Bài Tập Lớn Tự động hóa hệ thống tời kéo Than trong các mỏ Than sử dụng S7-200 và Modul Analog EM 235 CÓ CHƯƠNG TRÌNH

Trong nền công nghiệp ngày nay Tự động hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng. Ngành Tự động hóa cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự đông hóa giúp nâng cao năng suất, chất lượng hạ giá thành sản phẩm, giảm thiểu sức lao động của con người nhất là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại. Đồng thời còn giúp hệ thống vận hành liên tục và chính xác. Chính vì vậy mà ngày nay dây chuyền sản xuất tự động hóa được ứng dụng ở hầu hết trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy xí nghiệp. Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “Tự động hóa hệ thống tời kéo than trong các mỏ than” .

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến củathế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặcđiểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiếtgóp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa đã đápứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhucầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những sản phẩm tiêntiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việcđiều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt đượcnăng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạch ứng dụng

của PLC, biến tần đó là “Tự động hóa hệ thống tời kéo Than trong các mỏ Than”

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện,

cùng các bạn trong lớp Tự Động Hóa 3-k10 đặc biệt là giảng viên Tống Thị Lý - giảng

viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng dạy

và cho em kiến thức để hoàn thành bài tập lớn môn học này Mong cô góp ý để em hoànthành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

Nhận xét của giáo viên:

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Mục đích của đề tài

1.1.1 Mục đích chọn đề tài

Trong nền công nghiệp ngày nay Tự động hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng Ngành

Tự động hóa cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin,ngành kỹ thuật điều khiển đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Tự đông hóa giúp nângcao năng suất, chất lượng hạ giá thành sản phẩm, giảm thiểu sức lao động của con ngườinhất là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại Đồng thời còn giúp hệ thống vậnhành liên tục và chính xác Chính vì vậy mà ngày nay dây chuyền sản xuất tự động hóađược ứng dụng ở hầu hết trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy xí nghiệp.Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những

tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài “Tự động hóa hệ thống tời kéo than trong các mỏ than”

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu và ứng dụng PLc và biến tần vào thực tế, tìm hiểu

vể hệ thống tời kéo than trong các mỏ than Điều khiển tự động quá trình tời kéo than

1.1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài chỉ được thựchiện dưới dạng thiết kế một mô hình nhỏ mô phỏng quá trình tờ kéo than trong hầm mỏ

1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệpcũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thống điều khiển tựđộng có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệthống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử côngsuất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh

cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “Tự động hóa hệ thống tời kéo than trong các mỏ than” xây dựng mô hình kết hợp PLC với biến tần để điều khiển tốc độ động

cơ một cách tối ưu nhất

Chương 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TỜI KÉO JM10 CHỞ VẬT LIỆU

Hình 1.1 : Mô hình máy tời JM10

2.1 Sơ đồ công nghệ

1.1.1 Sơ đồ công nghệ tời kéo đơn giản

5 4

8

6

2 1

Hình 1.2 : Sơ đồ nguyên lý tời

- Giải thích sơ đồ

1- Goòng 2- Cáp3- Puli dẫn hướng4- Giếng tời trục5- Tang

6- Đường ray7- Tháp giếng8- Nhà trục

2.1.2 Nguyên lý tời trục giếng nghiêng

Khi máy làm việc thì động cơ momen xoáy qua hộp giảm tốc đến tang 5 quay, dây cáp 2 được quấn vào tang 5 kéo goòng 1 có tải từ đáy giếng lên Khi goòng có tải 1 đến vị trí đỡ tải ở miệng giếng thì máy sẽ hãm lại , trên miệng giếnggoòng có tải được công nhân vận hành tháo khỏi móc cáp và các goòng có tải đước đưa tới nơi tập kết , goòng không tải được móc vào cáp nối của tời trục Sau khi đã đổi goòng tang quay theo chiều ngược lại nhờ động cơ được đổi chiều quay

và làm việc theo chu kỳ tiếp theo

2.1.3 Sơ đồ hộp giảm tốc tời

2- Hộp giảm tốc

3- Động cơ

2.2 Yêu cầu công nghệ

- Hệ thống tời JM10 sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc điều

chỉnh tốc độ bằng phương pháp loại cấp điện trở phụ , nên để giảm dòng khởiđộng trong quá trình khởi dộng , đề phòng cháy , hỏng hóc động cơ, rung giật

- Khóa ngắt nâng quá và hạ quá tránh cho goòng vượt quá và trượt khỏi đường ray

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Lựa chọn thiết bị.

