Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho công nghệ máy cầu trục

Hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đang từng ngày, từng giờ được ứng dụng vào sản xuất. Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước ta, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày càng được áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lượng, chất lượng một cách nhanh chóng. Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp. Một trong những hoạt động không thể thiếu của một nhà máy công nghiệp hiện đại là hệ thống cần trục rải liệu. Cần trục là một thiết bị vận chuyển và nâng hạ trong nhà máy, năng suất của cần trục ảnh hưởng rất lớn đến đến năng suất chung của nhà máy. Vì vậy, các thiết bị điện và hệ thống điều khiển của cần trục phải đảm bảo việc tiện lợi, có năng suất cao, vận hành an toàn và thao tác đơn giản, cũng như đáp ứng đầy đủ các đặc điểm, yêu cầu công nghệ của hệ thống. Đồ án “ Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho cụng nghệ mỏy cầu trục”, nhắm mục đích cho sinh viên tiếp xúc làm quen với các hệ thống cần trục .Sử dụng những phương pháp tổng hợp hệ thống đã học vào thực nghiệm, làm quen với các thiết bị điều khiển truyền động, ghép nối mạch điều khiển. Trang bị cho chúng ta những kiến thức cơ bản trước khi ra trường. Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn và ý kiến của các bạn, em đã hoàn thành được bản đồ án này.Do kinh nghiệm còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn.Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Khang và sự góp ý của các bạn sinh viên.

LỜI NểI ĐẦU

Hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đangtừng ngày, từng giờ đợc ứng dụng vào sản xuất Với chính sách mở cửa của Đảng

và Nhà nớc ta, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngàycàng đợc áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lợng, chất lợng mộtcách nhanh chóng Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện

đại đã góp phần thúc đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nớc

Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đangphát triển với tốc độ ngày càng cao Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoámột dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng Nó là cầu nối giữa cáchạng mục sản xuất, giữa các phân xởng trong nhà máy, giữa các máy công táctrong một dây chuyền Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại,tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp

Một trong những hoạt động không thể thiếu của một nhà máy công nghiệphiện đại là hệ thống cần trục rải liệu Cần trục là một thiết bị vận chuyển và nânghạ trong nhà máy, năng suất của cần trục ảnh hởng rất lớn đến đến năng suấtchung của nhà máy Vì vậy, các thiết bị điện và hệ thống điều khiển của cần trụcphải đảm bảo việc tiện lợi, có năng suất cao, vận hành an toàn và thao tác đơngiản, cũng nh đáp ứng đầy đủ các đặc điểm, yêu cầu công nghệ của hệ thống

Đồ án “ Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực cho cụng nghệ mỏy cầutrục”, nhắm mục đích cho sinh viên tiếp xúc làm quen với các hệ thống cầntrục Sử dụng những phơng pháp tổng hợp hệ thống đã học vào thực nghiệm, làmquen với các thiết bị điều khiển truyền động, ghép nối mạch điều khiển Trang bịcho chúng ta những kiến thức cơ bản trớc khi ra trờng

Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong

Bộ môn và ý kiến của các bạn, em đã hoàn thành đợc bản đồ án này.Do kinhnghiệm còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đ-

ợc sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn.Cuối cùng, em xin chân thành cảm

ơn sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Khang và sự góp ý của các

bạn sinh viên

Chỳng em xin chõn thành cảm ơn !!!

ĐỒ ÁN CHUYấN MễN TỰ ĐỘNG HểA

Chương 1: Tổng quan chung về cụng nghệ

I Giới thiệu về công nghệ và chức năng của cầu trục.

1

Cầu trục là thiết bị dùng để nâng bốc vận chuyển hàng hoá thiết bị dùng trêncông trờng xây dựng, trong nhà máy công nghiệp luyện kim, cơ khí lắp ráp,trong hải cảng Theo chức năng, cần trục đợc chia ra làm hai loại:

- Cầu trục vận chuyển đợc dùng rộng rãi với yêu cầu chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp dùng nhiều trong các nhà máy cơ khí để lắp ghép các chitiết máy móc với yêu cầu chính xác cao

Cầu trục trong bài đợc xếp vào loại cần trục vận chuyển Nó có thể di chuyểnphụ tải theo hai phơng: phơng nằm ngang và phơng thẳng đứng nhờ vào hệ thốngtruyền động đặt trên cần trục

Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đợc xác định từ các yêu cầu của quátrình công nghệ, chức năng của cầu trục trong dây truyền sản xuất Nhìn chung,các thiết bị điện cầiu trục làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại, dễ bị quá tảinhiều, tần số đóng cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảochiều

Từ những đặc điểm của hệ thống cầu trục nói chung, có thể đa ra các yêu cầucông nghệ cơ bản của hệ thống cầu trục:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động phải đơn giản Các phần tử cấu thành

có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo và thay thế dễ dàng Cầu trục phải đợc bảo

vệ chống quá tải và chống ngắn mạch bằng cầu chì trong mạch động lực

- Quá trình mở máy diễn ra theo một luật đã đợc định sẵn Sơ đồ điều khiểnchung cho cả hai động cơ

- Đảm bảo ở tốc độ thấp và dừng chính xác

- Để bảo vệ an toàn cho ngời và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ điều khiểnnhất thiết phải dùng các công tắc hành trình để hạn chế sự chuyển động của cơcấu khi chúng vợt quá giới hạn cho phép

- Khi có sự cố, phải có khả năng điều chỉnh hệ thống về vị trí ban đầu để chuẩn

bị tiến hành một chu trình làm việc mới

- Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và điều khiển phải làmviệc tin cậy trong các điều kiện của môi trờng nhằm nâng cao năng suất, an toàntrong vận hành

Sơ đồ công nghệ của hệ thống cầu trục

đứng: xuống dới và lên trên.

- Bộ cụng tắc hành trỡnh dạng xung: các công tắc hành trình tự phục hồiA,B,C

- Mạch điều khiển: các thiết bị đóng cắt có tiếp điểm

III Động cơ điện 1 chiều

- động cơ điện kích từ độc lập

- động cơ điện kích từ song song

- động cơ điện kích từ nối tiếp

- động cở điện kích từ hỗn hợp

3: Cấu tạo:

Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm stato với cực từ,roto với dây quấn và cổ góp với chổi than

-Stato (phần cảm): gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa làm mạch từ vừa là

vỏ máy Các dây quấn kích từ

-Rôto(phần ứng):

Roto của máy điện một chiều gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấnphần ứng Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lạivới nhau Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấnphần ứng Mỗi phần tử của dây quấn, phần ứng có chiều vòng dây, hai đầuvới hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hairãnh dưới hai cực khác tên

-Cổ góp và chổi than :

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hìnhtrụ, gắn ở đầu trục roto Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp.

Chổi than (chổi điện) làm bằng than graphit Các chội than tỳ chặt lên cổgóp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy

4 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấnphần ứng có dòng điện Iư Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từtrường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay, chiều lực xác định theoquay tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ chonhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụngkhông đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động

Eư Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ mộtchiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là sứcphản điện

Phương trình điện áp là : U = Eư + Rư.Iư

5 Mở máy động cơ điện một chiều :

Phương trình điện áp ở mạch phần ứng là :

5

U = Eư + Rư.Iư

Từ đó rút ra :

Iư =

Vì điện trở Rư nhỏ, nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20

÷ 30)Iđm , làm hỏng cổ góp và chổi than Dòng điện phần ứng lớn kéo theodòng điện mở máy Imở lớn, làm ảnh hưởng tới lưới điện

Để giảm dòng điện mở máy, đạt Imở = (1,5 ÷ 2) Iđm, ta dùng các biện pháp sau:

-Dùng biến trở mở máy : mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng Lúc đầu

để điện trở mở máy Rmở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên,sức điện động Eư tăng và điện trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việcđúng điện áp định mức

-Giảm điện áp đặt vào phần ứng : Phương pháp này được sử dụng khi cómột chiều có thể điều chỉnh điện áp, ví dụ trong máy phát động cơ, hoặcnguồn một chiều chỉnh lưu

Cần chú ý rằng momen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất,

vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từlúc mở máy lớn nhất

6: Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưuviệt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độmột cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồngthời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Từ phương trình tính tốc độ:

− Φ

=

.

. k

R I k

M

M c

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục,nhưng do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế

• Điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = ΦK I u và sức điện động quay của động cơu

E = ΦK ω Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm

vi giới hạn của việc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức trên khi Φ thay đổithỡ mụmen, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dũng điờựkhiển và mụmen tải => phương pháp này cũng ít dùng

• Điều khiển điện áp phần ứng:

7

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phầnứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theophương trình sau:

Φ

− Φ

=

.

. k

R I k

U u u u

ω

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không

đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U u

của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song :

7 Động cơ điện một chiều kích từ song song:

Để Mở Máy dùng biến trở RMở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc Đường đặc tính cơ n = fi(M)

n = (U - RưIư)/ kEfi (1)

Mặt khác: Mđt = kM Iư fi (2)

Từ (1) và (2) ta có:

n= U/ kEfi - RưM/ (kM kEfi2)

ThêM điện trở Rp vào Mạch phần ứng thì ta có:

n= U/ kEfi - (Rư +Rp )M/ (kM kEfi2)

Động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng, và tốc độ hầu như khôngđổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong máy cắtkim loại, máy công cụ

IV Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

- Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC 47-63Hz

- Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Chương trình đƣợc bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mấtđiện

