BÁO CÁO "HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CẦU QUAY SÔNG HÀN " pdf

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CẦU QUAY SÔNG HÀN CONTROLLING AND SURPERVISING SYSTERM FOR HAN RIVER’S SWING BRIDGE SVTH: Huỳnh Hữu Hoàng 1 , Trần Văn Linh 1 Nguyễn Trọng Thành 1 , Võ Thịnh Bảo 2 Lớp: 1 07D2, 2 07CLC1, 1 Khoa Điện, 2 Khoa Chất Lượng Cao, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai Khoa Điện, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thiết kế hoàn chỉnh mạch điều khiển và hệ thống giám sát cầu quay sông Hàn: chế tạo và lắp ráp tủ động lực, tủ điều khiển và liên kết với các thiết bị ngoại vi: cảm biến, động cơ, phanh thủy lực Sử dụng phần mềm Microwin S7-200 kết hợp với bộ chỉnh lưu số Simoreg DC Master của Simens để điều khiển hệ thống cầu quay. ABSTRACT The purpose of this research is to design a complete controller circuit and surpervising systerm for River Han’s Swing Bridge. The tasks include manufacturing and assembling the power cabinet, the control cabinet and connecting with the peripheral devices (sensors, motors, hydraulic brakes ) Using Microwin S7-200 software combined with Simens’ Simoreg DC Master digital rectifier to cotrol the movement of the bridge. 1. Mở đầu : Cầu sông Hàn được đưa vào sử dụng năm 2001 để thay thế cho bến phà trung tâm thành phố Đà Nẵng. Sau khi đưa vào vận hành cầu đã trở thành biểu tượng của thành phố. Cầu sông Hàn không những có ý nghĩa về giao thông mà còn có ý nghĩa rất quan trọng về chính trị, văn hóa và du lịch. Gần đây, do hệ thống cầu quay sông Hàn do Trung Quốc lắp đặt đã hoạt động nhiều năm đã trở nên cũ kỹ do đó phát sinh các hư hỏng một số thiết bị gây vận hành rất khó khăn và không linh hoạt. Vì vậy nhóm chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát bằng PLC của Siemens hoàn toàn mới thay thế cho hệ thống củ để thực hiện việc quay cầu Sông Hàn an toàn, linh hoạt và hoạt động tốt hơn. 2. Giới thiệu tổng quan hoạt động hệ thống cầu quay sông Hàn : Hệ thống mới lúc khởi động, PLC nhận tín hiệu từ các hạn vị 2 bên bờ và các cảm biến mở bánh xe trụ đỡ cầu. Khi đã có tín hiệu cho phép thì PLC đưa ra điện áp điều khiển tương ứng thích hợp cho từng thời điểm quay của cầu. Ban đầu động cơ được khởi động với tốc độ thấp (điện áp cấp tối đa 100VDC, tương ứng tốc độ xấp xỉ 120v/phút). Mặc dù tốc độ được đặt bằng tay trên bàn điều khiển, nhưng tốc độ khởi động và hãm do PLC đưa đến bộ chỉnh lưu là quy luật không đổi, nên tốc độ đặt chỉ ứng với tốc độ chạy cao nhất của động cơ. Biểu đồ tốc độ của động cơ được thể hiện qua đồ thị như sau: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 2 Hình 1: Biểu đồ thời gian của tốc độ động cơ điều khiển cầu quay 3. Thiết kế hệ thống điệ điều khiển cầu quay sông Hàn: 3.1. Các thông số của 2 động cơ quay cầu : Hai động cơ điện một chiều ZZJ-806 do Trung Quốc sản xuất có các thông số sau: Công suất định mức 22,4kW; Điện áp phần ứng định mức 440VDC; Dòng điện phần ứng định mức 60A; Tốc độ quay định mức 650v/phút; Điện áp kích từ định mức 220VDC; Dòng điện kích từ định mức 3,06A; Khối lượng tổng cộng 770kg. 3.2. Thiết kế tủ động lực của hệ thống : 3.2.1.Phần mạch động lực gồm các thiết bị chính sau : 01 