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[.]
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC
Giới thiệu chung về cầu trục
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
Môi trường làm việc của cầu trục thường rất khắc nghiệt, đặc biệt trong các nhà máy luyện kim nơi điều kiện nóng ẩm và nhiều bụi bẩn ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị Tại bến cảng, cầu trục phải làm việc ngoài trời trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, đòi hỏi độ bền và độ tin cậy cao Chế độ làm việc của cầu trục thường là ngắn hạn lặp lại, với quá trình khởi động và hãm thường xuyên, làm tăng yêu cầu về bảo trì và độ bền của thiết bị.
Trong các cơ cấu, tất cả các truyền động đều cần điều chỉnh tốc độ, lực và gia tốc để đảm bảo hoạt động hiệu quả Hàng hoá được dịch chuyển theo quỹ đạo không gian nhất định, đòi hỏi phải phối hợp từ 2 đến 3 truyền động cùng lúc để thực hiện chính xác và linh hoạt các chuyển động.
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 hóa nâng chuyển là yếu tố then chốt để nâng cao năng suất bốc xếp và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất cho hoạt động của cầu trục Việc thiết kế tốc độ nâng hạ quá cao sẽ đòi hỏi các bộ truyền cơ khí có kích thước và trọng lượng lớn hơn, làm tăng giá thành sản xuất Ngược lại, tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo hệ thống điều khiển truyền động đáp ứng yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm và hoạt động liên tục trong chế độ quá độ, phù hợp với chu kỳ bốc xếp hàng hóa Gia tốc và độ giật cũng phải phù hợp để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn Nếu tốc độ quá thấp, năng suất bốc xếp sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực Thông thường, tốc độ chuyển động của hàng hóa trong chế độ định mức dao động từ 0,2 đến 1 m/s (tương đương 12 đến 60 m/ph), và việc điều khiển các cơ cấu cầu trục cần đảm bảo các yêu cầu này để đạt hiệu quả tối ưu.
- Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng
Phạm vi điều chỉnh của các cơ cấu điều tốc là yếu tố quan trọng giúp nâng cao năng suất bốc xếp hàng hóa, đồng thời đáp ứng các yêu cầu công nghệ đa dạng về loại hình hàng hóa Khi nâng và hạ móc không tải hoặc tải trọng nhẹ, hệ thống cần vận hành với tốc độ cao để tối ưu hóa quá trình bốc xếp Ngược lại, trong các công đoạn khai thác yêu cầu tốc độ thấp và ổn định để chính xác hạ hàng hóa vào vị trí mong muốn Điều này đòi hỏi các kỹ thuật bốc xếp và lắp ráp máy móc phù hợp với từng loại cầu trục, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong vận hành.
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
Trong hệ thống điều khiển chuyển động của cầu trục, số cấp tốc độ tối thiểu phải là 3 để đảm bảo hiệu quả hoạt động Cấp tốc độ thấp phục vụ công nghệ nâng hạ hàng khi chạm đất, trong khi cấp tốc độ cao phù hợp với tốc độ tối ưu của từng cơ cấu Ngoài ra, các cấp tốc độ trung gian thường được thiết kế để đáp ứng yêu cầu bốc xếp hàng hoá và duy trì sự ổn định trong quá trình vận hành của cầu trục.
- Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ
Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục hoạt động trong chế độ ngắn hạn lặp lại, với hệ số đóng điện tương đối khoảng 40%, khiến thời gian quá độ chiếm phần lớn thời gian công tác Việc rút ngắn thời gian quá độ là giải pháp quan trọng để nâng cao năng suất Thời gian quá độ bao gồm thời gian khởi động và thời gian hãm khi tăng tốc hoặc giảm tốc, do đó cần áp dụng các biện pháp phù hợp để giảm thiểu thời gian này.
+ Chọn động cơ có mômen khởi động lớn
+ Giảm mômen quán tính của các bộ phận quay
Việc sử dụng động cơ điện có tốc độ không cao từ 1000 – 1500 vòng/phút giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành trong hệ thống điện Đối với động cơ điện một chiều, mômen khởi động phụ thuộc vào giới hạn dòng của các phiến góp, thường chọn Ikđ = (2 - 2,5) Iđm để đảm bảo hoạt động ổn định Trong khi đó, đối với động cơ điện xoay chiều, mômen khởi động phụ thuộc vào loại động cơ: động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có thể đạt mômen khởi động bằng 1,5 Mđm, còn động cơ không đồng bộ roto dây quấn có thể chọn mômen khởi động bằng mômen tới hạn Mmax Việc lựa chọn sử dụng động cơ có tốc độ thấp giúp rút ngắn quá trình quá độ và nâng cao hiệu suất, đặc biệt khi kết hợp với bộ điều tốc cơ khí có tỉ số nhỏ.
- Có trị số hiệu suất và cos
Việc khai thác hợp lý cầu trục trong công tác bốc xếp hàng hóa là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điều khiển Hệ thống truyền động của cầu trục thường không hoạt động ở công suất tối đa, với hệ số tải trong khoảng từ 0,3 đến 0,4, do đó, việc chọn lựa các động cơ truyền động có hiệu suất cos cao và ổn định trong phạm vi rộng là vô cùng quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả vận hành.
Đảm bảo an toàn hàng hoá, thiết bị và công nhân bốc xếp là yêu cầu quan trọng hàng đầu trong quy trình khai thác vận hành cầu trục Để đạt được mục tiêu này, cần chú trọng đến các giải pháp an toàn như kiểm soát chặt chẽ quá trình vận hành, sử dụng thiết bị an toàn hiện đại, và đào tạo nhân viên bốc xếp kỹ lưỡng về quy trình an toàn Việc thực hiện các biện pháp này giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn và đảm bảo hoạt động vận hành hiệu quả, an toàn cho tất cả các bên liên quan.
+ 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 hệ thống giám sát và bảo vệ tự động để đảm bảo an toàn cho các hệ thống điều khiển chuyển động của cầu trục Các hệ thống này phải bao gồm các thiết bị bảo vệ như bảo vệ móc chạm đỉnh, bảo vệ trùng cáp cho cơ cấu nâng hạ, cùng với các hệ thống đo lường và cảnh báo quá tải trọng nâng hạ hàng hóa Việc tích hợp các hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho hoạt động của cầu trục trong công nghiệp.
Hệ thống điều khiển cần phải được trang bị các thiết bị bảo vệ sự cố, bảo vệ “0” an toàn, bảo vệ ngắn mạch, và bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ nhằm đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn Đồng thời, hệ thống cũng phải có chức năng dừng khẩn cấp để xử lý các tình huống nguy hiểm một cách nhanh chóng và hiệu quả Các biện pháp bảo vệ này giúp tăng độ bền cho thiết bị, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật.
Các loại phanh hãm cho các hệ thống làm việc có tính bền vững cao
Để đảm bảo an toàn khi khai thác cầu trục, cần thực hiện kiểm tra định kỳ và thường xuyên các thiết bị, hệ thống của cầu trục Các kiểm tra này phải được thực hiện tại các cơ quan đăng kiểm có thẩm quyền để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn an toàn Việc kiểm tra định kỳ giúp phát hiện kịp thời các vấn đề kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro tai nạn trong quá trình vận hành Đồng thời, sử dụng các giải pháp kiểm tra chuyên nghiệp sẽ nâng cao hiệu quả quản lý và đảm bảo an toàn cho công trình cầu trục.