Ngõ ra: 3 pha 380V

Cỡ vỏ: R3

- Đặc điểm:

- Dùng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 Pha 0.75…355 kW

- IP21, IP54 (tuỳ chọn); Tần số ra: 0-500 Hz; Hệ số công suất 0.98

- Tích hợp sẵn: Bộ lọc EMC, Bộ điều khiển phanh hãm (tới 11kW), Bo mạch phủ (Coated boards)

- 6 đầu vào số (DI), 2 đầu vào tương tự (AI); 3 đầu ra rơ le (NO+NC); 2 đầu ra tương tự (AO)

- Tích hợp sẵn hai mạch vòng PID độc lập

- Tích hợp sẵn cổng giao tiếp RS485 / Modbus; Các mô đun giao tiếp mạng khác (tuỳ chọn)

- Các chức năng hỗ trợ khởi động, hỗ trợ bảo trì

3.1.1.1 Cài đặt cho biến tần ABB-ACS 550

- Dựa vào việc khởi động và điều chỉnh tốc độ tời bằng biến tần ta có bảng cài đặt sau:

9902 1= ABB STANDARD Macro tiêu chuẩn cho các

Khởi động dừng bằng DI1,đảo chiều quay bằng DI2

cho EXT2 không khởiđộng dừng theo nguồn

EXT1

các nghuồn tín hiệu điềukhiển xác định bởi thông

số 1001 và 1103

tương tự AI1 cho thamchiếu REF1

tương tự AI1 cho thamchiếu REF2

chạy tốc độ cố định

Cảm biến 1

+100

Hình 3.2 : Sơ đồ gắn cảm biến

 Các loại cảm biến quang

Cảm biến quang được chia làm 4 loại cơ bản :

sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến

 Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt

 Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt

 Giá thành sản phẩm cao

1 Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp kính Omron đi đầu trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này

2 Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao

3 Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể

Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra

 Giá thành thấp hơn loại thu phát

 Lắp đặt dễ hơn loại thu phát

 Chỉnh định dễ dàng

 Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thểdùng kính lọc phân cực

 Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m)

 Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

 Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một

số khoảng cách ngắn nhất định

Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong công nghiệp Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cách vừa đủ vàgiá thành hợp lý

 Phát hiện vật trên băng chuyền

 Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy

 Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)

 Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà

Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra

 Lắp đặt đơn giản, dễ dàng

 Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.

 Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ)

Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m

 Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc,

kích thước, tính chất bề mặt của vật thể

 Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật

 Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương

Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán

 Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyền

 Công nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng)

 1 điểm lắp đặt duy nhất

 Chính xác và tin cậy hơn loại phản xạ thường (bị lỗi trắng/đen)

 Có thể chỉnh khoảng cách phát hiện ở 1 mức nhất định

 Nhược điểm:

 Khoảng cách phát hiện ngắn; ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm

 Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vì không cần gương và phát hiện tin cậy Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnh hoặc bên trên băng chuyền

 Vít biến trở của cảm biến BGS dòng E3Z không điều chỉnh ngưỡng/độ nhạy (như các model khác), mà thay đổi vị trí của thấu kính để điều chỉnh khoảng cách phát hiện

Dựa vào những thông tin trên em lựa chọn cảm biến thu phát vì nó có phạm vi phát hiện rộng họat động tốt trong các loại môi trường, cường độ tia sáng cao Trong đó hãng Omron đi đầu về cảm biến quang với các dòng sản phẩm nổi bật sau :

 E3Z (dòng cảm biến cơ bản đa năng nhất hiện tại!)

 E3F2, E3F3 (dòng cơ bản hình trụ cỡ M18)

 E3FN (dòng sản phẩm giá rẻ cho nhà chế tạo máy, hình trụ M18)

 E3T (cảm biến kích thước nhỏ cho khu vực lắp đặt chật hẹp)

 E3JK & E3JM (có sẵn nguồn và tín hiệu ra dùng tiếp điểm rơle)

 E3X (Bộ khuếch đại có thể kết nối với nhiều loại đầu cảm biến sợi quang phục vụ)

 Công nghệ pho to –IC tăng mức chống nhiễu

 Hình trụ cỡ M18 DIN , vỏ nhựa ABS

Hình 3.3 : Cảm biến E3F3

Thông số cơ bản của cảm biến E3F3:

Mục

Loại cảmbiến

Thu – Phát Phản xạ gương Phản xạ khuếch tán

Ngõ raNPN

E3F3-T61E3F3-T11

E3F3-D12Ngõ ra

PNP

E3F3-T31E3F3-T31

E3F3-D32Khoảng cách phát

Vật mờ đục cóđường kính tốithiểu 56 mm

Giấy trắng 100x100mm

cách phát hiệnNguồn sáng

(Bước sóng)

LED hồng ngoại(860 nm)

(680nm)

LED hồng ngoại(860nm)

Điện áp nguồn cấp 12 tới 24 VDC ± 10% kể cả xung tối đa 10% (p-p)

Công suất tiêu thụ Tối đa 45 mA

(Đầu phát vàđầu thu)

Tối đa 25 mA

Ngõ ra điều khiển Ngõ ra transistor collector hở, tối đa 100mA , điện áp dư tối

đa 1V ở 100mAMạch bảo vệ Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra và nối ngược cực nguồn cấp DCThời gian đáp ứng Tối đa 2,5 ms

