2
Khái niệm chung
Trạm trộn bê tông nhựa nóng là hệ thống liên hoàn chuyên dùng để trộn các cốt liệu và nhựa theo tỷ lệ nhất định Quá trình trộn diễn ra ở nhiệt độ phù hợp, tạo ra hỗn hợp bê tông nhựa đồng nhất, đảm bảo nhiệt độ trong khoảng quy định.
Phân loại bê tông nhựa
Bê tông nhựa chặt có độ rỗng dư từ 3% đến 6%, thường được sử dụng làm lớp mặt trên và lớp mặt dưới trong các công trình Thành phần của bê tông nhựa chặt bắt buộc phải bao gồm bột khoáng để đảm bảo độ bền và chất lượng.
Bê tông nhựa rỗng : có độ rỗng dư từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng
1.2.2 Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt
Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm)
Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm)
Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm)
1.2.3 Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định với bê tông nhựa rỗng
Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớn nhất danh định là 25 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 31,5 mm)
Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớn nhất danh định là 37,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 50 mm)
Phân loại trạm trộn bê tông nhựa nóng
Trên thế giới hiện nay có 3 loại trạm trộn bê tông nhựa :
Trạm trộn loại I : trộn cưỡng bức theo mẻ , sấy nóng gián tiếp
Trạm trộn loại II : trộn cưỡng bức theo mẻ , sấy nóng trực tiếp
Trạm trộn loại III : trộn không cưỡng bức liên tục, sấy nóng trực tiếp.
Nguyên lý hoạt động của mỗi loại trạm
1.4.1 Trạm trộn loại I – trộn cưỡng bức theo mẻ , sấy nóng gián tiếp
Trạm trộn này có khả năng trộn từ 250kg đến 5000kg một mẻ trong thời gian từ 30 đến 60 giây, tùy thuộc vào loại bê tông nhựa cần sử dụng Công suất của trạm này dao động từ 80 đến 400 tấn mỗi giờ.
Tại Việt Nam, đây là loại trạm trộn phổ biến nhất, có công suất vào khoảng 25 tấn/giờ đến 120 tấn/giờ
Trạm loại này lưu trữ cốt liệu trong các phễu nguội, mỗi phễu có cửa xả cho phép cốt liệu chảy xuống băng tải bên dưới Tốc độ băng tải được điều chỉnh để phù hợp với tỷ lệ từng loại cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa Sau đó, toàn bộ cốt liệu được đưa vào tang sấy để sấy khô và làm nóng đến nhiệt độ đã định.
Tang sấy quay liên sử dụng dầu FO hoặc gas để đốt nóng, với trục nghiêng từ 2 đến 10 độ và đầu đốt đặt ở phía đầu thấp Cốt liệu nguội được đưa vào từ đầu cao của tang sấy và dần di chuyển xuống dưới Khi ra khỏi tang sấy, cốt liệu đã được đốt nóng đến nhiệt độ quy định nhờ vào việc hấp thu nhiệt từ lửa của đầu đốt.
Cốt liệu nóng sau khi ra khỏi tang sấy được băng gầu đưa lên cao và sàng qua hệ thống sàng của trạm trộn, phân loại thành nhiều nhóm hạt khác nhau Mỗi nhóm hạt được chứa trong một phễu nóng riêng biệt Tiếp theo, vật liệu của từng nhóm hạt, kết hợp với bột khoáng và nhựa nóng, sẽ được cân định lượng theo tỷ lệ quy định trong công thức trộn và đưa xuống thùng trộn.
Trong quá trình sản xuất bê tông nhựa nóng, cốt liệu nóng và nhựa nóng được trộn đều trong thùng trộn trong khoảng thời gian từ 30 đến 60 giây Sau đó, hỗn hợp bê tông nhựa nóng sẽ được xả trực tiếp vào thùng xe vận tải để chuyển đến công trình hoặc được đưa vào silo cách nhiệt để lưu trữ tạm thời trước khi chuyển vào xe tải.
Phễu đá 2 Phễu đá 3 Phễu đá 4
Xe bồn chở thành phẩm
Thùng nấu dầu môi chất
Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ trạm trộn bê tông nhựa loại I – trộn cưỡng bức theo mẻ sấy nóng gián tiếp
1.4.2 Trạm trộn loại II – trộn cưỡng bức theo mẻ , sấy nóng trực tiếp
Trạm trộn này có công suất từ 50 đến 200 tấn mỗi giờ và không sử dụng hệ sàng để phân loại cốt liệu sau khi sấy, khác với trạm loại I, do đó không có phễu nóng (hotbin).
Trạm trộn bê tông nhựa loại II hầu như không được sử dụng tại Việt Nam
Phễu đá 2 Phễu đá 3 Phễu đá 4
Băng tải cân định lượng
Xe bồn chở thành phẩm
Thùng nấu dầu môi chất Bơm
Băng tải cân định lượng
Băng tải cân định lượng
Băng tải cân định lượng
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ trạm trộn loại II
Cốt liệu được lưu trữ trong các phễu nguội, mỗi phễu có cửa xả để đưa cốt liệu xuống băng tải bên dưới Tốc độ băng tải được điều chỉnh để đảm bảo tỷ lệ chính xác của từng loại cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa.
Trạm trộn loại II khác biệt so với loại I ở chỗ hỗn hợp cốt liệu được cân theo từng mẻ trước khi đưa vào tang sấy Tang sấy của trạm trộn loại II có chiều dài ngắn hơn nhiều so với tang sấy của loại I, nhưng lại có đường kính lớn hơn chiều dài.
