Đồ án Môn học Điều khiển Logic cân băng định lượng

THIẾT KẾ MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN LOGIC I. Nhiệm vụ: thiết kế hệ thống điều khiển cho công nghệ ở hình vẽ dưới đây: II. Nội dung: 1. Thiết kế sơ đồ nguyên lí 2. Tính chọn thiết bị điều khiển 3. Thiết kế sơ đồ lắp ráp III. Thuyết minh và bản vẽ 1. Một quyển thuyết minh 2. Hai bản vẽ A2 cho sơ đồ nguyên lí và sơ đồ lắp ráp TT Họ tên sinh viên Phương pháp thiết kế Phương án mạch lực, điều khiển 1 Nguyễn Công Hoàng Grapcet Điện-Điện 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay có càng nhiều các nhà máy xí nghiệp nổi lên với các thiết bị hiện đại, các quá trình tự động hóa, các dây chuyền với độ chính xác theo yêu cầu. Từ đó thì nhiệm vụ của nhà thiết kế trong đó có các kỹ sư tự động hóa là ngày càng cần thiết. Đối với các quy trình công nghệ đã nói ở trên thì vai trò của các cảm biến là rất quan trọng. Dựa trên sự tác động của các cảm biến và việc đóng mở các van là một trong những đặc điểm nổi bật của điều khiển logic. Cũng từ đó mà có thể thấy điều khiển logic xuất hiện trong rất nhiều các quy trình công nghệ, có mặt ở mọi nơi trong nhà máy. Nhiệm vụ thiết kế dựa trên kiến thức điều khiển logic là việc làm không thể thiếu. Trong nhiều nhà máy lớn hiện nay, ví dụ như nhà máy xi măng thì các khâu sử dụng cân định lượng ngày càng được yêu cầu cao hơn. Trong đồ án này em xin trình bày về thiết kế cân định lượng trong các nhà máy. Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên đây là lần đầu tiên em làm đồ án điều khiển logic do đó khó tránh khỏi những sai sót. Em mong các thầy góp ý để đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy: Phan Cung đã giúp em hoàn thành đồ án này. Sinh Viên Nguyễn Công Hoàng Chương 1: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ Các van A, B, C là các van đóng mở cho nguyên liệu từ buồng trên trút xuống buồng dưới. Buồng phía dưới nhận nhiên liệu trong một giới hạn cho phép nhờ cảm biến khối lượng d1. Khi nhiên liệu đã đủ ở các buồng D, E, F thì các van D, E, F sẽ được điều khiển mở ra, nhiên liệu trút xuống buồng trộn và được trộn đều nhờ động cơ quay M. Động cơ M quay sau một thời gian sẽ dừng lại. Cuối cùng cửa xả G được điều khiển mở ra để trút nhiên liệu đã trộn đi tới quá trình tiếp theo. Và khi nhiên liệu đã hết, cửa xả G đóng lại, khi đó cửa A mở ra quay lại chu trình ban đầu. Trong quy trình công nghệ này thì vật liệu trên các thùng chứa A, B, C và các thùng chứa phía dưới D, E, Fcó khối lượng tương đối lớn. Còn ở thùng chứa dưới cùng thì bằng tổng các thùng chứa phía trên nên phải chịu trọng tải rất lớn. Do vậy thì công suất của động cơ điều khiển mở đóng cửa G là lớn hơn cả. Bên cạnh đó thì công suất của động cơ M trộn vật liệu là lớn nhất và không yêu cầu phải thay đổi tốc độ và cũng không yêu cầu đảo chiều tốc độ. Các động cơ đóng mở A, B, C được gắn vào các công tắc hành trình a, b, c để điều khiển. Đây là các động cơ một chiều có đảo chiều. Trong chu trình hoạt động thì động cơ khi đi hết hành trình sẽ có công tắc tự ngắt hoạt động của động cơ và ta không cần quan tâm khi nào động cơ này hết hoạt động chỉ quan tâm thời điểm bắt đầu hoạt động và quan tâm đến chiều hoạt động của nó mà thôi. Các cảm biến khối lượng được gắn trên các thùng chứa D, E, F. Cảm biến này hoạt động khi khối lượng vật liệu trong bình đủ giá trị đã định trước và nó về giá trị không khi mà vật liệu đã trút hoàn toàn