Hệ thống điều khiển cầu trục

Chương 1: Khái quát về cầu trục1.1. Đặc điểm.1.1.1. Đặc điểm cơ bản của hệ truyền động và trang bị điện cho cầu trục.1.1.2. Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cầu trục.1.2. Cấu tạo cầu trục (cầu trục trong phân xưởng).1.3. Phân loại.1.4. Ứng dụng.Chương 2: Trang bị điện và tính chọn các phần tử cho cầu trục2.1. Sơ đồ khống chế cầu trục điển hình :2.2. Tự động hóa cho cầu trục2.3. Giới thiệu chung PLC S7300.2.3.1.Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC(Hình 2.3)2.3.2. Module CPU2.3.3. Module mở rộng2.3.4. Module hoạt động và đèn báo2.3.5. Hệ thống bus truyền tín hiệu2.3.6. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7300.2.3.7. Phương pháp điều khiển lập trình S73002.3.8 Cấu trúc bộ nhớ2.4. Tính chọn công suất của động cơ truyền động các cơ cấu chính của cầu trục2.4.1 Cơ cấu di chuyển xe cầu và xe con2.4.2 Cơ cấu nâng hạ.2.5 Tính toán và chọn cơ cấu phanh hãm.2.5.1. Tính toán và lựa chọn phanh cho cơ cấu nâng hạ.2.5.2. Tính toán và lựa chọn phanh cho cơ cấu di chuyển xe cấu và xe con.2.6. Tính chọn nam châm điện của cơ cấu phanh.2.7. Tính chọn nam châm điện lấy tải của cầu trục từ2.8. Tính chọn đường dây tiếp điện cho cầu trục.2.9. Bảng bảo vệ.Chương 3: thiết kế tính chọn mô hình cầu trục.3.1. Khái quát chung về mô hình cầu trục.3.1.1. Tính kỹ thuật.3.1.2. Tính sư phạm.3.1.3. Tính kinh tế3.2. Tình toán mô hình cầu trục.3.2.1. Mô hình cầu trục (hình 3.1)3.2.2. Tính chọn các thiết bị.3.3. Các bài tập trên mô hình.3.3.1. Điều khiển đảo chiều quay trên xe cầu và xe con.3.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ của cơ cấu nâng hạ.3.3.3. Lập trình điều khiển cho cầu trục.

MỤC LỤC

Phần mở đầu 6

1 Lý do thực hiện đề tài .6

2 Mục đích thực hiện 6

3 Nội dung thực hiện 7

4 Phương pháp thực hiện 7

5 Cấu trúc đồ án 7

Phần nội dung 8

Chương 1: Khái quát về cầu trục 8

1.1 Đặc điểm 8

1.1.1 Đặc điểm cơ bản của hệ truyền động và trang bị điện cho cầu trục 8

1.1.2 Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cầu trục 8

1.2 Cấu tạo cầu trục (cầu trục trong phân xưởng) 11

1.3 Phân loại 13

1.4 Ứng dụng 14

Chương 2: Trang bị điện và tính chọn các phần tử cho cầu trục 15

2.1 Sơ đồ khống chế cầu trục điển hình : 15

2.2 Tự động hóa cho cầu trục 18

2.3 Giới thiệu chung PLC S7-300 19

2.3.1.Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC(Hình 2.3) 19

2.3.2 Module CPU 21

2.3.3 Module mở rộng 22

2.3.4 Module hoạt động và đèn báo 26

2.3.5 Hệ thống bus truyền tín hiệu 27

2.3.6 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-300 27

2.3.7 Phương pháp điều khiển lập trình S7-300 29

2.3.8 Cấu trúc bộ nhớ 30

2.4 Tính chọn công suất của động cơ truyền động các cơ cấu chính của cầu trục 32

2.4.1 Cơ cấu di chuyển xe cầu và xe con 32

2.4.2 Cơ cấu nâng hạ 34

2.5 Tính toán và chọn cơ cấu phanh hãm 36

2.5.1 Tính toán và lựa chọn phanh cho cơ cấu nâng hạ 36

2.5.2 Tính toán và lựa chọn phanh cho cơ cấu di chuyển xe cấu và xe con 37

2.6 Tính chọn nam châm điện của cơ cấu phanh 38

2.7 Tính chọn nam châm điện lấy tải của cầu trục từ 38

2.8 Tính chọn đường dây tiếp điện cho cầu trục 39

2.9 Bảng bảo vệ 42

Chương 3: thiết kế tính chọn mô hình cầu trục 43

3.1 Khái quát chung về mô hình cầu trục 43

3.1.1 Tính kỹ thuật 43

3.1.2 Tính sư phạm 43

3.1.3 Tính kinh tế 44

3.2 Tình toán mô hình cầu trục 45

3.2.1 Mô hình cầu trục (hình 3.1) 45

3.2.2 Tính chọn các thiết bị 46

3.3 Các bài tập trên mô hình 48

3.3.1 Điều khiển đảo chiều quay trên xe cầu và xe con 48

3.3.2 Điều khiển tốc độ động cơ của cơ cấu nâng hạ 50

3.3.3 Lập trình điều khiển cho cầu trục 53

Phần Kết luận 56

Tài liệu tham khảo 58

DANH MỤC HÌNH

Chương 1: 8

Hình 1.1 Cấu tạo và trang bị điện cho cầu trục 12

Chương 2: 15

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển cầu trục bằng bộ khống chế 16

