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

Việc tìm hiểu hệ thống và nắm được nguyên lý vận hành của các thiết bị tự động hoá trong các máy, dây chuyền sản xuất là yêu cầu quan trọng không thể thiếu của một kỹ sư.. Chương 1: TỔNG

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên nói chung và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa nói riêng Cảm ơn các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian em là sinh viên trong trường

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy BÙI TUẤN ANH, thầy đã tận tình

giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trong quá trình làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức

bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, góp ý và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Do thời gian hoàn thành đồ án có giới hạn, chắc chắn rằng đồ án không tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Đàm Quang Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Em – Đàm Quang Hưng - cam kết ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là công trình

nghiên cứu của bản thân em dưới sự hướng dẫn của ThS Bùi Tuấn Anh

Các kết quả nêu trong ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác, nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật của nhà trường

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 Người cam đoan

Đàm Quang Hưng

2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC 9

1.1 Tổng quan về hệ thống cầu trục 9

1.1.1 Giới thiệu hệ thống cầu trục 9

1.1.2 Phân loại cầu trục 10

1.1.3 Điều kiện an toàn của 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 trong hệ PLC S7-1200 24

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 bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group) 51Chương 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 52

3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cầu trục 52

3.2 Sơ đồ trạng thái của hệ thống cầu trục 53

3.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống cầu trục 54

3.3.1 Lưu đồ thuật khối OB1 55

3.3.2 Lưu đồ thuật khối FB3 (Điều khiển xe to bằng nút bấm) 56

3.3.3 Lưu đồ thuật khối FB4 (Điều khiển xe con bằng nút bấm) 57

3.3.4 Lưu đồ thuật khối FB5 (Điều khiển palang bằng nút bấm) 58

3.3.5 Lưu đồ thuật khối FB6 (Điều khiển xe to bằng RF) 59

3.3.6 Lưu đồ thuật khối FB7 (Điều khiển xe con bằng RF)60

3.3.7 Lưu đồ thuật khối FB8 (Điều khiển palang bằng RF) 61

3.4 Xử lý tín hiệu analog từ loadcell 62

3.5 Giám sát trên WinCC 7.2 71

Hình 2.3 Thiết bị lập trình được kết nối đến CPU S7-1200 33

Hình 2.7 Địa chỉ trên Device Overview 37

Hình 2.8 Xử lí giá trị analog trong PLC S7-120037

Hình 2.9 Hàm Scale_X và đồ thị 38

Hình 2.10 Hàm Norm_X và đồ thị 39

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 bằng nút bấm) 56Hình 3.4 Lưu đồ thuật khối FB4 (Điều khiển xe con bằng nút bấm) 57Hình 3.5 Lưu đồ thuật khối FB5 (Điều khiển palang bằng nút bấm) 58Hình 3.6 Lưu đồ thuật khối FB6 (Điều khiển xe to bằng RF) 59

Hình 3.7 Lưu đồ thuật khối FB7 (Điều khiển xe con bằng RF) 60

Hình 3.8 Lưu đồ thuật khối FB8 (Điều khiển palang bằng RF) 61

Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ giữa U(V) và P(Kg) 62

Hình 3.10 Thuấn toán xử lí tín hiệu analog 63

Hình 3.11 Tiến hành cân xác định khối lượng chuẩn 64

Hình 3.12 Quả cân chuẩn 64

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các đặc tính của module mở rộng như sau 22

Bảng 2.2 PLC S7-1200 có các loại sau 24

Bảng 2.3 Module xuất nhập tín hiệu số 26

Bảng 2.4 Module xuất nhập tín hiệu tương tự 26

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 năng biến tần LS IC5 50

Bảng 2.13 Cài đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group) 51Bảng 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, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, khoa học kỹ thuật ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trực tiếp hoặc gián tiếp nâng cao mức sống của con người, giải phóng dần sức lao động chân tay của người lao động, tăng năng suất lao động và chất lượng của sản phẩm Việc tìm hiểu hệ thống và nắm được nguyên lý vận hành của các thiết bị tự động hoá trong các máy, dây chuyền sản xuất là yêu cầu quan trọng không thể thiếu của một kỹ sư

Trong thời gian đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy thủy điện Hòa Bình, em đã