xuống bình G. Cũng giống như động cơ A thì các động cơ đóng mở D, E, Fcũng là hoạt động hai chiều và ta chỉ quan tâm tới thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động và chiều của động cơ. Công tắc hành trình g gắn với động cơ G bằng 0 khi cửa G đã đóng hoàn toàn, và bằng 1 khi cửa đó mở ra. Ta cũng không quan tâm tới thời điểm nào động cơ G đi hết hành trình, chỉ quan tâm thời điểm bắt đầu quay và chiều quay của nó. Ta quy ước là chiều thuận là chiều làm mở cửa G còn chiều nghịch là chiều làm đóng cửa G. Thời điểm quay nghịch được đặt trong role thời gian do người điều hành quy định. Cửa G mở ra khi mà động cơ M đã hoàn thành công việc trộn của mình. Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ Có rất nhiều phương pháp thiết kế khác nhau để tổng hợp bài toán logic đó là phương pháp ma trận trạng thái, phương pháp Grafcet, phương pháp hàm tác động và phương pháp phân tầng. Phương pháp thiết kế được lựa chọn ở đây là phương pháp Grafcet. 2.1 .Nội dung phương pháp Grafcet Grafcet là một đồ hình chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm việc của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái khác,đó là một Grafcet định hướng và được xác định bởi các phần tử sau: G :={E,T,A,M} Với: E := {E1, E2 ,E3 …Em} :tập hữu hạn các trạng thái (giai đoạn) của hệ thống,được biểu diễn bằng các hình vuông. T := { T1, T2 ,T3 …Ti } :tập hữu hạn các chuyển trạng thái,được biểu diễn bằng các dấu gạch ngang “-“ A := { a1 ,a2 ,a3 ….an} :tập các cung định hướng nối giữa một trạng thái với một chuyển hoặc giữa một chuyển với một trạng thái. M := {m1 ,m2 ,m3 ….mm} :tập các giá trị (0,1).Nếu mi=1 thì trạng thái thứ i là hoạt động,nếu mi=0 thì trạng thái thứ i không hoạt động. Grafcet của một quá trình luôn là một đồ hình khép kín từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu.Mỗi một trạng thái không tự xuất hiện và cũng không tự mất đi nếu không có tác nhân kích thích. Trong quá trình sản xuất công nghiệp,các thiết bị máy móc thường được hoạt động theo một trình tự logic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn cho người sử dụng và thiết bị.Và Grafcet là một công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động hóa các quá trình công nghệ kể trên. 2.2 .Xác định các trạng thái vào,ra Tín hiệu vào :các cảm biến vị trí a,b,c,d1,e1,f1,d2,e2,f2,g Tín hiệu ra : 0 :trạng thái ban đầu 1: trạng thái mở cửa bình Aà S1 2: trạng thái mở của bình B àS2 3: trạng thái mở của bình Cà S3 4: trạng thái đóng cửa bìnhA àS4 5:trạng thái đóng cửa bình Bà S5 6: trạng thái đóng cửa bìnhCàS6 7: trạng thái đóng cửa bìnhDàS7 8:trạng thái đóng cửa bình EàS8 9:trạng thái đóng cửa bình FàS9 10 : trạng thái đóng cửa 3 bình D,E,F và động cơ M quay trộn liệu 11 : trạng thái động cơ M dừng quay sau thời gian t1 và thùng G mở cửa xả liệu sau 12 : trạng thái thùng G đóng cửa sau thời gian t2 xả liệu xong 2.3 .Thành lập Grafcet Grafcet 1 :Mô tả các trạng thái trong quá trình cân băng. Grafcet 2 :Sử dụng các biến vào,ra,trạng thái để biểu diễn lại theo Grafcet 1. 2.4.Tổng hợp hàm điều khiển S0 = (g + h + S0).