Nhóm 4 Đồ Án.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA ====o0o==== ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC DÙNG PLC S7 1200 Giáo viên hướ[.]

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU

Lớp: EE6113.1 Nhóm: 4

I Thông tin chung

1 Tên lớp: EE6113.1

2 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Nhóm 4

3 Họ và tên thành viên trong nhóm: Hoàng Trọng Hiếu – K16 LT

Nguyễn Viết Phương – K16 LT Nguyễn Văn Trường – K16 LT

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục dùng PLC S7-1200

2 Hoạt động của sinh viên

- Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn và quy trình công nghệ

- Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình

- Tìm hiểu về thiết bị điều khiển

- Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống điều khiển áp suất

3 Sản phẩm nghiên cứu: Bài báo cáo

Tên lớp: EE6113.1

Tên nhóm: 4

Họ và tên thành viên trong nhóm: Hoàng Trọng Hiếu, Nguyễn Viết Phương,

Nguyễn Văn Trường

Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục dùng PLC S7-1200

Tìm hiểu tài liệu, trao đổi thảo luận

Hoàng Trọng Hiếu

NguyễnViết Phương

Nguyễn Văn Trường

Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình

Tìm hiểu tài liệu, trao đổi, thảo luận thông qua tài liệu, internet

Hoàng Trọng Hiếu

Nguyễn Viết Phương

Nguyễn Văn Trường

Tìm hiểu về thiết bị điều khiển

Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thông internet, chọn thiết bị