Hình 2.2 Họ đặc tính cơ của động cơ truyền động nâng hạ, di chuyển 17

Hình 2.3: Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC 20

Hình 2.4 21

Hình 2-3 22

Hình 2-4: 23

Hình 2-5: 23

Hình 2-5 24

Hình 2-6: 24

Hình 2-7: 25

Hình 2-8: 25

Hình 2.9 Quan hệ giữa CPU với các modunle mở rộng 26

Hình 2-10 26

Hình 2.11 sơ đồ lực của cơ cấu di chuyển 33

Hình 2.12 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng với cơ cấu bốc hàng dùng móc 34

Hình 2.13 Kết cấu của hệ thống tiếp điện cứng 40

Chương 3: 43

Hình 3.1 Mô hình cầu trục 45

Hình 3.1 Mạch động lực và điều khiển 49

Hình 3.2 Kết nối phần cứng PLC 50

Hình 3.3 Mạch động lực và điều khiển tốc độ động cơ nâng hạ 51

Hình 3.4 Kết nối phần cứng 52

Với sự ra đời của cầu trục thì những công việc như di chuyển hàng hoá,vật tư, thiết bị từ vị trí này tới vị trí khác được thực hiện một cách đơn giảnnhưng cho hiệu quả và năng suất lao động cao Trong công nghiệp cầu trục cónhiệm vụ nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đắt lên cao để lắp ráp Trong cácnhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển các cuộn thép, phôi thép hoặc các thùngkim loại nóng chảy đổ vào khuôn đúc Trong các nhà mày cơ khí cầu trục vậnchuyển các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết gia côngsang các công đoạn mới Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng hoá từ trên tàuxuống kho bãi hay ngược lại.

Như vậy cầu trục đã giúp con người cơ khí hoá, tự động hoá khâu bốc xếplàm giảm sức lao động tăng năng suất hiệu quả công việc

Với những vốn kiến thức nhất định về truyền động điện, trang bị điện,PLC, khí cụ điện, tự động hoá quá trình điều khiển, và những kiến thức cơ sởkhác Với nhu cầu tiếp cận với nền khoa học kỹ thuật hiện đại Với xu hướn hộinhập chung của đất nước Để phần nào hoàn thiện kiến thức của mình nhà

trường đã giao cho em thực hiện đồ án môn học với đề tài “Tính toán thiết kế

trang bị điện mô hình điều khiển cầu trục dung PLC – 7-300” Với sự hướng

dẫn của thầy giáo Nguyễn Đức Hỗ.

2 Mục đích thực hiện.

- Hoàn thiện nội dung chương trình đào tạo của nhà trường

- Hệ thống lại đượctoàn bộ kiến thức đã học

- Biết cách trình bày lôgíc sáng tạo, dễ hiểu về một sáng kiến khoa học kỹthuật

- Tạo ra khả năng tư duy nhạy bén trong thiết kế sáng tạo kỹ thuật

3 Nội dung thực hiện.

Để cho ra sản phẩm dưới dạng mô hình em phải nghiên cứu về cấu tạo,nguyên lý hoạt động và các chức năng của cầu trục từ đó tính toán lựa chọn vàtrang bị điện cho các bộ phận của hệ thống Để trắc chắn sự lựa chọn của mình

là tối ưu hay không cần phải có sự kiểm tra lại theo đúng quy định, tiêu chuẩn

kỹ thuật mới đạt yêu cầu

4 Phương pháp thực hiện.

Để đạt được những mục đích đã nêu trên em phải thực hiện nhưngphương pháp sau:

- Nghiên cứu tài liệu

- Đi thăm quan thực tế cầu trục ở nhà máy bia NaDa, cảng biển NinhPhúc để có cái nhìn thực tế hơn về cầu trục

- Phương pháp tính toán, lựa chọn và kiểm tra Đây là phương pháp rấtquan trọng, nó cho ta nhưng thông số chính xác sau khi thiết kế

- Do vốn kiến thức còn hạn chế Hiểu biết thực tế còn ít kinh nghiệmthiết kế còn chưa có nên sự tư vấn, giúp đỡ của giáo và những người có chuyênmôn về cầu trục là rất cần thiết

