BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2017 GVHD LÊ TẤN CƯỜNG SVTH NGUYỄN ANH DŨNG THIẾT KẾ HỆ TH[.]
TỔNG QUAN VỀ CÁP DỰ ỨNG LỰC VÀ MÁY CẮT CÁP DỰ ỨNG LỰC
Giới thiệu về cáp dự ứng lực
Cáp dự ứng lực là loại cáp thép chuyên dụng trong xây dựng, nổi bật với chất lượng tốt và độ bền cao Loại cáp này ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết so với các loại cáp thép thông thường.
Hình 2.1 Cáp dự ứng lực
Cáp dự ứng lực có khả năng chịu tải cao, kết hợp với sức chịu nén của bê tông, tạo ra biến dạng ngược trong kết cấu khi chịu tải Điều này cho phép các kết cấu này chịu được tải trọng lớn hơn và vượt qua những nhịp lớn hơn so với bê tông thông thường Việc thi công sàn nhà bằng cáp dự ứng lực giúp giảm chiều cao tầng so với thi công bê tông cốt thép.
Giảm chiều cao tầng xuống 3,1m thay vì 3,3 - 3,5m sẽ giúp tiết kiệm chi phí bê tông cốt thép cho cột vách, tường xây và hoàn thiện Điều này cũng làm giảm chi phí móng do tải trọng nhẹ hơn, đồng thời giảm lực gió và động đất Kết quả là tạo ra sàn phẳng kiến trúc đẹp, phân chia không gian linh hoạt và tiết kiệm chi phí điều hòa không khí.
Công nghệ thi công cáp dự ứng lực là một phương pháp hiện đại trong xây dựng, giúp rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các công trình cao tầng và cầu với nhịp và khẩu độ lớn.
Công nghệ thiết kế dự ứng lực giúp giảm đáng kể lượng thép thông thường bằng cách sử dụng thép cường độ cao, cho phép áp dụng sàn phẳng thay vì kết cấu sàn nhiều dầm Nhờ đó, thời gian thi công nhanh hơn so với kết cấu sàn bê tông cốt thép truyền thống.
Hình 2.2 Thi công sàn bằng cáp dự ứng lực
Ưu điểm của cáp dự ứng lực
Tiết kiệm chi phí về số lượng thanh gia cố, lớp bọc bảo vệ, nêm và lao động cho toàn bộ dự án
Giảm khối lượng bê tông nhờ giảm kích thước của phần tử kết cấu công trình
Trong quá trình sản xuất cáp dự ứng lực, sự kéo căng nóng tạo ra dây cáp gần như thẳng, giúp loại bỏ nhu cầu gia công kéo thẳng sau đó.
Đặc tính của sầm, dàn sử dụng cáp dự ứng lực
Khả năng chịu lực cao
Khả năng vượt nhịp lớn
Kết cấu sầm, dàn nhẹ hơn cáp thép thông thường
Đặt tính lí học nhất quán
Đặt tính cuộn xoắn của cáp nâng cao giới hạn đàn hồi
Chịu nhiệt độ cao tốt
Cáp dự ứng lực được sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM A416-2006 của
Các yêu cầu cần thiết kế máy cắt cáp dự ứng lực theo đề nghị của công ty
Công ty Nam Công chuyên thi công xây dựng với cáp ứng lực, vì vậy máy cắt cáp dự ứng lực mà công ty đặt hàng cần đáp ứng một số yêu cầu cụ thể.
Máy cho phép nhập chiều dài và máy cắt đúng chiều dài cáp đã nhập
Máy cho phép nhập số lượng và máy cắt đúng số lượng cáp đã nhập
Máy chạy được ở chế độ điều khiển bằng tay hoặc chế độ tự động
Sản phẩm được thiết kế với tính năng an toàn cao, bao gồm còi báo động khi cáp đang chạy ra ngoài, giúp người sử dụng nhận biết kịp thời Ngoài ra, máy còn có chốt an toàn tự động tắt khi bị di chuyển trong quá trình hoạt động, đảm bảo an toàn tối đa cho người dùng.
Kết cấu của máy cắt cáp dự ứng lực
2.2.1 Thiết kế sơ bộ của máy cắt cáp
Từ yêu cầu thiết kế máy cắt cáp dự ứng lực được thiết kế gồm 3 phần chính:
Cơ cấu kéo cáp được thiết kế để kéo hầu hết các loại cáp trên thị trường từ cuộn dây đến bộ phận cắt cáp Bộ phận cắt cáp chỉ hoạt động khi cảm biến phát hiện có cáp và cảm biến động cơ cắt ở vị trí “Home” có tín hiệu Động cơ kéo cáp sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha với công suất 1,5 kW, được điều khiển thông qua biến tần.
Cơ cấu cắt cáp là thiết bị quan trọng dùng để cắt cáp khi đạt chiều dài mong muốn Nó hoạt động nhờ vào động cơ máy cắt chuyên dụng, được khởi động thông qua khởi động từ, đảm bảo hiệu suất cắt chính xác và nhanh chóng.
Cơ cấu đẩy máy cắt có chức năng hạ động cơ cắt trong quá trình cắt và nâng động cơ cắt khi quá trình này hoàn tất, nhờ vào tín hiệu từ cảm biến "Limit".
