Điều khiển ổn định dây chuyền hệ thống cân băng định lượng

ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 111 
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH DÂY CHUYỀN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 
Hoàng Thị Thương1, Đỗ Thị Mai*1, Nguyễn Thị Thanh Bình2, Đỗ Thị Hiên1 
1Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên – ĐH Thái Nguyên 
2Đại học Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Mô hình hệ thống cân băng định lượng được xây dựng nhằm đáp ứng chương trình đào tạo của 
Khoa và của Nhà trường theo hướng ứng dụng thực tiễn. Mỗi một phân kiến thức mới được khai 
thác là một phần hệ thống mới được xây dựng và đưa vào giảng dạy nhằm cung cấp cho sinh viên 
kiến thức và kỹ năng phù hợp và thiết yếu với chuyên ngành sau khi ra trường. 
Điều khiển ổn định hệ thống cân băng định lượng có thể được thực hiện thông qua nhiều phương 
pháp khác nhau. Nội dung bài báo trình bày phương pháp thực nghiệm kết hợp lựa chọn thiết bị 
điều khiển tự động tạo điều kiện thuận lợi hơn so với phương pháp lý thuyết thông thường, ngoài 
ra còn có thể đánh giá trực tiếp kết quả hệ điều khiển sau khi thử nghiệm. Vòng điều khiển có tính 
phản hồi (vòng kín), các thông số bộ điều khiển được tự động chỉnh định trong PLC. Truyền tin 
trong hệ thống được thực hiện thông qua hàm truyền thông USS. Kết quả điều khiển đảm bảo 
được yêu cầu sai số cho phép. 
Từ khóa: cân băng định lượng, HSC, PID, USS , encoder. 
Ngày nhận bài: 24/01/2019; Ngày hoàn thiện: 25/02/2019; Ngày duyệt đăng: 28/02/2019 
STABLE CONTROL IN THE MODEL OF QUANTITIVE BALANCING SYSTEM 
Hoang Thi Thuong
1
, Do Thi Mai
1*
, Nguyen Thi Thanh Binh
2
, Do Thi Hien
1 
1TNU -University of Information and Communication Technology 
 2Thai Nguyen University 
ABSTRACT 
The model of quantitative weighing system was built to meet the training program of the Faculty 
and the University in the direction of practical application. Each newly learned and exploited 
knowledge leads to built a part of system with the aims to provide students essential knowledge 
and skills after graduation.The stability in control of quantitative weighing system can be done 
through many different methods. 
The content of the article presents empirical method combined with the selection of automatic 
control equipment to create more favorable conditions than the conventional theoretical method, in 
addition we can directly assess the results of the following control system in the testing. The 
feedback loop (closed loop), the controller parameters are automatically calibrated in the PLC. 
System communication is done through the USS communication function. Control results are 
guaranteed to allow for errors. 
Key words: quantitative balancing system, HSC, PID, USS, encoder. 
Received: 24/01/2019 ; Revised: 25/02/2019 ; Approved: 28/02/2019 
* Corresponding author: Tel: 0966 643949; Email: dtmai@ictu.edu.vn
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 112 
MỞ ĐẦU 
Hệ thống cân băng định lượng là một hệ 
thống có tính ứng dụng cao trong thực tiễn. 
Trên thế giới, hệ thống cân băng định lượng 
là một phần không thể thiếu trong các dây 
chuyền sản xuất: sản xuất công nghiệp nặng, 
công nghiệp nhẹ, chế biến thực phẩm...Tại 
Việt Nam, các dây chuyền hệ thống cân băng 
định lượng tự chế tạo hiện vẫn bó hẹp đối với 
một số hệ thống nhỏ lẻ. Đối với các hệ thống 
lớn, hiện đại, hầu hết các quy trình công nghệ 
đều được chuyển giao từ các quốc gia có nền 
công nghiệp hiện đại. 
