Thiết kế hệ thống điều khiển cho cầu trục phòng thực hành thí nghiệm tự động hóa trường ĐH CNTT&TT

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên nói chung thầy cô giáo Khoa Công nghệ Tự động hóa nói riêng Cảm ơn thầy cô tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian em sinh viên trường Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy BÙI TUẤN ANH, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Trong trình làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho em trình học tập làm việc sau Sau em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè động viên, góp ý giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp Do thời gian hoàn thành đồ án có giới hạn, chắn đồ án không tránh khỏi thiếu sót nên em mong đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh viên thực Đàm Quang Hưng LỜI CAM ĐOAN Em – Đàm Quang Hưng - cam kết ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP công trình nghiên cứu thân em hướng dẫn ThS Bùi Tuấn Anh Các kết nêu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trung thực, chép toàn văn công trình khác, sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật nhà trường Thái Nguyên, tháng năm 2016 Người cam đoan Đàm Quang Hưng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC 1.1 Tổng quan hệ thống cầu trục 1.1.1 Giới thiệu hệ thống cầu trục 1.1.2 Phân loại cầu trục 10 1.1.3 Điều kiện an toàn máy trục 17 1.2 Hệ thống cầu trục điều khiển từ xa 18 1.2.1 Yêu cầu thiết kế 18 1.2.2 Chọn phương án thiết kế phù hợp 18 Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH CẦU TRỤC 20 2.1 Phân tích yêu cầu điều khiển20 2.2 Chọn thiết bị điều khiển 20 2.3 PLC s7-1200 23 2.3.1 Khái niệm chung PLC s7-1200 23 2.3.2 Các module hệ PLC S7-1200 24 2.3.3 Phần mềm lập trình Tia Portal 27 2.3.4 TÍN HIỆU ANALOG VÀ CÁCH XỬ LÝ TRONG PLC S7-1200 34 2.4 Biến tần LS IC5 41 2.4.1 Các đặc trưng biến tần IC5 41 2.4.2 Các chức bảo vệ 45 2.4.3 Màn hình lắp rời 45 2.4.4 Môi trường 45 2.4.5 Sơ đồ đấu nối 45 2.4.6 Sơ đồ chân đấu 48 2.4.7 Bàn phím 49 2.4.8 Nhóm thông số 50 2.5 Cài đặt biến tần nhóm chức Input/Output (I/O Group) Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 52 3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống cầu trục 3.2 Sơ đồ trạng thái hệ thống cầu trục 53 3.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống cầu trục 54 52 3.3.1 Lưu đồ thuật khối OB1 55 3.3.2 Lưu đồ thuật khối FB3 (Điều khiển xe to nút bấm) 56 3.3.3 Lưu đồ thuật khối FB4 (Điều khiển xe nút bấm) 57 3.3.4 Lưu đồ thuật khối FB5 (Điều khiển palang nút bấm) 58 3.3.5 Lưu đồ thuật khối FB6 (Điều khiển xe to RF) 59 3.3.6 Lưu đồ thuật khối FB7 (Điều khiển xe RF)60 3.3.7 Lưu đồ thuật khối FB8 (Điều khiển palang RF) 3.4 Xử lý tín hiệu analog từ loadcell 3.5 Giám sát WinCC 7.2 71 3.5.1 Bảng tagbit giá trị 71 62 3.5.2 Giao diện giám sát WinCC 7.2 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 74 71 61 51 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cầu trục công nghiệp Hình 1.2 Cầu trục