Nghiên cứu cải tiến dây chuyền vận chuyển đa cầu trục sử dụng bộ logic khả trình PLC

Bài viết trình bày nghiên cứu và thiết kế để cải tiến bộ điều khiển của dây chuyền vận chuyển sử dụng nhiều cầu trục trong một nhà máy lắp ráp ô tô, sử dụng PLC (Programable Logic Controller).

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN DÂY CHUYỀN VẬN CHUYỂN ĐA CẦU TRỤC SỬ DỤNG BỘ LOGIC KHẢ TRÌNH PLC RESEARCH ON IMPROVED THE MULTI-OVERHEAD CRANE CONTROLLER BY USING PLC Nguyễn Văn Tiến Khoa Điện-Điện tử Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế để cải tiến điều khiển dây chuyển vận chuyển sử dụng nhiều cầu trục nhà máy lắp ráp ô tô, sử dụng PLC (Programable Logic Controller) Những cải tiến cho phép thực chức tự động làm hàng tự động dừng để tránh va chạm Điều giúp nâng cao suất hạn chế tối đa tai nạn va chạm làm hư hỏng hàng hóa thiết bị.Các thử nghiệm nhà máy cho thấy, hệ thống cải tiến cho phép nâng cao10 - 15% không xuất cố va chạm cầu trục làm hàng Đánh giá chung kết cho thấy hệ thống hoạt động tốt, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đề Từ khóa: Cảm biến tiệm cận, cầu trục, Siemens S7-1200, phần tử logic Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: This paper presents researchs and designs to improve controller of multi-overhead crane system in a car assembly factory by using PLC The abilitys of the new controller are automatic moving and lifting, it also has ability of automatic stopping to avoid suddenly collisions The controller ensure to improve productivity and minimize of collisions that make to damage goods and equipment during handling Tests at the factory showed that the improved system allowed an increase of 10-15% and there was no collision between cranes during loading The overall evaluation of the results shows that the system works well, meeting all technical requirements Keywords: Proximity sensor, overhead-cranes, Siemens S7-1200, logic elements Classification number: 2.1 Giới thiệu Cầu trục loại thiết bị nâng hạ gồm hai cấu chuyển động ngang dọc để đảm bảo thao tác nâng hạ, di chuyển hàng không gian làm việc cầu trục nhà xưởng [1] Việc sử dung cầu trục tiện lợi cho việc bốc, xếp hàng hóa vật có tải trọng lớn, kích thước cồng kềnh (sắt, thép, bê tông ) Sức nâng lớn từ đến 500 tấn, vận hành chủ yếu động điện nên cầu trục sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp Trong ngành cơng nghiệp lắp ráp nói chung lắp ráp tơ nói riêng, sản phẩm phải trải qua nhiều ngun cơng trước hồn thiện phân xưởng thường trang bị hệ thống nhiều cầu trục hoạt động ray để thực vận chuyển sản phẩm công đoạn Đối tượng triển khai nghiên cứu báo hệ thống cầu trục phân xưởng lắp ráp tơ địa bàn thành phố Hải Phịng bao gồm năm cầu trục Hình ảnh cầu trục thơng số kỹ thuật hình bảng Bảng Thông số cầu trục DEMAG Hãng sản suất DEMAG(Đức) Tải trọng 2500 kg Tốc độ di chuyển 10-30 m/phút Tốc độ nâng/hạ 5-7m/phút Số cấp tốc độ Phương pháp điều khiển Thủ công Độ cao nâng tối đa 8m Điện áp hoạt động 380VAC/50Hz Hình Cầu trục phân xưởng lắp ráp ô tô Các cầu trục bố trí hoạt động năm khu vực khác công đoạn lắp Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 ráp (hình 2) Vỏ xe hoàn thiện khu vực I sau cầu trục số I di chuyển đến khu vực II để lắp bình xăng hệ thống ống dẫn nhiên liệu Tại khu vực III lắp động xe, khu IV lắp bánh xe, khu V lắp ráp cửa xe trước cầu trục V đưa đến khu vực kiểm tra hoàn thiện