Hiện nay ứng dụng PLC trong hệ thống điều 
khiển tự động cân định lượng là xu hướng 
ứng dụng rộng dãi nhất.Thực hành trên mô 
hình hệ thống tạo điều kiện cho sinh viên có 
cơ hội làm quen với cấu trúc điều khiển vòng 
hở, vòng kín, xây dựng hàm truyền hệ thông, 
xác định luật điều khiển theo phương pháp lý 
thuyết/thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai 
phương pháp; truyền thông mạng LAN, 
PROFINET, USS,...; ghép nối, cấu hình hệ 
thống, trạng bị điện, lập trình thiết kế giao 
diện giám sát; mở rộng hệ thống xây dựng hệ 
SCADA hay DCS cỡ nhỏ...Như vậy để giải 
quyết được bài toán điều khiển ổn định hệ 
thống cân băng đòi hỏi người kỹ sư cần có 
kiến thức sâu rộng về nhiều mảng, cho thấy 
vai trò của hệ thống trong đào tạo. 
Mô hình hệ thống điều khiển được mô tả 
dưới dạng sơ đồ khối như trong hình 1 [1] và 
sơ đồ hệ thống sử dụng PLC như trong hình 
2 [2], [3]. 
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống 
Hình 2. Sơ đồ hệ thống ứng dụng PLC 
Với sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thể hiện như trong hình 3. 
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển 
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 113 
Trong đó: 
Uđ: điện áp đặt 
Rm: Bộ điều chỉnh khối lượng (Bộ điều khiển) 
WDT: Hệ thống cân băng (đối tượng điều khiển) 
V: vận tốc băng tải (m/h) 
m: Khối lượng vật liệu trên băng tải (Kg/m) 
Uđk: tín hiệu điều khiển 
e: Sai lệch điều khiển 
MÔ HÌNH HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 
Mô hình hệ thống cân băng định lượng có sơ đồ được thể hiện như trong Hình 1, 2. 
Bảng 1. Thiết bị trong hệ thống 
STT Tên thiết bị Số lượng Thông số kỹ thuật 
1 PLC S7.1200 01 CPU 1211C AC/DC/RLY 
2 CB 1241 (RS 485) 01 6ES7241-1CH30-1XB0 
3 Biến tần MM420 01 Điện áp vào: 220VAC; P = 0,2 -1,1 KW 
4 Động cơ KĐB 3 pha 01 
Uđm=200V; Iđm=2,1 A; fđm=50Hz; nđm=1410 v/p; 
Pđm = 0,7KW; p=2 
5 Loadcell 01 
Dải đo: 0 – 100 kg; Điện áp: 2.0mv/v ±0.2mv/v 
Đầu ra: 5 dây 
6 Bộ khuếch đại 01 Nguồn nuôi: 24VDC; Điện áp ra: 0 - 10VDC 
7 Encoder 01 
E6B2 – CWZ6C; Encoder 5 đầu dây 
Độ phân giải: 1000 xung/vòng 
8 
Van điện – khí nén 
ON/OFF 
01 
Nguồn: 24 VDC 
Nguyên lý hoạt động 
Loadcell gửi tín hiệu cân đo được tại từng 
thời điểm qua bộ khuếch đại đưa vào ngõ vào 
tương tự AI của PLC S7-1200. PLC xử lý tín 
hiệu cân, thực hiện chương trình theo thuật 
toán đã được lập trình trong bộ nhớ, tính tổng 
khối lượng cân, so sánh với khối lượng đặt, 
đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van silo 
khi đủ khối lượng cân mong muốn trong điều 
kiện tốc độ động cơ chạy ổn định với tần số 
đặt trước bởi biến tần MM420 của Siemens. 
Encoder phản hồi thông tin về tốc độ động cơ 
đưa về PLC, mọi thông tin điều khiển giữa 
PLC với biến tần được thực hiện qua hàm 
USS (truyền thông RS485). 
