Cân băng tải định lượng là cân đo lưu lượng vật liệu rời đang chạy trên băng: loadcell dưới con lăn cân đo tải trọng trên một đoạn băng, encoder đo tốc độ băng, bộ tích phân nhân hai giá trị thành lưu lượng tức thời (tấn/giờ) và cộng dồn thành tổng khối lượng; phần định lượng điều chỉnh tốc độ băng qua biến tần để lưu lượng bám giá trị đặt. Trong khoáng sản và xi măng, nhiều cân băng chạy song song theo tỉ lệ phối liệu để trộn đá vôi, đất sét, quặng sắt, thạch cao, phụ gia đúng công thức. Bài này đi vào nguyên lý, cách phối liệu nhiều băng, hiệu chuẩn, điều kiện bụi rung và máy tính công nghiệp điều khiển phối liệu; định nghĩa chung và sáu loại cân đã có trong bài cân công nghiệp là gì.
1. Nguyên lý cân băng tải định lượng
Một cân băng tải định lượng gồm bốn phần đo và một phần điều khiển:
- Cầu cân và loadcell: một hoặc vài con lăn cân đặt trên khung riêng tựa lên 1–4 loadcell. Loadcell đo tải trọng tuyến tính q (kg trên mỗi mét băng) của đoạn băng nằm trên cầu cân. Cân một con lăn đủ cho phối liệu; cân nhiều con lăn cho cân thương mại cần cấp chính xác cao hơn.
- Encoder tốc độ băng: bánh lăn tì vào mặt băng hoặc gắn trục tang bị động, phát xung theo quãng đường băng chạy. Tốc độ v (m/s) tính từ số xung trong một chu kỳ lấy mẫu.
- Bộ tích phân (integrator): cấp nguồn loadcell, đọc q và v, tính lưu lượng Q = q × v và cộng dồn tổng khối lượng; có phím lấy bì, hiệu chuẩn, hiển thị tấn/giờ và tổng; xuất tín hiệu 4–20 mA, xung tổng và cổng RS-485 Modbus RTU.
- Băng tải và biến tần: băng cấp liệu từ phễu hoặc silo, động cơ chạy qua biến tần để đổi được tốc độ.
- Bộ điều khiển phối liệu: PLC hoặc máy tính công nghiệp so lưu lượng thực với giá trị đặt, điều chỉnh tần số biến tần theo vòng PID; với nhiều băng, một băng làm chủ và các băng còn lại chạy theo tỉ lệ.
Sai số của cân băng tải đến từ ba nguồn: bì thay đổi do vật liệu bám băng, tốc độ băng đo sai do bánh encoder trượt, và loadcell bị tác động bởi lực căng băng khi băng lệch hoặc tang bị động không thẳng. Vì vậy cầu cân phải đặt ở đoạn băng phẳng, xa điểm nạp liệu và xa tang.
2. Yêu cầu kỹ thuật từng thành phần của cân băng tải định lượng
Trạm phối liệu trong nhà máy xi măng và khu chế biến khoáng sản có bụi mịn dày, rung từ máy nghiền và băng tải, nhiệt độ tủ điện lên cao vào buổi trưa, và mất điện đột ngột. Bảng dưới liệt kê yêu cầu theo thành phần khi lập hồ sơ mua sắm.