5 Cấu trúc đồ án.

Bố cục đồ án gồm 3 phần

- Phần mở đầu: Trình bày lý do thực hiện đề tài, mục đích thực hiện,phương pháp thực hiện

- Phần nội dung: Được bố cục theo chương

Chương 1: Khái quát về cầu trục

Chương 2 : Trang bị điện và tính toán cho cầu trục

Chương 3: Thiết kế và chọn mô hình cho cầu trục

- Phần kết luận: Những kết quả mà đồ án đã đạt được và chưa đạt được.Hướng phát triển của đề tài

- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định Loại này thường

là cầu trục phân xưởng

- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện Loại này thường dùngcho cầu trục dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất

- Cung cấp điện từ máy phát điện diezen Loại này thường dùng cho cầutrục di chuyển trên ô tô

Phần lớn môi trường làm việc của cầu trục rất khắc nghiệt Thí dụ trongnhà máy luyện kim môi trường làm việc của cầu trục là nóng ẩm và nhiều bụi.Trên bến cảng cầu trục phải làm việc ngoài trời Chế độ làm việc của cầu trục làngắn hạn lặp lại, khởi động và hãm thường xuyên

Tất cả các truyền động cho cơ cấu phải điều chỉnh tốc độ, lực và gia tốc.Hàng hoá được dịch chuyển theo quỹ đạo không gian nhất định cho nên thườngphải phối hợp 2 hoặc 3 truyền động cùng 1 lúc

1.1.2 Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truy ền động cầu trục.

- Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức

Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiệntrước tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá đưa lại hiệu quả kinh tế kĩ

thuật cao nhất cho sự hoạt động của cầu trục Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quálớn sẽ đòi hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn điều này dẫntới giá thành chế tạo cao Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thốngđiều khiển truyền động của cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều,thời gian hãm, làm việc liên tục trong chế độ quá độ “hệ thống liên tục đảo chiềutheo chu kì bốc xếp” Gia tốc và độ giật thoả mãn yêu cầu Ngược lại nếu tốc độquá thấp sẽ ảnh hưởng tới năng suất bốc xếp hàng hoá Thông thường tốc độchuyển động của hàng hoá ở chế độ định mức thường nằm trong phạm vi 0,2đến 1 m/s hay 12 đến 60 m/ph Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu cầu trụccần đảm bảo các yêu cầu tiếp theo.

- Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Phạm vi điều chỉnh của các cơ cấu điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điềukhiển chuyển động là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp hàngđồng thời thoả mãn các yêu cầu công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hànghoá Cụ thể là khi nâng và hạ móc không tải hay tải trọng nhẹ với tốc độ cao cònkhi có yêu cầu khai thác phải có tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hóa vào vị tríyêu cầu (điều này do kĩ thuật bốc xếp hoặc kĩ thuật lắp máy đòi hỏi cụ thể vớitừng loại cầu trục)

Ngoài các hệ thống truyền động phải có các tác động trung gian sau

- Tốc độ toàn tải Vđm

- Tốc độ nâng 1/2 tải ( 1,5 đến 1,7)Vđm

- Tốc độ nâng móc không ( 3đến 3,5)Vđm

- Tốc độ hạ toàn tải (2 đến 2,5)Vđm.

- Tốc độ hạ ít tải và không tải (2 đến 2,5)Vđm

Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục

ít nhất là 3 cấp tốc độ Cấp tốc độ thấp thoả mãn công nghệ nâng hạ hàng khichạm đất Cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa 2 cấp tốc độ này

thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếphàng hoá cũng như sự làm việc ổn định của cầu trục

- Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ

Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắnhạn lặp lại, thường hệ số đóng điện tương đối %=40% vì vậy thời gian quá độchiếm hầu hết thời gian công tác Do đó việc rút ngắn thời gian quá độ là biệnpháp cơ bản để năng cao năng suất Thời gan quá độ trong các chế độ công tác làthời gian khởi động và thời gian hãm trong quá trình tăng tốc, giảm tốc Để rútngắn thời gian quá độ cần sử dụng biện pháp sau:

+ Chọn động cơ có mômen khởi động lớn

+ Giảm mômen quán tính (GD)2 của các bộ phận quay

+ Dùng động cơ điện có tốc độ không cao từ 1000- 1500vòng/phút

Đối với động cơ điện một chiều mômen khởi động phụ thuộc vào giới hạndòng của các phiến góp vì vậy thường chọn Ikđ = 2-> 2,5 Iđm Đối với động cơdiện xoay chiều mômen khởi động phụ thuộc vào loại động cơ Với động cơkhông đồng bộ rôto lồng sóc mômen khởi động có thể đạt 1,5 Mđm, còn với động

cơ không đồng bộ rôto dây quấn mômen khởi động có thể chọn bằng mômen tớihạn Mmax.Việc sử dụng động cơ có tốc độ thấp trong hệ thống điện một mặt rútngắn được quá trình quá độ, mặt khác nâng cao được hiệu suất, khi sử dụng bộđiều tốc cơ khí có tỉ số nhỏ