Hoàng Trọng Hiếu

Nguyễn Viết Phương

Nguyễn Văn Trường

Xây dựng thuật toán và thiết

kế hệ thống

Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thông qua giáo trình

và internet, chọn thiết NguyễnViết Phương

Nguyễn Văn Trường

Nguyễn Văn Trường

Mô phỏng và kiểm nghiệm Trao đổi thảo luận giữa

các thành viên

Tên lớp: EE6113.1

Tên nhóm: 4

Họ và tên thành viên trong nhóm: Hoàng Trọng Hiếu, Nguyễn Viết Phương,

Nguyễn Văn Trường

Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục dùng PLC S7-1200

Hiểu được quy trình của hệ thống và ứng

dụng Hoàng Trọng Hiếu

NguyễnViết Phương

Nguyễn Văn Trường

Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình

Xác định rõ các thiết

bị để hoàn thành hệ

thống Hoàng Trọng Hiếu

Nguyễn Viết Phương

Nguyễn Văn Trường

Tìm hiểu về thiết bị điều khiển

Tìm hiểu được các thức hoạt động, điều khiển của các thiết bị Hoàng Trọng Hiếu

Nguyễn Viết Phương

Nguyễn Văn Trường

Xây dựng thuật toán

và thiết kế hệ thống

Hiểu rõ cách thức hoạt động, cách thức lập trình theo quy

trình NguyễnViết Phương

Nguyễn Văn Trường

Nguyễn Văn Trường

Mô phỏng và kiểm nghiệm

Hoàn thành báo cáo

đồ án

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC 7

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục 7

1.1.1 Đặc điểm cơ bản 7

1.1.2 Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cầu trục 7

1.2 Cấu tạo cầu trục trong phân xưởng 10

1.3 Phân loại 11

1.3.1 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá 11

1.3.2 Phân loại theo phương thức sử dụng 11

1.4 Ứng dụng 12

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC S7-1200 13

2.1.1 Tổng quan 13

2.1.2 Sơ lược về PLC S7-1200 15

2.2 Phần mềm lập trình TIA PORTAL 16

2.2.1 Sơ lượt về phần mềm 16

2.2.2 Làm việc với TIA Portal V15 16

2.2.3 Khối tổ chức OB và hàm chức năng 19

2.2.4 Một số lệnh cơ bản 20

2.3 Tìm hiểu về phần mềm WinCC 23

2.3.1 Giới thiệu về WinCC 23

2.3.2 Các đặt điểm chính của WinCC 24

2.3.3 Làm việc với WinCC (TIA PORTAL) 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.1 Mục tiêu thiết kế 28

3.2 Thiết kế mạch điện 28

3.2.1 Sơ đồ khối và hoạt động của cầu trục 28

3.2.2 Giới thiệu trang thiết bị 30

3.3 Hệ thống các thiết bị sử dụng trong sơ đồ 31

3.3.1 Tính chọn thiết bị mạch động lực 32

3.3.2 Tính chọn thiết bị mạch điều khiển 35

3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 49

3.5 Xây dựng thuật toán điều khiển 52

3.6 Chương trình điều khiển 53

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62

4.1 Kết quả 62

4.2 Hướng phát triển của đề tài 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Kiến trúc của một máy tính 13

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thông điều khiển 14

Hình 2.3 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 14

Hình 2.4 PLC S7-1200 Siemens 15

Hình 2.5 Tạo một dự án 17

Hình 2.6 Thêm loại CPU cho PLC 17

Hình 2.7 Giao diện viết chương trình cho PLC 18

Hình 2.8 Tải chương trình xuống PLC 18

Hình 2.9 Thêm thiết bị màn Hình WinCC trong TIA PORTAL 25

Hình 2.10 Thêm cổng kết nối cho thiệt bị WinCC 26

Hình 2.11 Giao diện thiết kế màn hình WinCC 26

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống cầu trục 29

Hình 3.2 Mô hình hệ thống cầu trục 29

Hình 3.3 Máy biến áp hạ áp 35

Hình 3.4 Cầu chì ống 37

Hình 3.5 Đèn báo pha 37

Hình 3.6 Nút dừng khẩn 38

Hình 3.7 Bộ điều khiển từ xa Henjel H108 38

Hình 3.8 Rơ le trung gian 40

Hình 3.9 Công tắc hành trình 41

Hình 3.10 Rơ le bảo vệ mất pha 42

Hình 3.11 CPU 1214C AC/DC/RLY 42

Hình 3.12 Module mở rộng SM 1223 43

Hình 3.13 Cảm biến quang 44

Hình 3.14 Nút nhấn 44

Hình 3.15 Công tắc 2 vị trí 45

Hình 3.16 Điện trở xả 45

Hình 3.17 Sơ đồ mạch động lực 47

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển 48

Hình 3.19 Thuật toán điều khiển chế độ tự động 52

Hình 3.20 Thuật toán điều khiển chế độ thủ công 53

Hình 3.21 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống trên WINCC 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Một số lệnh cơ bản 20

Bảng 2.2 Một số lệnh về timer, counter 22

Bảng 3.1 Các thiết bị sử dụng trong mạch 31

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của máy biến áp 35

Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY 42

Bảng 3.4 Bảng địa chỉ ngõ vào 53

Bảng 3.5 Bảng địa chỉ ngõ ra 54

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc đưa tự động hóa trong sản xuất của các công ty, xí nghiệp

trong công nghiệp đang được ưu tiên và là lựa chọn hàng đầu của các doanh

nghiệp Tự động hóa trong quá trình sản xuất giúp hạn chế việc sử dụng nhân

công trong sản xuất mà thay vào đó là các hệ thống máy móc tự động và hiện

đại giúp giảm sự phụ thuộc của con người và đặt biệt là mang lại sự chính xác

cao, cũng như hạn chế rủi ro trong các công việc nguy hiểm sử dụng con người

hiện nay

Với sự ra đời của cầu trục thì những công việc như di chuyển hàng hoá,

vật tư, thiết bị từ vị trí này tới vị trí khác được thực hiện một cách đơn giản

nhưng cho hiệu quả và năng suất lao động cao Trong công nghiệp cầu trục có

nhiệm vụ nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp ráp Trong các

nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển các cuộn thép, phôi thép hoặc các thùng

kim loại nóng chảy đổ vào khuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận

chuyển các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết gia

công sang các công đoạn mới Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng hoá từ

trên tàu xuống kho bãi hay ngược lại

Như vậy cầu trục đã giúp con người cơ khí hoá, tự động hoá khâu bốc

xếp làm giảm sức lao động tăng năng suất hiệu quả công việc

Với những vốn kiến thức nhất định nhóm em đã thực hiện đồ án với đề

tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục dùng PLC S7-1200”

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC

1.1.1 Đặc điểm cơ bản

Phần lớn các cơ cấu cầu trục được trang bị bởi các động cơ điện Cung cấp điện cho hệ thống có 3 dạng

- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định Loại này thường

là cầu trục phân xưởng

- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện Loại này thường dùng cho cầu trục dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất

- Cung cấp điện từ máy phát điện diezen Loại này thường dùng cho cầu trục di chuyển trên ô tô

Phần lớn môi trường làm việc của cầu trục rất khắc nghiệt Thí dụ trong nhà máy luyện kim môi trường làm việc của cầu trục là nóng ẩm và nhiều bụi Trên bến cảng cầu trục phải làm việc ngoài trời Chế độ làm việc của cầu trục

là ngắn hạn lặp lại, khởi động và hãm thường xuyên

Tất cả các truyền động cho cơ cấu phải điều chỉnh tốc độ, lực và gia tốc Hàng hoá được dịch chuyển theo quỹ đạo không gian nhất định cho nên thường phải phối hợp 2 hoặc 3 truyền động cùng 1 lúc

