Cân bồn 4 loadcell kết nối PLC: Thiết kế, lắp đặt và hiệu chuẩn

Hệ cân bồn sử dụng loadcell giúp PLC xác định trực tiếp khối lượng nguyên liệu trong bồn, không phụ thuộc nhiều vào tỷ trọng, hình dạng bồn hoặc mức bề mặt vật liệu.

Giải pháp được sử dụng trong:

Cân xi măng.
Cân cát và đá mạt.
Cân nước và phụ gia.
Cân bồn hóa chất.
Cân phễu máy đóng bao.
Trạm trộn bê tông.
Máy gạch không nung.
Hệ thống định lượng theo mẻ.

Một hệ thống hoạt động ổn định đòi hỏi sự phối hợp giữa cơ khí, loadcell, hộp nối, đầu cân và chương trình PLC. Thay đầu cân hoặc tăng bộ lọc sẽ không xử lý được lỗi nếu bồn đang bị đường ống kéo hoặc chạm vào khung.

Cấu trúc hệ thống

Loadcell 1 ─┐
Loadcell 2 ─┤
Loadcell 3 ─┼──► Hộp nối ──► Đầu cân/transmitter ──► PLC ──► HMI
Loadcell 4 ─┘                                      │
                                                   ├── Van cấp
                                                   ├── Vít tải
                                                   ├── Băng tải
                                                   └── Van xả

Hộp nối cộng tín hiệu của bốn loadcell và hỗ trợ cân chỉnh sai lệch từng góc. Đầu cân cấp nguồn kích, xử lý tín hiệu mV/V rồi truyền giá trị về PLC.

Mô hình bốn loadcell đưa về một hộp nối cũng được sử dụng trong các hệ cân silo và bồn công nghiệp. Tham khảo cấu trúc hệ thống cân bồn.

Những thành phần cần có

Thành phần	Chức năng
Bốn loadcell	Chuyển lực thành tín hiệu điện
Bộ gá loadcell	Truyền lực đúng hướng và chống lực ngang
Hộp nối	Cộng tín hiệu, cân chỉnh bốn góc
Đầu cân/transmitter	Cấp nguồn kích và xử lý mV/V
PLC	Điều khiển trình tự định lượng
HMI	Đặt khối lượng, công thức và theo dõi
Van hoặc vít tải	Cấp/xả nguyên liệu
Cảm biến phụ	Xác nhận vị trí và điều kiện an toàn
Cáp có shield	Truyền tín hiệu cân
Chống sét/tiếp địa	Bảo vệ hệ thống khi cần

Cách tính tải trọng loadcell

Trước tiên cần tính tổng tải lớn nhất:

$T ổ n g t ả i = K h o^ˊ i l ư ợ n g b o^ˋ n + K h o^ˊ i l ư ợ n g v ậ t l i ệ u + T hi e^ˊ t b ị g a ˘ ˊ n t r e^n b o^ˋ n$

Tải trung bình trên mỗi loadcell:

$T ả i_{trung b ı ˋ nh} = S o ^ ˊ l o a d ce ll T ổ n g t ả i$

Ví dụ:

Thành phần	Khối lượng
Bồn rỗng	1.000kg
Vật liệu tối đa	5.000kg
Động cơ, van và phụ kiện	300kg
Tổng tải tĩnh	6.300kg

Với bốn loadcell, tải trung bình khoảng 1.575kg mỗi cảm biến.

Không nên chọn loadcell có tải định mức đúng bằng 1.575kg vì lực không bao giờ phân bố hoàn toàn đều. Cần tính thêm:

Tải lệch.
Va đập khi nạp.
Rung động.
Lực từ máy trộn.
Khối lượng bám thành.
Sai số chế tạo khung.
Lực từ đường ống.
Mức dự phòng cơ khí.

Dải loadcell cuối cùng phải bảo đảm an toàn nhưng không quá lớn đến mức làm giảm độ phân giải của cân.

Chọn loại loadcell

Shear beam

Phù hợp bồn và phễu tải trung bình, có chiều cao lắp đặt thấp. Dòng SQB là một ví dụ thường dùng trong cân sàn và cân bồn.

Compression loadcell

Phù hợp silo hoặc bồn có tải trọng lớn. Cần sử dụng bộ gá chuyên dụng giúp tự cân bằng và chống lực ngang.