cầu dao 3 pha 60A; 02 áp tô mát 60A; 04 khởi động từ 3 pha: SC-3N, 100A; 02 khởi động từ 3 pha: S-N21, 32A; Hệ thống các role của omron; 01 máy biến áp 3 pha 220/100-Y; 01 chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển; 01 máy biến áp 100/24 một chiều; Hệ thống dây nối, cáp lực và các thiết bị khác. 3.2.2.Mạch động lực : Hình 2 : Mô hình nối dây mạch động lực. Phần mạch điện động lực được bố trí trong tủ động lực. Nguồn cấp lấy từ điện áp 3 pha xoay chiều 220/380 qua cầu dao đảo pha 60A. 3.2.3. Tính toán điện trở hãm cho động cơ : Đặc tính của hệ thống là phải đảm bảo sự an toàn và ổn định khi cầu được quay, hệ thống cầu quay được truyền động bởi các dây cáp thông qua các cơ cấu truyền động, do vậy việc giữ cáp luôn căng trong cả quá trình vận hành là yêu tố rất Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 3 quan trọng. Qua thực nghiệm ta tính toán và đưa vào Hãm Động Năng Không Dừng, nghĩa là trong cả quá trình động cơ quay, luôn có hãm động năng xảy ra. Điện trở hãm được xác định theo dòng điện hãm và điện áp hãm. Vì trong chế độ hãm này động cơ làm việc ở chế độ máy phát nên sức điện động phát ra (1) EK   có giá trị lớn nhất là 320V. Dòng hãm phụ thuộc vào độ căng cáp, thực nghiệm cho thấy với I h = 4  6A thì cáp căng đạt yêu cầu, nếu dòng I h quá lớn sẽ làm cáp quá căng, gây dãn cáp và ứng suất thép sẽ chuyển vị vi sai các phần tử thép của cáp, làm biến dạng cáp. Với I h = 6A, ta có 320 53 6 H R  (2) . Công suất điện trở được chọn : P = U.I = 320.6 = 1920W (3) . Trên thị trường chỉ có loại điện trở 2kW – 380V nên ta chọn loại này làm điện trở hãm. Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ khi hãm động năng không dừng : Hình 3 Hình 4 Hình 3 : Sơ đồ nối dây điện trở hãm động cơ 2 Hình 4 : Đặc tính cơ khi hãm của động cơ nhả cáp khi quay 3.3 Thiết kế tủ điều khiển và giám sát : 3.3.1 Các thiết bị được sử dụng : Mạch điều khiển được bố trí trong tủ điều khiển, gồm thành phần chính là bộ PLC S7-200 226XP và 2 modul mở rộng EM231 và EM232. Các đầu vào PLC là tín hiệu từ các cảm biến, tín hiệu báo đủ pha, tín hiệu điều khiển tốc độ, tín hiệu báo thiếu từ trường, tín hiệu cho phép làm việc và tín hiệu dừng cầu. Được kết nối vào PLC thông qua các Rơle của hãng Omron. Các đầu ra PLC là các tín hiệu đóng/cắt khởi động từ KT1, KT2, KT3, KT4, các đèn báo trạng thái làm việc cho phép chỉnh lưu làm việc, đóng phanh hãm, chuông báo cầu chuẩn bị quay và giá trị đầu ra analog của EM232 để điều khiển tốc độ động cơ thông qua bộ Simoreg Master. Hệ thống cảm biến đưa tín hiệu điều khiển quay cầu gồm : 12 hạn vị chia đều cho hai đầu cầu, phía tây có 6 hạn vị kí hiệu là : PT1, PT2, PT3, PT4, PT5, PT6; Phía đông 6 hạn vị ký hiệu là PD1, PD2, PD3, PD4, PD5, PD6. Chức năng là báo vị trí hãm khi đi ( PT6, PD1 ); khi về ( PT1, PD6), báo vị trí dừng khi đi (PD3, PT4 ), khi về Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 4 (PT3, PD4). Ngoài ra còn có 4 cảm biến từ ở khóa chặn các bánh xe của 4 mấu đỡ cầu trong phần chính giữa nhịp cầu. 3.3.2 Thiết kế các mạch điều khiển và hệ thống giám sát : Hình 4 : Mạch báo tín hiệu điều khiển Hình 5 : Hệ thống giám sát Phần điều khiển gồm có các mạch báo tín hiệu điều khiển như hình 3: gồm mạch báo mất pha, mạch bảo vệ quá dòng, mạch báo thiếu từ trường; mạch nối rơle giữa PLC với các tín hiệu của thiết bị ngoại vi Phần giám sát gồm có hệ thống đèn báo, các nút điều khiển và các đồng hồ đo dòng, đồng hồ đo điện áp. 4. Chỉnh lưu số Simoreg DC Master : Simoreg DC Master được dùng để biến đổi điện áp ra một chiều từ 0 đến 400VDC để điều khiển tốc độ động cơ theo giá trị của điện áp điều khiển. Giá trị điện áp Udk được lấy ra từ 2 chân V, M của module EM232 với dãy giá trị từ 0 đến 10V được đưa đến chân điều khiển của Simoreg. Sơ đồ nối dây : Hình 6 : Nối dây động lực Simoreg Hình 7 : Nối dây điều khiển Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012 5 Lúc đầu khởi động SIMOREG DC MASTER có sự vượt lố xấp xỉ khoảng 43%, nhưng giảm rất nhanh (khoảng vài giây) và trở về tốc độ mới, do đó giúp cho hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh. SIMOREG 6RA70 DC MASTER còn có khả năng tự dò 3 thống số để điều khiển motor kết hợp với tải là: Mạch phần ứng: Rư, Lư; Tốc độ; Sức điện động. 5. Kết quả và bình luận : Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài nhóm chúng tôi đã hoàn thành xong hệ thống điều khiển cầu quay sông Hàn đúng theo tiến độ, và đã đưa vào vận hành song song với hệ thống cũ, tiến dần thay thế hệ thống cũ. Hệ thống mới thiết kế ưu việt hơn hệ thống cũ nhờ bộ chỉnh lưa số Simoreg do đó hệ thống làm việc rất ổn định, tin cậy, tuổi thọ cao, dễ sửa chữa và khắc phục các sự cố xảy ra. Ngoài ra với hệ thống giám sát tin gọn, thuật toán điều khiển tối ưu làm dễ dàng hơn cho người vận hành điều khiển, tránh các sự cố nhầm lẫn không đáng có. 6. Kết luận : Việc hoàn thành đề tài đúng với tiến độ, đưa vào hoạt động đã khắc phục được sự gián đoạn và hư hỏng mà hệ thống cũ gặp phải trong suốt một thời gian dài trước đây. Dù điều khiển và giám sát hệ thống tự động bằng PLC S7-200 không còn mới. Tuy nhiên, việc ứng dụng nó và kết hợp với bộ chỉnh lưu điều khiển số Simoreg DC Master của Simens để điều khiển cầu quay sông Hàn là một vấn đề khá mới vì chưa được đưa vào chương trình học của sinh viên ngành điện học hiện nay. Bộ Simoreg DC Master là một ứng dụng tiên tiến trong việc sử dụng DSP kết hợp FPGA điều khiển chỉnh lưu số, đem lại sự hiệu quả cũng như tính chắc chắn trong việc điều chỉnh điện áp ra cung cấp cho động cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lâm Tăng Đức, Nguyễn Kim Ánh (2005), Giáo trình môn học điều khiển logic,Khoa điện, đại học Bách Khoa, đại học Đà Nẵng. [2] Nguyễn Tấn Phước, Linh kiện điều khiển điện một chiều công nghiệp. NXB TP Hồ Chí Minh [3] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Bùi Đình Tiếu, Lê Tòng (1979),Các đặc tính của động cơ trong truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5] Datasheet SIMOREG DC-MASTER 6RA70 Series . [6] Nguyễn Bính (2005) . Điện tử công suất, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. . cứu thiết kế hoàn chỉnh mạch điều khiển và hệ thống giám sát cầu quay sông Hàn: chế tạo và lắp ráp tủ động lực, tủ điều khiển và liên kết với các thiết bị. hoàn thành xong hệ thống điều khiển cầu quay sông Hàn đúng theo tiến độ, và đã đưa vào vận hành song song với hệ thống cũ, tiến dần thay thế hệ thống