Để điều khiển cầu trục, người công nhân sử dụng tay điều khiển (có dây) để điều khiển cầu trục đến vị trí mong muốn Điều dẫn tới suất khơng cao ln cần có người điều khiển theo cầu trục để điều khiển 3.5m I 5.5 m A F V 4.5 m E IV D 6m III 6m C II B 4m Hình Bố trí cầu trục cho cơng đoạn Ngồi ra, nguy va chạm với cầu trục khác cao cầu trục hoạt động ray khơng có hệ thống tự động dừng tới gần cầu trục khác Do cần cải tiến hệ thống cầu trục sẵn có nhà máy để thực yêu cầu: - Tự động dừng lại để tránh va tới gần cầu trục khác; - Tự động làm hàng khu vực hoạt động cầu trục; - Các vị trí làm hàng thay đổi tùy linh hoạt (vị trí A, B, F,… thay đổi); - Không can thiệp vào điều khiển sẵn có cầu trục để khơng làm ảnh hưởng tới ổn định cầu trục Qua nghiên cứu sơ đồ nguyên lý [2] thấy rằng, cầu trục sử dụng nút ấn điều khiển tay để thực thao tác di chuyển như: Nâng, hạ, trái phải Thông qua việc ấn nút, điều khiển tay cấp tín hiệu điện áp xoay chiều 24VAC tới đầu vào tương ứng điều khiển cầu trục (bộ driver) từ thực đảo chiều thay đổi tốc độ hai động không đồng ba pha Do vậy, ta đưa tín hiệu thích hợp đến đầu vào điều khiển cầu trục điều khiển tự động Giải pháp đề cập báo chuyển sang chế độ tự động, điều khiển tay cầu trục ngắt tín hiệu đưa tới điều khiển cầu trục PLC cung cấp Sở dĩ lựa chọn PLC thiết bị đáp ứng yêu cầu tiêu chất lượng cơng nghiệp, có tính khả trình cao [3], triển khai thuật tốn tự động phần mềm giúp cho hệ thống trở nên linh hoạt sử dụng rơ le hay mạch số Cấu trúc cải tiến hệ thống Trên hình cấu trúc đề xuất để cải tiến hệ thống điều khiển cầu trục, bao gồm: - Cảm biến giới hạn hành trình (Limit Sensors); - Bộ PLC đóng vai trò thiết bị điều khiển chế độ tự động; - Điều khiển (Control Board) sử dụng điều khiển cầu trục chế độ tay; - Rơ le (Relay) chuyển mạch tín hiệu điều khiển; - Bộ điều khiển driver (Crane Controller) điều khiển động nâng hạ di chuyển Để chuyển đổi chế độ tự động chế độ tay, người vận hành thay đổi vị trí cơng tác A/M (Auto - Manual) điều khiển Khi lựa chọn chế độ điều khiển tay, rơ le chuyển mạch lên vị trí để đưa tín hiệu từ tay điều khiển vào trực tiếp điều khiển cầu trục mà không cần thông qua PLC TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 PLC DI Crane Controller L A M DO Control Board M1 3~ Relay R Hoist motor M2 3~ Travel motor Limit sensors Hình Cấu trúc cải tiến với PLC Khi chuyển sang chế độ tự động, rơ le tín hiệu chuyển xuống vị trí bên dưới, lệnh điều khiển xuất từ PLC để đến điều khiển cầu trục Để tự động làm hàng hệ thống cần phải có bốn cảm biến (hai cho phía trước hai cho phía sau) để giới hạn hành trình Hai cảm biến để tạo tín hiệu bắt đầu kết thúc hành trình Hai cảm biến khác gắn cầu trục để tạo tín hiệu dừng tạm thời tới gần chướng ngại vật Các cảm biến hành trình lựa chọn cảm biến quang Cảm biến dạng có ưu điểm lắp đặt dễ dàng, độ nhạy cao, làm việc ổn định [4] Xây dựng, thiết kế hệ thống điều khiển 3.1 Các thiết bị sử dụng hệ thống Trên hình cảm biến sử dụng hệ thống Đây cảm biến tiệm cận dạng quang phản xạ Cảm biến sở nguyên lý sử dụng phát thu hồng ngoại [4] Khi tia hồng ngoại từ phát vật chắn, phản xạ trở lại thu đầu cảm biến tạo mức logic cao đưa tới PLC Trong hệ thống sử dụng hai loại cảm biến Loại cảm biến thứ để phát kết thúc hành trình di chuyển cầu trục, cảm biến soi vào phản xạ gắn ray đặt đầu cuối hành trình Do cần sử dụng loại phát khoảng cách gần Trong báo sử dụng cảm