dầm 11 Hình 1.3 Cầu trục dầm dẫn động tay 11 Hình 1.4 Cầu trục hai dầm 12 Hình 1.5 Cầu trục tựa 13 Hình 1.6 Cầu trục treo 14 Hình 1.7 Cầu trục dẫn động chung15 Hình 1.8 Cầu trục dẫn động riêng 15 Hình 1.9 Cầu trục dẫn đọng tay 16 Hình 2.1 So sánh PLC S7-1200 S7-200 module mở rộng Hình 2.2 PLC S7-1200 22 23 Hình 2.3 Thiết bị lập trình kết nối đến CPU S7-1200 Hình 2.4 Kết nối HMI-CPU S7-1200 33 34 Hình 2.5 Kết nối trực tiếp CPU S7-1200 kết nối với CPU S7-1200 khác 34 Hình 2.6 Kết nối mạng có nhiều thiết bị kết nối với nhau, cách sử dụng chuyển mạch Ethernet CSM1277 34 Hình 2.7 Địa Device Overview 37 Hình 2.8 Xử lí giá trị analog PLC S7-120037 Hình 2.9 Hàm Scale_X đồ thị 38 Hình 2.10 Hàm Norm_X đồ thị 39 Hình 2.11 Kết hợp hàm Norm_X Scale_X để nhận tín hiệu tương tự Hình 2.12 Biến tần LS IC5 41 Hình 2.13 Ý nghĩa tên biến tần Ls 42 Hình 2.14 Thông số biến tần IC5 42 Hình 2.15 Sơ đồ khối biến tần IC546 40 Hình 2.16 Đấu dây biến tần LS IC5 47 Hình 2.17 Các nhóm thông số biến tần IC5 50 Hình 3.1 Sơ đồ trạng thái hệ thống cầu trục 53 Hình 3.2 Lưu đồ thuật khối OB1 55 Hình 3.3 Lưu đồ thuật khối FB3 (Điều khiển xe to nút bấm) 56 Hình 3.4 Lưu đồ thuật khối FB4 (Điều khiển xe nút bấm) 57 Hình 3.5 Lưu đồ thuật khối FB5 (Điều khiển palang nút bấm) 58 Hình 3.6 Lưu đồ thuật khối FB6 (Điều khiển xe to RF) 59 Hình 3.7 Lưu đồ thuật khối FB7 (Điều khiển xe RF) 60 Hình 3.8 Lưu đồ thuật khối FB8 (Điều khiển palang RF) 61 Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ U(V) P(Kg) Hình 3.10 Thuấn toán xử lí tín hiệu analog 63 Hình 3.11 Tiến hành cân xác định khối lượng chuẩn Hình 3.12 Quả cân chuẩn 64 Hình 3.13 Hàm Norm_X hàm Scale_X Hình 3.14 Xử lí khoảng đo PLC 69 Hình 3.15 Bảng tagbit giá trị 71 Hình 3.16 Giao diện giám sát WinCC 71 62 65 64 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các đặc tính module mở rộng sau Bảng 2.2 PLC S7-1200 có loại sau 24 Bảng 2.3 Module xuất nhập tín hiệu số 26 Bảng 2.4 Module xuất nhập tín hiệu tương tự Bảng 2.4 Giá trị hàm Scale_X 38 Bảng 2.5 Giá trị hàm Norm_X 39 Bảng 2.6 Đặc điểm kỹ thuật (Mức200-230V) 22 26 43 Bảng 2.7 Điều khiển43 Bảng 2.8 Hoạt động 43 Bảng 2.9 Mô tả chân đấu L1, L2, U, V, W, P, P1, G 48 Bảng 2.10 Mô tả chân đấu P1, P2, P3, P4, P5, P24, VR, I, CM, AM-CM, 30A,30C, 30B, MO-EXTG 48 Bảng 2.11 Bàn phím biến tần LS IC5 49 Bảng 2.12 Nhóm chức biến tần LS IC5 50 Bảng 2.13 Cài đặt biến tần nhóm chức Input/Output (I/O Group) 51 Bảng 3.1 PLC Tags 54 Bảng 3.2 Hàm Norm_X 65 Bảng 3.3 Hàm Scale_X 65 Bảng 3.4 Giá trị đo thực tế 70 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ, khoa học kỹ thuật ngày ứng dụng rộng rãi, trực tiếp gián tiếp nâng cao mức sống người, giải phóng dần sức lao động chân tay người lao động, tăng suất lao động chất lượng sản phẩm Việc tìm hiểu hệ thống nắm nguyên lý vận hành thiết bị tự động hoá máy, dây chuyền sản xuất yêu cầu quan trọng thiếu kỹ sư Trong thời gian thực tập tốt nghiệp nhà máy thủy điện Hòa Bình, em sâu vào việc nghiên cứu, tìm hiểu ứng dụng PLC việc điều khiển hệ thống Từ tiền đề đó, thầy giáo hướng dẫn, Th.S Bùi Tuấn Anh tin tưởng giao cho em đề tài tốt nghiệp, là: Thiết kế hệ thống điều khiển cho cầu trục phòng thực hành thí nghiệm tự động hóa trường ĐH CNTT&TT Trong thời gian làm đồ án, khối lượng kiến thức công việc nhiều với nỗ lực thân, với hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình bạn bè, em hoàn thành yêu cầu đặt đồ án Do thời gian làm đồ án kiến thức thân có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý, bảo thầy, cô giáo để hoàn thành đồ án với kết tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Th.S Bùi Tuấn Anh, thầy cô giáo môn bạn bè giúp đỡ em hoàn thành đồ án Thái nguyên tháng Năm 2016 Sinh viên Đàm Quang Hưng Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC 1.1 Tổng quan hệ thống cầu trục 1.1.1 Giới thiệu hệ thống cầu trục Hình 1.1 Cầu trục công nghiệp Cầu trục - máy nâng chuyển loại máy công tác dùng để thay đổi vị trí đối tượng công tác nhờ thiết bị mang vật trực tiếp, đời phát triển gắn liền với yêu cầu kinh tế kỹ thuật ngành công nghiệp nhằm giảm tối đa sức người lao động Đặc điểm làm việc cấu máy nâng ngắn hạn, lặp lặp lại có 10 H44 Tổn hao độ tự đến 32767 1000 Có cảm H45 Độ lợi P sensor đến 32767 100 Có H46 Độ lợi I sensor đến 32767 Không H50 Lựa chọn tín (I) Có 300 Có Có Có hiệu hồI tiếp PIP (V1) H51 Độ lợi P 999.9[%] điều khiển PID H52 H53 H54 Độ lợi I cho điều 0.1 đến 32.0 khiển PID [sec] Độ lợi D cho 0.1 đến 30.0 điều khiển PID [sec] Độ lợi F 999.9[%] Có Giới hạn tần số đến Tần số 60 Có cho điều khiển max[Hz] Có Không điều khiển PID H55 PID H70 Tần số tham (Max freq.) chiếu cho (Delta freq.) tăng/giảm tốc H71 Tỷ lệ thời gian (0.001s) tăng giảm tốc (0.01s) (1s) 120 H72 Hiển thị (Lệnh tần số) Có (ThờI gian tăng tốc) (ThờI gian giảm tốc) (Chế độ điều khiển) (Chế độ tẩn số) (Tần số bước 1) (Tần số bước 2) (Tần số bước 3) (Dòng) (Tốc độ) 10 (Liên kết điện áp DC) 11 (Hiển thị sử dụng) 12 (Hiển thị lỗi) 13 (Điều khiển động cơ) H73 Lựa chọn cấu (Điện áp) hình sử dụng (Watt) (Momen) 121 Có H74 Tăng hiển thị tốc đến 1000[%] 100 Có độ H79 Loại phần mềm x.xx x.xx * H81 Thời gian tăng đến 6000 [s] Có đến 6000 [s] 10 Có Thời gian tăng 30 đến Tần số 60 Không tốc thứ max[Hz] Đặc tuyến V/F (Linear) Không thứ (Square) Không Không 150 Không tốc thứ H82 Thời gian tăng tốc thứ H83 H84 (User V/F) H85 Tăng momen thứ 0.0 đến 15.0[%] theo chiều thuận H86 Tăng momen thứ 0.0 đến 15.0[%] theo chiều nghịch H87 Cấp ngăn ngừa 30 đến 150[%] dừng máy thứ H88 Cấp nhiệt điện H89 đến 200[%] 150 Có 50 đến H88[%] 100 Có 0.1 đến 20[A] * Không tử thứ -1 phút H89 Cấp nhiệt điện tử thứ -tiếp tục H90 Dòng danh định thứ 122 H93 Thông số ban (Có) Không đầu (Tất đến FFF Có đến FFF Có Thời gian lọc đến 9,999 10 Có không đổi cho [msec] đến 10V Có đến 400 [Hz] 0.0 Có đến 10V 10 Có đến 400 [Hz] 60.0 Có đến 9,999[ms] 10 Có đến 10V Có nhóm) (Điều khiển) (Chức 1) (Chức 2) (I/O) H94 Bảo vệ thông số ghi H95 Bảo vệ thông số thay đổi I1 tín hiệu vào V0 I2 Điện áp vào V0 I3 Tần số tương ứng đến I2 I4 