đi sâu vào việc nghiên cứu, tìm hiểu các ứng dụng của PLC trong việc điều khiển các hệ thống tại đây Từ tiền đề đó, thầy giáo hướng dẫn, Th.S Bùi Tuấn Anh đã

tin tưởng giao cho em đề tài tốt nghiệp, đó 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, tuy khối lượng kiến thức và công việc rất nhiều nhưng với sự nỗ lực của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè, em đã hoàn thành được cơ bản các yêu cầu đặt ra của đồ án

Do thời gian làm đồ án và kiến thức của bản thân còn có hạn nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo để có thể hoàn thành đồ án này với kết quả tốt hơn nữa

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: Th.S Bùi Tuấn Anh, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC

1.1 Tổng quan về hệ thống cầu trục

1.1.1 Giới thiệu hệ thống cầu trục

Hình 1.1 Cầu trục trong công nghiệp

Cầu trục - máy nâng chuyển là các loại máy công tác dùng để thay đổi vị trí của đối tượng công tác nhờ thiết bị mang vật trực tiếp, sự ra đời và phát triển của

nó gắn liền với yêu cầu về kinh tế kỹ thuật của ngành công nghiệp nhằm giảm tối

đa sức người trong lao động

Đặc điểm làm việc của các cơ cấu máy nâng là ngắn hạn, lặp đi lặp lại và có

10

thời gian dừng Chuyển động chính của máy là nâng hạ vật theo phương thẳng đứng, ngoài ra còn một số các chuyển động khác để dịch chuyển vật trong mặt phẳng ngang như chuyển động quay quanh trục máy, di chuyển máy, chuyển động lắc quanh trục ngang Bằng sự phối hợp giữa các chuyển động, máy có thể dịch chuyển vật đến bất cứ vị trí nào trong không gian làm việc của nó.

Để đáp ứng yêu cầu và đòi hỏi của các ngành công nghiệp khác nhau, kỹ thuật nâng vận chuyển cũng xuất hiện nhiều loại máy nâng vận chuyển mới, luôn cải tiến và hợp lí hóa phương pháp phục vụ, nâng cao hơn độ tin cậy làm việc, tự động hóa các khâu điều khiển, tiện nghi và thỏa mãn yêu cầu của người sử dụng Tùy theo kết cấu và công dụng, máy nâng chuyển được chia thành các loại: kích, bàn tời, palăng, cầu trục, cổng trục, thang nâng

Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu Loại này di chuyển trên đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, xe con mang hàng di chuyển trên kết cấu thép kiểu cầu, cầu trục có thể nâng hạ và vận chuyển hàng theo yêu cầu tại bất kỳ điểm nào trong không gian của nhà xưởng Cầu trục được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng như móc treo, thiết

bị cặp, nam châm điện Đặc biệt cầu trục được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo máy và luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng

1.1.2 Phân loại cầu trục

- Cầu trục chuyên dùng là loại cầu trục mà thiết bị mang vật của nó chuyên

để nâng một loại hàng hóa nhất định Cầu trục chuyên dùng được sử dụng chủ trong công nghiệp luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng

b.Theo kết cấu dầm cầu

- Theo kết cấu dầm có loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm

- Cầu trục một dầm là loại máy trục kiểu cầu thường có một dầm chạy chữ I hay tổ hợp với các dàn thép tăng cường cứng cho dầm cầu Xe con cho palang di chuyển trên cánh dưới dầm chữ I, hoặc mang cơ cấu nâng di chuyển phía trên dầm chữ I, toàn bộ cầu trục có thể di chuyển dọc theo nhà xưởng trên đường ray chuyên dụng ở trên cao Tất các cầu trục một dầm đều dùng palang đã được chế tạo sẵn theo tiêu chuẩn để làm cơ cấu nâng hạ hàng Nếu nó được trang bị palang keo tay thì gọi là cầu trục một dầm dẫn động bằng tay, nếu được trang bị palang điện thì gọi là cầu trục một dầm dẫn động bằng điện

12

Hình 1.2 Cầu trục một dầm

- Cầu trục một dầm dẫn động bằng tay có kết cấu đơn giản và rẻ tiền nhất, chúng được sử dụng trong công nghiệp sữa chữa, lắp đặt thiết bị với khối lượng công việc ít, sức nâng của cầu trục loại này thường khoảng từ 0,5-5 tấn, tốc độ làm việc chậm

