(Đồ án hcmute) thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mô hình cầu trục dầm đôi dùng trong nhà kho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNVÀ GIÁM SÁT MÔ HÌNH CẨU TRỤC DẦM ĐƠI DÙNG TRONG NHÀ KHO GVHD: TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH: HỒNG GIA PHÁT MSSV: 13142411 SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG MSSV: 13142397 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MƠ HÌNH CẨU TRỤC DẦM ĐƠI DÙNG TRONG NHÀ KHO SVTH: Hoàng Gia Phát MSSV: 13142411 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 13142397 Khố : 2013 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử GVHD: TS Trương Đình Nhơn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MƠ HÌNH CẨU TRỤC DẦM ĐƠI DÙNG TRONG NHÀ KHO SVTH: Hoàng Gia Phát MSSV: 13142411 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 13142397 Khố : 2013 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử GVHD: TS Trương Đình Nhơn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Hồng Gia Phát Nguyễn Văn Hưng Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Đình Nhơn Ngày nhận đề tài: 03/2017 MSSV: 13142411 MSSV: 13142397 Lớp: 1314CL2 ĐT: 0903675119 Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mơ hình cẩu trục dầm đơi nhà kho Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tìm hiểu tài liệu, nghiên cứu trước loại cẩu trục có thực tế - PLC S7-300 phần mềm lập trình Nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động cẩu trục - Thiết kế, thi cơng, tính tốn lựa chọn phần cứng cho mơ hình cẩu trục dầm đơi - Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát chuẩn đoán hệ thống qua giao diện SCADA - Lưu trữ, xuất báo cáo, biểu đồ liệu thành file Excel Sản phẩm: - Mơ hình hệ thống điều khiển cẩu trục dầm đôi i an GIẢNG VIÊN HƯỚNGDẪN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Hoàng Gia Phát MSSV: 13142411 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 13142411 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mơ hình cẩu trục dầm đơi nhà kho Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Trương Đình Nhơn NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Hoàng Gia Phát MSSV: 13142411 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 13142411 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mơ hình cẩu trục dầm đôi nhà kho Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2017 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Nhóm sinh viên xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Đồ án khơng thể hồn thành sinh viên nhận hướng dẫn Thầy giáo TS Trương Đình Nhơn, mơn Điều khiển – Tự động hóa Cảm ơn thầy suốt quãng thời gian qua hướng dẫn, tạo điều kiện tốt để sinh viên hồn thành đề tài đồ án Mặc dù cố gắng trình tìm hiểu kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Sinh viên mong nhận góp ý, nhận xét thầy bạn để đồ án hồn thiện Nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh , Ngày…tháng…năm 2017 Sinh viên thực v an TÓM TẮT Đồ án “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mơ hình cẩu trục dầm đôi kho hàng” thực dựa công nghệ phần cứng phần mềm hãng Siemens Tập trung nghiên cứu PLC hãng Siemens, cụ thể S7 – 300 phần mềm STEP Manager WinCC Hệ thống điều khiển giám sát hệ thống bao gồm