Điện áp vào V0 max I5 Tần số tương ứng đến I4 I6 Thời gian lọc không đổi cho tín hiệu vào V44 I7 Điện áp vào V1 0min 123 I8 I9 Tần số tương đến Tần số 0.0 Có ứng đến I7 max[Hz] Điện áp vào V1 đến 10V 10 Có Tần số tương đến Tần số 60.0 Có ứng đến I9 max[Hz] Thời gian lọc đến 9,999 100 Có không đổi cho [msec] max I10 I11 tín hiệu vào I I12 Dòng vào I đến 20[mA] Có I13 Tần số tương đến Tần số Có ứng đến I12 max[Hz] I14 Dòng vào I max I12 đến 20[mA] 20 Có I15 Tần số tương I12 đến 20[mA] 60.0 Có ứng đến I14 đến Tần số max[Hz] I16 Tiêu chuẩn cho (Không) trường hợp (Nửa x1) tín hiệu tốc độ (Dưới x1) analog 124 I20 Xác định chân (FX) Có đầu vào đa chức (RX) (BX) P18, 9, 15, 20, (RST) 21, 22, 23, 24, (JOG) 25, 26 (Speed-L) (- dành riêng -) (Speed-M) Giống I20 Có Giống I20 Có (Speed-H) (XCEL-L) (XCEL-M) 10 (XCEL-H) 11 (DC-Brake) 15 (Up) 16 (Down) 17 (3 wire) 18 (EXT-A) 19 (EXT-B) 21 (Open-loop) 22 (Main drive) 23 (Analog hold) 24 (XCEL-stop) I21 Xác định đầu vào chân đa chức P2 I22 Xác định đầu vào chân đa chức P3 125 I23 Xác định đầu Giống I20 Có Giống I20 Có Các trạng thái 00000-11111 * * đầu vào [bit] Các trạng thái 00-11[bit] * * đến Tần số 15 Có 30 Có 25 Có 20 Có 15 Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có vào chân đa chức P4 I24 Xác định đầu vào chân đa chức P5 I25 I26 đầu I27 Thời gian lọc cố định cho đầu vào max[[Hz] chân đa chức đến Tần số max[[Hz] 15 C I30 Tần số bước đến Tần số max[[Hz] I31 Tần số bước đến Tần số max[[Hz] I32 Tần số bước đến Tần số max[[Hz] I33 Tần số bước đến Tần số max[[Hz] I34 Thời gian tăng tốc I35 Thời gian giảm tốc 126 I36 Thời gian tăng đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có đến 600 [s] Có tốc I37 Thời gian giảm tốc I38 Thời gian tăng tốc I39 Thời gian giảm tốc I40 Thời gian tăng tốc I41 Thời gian giảm tốc I42 Thời gian tăng tốc I43 Thời gian giảm tốc I44 Thời gian tăng tốc I45 Thời gian giảm tốc I46 Thời gian tăng tốc I47 Thời gian giảm tốc 127 I50 Đầu AM (Tần số) Có 100 đến 200[%] 100 Có đến Tần số 30 Có 10 Có (Dòng) (Điện áp) (Liên kết điện áp DC) I51 Điều chỉnh đầu AM I52 Cấp dò tần số max[Hz] I53 Dò tần số rộng đến Tần số max[Hz] 128 I54 Xác định đầu (FDT-1) khối đa chức (FDT-2) MO (FDT-3) 12 (FDT-4) (FDT-5) (OL) (IOL) (Stall) (OV) (LV) 10 (OH) 11 (Mất lệnh) 12 (Chạy) 13 (Dừng) 14 (Steady) 15 (Tìm kiếm) 16 (Chuẩn bị) 17 (Chọn lỗi) I55 Xác định Giống I54 12 Có Cài đặt rơle báo 000 đến 111(bit Có lỗi set) (30A, 30B,30C) Bit : Điện áp chức Rơle I56 thấp Bit : Lỗi Bit : Số lần tự động reset 129 010 I60 Số biến tần đến 32 Có I61 Tốc độ (1200bps) Có Có 10 Có (2400bps) (4800bps) 3(9600bps) 4(19200bps) I62 Lựa chọn hoạt 0(Không) động tần 1(Tự chạy) I63 số tham chiếu 2(Dừng Thời gian chờ 0.1 đến 12[s] sau tần số tham chiều 130 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 131 Thái nguyên, ngày…tháng…năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Th.s Bùi Tuấn Anh 132 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 133 Thái nguyên, ngày…tháng…năm 2016 Giáo viên phản biện 134