Sau khi ra khỏi tang sấy, mỗi mẻ cốt liệu nóng sẽ được đưa ngay vào thùng trộn, nơi kết hợp với bột khoáng và nhựa nóng để tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa.
1.4.3 Trạm trộn loại III – trộn không cưỡng bức liên tục sấy nóng trực tiếp
Phễu đá 2 Phễu đá 3 Phễu đá 4
Băng tải cân định lượng
Vùng trên của tang sấy
Vùng dưới của tang sấy
Xe bồn chở thành phẩm
Thùng nấu dầu môi chất Bơm
Băng tải cân định lượng
Băng tải cân định lượng
Băng tải cân định lượng
Cân thông qua hệ thống cảm biến Cân thông qua hệ thống cảm biến
Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ trạm trộn loại III
Trạm trộn theo nguyên lý này có công suất từ 100 đến 500 tấn mỗi giờ và không được trang bị hệ sàng cốt liệu sau sấy như loại I Mặc dù không có phễu nóng (hot bin), nhưng do quy trình sản xuất bê tông nhựa diễn ra liên tục, trạm trộn cần có một silo cách nhiệt để lưu trữ tạm thời bê tông nhựa nóng trước khi chuyển đến công trường.
Loại trạm trộn này rất phổ biến ở mỹ và một số nước phát triển khác nhưng không được phổ biến tại Việt Nam
Cốt liệu được lưu trữ trong các phễu nguội, mỗi phễu có cửa xả cho phép cốt liệu chảy xuống băng tải bên dưới Khác với hệ thống băng tải của các trạm trộn loại I và II, băng tải của trạm trộn loại III sử dụng hệ thống cân băng định lượng với các cảm biến điện tử nhạy bén, giúp kiểm soát tỷ lệ từng loại cốt liệu một cách chính xác trước khi vào tang sấy.
Tang sấy của trạm trộn được chia thành hai vùng: vùng trên để đốt nóng cốt liệu và vùng dưới để trộn cốt liệu với nhựa Cốt liệu được sấy nóng ở vùng trên đến nhiệt độ cần thiết trước khi chuyển xuống vùng dưới Tại đây, bột khoáng và nhựa được đưa vào liên tục cùng với cốt liệu đã sấy để tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa Quá trình này được kiểm soát chính xác nhờ vào tín hiệu từ các cảm biến điện tử gắn tại hệ thống cân bằng định lượng và vùng trên của tang sấy.
Ưu nhược điểm của các loại trạm trộn bê tông nhựa
1.5.1 Trạm trộn loại I a) Ưu điểm
Phương pháp này rất phù hợp cho các quốc gia có công nghệ sản xuất vật liệu chưa phát triển Khi cốt liệu đầu vào có cấp phối không ổn định nhưng không thay đổi quá lớn, vẫn có thể sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa đạt tiêu chuẩn Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm.
Trạm loại I có suất đầu tư tính trên tấn công suất cao hơn các loại trạm khác
Quy trình vận hành trạm trộn bê tông nhựa phức tạp hơn so với các loại trạm khác, vì vậy nhân viên vận hành cần nắm vững kiến thức cơ bản về vật liệu và bê tông nhựa, cùng với kỹ năng vận hành trạm trộn hiệu quả.
1.5.2 Trạm trộn loại II a) Ưu điểm
Quy trình vận hành khá đơn giản
Trạm trộn bê tông nhựa có khả năng sản xuất nhiều loại cấp phối trong một ca sản xuất mà không cần hệ sàng và phễu nóng để lưu trữ cốt liệu nóng sau sấy, giúp việc thay đổi cấp phối hỗn hợp trở nên nhanh chóng và đơn giản Tuy nhiên, điều này cũng đi kèm với một số nhược điểm.
Việc sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa không nên thực hiện khi cốt liệu đầu vào có độ ẩm cao, điều này đặc biệt không phù hợp với các quốc gia nhiệt đới như Việt Nam.
Việc sản xuất bê tông nhựa không phù hợp với các quốc gia có công nghệ sản xuất vật liệu kém phát triển Sự không ổn định trong cấp phối của cốt liệu đầu vào sẽ dẫn đến việc không thể tạo ra hỗn hợp bê tông nhựa đạt tiêu chuẩn yêu cầu.
1.5.3 Trạm trộn loại III a) Ưu điểm
Quy trình vận hành trạm loại III không phức tạp so với trạm loại I
Trạm trộn loại II có suất đầu tư tính trên mỗi tấn công suất thấp, cho phép công suất của loại trạm này vượt trội hơn so với các loại trạm khác cùng mức đầu tư, rất thích hợp cho các công trình lớn Tuy nhiên, loại trạm này cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Trạm trộn này không phù hợp với các công nghệ sản xuất vật liệu kém phát triển, vì nó yêu cầu cốt liệu đầu vào phải có cấp phối ổn định tuyệt đối.
Trạm trộn loại III với năng suất cao chỉ phù hợp cho các công trình xây dựng quy mô lớn Việc sử dụng trạm này cho các dự án cải tạo nâng cấp nhỏ tại Việt Nam sẽ dẫn đến lãng phí năng lực sản xuất.
Dựa trên nguyên lý hoạt động cùng với những ưu nhược điểm của các loại trạm trộn đã được mô tả, có thể nhận thấy rằng ở những quốc gia có công nghệ sản xuất vật liệu hạn chế, quy mô công trình nhỏ và năng lực thi công của các nhà thầu còn yếu, trạm trộn loại I là sự lựa chọn tối ưu nhất.