Cơ cấu đẩy máy cắt sử dụng động cơ DC 24V được điều bằng mạch cầu H
2.2.3 Sơ đồ nguyên lý của máy cắt cáp dự ứng lực
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của máy cắt
(1) Cuộn cáp (8) Gối tỳ của lò xo
(2) Sợi cáp (9) Bánh cao su gắn với cảm biến đo tốc độ
(3) Ống dẫn định hướng (10) Cơ cấu kẹp dây cáp
(4) Puly truyền động (11) Dao cắt cáp bằng đá
(5) Puly bị truyền động (12) Gối đỡ dây cáp
(6) Gối đỡ (13) Cảm biến nhận dạng sợi cáp
(7) Lò xo chịu lực (14) Động cơ điện
Lưu đồ máy cắt cáp
Hình 2.5 Lưu đồ máy cắt cáp
2.2.3 Nguyên lý làm việc của máy cắt cáp dự úng lực Động cơ điện (14) quay truyền động cho puly truyền động (4) quay theo Sợi cáp từ cuộn cáp (1) được dẫn qua puly và ống dẫn động (3) được kéo căng và uốn thẳng Khi đã đủ chiều dài mong muốn, cáp sẽ được cắt bằng dao cắt (11)
Mạch vi điều khiển Induino Mega 2560
Indruino Mega 2560 là một giải pháp thay thế cho board Arduino Mega 2560, được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng công nghiệp Board này nổi bật với tính ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt và tích hợp chuẩn RS232, giúp loại bỏ hiện tượng nhiễu trong quá trình truyền và nhận tín hiệu.
Indruino tích hợp phần cứng và phần mềm Arduino vào lĩnh vực công nghiệp, cho phép điều khiển các máy móc phức tạp với chi phí bộ điều khiển tối ưu nhất Điều này giúp tận dụng hiệu quả các thư viện và shield, vốn là ưu điểm nổi bật của Arduino.
Indruino có thể ứng dụng trong các lĩnh vực: tự động hóa, robot, ngôi nhà thông minh, nông nghiệp công nghệ cao,…
Indruino Mega2560 có các thông số như board mạch Arduino Mega2560 truyền thống như:
Điện áp đầu về( được đề nghị): 7-12 V
Điện áp đầu về( giới hạn): 6-20 V
Số lượng chân I/O : 54 (trong đó có 15 chân output với chức năng PWM)
Số lượng chân Input Analog : 16
Dòng điện DC mỗi I / O: 20 mA
Dòng điện DC với chân 3.3V : 50mA
Bộ nhớ flash: 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động
Tốc độ đồng hồ: 16 MHz
Ngoài các tính năng giống mạch Arduino Mega2560, Indruino có thêm các tính năng đặc biệt sau:
Thay thế chip nạp ở Board củ (Mega 16U2) thành Chip FT232RL của FTDI để chống nhiểu trong môi trường công nghiệp, đảm bảo sự kết nối truyền ổn định.
Sử dụng OPTO để cách ly hoàn toàn giữa phần USB và phần vi điều khiển
Bỏ con ổn áp nguồn LM1117-5V, thay bằng con DC-DC B0505S-1W (DIP 4 pins)
Induino có thiết kế bo mạch nhỏ gọn và nhiều tính năng hữu ích, nhưng sức mạnh thật sự của nó nằm ở phần mềm Môi trường lập trình đơn giản cùng ngôn ngữ Wiring dễ hiểu, dựa trên nền tảng C/C++, giúp người dùng kỹ thuật dễ dàng tiếp cận Đặc biệt, số lượng thư viện code phong phú từ cộng đồng nguồn mở mang lại nhiều lựa chọn cho người lập trình Ngôn ngữ này cũng cho phép mở rộng thông qua các thư viện C++, và người dùng có thể tích hợp code viết bằng AVRC vào chương trình nhờ vào nền tảng ngôn ngữ C của AVR.
19 Hình 2.7 Môi trường lập trình trên nển tảng C/C++
Mã nguồn mở là phần mềm được cung cấp dưới dạng mã và nguồn, không chỉ miễn phí về giá mà còn miễn phí về bản quyền Người dùng có quyền sửa đổi, cải tiến và phát triển phần mềm theo các nguyên tắc trong giấy phép, như General Public Licence (GPL), mà không cần xin phép Điều này trái ngược với phần mềm nguồn đóng, tức phần mềm thương mại, nơi người dùng không có quyền tự do như vậy.
Arduino cung cấp một thư viện mở phong phú, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và sử dụng Ngoài các thư viện có sẵn trên nền tảng Arduino, người dùng còn có thể truy cập vào www.github.com và nhiều trang web khác để tìm kiếm và tải về những thư viện miễn phí.
Hình 2.8 Thư viện có sẵn trên Arduino
Nguyên lý đo chiều dài cáp
Để đo chiều dài cáp dự ứng lực trong máy cắt cáp ta có một số phương pháp, tuy nhiên sử dụng encoder là phương pháp hiệu quả nhất
Hình 2.9 encoder Cấu tạo encoder gồm có:
Đĩa quay được xẻ/rãnh gắn vào trục
Một nguồn sáng và một tế bào quang điện được bố trí thẳng hàng
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý encoder
Encoder được gắn vào trục quay, sau đó đưa tín hiệu về bộ điều khiển, ta có thể tính được chiều dài cáp theo công thức:
L: chiều dài dây cáp n: số vòng của encoder
CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ THIẾT KẾ
Phần mềm mô phỏng mạch điện tử Protues
Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử do Lancenter Electronics phát triển, cho phép thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho các vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR và Motorola Phần mềm này hỗ trợ hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, mang lại khả năng mô phỏng chính xác cho các dự án điện tử.