- Có trị số hiệu suất và cos 

- Công tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hoá là một yếu

tố để nâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển Như chúng ta đã biết hệthống truyền động của cầu trục thường không sử dụng hết công suất, hệ số tảithường trong khoảng từ 0,3-> 0,4 Do vậy khi chọn các động cơ truyền độngphải chọn loại có hiệu suất cos  cao và ổn định trong phạm vi rộng

- Đảm bảo an toàn hàng hoá

Đảm bảo an toàn cho hàng hoá, cho thiết bị và đảm bảo an toàn cho côngnhân bốc xếp là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác vận hành cầu trục Đểthực hiện được điều đó cần chú ý tới các giải pháp sau:

+ Cần có quy trình an toàn cho công tác vận hành và điều khiển cầu trụctrong quá trình hoạt động

+ Trong quá trình tính toán thiết kế phải chọn các hệ số dự trữ hợp lý+ Kỹ thuật điều khiển cầu trục cần có các hệ thống giám sát bảo vệ tựđộng cho các hệ thống điều khiển chuyển động cầu trục Các hệ thống cần cócác bảo vệ như bảo vệ móc chạm đỉnh, bảo vệ trùng cáp cho các cơ cấu nâng hạ,ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và bảo vệ quá tải tải trọng nâng hạ hàng

Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có các bảo vệ sự cố, bảo vệ “0”, bảo vệngắn mạch, bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ thực hiện và dừng khẩn cấp

Các loại phanh hãm cho các hệ thống làm việc có tính bền vững cao

Các giải pháp đảm bảo an toàn trên đây trong quá trình khai thac cầu trụcphải kiểm tra thường xuyên và phải được kiểm tra tại các cơ quan đăng kiểm

- Điều khiển tiện lợi và an toàn

Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiểncùng với các thiết bị điều khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất giữacác loại cầu trục đồng thời người điều khiển cầu trục có thể sử dụng các lệnhkhẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng

- Ổn định nhiệt cơ và điện

Các cầu trục thông thường được láp ráp để vận hành ngoài trời Các khuvục làm việc thông thường có nhiệt độ làm việc biến đổi theo mùa rõ rệt Ngoài

ra các cầu trục cảng biển còn chịu ảnh hưởng của hơi nước mặn vì vậy các thiết

bị điện kết cấu phải được chế tạo thích hợp với môi trường công tác

1.2 Cấu tạo cầu trục (cầu trục trong phân xưởng).

Cầu trục gồm có gầm cầu di chuyển trên đường ray lắp đặt dọc theo chiềudài của phân xưởng cơ cấu nâng hạ hàng lắp trên xe con di chuyển dọc theo gầmcầu theo chiều ngang của nhà xưởng Cơ cấu bốc hàng của cầu trục có thể dùngmóc (đối với những cầu trục có công suất lớn có 2 móc hàng, cẩu móc hàngchính có tải trọng lớn và có cẩu móc phụ có tải trọng nhỏ) hoặc dùng gầungoạm

Trong mỗi cầu trục có 3 chuyển động chính là di chuyển xe cầu, dichuyển xe con (xe trục) và nâng hạ hàng (hình 1.1)

10119

Hình 1.1 Cấu tạo và trang bị điện cho cầu trục

Trên cầu trục được trang bị 4 động cơ truyền chuyển động cơ di chuyển

xe con 10 Phanh hãm điện từ 6,11,14,18 lắp hợp bộ với động cơ truyền động.Điều khiển các động cơ bằng các bộ khống chế 3 trong cabin điều khiển Hộpđiện trở 8 dùng để khởi động và điều chỉnh tốc độ các đông cơ được lắp đặt trêngầm cầu Bảng bảo vệ 2 để bảo vệ quá tải, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ điện ápkhông được lắp đặt trong cabin điều khiển

Để hạn chế hành trình di chuyển của các cơ cấu dùng các công tắc hànhtrình 4 và 5 cho cơ cầu di chuyển xe cầu, 9 và 17 cho cơ cấu di chuyển xe con và

13 cho cơ cấu nâng hạ hàng

Cung cấp điện cho cầu trục bằng hệ thống tiếp điện chính 1 gồm 2 bộphận Bộ cấp điện là 3 thanh thép góc lắp trên các giá đỡ bằng sứ cách điện lắpđặt dọc theo nhà xưởng và bộ phận tiếp đien lắp trên cầu trục để cấp điện chothiết bị điện trên các cơ cấu xe con dùng bộ tiếp điện phụ 15 lắp dọc theo chiềudọc của gầm cầu

1.3 Phân loại.

1 Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá.