(S1+S2+S3) S1 = (S0.m + S1).S4 S2 = (S0.m + S2).S5 S3 = (S0.m + S3).S6 S4 = (S1.d1 + S4).S7 S5 = (S2.e1 + S5).S8 S6 = (S3.f1 + S6).S9 S7 = (S4.a + S7).S10 S8 = (S5.b + S8).S10 S9 = (S6.c + S9).S10 S10 = (d2.S7.e2.S8.f2.S9 + S10).S11 S11 = (S10.t1 + S11).S12 S12 = (S11.t2 + S12).S0 2.5.Sơ đồ rơ le tiếp điểm Chương 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mạch lực 3.2 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý và mạch điều khiển - Bắt đầu chu trình làm việc : -Ấn h ,lúc đó rơ le S0(11-2) có điện các tiếp điểm mở (7-9);(7-13);(7-19);(7-27) đóng lại và các tiếp điểm đóng (87-89) mở ra. -Ấn m rơ le S1,S2,S3 có điện,các tiếp điểm thường mở thì đóng lại,các tiếp điểm thường đóng thì mở ra,các công tắc tơ TA,TB,TC có điện nên 3 động cơ A ,B,C quay thuận mở của 3 thùng A,B,C trút liệu xuống 3 thùng D,E,F Sau khi liệu đã trút đủ thì có tín hiệu d1,e1,f1, các công tắc hành trình d1,e1,f1, đóng lại,lúc này các rơ le S4,S5,S6 có điện các tiếp điểm thưởng mở thì đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra,các công tắc tơ TA,TB,TC mất điện và các công tắc tơ NA,NB,NC có điện ,3 đông cơ A,B,C quay ngược đóng của các thùng A,B,C lại. Sau khi đóng xong có các tín hiệu a,b,c.Các công tắc hành trình a,b,c đóng lại Các rơ le S7,S8,S9 có điện ,các tiếp điểm thường mở của 3 rơ le này đóng lại,và các tiếp điểm thường đóng thì mở ra vây nên 3 công tắc tơ TD.TE,TF có điện, các đông cơ D,E,F quay thuận,mở cửa các thùng D,E,F trút liệu xuống thùng G. Sau khi mở xong D,E,F có tín hiệu d2,e2,f2.Và các công tắc hành trình này đóng lại rơ le S10 có điện ,S10 có điện,các tiếp điểm thường đóng mở ra,và các điểm thường mở đóng lại,ta sẻ có ,các công tắc tơ TD,TE,TF mất điện ,các công tắc tơ NE,ND,NF có điện,3 đông cơ E,D,F đóng cửa các thùng D,E,F. Trong thời gian đó,khi S10 có điện thì rơ le M có điện động cơ M quay,rơ le Rth3 có điện,tiếp điểm Rth3 là tiếp điểm thường mở đóng chậm,sau thời gian thì tiếp điểm Rth3 đóng lại kết thúc quá trình khở I động M quay,cùng lúc đó rơ le thời gian Rth1 chạy với thời gian T1,sau thời gian T1 tiếp điểm Rth1 đóng lại ,rơ le S11 có điện và rơ le S10 mất điện,nên động cơ M mất điện và dừng lại. Đồng thời công tắc tơ Gm có điện,đông cơ G quay và thùng G mở cửa,liệu được trút ra ngoài,sau thời gian T2,rơ le thời gian T2 đóng lại ,công tắc tơ Gd có điện,động cơ quay ngược lại và đóng của thùng G.kết thúc quá trình trộn và sau khi đóng lại thì có tín hiệu g cho chu trình sau. Khi quá trình đang hoạt động nếu ta ấn nút STOP(1-3) thì toàn bộ quá trình bị dừng lại do không có điện đưa vào mạch điều khiển. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch thì cầu chì có tác dụng ngắt nguồn điện đưa vào mạch và đưa vào hệ thống. Khi xảy ra ngắn mạch ở động cơ thì các role 1RM hoặc 2RM sẽ tác động làm cho tiếp điểm thường đóng tự phục hồi 1RM(3-5) hoặc 2RM(5-7) mở ra ngắt nguồn điện đưa từ lưới vào mạch điều khiển và mạch lực. Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ CÁC PHẦN TỬ 4.1 Chọn Động Cơ 4.1.1 Động cơ xoay chiều 3 pha M Chọn loại động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn của công ty cổ phần chế tạo máy điện Việt-Hung loại :KQ180L6 Công suất định mức :P=11kW Điện áp định mức :Δ/Y=220/380 V Dòng điện định mức : 48,5/26 Ở đây chọn động cơ 3 pha dây quấn vì động cơ này không cần thay đổi tốc độ chỉ cần có công suất lớn, hoạt động trong dải điện áp phù hợp. Việc tính toán cụ thể về loại động cơ sẽ đựơc đề cập trong phần lựa chọn thiết bị bảo vệ. 4.1.2 Động cơ một chiều 4.1.2.1 Các động cơ đóng mở A, B,C,D, E,F ,G Chọn loại động cơ một chiều của SIEMENS 1GG5 102-ODE-4TV1 Công suất định mức: P=1,O9 kW Điện áp định mức: 220V Dòng định mức: I=5,4Ae Các động cơ này chỉ đóng mở các cửa nên có công suất