1.1.2 Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cầu trục

- Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức

Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện trước tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá đưa lại hiệu quả kinh tế kĩ thuật cao nhất cho sự hoạt động của cầu trục Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quá lớn sẽ đòi hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn Điều này dẫn tới giá thành chế tạo cao Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển truyền động của cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm, làm việc liên tục trong chế độ quá độ “hệ thống liên tục đảo chiều theo chu kì bốc xếp” Gia tốc và độ giật thoả mãn yêu cầu Ngược lại

nếu tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng tới năng suất bốc xếp hàng hoá Thông thường tốc độ chuyển động của hàng hoá ở chế độ định mức thường nằm trong phạm

vi 0,2 đến 1 m/s hay 12 đến 60 m/ph Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu cầu trục cần đảm bảo các yêu cầu tiếp theo

- Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Phạm vi điều chỉnh của các cơ cấu điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điều khiển chuyển động là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp hàng đồng thời thoả mãn các yêu cầu công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá Cụ thể là khi nâng và hạ móc không tải hay tải trọng nhẹ với tốc độ cao còn khi có yêu cầu khai thác phải có tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hóa vào

vị trí yêu cầu (điều này do kĩ thuật bốc xếp hoặc kĩ thuật lắp máy đòi hỏi cụ thể với từng loại cầu trục)

Ngoài các hệ thống truyền động phải có các tác động trung gian sau:

- Tốc độ toàn tải Vđm

- Tốc độ nâng 1/2 tải (1,5 đến 1,7)Vđm

- Tốc độ nâng móc không (3đến 3,5)Vđm

- Tốc độ hạ toàn tải (2 đến 2,5)Vđm.

- Tốc độ hạ ít tải và không tải (2 đến 2,5)Vđm

Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục

ít nhất là 3 cấp tốc độ Cấp tốc độ thấp thoả mãn công nghệ nâng hạ hàng khi chạm đất Cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa 2 cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hoá cũng như sự làm việc ổn định của cầu trục

- Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ

Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, thường hệ số đóng điện tương đối % = 40% vì vậy thời gian quá

độ chiếm hầu hết thời gian công tác Do đó việc rút ngắn thời gian quá độ là

biện pháp cơ bản để năng cao năng suất Thời gian quá độ trong các chế độ công tác là thời gian khởi động và thời gian hãm trong quá trình tăng tốc, giảm tốc Để rút ngắn thời gian quá độ cần sử dụng biện pháp sau:

+ Chọn động cơ có mômen khởi động lớn

+ Giảm mômen quán tính của các bộ phận quay

+ Dùng động cơ điện có tốc độ không cao từ 1000 – 1500 vòng/phút Đối với động cơ điện một chiều mômen khởi động phụ thuộc vào giới hạn dòng của các phiến góp vì vậy thường chọn Ikđ = (2 - 2,5) Iđm Đối với động

cơ điện xoay chiều momen khởi động phụ thuộc vào loại động cơ Với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc momen khởi động có thể đạt 1,5 Mđm, còn với động cơ không đồng bộ roto dây quấn momen khởi động có thể chọn bằng momen tới hạn Mmax Việc sử dụng động cơ có tốc độ thấp trong hệ thống điện một mặt rút ngắn được quá trình quá độ, mặt khác nâng cao được hiệu suất, khi

sử dụng bộ điều tốc cơ khí có tỉ số nhỏ

- Có trị số hiệu suất và cos 

- Công tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hoá là một yếu

tố để nâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển Như chúng ta đã biết hệ thống truyền động của cầu trục thường không sử dụng hết công suất, hệ số tải thường trong khoảng từ 0,3 - 0,4 Do vậy khi chọn các động cơ truyền động phải chọn loại có hiệu suất cos  cao và ổn định trong phạm vi rộng

- Đảm bảo an toàn hàng hoá

Đảm bảo an toàn cho hàng hoá, cho thiết bị và đảm bảo an toàn cho công nhân bốc xếp là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác vận hành cầu trục

Để thực hiện được điều đó cần chú ý tới các giải pháp sau:

+ Cần có quy trình an toàn cho công tác vận hành và điều khiển cầu trục trong quá trình hoạt động