- Cầu trục có tải trọng nhỏ : Tải trọng nâng chuyển từ 1 -> 5 tấn

- Cầu trục co tải trọng trung bình: Tải trọng nâng chuyển từ 10 -> 30 tấn

- Cầu trục co tải trọng lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 30-> 60 tấn

- Cầu trục co tải trọng rất lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 80-> 120 tấn

2 Phân loại theo đặc điểm công tác.

- Cầu trục trang bị cho kho bãi nhà xưởng: Là cầu trục chạy trên ray trang

bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí Cầu trục loại này có cơ cấu điều khiểnchuyển động chính là cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu dichuyển giàn, các cầu trục này thường được thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa

- Cầu trục khung giầm chạy trên đường ray Cầu trục khung giầm thépdạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho cảng biển, các nhà máy đóngtàu biển Loại này thường được thiết kế có tải trọng nâng lớn làm việc trongphạm vi quy định Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển động: cơ cấu nâng hạ hàng,

cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn

- Cầu trục bốc xếp container

Cầu trục giàn bánh lốp bốc xếp container co cơ cấu điều khiển chuyểnđộng chính của cầu trục giàn bánh lốp bao gồm : cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu dichuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn Việc cung cấp nguồn cho cầu trục hoạtđộng bằng diezen loại máy phát điện đồng bộ Đặc điểm của loại cầu trục này

là : Có tính cơ động, năng suất cao

- Cầu trục giàn chạy trên đường ray bốc xếp container Các cơ cấu điềukhiển chuyển động chính của loại này là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển

xe con, cơ cấu di chuyển giàn và co cấu nâng hạ giàn Đặc điểm công tác nổi bậtcủa loại này là: có tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp cao đượctrang bị cho các cầu cảng

1.4 Ứng dụng.

Cầu trục được ứng dụng rất rộng rãi trong quá trình lắp máy Khi lắp máycho một dây truyền công nghệ lớn, như dây truyền sản xuất xi măng các chi tiếtmáy với kích thước khổng lồ, trọng tải lớn, vị trí lắp đặt trên cao Nhờ có cầutrục mà việc di chuyển chi tiêt máy và lắp đặt trở nên nhẹ nhàng hơn

Tại các cảng biển công việc di chuyển hàng hoá co kích thước và khốilượng lớn nhờ có cầu trục trở nên dễ dàng hơn

Ngoài công dụng trên cầu trục còn được sử dụng trong những môi trườngkhắc nghiệt như trong các nhà máy luyện kim, cầu trục di chuyển các thùng kimloại nóng chảy đổ vào khuôn Cầu trục con được sử dụng rộng rãi trong việc dichuyển hàng hoá từ vị trí này đến vị trí khác.

Nhờ có cầu trục mà sức lao động của con người được giải phóng, năngsuất và hiệu quả công việc được tăng lên rõ rệt

Ch ương 2:

TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ CHO CẦU

TRỤC

2.1 Sơ đồ khống chế cầu trục điển hình :

Điều khiển cầu trục bằng bộ khống chế động lực

Các bộ phận khống chế động lực dùng để điều khiển các động cơ chuyểnđộng các cơ cấu của cầu trục có công suất nhỏ và trung bình với chế độ làm việcnhẹ nhàng Bộ khống chế động lực có cấu tạo đơn giản đẽ dàng trong công nghệchế tạo, giá thành không cao, điều khiển các cơ cấu cầu trục một cách linh hoạtdứt khoát Trên hình 2.1 biểu diễn sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ rotodây quấn bằng bộ khống chế động lực H51

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển cầu trục bằng bộ khống chế

Còn trên hình 2.2 là họ đặc tính cơ của động cơ truyền động của cơ cấunâng hạ hoặc cơ cấu di chuyển

Đ

KC1 KC3 KC5 KC7

KC2 KC4 KC6 KC8 KC10

KC9

KC11

KC12

M Đg

Đg KB

RC

Đg Đg Đg

5 4 3 2 1 Hạ lùi Nâng tiến1 2 3 4 5

RfHộp điện trở phụ

Hình 2.2 Họ đặc tính cơ của động cơ truyền động nâng hạ, di chuyển

Bộ khống chế động lực H51 là loại đối xứng 5 vị trí bên phải ( 5-1) tươngứng với chế đọ làm việc nâng hàng (đối với cơ cấu nâng hạ), và chạy lùi (đối với

cơ cấu di chuyển) Bộ khống chế H51 có 12 tiếp điểm, 4 tiếp điểm đầu là KC1,KC3, KC5 và KC7 dùng để đảo chiều quay động cơ bằng cách thay đổi thứ tự 2trong 3 pha điện áp cấp nguồn cho dây quấn stato động cơ 5 tiếp điểm tiếp theo

là KC2, KC4, KC6, KC8, KC10 dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cáchthay đổi trị số điện trở phụ Rf trong mạch roto của động cơ Còn 3 tiếp điểmKC9, KC11, KC12, dùng cho mạch bảo vệ

