Thiết kế tủ điện điều khiển cầu trục

LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG BĂNG TẢI VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU VỚI PLC S7 1200 đồ án chuyên nghành 2 trường đại học sư phạm kỹ thuật hưng yên năm học 2020 Thiết kế tủ điện điều khiển cầu trục

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 1.1 Tổng quan về PLC

1.1.1 Lịch sử hình thành

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller, viết tắt là PC, sau này khi máy tính

cá nhân PC (Personal Computer) trở nên phổ biến từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn

1.1.2 Các loại PLC thông dụng

Bảng 1.1 Các loại PLC thông dụng

Hãng Siemens

S7-200: CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224…

S7-300: CPU 313, CPU 314, CPU 315…

S7-400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416…

S7-1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…

Hãng Omron

Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1

Dòng CP1E Dòng CP1L Dòng CP1H Dòng CJ1/M

Hãng Mitsubishi

Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G… Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU

Dòng Q PLC Dòng L PLC

Hãng Delta

Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP – SV

Dòng DVP – ES

1.1.3 Ngôn ngữ lập trình

Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131-3 gồm:

- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ

- Structured Text (ST): giống Pascal

- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le

1.2 Giới thiệu về PLC S7-1200

1.2.1 Cấu trúc của PLC S7-1200

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với

nó

S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào vào/ra (DI/DO) Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7 – 1200 là Step 7 Basic Step 7 basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

1.2.2 Phân vùng bộ nhớ

PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:

- Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống

- Work memory là bộ nhớ lúc làm việc

- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây:

0

Toán hạng n: I, Q, M, L Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại

Toán hạng n: Q, M, L, D

Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại

Toán hạng n: Q, M, L, D Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ 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

Toán hạng n: 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 bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

Counter đếm lên – 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 CV >= PV Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0

c, Lệnh toán học

Bảng 2.5 Tập lệnh toán học

Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1= IN2, IN1>= IN2, IN1<= IN2, IN1< IN2, IN1> IN2, IN1<>IN2

So sánh 2 kiểu dữ liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa mãn thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE ( tác động mức cao) và ngược lại

Kiểu dữ liệu so sánh là: SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real, Lreal, String, Time, DTL, Constant

Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2

Lệnh trừ SUB: OUT = IN1 - IN2

Lệnh nhân MUL: OUT = IN1 x IN2 Lệnh chia DIV: OUT = IN1 : IN2 Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant

Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal

Tham số ENO = 1 nếu không có lỗi xảy ra trong quá trình thực thi Ngược lại ENO = 0 khi có lỗi, một số lỗi xảy ra khi thực thi lệnh này:

Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu

Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau

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

mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN

Tham số:

EN: cho phép ngõ vào

IN: nguồn giá trị đến

OUT1: nơi chuyển đến

1.2.4 Thông số kỹ thuật PLC CPU 1214 ACDCRLY

Hình 1.1 Hình ảnh của PLC S7-1200, CPU 1214 ACDCRLY

Thông số : CPU 1214 AC/DC/RLY

- Mã : 6ES7214-1BG40-0XB0

- Bộ nhớ: 100 KB work memory và 4 MB Load memory

- Tích hợp I/O: 14 DI, 10 RLY và 2 AI

án, như các thiết bị PLC hay HMI TIA-Portal cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc phát triển chương trình điều

khiển đối với ứng dụng và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết

bị HMI trong đề án của người dùng Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết, TIA-Portal cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến

Các bước tạo một project:

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

Hình 1.2 Biểu tượng phần mềm TIA PORTAL V15

- Bước 2: Click chuột vào “Create new project” để tạo dự án

Hình 1.3 Giao diện của một dự án mới

- Bước 3: Nhập tên dự án vào “Project name” sau đó nhấn “Create”

Hình 1.4 Đặt tên cho dự án

- Bước 4: Chọn “configure a device”

Hình 1.5 Cấu hình cho thiết bị

- Bước 5: Chọn “add new device”

Hình 1.6 Thêm thiết bị mới

- Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”

Hình 1.7 Chọn loại CPU

- Bước 7: Project mới được hiện ra

Hình 1.8 Một project đã được tạo

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN CHO HỆ THỐNG 2.1 Tính chọn các phần tử của hệ thống

Dòng điện I là : I = Pđ/(sqrt(3)*U*cosφ) = 27750/(1,732*380*0.8) = 52,7A

Vậy chọn Aptomat tổng cho tủ điện có dòng Iđm = 60 A

Hình 2.1 Aptomat Mitshubishi MCCB 3P 60A 7,5kA

Chức năng: Dùng để kiểm soát

Bảo vệ quá tải và ngắn mạch Ứng dụng: Dùng trong mạng lưới điện dân dụng và công

nghiệp Tiêu chuẩn: IEC/EN 60947-2

2.1.2 Lựa chọn thiết bị cho từng động cơ

Iolr = 22,79 x 1,1 = 25,07 (A ) Vậy chọn relay trong khoảng 18-26 A

Hình 2.2 S-T25 30A - Contactor Mitsubishi

S-T25 30A- Contactor Mitsubishi - Khởi động từ S-T25 30A

Điện áp hoạt động: 690VAC

Điện áp thử nghiệm xung

(Uimp):

6kV

Hình 2.3 Rơ le nhiệt Mitsubishi 3 pha TH-T25 22A dải điều chỉnh 18A – 26A

Độ bền cơ học: 10 triệu lần đóng cắt

Tương thích rơ le nhiệt: TH-T25

Iolr = 12,35 x 1,1 = 13,59 (A ) Vậy chọn relay trong khoảng 12-18 A

Hình 2.4 S-T20 18A - Contactor Mitsubishi

S-T20 18A- Contactor Mitsubishi - Khởi động từ S-T20 18A

Hình 2.5 Rơ le nhiệt Mitsubishi 3 pha TH-T18 15A dải điều chỉnh 12A – 18

Điện áp hoạt động: 690VAC

Điện áp thử nghiệm xung

(Uimp):

