TỔNG QUAN CHUNG
Giới thiệu
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong quá trình đổi mới đất nước, nhằm mục tiêu Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa, lĩnh vực Tự Động Hoá Công Nghiệp ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế với tốc độ cao, giúp Việt Nam nhanh chóng hội nhập cùng các quốc gia tiên tiến trên thế giới.
Tự động hóa không chỉ đóng vai trò trong công nghiệp mà còn phản ánh sự hiện đại của một quốc gia Sự phát triển của đất nước dẫn đến sự xuất hiện của nhiều công trình cao tầng như cao ốc thương mại, nhà hàng, khách sạn đạt tiêu chuẩn quốc tế, cùng với siêu thị và bệnh viện, thể hiện xu hướng “phát triển theo chiều cao” Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa và con người trong những công trình này, thang máy hiện đại trở thành thiết bị thiết yếu.
Thang máy không chỉ phục vụ con người và vận chuyển hàng hóa mà còn là biểu tượng hiện đại của một quốc gia Vai trò của thang máy rất quan trọng, ảnh hưởng đến giờ giấc làm việc, năng suất lao động và mang lại sự tiện lợi trong việc di chuyển giữa các tầng trong các tòa nhà cao tầng.
Ngành thang máy hiện nay đang hợp tác với nước ngoài để lắp đặt các thiết bị ngoại nhập Trong tương lai, tôi tin rằng ngành này sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết định nghiên cứu và phục hồi cửa thang máy để nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng.
- Áp dụng kiến thức lý thuyết để xây dựng mô hình thang máy
- Các bước thực hiện: Đồ án điều khiển tự động
Thiết bị
2.1 Giới thiệu PLC Định nghĩa
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân từ ngõ vào hoặc qua các hoạt động có thời gian định trước PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế, hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và đầu ra, với sự thay đổi đầu ra tương ứng khi có thay đổi ở đầu vào Ngôn ngữ lập trình của PLC bao gồm Ladder và State Logic.
Hình 1 2 PLC S7-1200 CPU 1215 DC/DC/Relay
Giá của PLC giao động từ 3000.000VNĐ đến vài chục triệu Tùy vào các loại PLC khác nhau sẽ có giá thành khác nhau
Khi sự kiện được kích hoạt, thiết bị điều khiển bên ngoài, hay còn gọi là thiết bị vật lý, sẽ được bật ON hoặc OFF Bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp lại chương trình do người sử dụng thiết lập, chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra theo thời gian đã được lập trình.
Trong hệ thống PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai yếu tố chính cho quá trình điều khiển Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC Nhờ vậy, PLC có thể thực hiện điều khiển dựa trên chương trình này Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ của PLC.
Mã sản phẩm: 6ES7215-1HG40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1215C, DC/DC/RELAY
Các thông số kĩ thuật về PLC S7-1200 CPU 1215C, DC/DC/RELAY
SIMATIC S7-1200 CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/RELAY, 2 PROFINET PORT Đồ án điều khiển tự động
ONBOARD I/O: 14 DI 24V DC; 10 DO RELAY 2A, 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0-20MA
POWER SUPPLY: DC 20.4 – 28.8 V DC, PROGRAM/DATA MEMORY: 125 KB (6ES7215-1HG40-0XB0)
Tất cả các PLC đều bao gồm các thành phần chính như bộ nhớ chương trình RAM bên trong, có khả năng mở rộng thêm bộ nhớ ngoài EPROM, bộ vi xử lý với cổng giao tiếp để kết nối với PLC, và các mô-đun vào/ra.
Bộ PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là tay hoặc máy tính, với RAM đủ để lưu trữ chương trình Đối với đơn vị lập trình xách tay, RAM thường là CMOS với pin dự phòng, chỉ truyền chương trình sang bộ nhớ PLC khi đã được kiểm tra Các PLC lớn thường sử dụng máy tính để lập trình, giúp hỗ trợ viết, đọc và kiểm tra chương trình, kết nối qua các cổng như RS232, RS422, RS485.
CPU là bộ phận điều khiển các hoạt động bên trong PLC, đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Sau đó, nó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra được gửi đến các thiết bị liên kết để thực thi, và toàn bộ quá trình này phụ thuộc vào chương trình điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ.
Các tín hiệu từ bộ cảm biến được kết nối với các modul đầu vào của PLC, trong khi các cơ cấu chấp hành được nối với modul đầu ra Hầu hết các PLC hoạt động với điện áp nội bộ 5V, và tín hiệu xử lý có thể là 12/24VDC hoặc 100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có một địa chỉ duy nhất, và trạng thái của các kênh I/O được hiển thị thông qua các đèn LED trên LC, giúp việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra Ƣu điểm
- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
- Thực hiện đƣợc các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao Đồ án điều khiển tự động
- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa
- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
- Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình
2.2 Biến tần Fuji frenic mini FRN0004C2S 7A
Biến tần là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt.