Phần mềm bao gồm hai chương trình chính: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng hiệu quả cho các loại Vi Điều Khiển, hỗ trợ nhiều dòng như PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000, cùng với các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethernet Ngoài ra, phần mềm còn có khả năng mô phỏng các mạch số và mạch tương tự một cách hiệu quả.
Những khả năng khác của ISIS là:
Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao đường mạch.
Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng
Xuất file thống kê linh kiện cho mạch
Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thông dụng.
Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)
Khả năng tự động đánh số linh kiện.
ARES (Advanced Routing and Editing Software) là phần mềm vẽ mạch in PCB Nó vẽ mạch dựa vào file nestlist cùng các công cụ tự động khác.
Đặc điểm chính của ARES
ARES hỗ trợ mạch in 16 lớp.
Làm việc thông qua các menu ngữ cảnh tiện lợi
File netlist từ phần mềm vẽ mạch nguyên lý ISIS.
Tự động cập nhật ngược chỉ số linh kiện, sự đổi chân, đổi cổng ở mạch in sang mạch nguyên lý.
Công cụ kiểm tra lỗi thiết kế.
Thư viện đầy đủ từ lỗ khoan mạch đến linh kiện dán.
Hình 3.1 Giao diện chính của chương trình ISIS
CADe-SIMU Phần mềm vẽ và mô phỏng mạch điện công nghiệp
CADe-SIMU là phần mềm thiết kế mạch điện nhanh chóng và dễ dàng mô phỏng theo sơ đồ nguyên lý Phần mềm hỗ trợ đầy đủ các ký hiệu thiết bị điện công nghiệp, bao gồm nguồn cấp một chiều và xoay chiều (một pha và ba pha), thiết bị điều khiển như contactor, aptomat, rơle, cơ cấu chấp hành như motor, cầu chỉnh lưu, đèn hiển thị, còi, cùng với các thiết bị bảo vệ như cầu chì và rơle nhiệt.
Phần mềm không sử dụng ngôn ngữ lập trình mà chỉ yêu cầu rất đơn giản về mặt đồ họa
Hình 3.2 Giao diện chính của phần mềm CADe-SIMU
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN-ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu cần thiết kế
Mạch điện-điều khiển của máy cắt cáp dự ứng lực có một số yêu cầu thiết kế sau:
Có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: chế độ điều khiển bằng tay hoặc chế độ tự động
Để đảm bảo an toàn, động cơ cuốn cáp và động cơ đẩy máy cắt không được phép hoạt động đồng thời Ngoài ra, máy sẽ tự động dừng hoạt động khi bị di chuyển.
4.2 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển máy cắt cáp:
Dựa vào các yêu cầu đã đặt ra ta thiết kế hệ thống điện- điều khiển cho máy cắt cáp dự ứng lực theo sơ đồ sau
27 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện-điều khiển cho máy căt cáp
Chế độ điều khiển bằng tay
Chế độ điều khiên tự động
Panel điều khiển Giao diện người dùng- màn hình HDMI
Biến tần Động cơ cuốn cáp
Mạch cầu H Động cơ đẩy máy cắt
Khởi động từ Động cơ máy cắt
4.3 Mạch điện điều-khiển ở chế độ điều khiển bằng tay
4.3.1 Yêu cầu thiết kế Ở chế độ điều khiển bằng tay, mạch điện-điều khiển của máy cắt cáp dự ứng lực có một số yêu cầu thiết kế sau:
Có các nút nhấn điều khiển động cơ cuốn cáp, động cơ thanh trượt đẩy máy cắt và động cơ máy cắt
Động cơ cuốn cáp và động cơ đẩy máy cắt không được hoạt động cùng lúc
4.3.2 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tay
Dựa trên các yêu cầu cho chế độ điều khiển bằng tay, chúng tôi đã thiết kế hệ thống điện-điều khiển cho máy cắt cáp dự ứng lực Hệ thống này được xây dựng theo sơ đồ đã được xác định để đảm bảo hiệu quả và tính chính xác trong quá trình vận hành.