Cấu tạo trạm trộn bê tông nhựa nóng asphalt
Một trạm đầy đủ gồm các cụm cấu thành :
Băng tải cao su nằm ngang
Băng tải cao su nghiêng
Băng gầu vận chuyển phụ gia
Vít xoắn vận chuyển phụ gia
Khối tháp phễu phía trên
Hệ thống lọc bụi ướt
Hệ thống nấu nhựa gián tiếp
Hệ thống điều khiển tự động
Các thiết bị điện của hệ thống điều khiển tự động
Hình 1.4 Phễu cấp liệu nguội
Hệ thống chứa cốt liệu nguội có vai trò quan trọng trong việc lưu trữ cốt liệu và đảm bảo tốc độ cung cấp các loại cốt liệu vào tang sấy một cách ổn định, theo tỷ lệ phù hợp với công thức phối trộn.
Mỗi trạm trộn bê tông nhựa thường được trang bị từ 3 đến 4 phễu chứa cốt liệu nguội, với thể tích phễu phụ thuộc vào công suất của trạm Cốt liệu được đưa vào phễu từ bãi chứa bằng máy xúc lật, sau đó đi ra qua cửa nằm ở đáy phễu.
1.6.2 Băng tải cao su nằm ngang
Hình 1.5 Băng tải cao su nằm ngang
Băng tải cao su đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển vật liệu từ các phễu chứa sau khi đã được định lượng sơ bộ, đưa vào máng đón của băng tải nghiêng Thiết kế của băng tải đảm bảo tính hợp lý và dễ dàng điều chỉnh, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển.
1.6.3 Băng tải cao su nghiêng
Hình 1.6 Băng tải cao su nằm nghiêng
Băng tải cao su nghiêng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp vật liệu một cách đồng đều vào tang sấy Với thiết kế ngắn gọn, băng tải nghiêng giúp tiết kiệm diện tích lắp đặt trạm.
Cấu tạo chủ yếu của băng tương tự như băng tải cao su nằm ngang nhưng băng tải này nghiêng 1 góc 16º so với phương nằm ngang
Máng đón vật liệu của băng tải nghiêng kết hợp sàng sơ bộ dạng thanh để loại bỏ tiếp đá quá cỡ >= 80mm
Hình 1.7 Tang sấy vật liệu
Hệ thống tang sấy của trạm trộn đảm nhận 2 chức năng :
Để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình trộn, cốt liệu sau khi được sấy khô cần được đốt nóng đến nhiệt độ phù hợp, thường là cao hơn nhiệt độ trộn khoảng 15 ºC.
Tang sấy là ống thép tròn có đường kính từ 1.5 đến 3m và chiều dài từ 6 đến 12m, tùy thuộc vào công suất của trạm trộn Được đốt nóng bằng dầu FO hoặc gas, tang sấy có trục nghiêng từ 2 đến 10 độ, với đầu đốt đặt ở phía đầu thấp Bên trong, các cánh gạt được gắn dọc theo chiều dài để hỗ trợ việc di chuyển cốt liệu nguội từ đầu cao xuống dưới Khi ra khỏi tang sấy, cốt liệu sẽ được sấy khô và đốt nóng đến nhiệt độ quy định nhờ vào nhiệt từ đầu đốt.
Năng suất của tang sấy được thiết kế để cung cấp đủ cốt liệu cho thùng trộn khi độ ẩm của cốt liệu nguội là 5% Khi độ ẩm của cốt liệu tăng, năng suất tang sấy sẽ giảm, dẫn đến giảm năng suất toàn trạm Ngược lại, nếu độ ẩm giảm, năng suất tang sấy sẽ tăng, trong khi năng suất thùng trộn vẫn cố định Nếu tang sấy hoạt động ở tốc độ bình thường, sẽ có thừa vật liệu tại phễu nóng Do đó, việc xác định độ ẩm của các cốt liệu trước mỗi ca sản xuất là cần thiết để thực hiện các điều chỉnh phù hợp.
Thiết bị băng gầu có nhiệm vụ vận chuyển liên tục vật liệu từ vị trí thấp lên cao Trong trạm trộn bê tông nhựa nóng, băng gầu nóng đảm nhận việc chuyển giao vật liệu nóng sau khi được sấy trong tang sấy lên tháp sàng phân loại.
Dưới băng gầu nóng, có phễu nhập liệu nghiêng dốc vào gầu múc Để thuận tiện cho việc vệ sinh và thay thế gầu múc, băng gầu được trang bị hai cửa thăm lớn ở phía dưới.
Băng gầu nóng được trang bị hai bộ lò xo kép, giúp giảm chấn và chống quá tải cho động cơ, từ đó tăng cường tuổi thọ cho xích tải.
1.6.6 Băng gầu vận chuyển phụ gia
Băng gầu vận chuyển phụ gia có nhiệm vụ vận chuyển bột phụ gia ở phía dưới kho lên khoang chứa phụ gia trên tháp trộn
Cả băng gầu nóng và phụ gia đều thường có cấu tạo có vỏ che
1.6.7 Vít xoắn vận chuyển phụ gia
Vít xoắn là thiết bị chuyên dụng để vận chuyển vật liệu rời, chủ yếu theo phương nằm ngang Ngoài ra, vít tải còn có khả năng vận chuyển vật liệu lên cao với góc nghiêng tối đa lên tới 90 độ, tuy nhiên, hiệu suất vận chuyển sẽ giảm khi góc nghiêng tăng cao.
