Hệ thống các thiết bị điều khiển của các cơ cấu

7. Ngày hoàn thành đồ án:

4.1. Hệ thống các thiết bị điều khiển của các cơ cấu

4.1.1. Các hạn vị.

Các cơ cấu được trang bị đầy đủ các bảo vệ cơ điện nhằm bảo vệ an toàn cho cơ cấu như : Bảo vệ giới hạn trên, dưới của cáp, bảo vệ quá tải khi nâng hạ, bảo vệ chùng cáp khi nâng hạ... có chức năng giống như của hệ thống cũ. Các hạn vị này đều được nối qua rơle trung gian trước khi đưa vào đầu vào của PLC.

4.1.2. Encoder.

Để điều khiển cơ cấu nâng hạ một cách chính xác, sử dụng encoder tuyệt đối XCC1510PS11X của Schneider gắn vào trục của động cơ nâng hạ chính để phản hồi tốc độ về biến tần. Vì vậy biến tần phải được lắp thêm card Encoder để nhận tín hiệu từ encoder đưa về. Để tín hiệu từ encoder truyền về ổn định, chọn loại card encoder để gắn thêm vào biến tần cũng như encoder gắn vào động cơ có chuẩn RS422.

4.2. Hệ thống điều khiển PLC (của mỗi cẩu).

Các thiết bị của hệ thống điều khiển trung tâm là thiết bị của SIEMENS, loại

SIPLUS – chuyên dùng cho các ứng dụng có yêu cầu khắt khe về nhiệt độ: hoạt động an toàn và tin cậy ở nhiệt độ lên tới 60oC.

Căn cứ vào thiết kế cơ khí hiện tại của cầu trục, để điều khiển hệ thống một cách rõ ràng và rành mạch, hệ điều khiển PLC được chia làm 2 nhóm đặt tại 2 vị trí khác nhau. Chúng được kết nối bằng hệ thống mạng Profibus-DP. Căn cứ vào yêu cầu đó, hệ điều khiển được chọn là hệ thống của SIEMENS, bao gồm: Nguồn, 1 CPU S7-300, 1 ET 200M ở tủ điều khiển PLC, 1 ET200M ở tủ cabin và các I/O vào ra gắn trên CPU và các ET 200M.

4.2.1. Nhóm I.

Đặt trong tủ tại sàn di chuyển cẩu, bao gồm: 1 bộ nguồn, 1 CPU S7-300 , 1 module giao diện (ET200M), 4 module vào và 4 module ra. Việc sử dụng thêm 1 module giao diện ET200M thực chất là để tăng cường tính dự phòng cho việc gắn

thêm các IO khi cần. Chức năng chủ yếu của nhóm I là thu thập tất cả các thông số và điều khiển chuyển động của các cơ cấu của cẩu cầu (bao gồm: cơ cấu nâng hạ chính, cơ cấu nâng hạ dự phòng, cơ cấu di chuyển xe lớn, cơ cấu di chuyển xe con), thông báo, hiển thị các trạng thái và kết nối truyền thông với nhóm thứ 2 qua mạng Profibus-DP.

Để đảm bảo tính an toàn khi vận hành ở nhiệt độ cao, khả năng xử lý nhanh, CPU được chọn là loại 315-2DP SILPUS : chịu được nhiệt độ cao, tốc độ xử lý nhanh, có 2 cổng DP dùng cho việc kết nối truyền thông.

Module đầu vào được chọn là loại cách ly quang, bảo vệ cho các thiết bị điều khiển tránh bị hư hỏng do ảnh hưởng điện từ bên ngoài. Hơn nữa các tín hiệu logíc ngoài tủ trước khi đưa tới module đầu vào đều được nối qua rơle trung gian.

Module đầu ra là loại đầu ra rơle, để cách ly thiết bị điều khiển với môi trường bên ngoài và đồng thời cung cấp đầu ra có khả năng chịu dòng lớn. Mỗi I/O vào ra được sử dụng cho một nhóm chức năng riêng biệt, thuận lợi cho việc theo dõi, giám sát và lắp đặt, thay thế.

Tất cả các module nguồn, module giao diện và các module vào ra đều chọn loại SIPLUS- loại chịu được nhiệt độ cao tới 60oC.