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển ở chế độ điều khiển bằng tay
4.3.3 Điều khiển motor cuốn cáp
Dựa trên yêu cầu thiết kế và tính toán động lực, chúng tôi đã chọn động cơ cuốn cáp là động cơ không đồng bộ ba pha với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Chế độ điều khiển bằng tay
Biến tần Động cơ cuốn cáp
Mạch cầu H Động cơ đẩy máy cắt
Khởi động từ Động cơ máy cắt
Điện thế sử dụng:380VAC
4.3.3.2 Điều khiển AC Motor 3 pha dùng biến tần ABB ACS 150
Giới thiệu về biến tần ABB ACS 150
Cấp độ bảo vệ: IP20/Optional NEMA 1 enclosure
Dải tần số điều chỉnh: 0 – 500 Hz
đầu vào số ( DI ), 1 đầu vào analog ( AI ), 1 đầu vào xung, 1 đầu ra relay ( RO )
Công cụ hỗ trợ lập trình FlashDrop
Tích hợp biến trở để điều chỉnh tốc độ, màn hình điều, bộ lọc EMC, bộ điều khiển thắng, bộ điều khiển quá trình PID
Ứng dụng: dùng để điều khiển quạt, bơm, cửa tự động, băng tải, xử lý vật liệu, máy đóng gói…
Hình 4.3 Biến tần ABB ACS 150 Chú thích
(2) RESET/EXIT: thoát khỏi menu mức cao hơn kế tiếp mà không lưu thay đổi giá trị Những lỗi khởi động lại trong đầu ra và những kiểu lỗi
(3) MENU/ENTER: nhập sâu hơn vào menu Ở chế độ thông số, lưu giá trị hiển thị như các thiết lập mới
Cuộn lên thông qua một trình đơn hoặc danh sách
Làm tăng giá trị nếu một tham số được chọn Giữ phím len thay đổi giá trị nhanh hơn
Cuộn xuống thông qua một trình đơn hoặc danh sách
Làm giảm giá trị nếu một tham số được chọn Giữ phím xuống thay đổi giá trị nhanh hơn
(6) LOC/REM – Thay đổi giữa kiểm soát cục bộ và kiểm soát từ xa của biến tần
(7) DIR: thay đổi hướng của động cơ quay
(8) STOP: dừng truyền động trong kiểm soát cục bộ
(9) START: khởi động truyền động trong kiểm soát cục bộ
(10) Potentiometer( biến trở)(nút vặn) : thay đổi các tham chiếu tần số
Sơ đồ kết nối biến tần với động cơ và mạch điều khiển
33 Hình 4.2 Kết nối biến tần ABB ACS 150 với nguồn điện và động cơ
Hình 4.4 Kết nối biến tần ABB ACS 150 với mạch điều khiển
4.3.4 Điều khiển motor di chuyển máy cắt
Dựa vào yêu cầu thiết kế và tính toán động lực ta dùng thanh trượt hành trình 40cm để di chuyển động cơ máy cắt
Hình 4.6 Bản vẽ thanh trượt
Vật liệu: nhôm, chống nước
Công tắc cận trên và cận dưới chống kẹt cơ khí,chống cháy động cơ
Tốc độ nâng 35mm/giây
4.3.4.2 Mạch cầu H-Bridge Để điều khiển thanh trượt di chuyển động cơ máy cắt ta dùng Board cầu H HI216
Board cầu H HI216 được trang bị IC kích Fet chuyên dụng, giúp Fet luôn dẫn tốt nhất và hạn chế hiện tượng trùng dẫn Điều này đảm bảo công suất và hiệu năng tối ưu, giảm thiểu hư hỏng cho Fet Module này lý tưởng cho việc điều khiển tốc độ động cơ công suất lớn, cũng như điều khiển vị trí và vận tốc của DC Motor, với khả năng lựa chọn mức kích âm hoặc dương để dễ dàng điều khiển.
Thông số kĩ thuật board H-BRIDE HI216
Dòng liên tục 15A,dòng đỉnh 20A công suất 600W,Tại 25oC
Điện áp công suất từ 12V đến 48V
Có cầu chì bảo vệ ngắn mạch
Có Led báo nguồn (POW), tín hiệu xung đưa vào (PWM) và và tín hiệu đảo chiều (DIR)
Board được thiết kế nhỏ gọn với kích thước 52x64x22mm
Tần số hoạt động lên tới 100 Khz, sử dụng Opto HCPL-0631 cho tần số hoạt động cao
Sử dụng board H-BRIDE HI216 điều khiển chiều và tốc độ động cơ
Bảng mạch được thiết kế với các ký hiệu rõ ràng để dễ dàng kết nối dây, bao gồm các chân bên trái với đầu vào (Input) D- và D+ cho việc điều khiển chiều động cơ, cùng với P và P+ cho tín hiệu xung với điện áp kích từ 3V3 đến 5V Bên phải, các chân VCC và GND cung cấp nguồn cho động cơ với điện áp từ 12V đến 48V, trong khi M1 và M2 là các ngõ ra cho động cơ.