Trong trường hợp góc nghiêng lớn, vít xoắn hoạt động trong ống trụ thay cho máng, với máng được cấu thành từ nhiều đoạn dài từ 2 m đến 4 m, có đường kính trong lớn hơn đường kính cánh vít khoảng vài mm, được ghép nối bằng bích và bulông Trục vít được làm từ thép ống và có cánh vít hàn bằng thép tấm theo hình xoắn ốc, tạo thành một đường xoắn vô tận Các ổ đỡ ở hai đầu máng hỗ trợ cho trục vít và cánh quay, và nếu vít quá dài, cần lắp thêm ổ trục trung gian cách nhau khoảng 3-4 m Khi trục vít quay, nó sẽ đẩy vật liệu chuyển động tịnh tiến trong máng nhờ vào cánh vít, tương tự như chuyển động của bulông và đai ốc, khiến vật liệu trượt dọc theo đáy máng và theo cánh vít đang quay.
Trong trạm trộn có bố trí 2 vít xoắn để vận chuyển phụ gia
Vít xoắn cấp phụ gia có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển phụ gia từ phễu chứa xuống băng gầu, trong khi vít xoắn cân phụ gia trên tháp phễu giúp chuyển phụ gia từ phễu lưu vào phễu cân.
Sàng rung có 2 nhiệm vụ :
Loại bỏ các hạt quá cỡ trong hỗn hợp cốt liệu nóng sau khi ra khỏi tang sấy
Sàng cốt liệu nóng thành nhiều nhóm hạt khác nhau, sau đó đưa mỗi nhóm hạt vào 1 phễu chưa cốt liệu nóng riêng
Hệ thống sàng thường được bố trí tại phần cao nhất của một trạm trộn và thường có năng suất thiết kế lớn hơn năng suất thùng trộn
Năng suất của 1 cụm sàng phụ thuộc vào nhiều yếu tố có thể kể đến 1 số yếu tố chính sau :
Kích thước mắt sàng của từng sàng có trong cụm
Số lượng sàng trong cụm, cách chế tạo sàng ( có sàng dạng lưới và sàng dạn tấm thép đục lỗ)
Độ sạch của mặt sàng ( lượng cốt liệu bị kẹt lại tại các lỗ sàng)
Tính chất của cốt liệu và tốc độ cấp cốt liệu nóng cho cụm sàng
1.6.9 Khối tháp phễu phía trên
Hình 1.10 Khối tháp phễu phía trên
Khối tháp phễu trên gồm 4 phễu chứa cốt liệu nóng được sấy qua tang sấy, bao gồm 4 loại đá được phân loại qua sàng rung Ngoài ra, còn có 1 phễu chứa phụ gia được vận chuyển từ silo phụ gia bằng băng gầu và vít xoắn.
Cấu trúc của hệ thống bao gồm các khung cân, phễu cân cốt liệu, phễu cân phụ gia và bình cân nhựa, tất cả được lắp đặt phía trên thùng trộn Đáy của các phễu được trang bị cơ cấu mở sử dụng xi lanh.
20
Mục tiêu
Do điều kiện thực tế chưa cho phép thiết kế hệ thống điều khiển cho trạm trộn bê tông nhựa nóng, nhóm chúng em đã quyết định xây dựng một mô hình trạm trộn bê tông loại I Mô hình này nhằm đáp ứng các mục tiêu cụ thể đã được đề ra.
Xây dựng một mô hình hoạt động sát với một trạm thực tế nhất có thể
Sử dụng các thiết bị như trạm thực với kích cỡ nhỏ hoặc các thiết bị thay thế tương đương
Xây dựng giao diện người dùng thân thiện cho người vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nhân viên kỹ thuật trong việc cài đặt các thông số kỹ thuật, giúp can thiệp sâu vào điều khiển trạm Ví dụ, việc tinh chỉnh đầu cân và thay đổi thời gian nhấp xả sẽ giúp hiệu chỉnh trạm khi cần thiết.
Cấu tạo mô hình trạm trộn bê tông nhựa nóng asphalt
Chúng em đã nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong trạm trộn bê tông nhựa nóng, từ đó phát triển ý tưởng mô hình trạm trộn với các thiết bị cần thiết.
Băng tải nằm ngang có nhiệm vụ vận chuyển cốt liệu vào tang sấy
Băng gầu nóng vận chuyển cốt liệu nóng lên các phễu nóng
Phễu nóng chứa cốt liệu , phụ gia sau sấy nóng và nhựa sau khi nấu nóng chảy
Phễu cân cốt liệu, phụ gia và nhựa
Do chỉ là mô hình xây dựng, một số thành phần như hệ thống lọc bụi, hệ thống chống sét và các thành phần khác đã được loại bỏ để đơn giản hóa quá trình thi công.
Hình 2.1 Bản vẽ ý tưởng xây dựng mô hình trạm trộn bê tông nhựa nóng
Quy trình hoạt động của mô hình
Cốt liệu được lưu trữ trong các phễu nguội với cửa xả cho phép cốt liệu chảy xuống băng tải phía dưới Sau đó, toàn bộ cốt liệu được chuyển vào tang sấy để sấy khô và làm nóng đến nhiệt độ định trước Cốt liệu nóng sau khi ra khỏi tang sấy được chuyển bằng băng gầu vào phễu chứa liệu nóng Cuối cùng, cốt liệu của từng nhóm hạt cùng với bột khoáng và nhựa nóng sẽ được cân định lượng theo tỷ lệ quy định trong công thức trộn tại các phễu cân, trước khi được đưa xuống thùng trộn.
Tại thùng trộn, cốt liệu nóng và nhựa nóng được kết hợp trong khoảng thời gian từ 30 đến 60 giây để tạo ra hỗn hợp bê tông nhựa nóng Sau đó, hỗn hợp này sẽ được xả trực tiếp vào thùng xe.