Khi mở máy và điều chỉnh tốc độ người vận hành quay từ từ vô lăng của

bộ khống chế động lực từ vị trí 1 sang vị trí 5 để tránh hiện tượng dòng điện vàmomen quay của động cơ tăng lên một cách nhảy vọt quá giới hạn cho phép Họđặc tính cơ của động cơ tương ứng với các vị trí của bộ khống chế được biểudiễn trên hình 2.2 Họ đặc tính 1 có trị số mô men rất bé (M1 khi tốc độ động cơbằng 0) dùng để khắc phục khe hở giữa các bánh răng trong cơ cấu truyền lực(hộp tốc độ) kéo căng sợi cáp khi khởi động (tránh cho cáp không bị đứt)

Khi khởi động hoặc khi cần dừng chính xác (với mô men M1 ta có tốc độthấp là n1)

Tiến nâng 100

Để hạ hàng ở tốc độ thấp khi không tải với bộ khống chế động lực thườngkhông thực hiện được Tốc độ hạ thấp nhất chỉ có thể thực hiện được ở chế độhãm (máy điện làm việc ở chế độ máy phát) Ví dụ: với phụ tải M1 hình 2.2 tốc

độ hạ thấp nhất là n2

Nếu bộ khống chế động lực dùng loại không đối xứng Nếu đặt bộ khốngchế ở vị trí 1(hạ hàng) động cơ làm việc như động cơ 1 pha và ta nhận đượcđường đặc tính A(đường nét đứt trên hình 2.2) Khi đó ta được tốc độ hạ thấp(với phụ tải bằng M1)

2.2 T ự động hóa cho cầu trục

Khi cầu trục mới ra đời người ta tự động hóa cho cầu trục bằng hệ thốngtiếp điểm như điều khiển cầu trục bằng vô lăng, bằng nút bấm, cấp nguồn chocầu trục dùng công tắc tơ,cầu dao

Vì đặc điểm làm việc của cầu trục là ngắn hạn lặp lại quá trình đóng mởmáy diễn ra liên tục nên các tiếp điểm thường xuyên phải làm việc dẫn đến tiếpđiểm bị mài mòn dẫn đến khả năng dẫn điện không tốt làm cho khả năng làmviệc của cầu trục giảm Vì vậy hệ thống tự động hóa cho cầu trục sử dụng viđiều khiển (không tiếp điểm) đã ra đời thay thế và khắc phục những nhược điểmcủa hệ có tiếp điểm Mặc dù đã khắc phục được những nhược điểm của hệ cótiếp điểm nhưng vi điều khiển cũng có những nhược điểm : Vi mạch phức tạp,muốn thay đổi công nghệ rất khó khăn (phải thiết kế lại bộ vi điều khiển)

Để khắc phục nhược điểm này bộ điều khiển PLC-S7-300 đã ra đời Bộđiều khiển PLC-S7-300 đã khắc phục được nhược điểm của hệ có tiếp điểm và

bộ vi điều khiển, ngoài ra nó còn có ưu điểm là :

- Dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển nhờ thay đổiphần mềm thực tế

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn

- Số lượng vào, ra lớn

- Dễ dàng thay đổi công nghệ mà ít gây tổn thất về kinhtế.

- Có thể tính toán được chính xác giá thành đầu tư vàodây truyền

- Chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Độ tin cậy, độ chính xác cao

- Thích ứng được trong môi trường khắc nghiệt

- Có cấu trúc chương trình điều khiển rõ ràng, mạch lạc,giúp phát hiện và xử lý sự cố một cách nhanh chóng và dễdàng

- Điều khiển tự động, bán tự động và điều khiển hoàn toàn bằng tay

Vậy PLC-S7-300 có cấu tạo như thế nào mà có tính năng ưu việt đến thế ?

2.3 Giới thiệu chung PLC S7-300.

2.3.1.C ấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC(Hình 2.3)

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Progammable Logic Control), là loạithiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngônngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Do đóPLC là một bộ điều khiển số dễ thay đổi thuật toán và dễ trao đổi thông tin vớimôi trường xung quanh ( với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chươngtrình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chươngtrinh ( khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét(scan)

S7-300 là PLC cỡ vừa của hãng Siemens

Gồm CPU và các modunle được sắp xếp trên các rack

Mỗi rack chứa 8 modunle max (trừ CPU và nguồn) Mỗi CPU làm việcvới 4 rack max.