Hình 1.3 Cầu trục 1 dầm dẫn động bằng tay

- Cầu trục một dầm dẫn động bằng điện được trang bị palang điện nên sức nâng có thể lên 10 tấn , khẩu độ đến 30 m, gồm có bộ phận cấp điện lưới 3 pha

14

- Xe con mang hàng di chuyển dọc trên đường ray lắp trên hai dầm chủ, trên

trục Các bộ phận của cầu trục thực hiện ba chức năng: nâng hạ hàng di chuyển xe con và di chuyển cầu trục Sức nâng của cầu trục hai dầm trong khoảng từ 5 – 30 tấn, khi có yêu cầu riêng có thể lên đến 500 tấn Ở cầu trục có sức nâng trên 10 tấn, thường được trang bị hai tời nâng cùng vơi hai móc câu chính và phụ, tời phụ thường có sức nâng bằng một phần tư (0,25) sức nâng của tời chính, nhưng tốc độ nâng thì lớn hơn.

- Dầm chính của cầu trục hai dầm được chế tạo dạng hộp hoặc giàn không gian Dầm giàn không gian tuy nhẹ hơn dầm hộp nhưng khó chế tạo và dùng cho cầu làm dưới dạng hộp và được liên kết với các dầm chính bằng mối hàn hoặc bu lông

c, Theo cách tựa của dầm chính

- Theo cách tựa của dàm chính thì có loại cầu trục tựa và cầu trục treo

Hình

16

1.5 Cầu trục tựa

- Cầu trục cầu là loại cầu trục có hai đầu của dầm chính rựa lên dầm cuối, chúng được liên kết với nhau bởi đinh tán hoặc hàn, loại cầu trục này có kết cấu đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được độ tin cậy cao nên cũng được dùng phổ biến Trên hình 1.5 là hình chung của cầu trục tựa loại 1 dầm phần kết cấu gồm dầm cầu

1 có hai đầu tựa lên các dầm cuối 5 với các bánh xe di chuyển dọc theo nhà xưởng Loại cầu trục này thường dùng phương án dẫn động chung, phía trên dầm chữ I là khung thép 4 để đảm bảo độ cứng vững theo phương ngang của dầm cầu Palăng điện 3 có thể chạy dọc theo cánh thép phía dưới của dầm I nhờ cơ cấu di chuyển palăng Cabin điều khiển được treo vào kết cấu chịu lực của cầu trục

Hình 1.6 Cầu trục treo

- Cầu trục treo là loại cầu trục mà toàn bộ phần kết cấu có thể chạy dọc theo nhà xưởng nhờ hai ray treo hoặc nhiều ray treo Do liên kết treo của các ray phức tạp nên loại cầu trục này chỉ được dùng trong các trường hợp đặc biệt cần thiết so với cầu trục tựa cầu trục treo có ưu điểm là có thể làm dầm cầu dài hơn, do

đó có thể phục vụ cả phần rìa mép của nhà xưởng thậm chí có thể chuyển hàng giữa hai nhà xưởng song song đồng thời kết cấu của cầu trục treo nhẹ hơn cầu trục tựa Tuy nhiên cầu trục treo có chiều cao nâng thấp hơn cầu trục tưa

d Theo cách bố trí cơ cấu cơ cấu di chuyển cầu trục

- Cầu trục dẫn động chung

- Cầu trục dẫn động riêng

- Cơ cấu di chuyển của cầu trục có thể thực hiện theo 2 phương án dẫn động chung và dẫn động riêng Trong phương án dẫn động chung, động cơ động được đặt ở giữa dầm cầu và truyền chuyển động đến các bánh xe chủ động ở hai bên ray nhờ các trục truyền Các trục truyền có thể là trục quay nhanh quay chậm, quay trung bình

18

Hình 1.7 Cầu trục dẫn động chung

Hình 1.8 Cầu trục dẫn động riêng

- Cơ cấu di chuyển dẫn động riêng (Hình 1.8) gồm hai cơ cấu như nhau dẫn

động cho các bánh xe chủ động ở mỗi bên ray đặc biệt Công suất của mỗi động cơ thường lấy bằng 60% tổng công suất của yêu cầu Phương án này tuy có sự xô lệnh dầm cầu khi di chuyển do lực cản ở hay bên ray không đều song do nhỏ gon, dễ lắp đặt sử dụng và bảo dưỡng mà ngày càng được sử dụng phổ biến hơn, đặc biệt là những cầu trục có khẩu độ trên 15m

e Theo nguồn dẫn động

- Cầu trục dẫn động bằng tay và cầu trục dẫn động bằng máy

- Cầu trục dẫn động bằng tay: Được dùng chủ yếu trong lắp ráp sửa chữa nhỏ và các công việc nâng chuyển không cần tốc độ cao Cơ cấu nâng của loại cầu