Băng tải dài Tang sấy
Xe bồn chở thành phẩm
Hình 2.2 Quy trình hoạt động mô hình
Thiết kế phần cứng mô hình bằng phần mềm Solidworks
SolidWorks, sản phẩm nổi tiếng của Dassault Systemes, là phần mềm thiết kế 3D phổ biến trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, kiến trúc và cơ khí Với công nghệ đồ họa máy tính tiên tiến, SolidWorks cho phép người dùng tạo ra các mô hình 3D chi tiết, lắp ráp thành các bộ phận máy hoàn chỉnh, kiểm tra động học và cung cấp thông tin về vật liệu Để tối ưu hóa quy trình thiết kế, chúng tôi đã sử dụng SolidWorks để trực quan hóa các thành phần của mô hình dưới dạng 3D, giúp dễ dàng hơn trong việc gá lắp các bộ phận vào khung mô hình.
Hình 2.3 Thiết kế 3D Phễu cân cốt liệu
Hình 2.4 Thiết kế 3D Phễu xả cốt liệu có loadcell
Hình 2.5 Hình ảnh 3D của mô hình trên phần mềm SolidWorks.
Lựa chọn thiết bị
2.5.1 Động cơ DC giảm tốc 5V
Cơ cấu băng tải tang sấy và băng gầu được tối giản bằng cách sử dụng vật liệu gỗ, kết hợp với động cơ giảm tốc 5V Giải pháp này giúp đảm bảo tốc độ băng tải không vượt quá mức cho phép, mang lại mô hình hoạt động gần gũi với thực tế.
Hình 2.6 Động cơ giảm tốc 5V
Thông số kĩ thuật động cơ giảm tốc 5V :
Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật động cơ giảm tốc 5V Điện áp hoạt động 3-9VDC
Momen xoắn cực đại 800Gfcm min 1:48 (3V)
Tốc độ không tải 125 vòng/phút (3V) , 208 vòng/phút (5V)
Dòng không tải 70mA (max 250mA)
2.5.2 Xi lanh SMC đường kính 10mm hành trình 50mm
Xi lanh khí nén là thiết bị cơ khí hoạt động nhờ khí nén, chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng Thiết bị này giúp pít tông di chuyển theo hướng mong muốn, từ đó truyền lực đến các thiết bị khác.
Xi lanh có thể được phân loại thành 2 loại :
Xi lanh tác động đơn : là loại xi lanh sử dụng khí nén để dịch chuyển pít tông xi lanh dịch chuyển theo hướng nhất định
Xi lanh tác động kép là thiết bị cho phép tạo ra lực đẩy khí nén theo hai hướng, với cơ cấu dẫn động có thanh đẩy ở cả hai đầu pít tông.
Tính toán lực xi lanh :
F là lực của xi lanh
P là áp suất khí nén cung cấp vào , đơn vị Pa (kg/cm2)
A là diện tích của pít tông theo cm2
Do chỉ ở mức mô hình, lực của xi lanh không cần quá lớn Mỗi phễu chỉ chứa khoảng 1-2kg vật liệu, vì vậy chúng tôi đã chọn xi lanh CDJ2B10 – 50B để sử dụng trong cơ cấu chấp hành.
Các thông số kĩ thuật của xi lanh CDJ2B10 – 50B :
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật của xi lanh CDJ2B10 – 50B
Hành trình 50mm Đường kính 10mm Áp suất tối đa 1MPa Áp suất hoạt đông tối đa 0.7MPa Áp suất hoạt động tối thiểu 0.06MPa
Nhiệt độ hoạt động -10-70 độ C
Sử dụng nguồn khí nén với áp suất P = 3 kg/cm2, chúng ta có thể tính toán lực tác động tối đa mà xi lanh đã được lựa chọn có khả năng đạt được.
Như vậy với xi lanh CDJ2B10 – 50B và nguồn cấp khí trên thì đảm bảo hệ thống hoạt động tốt
2.5.3 Van điện từ khí nén ( Van khí nén 5/2 )
Van khí nén là loại van phân phối khí đến xi lanh khí nén giúp cho xi lanh khí nén hoạt động
Van điện từ khí nén Airtac 4V110-06 là thiết bị van kích hoạt bằng điện, với cấu trúc bao gồm 1 đầu điện, 5 cửa và 2 vị trí Trong đó, 2 cửa được đặt ở phía trên và 3 cửa nằm ở phía dưới.
Mặt trên van gồm 2 cửa điều khiển, khí thoát ra ngoài qua 2 cửa này đến kích hoạt xi lanh hoạt động
Mặt dưới van gồm 3 cửa, cửa nằm giữa là đầu in đưa khí vào và 2 cửa xả nằm hai bên
Thông số kĩ thuật van :
Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật van điện từ khí nén airtac 4V110-06
Loại van 5 cửa 2 vị trí
27 Áp suất hoạt động 0,15 – 0,8 mpa
Nhiệt dộ hoạt động 20 ~ 70 ºC
Hình 2.8 Van điện từ khí nén airtac 4V110-06
2.5.4 Van điện nước Để thay thế cho thành phần nguyên liệu nhựa trong thực tế thì trong mô hình này sử dụng nước nên để đóng cắt sẽ sử dụng van điện từ nước 24V
Hình 2.9 Van điện từ nước 24V
Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lực thành tín hiệu điện, với đầu ra thường từ 1 đến 3mV/V Giá trị đầu ra này được khuếch đại qua bộ khuếch đại tín hiệu và sau đó chuyển đổi thành dạng số qua bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), trước khi được xử lý hoặc hiển thị bởi các bộ xử lý tín hiệu.
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là Strain gage và thành phần thứ hai là Load
Strain gage là một loại điện trở nhỏ, có kích thước tương đương với móng tay, với khả năng thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn Thiết bị này cần được cung cấp nguồn điện ổn định và thường được dán cố định trên bề mặt của tải trọng.