+ Trong quá trình tính toán thiết kế phải chọn các hệ số dự trữ hợp lý + Kỹ thuật điều khiển cầu trục cần có các hệ thống giám sát bảo vệ tự động cho các hệ thống điều khiển chuyển động cầu trục Các hệ thống cần có các bảo vệ như bảo vệ móc chạm đỉnh, bảo vệ trùng cáp cho các

cơ cấu nâng hạ, ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và bảo vệ quá tải tải trọng nâng hạ hàng

Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có các bảo vệ sự cố, bảo vệ “0”, bảo

vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ thực hiện và dừng khẩn cấp

Các loại phanh hãm cho các hệ thống làm việc có tính bền vững cao Các giải pháp đảm bảo an toàn trên đây trong quá trình khai thác cầu trục phải kiểm tra thường xuyên và phải được kiểm tra tại các cơ quan đăng kiểm

- Điều khiển tiện lợi và an toàn

Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiển cùng với các thiết bị điều khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất giữa các loại cầu trục đồng thời người điều khiển cầu trục có thể sử dụng các lệnh khẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng

- Ổn định nhiệt cơ và điện

Các cầu trục thông thường được láp ráp để vận hành ngoài trời Các khu vực làm việc thông thường có nhiệt độ làm việc biến đổi theo mùa rõ rệt Ngoài

ra các cầu trục cảng biển còn chịu ảnh hưởng của hơi nước mặn vì vậy các thiết

bị điện kết cấu phải được chế tạo thích hợp với môi trường công tác

1.2 Cấu tạo cầu trục trong phân xưởng

Cầu trục gồm có gầm cầu di chuyển trên đường ray lắp đặt dọc theo chiều dài của phân xưởng cơ cấu nâng hạ hàng lắp trên xe con di chuyển dọc theo gầm cầu theo chiều ngang của nhà xưởng Cơ cấu bốc hàng của cầu trục có thể

dùng móc (đối với những cầu trục có công suất lớn có 2 móc hàng, cẩu móc hàng chính có tải trọng lớn và có cẩu móc phụ có tải trọng nhỏ) hoặc dùng gầu ngoạm

Trong mỗi cầu trục có 3 chuyển động chính là di chuyển xe cầu, di chuyển xe con (xe trục) và nâng hạ hàng

1.3 Phân loại

1.3.1 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá

- Cầu trục có tải trọng nhỏ: Tải trọng nâng chuyển từ 1 - 5 tấn

- Cầu trục có tải trọng trung bình: Tải trọng nâng chuyển từ 10 - 30 tấn

- Cầu trục có tải trọng lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 30 - 60 tấn

- Cầu trục có tải trọng rất lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 80 - 120 tấn

1.3.2 Phân loại theo phương thức sử dụng

- Cầu trục trang bị cho kho bãi nhà xưởng: Là cầu trục chạy trên ray trang

bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí Cầu trục loại này có cơ cấu điều khiển chuyển động chính là cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn, các cầu trục này thường được thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa

- Cầu trục khung giầm chạy trên đường ray Cầu trục khung giầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển Loại này thường được thiết kế có tải trọng nâng lớn làm việc trong phạm vi quy định Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển động: cơ cấu nâng hạ hàng,

cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn

- Cầu trục bốc xếp container Cầu trục giàn bánh lốp bốc xếp container

có cơ cấu điều khiển chuyển động chính của cầu trục giàn bánh lốp bao gồm :

cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn Việc cung cấp nguồn cho cầu trục hoạt động bằng diezen loại máy phát điện đồng

bộ Đặc điểm của loại cầu trục này là: Có tính cơ động, năng suất cao

- Cầu trục giàn chạy trên đường ray bốc xếp container Các cơ cấu điều khiển chuyển động chính của loại này là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển

xe con, cơ cấu di chuyển giàn và co cấu nâng hạ giàn Đặc điểm công tác nổi bật của loại này là: có tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp cao được trang bị cho các cầu cảng

1.4 Ứng dụng

Cầu trục được ứng dụng rất rộng rãi trong quá trình lắp máy Khi lắp máy cho một dây truyền công nghệ lớn, như dây truyền sản xuất xi măng các chi tiết máy với kích thước khổng lồ, trọng tải lớn, vị trí lắp đặt trên cao Nhờ có cầu trục mà việc di chuyển chi tiêt máy và lắp đặt trở nên nhẹ nhàng hơn

Tại các cảng biển công việc di chuyển hàng hoá có kích thước và khối lượng lớn nhờ có cầu trục trở nên dễ dàng hơn