Thiết kế cabin điều khiển tối ưu giúp đảm bảo điều khiển tiện lợi và an toàn cho người vận hành Các thiết bị điều khiển được bố trí hợp lý, thống nhất giữa các loại cầu trục nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro Ngoài ra, người điều khiển cầu trục có thể dễ dàng sử dụng các lệnh khẩn cấp để xử lý tình huống nhanh chóng và an toàn, đảm bảo quá trình vận hành diễn ra liên tục và hiệu quả.
- Ổn định nhiệt cơ và điện
Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ngoài trời, phù hợp với các khu vực làm việc có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt Đặc biệt, các cầu trục cảng biển còn phải chịu ảnh hưởng của hơi nước mặn, do đó các thiết bị điện kết cấu cần được chế tạo phù hợp để đảm bảo chống chịu môi trường khắc nghiệt này.
Cấu tạo cầu trục trong phân xưởng
Cầu trục có gầm cầu di chuyển trên đường ray lắp đặt dọc theo chiều dài của phân xưởng, giúp nâng hạ hàng hóa một cách dễ dàng Cơ cấu nâng hạ hàng của cầu trục được đặt trên xe con di chuyển theo chiều ngang của nhà xưởng, tối ưu hóa quy trình vận chuyển Hệ thống bốc hàng của cầu trục có thể sử dụng móc (đặc biệt đối với các cầu trục công suất lớn, có thể có hai móc hàng gồm móc chính và móc phụ để tải trọng lớn và nhỏ) hoặc gầu ngoạm để nâng hạ hàng hiệu quả hơn.
Trong mỗi cầu trục có 3 chuyển động chính là di chuyển xe cầu, di chuyển xe con (xe trục) và nâng hạ hàng.
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 giải pháp nâng hạ hàng hiệu quả, phù hợp cho kho hàng và các phân xưởng cơ khí Loại cầu trục này chạy trên ray, được trang bị các cơ cấu chính như nâng hạ hàng, di chuyển xe con và di chuyển giàn, giúp tăng năng suất vận chuyển hàng hóa trong khu vực sản xuất và kho bãi Thiết kế của cầu trục thường tích hợp hệ thống điều khiển tại chỗ và từ xa, tối ưu hóa quá trình vận hành và đảm bảo an toàn cho lao động.
Cầu trục khung giầm chạy trên đường ray là giải pháp nâng hạ phù hợp cho các cảng biển và nhà máy đóng tàu Loại cầu trục thép dạng hộp này được thiết kế với khả năng nâng tải lớn, đáp ứng yêu cầu làm việc trong phạm vi quy định Cầu trục tích hợp các cơ cấu điều khiển chuyển động bao gồm cơ cấu nâng hạ hàng hóa, cơ cấu di chuyển xe con, và cơ cấu di chuyển giàn, nhằm đảm bảo hoạt động linh hoạt và hiệu quả.
Cầu trục bốc xếp container là giải pháp hiệu quả với cầu trục giàn bánh lốp có cơ cấu điều khiển chuyển động chính bao gồm hệ thống nâng hạ hàng, di chuyển xe con và di chuyển giàn Hệ thống cấp nguồn cho cầu trục được cung cấp bằng máy phát điện diesel đồng bộ, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định Loại cầu trục này nổi bật với tính cơ động cao và năng suất làm việc vượt trội, phù hợp cho các kho bãi và nhà máy có yêu cầu vận chuyển, bốc xếp container linh hoạt.
Cầu trục giàn chạy trên đường ray bốc xếp container là thiết bị công nghiệp có khả năng nâng hạ hàng hóa với tải trọng lớn và tầm với rộng, phù hợp cho các hoạt động bốc xếp tại các cảng biển Các cơ cấu chính điều khiển chuyển động của cầu trục gồm có cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn, giúp đảm bảo hoạt động linh hoạt và hiệu quả Đặc điểm nổi bật của loại cầu trục này là khả năng làm việc với năng suất cao, đáp ứng nhanh yêu cầu bốc xếp hàng hóa lớn tại các khu vực công nghiệp, đặc biệt là tại các cảng biển hoặc bến container.
Ứng dụng
Cầu trục có vai trò quan trọng trong quá trình lắp đặt máy móc công nghiệp, đặc biệt trong các dây truyền sản xuất lớn như dây truyền xi măng, nơi các chi tiết máy có kích thước lớn và trọng lượng nặng Nhờ vào cầu trục, việc di chuyển và lắp đặt các bộ phận máy trên cao trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn Sử dụng cầu trục giúp đảm bảo quá trình lắp đặt diễn ra an toàn, chính xác và tiết kiệm thời gian, tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
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
Cầu trục không chỉ có chức năng chính trong vận chuyển hàng hóa mà còn phù hợp với các môi trường khắc nghiệt như nhà máy luyện kim, nơi cần di chuyển các thùng kim loại nóng chảy đổ vào khuôn Với khả năng chịu lực tốt và độ bền cao, cầu trục con được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi vị trí hàng hóa một cách hiệu quả và an toàn.
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.
TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu tổng quan về PLC S7-1200
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được), là thiết bị điều khiển được lập trình linh hoạt theo yêu cầu của người dùng Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ chạy một thuật toán cố định, PLC cho phép thay đổi và tùy chỉnh thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình, giúp đáp ứng đa dạng các bài toán điều khiển tự động trong hệ thống công nghiệp.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Controller) là thiết bị tự động hóa có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển số linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình PLC thay thế các mạch số truyền thống bằng cách cho phép lập trình và điều khiển hệ thống tự động một cách dễ dàng và hiệu quả Đây là giải pháp tối ưu trong tự động hóa công nghiệp, giúp nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình vận hành.
Hình 2.1 Kiến trúc của một máy tính cho thấy rằng, với chương trình điều khiển PLC, nó trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và có khả năng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như các PLC khác hoặc máy tính Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt trong vận hành.
OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét
Để thực hiện chương trình điều khiển, PLC cần có tính năng như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu PLC cũng được trang bị các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Ngoài ra, để đáp ứng các yêu cầu điều khiển số, PLC còn tích hợp các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) và các hàm chuyên dụng nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Hình 2.3 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC
PLC S7-1200 thuộc dòng PLC nhỏ gọn, phù hợp cho các máy móc, dây chuyền nhỏ và hệ thống có quy mô vừa, tích hợp đầy đủ các chức năng như truyền thông, analog, HSC, PWM/PTO Với tính năng đa dạng, dễ lập trình và mức giá hợp lý, S7-1200 trở thành sự lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp Được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng vận hành linh hoạt và khả năng mở rộng phù hợp với nhu cầu của các hệ thống nhỏ đến trung bình.
S7-1200 có tính năng tương đương với S7-200 nhưng sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác Thay vì cổng PPI như trên S7-200, S7-1200 sử dụng cổng Ethernet để thực hiện các chức năng download, upload và monitor Module Ethernet onboard trong S7-1200 tương đương với các module Ethernet hoặc Ethernet IT của S7-200, đảm bảo cách làm việc với cổng Ethernet của S7-200 hoàn toàn tương đương.
Phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 là TIA Portal, phần mềm mới của Siemens dành cho lập trình các PLC như S7-1200, S7-300, S7-400 và các thiết bị HMI Tuy nhiên, chỉ một số loại sản phẩm được hỗ trợ bởi phần mềm này, trong đó 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.
Phần mềm lập trình TIA PORTAL
2.2.1 Sơ lượt về phần mềm
TIA Portal là phần mềm tích hợp toàn diện dành cho lập trình điều khiển trong hệ thống tự động hóa và truyền động điện, giúp người dùng xây dựng chương trình tự động hóa hiệu quả trong một giao diện duy nhất Phần mềm này mang lại khả năng lập trình trực quan, dễ dàng xác thực và tối ưu hóa các dự án tự động hóa, giúp các nhà cung cấp hệ thống và doanh nghiệp sản xuất nâng cao năng suất và cạnh tranh TIA Portal cho phép phát triển và tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, trực quan, loại bỏ phương pháp tích hợp phần mềm rời rạc vừa tốn kém vừa mất thời gian theo cách truyền thống, từ đó tối ưu hóa quy trình vận hành và giảm thiểu chi phí.
TIA Portal giúp các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo sự thống nhất về giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Nhờ đó, tất cả thiết bị và mạng truyền thông hiện nay có thể được cấu hình trong cùng một chương trình Các tính năng như giao diện ứng dụng, thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chuẩn đoán lỗi và truy cập trực tiếp đều là những công cụ hữu ích cho người dùng khi sử dụng TIA Portal.
2.2.2 Làm việc với TIA Portal V15
Phần mềm TIA có nhiều tiện ích hỗ trợ lập trình và vận hành hệ thống tự động hóa Trong bài viết này, chúng tôi sẽ hướng dẫn hai bước cơ bản nhất để tạo và tải chương trình xuống CPU, giúp người dùng dễ dàng thực hiện quá trình cài đặt và vận hành hệ thống một cách hiệu quả.
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
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 trung gian giữ hoạt động hệ thống và chương trình người dùng, được hệ thống gọi ra để thực hiện các chức năng cần thiết Chúng điều khiển quá trình xử lý của hệ thống theo đúng trình tự, đóng vai trò then chốt trong quản lý hoạt động của hệ điều hành.
- Xử lý chương trình theo quá trình
- Báo động – kiểm soát xử lý chương trình
Trong các dự án lập trình, bạn có thể chèn và lập trình các khối như Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB dễ dàng, mà không cần phải gán thông số hay gọi chúng trong chương trình chính Các khối này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và chẩn đoán lỗi hệ thống một cách hiệu quả Việc sử dụng các OB này phù hợp trong các dự án tự động hóa để nâng cao khả năng kiểm soát và bảo trì hệ thống PLC.
Process Alarm OB và Time Interrupt OB là các khối chức năng cần được tham số hóa khi tích hợp vào chương trình PLC Quá trình báo động OB có thể được kích hoạt theo thời gian thực bằng cách sử dụng lệnh ATTACH để gán sự kiện, hoặc tách rời bằng lệnh DETACH nhằm quản lý linh hoạt và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống tự động hóa.
OB ngắt thời gian trễ (Time Delay Interrupt OB) có thể được tích hợp vào dự án và lập trình một cách dễ dàng Để sử dụng OB này trong chương trình, bạn cần gọi nó bằng lệnh SRT_DINT, trong đó tham số là không cần thiết Việc sử dụng đúng cách giúp đảm bảo hoạt động chính xác của chức năng ngắt thời gian trễ, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống tự động hóa của bạn.
Khi một số OB bắt đầu hoạt động, hệ điều hành sẽ đọc thông tin đã được xác nhận trong chương trình người dùng, điều này rất hữu ích cho việc chẩn đoán lỗi hệ thống Thông tin này, dù được cung cấp trong các mô tả của các khối OB, giúp giám sát và phân tích quá trình vận hành dễ dàng hơn, đảm bảo hoạt động của hệ thống trở nên hiệu quả và tin cậy hơn.
Functions (FC) là các khối mã không cần bộ nhớ, giúp tối ưu hóa hiệu suất lập trình Dữ liệu của các biến tạm thời trong FC sẽ bị mất sau khi thực thi, không giữ lại sau quá trình Để lưu trữ dữ liệu lâu dài cho các FC, có thể sử dụng các biến toàn cục, đảm bảo dữ liệu luôn sẵn sàng cho các lần gọi hàm tiếp theo.
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
Trong các chương trình, FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho lập trình chức năng với các thao tác lặp lại phức tạp Điều này giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và nâng cao hiệu quả của ứng dụng.
Trong lập trình chức năng, Function Block (FB) yêu cầu một khu vực nhớ riêng biệt cho mỗi lần gọi, giúp quản lý dữ liệu hiệu quả Khi một FB được gọi, hệ thống gán một Data Block (DB) mới với một instance DB, cho phép truy cập vào các biến của FB một cách an toàn Các khu vực bộ nhớ khác nhau được phân bổ cho cùng một FB khi nó được gọi nhiều lần, đảm bảo tính độc lập và tránh xung đột dữ liệu.
Data block (DB): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu
Trong hệ thống dữ liệu, có hai loại khối dữ liệu chính là Global DB và Instance DB Global DB cho phép tất cả các OB, FB và FC truy cập và ghi dữ liệu lưu trữ một cách linh hoạt, đảm bảo tính đồng bộ và dễ quản lý dữ liệu chung Trong khi đó, Instance DB được gán riêng cho từng FB cụ thể, giúp tối ưu hóa hiệu suất truy cập và quản lý dữ liệu của từng phân hệ riêng biệt Việc hiểu rõ giữa Global DB và Instance DB là chìa khóa để xây dựng hệ thống dữ liệu hiệu quả và phù hợp với yêu cầu vận hành của doanh nghiệp.
2.2.4 Một số lệnh cơ bản
Trong lập trình PLC S7-1200-CPU 1214 DC/DC/DC cũng như các dòng PLC khác, có rất nhiều lệnh khác nhau Tuy nhiên, trong bài viết này, tôi chỉ tập trung giới thiệu một số lệnh phổ biến và thường được sử dụng trong quá trình lập trình, giúp người dùng dễ dàng nắm bắt và áp dụng hiệu quả.
Bảng 2.1 Một số lệnh cơ bản
Tên lệnh Mô tả lệnh
- Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit đó được tác động
- Các vùng nhớ có thể sử dụng: I, Q, M, L, D
- Tiếp điểm thường đóng sẽ hở khi giá trị của bit đó được tác động
- Các vùng nhớ có thể sử dụng: I, Q, M, L, D
- 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 n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này là 1, đảm bảo tính chính xác trong quá trình xử lý dữ liệu Khi đầu vào của lệnh bằng 0, các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái, không thay đổi giá trị ban đầu Việc này giúp kiểm soát chính xác các trạng thái của bit trong quá trình lập trình Hiểu rõ cách hoạt động của các bit này là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.
- Các vùng nhớ có thể sử dụng: Q, M, L, D
Tìm hiểu về phần mềm 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:
Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu quan trọng trong công nghiệp Để xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng như WinCC của Siemens Tại Việt Nam, WinCC được đánh giá cao về tính năng và mức độ phổ biến, trở thành lựa chọn hàng đầu cho các dự án tích hợp SCADA.