Load là một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi
Hình 2.10 Loadcell b) Nguyên lý hoạt động :
Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, với giá trị lực tác dụng tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở Điều này dẫn đến việc trả về tín hiệu điện áp tỷ lệ Các thông số kỹ thuật quan trọng cần lưu ý khi sử dụng loadcell bao gồm độ nhạy, dải đo, và độ chính xác.
Bảng 2.4 trình bày ý nghĩa của các thông số kỹ thuật của loadcell, trong đó độ chính xác thể hiện phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác này chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như tính chất phi tuyến, độ trễ và độ lặp.
Công suất định mức Giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được
Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo thực hiện đúng theo các chi tiết kỹ thuật đã được quy định.
Cấp bảo vệ của loadcell được đánh giá theo thang đo IP, chẳng hạn như IP65, cho khả năng chống ẩm và bụi Giá trị điện áp làm việc của loadcell thường nằm trong khoảng từ 5V đến 15V, với giá trị lớn nhất và nhỏ nhất được xác định rõ ràng.
29 Độ trễ Hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả Thường đươc đưa ra dưới dạng phần trăm của tải trọng
Trở kháng đầu vào của loadcell được xác định qua S- và S+ khi chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải Giá trị điện trở cách điện, thường đo tại dòng DC 50V, phản ánh sự cách điện giữa lớp vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
Phá hủy cơ học Giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng
Giá trị ra Kết quả đo được ( đơn vị mV)
Trở kháng đầu ra Cho dưới dạng trở kháng được đo giữa EX+ và EX- trong điều kiện loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải
Quá tải an toàn Là công suất mà loadcell có thể vượt quá
Hệ số tác động của nhiệt độ là đại lượng được đo khi có tải, phản ánh sự thay đổi công suất của loadcell theo sự biến động của nhiệt độ.
Mô hình thực tế
Sau khi hoàn thiện ý tưởng và thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Solidworks, chúng em đã lựa chọn thiết bị phù hợp để xây dựng mô hình Chúng em nhanh chóng bắt tay vào sản xuất các bộ phận cấu thành mô hình trạm và lắp ráp chúng vào khung Sau khoảng hai tuần làm việc, chúng em đã hoàn thành phần cứng của khung, như thể hiện trong các hình ảnh dưới đây.
Hình 2.20 Cân sử dụng Loadcell 5kg
38 Hình 2.21 Van điện từ nước điều khiển cấp nước (thay thế cho nhựa)
39 Hình 2.23 Khung phần cứng mô hình sau khi hoàn thiện
40
Phân cổng vào ra
Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng công nghệ của trạm trộn bê tông nhựa nóng asphalt và xây dựng phần cứng mô hình, chúng tôi đã tổng hợp được bảng đầu vào và đầu ra như sau:
Bảng 3.1 Phân cổng vào ra Đầu vào
I0.0 Công tắc hành trình phễu cấp đá 1 I3.0 Công tắc hành trình phễu cấp đá 2 I3.1
Tín hiệu loadcell nhựa PIW304
Tín hiệu loadcell đá PIW308
Tín hiệu loadcell phụ gia PIW316 Đầu ra
Van phễu cân phụ gia Q0.4 Động cơ băng tải, tang sấy, băng gầu Q1.2
Van phễu xả phụ gia Q2.2
Van phễu xả thảm Q2.1 Động cơ trộn Q0.7
Lưu đồ điều khiển
Để thuận tiện cho việc lập trình và đảm bảo không bỏ sót yêu cầu công nghệ, chúng tôi đã xây dựng một lưu đồ thuật toán cơ bản đầy đủ, giống như một trạm thực tế.
Sau khi nút START được nhấn, hệ thống sẽ khởi động các phễu cấp liệu, băng tải, tang sấy và băng gầu, đồng thời mở các phễu cân để bắt đầu quá trình cân cốt liệu Quá trình cân được chia thành hai giai đoạn: cân tới 80% giá trị đặt và dừng lại, sau đó tiếp tục điều chỉnh cho đến khi phần trăm đạt yêu cầu Khi đã cân đủ lượng cốt liệu, các phễu xả đá và phụ gia sẽ mở để chuyển cốt liệu xuống thùng trộn, nơi diễn ra quá trình trộn khô Sau khi kiểm tra đủ số lần cấp cốt liệu, nếu chưa đủ, hệ thống sẽ tiếp tục cân Sau khi trộn khô đủ thời gian, nhựa sẽ được xả xuống và bắt đầu quá trình trộn ướt Nếu số lần cân nhựa chưa đủ, hệ thống sẽ tiếp tục cân cho đến khi đạt yêu cầu Sau khi hoàn tất trộn ướt, thảm sẽ được xả xuống, và nếu số mẻ chưa đủ, cốt liệu sẽ tiếp tục được cân và xả xuống thùng trộn Hệ thống sẽ dừng lại khi đủ số mẻ đặt Để tránh tràn phễu cân, hai công tắc hành trình hạn vị được sử dụng để ngăn chặn tình trạng này Để tăng năng suất, chúng tôi thực hiện gối mẻ, cho phép các phễu cấp liệu hoạt động độc lập và tiếp tục cân cho mẻ tiếp theo ngay sau khi hoàn tất mẻ trước.