Ngoài công dụng trên cầu trục còn được sử dụng trong những môi trường khắc nghiệt như trong các nhà máy luyện kim, cầu trục di chuyển các thùng kim loại nóng chảy đổ vào khuôn Cầu trục con được sử dụng rộng rãi trong việc di chuyển hàng hoá từ vị trí này đến vị trí khác

Nhờ có cầu trục mà sức lao động của con người được giải phóng, năng suất và hiệu quả công việc được tăng lên rõ rệt

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC S7-1200

2.1.1 Tổng quan

PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được) Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển

Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control)

là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số

Hình 2.1 Kiến trúc của một máy tính Như vậy, với chương trình điều khiển PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều

khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (khối

OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thông điều khiển

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số PLC còn cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) và những khối hàm chuyên dụng

Hình 2.3 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC

2.1.2 Sơ lược về PLC S7-1200

PLC S7-1200 thuộc dòng PLC nhỏ, được dùng cho máy móc, dây chuyền nhỏ hoặc các hệ thống nhỏ, được trang bị các chức năng đầy đủ như truyền thông, analog, HSC, PWM/PTO,…Tính năng đầy đủ, lập trình đơn giản và giá thành rẻ nên S7-1200 có mức độ phổ biến cao, được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp

Về tính năng nó tương đương với S7-200, tuy nhiên nó là một cách tiếp cận hoàn toàn khác S7-1200 không có cổng PPI như S7-200 mà sử dụng cổng Ethernet cho các chức năng download/upload/monitor Module Ethernet onboard trong S7-1200 tương đương với module Ethernet hoặc Ethernet IT của S7-200 tùy loại sản phẩm Cách làm việc với cổng Ethernet của S7-200 hoàn toàn tương đương với các module Ethernet này

Phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 là TIA, đây là gói phần mềm mới của Siemens hỗ trợ lập trình cho các PLC (S7-1200, S7-300, S7-400), HMI Tuy nhiên chỉ một số loại sản phẩm được hỗ trợ với phần mềm này S7-1200, không hỗ trợ ngôn ngữ lập trình STL

Hình 2.4 PLC S7-1200 Siemens

Các dòng PLC S7-1200 Siemens được biết đến như:

- Standard CPUs: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C,

CPU 1217C

- SIPLUS standard CPUs: SIPLUS CPU 1211C, SIPLUS CPU 1212C,

SIPLUS CPU 1214C, SIPLUS CPU 1215C

- Fail-safe CPUs: CPU 1212FC, CPU 1214FC, CPU 1215FC

- SIPLUS fail-safe CPUs: SIPLUS CPU 1214FC, SIPLUS CPU 1215FC 2.2 Phần mềm lập trình TIA PORTAL

2.2.1 Sơ lượt về phần mềm

Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) là phần mềm

cơ sở tích hợp tất cả phần mềm lập trình điều khiển cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện

Đây là phần mềm lập trình điều khiển trực quan, hiệu quả và xác thực giúp người sử dụng xây dựng toàn bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một giao diện phần mềm duy nhất, từ đó mang đến cho các nhà tích hợp hệ thống và các doanh nghiệp sản xuất cơ hội nâng cao năng suất và lợi thế cạnh tranh hữu hiệu Ngoài ra nó còn cho phép người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng và trực quan nhờ đó loại trừ phương thức tích hợp các phần mềm riêng rẽ vừa tốn kém vừa mất thời gian theo kiểu truyền thống

TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ tất

cả các thiết bị và mạng truyền thông hiện nay đã có thể được cấu hình trong cùng một chương trình Các giao diện ứng dụng, thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chuẩn đoán lỗi, các tính năng truy cập trực tiếp là những công cụ hữu dụng cho người dùng khi sử dụng TIA Portal

2.2.2 Làm việc với TIA Portal V15

Phần mềm TIA có rất nhiều tiện ích kèm theo, do đó trong phạm vi bài viết này chỉ trình bày hai nội dung cơ bản nhất: cách tạo và tải chương trình xuống CPU

Cách tạo một dự án

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V15

Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án, sau đó điền thông tin cần thiết rồi nhấn create

Hình 2.5 Tạo một dự án Bước 3: Chọn configure a device trong mục First steps, xong chọn add new device để thêm loại CPU cho PLC sau đó nhấn Add

Hình 2.6 Thêm loại CPU cho PLC

Bước 4: Project mới được hiện ra

Hình 2.7 Giao diện viết chương trình cho PLC Tải chương trình xuống CPU

Bước 1: Nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ

Bước 2: Tải chương trình xuống PLC

Hình 2.8 Tải chương trình xuống PLC

1: Chọn cổng giao tiếp

2: Tìm kiếm thiết bị

3: Tải chương trình xuống PLC

2.2.3 Khối tổ chức OB và hàm chức năng

Để làm việc hiệu quả, TIA cho phép tạo các khối tổ chức và hàm chức năng khi viết chương trình qua đó giúp người lập trình tạo và quản lý chương trình một cách đơn giản hơn