Mục đích chọn biến tần Fuji frenic mini
FRN0004C2S 7A là thiết bị có thể làm thay đổi tần số của điện áp điện lưới để thay đổi tốc độ động cơ
Những lợi ích của việc sử dụng biến tần
Có thể thay đổi tốc độ động cơ dễ dàng, bởi vậy dòng khởi động của động cơ nhỏ
Dễ dàng thay đổi tốc độ cho nên có thể tiết kiệm điện năng cho các tải thường không cần phải chạy hết công suất
Hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ cao áp và thấp áp được thiết kế để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Biến tần trở thành giải pháp cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu đồng bộ tốc độ như ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in ấn, và thép Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ điều khiển lưu lượng và áp suất trong các lĩnh vực như nước và khí nén, cũng như trong các ứng dụng như cẩu trục và thang máy Việc sử dụng biến tần không chỉ đáp ứng yêu cầu công nghệ mà còn cải thiện năng suất một cách hiệu quả.
Hình 1.2.1 Biến tần Fuji frenic mini FRN0004C2S
7A Đồ án điều khiển tự động
Mô men khởi động 150%hoặc hơn tùy theo phương pháp điều khiển
Khả năng quá tải 150% trong1 phút, tải nặng 200% trong 0.5giây
Phương pháp điều khiển V/f có phản hồi tốc độ
Ngõ vào analog -Điện áp
Chức năng bảo vệ Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
Chức năng tiết kiệm năng lượng kết hợp với bộ điều khiển PID giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Thiết kế dễ dàng bảo trì và khả năng điều khiển đa cấp tốc độ lên đến 8 cấp mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người sử dụng.
Truyền thông RS485,SX Protocol,Modbus RTU
Thiết bị mở rộng màn hình LCD bao gồm các thành phần quan trọng như cuộn kháng xoay chiều, cuộn kháng một chiều, bộ phanh, điện trở phanh và lọc nhiễu Ngoài ra, còn có các card tham chiếu tốc độ, card truyền thông, card giám sát và card điều khiển tốc độ máy phát, giúp tối ưu hóa hiệu suất và quản lý hoạt động hiệu quả.
F07 = 6.00 ( 0.00 to 3600s : 0.00 means acceleration time ignred ( exterral soft Start/Stop ) Đồ án điều khiển tự động
E01 = 0 (1000) Multi Step Freq Selection ( 0 to 1 step) (ss1) chọn giá trị X1 trên biến tần E02 = 1 (1001) Multi Step Freq Selection ( 0to 3 step) (ss2) chọn giá trên X2 trên biến tần C05 = 3HZ
Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều
Có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng
Có khả năng đáp ứng nhiều ứng dụng khác nhau
Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc
Đáp ứng nhu cầu của các thiết bị có tốc độ làm việc cao Đồ án điều khiển tự động
Hình 1.2.2 Sơ đồ kết nối chân biến tần Fuji frenic mini FRN0004C2S 7A
2.3 Cảm biến TPC sensor JD-1805E1
Cảm biến từ TPC sensor JD-1805E1 Hoạt động được ngay cả trong môi trường khắc nghiệt
Có khả năng nhận biết đƣợc vật kim loại
Tuổi thọ của nó khá cao và dễ dàng trong việc lắp đặt
Ngõ ra: NPN Đồ án điều khiển tự động
Hình 1.3.2 Sơ đồ cảm biến từ loại npn
Hình 1.3.1 DHT 22 Đồ án điều khiển tự động
Kết nối PLC với cảm biến
Tùy thuộc vào điện áp nguồn của cảm biến và điện áp đầu vào của PLC, việc đấu nối có thể khác nhau Nếu cảm biến và PLC sử dụng cùng loại nguồn DC hoặc AC, có thể đấu trực tiếp bằng cách kết nối chân đen (out) của cảm biến vào ngõ vào của PLC.
Khi cảm biến nguồn DC và đầu vào PLC là AC (hoặc ngược lại), cần sử dụng Relay trung gian với nguồn giống như cảm biến Kết nối cuộn dây của Relay vào đầu ra của cảm biến, trong khi ngõ còn lại của cuộn dây nối với mass Cuối cùng, đưa tiếp điểm thường hở của Relay vào PLC để hoàn tất kết nối.