20

trục nầy thường là palăng kéo tay Cơ cấu di chuyển palang xích và cầu trục cũng được dẫn động bằng cách kéo xích từ dưới lên Tuy là thiết bị thô sơ song giá thành rẻ và dễ sử dụng nên cầu trục dẫn động bằng tay vẫn được sử dụng hiệu quả trong các phân xưởng nhỏ.

- Cầu trục dẫn động bằng động cơ: Thường được sử dụng trong các phân xưởng sửa chữa lắp ráp lớn và công việc yêu cầu khối lượng và tốc độ làm việc cao

Cơ cấu nâng của loại cầu trục này là palăng điện Cơ cấu di chuyển palang điện, xe con

và cầu cũng được dẫn động bằng động cơ điện Loại cầu trục này được sử dụng phổ biến nhất do có nhiều ưu điểm nổi bật là khả năng tự động hóa, thuận tiện cho người

sử dụng và có thể sử dụng trong việc vận chuyển các loại hàng có khối lượng lớn

Hình 1.9 Cầu trục dẫn đọng bằng tay

cầu trục điều khiển từ dưới nền nhờ nút bấm Điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm thường dùng cho các loại cầu trục 1 dầm có tải trọng nâng nhỏ.

1.1.3 Điều kiện an toàn của máy trục

Trong thực tế tần suất xảy ra tai nạn trong sử dụng máy nâng là lớn hơn rất nhiều so với các loại máy khác Do vậy vấn đề an toàn trong sử dụng máy nâng là vấn đề quan trọng được đặt lên hàng đầu

Với cầu trục lăn do có nhiều bộ phận máy lắp với nhau và được đặt trên cao

do vậy cần phải thường xuyên kiểm tra để kịp thời phát hiện những hư hỏng như lỏng các mối ghép, rạn nứt tại các mối hàn do thời gian sử dụng lâu…

Đối với các chi tiết máy chuyển động như bánh xe, trục quay phải có vỏ bọc

an toàn nhằm ngăn những mảnh vỡ văng ra nếu có sự cố khi chi tiết máy hoạt động

Toàn bộ hệ thống điện trong máy phải được nối đất Với các động cơ đều có phanh hãm tuy nhiên phải kiểm tra phanh thường xuyên không để xảy ra hiện tượng kẹt phanh gây nguy hiểm khi sử dụng

Tất cả những người điều khiển máy làm việc hay phục vụ máy trong phạm

vi làm việc của máy đều phải học tập các quy định về an toàn lao động có làm bài kiểm tra và phải đạt kết quả

Trong khi máy làm việc công nhân không được đứng trên vật nâng hoặc bộ phận mang để di chuyển cùng với vật cùng như không được dùng dưới vật nâng đang di chuyển

Đối với máy không không hoạt động thường xuyên (nhiều ngày không sử dụng) khi đưa vào sử dụng phải kiểm tra toàn bộ kết cấu máy Để kiểm tra tiến hành thử máy với hai bước là thử tĩnh và thử động

Bước thử tĩnh: treo vật nâng có trọng lượng bằng 1,25 lần trọng lượng nâng danh nghĩa của cầu trục thiết kế và để trong thời gian từ 10 đến 20 phút

Theo dõi biến dạng của toàn bộ các cơ cấu máy Nếu không có sự cố gì xảy

ra thì tiếp tục tiến hành thử động

Bước thử động: Treo vật nâng có trọng lượng bằng 1,1 trọng lượng nâng

22

danh nghĩa sau đó tiến hành mở máy nâng, di chuyển, hạ vật, mở máy đột ngột, phanh đột ngột Nếu không có sự cố xảy ra thì đưa máy vào hoạt động.