Organization blocks (OB): là giao diện giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng Chúng được gọi ra bởi hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình:

- Xử lý chương trình theo quá trình

- Báo động – kiểm soát xử lý chương trình

- Xử lý lỗi

Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB: có thể chèn

và lập trình các khối này trong các project Không cần phải gán các thông số cho chúng và cũng không cần gọi chúng trong chương trình chính

Process Alarm OB và Time Interrupt OB: Các khối OB này phải được tham số hóa khi đưa vào chương trình Ngoài ra, quá trình báo động OB có thể được gán cho một sự kiện tại thời gian thực hiện bằng cách sủ dụng các lệnh ATTACH, hoặc tách biệt với lệnh DETACH

Time Delay Interrupt OB: OB ngắt thời gian trễ có thể được đưa vào dự

án và lập trình Ngoài ra, chúng phải được gọi trong chương trình với lệnh SRT_DINT, tham số là không cần thiết

Start Information: Khi một số OB được bắt đầu, hệ điều hành đọc ra thông tin được thẩm định trong chương trình người dùng, điều này rất hữu ích cho việc chẩn đoán lỗi, cho dù thông tin được đọc ra được cung cấp trong các

mô tả của các khối OB

Funtions (FC) là các khối mã không cần bộ nhớ Dữ liệu của các biến tạm thời bị mất sau khi FC được xử lý Các khối dữ liệu toàn cầu có thể được

sử dụng để lưu trữ dữ liệu FC

Functions có thể được sử dụng với mục đích:

- Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi

- Thực hiện công nghệ chức năng, ví dụ : điều khiển riêng với các hoạt động nhị phân

- Ngoài ra, FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Điều này tạo điều kiện cho lập trình chức năng lập đi lặp lại phức tạp

Function block (FB): đối với mỗi lần gọi, FB cần một khu vực nhớ Khi một FB được gọi, một Data Block (DB) được gán với instance DB Dữ liệu trong Instance DB sau đó truy cập vào các biến của FB Các khu vực bộ nhớ khác nhau đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần

Data block (DB): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu

Có hai loại của khối dữ liệu DB: Global DBs nơi mà tất cả các OB, FB và FC

có thể đọc được dữ liệu lưu trữ, hoặc có thể tự mình ghi dữ liệu vào DB, và instance DB được gán cho một FB nhất định

- Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại

- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D

- Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D

- Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D

- Giá trị của n bit có địa chỉ bắt đầu từ OUT sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì n bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

- Với n là số bit muốn Set

- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D

- Giá trị của n bit có địa chỉ bắt đầu từ OUT sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

- Với n là số bit muốn Reset

- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D

- Phát hiện sự thay đổi trạng thái của 1 tín hiệu “IN” từ 0 lên

1

- Trạng thái của tín hiệu IN được lưu lại vào “M_BIT”

- Độ rộng của xung này bằng thời gian của một chu kì quét

- Phát hiện sự thay đổi trạng thái của 1 tín hiệu “IN” từ 1 xuống 0

- Trạng thái của tín hiệu IN được lưu lại vào “M_BIT”

- Độ rộng của xung này bằng thời gian của một chu kì quét

Move Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT

mà không làm thay đổi giá trị ngõ vào IN

Round - Lệnh ROUND: Chuyển đổi số thực thành số Interger

- Các phần phân số của số thực được làm tròn đến số nguyên gần nhất Nếu số thực nằm ở giữa 2 số nguyên thì số thực này được làm tròn thành số nguyên chẵn

Lệnh Timer dùng để tạo một chương trình trễ định thời Số lượng của Timer phụ thuộc vào người sử dụng và số lượng vùng nhớ của CPU Mỗi timer

sử dụng 16 byte IEC_Timer dữ liệu kiểu cấu trúc DB

Lệnh Counter được dùng để đếm các sự kiện ở ngoài hay các sự kiện quá trình ở trong PLC Mỗi Counter sử dụng cấu trúc lưu trữ của khối dữ liệu DB