biến SY-GY-30MFS với khoảng cách phát 10-30cm sai lệch +/- 10% hình 3(a) Loại thứ hai dùng để phát chướng ngại vật phía trước cầu trục Theo u cầu cơng nghệ khoảng cách dừng trước chướng ngại vật tối thiểu 1.6 m để đảm bảo an toàn, cần lựa chọn loại cảm biến có khoảng cách phát xa cảm biến Autonics BA2M-DDTD [5], hình ảnh cảm biến hình 3(b), với khoảng cách phát m Bộ PLC điều khiển hệ thống lựa chọn S7-1214C hình 3(c) Đây dịng PLC Siemens có tốc độ nhanh nhớ lớn [6] Ngồi S7-1214C cịn tích hợp ln đầu vào/ra số vào tương tự thuận tiện cho xây dựng hệ thống (a) Cảm biến SY-GY-30MFS (b) Autonics BA2M-DDTD (c) PLC S7-1214 Hình Lựa chọn cảm biến PLC 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Theo cấu trúc đề xuất hình 2, sơ đồ nguyên lý triển khai hình hình Trên bảng đầu vào/ra tín hiệu PLC 6 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 GND FUSE 2A RIGHT STL STR LL LSL LR FUSE 2A A/M +24V LSH AC-DC ~ 380VAC L+ M L+ M 1M VR ~ LEFT TRAN MCB1 380VAC/5A 380V/220VAC 50VA 2M CPU 1214C DC/DC/DC 3L 3M FUSE 2A K1 UP K2 DOWN K3 K4 K5 HS1 RIGHT LEFT K7 K6 HS2 A/M Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển trung tâm 22 51? 0.25W 51? 0.25W 46 47 K3 K6 41 23 K1 K4 K2 38 37 K2 K1 24 K5 25 27 K5 K4 39 26 X2.6 X2.9 X2.8 X2.7 40 42 K7 X2.1 X2.2 X2.10 43 X2.11 44 K7 X2.3 28 45 X2.4 Crane controller K7 K7 X2.5 Hand controller EM COM UP DOWN RIGHT LEFT Hình Sơ đồ nguyên lý rơ le trung gian cấp tín hiệu cho điều khiển cầu trục Bảng Đầu vào tín hiệu PLC STT Kí hiệu Địa Mơ tả chức A/M I0.0 Tín hiệu chọn chế độ Auto/Manual LSL I0.1 Hạn vị chiều xuống cấu nâng hạ LSH I0.2 Hạn vị chiều nâng cấu nâng hạ LR I0.3 Cảm biến hạn vị cho chiều sang phải cấu di chuyển LL I0.4 Cảm biến hạn vị cho chiều sang trái cấu di chuyển STR I0.5 Cảm biến dừng gặp chướng ngại vật chiều sang phải STL I0.6 Cảm biến dừng gặp chướng ngại vật chiều sang trái RIGHT I0.7 Nút ấn sang phải LEFT I1.0 Nút ấn sang trái 10 VR AI0 Biến trở hiệu thời gian chạy cần thay đổi vị trí làm hàng TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 Bảng Bảng đầu PLC STT Kí hiệu Địa Mơ tả chức K1 Q0.0 Rơ le cấp tín hiệu điều khiển nâng hàng tốc độ K2 Q0.1 Rơ le cấp tín hiệu điều khiển hạ hàng tốc độ K3 Q0.2 Nâng/hạ tốc tốc độ (tốc độ cao) K4 Q0.3 Rơ le cấp tín hiệu điều khiển cầu trục di chuyển sang phải tốc độ K5 Q0.4 Rơ le cấp tín hiệu điều khiển cầu trục di chuyển sang trái tốc độ K6 Q0.5 Di chuyển tốc độ K7 Q0.6 Chuyển đổi chế độ thành Auto Dựa sơ đồ nguyên lý, tủ điều khiển điều khiển thiết kế hình hình Tủ điều khiển có kích thước 35x50 cm, thiết bị lựa chọn để sử dụng thiết bị chuẩn công nghiệp Xây dựng thuật toán thử nghiệm 4.1 Xây dựng thuận toán Thuật tốn điều khiển hình Khi ấn nút sang trái (LEFT) sang phải (RIGHT), chương trình đặt bit nhớ M0.1 để nhớ trạng thái Sau chương trình kiểm tra chế độ Auto hay Manual Nếu chế độ lựa chọn Manual đầu Q 0.6 = để ngắt tín hiệu từ PLC đến điều khiển cầu trục Khi chế độ Auto PLC điều khiển cầu trục thực theo chu trình hạ móc lấy hàng cuối ngun cơng, nâng móc, dịch chuyển tới đầu nguyên công hạ hàng Để giảm rung lắc thay đổi tốc độ đột ngột chuyển động cầu trục điều khiển theo hai cấp tốc độ Hình Bên tủ điều khiển Hình Lắp tủ điều khiển vào cầu trục Begin M0.1=0 Sai LEFT? Sai RIGHT ? § óng M0.1 =1 F A/M=1 Q0.3=0; Q0.4=0 T Q0.3=1 § óng M0.1 =0 Delay t(ms) F Q0.4=1 Delay 1s Delay 1s Q0.1 =1; Q0.2=0 Q0.5=1 Delay 1s Q0.6 =1 LL(R)=1 