Trong công tác an toàn sử dụng cầu trục người quản lý có thể cho lắp thêm các thiết bị an toàn nhằm hạn chế tối đa tai nạn xảy ra cho công nhân khi làm việc

Một số thiết bị an toàn có thể sử dụng đó là: Sử dụng các công tắc đặt trên những vị trí cuối hành trình của xe lăn hay cơ cấu di chuyển cổng trục Các công tắc này được nối với các thiết bị đèn hoặc âm thanh báo hiệu nhằm báo cho người

sử dụng biết để dừng máy Đồng thời cũng có thể nối trực tiếp với hệ thống điều khiển để tự động ngắt thiết bị khi có sự cố xảy ra

Như vậy để hạn chế tối đa tai nạn xảy ra đòi hỏi người công nhân sử dụng máy phải có ý thức chấp hành nghiêm túc những yêu cầu đã nêu trên

1.2 Hệ thống cầu trục điều khiển từ xa

Nhằm mục đích nâng cao chất lượng giảng dạy và thực hành giúp sinh viên được tiếp cận tốt nhất với hệ thống cầu trục trong công nghiệp, trường đại học CNTT&TT-Khoa Công Nghệ Tự Động Hóa đã xây dựng thành công mô hình hệ thống cầu trục điều khiển từ xa

1.2.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế cơ khí mô hình cầu trục công nghiệp phục vụ giảng dạy thực hành (Khẩu độ 3m x 3m x 3m, có khả năng nâng vật tải trọng < 50kg , vận tốc nâng 10 m/phút, vận tốc dịch chuyển xe con và dầm chính 0,3 m/phút )

Lưu ý khi thiết kế:

+ Thiết kế cần linh động trong lắp đặt, tháo lắp (có thể di dời khi cần thiết ).+ Thiết kế cần nhỏ gọn phù hợp với việc lắp đặt trong phòng thực hành.+ Thiết kế cần mang tính dễ dàng thay thế các chi tiết (nhằm linh động

tốt cũng như tháo lắp dễ dàng khi cần thiết.

+ Cơ cấu nâng vật tải (theo phương Oz) được đặt trên xe con, có khả năng

di chuyển dọc dầm chính (theo phương Ox ) Dầm chính di chuyển dọc trên 2 dầm phụ nhờ cơ cấu di chuyển xe to (theo phương Oy)

+ Toàn bộ kết cấu cơ khí được làm bằng thép, khung dầm sự dụng kết cấu thép hàn, việc định vị sử dụng các bảng mã và mối ghép bulong (nhằm dễ dàng trong tháo lắp)

+ Việc nâng hạ sử dụng palang điện, việc dịch chuyển xe con và xe to sẽ sử dụng động cơ điện không đồng bộ 3 pha để dẫn động

+ Có hệ thống phanh hãm thường đóng, cũng như các giới hạn hành trình (nhằm đảm bảo an toàn trong vận hành cũng như tránh các sự cố có thể xảy ra khi sinh viên thực hành)

24

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO

MÔ HÌNH CẦU TRỤC 2.1 Phân tích yêu cầu điều khiển

-Yêu cầu của hệ thống:

+ Đảm bảo được công suất cho các động cơ, đảm bảo dòng và áp tối đa trên đường dây cung cấp (an toàn về điện trong quá trình vận hành)

+ Điều khiển các động cơ chạy ổn định ở dải tốc độ xác định được cài đặt trước (có khả năng thay đổi)

+ Yêu cầu hệ thống có khả năng chuyển đổi dễ dàng ở hai chế độ: điều khiển bằng tay và điều khiển tự động

+ Ở chế độ điều khiển tự động: Có khả năng lập trình điều khiển dễ dàng, ứng dụng cho nhiều bài toán thực hành khác nhau (theo yêu cầu của từng bao thực hành)

2.2 Chọn thiết bị điều khiển

Dựa trên yêu cầu của bài toán ta có thể sử dụng PLC hoặc vi điều khiển làm thiết bị điều khiển Nhưng do bài toán có nhiều đầu vào, đầu ra và việc sử dụng PLC để điều khiển có nhiều sự tiện dụng hơn, do đó ta chọn PLC làm thiết bị điều khiển

PLC có ưu điểm nhược điểm sau:

Ưu điểm:

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

- Có độ mềm dẻo cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt.

- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng

- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới

- Giá thành không cao

Nhược điểm:

- Hiện nay do chưa được tiêu chuẩn hoá trong phạm vị quốc tế nên mỗi hãng sản xuất PLC lại đưa ra một ngôn ngữ lập trình riêng dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục Mỗi khi sử dụng một loại PLC khác, người lập trình lại phải học ngôn ngữ lập trình mới

- Với các mạch điều khiển đơn giản, có quy mô nhỏ, bộ điều khiển PLC có giá thành đắt hơn so với các bộ điều khiển truyền thống vì vậy không phải lúc nào cũng chọn lựa sử dụng PLC

Từ yêu cầu của bài toán, để xử lý tín hiệu analog từ đầu vào của cảm biến ta

có thể sử dụng 200, S7 -300 hoặc 1200 để làm thiết bị điều khiển Với

S7-200 và S7-300, thì ta cần có moul mở rộng khi đó chi phí cho modul mở rộng sẽ rất cao và gây khó khăn cho việc lập trình từ những yếu tố trên ta sử dụng S7-1200 làm thiết bị điều khiển vì S7- 1200 có tích hợp sẵn modul mở rộng để đọc tín hiệu analog theo 2 dạng dòng điện và điện áp

- S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

+ 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.

+ 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

Hình 2.1 So sánh giữa PLC S7-1200 và S7-200 về các module mở rộng

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CP)

- Signal board (SB)

- Signal Module (SM)

Bảng 2.1 Các đặc tính của module mở rộng như sau:

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp in/out

8 x DC IN/8 x Relay OUT

16x DC IN 16x DC Out

16 x Relay Out

16x DC IN/16x DC OUT

Kiểu số 8 x DC IN16x DC IN/16 x Relay OUT

Kiểu tường tự

(SB)

DC/OutKiểu

Hình 2.2 PLC S7-1200

 Khái niệm chung PLC s7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

PLC S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ

ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens

Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này

đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

 Các module trong hệ PLC S7-1200

 Giới thiệu về các module CPU

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

- Giai đoạn đơn

- Giai đoạn đôi

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Đồng hồ thời

gian thực

10 ngày, điển hình / 6 ngày tối thiểu ở 40 độ C

PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

-CPU tín hiệu để thích ứng với các ứng dụng.

-Thêm điểm của kỹ thuật số I/O hoặc tương tự với CPU như các yêu cầu ứng dụng

-Kích thước của CPU sẽ không thay đổi

2 Module xuất nhập tín hiệu số

Bảng 2.3 Module xuất nhập tín hiệu số

in/outSignal module

Out

4 x Analog Out

4 x Analog In/2 x Analog Out

3 Module xuất nhập tín hiệu tương tự

Bảng 2.4 Module xuất nhập tín hiệu tương tự

Signal board

(SB)

Out

-4 Module truyền thông

Module truyền thông (Communication module (CM)):

- RS485

32

- RS232

 Phần mềm lập trình Tia Portal

2.3.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI

Step 7 basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo

Một hệ thống kỹ thuật mới thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật

và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa

Lợi ích với người dùng:

-Trực quan : dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động

-Hiệu quả : tốc độ về kỹ thuật

-Chức năng bảo vệ : Kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi mới trong tương lai

 Kết nối qua giao thức TCP/IP

- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau

 Cách tạo một Project

Bước 1: từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V12

Bước 2 : Click chuột vào Create new project để tạo dự án.

Bước 3 : Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create.

Bước 4 : Chọn configure a device

Bước 5 : Chọn add new device.

36

Bước 6 : Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add.

Bước 7 : Project mới được hiện ra.

38

 TAG của PLC / TAG local.

Tag của PLC

-Phạm vi ứng dụng: giá trị Tag có thể được sử dụng mọi khối chức năng trong PLC

-Ứng dụng: binary I/O, Bits of memory

-Định nghĩa vùng: Bảng tag của PLC

-Miêu tả: Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép

-Ứng dụng: tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời

-Định nghĩa vùng: khối giao diện

-Miêu tả: Tag được đại diện bằng dấu #

Sử dụng Tag trong hoạt động

- Layout: bảng tag PLC chứa các định nghĩa của các Tag và các hằng số có giá trị trong CPU Một bảng tag của PLC được tự động tạo ra cho mỗi CPU được

sử dụng trong project

- Colum: mô tả biểu tượng có thể nhấp vào để di chuyển vào hệ thống hoặc

có thể kéo nhả như một lệnh chương trình

- Name: chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU

- Data type: kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag

- Address: địa chỉ của tag

- Retain: khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại

- Comment: comment miêu tả của tag

Nhóm tag: tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table

40