Hình 4.8 Sơ đồ kết nối board H-BRIDE HI216
4.3.5 Điều khiển động cơ máy cắt
4.3.5.1 Máy cắt Maktec: Để cắt cáp dự ứng lực, ta dùng máy cắt Maktec loại chuyên dùng để cắt cáp dự ứng lực Máy cắt có các thông số kỹ thuật sau
Đường kính lưỡi cắt: 355mm
4.3.5.2 Điều khiển AC Motor 1 pha dùng khởi động từ
Ta dùng khởi động từ Contactors S-T20 để điều khiển động cơ máy cắt cáp
Contactors S-T20 có một số đặc điểm sau
Điện áp cuộn từ ( coil ) 220V AC - 50Hz Dòng tải ( max ) : 32A / 380V
Khởi động từ có 3 tiếp điểm chính NO và 2 tiếp điểm phụ
Thân vỏ cách điện bằng nhựa đúc phenolic cao cấp cách điện ( 690V ) và có thể điều chỉnh bảo vệ quá dòng theo ý muốn
Contactor có bảo vệ quá dòng là sự kết hợp an toàn điện gồm khởi động từ + relay nhiệt bảo vệ quá tải
Đạt các tiêu chuần an toàn điện quốc tế : JIS, JEM, IEC, VDE, BS và RoHS
Sơ đồ kết nối khởi động từ S-T20 với động cơ AC và mạch điều khiển
Hình 4.10 Sơ đồ kết nối khởi động từ S-T20 với động cơ AC và mạch điều khiển
4.4 Hệ thống điện-điều khiển ở chế độ điều khiển tự động
4.4.1 Yêu cầu cần thiết kế Ở chế độ điều khiển tự động, mạch điện-điều khiển của máy cắt cáp dự ứng lực có một số yêu cầu thiết kế sau:
Điều khiển qua màn hình cảm ứng HDMI
Giao diện tiếng Việt dễ sử dụng
Có chế độ lựa chọn loại cáp, số lượng cáp cần cắt, chiều dài cáp cần cắt
4.4.2 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tự động
Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tự động
Chế độ điều khiên tự động
Giao diện người dùng- màn hình HDMI
Biến tần Động cơ cuốn cáp
Mạch cầu H Động cơ đẩy máy cắt
Khởi động từ Động cơ máy cắt
4.4.3 Bộ điều khiển trung tâm
4.4.3.1 Yêu cầu cần thiết kế
Dựa trên yêu cầu của hệ thống điện trong chế độ điều khiển tự động, chúng ta lựa chọn bộ điều khiển trung tâm cho máy cắt cáp dự ứng lực với các yêu cầu thiết kế cụ thể.
Làm việc trong môi trường công nghiệp
Đáp ứng đủ số lượng I/O cần thiết
Dựa vào các yêu cầu trên ta chọn bộ điều khiển dùng Indruino Mega 2560 với các modul nguồn, input và output phù hợp
4.4.3.2 Indruino DC/DC 24V In - 5V Out
Hình 4.12 Indruino DC/DC 24V In - 5V Out
Nguồn ra: 5V DC, 1600mA, cách ly 1500V
Có đèn báo nguồn và cầu chì bảo vệ
Có header và connector để lấy nguồn 5V
Có Socket chia sẻ nguồn 24V/5V theo tiêu chuẩn của Indruino
Giao tiếp: Full USB 2.0, FT232 chip driver, Isolation UART
Digital I/Os: 54 (trong đó có 15 PWM outputs)
Dòng DC trên mỗi I/O Pin: 20 mA
Dòng DC trên 3.3V Pin: 50 mA
Bộ nhớ Flash: 256 KB trong đó 8 KB dùng cho bootloader
4.4.3.4 8-Channel 3A Relay Output Isolated Module
Hình 4.14 8-Channel 3A Relay Output Isolated Module
Nguồn cấp 5V, 24V có cầu chì bảo vệ
Có Switch chọn tín hiệu giao tiếp là 24V hay 5V
Relay với dòng tải 3A, tiếp điểm thường hở
Lớp cách ly giữa vào và ra 2500V
Có đèn báo trạng thái tín hiệu khi Relay ON
Có Socket chia sẻ nguồn vào/ra với các thiết bị khác theo tiêu chuẩn của Indruino
Tiện lợi hơn khi kết nối với các sản phẩm khác của Indruino
4.4.3.5 8-Channel Digital 24V/5V Input Isolated Module
Hình 4.15 8-Channel Digital 24V/5V Input Isolated Module
Có Switch chọn tín hiệu giao tiếp là 24V hay 5V
Có thể chọn tín hiệu kích là mức cao hay mức thấp thông qua chân SS Lớp cách ly giữa vào và ra 2500V
Có đèn báo trạng thái tín hiệu
Có đèn báo nguồn 5V và cầu chì bảo vệ
Có Socket chia sẽ nguồn vào/ra với các thiết bị khác theo tiêu chuẩn của Indruino
4.4.3.6 Thi công và hoàn chỉnh bộ điều khiển
Sau khi lựa chọn bộ điều khiển trung tâm với các modul thành phần ta tiến hành kết nối theo hướng dẫn của nhà sản xuất
Hình 4.16 Bộ điều khiển Indruino
4.4.5 Chương trình cho bộ điều khiển máy cắt cáp
Nút nhấn chế độ auto-manual
Cảm biến khóa an toàn
Cảm biến vị trí Home (của thanh trượt)
Cảm biến vị trí Limit (của thanh trượt)
Còi và đèn báo máy đang hoạt động
Chế độ cuốn cáp chiều thuận của động cơ cuốn cáp
Chế độ cuốn cáp chiều nghịch của động cơ cuốn cáp
4.4.6 Thi công tủ điện điều khiển
Bảng điện điều khiển được thiết kế dựa trên các yêu cầu điều khiển, với giao diện tiếng Việt thân thiện và dễ sử dụng, bao gồm các thành phần và nút nhấn cần thiết.
Tổng hợp yêu cầu thiết kế và sơ đồ hệ thống điện điều khiển cho cả chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động là bước quan trọng trong quá trình lắp ráp tủ điện điều khiển.