WinCC (Window Control Center) là phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển (HMI), xử lý và lưu trữ dữ liệu cho hệ thống SCADA trên nền tảng Windows Được phát triển bởi Siemens hợp tác với Microsoft, WinCC tích hợp bí quyết tự động hóa của Siemens và năng lực phần mềm của Microsoft, giúp dễ dàng tích hợp trong các hệ thống quy mô lớn nhỏ khác nhau Phần mềm này phù hợp với các hệ thống cao cấp như MES (Manufacturing Execution System) và ERP (Enterprise Resource Planning), và đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống của Siemens trên toàn cầu.
WinCC có các phiên bản như:
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 là một hệ thống SCADA linh hoạt có khả năng mở rộng từ các cấu hình đơn giản đến phức tạp, phù hợp với nhiều quy mô và yêu cầu khác nhau Hệ thống này có thể vận hành chỉ với một máy tính giám sát hoặc mở rộng đến nhiều máy tính giám sát để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống lớn hơn Ngoài ra, WinCC còn hỗ trợ xây dựng hệ thống phân tán với nhiều máy chủ, đảm bảo khả năng quản lý, giám sát và điều khiển tối ưu trong các môi trường công nghiệp phức tạp.
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
Trong các bộ WinCC, tích hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu như OBC/SQL, gồm các hệ như Sybase SQL hoặc SQL Server, giúp dễ dàng truy cập và quản lý dữ liệu của hệ thống một cách hiệu quả.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tất cả các module của WinCC đều mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C, cho phép tích hợp linh hoạt giữa cấu hình WinCC và các hàm thực hiện runtime Điều này giúp người dùng dễ dàng tùy biến và mở rộng chức năng của hệ thống tự động hóa Việc kết hợp này không chỉ nâng cao khả năng tùy chỉnh mà còn tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống điều khiển tự động.
WinCC hỗ trợ đa ngôn ngữ
WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC nhờ tích hợp sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp hiệu quả với các thiết bị PLC của Siemens cũng như qua các giao thức phổ biến như Profibus, DP, DDE và OPC Ngoài ra, WinCC còn cung cấp nhiều chuẩn thông tin khác phù hợp để mở rộng khả năng kết nối và tích hợp hệ thống tự động hóa.
WinCC là phần tử SCADA trong hệ thống PLC S7 của Siemens, cung cấp giải pháp tự động hóa tích hợp toàn diện cho các hệ thống điều khiển quá trình.
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
Trong quá trình thiết lập WinCC, bước quan trọng là thêm các cổng kết nối để đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả, như đã trình bày trong hình 2.10 Sau khi đã hoàn tất việc thêm cổng kết nối, bước tiếp theo là thêm màn hình để thiết kế giao diện người dùng Khi hoàn thiện việc thêm màn hình, bạn sẽ có giao diện ban đầu giống như hình ảnh minh họa, giúp tiện lợi trong quá trình lập trình và vận hành hệ thống tự động hóa.
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
Sau khi kéo các khối cần thiết vào vị trí phù hợp, chúng ta tiến hành gắn tag và thiết lập trạng thái cho từng đối tượng trên giao diện Điều này giúp dễ dàng nhận biết trạng thái hoạt động hoặc dừng của các thiết bị trong hệ thống, đồng thời hỗ trợ quản lý hệ thống hiệu quả hơn.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Mục tiêu thiết kế
Chương ba tập trung khảo sát hệ thống truyền động của các loại cầu trục khác nhau, nhằm nâng cao hiệu quả bảo trì, sửa chữa và tự động hóa trong thực tế Hiện nay, phần lớn hệ thống cầu trục trong nước vẫn vận hành bằng nhân công, kể cả các hệ thống cầu trục container hiện đại có giá thành cao, sử dụng PLC để giám sát an toàn và tự động hóa một số chức năng Trong khi đó, với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các hệ thống cầu trục trên thế giới đã được phát triển thành hệ thống hoàn toàn tự động, mở ra khả năng nâng cao năng suất và giảm thiểu nhân lực.
Mục tiêu của đề tài là tiếp cận và tự sản xuất các hệ thống cầu trục tự động trong nước Đề tài đã thực hiện một mô hình cầu trục để điều khiển bằng chương trình PLC, giúp nắm rõ nguyên lý vận hành của hệ thống Bên cạnh đó, các cảm biến vị trí chuyển động cầu trục được tích hợp để tự động hóa quá trình điều khiển trong các quy trình sản xuất cụ thể Kết quả là, mô hình cầu trục tự động này có thể chạy thử nghiệm, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong vận hành hệ thống cầu trục tự động.
Thiết kế mạch điện
3.2.1 Sơ đồ khối và hoạt động của cầu trục
Hệ thống điều khiển cầu trục bao gồm:
Chương trình điều khiển của hệ thống cầu trục được thực hiện hoàn toàn trong PLC S7-1200 CPU 1214, đảm bảo tính tự động hóa và chính xác cao PLC nhận lệnh điều khiển từ bàn điều khiển người vận hành, giúp hệ thống đưa ra quyết định kiểm soát các chuyển động của các bộ phần cầu trục một cách hiệu quả Việc sử dụng PLC trong hệ thống cầu trục giúp nâng cao độ an toàn, độ tin cậy và dễ dàng vận hành, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật hiện đại.
Hệ thống giám sát hoạt động sử dụng máy tính chạy phần mềm WinCC để truyền dữ liệu với PLC WinCC được lập trình để thiết lập các tham số điều khiển từ máy tính, giúp người vận hành dễ dàng điều chỉnh thông số hoạt động Ngoài ra, phần mềm còn hiển thị các tham số cần giám sát từ PLC lên màn hình, đảm bảo quá trình vận hành được theo dõi và kiểm soát chính xác.
- 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
Hệ thống cầu trục được điều khiển bằng hai phương pháp chính: sử dụng WinCC để điều khiển các cơ cấu chuyển động và trang bị biến tần để kiểm soát quá trình tăng giảm tốc độ, đảm bảo di chuyển ổn định không gây lắc lư hoặc hỏng hóc Biến tần giúp điều chỉnh điện áp, kiểm soát tốc độ và đảo chiều động cơ một cách thuận tiện, đồng thời tiết kiệm lượng lớn điện năng khi khởi động động cơ Hệ thống tích hợp này nâng cao hiệu quả vận hành, đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng cho cầu trục.
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
- Động cơ nâng, hạ M1 công suất 11 kW điện áp Δ/Y – 220/380V
- Cữ hạn chế hành trình cáp LS3, LS4
- Công tắc hành trình LX1, LX2: hạn chế hành trình sang trái, sang phải
- Rơ le nhiệt FR1, FR11, FR12
- Tiếp điểm R2A-R2C tiếp điểm thường mở, điều khiển phanh của biến tần
- Tiếp điểm R1A-R1C tiếp điểm báo lỗi của biến tần, khi biến tần lỗi thì tiếp điểm biến tần R1A-R1C mở ra
- Khởi động từ KMO, KM1, KM2
- Biến áp cách ly hạ áp 380/220 VAC
- Các cảm biến vị trí: A, B, C, D
- Tay điều khiển (nút ấn) khi ấn giữ thì cấp tín hiệu cho mạch hoạt động
- Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 CPU1214C AC/DC/RLY
- Module mở rộng SM1223 16DI/16DO.