Cảm biến TPC sensor JD-1805E1 (nâu : V+ ,xanh :mass ,đen : out 0V)
Để kết nối cảm biến với PLC, cần sử dụng rơ le trung gian có nguồn Đầu ra của cảm biến được đấu vào cuộn dây của rơ le, trong khi ngõ còn lại của cuộn dây được nối với V+ Cuối cùng, tiếp điểm thường hở của rơ le sẽ được đưa vào PLC để hoàn tất kết nối.
2.4 Cảm biến quang BR100-DDT-P
Cảm biến quang BR100-DDT-P Autonics với khả năng phát hiện vật xa cùng với khả năng chống nhiễu ƣu việt nhờ cách thức xử lý tín hiệu số
Hình 1.4 Cảm biến quang BR100-DDT-P Đặc điểm và thông số kỹ thuật chính:
Loại phát hiện: Phản xạ khuếch tán
Khoảng cách phát hiện: 100mm
Thời gian đáp ứng tốc độ cao dưới 1ms
BR100-DDT-P có mạch bảo vệ nối ngƣợc cực tính nguồn và ngắn mạch (quá dòng)
Cảm biến quang khuếch tán loại chùm tia hẹp sử dụng để phát hiện trong vùng không gian hẹp
Cảm biến quang BR100-DDT-P Autonics ngõ ra điều khiển: Ngõ ra PNP collector hở
Nguồn cấp: 12-24VDC ±10% Đồ án điều khiển tự động
THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ TỦ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế phần cơ khí
Sau khoảng thời gian thảo luận của tập thể nhóm và giảng viên hướng chúng em đã thiết kế ra đƣợc mô hình phục hồi cửa thang máy
Hình I Bản vẽ phần cơ khí cho cửa thang máy Đồ án điều khiển tự động
2/ THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN
Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thiết bị trong mạch tủ điện
Với kích thước 600x400x220 thì các thiết bị được bố trí phù hợp bên trong tủ điện Đồ án điều khiển tự động
Mạch cấp nguồn điều khiển được mô tả trong hình 2.3, trong đó việc đóng MCCB 10A sẽ cung cấp nguồn 220VAC cho biến tần, đồng thời cấp nguồn 24VDC cho PLC và các cảm biến Đây là một phần quan trọng trong đồ án điều khiển tự động.
Hình 2.4 Sơ đồ mạch kiểm soát nguồn
Cấp nguồn 220VAC cho biến tần và kết nối ngõ ra của biến tần với động cơ là bước quan trọng trong sơ đồ điều khiển Đồng thời, sơ đồ chân tương ứng của biến tần cần được đấu nối chính xác với các tiếp điểm của relay để đảm bảo hoạt động hiệu quả Đồ án điều khiển tự động này nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành.
Các nút nhấn và cảm biến đƣợc đấu với ngõ vào của PLC Đồ án điều khiển tự động
Các ngõ ra của PLC đƣợc đấu với các relay 24VDC
Thiết kế tủ điều khiển
THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ TỦ ĐIỀU KHIỂN
Thi công phần điện
Quá trình thi công tủ điều khiển diễn ra từ tuần 8 đến tuần 15, trong đó nhóm chúng tôi đã hoàn thành việc đấu nối dây, bố trí thiết bị và cài đặt biến tần.
Hình 3.4 Mặt trong tủ điện khi đã đi dây và bố trí thiết bị hoàn chỉnh
Các thiết bị đƣợc bố trí nhƣ trong bản vẽ đề ra theo phần thiết kế Đồ án điều khiển tự động
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN
Lưu đồ
Đồ án điều khiển tự động
Chương trình plc và cách cài đặt biến tần cho mô hình phục hồi thang máy
Đồ án điều khiển tự động
Để cài biến tần cho mô hình phục hồi cửa thang máy, trước tiên cần cấp nguồn cho biến tần Sau khi có nguồn, nhấn nút PRG để chọn mã, màn hình sẽ hiển thị 1F Từ đây, bạn có thể nhấn để chuyển đổi các chức năng cần thiết của biến tần.