thấp không yêu cầu bảo vệ cao. Tuy nhiên theo yêu cầu của công nghệ thì các động cơ này có thể hoạt động hai chiều, khi đi hết hành trình của mình động cơ sẽ có công tắc tự ngắt hoạt động của nó rồi hoạt động theo chiều ngược lại. 4.1.2.2. Lựa chọn điện trở khởi động Điện trở khởi động làm giảm dòng khởi động của động cơ, ở đây ta chọn sao cho dòng khởi động nhỏ hơn dòng định mức của động cơ. Giá trị điện trở: 200 Ω Số lượng: 3 4.2 .Lựa chọn phần tử bảo vệ 4.2.1. Bảo vệ ngắn mạch mạch lực và bảo vệ mất pha. Bảo vệ ngắn mạch luôn là các vấn đề cần được bảo vệ hàng đầu do nó luôn tiềm tàng các mối nguy hiểm cho hệ thống, và vì nó là sự cố rất hay xảy ra trong các quá trình hoạt động của hệ thống. Bảo vệ ngắn mạch có thể được thực hiện bằng :Cầu chì,role dòng điện cực đại tác động nhanh hoặc aptomat Chọn phương pháp bảo vệ ngắn mạch dùng role dòng điện cực đại tác động nhanh 1RM, 2RM cắt tức thời khi có dòng điện ngắn mạch.Dòng chỉnh định của role : Icđ>(1,2÷1,3)Ikđ Với Ikđ=(2,5÷2,7)Iđm nên Icđ>1,3.2,7.6,56=23,02(A) Do đó chọn loại role bảo vệ quá dòng,reset tự động EOCR-AR loại EOCR-SS-30N-440 có các thông số kỹ thuật sau : Có khả năng reset tự động,thời gian khởi động :0,2~30s Thời gian cắt :0,2~120s Điện áp nguồn cấp :80~260VAC/50Hz Phạm vi bảo vệ dòng :3~35A Ngoài ra còn có khả năng bảo vệ mất pha động cơ. 4.2.2 .Bảo vệ quá tải ngắn hạn (bảo vệ dòng điện cực đại ) Trong quá trình khoan có những giai đoạn trong chu kỳ khoan mà ở đó động cơ thực hiện việc đảo chiều quay để thay đổi chiều chuyển động lên xuống của nó.Khi đó xảy ra hãm ngược và khởi động lại động cơ,gây ra quá tải tạm thời ngắn hạn trong khoảng thời gian nhỏ.Dòng điện lúc đó lớn có thể gây nên lực điện động lớn làm hư hỏng các bộ phận của động cơ như cháy bối dây,làm hỏng các cơ cấu cơ khí có liên quan khác.Do đó cần phải cắt động cơ ra khỏi lưới. Để bảo vệ cắt trong trường hợp này sử dụng role dòng điện cực đại tác động nhanh 1RM và 2RM,chế độ làm việc 2 pha,chỉnh định dòng điện hút của nó bé hơn dòng điện làm việc 2 pha và dòng khởi động : Icđ,1RM,2RM<I2pha< Ikđ =6,56.2,7=17,7(A) Do đó chọn loại role Mikro MK204A-204A có các thông số kỹ thuật sau : Nguồn cung cấp :198~265VAC Dòng định mức :12A Dòng quá tải thấp :2~6A(40%~120%) Thời gian tác động :tức thời Đèn hiển thị :LED Đặc điểm :Reset bằng tay Kích thước :96 x 96 mm 4.2.3. Bảo vệ ngắn mạch mạch điều khiển Mạch điểu khiển dùng các khí cụ đóng cắt một chiều nên thực hiện bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì CC. Lựa chọn cầu chì cần đảm bảo các điều kiện : Quan hệ điện áp :UCC>Ulưới=220VDC Quan hệ dòng điện :ICC>k.Imax với (k :hệ số an toàn,chọn k=2) Imax=Ingan_mạch=14,2A) nên ICC>2.17,7=35,4(A) Do đó chọn cầu chì CC loại cầu chì ống JASCO ST 22858 40A có các thông số kỹ thuật : Loại :cầu chì ống hình trụ Dòng điện max :40A Kích thước :14 x 51 mm Hãng sản xuất :JASCO 4.3 .Lựa chọn phần tử điều khiển 4.3.1 .Nút ấn Chọn loại nút ấn có đèn YW1L của IDEC (Nhật Bản) dùng cho mở máy động cơ. Thông số kỹ thuật : Có thể sử dụng tối đa 2 cặp tiếp điểm Dải điện áp rộng :6VDC-240VAC/DC Sử dụng đèn LED hoặc đèn sợi đốt Độ bền cao,cách điện ở IP65 mặt trước. 