để làm dữ liệu của Counter

Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy khối Timer hay Counter

Bảng 2.2 Một số lệnh về timer, counter

TP - Timer TP tạo một chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước

Thay đổi PT, IN không ảnh hưởng khi Timer đang chạy

- Khi đầu vào IN được tác động vào timer sẽ tạo ra một xung

có độ rộng bằng thời gian đặt PT

TON - Khi ngõ vào IN được tác động và duy trì trạng thái, cho

phép TON hoạt động tới khi giá trị ET > PT thì ngõ ra Q đổi trạng thái nên mức 1

- Khi ngõ vào IN chuyển trạng thái từ 1 về 0 thì Time TON kết thúc hoạt động

CTU - Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 khi tín hiệu ngõ vào CU

chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi giá trị

CV >= PV

- Nếu trạng thái R (Reset) được tác động thì bộ đếm CV = 0

2.3 Tìm hiểu về phần mềm WinCC

2.3.1 Giới thiệu về WinCC

Trong tự động hóa người ta thường phải xây dựng những hệ thống có tính tự động cao có khả năng thực hiện các chức năng cơ bản như:

Để xây dựng được như vậy cần phải có những phần mềm chuyên dụng

và ở Việt Nam hiện nay có một số phần mềm được sử dụng như wincc của Siemens được đánh giá cao nhất và thông dụng nhất

WinCC (window control center) là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển (Human Machine interface), xử lý và lưu trữ dữ liệu

xử lý và lưu trữ dữ liệu cho một hệ thống SCADA trên nền windows, WinCC

là phần mềm mà Siemens đã thuê Microsoft xây dựng WinCC đã thừa hướng

bí quyết của Siemens một công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa quá

trình và năng lực của Microsoft- công ty hàng đầu trong lĩnh vực phát triển phần mềm cho PC, WinCC có thể dễ dàng tích hợp trong các hệ thống có quy

mô lớn nhỏ khác nhau và cả những hệ thống cấp cao như MES (Manufactuing Excution System – hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise rescouse planning) Thực tế WinCC đã và đang được ứng dụng trên khắp các

hệ thống của Siemens trên toàn cầu

WinCC có các phiên bản như:

- WinCC Flexible

- WinCC V7 (classic)

- WinCC (TIA Portal)

2.3.2 Các đặt điểm chính của WinCC

WinCC sử dụng các công nghệ và phần mềm tiên tiến do Microsoft luôn

là người dẫn đầu trong phát triển công nghệ phần mềm

WinCC có thể mở rộng từ một hệ thống đơn giản đến phức tạp một cách linh hoạt, từ hệ thống với một máy tính giám sát đến hệ thống với nhiều máy tính giám sát hay hệ thống có tính phân tán có nhiều máy chủ

WinCC có nhiều module phần mềm kèm theo giúp định hướng theo từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần

Tích hợp trong các bộ WinCC thường có các hệ quản trị cơ sở dữ liệu OBC/SQL như sysbase SQL, hay SQL server, và có thể dễ dàng truy cập đến

dữ liệu của hệ thống

WinCC cũng được tích hợp các giao diện chuẩn như DDE và OLE… thường chuyển đổi các chương trình chạy trên nền window Các tính năng khác như ActiveX control hay OPC server thường được tích hợp sẵn trên wincc

Để lập trình sự kiện thì WinCC hỗ trợ ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSIC

và VBScripts

Tất cả các module của wincc giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C điều này có nghĩa là có thể kết hợp cả cấu hình của wincc và cả các hàm thực hiện runtime vào chương trình người sử dụng

WinCC hỗ trợ đa ngôn ngữ

WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC do nó đã gắn sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của siemens cũng như thông qua các giao thức chung như Profibus, DP, DDE hay OPC Thêm vào đó các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn hay được lựa chọn bổ xung

WinCC là phần tử SCADA trong hệ thống PLC S7 của Siemens (là một

hệ thống điều khiển quá trình một giải pháp tự động hóa được tích hợp toàn diện)

2.3.3 Làm việc với WinCC (TIA PORTAL)

WinCC (TIA PORTAL) hiện nay được Siemens tích hợp trong bộ cài đặt TIA PORTAL để phát triển hệ sinh thái TIA PORTAL của họ WinCC (TIA Portal) là phần mềm cấu hình và thiết kế giao diện từ màn hình điều khiển HMI

cho đến hệ thống SCADA chạy trên máy tính PC

Bước 1: Thêm thiết bị mới lựa chọn thiết bị WinCC và version

Hình 2.9 Thêm thiết bị màn Hình WinCC trong TIA PORTAL

Bước 2: Thêm cổng kết nối cho thiết bị, chọn và kéo thả vào vị trí muốn thêm

Hình 2.10 Thêm cổng kết nối cho thiệt bị WinCC Bước 3: Thêm màn hình để tiến hành làm giao diện, sau khi thêm màn hình ta sẽ có giao diện ban đầu như sau

