-iĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC HÙNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2014 - ii TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Do khắc phục số nhược điểm động chiều cấu tạo làm việc như: không cần có cổ góp chổi than, những thứ dễ bị mòn yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên; không sinh tia lửa điện trình làm việc Vì vậy, hệ truyền động - động không đồng ứng dụng nhiều thực tế sản xuất Một nhược điểm bản hệ truyền động việc điều chỉnh tốc độ dải rộng gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên với phát triển công nghệ vật liệu, khoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ hệ truyền động khắc phục phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ) Với hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển không cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, với hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì hệ phải có mạch tổng hợp tạo tín hiệu điều khiển Cơng nghệ cân băng dùng nhiều dây truyền cơng nghiệp ví dụ sản xuất xi măng Nó những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao, vì việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để điều khiển hệ truyền động biến tần động theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng việc làm cần thiết hướng nghiên cứu bản luận văn -1CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 1.1 Lý thuyết chung hệ thống cân băng định lượng 1.1.2 Khái niệm Cân băng định lượng bao gồm thiết bị ghép nối với mà thành, nó thuộc dạng cân định lượng băng tải, dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại) Thực việc phối liệu cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt Cân băng định lượng luận văn đề xuất nghiên cứu cân băng tải, nó thiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu chuyên trở băng tải mà tốc độ nó điều chỉnh để nhận lưu lượng vật liệu ứng với giá trị người vận hành đặt trước 1.1.3 Cấu tạo cân băng định lượng 10 Hình 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Cấu tạo cân băng định lượng gồm phân sau: 1: Phễu cấp liệu 2: Cảm biến trọng lượng (Load Cell) 3: Băng truyền 4: Tang bị động 5: Bulơng khí 6: Tang chủ động 7: Hộp số 8: SenSor đo tốc độ 9: Động không đống (được nối với biến tần) 10: Cảm biến vị trí 1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng cân băng định lượng 1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng Cân băng định lượng (cân băng tải) thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng Vật liệu chuyên trở băng tải, mà tốc độ băng tải điều chỉnh để nhận lưu lượng đặt trước có nhiễu tác động lên hệ (ví dụ liệu không xuống đều) Cầu cân bản bao gồm: Một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn giá mang nhiều lăn Trọng lượng vật liệu băng cảm biến trọng lượng (LoadCell) chuyển đởi thành tín hiệu điện đưa xử lý để tính tốn lưu lượng Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời vận tốc băng tải trọng lượng vật liệu đơn vị chiều dài ∂ (kg/m) Trong đó tốc độ băng tải đo cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động Tốc độ băng tải V (m/s) tốc độ vật liệu truyền tải Tải băng truyền (ƍ) trọng lượng vật liệu truyền tải đơn vị chiều dài ∂ (kg/m) -2Cân băng tải có phận đo trọng lượng để đo ∂ điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu giá trị đặt người vận hành đặt trước Bộ điều khiển đo tải trọng