4.3.2 .Cầu dao Dùng để đóng cắt và cách ly mạch lực với lưới điện. Cầu dao được chọn có : Điện áp :U1CD>UđmL=380 V Dòng :I1CD>Ingan_mach=17,7 A Do đó chọn cầu dao CD loại :CADIVI 60A_600V 4.3.3 .Công tắc hành trình Công tắc hành trình a, b, c, d1, d2, e1, e2, f1, f2, g là các công tắc thực hiện chức năng đóng mở mạch điện và được đặt trên đường hoạt động của các động cơ một chiều. Khi động cơ gặp các công tắc hành trình này thì tính chất của công tắc sẽ thay đổi (từ mở thành đóng và ngược lại). Chọn loại công tắc hành trình a,b,c,d loại HL5050 có các thông số kỹ thuật sau : Cấp bảo vệ :IP65 Tuổi thọ cơ :10.000.000 lần Tốc độ tác động :5mm/s đến 0.5m/s Tần số tác động cơ :120 lần/ph Min Tần số tác động điện :30 lần/ph Min Cách điện :100MΩ Min Nhiệt độ làm việc :-5oC đến 65oC Kích thước :33 x (58±0,6) mm 4.3.4 .Role thời gian Role thời gian này giúp cho việc khởi động của động cơ qua 1 cấp điện trở. Điện áp cung cấp :AC200-240V,hoạt động ở dải 85%-110% nguồn cung cấp Ngõ ra :Relay-5A tại 250VAC/30VDC Thời gian đặt :0.05-12s Chế độ hoạt động :Off-delay,có đèn chỉ thị đầu ra Chân kết nối :8 chân Kích thước :48x48x86 mm Dải nhiệt độ hoạt động :-10oC – 55oC Phương pháp hoạt động :giới hạn thời gian,tự động reset Số lượng: 1 4.3.5.Role trung gian Chọn role trung gian Chọn các rơ le trung gian loại SMITT RELAYS G-SERIES là loại roley thông dụng với tiếp điểm và chân đế đa năng,có nút kiểm tra tiếp điểm bằng tay,vạch chì màu chỉ thị khi tiếp điểm hoạt động và LED chỉ thị khi relay tác động. Các thông số kỹ thuật : Vật liệu :AgNi Số lượng tiếp điểm :3 Dòng định mức :20/30 A Dòng làm việc nhỏ nhất :5 mA Điện áp đinh mức :250 V Số lần đóng mở :>10.106 Điện áp cách điện Coil & tiếp điểm VAC :2500 V Cấp cách điện :C250 Thời gian đóng DC/AC :12/12 ms Thời gian mở DC/AC :7/10 ms Dải nhiệt độ làm việc :-40oC – 70oC Kích thước :35x35x54.4 mm Chuẩn bảo vệ :IP40 Phụ kiện :2N0 + 2NC 4.4 . Lựa chọn phần tử chấp hành 4.4.1 .Công tắc tơ Công tắc tơ chọn có ICCT>Ingan_mach=17,7 A Chọn loại công tắc tơ LS Contactor GMC-22 có các thông số sau : Công suất định mức :11kW Dòng điện định mức :22A Điện áp định mức : 220VAC-690VAC,tần số 50/60Hz Số cực :3 cực Điện áp điều khiển :24VAC-DC,110VAC,220VAC,380VAC Phụ kiện :tiếp điểm phụ 1N0+1NC Kích thước 22mm,25mm,30mm Chương 5: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ LẮP RÁP VÀ NỐI DÂY KẾT LUẬN Với những kiến thức đã học trong môn điều khiển logic, em đã dùngphuơng pháp ma trận trạng thái để giải quyết yêu cầu công nghệ đã nêu ở phần đầu. Như vậy có thể thấy rằng trong các nhà máy tự động với dây chuyến sản xuất lớn thì vẫn áp dụng những ứng dụng của môn điều khiển logic. Từ đó cho thấy vai trò quan trọng của những thiết bị logic không chỉ là điện điện mà còn là khí nén nữa. Chúng ngày càng được áp dụng một cách rộng rãi yêu cầu các kỹ sư ra trường phải có kiến thức nhất định về nó để có thể dễ dàng điều khiển các quá trình sản xuất đồng thời thiết kế ra các hệ thống ngày càng hiện đại hơn nữa. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng đồ án này khó tránh khỏi những sai sót, em xin các thầy góp ý để có thể hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy … đã tận tình giúp đỡ em trong khi làm đồ án này. Tài liệu tham khảo PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000. Trịnh Đình Đề, Võ Trí An - Điều khiển tự động truyền động điện Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986. Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị điện của các hãng OMRON, FESTO, MITSUBISHI. Bản dịch: Cẩm nang Kỹ thuật điện Tự động hoá và Tin học Công nghiệp Người dịch: PGS - TS Lê Văn Doanh Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1999.