Hình 2.11 Giao diện thiết kế màn hình WinCC

Bước 4: Từ đây ta có thể kéo thả các đối tượng mong muốn ra để tiến hành tạo giao diện điều khiển theo ý muốn

Bước 5: Sau khi kéo các khối cần thiết vào vị trí của chúng, chúng ta tiến hành gắn tag và đặt trạng thái cho từng đối tượng trên giao diện để khi làm việc

ta có thể dễ dàng nhận biết trạng thái của các thiết bị trong hệ thống đang hoạt động hay dừng và dễ dàng hơn trong việc quản lý

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Mục tiêu thiết kế

Trong chương ba, đề tài đã thực hiện việc khảo sát hệ thống truyền động của các loại cầu trục khác nhau Các khảo sát thực tế này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo trì, sửa chữa, và tự động hóa các loại cầu trục trong thực tế Hiện nay, hầu hết các hệ thống cầu trục sử dụng trong nước đề được vận hành bằng nhân công Ngay cả các hệ thống cầu trục container hiện đại có giá thành rất cao, hệ thống điều khiển sử dụng PLC cũng vận hành bằng nhân công, chương trình PLC chỉ thực hiện các công việc giám sát an toàn và tự động hóa một số phần trong hệ thống Trong khi đó trên thế giới với cách mạng công nghiệp 4.0

đã sử dụng các hệ thống cầu trục hoàn toàn tự động

Với mục tiêu tiếp cận với các hệ thống cầu trục tự động, và tự sản xuất các hệ thống cầu trục này trong nước, đề tài thực hiện một mô hình cầu trục cho việc điều khiển cầu trục bằng chương trình PLC Khi đã nắm rõ các nguyên

lý hoạt động của hệ thống, có thể thêm vào các cảm biến vị trí chuyển động cầu trục, lập trình cho cầu trục hoạt động tự động trong các quy trình sản xuất cụ thể và chạy thử nghiệm trên mô hình này

3.2 Thiết kế mạch điện

3.2.1 Sơ đồ khối và hoạt động của cầu trục

Hệ thống điều khiển cầu trục bao gồm:

- Toàn bộ chương trình điều khiển được thực hiện trong PLC, hệ thống cầu trục sử dụng PLC S7-1200 CPU1214 Chương trình PLC nhận lệnh điều khiển từ bàn điều khiển, để ra quyết định điều khiển cho các hệ thống chuyển động của các bộ phần cầu trục

- Để giám sát và thiết lập các số tham số hoạt động, hệ thống sử dụng một máy tính với chương trình WinCC được lập trình để truyền dữ liệu với PLC, cho phép PLC nhận được các tham số điều khiển thiết lập từ máy tính và hiển thị các tham số cần giám sát từ PLC gởi lên trên màn hình

- Tín hiệu điều khiển chuyển động sẽ cung cấp từ PLC tới các cơ cấu chấp hành

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống cầu trục

Hình 3.2 Mô hình hệ thống cầu trục Chúng ta có thể điều khiển hệ thống bằng 2 cách là dùng WinCC để điều khiển các cơ cấu chuyển động của cầu trục

Để có thể đảm bảo cho quá trình di chuyển tốc độ không bị thay đổi một các đột ngột khiến vật lắc lư trong quá trình di chuyển gây hỏng hóc hay mất

an toàn, hệ thống đã được trang bị biến tần giúp tăng/giảm điện áp, kiểm soát quá trình tăng và giảm tốc khi hệ thống chuyển động Biến tần có thể điều khiển đảo chiều động cơ rất thuận tiện cho hệ thống điều khiển cầu trục Ngoài ra, khi

sử dụng biến tần chúng ta còn có thể tiết kiệm được một lượng điện năng khá lớn mỗi khi khởi động động cơ

Các động cơ sử dụng loại động cơ xoay chiều không đồng bộ

3.2.2 Giới thiệu trang thiết bị

Trên mạch được bố trí các trang thiết bị sau:

- Biến tần INVT1 loại công suất 15 kW

- Biến tần INVT2 loại công suất 2.2 kW

- Áp tô mát MCCB1, MCCB 2, MCCB3, MCCB4, MCCB5, MCB6

- Rơ le bảo vệ mất pha XJ

- Rơ le trung gian R1 và R11: quay thuận

- Rơ le trung gian R2 và R12: quay ngược

- Rơ le trung gian R3 và R13: tốc độ cao