45 Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán
Mạch lực điều khiển
Hình 3.2 Sơ đồ mạch động lực
47 Hình 3.3 Sơ đồ mạch lực điều khiển
Sơ đồ đi dây của mô hình sử dụng relay để cách ly phần điều khiển và các cơ cấu chấp hành, đồng thời thiết kế chế độ thủ công tách biệt với PLC Chế độ này đảm bảo hoạt động bình thường khi PLC gặp sự cố, với việc sử dụng relay để ngăn chặn dòng điện chạy ngược vào module đầu ra của PLC, bảo vệ thiết bị Hơn nữa, khi hoạt động ở chế độ thủ công, các chế độ khác sẽ không thể thao tác, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Xử lý tín hiệu đầu cân
Giá trị đầu ra của loadcell, sau khi được khuếch đại, sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp và đưa vào module analog Để giảm thiểu nhiễu, tín hiệu đọc được sẽ được lấy trung bình từ nhiều lần lấy mẫu, với chu kỳ lấy mẫu tương ứng với chu kỳ quét của PLC.
Khi sở hữu một tập hợp điểm dữ liệu, chúng ta có thể ước lượng giá trị của các điểm lân cận thông qua phương pháp nội suy Độ chính xác của phép nội suy sẽ tăng lên khi số lượng điểm dữ liệu đã biết càng nhiều.
Hình 3.4 Phương pháp nội suy tuyến tính
Sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính ta có thể tính như sau :
Với các giá trị x2, y2, x3, y3 biết trước và giá trị y là giá trị đo về
Trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi đã thu thập dữ liệu với các giá trị quả nặng là 0kg, 0.5kg, 1.5kg và 3kg Với 4 điểm dữ liệu này, kết quả thu được tương đối chính xác.
Cấu hình phần cứng cho PLC S7 300
Cấu hình phần cứng cho trạm PLC là một điều cần thiết trước khi tiến hành viết chương trình
To configure using the SIMATIC Manager software, start by launching the application and creating a new project Next, navigate to the Hardware section within the project to complete the configuration process.
Trước hết để có thể gá các module cần có 1 thanh Rail, các vị trí trên thanh Rail được quy định :
Vị trí số 1 là module nguồn PS
Vị trí số 2 là module CPU
Vị trí số 3 là module IM
Vị trí số 4 trở đi là vị trí của các module mở rộng SM
Hình 3.5 Màn hình cấu hình phần cứng
Kích chọn và kéo thả các module như thực tế đang sử dụng vào đúng vị trí trên thanh Rail
Để thiết lập địa chỉ cho các module đầu ra vào, bạn cần kích đúp vào biểu tượng module vào/ra, sau đó chọn mục Addresses và xác định giá trị ô nhớ bắt đầu.
Để đọc tín hiệu từ Loadcell, cần cấu hình module đầu vào analog Đầu tiên, cấu hình cứng trên module bằng cách chọn kiểu đầu vào A, B, C hoặc D, mỗi kiểu có ý nghĩa riêng.
Kiểu A : đầu vào 80/250/500/1000mV/Pt 100
Kiểu C : đầu vào kiểu dòng 4 dây
Kiểu D : đầu vào kiểu dòng 2 dây
Sau khi hoàn tất cấu hình phần cứng, chúng ta sẽ tiến hành cấu hình phần mềm SIMATIC Manager Đầu tiên, hãy chọn biểu tượng module analog trên thanh Rail Các thông số cần thiết để cài đặt bao gồm địa chỉ, kiểu đầu vào và dải đầu vào Trong trường hợp này, kiểu đầu vào được thiết lập là Voltage và dải đầu vào là ±10V.
Hình 3.8 Đặt địa chỉ cho đầu vào module analog
Hình 3.9 Cấu hình kiểu đầu vào và dải đầu vào module analog
Trong chương trình, một số giá trị cần được lưu trữ ngay cả khi mất điện, vì vậy chúng ta cần cấu hình vùng nhớ này bằng cách nhấp đúp vào biểu tượng CPU.
52 hiển thị lên cửa sổ Properties , chọn Retentive Memory , sau đó đặt số byte, số timer và counter nằm trong vùng nhớ load memory, chọn ok để hoàn tất
Hình 3.10 Cài đặt vùng nhớ Load Memory
Sau khi cấu hình xong cần phải Save and Compile và đổ xuống PLC kết thúc quá trình cấu hình phần cứng.
Chương trình điều khiển
Hệ thống được thiết kế hoạt động gồm 3 chế độ :
Chế độ thủ công thao tác trên các nút bấm thực được đặt trên bảng điều khiển
Chế độ bằng tay : người dùng sẽ thao tác bằng các nút bấm trên giao điện điều khiển
Chế độ tự động : Chạy hoàn toàn tự động và có thể điều chỉnh các thông số, quan sát quá trình hoạt động của hệ thống
Trong chế độ tự động người dùng có 2 lựa chọn là chạy ở chế độ giả lập hoặc chế độ giả lập :
Chế độ giả lập là công cụ quan trọng cho người vận hành khi cần thử nghiệm trạm sau khi lắp đặt hoặc sửa chữa Việc sử dụng bộ cộng, trừ giúp giả lập tín hiệu đầu cân một cách hiệu quả.
Chế độ thực : Sử dụng tín hiệu các đầu cân thực tế Cốt liệu thực tế gồm
4 loại đá nhưng ở mô hình này được mô phỏng bằng hai loại đá được cân theo phương pháp cộng dồn
Do chương trình điều khiển khá dài nên em xin được trình bày cụ thể hơn ở phần phụ lục.
Thiết kế giao diện HMI
Để đảm bảo việc vận hành và giám sát hiệu quả cho trạm, cần thiết phải có một giao diện người dùng Giao diện này được thiết kế trên phần mềm Wincc của Siemens.
