựa chọn phương án
Hình 2.6: Cánh khuấy dạng mỏ neo
Ưu điểm: Có thể khuấy được nhiều dạng chất lỏng có tính chất và đặc điểm khác
nhau, độ bền cơ học cao
Nhược điểm: có giá thành cao vì đòi hỏi phải sử dụng vật liệu có khả năng chịu
đựng tác động cơ học.
2.2.4 Lựa chọn cánh khuấy
Chọn dạng thiết kế cánh khuấy dạng mái chèo để có thể khuấy được chất rắn. Hai
đầu là cánh khuấy mái chèo, kết hợp thêm cánh khuấy hình chữ thập ở giữa. Cánh khuấy
được thiết kế như hình 2.7.
Hình 2.7: Cánh khuấy cho hệ thống cân
11
Chương 2: Lựa chọn phương án
2.3 Lựa chọn cảm biến Load cell
Load cell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín
hiệu điện
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Load cell kiểu điện trở: Load cell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực - trở
kháng. Khi một tải trọng, lực, lực căng tác động lên cảm biến, trở kháng của nó thay đổi.
Sự thay đổi trở kháng này sẽ đẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra khi một điện áp đầu vào
được cấp.
Load cell kiểu điện dung: Load cell kiểu điện dung làm việc dựa trên sự thay đổi
của dung kháng. Đối với tụ điện phẳng gồm 2 bản cực phẳng song song. điện dung tỉ lệ
thuận với tiết diện bản cực và hằng số điện môi của chất điện môi nằm giữa 2 bản cực
và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực.
Trong thực tế phổ biến nhất là các loadcell kiểu điện trở và được sử dụng trong hệ
thống cân này. Vì thế ở đây, ta sẽ nói về loadcell sử dụng điện trở (strain gauge).
Cấu tạo loadcell sử dụng điện trở: Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở
strain gauges R1, R2, R3, R4 được dán vào bề mặt của thân loadcell. Strain Gauge là
một điện trở đặc biệt có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một
nguồn điện ổn định, Strain gauge được dán chết lên thân loadcell để chịu tải.
Hình 2.8: Cấu tạo của một loadcell dạng thanh
12
Tải về để xem bản đầy đủ
78 trang
17460
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Thiết kế, điều khiển hệ thống cân đóng bao bán tự động trong sản xuất thức ăn thủy sản", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_thiet_ke_dieu_khien_he_thong_can_dong_bao_ban_tu_do.pdf
