Đồ án điều khiển logic và trang bị điện. Bài toán cầu trục

đồ án điều khiển logic và trang bị điện. bài toán cầu trục

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Hà Trung Kiên

Sinh viên thực hiện: Đào Đức Duy 2017605164

Đặng Thị Duyên 2017605336 Nguyễn Trường Giang 2017605345 Nguyễn Đức Hải 2017600161 Phan Thanh Hải 2017605484

Hà Nội - 2020

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về công nghệ cầu trục 4

1.1 Đặc điểm công nghệ của cầu trục 4

1.2 Yêu cầu truyền động điện của cầu trục 4

1.3 Phân loại cầu trục 5

1.4 Yêu cầu công nghệ của đề tài 10

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển mạch lực 11

2.1 Xây dựng mạch điều khiển 11

2.2 Xây dựng hàm Gracfet 21

2.3 Chương trình điều khiển 24

2.4 Sơ đồ mạch lực 26

2.5 Sơ đồ đấu nối dây dẫn 27

2.6 Cài đặt thông số biến tần 28

Chương 3: Tính toán lựa chọn thiết bị 28

3.1 Aptomat 28

3.2 Nút nhấn 29

3.3 Cảm biến hành trình 31

3.4 Động cơ điện 3 pha 31

3.5 Bộ điều khiển PLC 32

3.6 Biến tần Mitshubishi A740 32

Chương 4: Kết quả nghiên cứu, kết luận 33

4.1 Kết quả mô phỏng trên HMI 33

4.2 Kết luận 33

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức

độ tự động hóa trong các quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng xuất sản xuất và chất lượng sản phẩm làm ra Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử,công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động,trang bị điện đã làm cơ sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnh vực tựđộng hóa

Ở nước ta mặc dù là một nước chỉ mới đang trong quá trình phát triển, nhưng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng như hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là kĩ sư tự động hóa các quá trình sản xuất đã có những bước phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức Hai trong các môn học là kiến thức nền tảng cho các kĩ sư tự động hóa thực sự rất quan trọng trong việc học tập và ứng dụng vào thực tế đó làmôn học “điều khiển logic” và “trang bị điện” Kiến thức nền tảng của hai môn học này khi được áp dụng vào thực tế sẽ rất rộng rãi và quan trọng trong nền công nghiệp hiện đại hiện nay

Một trong các ứng dụng được áp dụng là hệ thống cầu trục nâng hạ các vật nặng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như vận chuyển hàng hóa, đóng tàu và rất nhiều các hoạt động khác được ứng dụng công nghệ này

Để hiểu thêm về máy móc, thiết bị, công nghệ cũng như nắm vững các nguyên lý thiết kế, chính vì vậy mà Khoa giao cho nhóm chúng em thực hiện đề

tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển bằng phương pháp Grafcet, tính chọn thiết bị,

trang bị điện cho cầu trục theo công nghệ được mô tả sẵn có sử dụng bộ điều khiền PLC S7-200”.

Trong đề tài này chúng em xin đề cập đến các nội dung chính sau:

 Chương 1: Tổng quan về công nghệ

 Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực

 Chương 3: Tính chọn thiết bị, trang bị điện

 Chương 4: Kết quả nghiên cứu, kết luận

Tuy nhiên do yêu cầu về thời gian, kiến thức còn nhiều hạn chế , việc tìm tài liệu về cầu trục còn khó khăn việc nghiên cứu đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô cùng các bạn đềtài được hoàn thiện hơn.

Qua đề tài này chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Hà Trung Kiên,

đã giúp đỡ, hướng dẫn chúng em trong thời gian vừa qua để chúng em hoàn thành tốt đề của mình

Chương 1: Tổng quan về công nghệ cầu trục

1.1 Đặc điểm công nghệ của cầu trục

Cầu trục (Overhead Crane) là một trong những thiết thiết bị nâng hạ gồm hai

chuyển động chính (ngang, dọc trên cao nhà xưởng) để đảm bảo các thao tác nâng hạ, di chuyển tải trong không gian làm việc của cầu trục trong nhà xưởng Việc sử dung cầu trục rất tiện lợi cho việc bốc, xếp hàng hóa các vật có tải trọnglớn, kích thước cồng kềnh (sắt, thép, bê tông ) Sức nâng lớn từ 1 tấn đến 500

tấn, vận hành chủ yếu bằng các động cơ điện nên cầu trục được sử dụng rộng rãi

trong ngành Công nghiệp nói chung

– Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính các không cao

– Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng

để lắp ghép các chi tiết cơ khí nên có yêu cầu độ chính xác cao

Do thường xuyên phải làm việc trong môi trường , điều khiện khắc nghiệt nhue các cảng, bến, các nhà máy xí nghiệp, hay các phân xưởng luyện kim nên yêu cầu chế động đóng ngắt cao, vì vậy có những yêu cầu về mặt công nghệ và hệ thống trang thiết bị hệ thống như:

– Phải đảm bảo được tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức

– Có khả năng thay đổi tốc độ (nếu cần)

– Động cơ có hệ số cos θ cao, làm việc ổn định trong phạm vi rộng

– Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn trong vận hành khai thác

– Trong hệ thống phải có các thiết bị bảo vệ điện áp, bảo vệ quá tải, ngắn mạch hay mất pha khi gặp sự cố

– Các thành phần cấu tạo nên hệ thống phải đơn giản, dễ thay đổi để sửa chữa, bảo dưỡng

– Đảm bảo điều khiển thuận lợi và dễ dàng cho người vận hành

– Đảm bảo chi phí, giá thành hợp lý

1.2 Yêu cầu truyền động điện của cầu trục

– Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo tải trọng

– Động cơ làm việc của cơ cấu nâng hạ có chế độ làm việc ngắn hạn, có tần số đóng cắt lớn

– Có hệ thống phanh (hãm) khi chuẩn bị dừng Trường hợp mất điện phanh (hãm) phải dừng hệ thống ở hiện trạng, không không xảy ra hiện tượng rơi tự do rất nguy hiểm

1.3 Phân loại cầu trục

Theo công dụng

– Thông dụng: Dùng móc treo để di chuyển, xếp dỡ hàng hóa sửa chữa máy móc

– Chuyên dùng: Có chế độ làm việc nặng dùng trong ngành luyện kim

– Cầu trục cảng : Nâng hàng hóa lớn như container tại cảng biển cảng sông– Cầu trục thủy điện : Dùng trong vận hành lắp đặt tua bin, trạm nguồn, nâng

hạ cửa xả

– Cầu trục phòng nổ : Dùng trong các nhà máy khí, gas, hầm lò than…

– Cầu trục luyện kim : Dùng trong các phân xưởng luyện kim rót kim loại, múc xỉ có nhiệt độ cao

Theo kết cấu dầm cầu trục

– Cầu trục dầm đơn: Dầm chữ I, H đúc tiêu chuẩn hoặc tổ hợp các dầm thép tăng cứng cho dầm hoặc kết hợp

– Cầu trục dầm đôi (cầu trục 2 dầm): Gồm dầm hộp và dầm dàn không gian.– Cầu trục dầm hộp

– Cầu trục dầm dàn

Theo cách tựa dầm cầu trục lên đường ray di chuyển

– Cầu trục tựa

– Cầu trục treo

Theo cách mang tải

– Cầu trục móc: Sử dụng móc cẩu

– Cầu trục gầu ngoạm: Sử dụng dầm đôi, gầu ngoạm gắn dưới hệ thống

palang hoặc xe con để ngoạm vật liệu Sử dụng trong nhà máy thép hoặc sản xuất vật liệu dời như sản xuất thép từ quặng, than đá, cát, phế liệu.– Cầu trục nam châm điện: Dùng dầm đôi có gắn mâm từ hoặc xà từ dưới Palang hoặc xe con dùng lực hút để nâng hạ vật liệu như thép, thép tấm

Cách bố trí cơ cấu di chuyển của cầu trục

– Dẫn động bằng tay: Các cơ cấu dẫn động bằng hệ thống tời kéo tay

– Dẫn động bằng điện: Các cơ cấu được dẫn động bằng động cơ điện như Palang, xe con, động cơ dầm biên

1.4 Yêu cầu công nghệ của đề tài

Yêu cầu cần trục bao gồm:

- Chuyển động tịnh tiến Lên – Xuống – Trái – Phải khi gặp các cảm biến

trên hình

- Tác động m để cần trục bắt đầu thực hiện chuyển động

- Sử dụng động cơ 3 pha roto lồng sóc ở mạch động lực

- Sử dụng PLC Siemens S7 – 200 để lập trình mạch điều khiển.

Với yêu cầu trên chúng ta sẽ cần:

- Đối với mạch lực:

+ Dùng 2 động cơ điện KĐB 3 pha 7 kw, có đảo chiều quay

+ Dùng 2 biến tần cho 2 động cơ

Tác dụng : đảo chiều động cơ theo yêu cầu đề bài, ngoài ra chúng ta cũng có thể

điều chỉnh tốc độ động cơ và cài đặt các thông số như hãm động năng hoặc bảo

vệ quá tải hay mất pha cho động cơ

Ở đây động cơ 3 pha roto lồng sóc có thông số: Pđm = 7 kw; Uđm = 380V; cosθ = 0,86; nđm = 1000 v/p ; nđm = 0,8 Với thông số trên ta chọn sẽ chọn được biến tần FR A740 có công suất 11 Kw

- Đối với mạch điều khiển :

+ Dùng 1 PLC Siemen S7-1200 để lập trình mạch điều khiển logic

PLC sẽ lấy tín hiệu start – stop – dừng khẩn và các tín hiệu của các cảm biến làmđầu vào