Đấu nối phần cứng [4] 
Ghép nối PLC – Biến tần 
Có nhiều phương thức ghép nối giữa PLC S7-
1200 với biến tần tùy theo yêu cầu điều khiển, 
khả năng ghép nối truyền thông cũng như tình 
trạng thiết bị thực tế của hệ thống: thông qua 
vào/ra số; vào/ra tương tự; hoặc qua module 
truyền thông. 
Ghép nối PLC S7-1200 với biến tần MM420 
thông qua board truyền thông SB 1241. 
Hình 4. Sơ đồ ghép nôi PLC S7.1200 – biến tần 
MM420 
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 114 
Ghép nối Encoder – PLC 
Hình 5. Sơ đồ đấu nối Encoder – PLC 
Ghép nối Loadcell – PLC 
Hình 6. Sơ đồ đấu nối Loadcell – PLC 
Ghép nối biến tần – động cơ 
Hình 7. Sơ đồ đấu nối biến tần – động cơ 
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 
Bài toán được phân chia thành 02 nhiệm vụ 
điều khiển bổ trợ cho nhau: 
- Điều khiển ổn định tốc độ động cơ 
- Điều khiển cân định lượng 
Thuật toán điều khiển được thể hiện như 
trong hình 8 và 9 [5], [6]. 
KẾT QUẢ 
Hình ảnh mô hình hệ thống thực được thể 
hiện trong hình 10, 11, 12, 13, 14. 
Hình 8. Điều khiển cân định 
lượng 
Hình 9. Điều khiển ổn định 
tốc độ động cơ bảng tải 
Hình 10. Encoder - động cơ 
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 115 
Hình 11. Loadcell gắn trên băng tải 
Hình 12. Biến tần 
Hình 13. Bộ khuếch đại 
Hình 14. Bảng điều khiển 
Điều khiển ổn tốc 
Dữ liệu ban đầu [1]: 
-Cài đặt biến tần điều khiển tốc độ động cơ ở 
tần số f = 10Hz. 
-Thời gian chạy hết chiều dài băng tải ở tần số 
đó là 70s. 
-Chiều dài băng tải: 2m. 
-Vận tốc dài băng tải v = 102,86 (m/h) 
Sau khi chạy chương trình thu được kết quả 
như trong bảng 2, hình 15, hình 16. 
Bảng 2. Bảng xung encoder thưc tế 
(thời gian lấy mẫu 1s) 
t t1 t2 t3 t4 
xung 4732 4716 4720 4715 
∆ 32 16 20 15 
% 0,68 0,34 0,43 0,32 
t t5 t6 t7 t8 t9 
xung 4679 4677 4683 4670 4728 
∆ 21 23 17 30 28 
% 0,45 0,49 0,36 0,64 0,59 
t t10 t11 t12 t13 t14 
xung 4732 4738 4735 4726 4722 
∆ 32 38 35 26 22 
% 0,68 0,81 0,74 0,55 0,46 
t t15 t16 t17 t18 t15 
xung 4681 4670 4668 4676 4681 
∆ 19 30 32 24 19 
% 0,40 0,64 0,68 0,51 0,40 
Sai số trung bình trong điều khiển ổn tốc: 
∆ = 0,54% 
Đáp ứng vận tốc dài băng tải được thể hiện 
như trong Hình 15. 
Đáp ứng khối lượng vật liệu trên băng tải 
được thể hiện trong Hình 16 (M=1,763 Kg). 