S-type

Có thể dùng cho cân treo hoặc kết cấu chịu kéo, nhưng phải bố trí khớp tự lựa để tránh mô-men uốn.

Không nên lựa chọn chỉ theo tải trọng. Cần kiểm tra thêm:

Độ nhạy mV/V.
Tổng trở.
Vật liệu thân.
Cấp bảo vệ.
Kích thước lắp đặt.
Loại bộ gá.
Nhiệt độ làm việc.
Khả năng quá tải.
Môi trường hóa chất hoặc độ ẩm.

Vì sao cần bộ gá loadcell?

Bộ gá thực hiện các nhiệm vụ:

Truyền tải theo đúng trục đo.
Cho phép bồn giãn nở nhiệt.
Hạn chế lực ngang.
Chống xoay.
Chống nhấc bồn.
Bảo vệ loadcell khi có va đập.
Thuận tiện thay thế và bảo trì.

Các weigh module công nghiệp thường tích hợp cơ cấu chống nhấc và cho phép chuyển động có kiểm soát của bồn. Ví dụ cấu trúc weigh module cho bồn chứa.

Không đặt chân bồn trực tiếp lên thân loadcell nếu không có kết cấu truyền lực phù hợp.

Lắp đặt cơ khí

Mặt đỡ phải phẳng và cứng

Đế loadcell cần nằm trên một mặt phẳng ổn định. Nếu khung bị võng, phân bố tải sẽ thay đổi theo mức vật liệu.

Cần kiểm tra:

Độ phẳng.
Độ cứng dầm.
Mối hàn.
Cao độ bốn vị trí.
Bu-lông.
Khả năng biến dạng khi đầy tải.

Đường ống phải đủ mềm

Đường ống cứng có thể đỡ một phần trọng lượng bồn hoặc tạo lực kéo lên hệ cân.

Nên sử dụng:

Khớp mềm.
Đoạn ống đàn hồi.
Ống có vòng uốn phù hợp.
Dây điện và ống khí có độ võng.
Kết nối hạn chế truyền lực.

Đường ống mềm không có nghĩa được lắp tùy ý. Cần đánh giá áp suất, nhiệt độ và độ bền hóa chất.

Chống nhấc bồn

Bồn ngoài trời hoặc bồn có máy khuấy có thể bị lực nâng, xoắn hoặc rung. Cần lắp cơ cấu chống nhấc nhưng phải để khe hở phù hợp để không tì vào bồn khi cân bình thường.

Không hàn qua loadcell

Dòng điện hàn có thể đi qua phần tử đo và làm hỏng loadcell. Nên:

Hoàn thành hàn trước khi lắp cảm biến.
Dùng khối giả trong quá trình chế tạo.
Kẹp mass hàn gần vị trí hàn.
Tháo hoặc cô lập loadcell khi sửa kết cấu.
Lắp dây nối đất mềm bắc qua bộ gá.

Đấu bốn loadcell vào hộp nối

Mỗi loadcell thường có:

Ký hiệu	Chức năng
EX+	Nguồn kích dương
EX−	Nguồn kích âm
SIG+	Tín hiệu đo dương
SIG−	Tín hiệu đo âm
SEN+	Dây bù dương nếu có
SEN−	Dây bù âm nếu có
Shield	Chống nhiễu

Không xác định chức năng chỉ bằng màu dây. Cần dùng tài liệu hoặc tem cáp của đúng model.

Hộp nối nên có:

Đầu siết cáp kín.
Cầu đấu rõ ràng.
Biến trở cân góc.
Vỏ chống bụi và ẩm.
Điểm xử lý shield.
Nhãn cho từng loadcell.
Khoảng trống bảo trì.

Sau khi lắp, cần đánh dấu LC1, LC2, LC3, LC4 tương ứng với vị trí thực tế trên bồn.

Chọn tín hiệu đưa về PLC

Analog 4–20mA

Ưu điểm:

Đấu nối đơn giản.
Phù hợp khoảng cách tương đối xa.
Dễ đo kiểm bằng đồng hồ.
Không cần lập trình giao thức.

Hạn chế:

Có sai số qua bộ phát và AI PLC.
Mỗi cân chiếm một kênh analog.
Ít thông tin chẩn đoán hơn truyền thông số.