| Thành phần | Yêu cầu | Ghi chú |
|---|---|---|
| Loadcell và cầu cân | Loadcell thép hợp kim hoặc inox IP67, cấp chính xác C3 trở lên; cầu cân khung riêng, con lăn cân cùng đường kính với con lăn kề; chống sét lan truyền trên cáp | Cân thương mại chọn cầu nhiều con lăn theo cấp chính xác OIML R50 mà hồ sơ yêu cầu |
| Encoder tốc độ | Bánh lăn tì mặt băng có lò xo ép, vỏ IP65, xung đủ dày để đo được ở tốc độ thấp khi phối liệu; hoặc gắn trục tang bị động | Bánh trượt trên băng ướt là nguyên nhân sai số phổ biến |
| Bộ tích phân | Vỏ IP65 hoặc đặt trong tủ; ngõ ra 4–20 mA lưu lượng, xung tổng, RS-485 Modbus RTU; lấy bì tự động theo số vòng băng nguyên; dải nhiệt −10 đến 50 °C | Có Modbus thì đọc được cả lưu lượng, tổng và mã lỗi về máy tính |
| Biến tần và động cơ | Biến tần có Modbus RTU hoặc ngõ vào 0–10 V, 4–20 mA để đặt tần số; dải điều chỉnh đủ rộng cho tỉ lệ phối liệu nhỏ nhất | Băng phụ gia lưu lượng nhỏ cần băng riêng, không dùng chung băng lớn chạy chậm |
| Máy tính điều khiển phối liệu | Không quạt, dải nhiệt tới 60 °C, nguồn 24 V DC có dự phòng, chịu rung theo IEC 60068-2-64; cổng COM RS-485 cách ly cho Modbus RTU; DI/DO cách ly cho chạy, dừng, đèn, còi; LAN về SCADA; watchdog | Đặt trong tủ kín có lọc bụi hoặc điều hòa tủ; ổ SSD hoặc eMMC, không dùng ổ cơ |
| Mô-đun vào analog | Đọc 4–20 mA từ bộ tích phân và cảm biến khác, cách ly, phát hiện đứt dây, dải nhiệt rộng, Modbus RTU qua RS-485 | Dùng khi bộ tích phân không có Modbus hoặc khi cần gom nhiều tín hiệu 4–20 mA |
| Màn hình vận hành | Panel PC hoặc HMI mặt trước IP65/IP66, cảm ứng dùng găng tay, đặt tại phòng điều khiển hoặc tủ tại chỗ | Hiển thị công thức, lưu lượng từng băng, tổng theo ca, cảnh báo lệch tỉ lệ |
| Chứng chỉ, kiểm định | CE cho thiết bị điện; cân dùng mua bán phải kiểm định theo pháp luật đo lường | Cân phối liệu nội bộ chỉ cần hiệu chuẩn định kỳ |
Cách bộ điều khiển đọc và ghi thiết bị trường qua Modbus RTU trên RS-485 được giải thích trong bài Modbus là gì; khi trạm dùng PLC làm vòng điều khiển, cấu tạo và cách chọn PLC có trong bài PLC là gì.
3. Phối liệu nhiều băng, hiệu chuẩn và chọn cách đọc tín hiệu
Trình tự đưa một trạm phối liệu vào vận hành:
- Lập công thức. Đặt tổng lưu lượng cấp cho máy nghiền (ví dụ 120 tấn/giờ) và tỉ lệ từng thành phần theo phần trăm; bộ điều khiển tính giá trị đặt cho từng băng.
- Chọn băng chủ. Băng thành phần lớn nhất chạy theo giá trị đặt; các băng khác chạy theo tỉ lệ với lưu lượng thực của băng chủ, để khi băng chủ thiếu liệu thì cả nhóm giảm theo, tỉ lệ vẫn đúng.
- Chỉnh vòng PID từng băng. Bắt đầu với hệ số nhỏ, tăng dần tới khi lưu lượng bám giá trị đặt trong 20–40 giây mà không dao động; băng phụ gia lưu lượng nhỏ cần hệ số riêng.
- Lấy bì. Chạy băng không tải đủ số vòng băng nguyên (bộ tích phân đếm qua encoder) để lấy trung bình bì cả vòng băng, bù chỗ băng dày mỏng không đều.
- Hiệu chuẩn. Hiệu chuẩn bằng vật liệu thật là chuẩn nhất: chạy một lượng liệu, cân lại bằng cân xe hoặc cân sàn, so với tổng của bộ tích phân và chỉnh hệ số. Xích chuẩn hoặc quả treo dùng cho kiểm tra định kỳ giữa hai lần hiệu chuẩn bằng vật liệu.