Hình 2.3: Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC phải cótính năng như một máy tính.Đồng thời để thực hiện được một chương trình điềukhiển thì PLC phải có tính năng như một máy tính bao gồm một bộ vi xử lý(CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và cáccổng vào ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môitrường xung quanh Ngoài ra để phục vụ bài toán điều khiển số thì PLC còn cầnphải có thêm các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ thời gian(Timer)…và những khối hàm chuyên dụng khác

Một bộ PLC S7-300 gồm các mdule sau:

+ Đơn vị xử lý trung tâm CPU với bộ nhớ chương trình (Module CPU)+ Module mở rộng

+ Module hoạt động và đèn báo

+ Hệ thống bus truyền tín hiệu

+ Khối cấp nguồn

Hinh 2.4 Khối cấp nguồn

Hình 2.4

2.3.2 Module CPU

Là loại module

có chứa bộ vi xử lý, hệđiều hành, bộ nhớ, các bộthời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và còn có thể có một vài cổngvào/ ra số Các cổng vào/ra số có trên moudule P moudule CPU được gọi làcổng vào ra onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau nhưngchúng thường được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312,module CPU314, module CPU315…

Những module còn sử dụng một bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào

ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư việc của

hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phânbiệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM ( viết tắt của intergratedFunction Module) Ví dụ như module CPU312 IFM, module CPU314 IFM…ngoài ra còn có các loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyềnthông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Kèm theocổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đãđược cài đặt sẵn trong hệ điều hành Các loại module CPU này được phân biệtvới các module CPU bằng thêm cụm từ chữ cái DP ( Distributed Port) trong têngọi, ví dụ: module CPU314-2DP

CPU 312 IFM : Bộ nhớ làm việc 6 KB, chu kỳ lênh 6ms, tích hợp sắn10DI/6DO

CPU 314: Bộ nhớ làm việc 24 KB, chu ky lệnh 0,3 ms

CPU 314C-2DP: Bộ nhớ làm việc48 KB, chu kỳ lệnh 0,1 ms tích hợp sẵn24DI/16DO, 5AI/2AO, 4 kênh suất xung tốc độ cao, 4 kênh đọc xung tốc độcao, 2 cổng giao tiếp

CPU 314C-2PtP: Bộ nhớ làm việc 48KB, chu kỳ lệnh 0,1 ms,tích hợpsẵn24DI/16DO, 5AI/2AO, 4 kênh xuất xung tốc độ cao, 4 kênh đọc xung tốc độcao, 2 cổng giao tiếp

2.3.3 Module mở rộng

Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:

a PS (Power Supply): Module nguồn nuôi có 3 loại là 2A, 5A và 10A.

Hình 2-3

b SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào ra, bao gồm

các loại sau:

- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng vào

số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

Hình 2-4:

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng

ra số mở rộng có thể là 8,16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module

Hình 2-5:

- DI/DO (Digital Input/ Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra

số, số các cổng vào/ ra số mở rộng có thể là 8 vào/ 8 ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳthuộc từng loại module

- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chấtchúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit (AD) Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc từng loại module

Hình 2-5

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Về bảnchất chúng chính là bộ chuyển đổi tương tự số 12 bít (AD) Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module

Hình 2-6:

- AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ratương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/ 2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tuỳtừng loại module

c IM (Interface Module): Hay Module ghép nối

Đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module

mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module

(AI)

CPU Thông thường các module mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh

đỡ gọi là Rack Trên mỗi một Rack chỉ gá nhiều nhất 8 module mở rộng ( không

kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việctrực tiếp được với nhiều nhất 4 Rack và các Rack này được nối với nhau bằngmodule IM

d FM (Function Mouule): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ

như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, modulePID, module điều khiển vòng kín…

Hình 2-7:

e CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong

mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Hình 2-8:

*) Quan hệ giữ CPU và các modunle mở rộng.

Hình 2.9 Quan hệ giữa CPU với các modunle mở rộng

2.3.4 Module ho ạt động và đèn báo

Hình 2-10

a) Module hoạt động

RUN_P: Chạy chương trình, đọc ghi được từ máy lập trình

RUN: Chạy chương trình, không đọc ghi

FRCE: Báo lỗi chức năng 1 trong các I/O

RUN: Nhấp nháy khi khởi động và sáng khi hoạt động

STOP: sáng khi dừng, chớp khi reset và chớp nhanh khi dang reset

2.3.5 Hệ thống bus truyền tín hiệu

- Bus A (Address bus): Chọn địa chỉ trên cá khối khác nhau

- Bus D (Data bus): Mang dữ liệu từ khối này đến khối khác

- Bus C (Control bus): Chuyển,truyền các tín hiệu định thì và điều khiển

để đồng bộ các hoạt động trong PLC

2.3.6 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-300.