băng truyền điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lưu lượng không đổi điểm đổ liệu Fc * V Fc * V = Q= L L* g g 1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu băng tải Trọng lượng đo nhờ tín hiệu LoadCell bao gồm trọng lượng băng tải trọng lượng vật liệu băng Vì để đo trọng lượng liệu thì ta phải tiến hành trừ bì (tức trừ trọng lượng băng tải ) 1.1.5 Khái quát điều chỉnh cấp liệu cho cân băng Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng điều chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân thực phương pháp - Phương pháp (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn) Phương pháp điều chỉnh cấp liệu tín hiệu sensơr cấp liệu kiểu trôi để điều khiển số thiết bị cấp liệu Vị trí sensor cấp liệu theo kiểu trơi đặt phía cuối ống liệu - Phương pháp (Điều chỉnh cấp liệu liên tục) Phương pháp điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể van cấp liệu van quay) để đảm bảo cho lượng tải đơn vị chiều dài băng tải không đổi Bộ PID có tác dụng điều chỉnh lưu lượng thể tích liệu băng thay đởi theo phạm vi ±15% PID hoạt động sau băng hoạt động - Phương pháp (Điều chỉnh mức vật liệu ngăn xếp) Phương pháp điều chỉnh mức liệu ngăn xếp có thể coi kết hợp phương pháp trên: phương pháp điều chỉnh gián đoạn điều chỉnh liên tục Phương pháp tận dụng những ưu điểm khắc phục nhược điểm phương pháp thiết kế đặc biệt cho băng cân định lượng 1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng -3- Load Cell Hộp giảm tốc Nt BỘ tốc FT KĐB M AC KHUYẾCH MÁY Máy phát Động ĐẠI PHÁT P XUNG BỘ V ĐIỀU BIẾN TẦN KHIỂN Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Trong đó: - Động sử dụng động không đồng ba pha rô to lồng sóc, tốc độ động đo nhờ sensơ đo tốc độ (máy phát xung) - Số xung phát từ máy phát xung tỷ lệ với tốc độ động đưa điều khiển - Bộ điều khiển (dùng vi xử lý) điều chỉnh tốc độ băng tải lưu lượng liệu điểm đổ liệu cho tương ứng với giá trị đặt - Bộ cảm biến trọng lượng (LoadCell) biến đổi trọng lượng nhận băng thành tín hiệu điện đưa khuyếch đại - Điều chỉnh tốc độ động cách điều chỉnh tần số cấp nguồn cho -41.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động không đồng dùng biến tần 1.3.1 Động không đồng 1.3.1.1 Động không đồng ω ω11 f11 ω12 f1 > f1đm f12 ω1đm ω13 f1đm ω14 f13 f14 f1 < f1đm M Hình Đặc tính thay đổi tần số động không đồng 1.3.1.2 Công thức tính chọn động khơng đồng Tỷ số truyền hộp số: i1 = ω ω ; Tỷ số truyền giữa pulley động cơ: i2 = ω2 ω1 * Tính chọn cơng suất động Cơng suất động cơ: P1 = F1 × V Trong đó: η2: Hiệu suất hộp số; η1: Hiệu suất băng tải η1 × η F1: Lực trọng lượng tổng băng F1= L ∙ g ∙ ƍ Trong đó: L: Chiều dài băng; g: Gia tốc trọng trường g=9,8m/s 1.3.2 Khái quát biến tần 1.3.2.1 Định nghĩa Biến tần thiết bị biến đổi điện xoay chiều tần số thành điện xoay chiều tần số khác có thể điều chỉnh Hình Biến tần 1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động biến tần Nguyên lý bản làm việc biến tần đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn -5thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ hệ biến tần có giá trị không phụ thuộc vào tải có giá trị 0.96 Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Công đoạn thực thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến công nghệ vi xử lý công nghệ bán dẫn lực nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn thất lõi sắt động Hình