Hình 4.18 Tủ điện sau khi thi công
Mạch điện điều-khiển ở chế độ điều khiển bằng tay
4.3.1 Yêu cầu thiết kế Ở chế độ điều khiển bằng tay, mạch điện-điều khiển của máy cắt cáp dự ứng lực có một số yêu cầu thiết kế sau:
Có các nút nhấn điều khiển động cơ cuốn cáp, động cơ thanh trượt đẩy máy cắt và động cơ máy cắt
Động cơ cuốn cáp và động cơ đẩy máy cắt không được hoạt động cùng lúc
4.3.2 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tay
Dựa trên các yêu cầu đã xác định cho chế độ điều khiển bằng tay, chúng tôi đã thiết kế hệ thống điện và điều khiển cho máy cắt cáp dự ứng lực Hệ thống này được xây dựng theo sơ đồ đã được phác thảo, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển ở chế độ điều khiển bằng tay
4.3.3 Điều khiển motor cuốn cáp
Dựa trên yêu cầu thiết kế và tính toán động lực, chúng tôi đã chọn động cơ cuốn cáp là động cơ không đồng bộ ba pha với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Chế độ điều khiển bằng tay
Biến tần Động cơ cuốn cáp
Mạch cầu H Động cơ đẩy máy cắt
Khởi động từ Động cơ máy cắt
Điện thế sử dụng:380VAC
4.3.3.2 Điều khiển AC Motor 3 pha dùng biến tần ABB ACS 150
Giới thiệu về biến tần ABB ACS 150
Cấp độ bảo vệ: IP20/Optional NEMA 1 enclosure
Dải tần số điều chỉnh: 0 – 500 Hz
đầu vào số ( DI ), 1 đầu vào analog ( AI ), 1 đầu vào xung, 1 đầu ra relay ( RO )
Công cụ hỗ trợ lập trình FlashDrop
Tích hợp biến trở để điều chỉnh tốc độ, màn hình điều, bộ lọc EMC, bộ điều khiển thắng, bộ điều khiển quá trình PID
Ứng dụng: dùng để điều khiển quạt, bơm, cửa tự động, băng tải, xử lý vật liệu, máy đóng gói…
Hình 4.3 Biến tần ABB ACS 150 Chú thích
(2) RESET/EXIT: thoát khỏi menu mức cao hơn kế tiếp mà không lưu thay đổi giá trị Những lỗi khởi động lại trong đầu ra và những kiểu lỗi
(3) MENU/ENTER: nhập sâu hơn vào menu Ở chế độ thông số, lưu giá trị hiển thị như các thiết lập mới
Cuộn lên thông qua một trình đơn hoặc danh sách
Làm tăng giá trị nếu một tham số được chọn Giữ phím len thay đổi giá trị nhanh hơn
Cuộn xuống thông qua một trình đơn hoặc danh sách
Làm giảm giá trị nếu một tham số được chọn Giữ phím xuống thay đổi giá trị nhanh hơn
(6) LOC/REM – Thay đổi giữa kiểm soát cục bộ và kiểm soát từ xa của biến tần
(7) DIR: thay đổi hướng của động cơ quay
(8) STOP: dừng truyền động trong kiểm soát cục bộ
(9) START: khởi động truyền động trong kiểm soát cục bộ
(10) Potentiometer( biến trở)(nút vặn) : thay đổi các tham chiếu tần số
Sơ đồ kết nối biến tần với động cơ và mạch điều khiển
33 Hình 4.2 Kết nối biến tần ABB ACS 150 với nguồn điện và động cơ
Hình 4.4 Kết nối biến tần ABB ACS 150 với mạch điều khiển
4.3.4 Điều khiển motor di chuyển máy cắt
Dựa vào yêu cầu thiết kế và tính toán động lực ta dùng thanh trượt hành trình 40cm để di chuyển động cơ máy cắt
Hình 4.6 Bản vẽ thanh trượt
Vật liệu: nhôm, chống nước
Công tắc cận trên và cận dưới chống kẹt cơ khí,chống cháy động cơ
Tốc độ nâng 35mm/giây
4.3.4.2 Mạch cầu H-Bridge Để điều khiển thanh trượt di chuyển động cơ máy cắt ta dùng Board cầu H HI216
Board cầu H HI216 sử dụng IC kích Fet chuyên dụng, đảm bảo Fet luôn dẫn tốt, tránh hiện tượng trùng dẫn Điều này giúp nâng cao công suất và hiệu năng của board, giảm thiểu hư hỏng cho Fet Module này lý tưởng cho việc điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ công suất lớn, với khả năng lựa chọn mức kích âm hoặc dương để thuận tiện trong việc điều khiển.
Thông số kĩ thuật board H-BRIDE HI216
Dòng liên tục 15A,dòng đỉnh 20A công suất 600W,Tại 25oC
Điện áp công suất từ 12V đến 48V
Có cầu chì bảo vệ ngắn mạch
Có Led báo nguồn (POW), tín hiệu xung đưa vào (PWM) và và tín hiệu đảo chiều (DIR)
Board được thiết kế nhỏ gọn với kích thước 52x64x22mm
Tần số hoạt động lên tới 100 Khz, sử dụng Opto HCPL-0631 cho tần số hoạt động cao
Sử dụng board H-BRIDE HI216 điều khiển chiều và tốc độ động cơ
Trên board, các ký hiệu được ghi rõ ràng để thuận tiện cho việc nối dây, bao gồm các chân bên trái với đầu vào D- và D+ (chân đảo chiều động cơ) cùng với P- và P+ (chân tín hiệu xung) với điện áp kích từ 3V3 đến 5V Bên phải, các chân VCC và GND cung cấp nguồn cho motor với điện áp từ 12V đến 48V, trong khi M1 và M2 là ngõ ra cho motor.