T Q0.6 =0 § óng Q0.2=1 F STL(R)=1 F Delay 10ms LSH=0 F T M9.1=1 TrÔ2s Delay 1s Delay 1s Q0.3 =0, Q0.4=0 Q0.1=0 M9.1=1? T T Q0.5=0 t(s)=(IW64)/5.5296 F F Q0.2=0 F LSH=0 LSL=0 Q0.5=0 LL(R)=1 T Q0.0 =1, Q0.2=0 Q0.0 =1, Q0.2=1 T T F Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình End Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 4.2 Thử nghiệm hệ thống Hình Hình ảnh cầu trục số làm việc nhà máy Sau xây dựng xong phần mềm cho tủ điều khiển trung tâm phần mềm Tia Portal theo thuật toán hình Tác giả tiến hành thử nghiệm hệ thống thực chức tránh va tự động tự động làm hàng hình Thử nghiệm thực tế cho thấy, khoảng cách mà cầu trục tự động giảm tốc để dừng cách cầu trục khác 1.6 m Khi dừng hoàn toàn, khoảng cách hai đầu xe 0.8 m Khoảng cách dừng thay đổi cách chỉnh độ nhạy cảm biến quang phản xạ BA2M-DDTD, tối đa lên tới m Khi chạy chế độ tự động làm hàng (có tải), sai lệch vị trí dừng làm hàng 10÷25 cm Do qn tính cầu trục lớn, việc dừng xác vị trí đặt khó khăn Khoảng cách theo phía nhà máy chấp nhận sau cầu trục kết thúc trình làm hàng tự động người cơng nhân ln phải có q trình tinh chỉnh vị trí cầu trục để xe khớp với vị trí đỡ Q trình tinh chỉnh xe bù lại sai lệch Khi trao đổi với phía nhà máy, trước lắp ráp hệ thống tự động làm hàng suất phân xưởng 10 - 11 xe/giờ Sau lắp hệ thống tự động làm hàng tránh va xuất tăng lên khoảng 10 - 15% không xuất cố va chạm cầu trục làm hàng Đánh giá chung kết cho thấy hệ thống hoạt động tốt, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đề ra, bên phía doanh nghiệp nghiệm thu đưa hệ thống vào sản xuất Kết luận Bài báo đề xuất thiết kế thành công điều khiển cho hệ thống nhiều cầu trục sử dụng PLC S7-1200 Hệ thống thử nghiệm thực tế sản xuất cho kết tốt, hoạt động ổn định, đáp ứng chế độ tự động làm hàng dừng tạm thời để tránh va chạm Sản phẩm phía doanh nghiệp đánh giá cao, góp phần nâng cao suất giảm tai nạn va chạm Bài báo sản phẩm công bố kết nghiên cứu đề tài khoa học cấp trường năm học 2019-2020: “Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống vận chuyển dùng nhiều cầu trục nhà máy lắp ráp ô tô” Tài liệu tham khảo [1] Bùi Quốc Khánh, Hồng Xn Bình (2016), Trang bị điện-điện tử tự động hóa cầu trục & cần trục, NXB Khoa học Kỹ thuật; [2] Bản vẽ sơ đồ nguyên lý cầu trục DEMAG 2.5T; [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2013), Tự động hóa với Simantic S7-300, NXB Khoa học Kỹ thuật; [4] Lê Văn Doanh tác giả (2014), Các cảm biến đo lường điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật; [5]https://www.autonicsonline.com/product/product& product_id=686 [6] Trần Văn Hiếu (2018), Tự động hóa PLC S71200, NXB Khoa học Kỹ thuật Ngày nhận bài: 27/2/2020 Ngày chuyển phản biện: 31/3/2020 Ngày hoàn thành sửa bài: 21/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 28/4/2020 ... Hình Bố trí cầu trục cho cơng đoạn Ngồi ra, nguy va chạm với cầu trục khác cao cầu trục hoạt động ray khơng có hệ thống tự động dừng tới gần cầu trục khác Do cần cải tiến hệ thống cầu trục sẵn có... điều khiển sẵn có cầu trục để khơng làm ảnh hưởng tới ổn định cầu trục Qua nghiên cứu sơ đồ nguyên lý [2] thấy rằng, cầu trục sử dụng nút ấn điều khiển tay để thực thao tác di chuyển như: Nâng,... hoạt sử dụng rơ le hay mạch số Cấu trúc cải tiến hệ thống Trên hình cấu trúc đề xuất để cải tiến hệ thống điều khiển cầu trục, bao gồm: - Cảm biến giới hạn hành trình (Limit Sensors); - Bộ PLC