điềuchỉnh 1vòngảnh hưởng ánh sáng

của môi trường

Đèn dây tóc : Tối đa 3.000 luxÁnh sáng mặt trời: Tối đa 10.000 luxNhiệt độ môi trường Hoặt động 35% tới 85% / bảo quản 35% tới 95% (không

ngưng tụ) Trở kháng cách điện Tối thiểu 20 M Ω ở 500 VDC giữa các bộ phận mang

điện và vỏ Cường độ điện môi 1.000 VAC, 50/60 Hz trong 1 phút giữa các bộ phận mang

điện và vỏMức độ chịu rung 10 tới 55 Hz, biên độ rung 1,5 mm hoặc 300m/s trong 1 giờ

theo mỗi hướng X, Y và ZMức độ chịu sốc Mức độ phá hủy : 500 m/s 2 cho 3 lần ở mỗi hướng X,Y và

ZCấp bảo vệ IP66 (IEC60529)

Cấp nối Dây nối thường(độ dài tiêu chuẩn : 2 m)

Nguồn sáng :chỉ thị điện

Chỉ thị hoạt động (cam)

Đèn chỉ thị (cam)

Đầu nhận : chỉthị hoạt động(cam)

Phụ kiện Hướng dẫn sử dụng , 2 định vít , gương E30-R1 ( chỉ cho

E3F3- R ) bộ điều chỉnh ( E3F3 – D12/ D32)

 Ta lựa chọn cảm biến E3F3 loại thu phát với các thông số như trên

- Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu(Catridge )

- Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong đó họ 21X không còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau:221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm

và tiếng ồn, đáng tin cậy

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Cấu trúc bên trong của P LC

Hình 1.1: Cấu trúc bên trong của CPU PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm

(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

Mô tả các đèn báo trên S7-200:

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

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực

hiện chương trình nạp ở trong máy

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không

thực hiện chương trình hiện có

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

Chân 2: nối nguồn 24VDC

Chân 3: truyền và nhận dữliệu

Chân 4: không sửdụng

Chân 5: đất

Chân 6: nối nguồn 5VDC

Chân 7: nối nguồn 24VDC

Chân 8: Truyền và nhận dữliệu

Chân 9: không sử dụng

Hình 1.3: Cổng truyền thông kết nối PLC với PC

b 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 được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện.

- Xuất sứ: Siemens Germany

Hình 1.4: CPU PLC S7-200

- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức 0

là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay

3.2.2 Giới thiệu về module Analog.

PLC S7-200 có các modul mở rộng như sau:

 Bộ lọc đầu vào input –3Db tới 3.1Khz

 Điện áp cực đại cung cấp cho module: 30VDC

 Dòng điện cực đại cung cấp cho module: 32mA

 Có Led báo trạng thái

 Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh độ lợi (GAIN).

b Đầu vào

Phạm vi áp ngõ vào: +/- 10V

Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA

Các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit)

Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250s

Đáp ứng đầu vào của tín hiệu tương tự: 1.5ms đến 95%

Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng của chế độ Mode chung nhỏ hơn hoặcbằng 12V

Kiểu dữ liệu đầu vào input:

 Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000

 Kiểu có dấu ( đa cực) tầm từ -32000 đến 32000

 Kiểu dữ liệu ngõ ra:

 Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000

 Kiểu có dấu ( đa cực) tầm từ -32000 đến 32000

 Thời gian gửi dữ liệu đi:

 Điện áp: 100us

 Dòng điện: 2ms

Hình 1.5: Sơ đồ kết nối với các thiết bị ngoại vi, sử dụng theo dạng áp và dòng.

Có các contact (switch) để lựa chọn phạm vi ngõ vào ( contact ở một trong 2 vị trí

ON và OFF) Contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối cới áp đơn cực, OFF với áplưỡng cực, contact 2,3,4,5,6 chọn phạm vi điện áp

Các bước chỉnh đầu vào:

1 Tắt nguồn của Modul, chọn tầm ngõ vào thích hợp

2 Cấp nguồn cho CPU và Modul Để cho modul ổn định trong vòng 15 phút

3 Sử dụng máy phát tín hiệu, nguồn áp hoặc nguồn dòng đặt tín hiệu có giá trịbằng 0 tới một trong những đầu nối của ngõ vào

4 Đọc giá trị thu được cho CPU bằng kênh ngõ vào thích hợp

5 Điều chỉnh OFFSET của máy đo điện thế cho đến khi bằng 0, hoặc giá trị dữliệu dạng số mong muốn

6 Kết nối một giá trị toàn thang tới một trong những đầu nối của ngõ vào Đọc dữliệu thu được cho CPU

7 Điều chỉnh GAIN của máy đo điện thế cho đến khi bằng 32000, hoặc giá trị dữliệu dạng số mong muốn

8 Lặp lại sự chỉnh định OFFSET và GAIN theo yêu cầu