Hệ thống các thiết bị sử dụng trong sơ đồ
Bảng 3.1 Các thiết bị sử dụng trong mạch
STT Tên thiết bị Số lượng
11 Bộ điều khiển từ xa 1
15 Đầu nối tiếp xúc điện 3
17 Rơ le bảo vệ mất pha 1
3.3.1 Tính chọn thiết bị mạch động lực
Dòng điện tổng lớn nhất:
- U: là điện áp danh định
- Cosφ: là hệ số công suất
Chọn thiết bị bảo vệ và điều khiển cho động cơ thỏa mãn điều kiện Iđm <
- Iđm là dòng điện tải lớn nhất
- In là dòng điện định mức của MCB, MCCB
- Iz là dòng điện cho phép lớn nhất của dây dẫn điện (được cho bởi nhà sản xuất)
Ngoài các động cơ truyền động, hệ thống nam châm điện và mạch điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp Để đảm bảo an toàn và ổn định, việc lựa chọn Aptomat tổng dự phòng cho tủ điện loại MCCB là cần thiết, giúp bảo vệ hệ thống khỏi quá tải và ngắn mạch một cách hiệu quả.
Hệ thống sẽ được bảo vệ (quá áp, thấp áp, mất cân bằng pha, mất pha, lệch pha ) bằng Rơle bảo vệ có chức năng trên
Các động cơ điện sẽ được bảo vệ (quá tải, mất pha, kẹt rô to ) bằng Rơle nhiệt a, Động cơ nâng hạ
Pđm là công suất định mức của động cơ
Iđm là dòng điện định mức của động cơ
U là điện áp danh định
Cosφ là Hệ số công suất của động cơ
Chọn thiết bị bảo vệ và điều khiển cho động cơ Do động cơ được điều khiển thông qua biến tần nên ta sẽ chọn:
Chọn áp tô mát thỏa mãn điều kiện: ( )
Chọn biến tần thỏa mãn điều kiện: PBT > Ptt
Chọn rơ le nhiệt thỏa mãn điều kiện: (1, 2 1, 4) ( )
Tính chọn tiết diện của dây dẫn:
S: là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm 2 I: dòng điện chạy qua mặt cắt vuông, tính bằng Ampe (A) j: mật độ dòng điện cho phép (A/mm 2 )
+) Aptomat chọn MCCB có In = 25 A; Udm = 380V
+) Biến tần INVT1 loại ALTV71 công suất 15 kW
+) Role nhiệt: Chọn role nhiệt MT-32 có dải điều chỉnh từ 18-25 A
+) Dây điện: dây cáp điện loại Cu/PVC/PVC 4x6 mm 2 b, Động cơ xe con
= = Chọn thiết bị bảo vệ và điều khiển cho động cơ:
Chọn áp tô mát thỏa mãn điều kiện: ( )
Chọn biến tần thỏa mãn điều kiện: PBT > Ptt
Chọn rơ le nhiệt thỏa mãn điều kiện: (1, 2 1, 4) ( )
Tính chọn tiết diện của dây dẫn:
Với yêu cầu đề bài để di chuyển cầu trục chạy tiến lùi ta xe dùng 2 động cơ xe con từ đó ta có: 1, 42.2 2
+) Aptomat chọn MCCB có In = 6 A; Udm = 380 V
+) Biến tần INVT3 loại ALTV71 công suất 2,2 kW
+) Role nhiệt: Chọn role nhiệt MT-12 có dải điều chỉnh từ 1-1.6 A +) Dây điện: dây cáp điện loại Cu/PVC/PVC 4x1.5 mm 2 c, Chọn contactor
Chọn contactor thỏa mãn điều kiện: ( )
Ngoài các động cơ truyền động, hệ thống còn bao gồm các nam châm điện và mạch điều khiển, vì vậy cần chọn Contactor tổng dự phòng có khả năng chịu tải Iđm = 65A Trong đó, Contactor điều khiển phanh P1 có công suất 35A và Contactor điều khiển phanh P2 có công suất 12A để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn của hệ thống.
3.3.2 Tính chọn thiết bị mạch điều khiển
Dòng điện chạy trong mạch điều khiển thường có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng 6A Nên ta sẽ chọn được các thiết bị điện dùng cho mạch điều khiển
Chọn máy biến áp hạ áp cấp nguồn cho mạch điều khiển
Hình 3.3 Máy biến áp hạ áp Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của máy biến áp Điện áp vào / Input 380V (1P) Điện áp ra / Output 24VAC
Tần số / Frequency 50Hz /60Hz
Loại / Type Biến áp cách ly/ Isolation
Bảo vệ quá tải / Overload protection Không / Not Điện trở cách điện / Insulation Lớn hơn 5MΩ ở điện áp 1000VDC/Greater than 5MΩ at 1000VDC
Hiển thị / Display Thiết bị đấu nối đầu cuối - Domino/
Terminals - Domino Nhiệt độ môi trường
+ Cầu chì RT18M-32X có đèn
- Điện áp định mức: 690 VAC
- Vỏ hộp ngắt mạch cầu chì làm bằng nhựa PBT chống cháy cao cấp
- Tiếp điểm làm bằng đồng mạ bạc cao cấp
- Kiểu dáng đạt tính thẩm mỹ cao
- Có đèn cảnh báo khi cầu chì bị đứt
- Đạt tiêu chuẩn quốc tế IEC 60269
– Đăc tính cắt gG/gL theo IEC 60269
- Sử dụng với cầu chì ống chuẩn 10x38mm
– Điện áp định mức: 500VAC
– Dòng điện định mức lõi chì: 2A; 5A
– Dòng cắt ngắn mạch: 100kA
– Thân cầu chi làm bằng gốm sứ chất lượng cao
– Đầu bít làm bằng đồng mạ Nickel có độ dẫn điện cao
– Đăc tính cắt gG/gL theo IEC 60269
- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA
- Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục
- Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ C
- Tiêu chuẩn kín nước: IP65 chống nước và chống bụi
- Kích thước bên ngoài: 50mm x 28mm (cao x đường kính ngoài)
- 22mm / Đỏ / Xanh lá / Vàng
Hình 3.6 Nút dừng khẩn Thông số kỹ thuật:
Hình 3.7 Bộ điều khiển từ xa Henjel H108
- Tần số hoạt động: 433 MHz
- Tần số khống chế: PLL
- Thời gian phản hồi: 50-100 ms
- Mức độ tiêu hao pin: 15mA@AC220V
- Vật liệu chế tạo vỏ: PA6(30%GF)
- Tần số hoạt động: 433 MHz
- Tần số khống chế: PLL
- Thời gian phản hồi: 100 ms
- Mức độ tiêu hao pin: 8mA@DC3V
- Vật liệu chế tạo vỏ: PA6 (30%GF)
6 Chọn rơ le trung gian
Hình 3.8 Rơ le trung gian
- Đặc điểm 14 chân dẹt, có đèn chỉ thị
7 Chọn công tắc hành trình
- Chất liệu: nhựa PVC và kim loại
- Loại: Tay quay điều chỉnh độ dài với con lăn
- Tiếp điểm: thường đóng / thường mở
- Điện áp định mức: DC5V - 24V / AC 110 - 250V / 50Hz / 5A
- Tiêu chuẩn chống nước IP: IP65
- Tần số hoạt động: 120 lần / phút (có nguồn)
- Tốc độ hoạt động: 0.5mm ~ 50cm / s
- Ứng dụng: thang máy, thiết bị máy móc nhà máy
Hình 3.9 Công tắc hành trình
8 Rơ le bảo vệ mất pha
- Bảo vệ mất pha, mất cân bằng pha, ngược pha
- Hiển thị trạng thái bằng LED
Hình 3.10 Rơ le bảo vệ mất pha
9 Chọn dây dẫn mạch điều khiển
Chọn cáp đồng CADIVI loại 1,5mm 2
Với yêu cầu công nghệ ta lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY
Hình 3.11 CPU 1214C AC/DC/RLY Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY
Mã sản phẩm 6ES7214-1BG40-0XB0
SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, AC/DC/relay, onboard I/O: 14 DI 24 VDC; 10 DO relay 2 A; 2 AI 0-10 VDC, Power supply: AC 85-
264 VAC at 47-63 Hz, Program/data memory 100
Hãng sản xuất Siemens AG
SIMATIC S7-1200, Digital I/O SM 1223, 16 DI/16 DO, 16 DI 24 VDC, Sink/Source, 16 DO, relay 2 A
- Mã sản phẩm: 6ES7223-1PL32-0XB0
- Dòng sản phẩm: SIMATIC S7-1200 SM 1223
- Số lượng đầu vào số: 16 DI 24 VDC, Sink/Source
- Số lượng đầu ra số: 16 DO, relay 2 A
- Nguồn cung cấp 24 VDC: (20.4-28.8 VDC)
Hình 3.12 Module mở rộng SM 1223
Hình 3.13 Cảm biến quang Thông số kỹ thuật cảm biến quang thu phát:
- Thời gian đáp ứng: nhỏ hơn 1ms
- Ngõ ra: PNP hoặc NPN, NO và NC
- Nhiệt độ làm việc: -25 đến 60 0 C
- Vật liệu thân: nhựa ABS
- Tần số hoạt động: 500Hz
Hình 3.14 Nút nhấn Thông số tiếp điểm của Nút nhấn đèn:
- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm
Hình 3.15 Công tắc 2 vị trí Thông số kĩ thuật:
- Tờn sản phẩm: Cụng tắc xoay 2 vị trớ ỉ 25 MRT-K2R1A3W
- Loại: Có đèn, 2 vị trí
- Vỏ: Bằng nhựa cao cấp
15 Điện trở xả biến tần
Hình 3.16 Điện trở xả Thông số kỹ thuật cho điện trở xả sứ:
– Giá trị điện trở: 1 Ohm ~ 10 kOhm
– Độ bện cách điện: AC 3 Kv 50 Hz/5s
– Tiêu chuẩn bảo vệ: IP00
– Thành phần vật liệu: Ocr25AL5
– Ưu điểm: Ứng dụng được với điện áp cao, giá cả cạnh tranh – Nhược điểm: Có sự dao động nhẹ
Hình 3.17 Sơ đồ mạch động lực
Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Đóng các áp tô mát nguồn điện 3 pha qua áp tô mát đến chờ ở má trên của tiếp điểm mạch động lực và các tiếp điểm thường mở của mạch điều khiển để đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện Việc sử dụng áp tô mát giúp ngắt nguồn nhanh chóng trong các trường hợp khẩn cấp, bảo vệ thiết bị điện và đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống Đồng thời, kết nối này nâng cao hiệu quả kiểm soát và điều khiển của mạch điện, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của hệ thống điện hiện đại.
Ban đầu, nếu đủ nguồn điện 3 pha thì cuộn KMO có thể hoạt động bình thường Sau đó, cần đóng tiếp điểm KMO để chuẩn bị cho mạch động lực hoạt động ổn định Trong chế độ tự động, hệ thống sẽ tự động điều khiển quá trình vận hành, đảm bảo hiệu quả và an toàn cho hệ thống điện.
Ban đầu, cầu trục tại vị trí C nhận lệnh bật nút ON để đi xuống và bốc hàng từ kho 1 lên Khi gặp cảm biến D, cầu trục dừng lại trong 5 giây để xếp hàng và sau đó đi lên Trong quá trình đi lên, khi gặp cảm biến C, cầu trục dừng lại và di chuyển sang phải để gặp cảm biến B Sau đó, cầu trục dừng và đi xuống để trả hàng tại kho 2.
D thì dừng lại chờ 5s sau để dở hàng ra sau đó đi lên Khi đi lên gặp cảm biến
C thì dừng và di chuyển sang trái để quay lại kho 1 bốc hàng, khi gặp cảm biến
Khi A dừng sang trái, chu trình làm việc kết thúc và bắt đầu một chu trình mới liên tục cho đến khi nhấn nút dừng OFF Hệ thống điều khiển động cơ nâng – hạ hoạt động theo chiều nâng để đảm bảo quá trình vận hành diễn ra chính xác và an toàn.
Để thực hiện chế độ nâng, cuộn R1 có điện và tiếp điểm R1 đóng, cung cấp nguồn cho biến tần INVI1 hoạt động Đồng thời, cuộn KM1 cũng được cấp điện để cấp nguồn cho nam châm P1, thực hiện nhả phanh Khi đó, động cơ bắt đầu nâng tải với tốc độ chậm, đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình vận hành.
Sau 5 giây, tốc độ nâng chuyển của hệ thống trở nên nhanh hơn khi cuộn R3 có điện, và tiếp điểm R3 trên biến tần đóng để thay đổi giá trị tần số cấp vào động cơ Điều này cho phép động cơ thực hiện nâng vật với tốc độ tăng nhanh, đảm bảo quá trình vận hành hiệu quả và an toàn.
+ Khi động cơ di chuyển nhanh đến điểm cữ hạn chế hành trình cáp LS3, LS4 mở ra cắt điện cuộn R3, động cơ trở về tốc độ chậm
+ Khi gặp cảm biến C thì cuộn R1 mất điện, cắt điện vào biến tần
Khi tiếp điểm INVI1(R2A-R2C) mở ra, hệ thống cuộn KM1 mất điện dẫn đến việc cắt nguồn điện vào nam châm P1, đảm bảo an toàn cho thiết bị Sau đó, tiến hành chạm vào cú pháp phanh hãm động cơ để dừng hoạt động Quá trình điều khiển động cơ nâng hạ được thực hiện theo chiều hạ, đảm bảo thao tác chính xác và an toàn.
Để thực hiện việc hạ xuống, cuộn R2 được cấp điện và tiếp điểm R2 đóng để cấp nguồn cho biến tần INVI2 hoạt động Đồng thời, cuộn KM1 cũng nhận điện, cung cấp nguồn cho nam châm P2 để nhả phanh Quá trình này cho phép động cơ giảm tốc chậm lại, đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình hạ.
Sau 5 giây, hệ thống chuyển sang trạng thái hạ hàng khi cuộn R3 có điện, và tiếp điểm R3 trong biến tần đóng để thay đổi giá trị tần số cấp cho động cơ Điều này giúp động cơ thực hiện quá trình hạ hàng với tốc độ nhanh hơn, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành tự động.