Nguyên lý hoạt động biến tần 1.3.2.3 Ưu điểm sử dụng biến tần - Bảo vệ động khỏi mài mòn khí - Tiết kiệm điện, bảo vệ thiết bị điện hệ thống - Đáp ứng yêu cầu công nghệ - Tăng suất sản xuất 1.3.3 Điều chỉnh tần số động biến tần Muốn điều chỉnh tốc độ động KĐB cách thay đổi tần số ta phải có nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp cách đồng thời thông qua biến tần D1 D3 D5 T1 A C D4 D7 D9 T5 B D10 T4 T3 D1 C T6 D1 T2 D8 2 ia Z π ib Hình đồ mạch lực biến tần nguồn áp dùng Tranzitor Sơ Dùng phương pháp PWM ta có giản đồ điện điện áp pha A sau: π/ π π /2 2π π/ ic π π -6- /2 uA D6 uA π 2π ωt π D2 2π ωt Hình Giản đồ điện điện áp pha A dùng phương pháp PWM - Sơ đồ biến tần ba pha dùng Tranzitor gồm: Bộ nghịch lưu biến đổi điện áp chiều từ nguồn cấp thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi Điện áp xoay chiều qua lọc đưa vào sơ đồ cầu Tranzitor Sơ đồ biến tần Tranzitor ba pha dùng Tranzitor công suất T từ T6 điốt T7 từ T12 đấu song song ngược với Tranzitor tương ứng Tín hiệu điều khiển Vb đưa vào bazơ Tranzitor có dạng chữ nhật, chu kỳ 2π, độ rộng π/2 Khi Vb = “0” > Tranzitor bị khóa Vb = “1” > Tranzitor mở bão hòa Các Tranzitor điều khiển theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1 Các tín hiệu điều khiển lệch khoảng π/3 1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell 1.4.1 Khái niệm Loadcell Loadcell thiết bị cảm biến dùng để chuyển đởi lực trọng lượng thành tín hiệu điện Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi chịu tác động lực tạo tín hiệu điện tỷ lệ với biến dạng Loadcell thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm Một số trường hợp loadcell thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế Loadcell 1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng Là thiết bị đo trọng lượng hệ thống cân định lượng bao gồm loại tế bào loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) tế bào cân Tenzomet -71.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT Tải trọng cần đo Ngưỡng Cảm biến nhiệt độ hạn chế Dây rung Bộ chuyển đổi N N S S Bộ vi xử lý Giao thức truyền tin nối tiếp Hình Sơ đồ tế bào cân số SFT Đầu đo trọng lượng nơi đặt tải cần đo, nó truyền lực tác động trực tiếp tải lên dẫn đặt từ trường không đổi Nó làm thay đổi sức căng dây dẫn nên dây dẫn bị dao động (bị rung) Sự dao động dây dẫn từ trường sinh sức điện động cảm ứng Sức điện động có tác động chặt chẽ lên tải trọng đặt đầu đo Đầu cảm biến nhiệt độ xác định nhiệt độ môi trường để thực việc chỉnh định vì phần tử SFT phụ thuộc vào nhiều vòng nhiệt độ Bộ chuyển đởi: Chuyển đởi tín hiệu đo lường từ đầu đo thành dạng tín hiệu Bộ xử lý: Xử lý tất cả tín hiệu thu tín hiệu bên ngồi theo phương thức truyền tin nối tiếp Bảng 1 Bảng thống kê số loại tế bào Tải định mức 20kg 30kg 100kg 120kg 200kg 300kg Tải cực đại Phạm vi nhiệt độ cho 30kg 45kg 150kg 180kg 300kg 450kg -10÷ 60oC -10÷60oC -10÷40oC -10÷60oC -10÷40oC -10÷60oC RS 422 RS 422 RS 422 RS 422 RS 422 RS 422 RS 485 RS 485 RS 485 RS 485 RS 485 RS485 1w 1w 1w 1w 1w 1w 500m 3,4g 500m 5g 500m 0,0001% 500m 0,0001% 500m 0,0001% 500m 0,0001% phép Giao thức truyền tin nối tiếp với bên Năng lượng tiêu thụ Khoảng ghép nối Độ phân giải -81.4.2.2 Nguyên lý tế bào cân Tenzomet R+Δ R-ΔR R UN R+Δ R-ΔR R Ur Hình Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở, đó giá trị điện trở nhánh cầu thay đổi ngoại lực tác động