đăc điểm sau: - Hệ thống thiết kế cho mơ hình cẩu trục dầm đôi - Sử dụng PLC Siemens vào việc lập trình - Do cẩu trục mục đích sử dụng kho hàng, phải có vị trí xác định cho thùng hàng - Hệ thống sử dụng cảm biến số để tạo nên ma trận xác định vị trí hàng hóa - Giám sát điều khiển tình trạng hoạt động hệ thống giao diện SCADA máy tính - Giao diện SCADA thiết kế phần mềm WinCC hãng Siemens - Sử dụng biến tần để điều khiển động - Có thể điều khiển, giám sát truy cập liệu hệ thống từ xa thông qua phần mềm TeamViewer vi an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT .vi DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xii DANH SÁCH BẢNG BIỂU xv Chương 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 1.5.1 Phần cứng .2 1.5.2 Phần mềm .2 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục đồ án Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung cẩu trục 2.1.1 Khái niệm .4 2.1.2 Phân loại 2.1.2.1 Theo công dụng 2.1.2.2 Theo cách dẫn động cấu 2.1.2.3 Theo kiểu dáng kết cấu dầm 2.1.2.4 Theo cách tựa dầm cầu lên đường ray di chuyển cẩu trục 2.1.2.5 Theo cách bố trí cấu di chuyển cẩu trục 2.1.2.6 Theo phạm vị phục vụ 2.1.3 Các cấu cẩu trục vii an 2.1.3.1 Pa lăng nâng hạ (Hoist) 2.1.3.2 Dầm cẩu trục (Main girder) 2.1.3.3 Cơ cấu di chuyển cẩu trục (dầm biên) (End carriage) 2.1.3.4 Hệ thống cấp điện (Electrical component) 10 2.1.3.5 Tủ điện thiết bị an toàn khác (Electric panel and other safety device) 10 2.1.4 Phương pháp điều khiển cẩu trục 10 2.1.4.1 Điều khiển cẩu trục tay bấm có dây (Push pendant button) 10 2.1.4.2 Điều khiển cẩu trục từ cabin (Cabinet Control) 11 2.1.4.3 Điều khiển cẩu trục tay cầm điều khiển từ xa (Radio remote control) 11 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cẩu trục dầm đôi 12 2.2.1 Cấu tạo 12 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 13 2.2.3 Một số thơng số 13 2.2.4 Ưu nhược điểm cẩu trục dầm đôi 14 2.2.5 Ứng dụng 14 2.3 Biến tần 14 2.3.1 Khái niệm biến tần 14 2.3.2 Cấu tạo biến tần 15 2.3.2.1 Bộ chỉnh lưu 15 2.3.2.2 Tuyến dẫn chiều 15 2.3.2.3 IGBT 15 2.3.2.4 Bộ điện kháng xoay chiều 16 2.3.2.5 Bộ điện kháng chiều 17 2.3.2.6 Điện trở hãm 17 2.3.3 Nguyên lý hoạt động biến tần 18 2.3.4 Lợi ích việc sử dụng biến tần 19 2.4 Động xoay chiều pha .19 2.4.1 Giới thiệu động xoay chiều pha 19 2.4.2 Cấu tạo 19 2.4.3 Nguyên lý hoạt động 20 viii an Đồ án tốt nghiệp Chọn “MPI”,do nhóm sử dụng giao tiếp MPI với PLC Chọn “System Parameter”, chuyển sang tab Unit chọn vào “Logical device name”, chọn “PC Adapter.MPI.1” Hình 4.3 Chọn liên kết với WinCC 4.1.2.1.2 Thiết kế trang chức cho hệ thống Để giám sát điều khiển hệ thống, nhóm thiết kế trang phục vụ chức đây: - Trang giám sát tổng quát hệ thống:  Hiển thị phận điều khiển hệ thống  Hiển thị vị trí cẩu trục  Hiển thị tình trạng làm việc biến tần 63 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.4 Trang giám sát - Trang thơng tin hàng hóa :  Hiển thị thơng tin hàng hóa  Nhập xuất liệu hàng Hình 4.5 Trang thơng tin hàng hóa - Trang cảnh báo:  Hiển thị cảnh báo hệ thống  Xem cảnh báo xảy hệ thống gặp cố Hình 4.6 Trang cảnh báo 4.1.2.1.3 Thiết kế tính lưu thơng tin cho hàng hóa Tính lưu trữ thơng tin WinCC có hệ thống hỗ trợ User Archive hình : 64 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.7 