+ Khi động cơ di chuyển nhanh đến điểm cữ hạn chế hành trình cáp LS3, LS4 mở ra cắt điện cuộn R3, động cơ trở về tốc độ chậm
+ Khi gặp cảm biến D thì cuộn R2 mất điện, cắt điện vào biến tần
+ Tiếp điểm INVI1(R2A-R2C) mở ra, cuộn KM1 mất điện, cắt điện vào nam châm P1 và thực hiện phanh hãm động cơ Điều khiển động cơ di chuyển sang phải
Khi cuộn R11 có điện, tiếp điểm R11 đóng để cấp điện cho biến tần INVI2 hoạt động, giúp điều chỉnh tốc độ của động cơ Đồng thời, cuộn KM2 cũng có điện để cung cấp nguồn cho nam châm P2, kích hoạt chức năng nhả phanh Nhờ đó, động cơ bắt đầu di chuyển sang phải với tốc độ chậm, đảm bảo quá trình vận hành an toàn và linh hoạt.
+ Sau 5s cuộn R13 có điện, tiếp điểm R13 ở biến tần đóng thay đổi giá trị tần số vào động cơ, khi đó động cơ chạy với tốc độ nhanh
Khi động cơ di chuyển nhanh vượt quá giới hạn đã thiết lập, công tắc hành trình LX1, LX2 sẽ được kích hoạt để ngắt điện cuộn R13, giúp động cơ trở về trạng thái chạy chậm hơn Điều này đảm bảo an toàn và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống, đồng thời ngăn chặn quá tải hoặc tổn thương cho các bộ phận của thiết bị.
+ Khi gặp cảm biến B, cuộn R11 và R13 mất điện, cắt điện vào biến tần
+ Tiếp điểm INVI2(R2A-R2C) mở ra, cuộn KM2 mất điện, cắt điện vào nam châm P2 và thực hiện phanh hãm động cơ. Điều khiển động cơ di chuyển sang trái
Khi cuộn R12 có điện, tiếp điểm R12 đóng lại để cấp điện cho biến tần INVI2 hoạt động Đồng thời, cuộn KM2 có điện để cung cấp nguồn cho nam châm P2, thực hiện việc nhả phanh cho hệ thống Điều này khiến động cơ di chuyển sang trái với tốc độ chậm, đảm bảo quá trình vận hành an toàn và chính xác.
+ Sau 5s cuộn R13 có điện, tiếp điểm R13 ở biến tần đóng thay đổi giá trị tần số vào động cơ, khi đó động cơ chạy với tốc độ nhanh
Khi động cơ di chuyển nhanh và vượt quá giới hạn đã định, công tắc hành trình LX1, LX2 tự động mở ra để cắt nguồn điện cuộn R13, giúp điều chỉnh tốc độ động cơ về mức chậm hơn, đảm bảo an toàn và hoạt động chính xác của hệ thống.
+ Khi gặp cảm biến A, cuộn R12 và R13 mất điện, cắt điện vào biến tần
Khi tiếp điểm INVI2 (R2A-R2C) mở ra, hệ thống mất điện cuộn KM2, dẫn đến việc cắt điện vào nam châm P2 và thực hiện phanh hãm động cơ Trong chế độ bằng tay, người vận hành có thể sử dụng phím bấm để điều khiển cầu trục di chuyển chính xác Việc này đảm bảo an toàn và kiểm soát tốt quá trình vận hành của cầu trục trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi cần thiết.
Xây dựng thuật toán điều khiển
Hình 3.19 Thuật toán điều khiển chế độ tự động
Hình 3.20 Thuật toán điều khiển chế độ thủ công
Chương trình điều khiển
Bảng 3.4 Bảng địa chỉ ngõ vào
Name Data type Địa chỉ Chức năng
Man Bool I0.0 Tín hiệu chạy bằng tay
Auto Bool I0.1 Tín hiệu chạy tự động
X Bool I0.2 Tín hiệu nút nhấn xuống
L Bool I0.3 Tín hiệu nút nhấn lên
P Bool I0.4 Tín hiệu nút nhấn phải
T Bool I0.5 Tín hiệu nút nhấn trái
Trong hệ thống điều khiển, các cảm biến giới hạn hành trình đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và chính xác Cảm biến LS3 (Bool I0.6) được sử dụng để giới hạn hành trình của cáp lên, ngăn không cho cáp vượt quá mức quy định Tương tự, cảm biến LS4 (Bool I0.7) đảm nhận chức năng giới hạn hành trình của cáp xuống, giúp bảo vệ hệ thống khỏi quá tải hoặc hỏng hóc Ngoài ra, các cảm biến LX1 (Bool I1.0) và LX2 (Bool I1.1) lần lượt kiểm soát giới hạn hành trình sang trái và sang phải, đảm bảo hoạt động linh hoạt, an toàn của thiết bị di chuyển trong phạm vi cho phép Áp dụng các cảm biến này không chỉ nâng cao độ an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống.
A Bool I1.2 Cảm biến sang trái
B Bool I1.3 Cảm biến sang phải
C Bool I1.4 Cảm biến đi lên
D Bool I1.5 Cảm biến đi xuống
BVMP Bool I8.0 Chống mất pha
R1A-R1C (INVT1) Bool I8.1 Báo lỗi biến tần
R2A-R2C (INVT1) Bool I8.2 Điều khiển phanh
R1A-R1C (INVT2) Bool I8.3 Báo lỗi biến tần
R2A-R2C (INVT2) Bool I8.4 Điều khiển phanh
Bảng 3.5 Bảng địa chỉ ngõ ra
Name Data type Địa chỉ Chức năng
R1 (LEN) Bool Q0.0 Điều khiển quá trình đi lên
Hệ thống điều khiển này gồm các tín hiệu chính như R1 (XUONG) điều khiển quá trình đi xuống, và R11 (PHAI) cùng R12 (TRAI) để điều khiển chuyển động sang phải và trái, giúp xử lý linh hoạt các chức năng của thiết bị Động cơ chạy nhanh được điều khiển bởi R3 (TANGTOC) và R13 (TANGTOC), đảm bảo hiệu suất hoạt động cao Ngoài ra, hệ thống còn có các tín hiệu như R4 (KMO) để cấp nguồn hệ thống, và các thiết bị phanh biến tần được vận hành qua R5 (KM1) và R6 (KM2), đảm bảo an toàn và kiểm soát chính xác trong quá trình vận hành.
Chương trình điều khiển hệ thống cầu trục container được viết như sau:
Network 1: Chọn chế độ hoạt động của hệ thống điều khiển theo ý muốn của người lập trình, báo nguồn cấp 3 pha sẵn sàng
Khi đủ pha BVMP đóng cuộn R4 (KMO), hệ thống được cấp nguồn 3 pha cho mạch lực để hoạt động ổn định Người dùng có thể chọn chế độ vận hành của hệ thống bằng cách nhấn nút Auto hoặc Man Nút RESET được sử dụng để reset toàn bộ mạch về trạng thái ban đầu, đảm bảo an toàn và chuẩn bị cho quá trình hoạt động tiếp theo.