Analog 0–10V

Phù hợp khoảng cách ngắn và cùng tủ. Dễ bị ảnh hưởng bởi sụt áp hoặc chênh lệch điểm tham chiếu hơn tín hiệu dòng.

RS485 Modbus RTU

Ưu điểm:

Truyền giá trị số.
Nhiều đầu cân trên một tuyến.
Có thể đọc trạng thái nếu thiết bị hỗ trợ.
Thuận lợi cho HMI và SCADA.

Hạn chế:

Cần lập trình truyền thông.
Phải quản lý địa chỉ.
Cần kiểm tra bảng thanh ghi và kiểu dữ liệu.

Tiêu chí	4–20mA	RS485 Modbus
Lập trình	Đơn giản	Phức tạp hơn
Nhiều cân	Mỗi cân một AI	Nhiều Slave trên Bus
Chẩn đoán	Hạn chế	Tốt hơn nếu thiết bị hỗ trợ
Sai số chuyển đổi	Qua analog	Truyền giá trị số
Bảo trì	Dễ đo dòng	Cần kiểm tra giao thức
Khoảng cách	Tốt khi thiết kế đúng	Tốt với mạng RS485 đúng chuẩn

Cân chỉnh bốn góc

Cân góc phải được thực hiện trước hiệu chuẩn toàn thang.

Quy trình:

Kiểm tra bồn không chạm kết cấu khác.
Đưa hệ thống về trạng thái không tải.
Thực hiện Zero sơ bộ.
Đặt cùng một tải tại vị trí gần loadcell số 1.
Ghi lại giá trị.
Lặp lại tại ba vị trí còn lại.
Điều chỉnh biến trở từng kênh trên hộp nối.
Lặp lại quá trình đến khi sai lệch đạt yêu cầu.
Đặt tải tại trung tâm để kiểm tra.
Sau đó mới hiệu chuẩn Span.

Nếu một góc lệch quá lớn, không nên cố chỉnh hết bằng biến trở. Cần kiểm tra:

Loadcell có cùng model không.
Chân bồn có cùng cao độ không.
Loadcell có chịu lực không.
Bộ gá có bị kẹt không.
Có đường ống kéo góc đó không.
Cáp có bị hỏng không.

Hiệu chuẩn Zero và Span

Zero

Thực hiện khi bồn ở trạng thái được quy định là rỗng. Cần xác định rõ vật liệu bám thành có được tính là phần bì hay không.

Span

Đặt tải chuẩn hoặc khối lượng đã biết, sau đó nhập giá trị vào đầu cân.

Nên kiểm tra nhiều điểm:

0%.
25%.
50%.
75%.
Gần 100% dải làm việc.

Không chỉ hiệu chuẩn bằng một tải rất nhỏ so với dung lượng bồn.

Kiểm tra độ lặp

Đặt và bỏ cùng một tải nhiều lần. Nếu giá trị không lặp lại, cần kiểm tra cơ khí trước khi điều chỉnh bộ lọc.

Logic PLC cho cân định lượng

Một chu trình cân có thể gồm:

Xác nhận cân rỗng.
Đóng van xả.
Zero có điều kiện.
Khởi động cấp nhanh.
Chuyển sang cấp chậm.
Dừng cấp trước giá trị đặt để bù lượng rơi.
Chờ cân ổn định.
Kiểm tra sai số.
Cho phép xả.
Xác nhận cân đã xả hết.
Lưu kết quả mẻ.
Chuyển sang mẻ tiếp theo.

Các giá trị nên có trên HMI:

Khối lượng đặt.
Khối lượng thực tế.
Ngưỡng chuyển cấp nhanh/chậm.
Giá trị bù rơi.
Dung sai trên/dưới.
Thời gian ổn định.
Thời gian cấp tối đa.
Thời gian xả tối đa.
Trạng thái tín hiệu cân.
Số mẻ và tổng khối lượng.

Điều kiện không cho phép chạy tự động

PLC nên khóa chu trình khi:

Mất tín hiệu đầu cân.
Giá trị vượt dải.
Cân chưa ổn định.
Không về Zero.
Cửa xả chưa đóng.
Hết thời gian cấp.
Khối lượng không tăng dù van đang mở.
Khối lượng giảm bất thường khi cấp.
Đầu cân báo quá tải.
Mất truyền thông Modbus.