Đầu ra của PLC sau khi đã lập trình sẽ điều khiển các chân đầu vào của biến tần Từ đó biến tần sẽ điều khiển động cơ hoạt động theo đúng yêu cầu công nghệ của đề bài

- Ngoài ra cần có:

+ Bộ nút nhấn khởi động ( start - stop – dừng khẩn )

+ Bộ nút hoạt động khi có sự cố ( Lên – Xuống – Trái – Phải )

+ Các thiết bị bảo vệ cho thiết bị

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển mạch lực

2.1 Xây dựng mạch điều khiển

2.1.1 Sơ đồ khối:

Tín hiệu điều khiển sẽ được phát ra từ người điều khiển hoặc từ quá trình,

sẽ được các thiết bị thu nhận tín hiệu cảm nhận và biến đổi các tín hiệu dạng vật

lý thành các tín hiệu điện áp (thông thường là 24 V), tín hiệu này sẽ được thiết bị

xử lý tín hiệu theo các luật logic hoặc chương trình đặt sẵn Sau khi xử lý nó đưatín hiệu ra để diều khiển các phần tử đóng cắt công suất lớn để điều khiển nguồn năng lượng cấp cho cơ cấu chấp hành và tiến đến điều khiển máy sản xuất

Đối với yêu cầu của đề tài thiết kế mạch điều khiển, tính chọn thiết bị, trang bị điện cho công nghệ máy khoan ta sẽ lựa chọn thiết bị ứng với sơ đồ tổng quát trên như sau:

- 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

- Bổ sung 4 cổng Ethernet

- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24

VDC

Cấu tạo của bộ điều khiển Siemens CPU S7-1200

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau…

- Các dòng chính của PLC S7-1200:

- S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU

1215C, CPU 1217C

- PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory Lưu

ý không mở rộng được modul I/O

- PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory.

- PLC S7-1200 CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.

- PLC S7-1200 CPU 1215C có bộ nhớ làm việc 125KB work memory.

- PLC S7-1200 CPU 1217C có bộ nhớ làm việc 150KB work memory.

Đặc tính kỹ thuật của CPU S7-1200 siemens

Tùy vào ứng dụng điều khiển hệ thống để có thể chọn các model phù hợp

Module mở rộng PLC S7-1200

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để

mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CP).

- Signal board (SB)

- Signal Module (SM)

Nổi bật tính năng

+ Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗtrợ chuẩn Ethernet mở

Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

Tốcđộ truyền 10/100 Mbits/s

Hỗ trợ 16 kết nối ethernet

TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

+ Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)

Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…

16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển tune functionality)

(auto-+ Thiết kế linh hoạt:

Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước

hệ điều khiển

Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông,

Giao tiếp

Cấu hình giao tiếp của PLC S7-1200

S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)

Giao tiếp PROFINET với:

Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:

- Hệ thống băng tải, cân định lượng

- Điều khiển đèn chiếu sáng thông minh…

- Điều khiển bơm cao áp, bơm ổn định áp suất

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành

dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh

Nguyên lý hoạt động của biến tần?

- Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu

tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộchỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96.Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thấttrên lõi sắt động cơ

- Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên

độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số

và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũnglại là hàm bậc hai của điện áp

- Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các

bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

- Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác

nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

b Biến tần Mitsubishi họ FR A740

Đặc điểm chính

- Biến tần Mitsubishi FR-A740 điều khiển chính xác không cần encoder.

- Điều khiển chính xác tương đối không cần Encoder (Sensor less control)

- Điều khiển vận tốc và momen xoắn chính xác tuyệt đối khi sử dụng kèm Encoder, sai số nhỏ hơn ±0.01%

- Autotuning chỉ trong vòng chưa đầy 1 phút

- Kết nối mạng đa dạng như USB, Modbus-RTU, Profibus, CC-Link, CANopen và hệ điều khiển chuyển động nội suy tự động SSCNET III

- Thiết kế mới cho tuổi thọ hơn 10 năm sử dụng

- Tích hợp PLC cho phép thực hiện một số ứng dụng đơn giản mà không cần thêm PLC bên ngoài

- Giao diện sử dụng thân thiện, cho phép cài đặt và giám sát các thông số như dòng, áp, oscilloscope qua cổng USB tốc độ cao, giúp cho việc cân chỉnh ứng dụng dễ hơn bao giờ hết

- Hỗ trợ bốn cấp quá tải tùy chọn, tính năng này giúp biến tần có thể dùng cho mọi ứng dụng với độ an toàn cao

- Biến tần FR-A740 tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường và an

Cung cấp nhiều tính năng giúp thiết lập và vận hành biến tần

Thiết bị mở

rộng

Màn hình vận hành LCD, cuộn kháng xoay chiều, cuộn kháng một chiều, bộ phanh, điện trở phanh, lọc nhiễu