Network 2: Tạo khối đếm để phân biệt các lần cầu trục đi lên gặp cảm biến vị trí tại C là: Khi đi lên gặp C thì sang phải và khi đi lên gặp C thì sang trái
Network 3: Điều khiển chuyển động đi xuống của cầu trục Ở chế độ tự động, khi biến tần được cấp đủ 3 pha tiếp điểm R1A-R1C(INVT1) đóng ở trạng thái cho phép hoạt động, nếu ấn ON và cầu trục tại vị trí C lần 1 hoặc khi sang phải gặp B hoặc khi sang trái gặp A thì R2 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ đi xuống, đến khi gặp cảm biến D thì nó sẽ dừng lại Ở chế độ bằng tay, ta dùng tay điều khiển để điều khiển bằng cách ấn nút X thì R2 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ đi xuống, nếu ấn lần thứ hai thì nó sẽ dừng lại
Network 4: Điều khiển chuyển động đi lên của cầu trục Ở chế độ tự động, như phía trên khi biến tần được cấp đủ 3 pha tiếp điểm R1A-R1C(INVT1) đóng ở trạng thái cho phép hoạt động, nếu động cơ đang đi xuống gặp cảm biến
Dừng lại và chờ 5 giây để bốc xếp hoặc dỡ hàng trước khi cầu trục tự động di chuyển lên qua tiếp điểm R1 đóng, gửi tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ Khi gặp cảm biến C, hệ thống sẽ tự dừng lại để đảm bảo an toàn Trong chế độ thủ công, người vận hành có thể điều khiển bằng tay bằng cách nhấn nút L để R1 đóng, kích hoạt biến tần điều khiển động cơ đi lên, và nhấn lần thứ hai để dừng lại, giúp kiểm soát quá trình nâng hạ một cách linh hoạt.
Network 5: Điều khiển tăng tốc chuyển động đi lên xuống của cầu trục Ở chế độ tự động, sau 5s kể từ khi bắt đầu quá trình đi lên xuống của cầu trục tiếp điểm R3 đóng lại làm biến tần thay đổi tần số cấp cho động cơ làm quá trình di chuyển nhanh lên Khi di chuyển nhanh đi xuống gặp cữ hạn chế hành trình cáp LS4 hoặc khi di chuyển nhanh đi lên gặp cữ hạn chế hành trình cáp
LS3 thì cuộn R3 mất điện làm tiếp điểm R3 mở ra động cơ quay về tốc độ ban đầu
Network 6: Điều khiển phanh nam châm P1 của cầu trục Khi biến tần INVT1 được cấp tín hiệu chạy đồng thời khi đó tiếp điểm R2A-R2C (INVT1) đóng lại làm cuộn dây công tắc tơ KM1 có điện cấp điện cho nam châm P1 làm việc nhả phanh động cơ làm quá trình di chuyển lên xuống thực hiện
Network 7: Điều khiển chuyển động sang phải của cầu trục Ở chế độ tự động, như phía trên khi biến tần được cấp đủ 3 pha tiếp điểm R1A-R1C(INVT2) đóng ở trạng thái cho phép hoạt động, nếu động cơ đang đi lên gặp cảm biến C lần 2 ở chu kì 1 hoặc gặp cảm biến C lần 1 ở chu kì 2 trở đi thì tiếp điểm R11 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ di chuyển sang phải, đến khi gặp cảm biến B thì nó sẽ dừng lại Ở chế độ bằng tay, ta dùng tay điều khiển để điều khiển bằng cách ấn nút P thì R11 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ sang phải, nếu ấn lần thứ hai thì nó sẽ dừng lại
Network 8: Điều khiển chuyển động sang trái của cầu trục Ở chế độ tự động, như phía trên khi biến tần được cấp đủ 3 pha tiếp điểm R1A-R1C(INVT2) đóng ở trạng thái cho phép hoạt động, nếu động cơ đang đi lên gặp cảm biến C lần 3 ở chu kì 1 hoặc gặp cảm biến C lần 2 ở chu kì 2 trở đi thì tiếp điểm R12 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ di chuyển sang trái, đến khi gặp cảm biến A thì nó sẽ dừng lại kết thúc một chu kì hoạt động và bắt đầu chu kì mới Ở chế độ bằng tay, ta dùng tay điều khiển để điều khiển bằng cách ấn nút
T thì R12 đóng tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ sang trái, nếu ấn lần thứ hai thì nó sẽ dừng lại
Network 9: Điều khiển tăng tốc chuyển động sang phải trái của cầu trục Ở chế độ tự động, sau 5s kể từ khi bắt đầu quá trình sang phải trái của cầu trục tiếp điểm R13 đóng lại làm biến tần thay đổi tần số cấp cho động cơ làm quá trình di chuyển nhanh lên Khi di chuyển nhanh sang phải gặp công tắc hành trình xe con LX2 hoặc khi di chuyển nhanh sang trái gặp công tắc hành trình xe con LX1 thì cuộn R13 mất điện làm tiếp điểm R13 mở ra động cơ quay về tốc độ ban đầu
Network 10: Điều khiển phanh nam châm P2 của cầu trục Khi biến tần INVT2 được cấp tín hiệu chạy đồng thời khi đó tiếp điểm R2A-R2C (INVT2) đóng lại làm cuộn dây công tắc tơ KM2 có điện cấp điện cho nam châm P2 làm việc nhả phanh động cơ làm quá trình di chuyển lên xuống thực hiện
Hình 3.21 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống trên WINCC
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết quả
Sau quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài, nhóm em đã hoàn thành và đã đạt được những mục tiêu lúc đầu đề ra:
- Thiết kế được hệ thống điều khiển cầu trục
- Rút ra được nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình làm đồ án cũng như cách giải quyết vấn đề xảy ra trong quá trình thực hiện
- Sử dụng tối đa các nguồn tài liệu tham khảo để hoàn thành tốt nhất bản đồ án
- Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của cầu trục
- Đáp ứng được một số tiêu chuẩn đề ra
Các công việc và sản phẩm của đề tài:
- Bản vẽ thiết kế mạch điện
- Chương trình điều khiển WinCC
Trong quá trình làm đồ án, nhóm em đã vận dụng kiến thức chuyên ngành từ các môn học để giải quyết các bài toán thực tế phức tạp Việc này giúp em rèn luyện kỹ năng phân tích và tiếp cận các vấn đề một cách chuyên nghiệp, đồng thời trang bị hành trang vững chắc cho sự phát triển của các dự án trong tương lai.
Bản đồ án trên chỉ thực hiện mô phỏng là chủ yếu chưa thực hiện được mô hình thực.
Hướng phát triển của đề tài
Trong quá trình thực hiện nhóm em có một số đề xuất cho đề tài được hoàn thiện hơn:
- Có thể thực hiện mô hình thực nghiệm để kiểm tra lại quá trình thực hiện đồ án trên lí thuyết
Tiếp cận các thông tin khoa học chính xác nhất hiện nay là yếu tố quan trọng giúp đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình thiết kế thi công Việc sử dụng dữ liệu tin cậy sẽ hỗ trợ đưa ra các giải pháp tối ưu, phù hợp với yêu cầu đề ra Nắm bắt và vận dụng kiến thức khoa học mới nhất giúp nâng cao chất lượng dự án và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.