Bảng thơng tin User Archive Hình 4.8 Các mục cần thiết với User Archive Các mục hình bao gồm ID, Job, Field, Value, mục quan trọng để vận hành User Archive - ID thứ tự liệu lưu trữ thành hàng User Archive tự động gắn vào liệu nhập - Job tính muốn thực ví dụ như: Job liệu ghi vào, Job đọc liệu từ hệ thống lưu trữ - Field miền hoạt động, nơi thông tin lưu trữ - Value miền hoạt động giống Field nơi để giữ giá trị Field 65 an Đồ án tốt nghiệp Để tạo User Archive trước tiên vào Tag management dùng để tạo tag để lưu liệu vào hình Các tag cần phải tạo phù hợp với mục ID Job phải liệu số có dấu Các tag lại dùng cho miền Field Value khơng cần thiết phải liệu số, liệu chuỗi Hình 4.9 Các tag tạo để tích hợp với User Archive (1) Khi tạo xong tag cần thiết để thực cho mục Vào mục User Archive để tạo nên thư mục để chứa liệu cho hệ thống Hình 4.10 Tích hợp tag với mục User Archive (2) Gắn tag tương ứng vào mục ID, Job, Field, Value Vào thư mục tạo tạo miền hoạt động tag tương ứng 66 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.11 Tích hợp tag với mục User Archive (3) Vào Graphic designer Mở thư viện phần mềm chọn mục “Controls”, chọn “WinCC UserArchiveControl” để lấy bảng điều khiển User Archive Hình 4.12 Nơi lấy bảng User Archive 67 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.13 Bảng chỉnh thuộc tính User Archive Các thuộc tính chỉnh thơng qua VBS script Hình 4.14 Các I/O Field phải tích hợp với tag User Archive Để nhập thơng tin vào User Archive, cần phải có I/O Field để nhập giá trị vào phải định dạng với mục mong muốn 68 an Đồ án tốt nghiệp Để thao tác với User Archive lệnh sau ID Job cần nhớ để thao tác với liệu Hình 4.15 Các lệnh chức hoạt động Job ID 4.1.3 TeamViewer TeamViewer phần mềm dùng để kết nối từ PC đến PC, từ thiết bị di động đến PC, từ PC đến thiết bị di động Khả định tuyến kết nối thông minh, sử dụng hiệu bang thơng, truyền tải liệu nhanh chóng, tốc độ khung hình điều khiển từ xa lên đến 60 khung hình/ giây TeamViewer cịn sử dụng để điều khiển máy tính từ xa thơng qua mạng Internet quản lý chúng, cịn có khả trao đổi tin nhắn Có khả truy cập nhiều người dùng lúc Hình 4.16 Phần mềm TeamViewer Để tăng tính linh động cho hệ thống, việc giám sát hệ thống từ xa khơng có mặt nhà kho Nên kết hợp SCADA với TeamViewer giúp thực điều Để kết nối máy tính thiết bị di động ( tảng IOS, Android, Linux,…) Truy cập vào trang web www.teamviewer.com để download file cài đặt chương trình Sau tiến hành cài đặt chương trình theo bước Khi cài đặt xong phần mềm chương trình lên window sau: 69 an Đồ án tốt nghiệp Hình 4.17 Màn hình TeamViewer Để kết nối ta nhập địa ID thiết bị ta muốn điều khiển sau nhập mật (Password) Lưu ý mật ngẫu nhiên khởi động Từ ta hồn tồn điều khiển máy tính từ xa cho việc giám sát hệ thống cẩu trục dầm đôi 70 an Đồ án tốt nghiệp Chương 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết 5.1.1 Phần cứng Một số hình ảnh mơ hình cẩu trục thực tế Trong đó, hình 5.1 mơ hình hồn chỉnh sau thi cơng Hình 5.1 Mơ hình cẩu trục dầm đơi Với mơ hình ta mô tả hoạt động kho chứa hàng hàng sử dụng cẩu trục, bao gồm phận dầm dầm biên cẩu trục Hình 5.2 Panel bố trí đấu nối thiết bị 71 an Đồ án tốt nghiệp Hình 5.2 giao diện bố trí thiết bị sử dụng hệ thống Nhóm sử dụng mặt mơ hình để bố trí đấu nối thiết bị Theo thứ tự từ trái sang phải hình 5.2 mạch điện tử dùng để khuếch dại tín hiệu cho encoder bảng điều khiển hệ thống Ở phận đấu nối relay, nguồn 24V cho hệ thống điều khiển biến tần dùng để điều khiển motor chạy mơ hình Hình 5.3 Bảng điều khiển tự động tay Khi PLC tín hiệu hư hỏng gặp cố, cẩu trục điều khiển tay thơng qua bảng điều khiển hình : 5.1.2 Phần mềm Kết thi cơng chương trình điều khiển giám sát phần mềm WinCC : 72 an Đồ án tốt nghiệp Hình 5.4 Trang giám sát tổng quan Hình 5.4 trang giám sát tổng quan hệ thống Ở trang thông tin để giám sát hệ thống bảo gồm bảng điều khiển hoạt động động cơ, biến tần vận hành động theo chiều vị trí cẩu trục Hình 5.5 Trang giám sát thơng tin hàng hóa Hình 5.5 trang thể thơng tin hàng hóa đưa vào kho lưu trữ thông tin bảng kế bên 5.2 Nhận xét kết Mơ hình cẩu trục dầm đôi hoạt động theo yêu cầu Tuy nhiên, hệ thống số khuyết điểm sau: - Encoder đếm xung cho cấu nâng hạ chưa xác 73 an Đồ án tốt nghiệp Nguyên nhân: nhóm dùng loại encoder tự tạo, loại Incremental encoder dùng tia led để đếm xung quay động cơ, khó dùng mơi trường nhiều ánh sáng khác nhau, trục động bị cong dẫn tới đĩa quay khơng xác Khắc phục: thay loại loại encoder khác Absolute encoder dùng encoder chế tạo xác 74 an Đồ án tốt nghiệp Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu làm việc, sinh viên thi công, xây dựng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển giám sát cho mơ hình cẩu trục dầm đơi Thành mà sinh viên đạt là: - Mơ hình hoạt động chế độ Auto (tự động kéo hàng lên tới vị trí hạ xuống điều khiển từ PLC) Manual (điều khiển tay chuyển động cẩu trục qua bảng điều khiển ngồi giao diện SCADA) - Mơ hình điều khiển giám sát trực tiếp qua giao diện SCADA máy tính - Lưu trữ liệu thơng tin hàng hóa xuất báo cáo dạng excel - Thời gian đáp ứng hệ thống giữ mức chấp nhận - Sự xác - Tính ổn định hệ thống chưa cao - Hệ thống đạt tính thẫm mỹ có mức độ an tồn cao - Trong q trình tìm hiểu nhóm tìm hiểu cách mà PLC hãng vận hành, cụ thể PLC S7-300, CPU 313C Tìm hiểu cách đấu dây cảm biến vào module CPU cách tác động thiết bị điều khiển tới thiết bị ngoại vi, tìm hiểu rõ chương trình dùng để lập trình cho PLC - Cùng với nhóm tìm hiểu rõ cách lập trình tạo nên giao diện SCADA tiêu chuẩn - Tìm hiểu cách vận hành số loại biến tần hãng Mitsubishi vả hãng Fuji 6.2 Hướng phát triển Cơ cấu nâng hạ dùng móc treo thay nam châm điện để tăng thêm tính tự động cho hệ thống Để cho hệ thống chạy vị trí xác nên phối hợp thêm encoder vào động di chuyển qua lại để tạo thành vịng hồi tiếp kín Cần gắn thêm loadcell để giới hạn trọng lượng nâng gửi tín hiệu giám sát trọng lượng cho phép SCADA 75 an Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] S7-300 CPU 31xC and CPU 31x: Technical specifications, 3/2011 [2] Mitsubishi General Purpose Inverter FREQROL – U100 [3] WinCC V7.4 – WinCC: General information and installation, 2/2016 [4] Simatic HMI WinCC v7.2 ( WinCC Tools ) 2/2013 [5] Fuji General-Purpose Inverter FVR-E9S Series [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Overhead_crane [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Container_crane Tiếng Việt: [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/C%E1%BA%A7u_tr%E1%BB%A5c 76 an S an K L 0