- Xuất sứ: SiemensGermany

- Giá: 5.396.500 VND

9

CPU được cấp nguồn 220VAC Tích hợp 14 ngõ vào số ( mức 1 là 24V

DC, mức 0 là 0 V- DC) 10 ngõ ra dạng relay

™ Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng

hóc

ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình nạp ởtrong máy

- STOP ( đèn vàng) :Đèn vàng báo PLC đang ở chế độ

tắt, chương trình đang dừng hoạt động

- Ix.x ( đèn xanh) chỉ trạng thái logic tức thời của cổng

Ix.x Đèn sáng tương ứng mức logic 1

- Qx.x ( đèn xanh) chỉ trạng thái logic tức thời

của cổng Qx.x Đèn sáng tương ứng mức logic 1

Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

11

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực 2.1: Quy trình công nghệ:

Cấp điện cho toàn bộ hệ thống làm việc Ấn nút m hệ thống hoạt động, tác động vào công tắc hành trình A, động cơ Đ1 di chuyển sang phải với vận tốc V1<V2 do đang mang tải Khi gặp công tắc hành trinh B lần thứ nhất động cơ Đ1 dừng lại Đồng thời, động cơ Đ2 di chuyển xuống dưới với vận tốc V1 găp công tắc hành trình C lần thứ nhất động

cơ Đ2 đi lên trên di chuyển với vận tốc V2> V1 do hết tải Đến vị trí gặp công tắc hành trình B lần thứ 2 động cơ Đ2 dừng lại đồng thời động cơ Đ1 di chuyển sang trái đến vị trí gặp công tắc hành trình A lần thứ hai thì dừng, hoàn thành một chu trình hoạt động khép kín.

2.2: Thuật toán điều khiển logic

-Tín hiệu vào:

M: tín hiệu ban đầu

A,B,C,D: là các tín hiệu dạng xung của công tắc hành trình giúp điềukhiển chiều quay của động cơ

-Tín hiệu ra:

P: công tắc tơ thực hiện đi phải của cần truc

T : công tắc tơ thực hiện đi trái của cần truc

X: công tắc tơ thực hiện đi xuống của cần truc

L: công tắc tơ thực hiện đi lên của cần trục

-Hàm điều khiển các biến ra

Với công tắc hành trình B do tác động 2 lần nên ta có biến phụ B’để đánh dấuquá trình tác động vào B lần thứ 2

Điều khiển mạch lực bằng chương trình trên PLC

Khai báo

Chương trình

15

Chương 3: Tính chọn thiết bị

Hệ thống bao gồm các thiết bị điện gồm các dây nối điện , các công tắc tơ,công tắc hành trình và điện trỏ phụ R Yêu cầu chọn thiết bị là ta phải chọnđược các thiết bị có các thông số đáp ứng được các yêu cầu công nghệ Cụ thểvới các thiết bị điện, thì yêu cầu phải có các thông số điện áp và dòng điện đúngvới điện áp và dòng điện trong mạch thiết kế, ngoài ra còn phải có thêm các yêu

cầu về nhiệt độ ổn định, làm việc được lâu dài, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt,thay thế khi có háng hóc và phải có gía thành hợp lý

1 Lựa chọn cầu chì, cầu dao:

Công suất động cơ = 8 (KW)

Điện áp động cơ Udm = 380 Vôn- DC

Cầu Chì Bussmann FWH-100A

-Cầu chì Bán dẫn Bussmann / Origin Mexico

-Model: FWH-100A

-Dòng điện định mức: 100A

17

-Điện áp định mức: 500VAC/DC

-Dòng căt: 200kA at 500VAC, 50kA at 500VDC

-Kích thước:

Chọn cầu dao:

Itổng = Idm1 + Idm2 = 2.Idm1= 2 Idm2= 2 24,77 = 49,54 ( A )

Chọn cầu dao có I 1,25 Itổng

Chọn công tắc tơ có I Idm= 24,77 ( A )

Chọn loại công tắc tơ có Idm= 50 ( A )

Udm= 380 ( V – XC )

Chọn công tắc tơ LS GMC-50

Thông số kỹ thuật

Hãng sản xuất : Ls

Kích Thước

3 Công tắc hành trình dạng xung

19

Chọn loại có nhãn hiệu như sau: SS-10GLT

Trong đó:

Loại công tắc hành trình này có các đặc tính kỹ thuật sau:

Do làm việc với tải là cuộn hút của rơ le nên có thể coi tải của công tắchành trình là loại tải

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hớng dẫn tận tình của thầygiáo Lu Đức Dũng và góp ý của các bạn cùng lớp, em đã hoàn thành các nhiệm

vụ đợc giao của bản đồ án: Thiết kế mạch điều khiển mạch lực cho cụng nghệ

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển hệ thống

- Lựa chọn các thiết bị chấp hành, các thiết bị điều khiển và bảo vệ hệthống

Trong quá trình thực hiện, do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế chắc chắn khôngthể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng gópcủa các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

21