6kV

Độ bền cơ học: 10 triệu lần đóng cắt

Tương thích rơ le nhiệt: TH-T18

2.2 Thiết kế tủ điện

2.2.1 Sơ đồ mạch điện điều khiển

Hình 2.6 Mạch in/out của PLC

Hình 2.7 Mạch điều khiển

2.2.2 Sơ đồ mạch động lực

Hình 2.8 Mạch cấp nguồn cho hệ thống

Hình 2.9 Mạch động lực cấp nguồn cho động cơ

2.2.3 Sơ đồ bố trí thiết bị

Hình 2.10 Bố trí thiết bị trên tủ

Tủ em thiết kế có kích thước 600x400x200

Bên ngoài cánh cửa là 11 nút ấn , bao gồm :ON, OFF, RESET, MODE, B1, B2, MAN IN, MAN OUT, MAN UP, MAN DOWN và 1 nút dừng khẩn cấp

Bên trong phần panel gồm 3 hàng

- Hàng trên là MCCB tổng, 1 CB cho mạch điều khiển, 1 nguồn 24V, CPU PLC S7

1200 ACDCRL

- Hàng 2 là gồm 4 relay trung gian, 4 khởi động từ

- Hàng 3 là các cầu đấu ra động cơ, cầu đấu nguồn vào

Ở phần đáy tủ phía dưới em cắt 3 lỗ có đường kính 40mm để luồn dây điện vào

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

3.1 Yêu cầu bài toán

Lập trình điều khiển hệ thống cầu trục nâng hạ hàng Động cơ kéo palang nâng hạ và kéo dầm biên di chuyển sử dụng là động cơ không đồng bộ ba pha Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:

- Ấn nút ON cho phép hệ thống hoạt động, ấn nút OFF thì hệ thống dừng; công tắc MODE để chọn chế độ

- Hệ thống hoạt động ở 2 chế độ:

(1) Chế độ bằng tay (MODE = 0): Có thể vận hành độc lập động cơ palang nâng hạ

và cơ cấu di chuyển dầm biên

(2) Chế độ tự động (MODE =1):

➢ Cầu trục di chuyển đi ra: Cầu trục đang ở vị trí trong (cảm biến S1 tác động) và palang nâng hạ đang ở vị trí trên (cảm biến S3 tác động) Ấn nút B1 thì động cơ M1 điều khiển cơ cấu dầm biên di chuyển chạy thuận và cầu trục đi ra Khi cầu trục di chuyển tới vị trí ngoài (cảm biến S2 tác động) thì động cơ M1 dừng và động cơ nâng hạ M2 quay thuận điều khiển palang hạ xuống Palang hạ tới vị trí dưới (cảm biến S4 tác động) thì động cơ M2 dừng

➢ Cầu trục di chuyển đi về: Cầu trục đang ở vị trí ngoài và palang nâng hạ đang ở

vị trí dưới Ấn nút B2 thì động cơ M2 quay ngược và palang nâng hạ tời lên Khi palang kéo tới vị trí trên thì động cơ M2 dừng và động cơ M1 chạy ngược điều khiển cầu trục di chuyển đi vào Khi cầu trục di chuyển tới vị trí trong thì động cơ M1 dừng

➢ Lưu ý: Chế độ tự động chỉ hoạt động khi cầu trục ở vị trí bên trong (cảm biến S1

và S3 tác động) hoặc vị trí bên ngoài (cảm biến S2 và S4 tác động) Khi chuyển từ chế độ bằng tay sang chế độ tự động, nếu cầu trục không ở một trong hai vị trí đó thì ấn nút RESET để cầu trục di chuyển về vị trí bên trong

- Hệ thống chỉ làm việc trong khoảng thời gian từ 7h đến 22h hàng ngày và nghỉ ngày chủ nhật

3.2 Bảng tín hiệu vào ra

Hình 3.1 Các biến biến đầu vào PLC

Hình 3.2 Các biến đầu ra PLC

Hình 3.3 Các biến trung gian

3.3 Lưu đồ thuật toán

3.3.1 Chương trình chính Main OB1

C

RD_SYS_T

FC1 Manual_Mode

FC2 Autol_Mode

End

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển chính Main OB1

3.3.2 Chương trình điều khiển Manual_Mode FC1

Manual IN

Manual OUT

Chạy động cơ M1 chiều vào

Bật động cơ M1 chiều ra

Tắt động cơ M1 chiều vào

Tắt động cơ M1 chiều ra

Manual UP

Bật động cơ M2 chiều lên

Tắt động cơ M2 chiều lên

Đ S

Đ S

Đ S

Manual DOWN

Bật động cơ M2 chiều xuống

Tắt động cơ M2 chiều xuống

Đ S S

Start

End

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển Manual_Mode FC1

S1<>1 & S3<>1

S1==0 & S3==1

S S

Reset

Bật động cơ M1 vào Động cơ M2 lên

Bật động cơ M1 vào Động cơ M2 lên

S1==0 & S3==1

B2

Bật động cơ M1 ra Động cơ M2 xuống

S2==0 & S4==1

Dừng động cơ M1, M2

3.4 Chương trình điều khiển

3.4.1 Chương trình Main OB1

3.4.2 Chương trình Manual_Mode FC1

3.4.3 Chương trình Manual_Mode FC2