- Đặt liên động. Băng dừng khi phễu hết liệu, khi băng sau dừng, khi lệch tỉ lệ quá ngưỡng trong thời gian đặt; cảnh báo lên màn hình và ghi nhật ký.
Máy tính điều khiển có ba cách đọc dữ liệu cân băng; bảng dưới so sánh để chọn theo thiết bị đang có.
| Cách đọc | Thiết bị cần | Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| RS-485 Modbus RTU từ bộ tích phân | Cổng COM RS-485 trên máy tính; bộ tích phân có Modbus | Đọc cả lưu lượng, tổng, trạng thái, mã lỗi; một đường dây nối nhiều bộ tích phân | Bộ tích phân đời cũ không có Modbus; phải khai đúng địa chỉ thanh ghi |
| 4–20 mA qua mô-đun vào analog | Mô-đun analog 8 kênh nối RS-485 về máy tính, ví dụ Advantech ADAM-4117 | Dùng được với mọi bộ tích phân; gom được thêm cảm biến khác; cách ly, phát hiện đứt dây | Chỉ có một giá trị mỗi kênh; tổng khối lượng phải tự cộng dồn trên máy tính |
| Qua PLC của dây chuyền | PLC có Modbus TCP hoặc OPC UA; máy tính đọc qua LAN | Liên động an toàn nằm ở PLC; máy tính chỉ giám sát và ghi dữ liệu | Phụ thuộc chương trình PLC; sửa công thức phải đi qua kỹ sư PLC |
4. Ví dụ triển khai cân băng tải định lượng
Trạm phối liệu nghiền thô nhà máy xi măng, bốn băng. Bài toán: bốn cân băng đá vôi, đất sét, quặng sắt, phụ gia cấp cho máy nghiền; bộ tích phân đời cũ chỉ xuất 4–20 mA; cần đổi công thức theo kết quả phân tích mẫu mỗi ca và có báo cáo tổng từng thành phần. Thiết bị: máy nhúng không quạt Advantech UNO-1372G lắp DIN-rail trong tủ có lọc bụi, đọc bốn tín hiệu lưu lượng 4–20 mA qua mô-đun ADAM-4117 nối RS-485, ghi tần số biến tần qua cổng COM Modbus RTU, DI/DO cách ly nhận trạng thái băng và ra lệnh chạy dừng; Panel PC TPC-1251T tại phòng điều khiển hiển thị công thức và lưu lượng. Kết quả kỳ vọng: đổi công thức trên màn hình trong vài phút, tỉ lệ giữ đúng khi băng chủ thiếu liệu, tổng từng thành phần theo ca xuất được cho phòng công nghệ.
Trạm nghiền đá ngoài trời không người trực. Bài toán: một cân băng thương mại sau máy nghiền đo sản lượng bán ra, tủ điện ngoài trời, cần gửi tổng theo ca về văn phòng qua 4G và cảnh báo khi cân lệch bì. Thiết bị: bộ tích phân có Modbus RTU nối cổng RS-485 của UNO-1372G; máy tính có nguồn kép nên không mất dữ liệu khi một nhánh nguồn mất; khe mini PCIe lắp mô-đun 4G; watchdog tự khởi động lại khi phần mềm treo. Kết quả kỳ vọng: sản lượng theo ca có ở văn phòng mà không cần người lên trạm, cảnh báo trôi bì gửi ngay để lấy lại bì trước khi bán sai số.
Nhà máy thức ăn chăn nuôi phối liệu vi lượng. Bài toán: băng phụ gia lưu lượng rất nhỏ so với băng chính, phối liệu bằng băng lớn chạy chậm cho sai số cao. Thiết bị: tách băng phụ gia thành cân băng nhỏ riêng với encoder xung dày, vòng PID riêng trên bộ điều khiển; bộ tích phân của các băng nối chung một đường RS-485 về máy tính. Kết quả kỳ vọng: tỉ lệ phụ gia ổn định ở lưu lượng thấp, nhật ký từng mẻ theo lô nguyên liệu.