Kết quả điều khiển cân định lượng 
-Khối lương trung bình trên băng tải: 
m=1,763Kg 
-Hệ số hiệu chỉnh khối lượng: k=3,32 
-Sai số chu kỳ tính toán: 0,1423% 
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 116 
Hình 15. Vận tốc dài băng tải 
Hình 16. Khối lượng trung bình vật liệu trên băng tải 
Hình 17. Đồ thị sai lệch giá trị thực và giá trị đặt 
Bảng 3. Sai số giá trị thực và giá trị đặt 
Thời 
điểm 
lấy 
mẫu 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 1 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 2 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 3 
t1 0,565042 0,818222 1,06257 
t2 0,95406 0,131012 2,21997 
t3 1,577772 0,782052 1,85828 
t4 0,565042 0,23068 1,6051 
Thời 
điểm 
lấy 
mẫu 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 1 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 2 
Sai số 
đường lấy 
mẫu 3 
t5 0,709712 0,565042 1,56893 
t6 1,360762 0,239522 1,46043 
t7 0,854392 0,01367 0,12217 
t8 0,203352 0,37536 0,275692 
t9 0,99023 1,42426 0,818222 
t10 1,20724 0,77321 0,167182 
t11 2,21997 0,854392 0,384192 
t12 1,6051 1,143742 0,44769 
t13 0,12217 1,396922 1,42426 
t14 0,88172 1,975632 0,66471 
t15 0,37536 1,794782 0,99023 
t16 
2,120302 0,48386 
t17 
2,735182 0,37536 
t18 
2,120302 0,33919 
t19 
0,962902 0,239522 
t20 
0,890562 0,384192 
∆tb 0,946128 1,067388 0,844588 
Hoàng Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 111 - 117 
 Email: jst@tnu.edu.vn 117 
-Từ sai số thu được trong bảng 3, sai số trung 
bình của mô hình: ∆tbmh= 0,95% 
Tổng sai số: ∆ = 0,14 + 0,95+ 0,54 = 1,63% 
KẾT LUẬN 
Một hệ thống thực khi đi vào hoạt động dưới 
tác động của nhiễu sinh ra sai số ảnh hưởng 
đến chất lượng của hệ thống. Có những sai số 
có thể loại trừ được, và có những sai số rất 
khó loại trừ. Mục tiêu điều khiển là giảm 
thiểu sai số đến mức thấp nhất có thể thông 
qua các phương pháp điều khiển cổ điển, hiện 
đại hoặc kết hợp nhiều phương pháp hác 
nhau. Sai số của hệ thống trong bài báo này 
đã được liệt kê tính toán đến bao gồm sai số 
trong xây dựng mô hình, sai số tính toán, sai 
số đường truyền, sai số tốc độ cộng cơ. Mặc 
dù chưa thể tối ưu hóa nhưng hệ thống đã có 
thẻ hoạt động với một sai số đáp ứng được 
yêu cầu. Khi đưa vào thực tiễn, tùy theo kinh 
nghiệm và điều kiện môi trường hoạt động cụ 
thể sẽ có các phương pháp giảm trừ sai số tích 
cực và hiệu quả hơn được áp dụng. Trong 
tương lai nhóm tác giả sẽ cố gắng tìm ra các 
phương pháp tối ưu điều khiển hệ thống và 
đưa vào giảng dạy một cách cụ thể, trực quan. 
Bài báo là kết quả của đề tài nghiên cứu khoa 
học cấp cơ sở Trường Đại học CNTT&TT 
Thái Nguyên mã số T2018-07-15 thực hiện 
năm 2018. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Đỗ Thị Mai & Đtg (2017, “Giải quyết bài toán 
cân động trong mô hình hệ thống cân băng định 
lượng”, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên, 
169(09), tr. 63-68. 
2. Ashawini Bhiungade (2015), Automation of 
conveyor using PLC, Technical Research 
organization India. 
3. Ganesh B.Shinde, Vishal P.Ghadage (2015), 
“PLC Based Auto Weighing Control Sysstem”, 
International Journal of Engineering and 
Technical Reaseach, Volumne-3, Issue-03, pp. 
213-216, March 2015. 
4. Siemens (2009), Simatic S7-1200 easy book 
manual. Siemen AG. 
5. Siemens (2016), Application examples for 
High-Speed Counter, Siemen AG. 
6. Addy Wahyudie, David Banjerdpongchai 
(2006), Robust PID controller Design for Belt 
Conveyor System via Complex Polynomial 
Stablization. The 6
th
 Asian Control Conference, 
28-21/7/2006. 
  Email: jst@tnu.edu.vn 118