lên cầu Do đó có nguồn cung cấp không đổi (UN=const) thì hai đường chéo cầu ta thu tín hiệu thay đởi theo tải trọng đặt lên cầu Khi cầu cân thì điện áp Ur = Khi cầu điện trở thay đổi với giá trị ΔR thì điện áp thay đổi, lúc điện áp tính theo cơng thức: Ur = UN Trong đó: ∆R R (1.15) UN : Điện áp nguồn cấp cho đầu đo Ur : Điện áp đầu đo ΔR : Lượng điện trở thay đổi lực kéo đầu đo R : Giá trị điện trở ban đầu nhánh cầu Bảng Bảng thống kê số loại tế bào cân Tenzomet Tải định mức Tải cực đại Sai số Phạm vi điều chỉnh Nguồn cung cấp 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 20 30 50 70 100 150 250 300 150% tải định mức < 0.015% -10 ÷ 40 -10 ÷ 15 1.4.3.1 Cấu tạo Loadcell cấu tạo hai thành phần, thành phần thứ "Strain gage" thành phần còn lại "Load" Strain gage điện trở đặc biệt có kích thước nhỏ, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn điện ổn định, dán chết lên “Load” - kim loại chịu tải có tính đàn hồi - 23 thị kết quả Để ghép nối thiết bị ngoại vi với máy tính sử dụng Card Arduino, card có nhiều tính luận văn sử dụng tính giao tiếp - 24 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 3.1.1 Động Động truyền động điện cho băng tải động xoay chiều rô to lồng sóc hang Toshiba Corporation chế tạo sản xuất Thông số kỹ thuật động cơ: Mã hiệu: M14234 Điện áp: 200 200 220 V Dòng điện: 0.68 0.62 0.62 A Tần số: 50 60 Tốc độ quay: 1410 Công suất: 0.1 Số đôi cực: 60 1700 Hz 1700 v/ph kW Hình Động truyền động kéo băng tải 3.1.2 Biến tần Biến tần cấp điện cho động biến tần Commander SE hãng Control Techniques chế tạo sản xuất Thông số kỹ thuật biến tần: Điện áp vào: 200 – 240 VAC pha Điện áp ra: 240 VAC pha Công suất 0.75 kW - 25 - Hình Biến tần Commander SE 3.1.3 Loadcell mạch khuếch đại tín hiệu đầu cân Để đo khối lượng nguyên liệu băng, tác giả sử dụng cảm biến loadcell mã hiệu PT1000 hang PT chế tạo sản xuất Thông số kỹ thuật PT1000: Vật liệu: Hợp kim nhôm Tải trọng: Điện áp ngõ ra: kg mV/V± 10% Nguồn nuôi: ~ 12 V AC/DC Nguồn nuôi tối đa: 15V AC/DC Quá tải an toàn : 150% Quá tải tối đa: 300% Trở kháng đầu vào: 425Ω ± 15Ω Trở kháng đầu ra: 350Ω ± 3Ω Trở kháng cách điện: > 5000 MW 100V DC - 26 - Hình 3 Loadcell PT1000 gắn băng tải Tín hiệu loadcell nhỏ (cỡ chuc mV) Tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại vi sai gửi lên Matlab/Simulink qua Card ghép nối Arduino Hình Bo mạch khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu cân - 27 3.1.4 Thiết bị đo vận tốc băng tải Hình Encoder gắn tang bị động 3.1.5 Băng tải Hình Băng tải - 28 3.1.6 Bảng điều khiển Hình 3 Bảng điều khiển 3.1.7 Tạo tín hiệu điều khiển Trong phạm vi đề tài, ta sử dụng Matlab Simulink để điều khiển hệ thống cân băng định lượng Hình Máy tính có cài đặt Matlab Simulink Cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng khiển hệ thống cân băng định lượng Matlab Simulink - 29 - Hình Cấu trúc mạch vòng điều khiển lưu lượng Matlab Simulink 3.1.8 Thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị thiết bị cho ta quan sát trạng thái, đặc tính hệ thống Để làm việc đó, có nhiều cơng cụ có thể thực được, ví dụ phần mềm Control-desk kèm card điều khiển DSP1104 Tuy nhiên để sử dụng Control-desk ta bắt buộc phải có DSP1104 Như ta sử dụng Matlab-Simulink để thực điều khiển Thông qua card ghép nối Arduino máy tính nhận tín hiệu trạng thái vận tốc băng khối lượng liệu băng tải Do đó, ta sử dụng công cụ hiển thị Simulink để vẽ đặc tính thể trạng thái động hệ thống - 30 - Arduino1 Analog Read Pin K_M M K_M Arduino Analog Read Off_M Off_M A_M Arduino1 Encoder Read (#0) K_v Encoder Read V K_V T_V Hình 10 Khối hiển thị thơng số trạng thái hệ thống 3.1.9 Card ghép nối điều khiển – Bo mạch ArduinoDue Card ghép nối giữa máy tính với thiết bị ngoại vi thực chức tổng hợp tạo luật điều khiển hình sau Hình 11 Card ghép nối ArduinoDue Sau ArduinoDue tính tốn giá trị điều khiển theo luật điều khiển (3.6), xuất tín hiệu điều khiển đầu DAC Arduino Tín hiệu khuếch đại mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển gửi tới biến tần, tác động vào hệ thống - 31 - Hình 12 Bo mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển 3.1.10 Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng Hình Mơ hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng - 32 3.2 Thực nghiệm 3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm Setup Arduino1 COM8 Real-Time Pacer Speedup = Arduino IO Setup Real-Time Pacer 1.03 T op 0.97 Bottom Q Run Enable M(Kg/m) Stop M ON/OFF Prod 100 PI(s) SP_Q Kg/h Gain1 Rq CT_Q V(m/h) Saturation V CBDL Hình Cấu trúc thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 3.2.2 Kết thực nghiệm 3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào hàm bước nhảy - Tín hiệu lưu lượng đặt dạng bước nhảy: Qđ = 100 kg/h - Đáp ứng lưu lượng hệ: Đáp ứng lưu lượng hệ thống (Kg/h) time (s) Hình Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy - 33 - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: Đáp ứng vận tốc dài băng tải (m/h) time (s) Hình 16 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy - Tín hiệu khối lượng băng tải: Tín hiệu khối lượng liệu băng (Kg) time (s) Hình Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 3.2.2.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào dạng bậc thang - Tín hiệu lưu lượng đặt: Qđ = {100kg/h, 50kg/h, 150kg/h} - Đáp ứng lưu lượng hệ: - 34 Đáp ứng lưu lượng hệ thống (Kg/h) time (s) Hình Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: Đáp ứng vận tốc dài băng tải (m/h) time (s) Hình Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi - Tín hiệu khối lượng băng tải: - 35 Tín hiệu khối lượng liệu băng (Kg) time (s) Hình 10 Tín hiệu khối lượng băng tải tín hiệu đặt thay đổi 3.2.2.3 Đáp ứng hệ nguyên liệu băng khơng đồng (nhiễu tác động) - Tín hiệu tốc độ đặt: Qđ = 100kg/h - Đáp ứng lưu lượng hệ: Đáp ứng lưu lượng hệ thống (Kg/h) time (s) Hình 11 Đáp ứng lưu lượng hệ nguyên liệu băng không đồng - Đáp ứng vận tốc dài băng tải: - 36 Đáp ứng vận tốc dài băng tải (m/h) time (s) Hình 12 Đáp ứng vận tốc dài băng tải nguyên liệu băng khơng đồng - Tín hiệu khối lượng băng tải: Tín hiệu khối lượng liệu băng (Kg) time (s) Hình 23 Tín hiệu khối lượng băng tải nguyên liệu băng không đồng 3.2.2.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm Từ kết quả thực nghiệm trên, có thể thấy số đặc điểm sau: - Đáp ứng hệ thống bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, lượng điều chỉnh nhỏ - 37 3.3 Kết luận chương Chương trình bày thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng với điều khiển lưu lượng thực Matlab/Simulink Thực thực nghiệm điều khiển hệ thống cân băng định lượng với dạng lưu lượng đặt khác thu kết quả đạt với lý thuyết phân tích Bộ điều chỉnh lưu lượng trình bày chương thực tốt chức điều chỉnh lưu lượng