Hình 4.8 Sơ đồ kết nối board H-BRIDE HI216
4.3.5 Điều khiển động cơ máy cắt
4.3.5.1 Máy cắt Maktec: Để cắt cáp dự ứng lực, ta dùng máy cắt Maktec loại chuyên dùng để cắt cáp dự ứng lực Máy cắt có các thông số kỹ thuật sau
Đường kính lưỡi cắt: 355mm
4.3.5.2 Điều khiển AC Motor 1 pha dùng khởi động từ
Ta dùng khởi động từ Contactors S-T20 để điều khiển động cơ máy cắt cáp
Contactors S-T20 có một số đặc điểm sau
Điện áp cuộn từ ( coil ) 220V AC - 50Hz Dòng tải ( max ) : 32A / 380V
Khởi động từ có 3 tiếp điểm chính NO và 2 tiếp điểm phụ
Thân vỏ cách điện bằng nhựa đúc phenolic cao cấp cách điện ( 690V ) và có thể điều chỉnh bảo vệ quá dòng theo ý muốn
Contactor có bảo vệ quá dòng là sự kết hợp an toàn điện gồm khởi động từ + relay nhiệt bảo vệ quá tải
Đạt các tiêu chuần an toàn điện quốc tế : JIS, JEM, IEC, VDE, BS và RoHS
Sơ đồ kết nối khởi động từ S-T20 với động cơ AC và mạch điều khiển
Hình 4.10 Sơ đồ kết nối khởi động từ S-T20 với động cơ AC và mạch điều khiển
Hệ thống điện-điều khiển ở chế độ điều khiển tự động
4.4.1 Yêu cầu cần thiết kế Ở chế độ điều khiển tự động, mạch điện-điều khiển của máy cắt cáp dự ứng lực có một số yêu cầu thiết kế sau:
Điều khiển qua màn hình cảm ứng HDMI
Giao diện tiếng Việt dễ sử dụng
Có chế độ lựa chọn loại cáp, số lượng cáp cần cắt, chiều dài cáp cần cắt
4.4.2 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tự động
Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống điện –điều khiển chế độ tự động
Chế độ điều khiên tự động
Giao diện người dùng- màn hình HDMI
Biến tần Động cơ cuốn cáp
Mạch cầu H Động cơ đẩy máy cắt
Khởi động từ Động cơ máy cắt
4.4.3 Bộ điều khiển trung tâm
4.4.3.1 Yêu cầu cần thiết kế
Dựa trên yêu cầu của hệ thống điện điều khiển trong chế độ tự động, chúng ta lựa chọn bộ điều khiển trung tâm cho máy cắt cáp dự ứng lực với các yêu cầu thiết kế cụ thể.
Làm việc trong môi trường công nghiệp
Đáp ứng đủ số lượng I/O cần thiết
Dựa vào các yêu cầu trên ta chọn bộ điều khiển dùng Indruino Mega 2560 với các modul nguồn, input và output phù hợp
4.4.3.2 Indruino DC/DC 24V In - 5V Out
Hình 4.12 Indruino DC/DC 24V In - 5V Out
Nguồn ra: 5V DC, 1600mA, cách ly 1500V
Có đèn báo nguồn và cầu chì bảo vệ
Có header và connector để lấy nguồn 5V
Có Socket chia sẻ nguồn 24V/5V theo tiêu chuẩn của Indruino
Giao tiếp: Full USB 2.0, FT232 chip driver, Isolation UART
Digital I/Os: 54 (trong đó có 15 PWM outputs)
Dòng DC trên mỗi I/O Pin: 20 mA
Dòng DC trên 3.3V Pin: 50 mA
Bộ nhớ Flash: 256 KB trong đó 8 KB dùng cho bootloader
4.4.3.4 8-Channel 3A Relay Output Isolated Module
Hình 4.14 8-Channel 3A Relay Output Isolated Module
Nguồn cấp 5V, 24V có cầu chì bảo vệ
Có Switch chọn tín hiệu giao tiếp là 24V hay 5V
Relay với dòng tải 3A, tiếp điểm thường hở
Lớp cách ly giữa vào và ra 2500V
Có đèn báo trạng thái tín hiệu khi Relay ON
Có Socket chia sẻ nguồn vào/ra với các thiết bị khác theo tiêu chuẩn của Indruino
Tiện lợi hơn khi kết nối với các sản phẩm khác của Indruino
4.4.3.5 8-Channel Digital 24V/5V Input Isolated Module
Hình 4.15 8-Channel Digital 24V/5V Input Isolated Module
Có Switch chọn tín hiệu giao tiếp là 24V hay 5V
Có thể chọn tín hiệu kích là mức cao hay mức thấp thông qua chân SS Lớp cách ly giữa vào và ra 2500V
Có đèn báo trạng thái tín hiệu
Có đèn báo nguồn 5V và cầu chì bảo vệ
Có Socket chia sẽ nguồn vào/ra với các thiết bị khác theo tiêu chuẩn của Indruino
4.4.3.6 Thi công và hoàn chỉnh bộ điều khiển
Sau khi lựa chọn bộ điều khiển trung tâm với các modul thành phần ta tiến hành kết nối theo hướng dẫn của nhà sản xuất
Hình 4.16 Bộ điều khiển Indruino
4.4.5 Chương trình cho bộ điều khiển máy cắt cáp
Nút nhấn chế độ auto-manual
Cảm biến khóa an toàn
Cảm biến vị trí Home (của thanh trượt)
Cảm biến vị trí Limit (của thanh trượt)
Còi và đèn báo máy đang hoạt động
Chế độ cuốn cáp chiều thuận của động cơ cuốn cáp
Chế độ cuốn cáp chiều nghịch của động cơ cuốn cáp
4.4.6 Thi công tủ điện điều khiển
Bảng điện điều khiển được thiết kế dựa trên các yêu cầu điều khiển, với giao diện tiếng Việt thân thiện và dễ sử dụng, bao gồm các thành phần và nút nhấn cần thiết.