Chọn thiết bị cho cân băng tải định lượng
Với tủ điều khiển phối liệu, chọn trong danh mục máy tính nhúng Advantech. Advantech UNO-1372G là máy lắp DIN-rail không quạt, Atom E3845 4 nhân, 4 GB RAM, 3 LAN Gigabit có dự phòng, 2 cổng COM, 4 DI và 4 DO cách ly, 2 khe mini PCIe cho 4G hoặc Wi-Fi, mSATA, nguồn kép để giảm thời gian dừng; khe iDoor thêm được thẻ cổng nối tiếp cách ly hoặc PoE. Gom tín hiệu 4–20 mA từ bộ tích phân bằng Advantech ADAM-4117: 8 kênh vào vi sai, dải 4–20 mA, ±10 V và nhiều dải khác, phát hiện đứt dây 4–20 mA, độ phân giải 16 bit, cách ly 3.000 V DC, nguồn 10–48 V DC, dải nhiệt −40 đến 85 °C, giao tiếp RS-485 Modbus RTU tới 1,2 km. Màn hình vận hành tại phòng điều khiển dùng Advantech TPC-1251T: 12,1 inch XGA, mặt trước phẳng IP66, cảm ứng điện trở 5 dây dùng được găng tay, không quạt, dải nhiệt −20 đến 60 °C. Ứng dụng cân trong các ngành khác được so sánh trong bài ứng dụng cân công nghiệp theo ngành. Nếu chưa rõ tủ của mình cần dải nhiệt, số cổng COM hay DIO nào, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt: nhập nhiệt độ, bụi, nguồn điện và số cổng, công cụ lọc ra các dòng đáp ứng để đối chiếu trước khi hỏi báo giá.
Câu hỏi thường gặp về cân băng tải định lượng
Cân băng tải định lượng khác cân băng tải thường ở điểm nào?
Cân băng tải thường chỉ đo và cộng dồn khối lượng đi qua, băng chạy tốc độ cố định. Cân băng tải định lượng còn điều chỉnh tốc độ băng qua biến tần để giữ lưu lượng bằng giá trị đặt, nên có thêm vòng điều khiển và thường đi thành nhóm nhiều băng theo tỉ lệ phối liệu.
Vì sao cân băng tải định lượng hay trôi số sau vài tuần?
Nguyên nhân thường gặp là vật liệu dính vào băng và con lăn làm tăng bì, băng lệch hoặc căng băng thay đổi, con lăn cân bị kẹt bụi, và nhiệt độ thay đổi làm loadcell trôi. Cần lấy lại bì khi băng chạy không tải theo số vòng nguyên, kiểm con lăn định kỳ và hiệu chuẩn bằng vật liệu thật theo lịch.
Máy tính điều khiển phối liệu có thay được PLC không?
Máy tính công nghiệp có DIO và cổng Modbus làm được điều khiển phối liệu cho trạm vài băng, đồng thời chạy giao diện và ghi dữ liệu. Với dây chuyền lớn có nhiều liên động an toàn, PLC vẫn giữ vòng điều khiển và liên động, máy tính đảm nhận giám sát, công thức và báo cáo; hai thiết bị nối với nhau qua Modbus.
Cân băng tải định lượng dùng để bán hàng có phải kiểm định không?
Cân băng tải dùng trong mua bán, thanh toán theo khối lượng thuộc nhóm phương tiện đo phải kiểm định theo quy định pháp luật về đo lường. Cân băng dùng nội bộ để phối liệu và kiểm soát quy trình không bắt buộc kiểm định nhưng cần hiệu chuẩn định kỳ bằng vật liệu thật hoặc xích chuẩn.