Khi màn hình hiển thị 1F, nhấn nút FUNC để truy cập vào các cài đặt chi tiết Sau khi nhấn FUNC, màn hình sẽ hiển thị F00; tiếp tục nhấn để chuyển đến F02 và nhấn FUNC để vào phần cài đặt chi tiết trong F02 Tại đây, chọn thông số là 1, với số 1 đại diện cho lệnh đầu cuối chạy thuận hoặc nghịch, rồi nhấn FUNC để lưu giá trị đã chọn.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang F03 Tại đây, nhấn FUNC để truy cập vào phần cài đặt chi tiết Trong F03, bạn cần điều chỉnh tần số về 40Hz và nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang F04 Tại đây, nhấn FUNC để truy cập vào phần cài đặt chi tiết Trong F04, hãy chọn tần số và điều chỉnh nó về 25Hz, sau đó nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang F05, nơi hiển thị điện áp định mức ở tần số cơ bản Để vào phần cài đặt chi tiết trong F05, hãy nhấn FUNC và chọn 220V, sau đó nhấn FUNC một lần nữa để lưu cài đặt.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang F07 Tại đây, nhấn FUNC để truy cập vào phần cài đặt chi tiết trong F07, nơi F07 đại diện cho thời gian tăng tốc 1 Chọn giá trị 6.00 (tương đương 6 giây) và nhấn để xác nhận.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang F08 Tại đây, nhấn FUNC để truy cập vào phần cài đặt chi tiết trong F08 (F08 là thời gian giảm tốc 1) Chọn 6.00 (tương đương 6 giây) và nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu xong, nhấn PRG để quay lại phần chọn mã E (chức năng đầu cuối mở rộng) Tiếp theo, nhấn FUNC để màn hình hiển thị E01 và vào phần cài đặt chi tiết Tại E01, chọn 0 (1000) để lựa chọn nhiều bước (giá trị X1 trên biến tần) và nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu giá trị đã chọn, màn hình sẽ tự động chuyển sang E02 Nhấn FUNC để truy cập vào phần cài đặt chi tiết trong E02 Tại đây, chọn 1 (1001) để thiết lập chế độ lựa chọn nhiều bước, sau đó chọn giá trị X2 trên biến tần và nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu xong, nhấn PRG để quay lại phần chọn mã Tiếp theo, nhấn FUNC để hiển thị C01 và chọn C05, chức năng đa tần số Sau đó, nhấn FUNC để lựa chọn tần số, chọn 3HZ và nhấn FUNC để lưu lại.
Sau khi lưu xong giá trị đã chọn màn hình sẽ chuyển sang C06 nhấn FUNC để lựa chọn tần số ta lựa chọn là 5HZ nhấn FUNC để lưu
Sau khi đã lưu nhấn PRG 2 lần để quay ra màn hình chính
Giao diện điều khiển qua wincc và nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động Điều khiển mở cửa
Khi nhấn REV vào I0.2, nguồn cấp cho Q0.2 được kích hoạt, làm cho tiếp điểm thường mở của Q0.2 đóng lại và duy trì ngõ ra Q0.2 Rơ le 3 (R3) ở ngõ ra Q0.2 có điện, đóng tiếp điểm thường mở R3, điều khiển chân biến tần để động cơ quay ngược với tần số cao, mở cửa nhanh Khi gặp cảm biến 2, tiếp điểm thường đóng I0.4 mở ra, ngắt chế độ tần số cao và đồng thời cấp nguồn cho Q0.1, duy trì điện cho ngõ ra Rơ le 2 (R2) có điện ở ngõ ra Q0.1, đóng tiếp điểm thường mở R2, làm động cơ chạy ngược với tần số thấp, mở cửa chậm lại Cuối cùng, khi gặp cảm biến 1 I0.3, điện ở Q0.1 bị ngắt, động cơ dừng lại, hoàn tất quá trình mở cửa.
Khi nhấn FWD vào ngõ I0.1, nguồn điện được cấp cho Q0.3, khiến tiếp điểm thường mở của Q0.3 đóng lại và duy trì ngõ ra Q0.3 Rơ le 4 (R4) tại ngõ ra Q0.3 có điện, làm cho tiếp điểm thường mở R4 đóng lại, tác động vào chân biến tần để động cơ quay thuận Tiếp điểm thường mở Q0.3 cũng đóng lại, cấp nguồn cho Q0.0, duy trì động cơ chạy thuận với tần số cao Khi gặp cảm biến 4, tiếp điểm thường đóng I0.6 mở ra, ngắt chế độ tần số cao và cấp nguồn cho Q0.1 Tiếp điểm thường mở Q0.1 đóng lại, duy trì điện cho ngõ ra Rơ le 2 (R2) có điện tại ngõ ra Q0.1, làm cho tiếp điểm thường mở R2 đóng lại, khiến động cơ chạy thuận với tần số thấp Cuối cùng, khi gặp cảm biến 3, I0.5 tác động ngắt điện Q0.1, dừng động cơ và cửa đóng hoàn toàn.
Khi cảm biến quang I0.7 nhận đƣợc tín hiệu tác động thì cửa đang đóng sẽ dừng lại ngay lặp tức và cửa mở ra
Nhấn ESTOP tác động vào chân I0.0 , tiếp điểm thường đóng I0.0 mở ra làm ngắt nguồn các chế độ, dừng khẩn cấp
CB bảo vệ quá tải Đồ án điều khiển tự động
Hình 4.1 Cửa thang máy được mô phỏng trên Wincc