Tổng hợp yêu cầu thiết kế và sơ đồ hệ thống điện điều khiển cho cả chế độ điều khiển bằng tay và tự động, chúng ta sẽ tiến hành lắp ráp tủ điện điều khiển một cách thủ công.
Hình 4.18 Tủ điện sau khi thi công
KẾT LUẬN
Kết luận
Những điều đề tài làm được:
Sau một thời gian thực hiện đề tài với nhiệm vụ đã đề ra và kết quả hiện tại thì nhóm đã hoàn thành được những vấn đề sau:
Thiết kế được hệ thống điện cho máy cắt cáp dự ứng lực
Thiết kế được hệ thống điều khiển cho máy cắt cáp dự ứng lực
Tuy nhiên còn một số khó khăn:
Do thời gian làm đề tài có giới hạn nên không thể thiết kế được hệ thống điện- điều khiển tối ưu
Do thiếu kinh nghiệm nên việc thiết kế, bố trí, lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra gặp nhiều khó khăn
Hướng phát triển
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đề tài đã đạt được các mục tiêu đã đề ra, nhưng vẫn còn một số hạn chế cần được tối ưu hóa Đề tài này có tiềm năng phát triển tích cực và có thể ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực xây dựng Để thúc đẩy sự phát triển của đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất một số vấn đề cần xem xét.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống điện điều khiển tối ưu hơn
Bổ sung thêm nhiều tính năng mới để máy làm việc hiệu quả hơn
PHỤ LỤC 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 “Giáo trình Mô đun 28: Đọc bản vẽ theo tiêu chuẩn quốc tế”- Bộ lao động thương binh và xã hội Tổng cục dạy nghề
2 “Quy trình kỹ thuật an toàn điện”- Tổng công ty điện lực Việt Nam
3 “Hướng dẫn sử dụng biến tần ABB ACS 150” - Công ty cổ phần công nghệ cao Lê Gia
4 Thi công cáp dự ứng lực https://www.youtube.com/watch?v=yWJKgETIu78
5 Một số hình ảnh lấy trên google ảnh
PHỤ LỤC 2 CODE CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Modbus slave(ID, 1, 0); // this is slave ID and RS-232 or USB-FTDI // data array for modbus network sharing uint16_t au16data[15]; unsigned long tempus; int8_t state = 0;
The code snippet defines an enumeration for various machine states, including initialization, power on, and different running modes It declares static variables to track the machine's status, encoder counts, and cable measurements, such as size and length Additionally, a boolean variable indicates whether the machine is in cut mode The setup function is prepared for initializing these parameters.
Serial.begin(9600); io_setup(); slave.begin( 9600 ); tempus = millis() + 100; au16data[1]=au16data[2]=1; au16data[3]=au16data[4]=0;
57 encoder1_count=0; machine_status=machine_waitting; attachInterrupt(0, doEncoderA, CHANGE); attachInterrupt(1, doEncoderB, CHANGE); size_cableROM.read(20); bitWrite( au16data[0], 6 ,size_cable);
EEPROM.get(0, count_cable_setting);
EEPROM.get(10, length_cable_setting);
EEPROM.get(30, count_cable_cutted); au16data[1]=count_cable_setting; au16data[2]=length_cable_setting; au16data[3]=count_cable_cutted;
Serial.print("size_cable=");Serial.println(size_cable); } void loop()
{ state = slave.poll( au16data, 15 ); io_poll();
In the machine's waiting state, all output pins (Y0 to Y7) are set to LOW When the machine is powered on, no action is taken During the I/O operation, if the emergency status (EMG_STA) is OFF, the machine transitions to the waiting state The input readings from pins X0 to X7 are captured and stored in the data array (au16data[10]) Finally, the output pins are updated based on the values stored in the data array.
2 ));digitalWrite(Y3,bitRead( au16data[11], 3 )); digitalWrite(Y4,bitRead( au16data[11],
6 ));digitalWrite(Y7,bitRead( au16data[11], 7 )); sovong=(float)encoder1_count/400.0;
Serial.println(); if (size_cable==0)
{ au16data[4]=(signed int)(sovong*1000.0*k11); } else au16data[4]=(signed int)(sovong*1000.0*k21); break; case machine_run:
{ if ( count_cable_cutted