Để biểu diễn chương trình điều khiển trên PLC, có ba phương pháp biểudiễn là:

- Ngôn ngữ hình thang, kí hiệu là LAD (Ladder logic)

- Ngôn ngữ hình khối, kí hiệu là FBD (Function block diagram)

- Ngôn ngữ kiểu liệt kê, kí hiệu STL (Statement list)

a) Ngôn ngữ “liệt kê lệnh” ký hiệu là STL(statement List) Đây là dạng

ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình được ghép bởinhiều câu lệnh theo 1 thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm 1 hàng và cấu trúcchung là “tên lệnh “ + “toán hạng”

Ví dụ

b) Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu LAD (Ladder Logic) Đây là dạng

ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với người quen thiết kế mạch logic

Ví dụ:

c) Ngôn ngữ “hình khối” ký hiệu FBD (Function Block Diagram) Đây là

dạng ngôn ngữ thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển số

Vớ duù:

Qua các ví dụ trên cho thấy, ba phương pháp biểu diễn chương trình điềukhiển trên PLC để dành cho người sử dụng thuộc ba lĩnh vực :

Ngành điện công nghiệp thường dùng phương pháp LAD

Ngành điện tử thường dùng phương pháp CSF (hay FBD)

Ngành tin học thường dùng phương pháp STL

Có loại PLC có thể sử dụng cả ba phương pháp biểu diễn (Simatic 300), có loại chỉ sử dụng hai phương pháp biểu diễn (Simatic S7-200) hay cóloại chỉ sử dụng một phương biểu diễn (Logo)

S7-Với chuyên nghành của em để thuận tiên cho viêc lập trình trong đồ ánnày em chọn ngôn ngữ LAD để lập trình

2.3.7 Ph ương pháp điều khiển lập trình S7-300

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

B1: Xác định yêu câu công nghệ (Xác định các cổng vào, ra cho hệ thốngcần điều khiển)

* Cổng vào: ghép nối với các thiết bị chuyển mạch, cảm biến, tay điềukhiển.v.v

- Số lượng cổng vào số, các yêu cầu kỹ thuật

- Số lượng cổng vào tương tự, các yêu cầu kỹ thuật

Xác định yêu câu công nghệThiết kế thuật giải

Soạn thảo chương trìnhNạp chương trình vào bộ nhớ

Chạy thử - Kiểm tra

* Cổng ra: ghép nối với những thiết bị như van điện từ, đèn chỉ báo, rơletrung gian …

- Số lượng cổng ra số, các yêu cầu kỹ thuật

- Số lượng cổng ra tương tự, các yêu cầu kỹ thuật

 Xác định các số lượng module vào, ra cho hệ thống

B2: Thiết kế thuật giải (Lựa chọn thuật toán điều khiển)

- Luật điều khiển PI, PD, PID

- Luật điều khiển mờ

- Luật điều khiển mờ lai

- Luật điều khiển mờ thích nghi

Ngoài ra còn có một cách khác là đi xây dựng mạch logic theo quan hệgiữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra Viết hàm chức năng từ mạch logic sau đó cóthể thực hiện đơn giản hoá hàm trong trường hợp cụ thể để tìm ra hàm tối ưu

Các phương pháp tối thiểu hoá hàm logic:

- Tối thiểu hoá hàm logic bằng phương pháp Quine Mc Cluskey

- Phương pháp dùng bảng Karnaugh

- Phương pháp biến đổi đại số

 Từ các bước trên ta sẽ xác định được loại CPU cần thiết cho hệ thốngđiều khiển

B3: Soạn thảo chương trình: soạn Thảo trên phần mền STEP 7

B4: Nạp chương trình vào bộ nhớ

B5: Chạy thử – kiểm tra chương trình điều khiển:

Để đảm bảo chương trình phần mềm hoạt động tốt, các tham số cài đặtchính xác trước khi đưa vào điều khiển hệ thống thực thì ta phải chạy thửchương trình Nếu có lỗi hoặc chưa hợp lý thì phải sửa ngay Cuối cùng, sau khi

đã đáp ứng được các yêu cầu về công nghệ cũng như các chế độ bảo vệ thì ta ghi

chương trình vào bộ nhớ, ghép nối với đối tượng Nếu có thể ta tiến hành chạythử trên thiết bị thực.

2.3.8 C ấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ PLC chia lam 3 vùng chính

a) Vùng chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia thành

3 miền:

- OB (Organisation block) : Miền nhớ chương trình tổ chức

- FC (Function): Miền chứa chương trình con Được tổ chức thành hàm và

có biến hình thức để trao đổi dữ liệu

- FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thànhhàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một chương trình nào khác Cáckhối dữ liệu này phảI được xây dựng thành khối dữ liệu riêng (Data Block khốiDB)

b) Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 7 miền khác nhau.

- I (Process image input ) : Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắtđầu thực hiện chương trình PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào

và cắt giữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng khôngđọc trực tiếp trạng tháI logic của các cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu đầu vào từ

bộ đệm I

- Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số Kết thúcgiai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tớicác cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gián giá trị tới tậncổng ra má chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q

-M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến nàyđểlưu giữ các số liệu cần thiết và truy nhập nó theo Bit (M), byte (MB), từ (MW)hay từ kép (MD)