Không sử dụng giá trị cân không hợp lệ cho điều khiển van hoặc vít tải.

Chống nhiễu tín hiệu

Tách cáp loadcell khỏi cáp động lực.
Không đi song song với đầu ra biến tần.
Sử dụng cáp có shield.
Bảo vệ hộp nối khỏi hơi ẩm.
Dùng nguồn ổn định cho đầu cân.
Nối đất theo một thiết kế thống nhất.
Lắp dây đẳng thế qua bộ gá.
Không nối dài cáp bằng mối nối hở.
Kiểm tra rung động cơ khí trước khi tăng lọc.
Sử dụng cách ly tín hiệu khi hai tủ có chênh lệch điện thế.

Lỗi thường gặp

Hiện tượng	Nguyên nhân cần kiểm tra
Cân không về 0	Bồn chạm khung hoặc đường ống kéo
Số dao động	Rung, nhiễu, hộp nối ẩm
Một góc sai nhiều	Loadcell hoặc bộ gá bị kẹt
Giá trị âm	Đảo SIG+/SIG− hoặc sai hướng lực
Cân đúng khi rỗng, sai khi đầy	Khung võng hoặc lực đường ống
Nạp càng nhanh sai số càng lớn	Va đập và lượng vật liệu còn rơi
Giá trị thay đổi khi máy khuấy chạy	Lực xoắn và rung động
PLC đọc sai đầu cân	Scale analog hoặc kiểu dữ liệu sai
Mất Modbus ngẫu nhiên	Nhiễu, topology hoặc chu kỳ đọc
Cân trôi sau trời mưa	Hộp nối hoặc cáp bị ẩm
Không đạt đủ thang đo	Loadcell quá lớn hoặc hiệu chuẩn sai
Loadcell thường xuyên hỏng	Quá tải hoặc thiếu bộ gá bảo vệ

Câu hỏi thường gặp

Bồn ba chân có nên dùng bốn loadcell không?

Không. Số lượng loadcell phải phù hợp số điểm đỡ thực tế. Bồn ba chân thường sử dụng ba loadcell nếu kết cấu được thiết kế cho hệ cân.

Có thể nối bốn loadcell trực tiếp vào một đầu cân không?

Có thể nếu đầu cân hỗ trợ tổng trở tương đương, nhưng vẫn nên sử dụng hộp nối để gom dây, bảo vệ và cân chỉnh từng góc.

Một loadcell hỏng có cần thay cả bốn không?

Không phải lúc nào cũng cần, nhưng loadcell thay thế phải tương thích về tải trọng, độ nhạy, tổng trở, kích thước và đặc tính. Sau khi thay phải cân góc và hiệu chuẩn lại.

Nên đưa về PLC bằng 4–20mA hay Modbus?

4–20mA phù hợp hệ đơn giản. Modbus thuận lợi khi có nhiều cân hoặc cần đọc thêm trạng thái. Lựa chọn phụ thuộc PLC, khoảng cách và yêu cầu chẩn đoán.

Vì sao bồn rỗng nhưng vẫn hiển thị tải?

Có thể do vật liệu bám, đường ống kéo, bộ gá bị kẹt, Zero sai hoặc loadcell chưa được giải phóng hoàn toàn.

Có thể Zero tự động mỗi mẻ không?

Có thể nhưng phải kèm điều kiện bồn thực sự rỗng và giá trị nằm trong vùng cho phép. Zero không kiểm soát có thể che giấu vật liệu tồn hoặc lỗi cơ khí.

Tư vấn thiết kế và yêu cầu báo giá

Khách hàng nên gửi:

Bản vẽ hoặc ảnh bồn.
Số lượng chân đỡ.
Khối lượng bồn rỗng.
Khối lượng vật liệu tối đa.
Loại vật liệu.
Kích thước đường ống.
Model PLC và HMI.
Phương thức truyền 4–20mA hay Modbus.
Yêu cầu độ chính xác.
Địa điểm lắp đặt.
Tư vấn bán hàng, khảo sát và yêu cầu báo giá: 0934.384.222
Hỗ trợ kỹ thuật: 0912.888.729