Wincc là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp
Để xây dựng chương trình điều khiển và giám sát hiệu quả, việc liên kết giữa WinCC và PLC là rất quan trọng Trước tiên, cần tạo một bảng Tag trong WinCC dựa trên các hệ thống Tag đã sử dụng trong PLC Trong WinCC, có hai loại Tag: Tag ngoại, kết nối với PLC để thu thập dữ liệu, và Tag nội, chỉ sử dụng trong môi trường WinCC.
Hình 3.11 Xây dựng bảng Tags và kết nối với PLC
To create a Tag table, click on Tag Management to open the Tag Management window Then, right-click on Tag Management, select SIMATIC S7 Protocol, and choose TCP/IP as the connection protocol Next, right-click on TCP/IP and select New Connection to establish a new Tag table Finally, right-click on TCP/IP again, choose System Parameter, and select the Realtek PCIe network driver for the connection.
FE Family Controller.TCPIP.Auto.1
To configure the PLC, right-click on NewConnection, select Connection Parameters, and set the address to 192.168.01, with the Slot Number set to 2.
Hình 3.12 Xây dựng bảng Tags và kết nối với PLC
Sau khi hoàn thành bảng Tag và kết nối với PLC, bước tiếp theo là thiết kế màn hình điều khiển Để bắt đầu, ta chọn Graphics Designer và nhấn vào New picture, từ đó một cửa sổ thiết kế đồ họa sẽ xuất hiện, cung cấp nhiều công cụ hỗ trợ để tạo ra giao diện theo ý muốn.
Hình 3.13 Cửa số thiết kế đồ họa
Chúng tôi đã thiết kế màn hình chính với phần header chứa thông tin cơ bản, các lựa chọn cho người dùng và giao diện đăng nhập.
Để tạo menu người dùng như hình 3.14, bạn cần nhấp vào Menus and Toolbars, sau đó chọn Insert Menu Item để thêm các lựa chọn cho người dùng Giao diện thiết kế của chúng tôi bao gồm nhiều phần khác nhau.
Hiệu chỉnh thông số cân
Hiệu chỉnh thông số nhấp xả
In báo cáo, lịch sử hoạt động
Hình 3.15 Tạo menu lựa chọn người dùng
Hình 3.16 Giao diện màn hình điều khiển
Màn hình điều khiển được thiết kế bao gồm khối mô phỏng thiết bị hiện trường, khối nút bấm điều khiển và khối nhập thông số cốt liệu cùng thời gian hoạt động Khối mô phỏng giúp người dùng dễ dàng quan sát quá trình hoạt động của hệ thống, với các bộ phận nháy đèn khi hoạt động và hiển thị tín hiệu cân đọc cho từng loại thành phần trên các phễu cân, giúp người vận hành quản lý hiệu quả Khối nút bấm và khối nhập thông số cho phép người dùng điều chỉnh các thành phần cốt liệu và thời gian hoạt động một cách linh hoạt.
Bài viết này trình bày các nút chức năng cho chế độ tự động và chế độ bằng tay Để chuyển sang chế độ bằng tay, người dùng chỉ cần nhấn nút Manual và sau đó nhấn Start để khởi động Để điều khiển cơ cấu nào hoạt động, chỉ cần nhấn nút tương ứng.
Để hoạt động ở chế độ tự động, người dùng chỉ cần nhấn nút Auto trên màn hình Trong chế độ này, có thể lựa chọn giữa chế độ giả lập và chế độ thực Để sử dụng chế độ giả lập, hãy nhấn nút giả lập; nếu muốn hoạt động trong chế độ thực, không cần chọn nút giả lập.
Trong quá trình hoạt động, nếu xảy ra lỗi, người vận hành có thể dễ dàng reset hệ thống bằng cách nhấn nút RESET để đưa hệ thống về trạng thái ban đầu Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi thực hiện reset chế độ thực, các thành phần cốt liệu nên được xả để đảm bảo hệ thống trở về trạng thái ban đầu một cách hiệu quả.
Hình 3.17 Tải mác bê tông lưu sẵn trong cơ sở dữ liệu
Các thông số về cốt liệu, thời gian trộn và xả thảm có thể được nhập trực tiếp vào ô trên giao diện hoặc tải từ các mác đã lưu trong cơ sở dữ liệu người dùng bằng cách nhấn nút LOAD trên màn hình điều khiển.
Để lưu mác bê tông vào cơ sở dữ liệu, người dùng có thể lưu trữ thông số của các mẻ bê tông cho các lần sử dụng sau Bằng cách chọn nút Save, một cửa sổ sẽ hiện ra để người dùng đặt tên cho mác bê tông cần lưu và nhấn Save để hoàn tất quá trình lưu trữ.
Hình 3.19 Cửa sổ viết chương trình Vbs
Để lưu trữ dữ liệu của trạm, chúng tôi đã thiết lập liên kết giữa WinCC và Microsoft Access, cho phép chuyển dữ liệu từ WinCC vào Microsoft Access hoặc lấy dữ liệu ra để xử lý Việc tạo liên kết này yêu cầu xây dựng một chương trình VBS trong cửa sổ Global Script, và chi tiết chương trình có thể được tham khảo trong mục phụ lục.
Hình 3.20 Màn hình đăng nhập
Quá trình vận hành trạm có thể được thực hiện bởi những người không cần hiểu biết sâu về hệ thống Tuy nhiên, để can thiệp và hiệu chỉnh hệ thống một cách hiệu quả, cần có những chuyên gia có kiến thức chuyên môn Do đó, việc phân quyền trong hệ thống trạm là rất quan trọng.
Trong thiết kế này, chỉ người có tài khoản đăng nhập mới có thể hiệu chỉnh có thể hiệu chỉnh thông số đầu cân
Hình 3.21 Cửa sổ tạo tài khoản người dùng