4.2.2. Nhóm II.

Được đặt tại Cabin, bao gồm: 1 bộ nguồn, 1 module giao diện (ET200M), 1 module vào và 1 module ra. Chức năng của nhóm là thu thập thông số đầu vào từ tay điều khiển, hiển thị các đèn trạng thái…

Do tại đây không đặt bộ xử lý trung tâm nên 1 module giao diện phải được sử dụng để điều khiển các I/O vào ra và kết nối với CPU tại tủ PLC thông qua mạng Profibus . Các module vào ra ở đây cũng chọn loại SIPLUS để đáp ứng yêu cầu hoạt động tin cậy ở nhiệt độ cao. Loại module đầu vào là loại cách li quang, các tín hiệu trước khi tới module đầu vào đều đuợc nối qua rơle trung gian, module đầu ra là loại đầu ra relay. Các module I/O cũng được bố trí tách biệt cho các chức năng riêng.

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

4.2.3. Mạng Profibus DP kết nối nhóm I, nhóm II

Mạng Profibus DP là loại được dùng phổ biến trong công nghiệp do độ an toàn, tin cậy cao, ghép nối được với nhiều thiết bị và dễ lắp đặt. Trong hệ thống điều khiển cầu trục, mạng Profibus DP được dùng để nối CPU, module giao diện trong nhóm I, module giao diện trong nhóm II :

- Điều khiển cầu trục một cách rõ ràng, rành mạch.

- Tiết kiệm tối đa số lượng số lượng dây dẫn của hệ thống.

4.2.4. Mạng MPI kết nối PLC và màn hình hiển thị

Màn hình hiển thị ở Cabin có chức năng hiển thị bằng tiếng Việt các thông số cần thiết như: Tình trạng sẵn sàng của cơ cấu, thông báo khi có sự cố…. Thuận tiện cho người vận hành và người quản lý để giám sát trạng thái của toàn bộ hệ thống. Màn hình hiển thị được nối với PLC thông qua mạng MPI .

4.3. Hệ thống điều khiển chạy 2 cẩu phối hợp

Ở chế độ điều khiển chạy phối hợp, hệ thống điều khiển của 2 cẩu được kết nối với nhau thông qua điểm nối Profibus để chờ sẵn của mỗi cẩu. Mỗi cẩu sẽ có một khoá chuyển mạch để xác nhận chế độ điều khiển chạy phối hợp. Muốn điều khiển ở cẩu nào thì chuyển vị trí của khoá chuyển mạch ở cẩu đó sang chế độ chạy phối hợp còn khoá của cẩu còn lại không thay đổi.

Trong chế độ điều khiển chạy 02 cẩu phối hợp, đòn gánh sẽ được nối vào 2 móc 250T của 2 cẩu ở hai đầu của đòn gánh. Theo nguyên lý phân bổ lực, nếu treo tải trọng vào giữa của đòn gánh thì lực sẽ được phân bố đều vào 2 móc treo, mỗi móc treo sẽ phải chịu một nửa của tải. Do đó nếu xét về lực thì nếu tải trọng khi kết nối 2 cẩu không vượt quá 500T thì tải trọng ở mỗi móc cũng không vượt quá 250T. Tuy nhiên nếu độ nghiêng của đòn gánh quá lớn sẽ dẫn đến dây cáp của cẩu bị nghiêng và gây ra chồng chéo cáp trên tang cuộn, ảnh hưởng đến kết cấu của cẩu. Vì vậy phải đảm bảo cho độ nghiêng của đòn gánh phải luôn trong một giới hạn cho phép (Giới hạn này nếu có thông số cũ thì sẽ thực hiện theo thông số cũ, nếu không có thì sẽ được xác định thực tế khi thử nghiệm)

Để thực hiện điều đó, mỗi tang cáp sẽ được gắn một encoder loại tuyệt đối loại đo được nhiều vòng quay (multi turn absolute encoder) để giám sát số vòng quay của tang cáp. Đếm được số vòng quay của tang cáp, sẽ xác định được vị trí của móc treo. PLC sẽ có nhiệm vụ so sánh vị trí này của 2 móc treo và nếu 2 móc treo lệch quá giới hạn cho phép thì PLC sẽ ra lệch điều khiển biến tần chạy nhanh/chậm để đảm bảo vị trí của 2 móc treo luôn trong giới hạn cho phép.

Ưu điểm của việc dùng loại encoder này là có thể xác định được vị trí ở nhiều vòng quay (4096 vòng, mỗi vòng 8192 điểm). Vì là loại encoder tuyệt đối nên vị trí của tang cáp cũng như móc treo luôn được xác định chính xác ngay cả khi khởi động lại nguồn.

Để thuận tiện cho việc kết nối với PLC, encoder được chọn là loại có chuẩn giao tiếp Profibus, có thể kết nối trực tiếp vào mạng Profibus của hệ thống điều khiển cẩu. Với kiểu kết nối này, dữ liệu luôn được đảm bảo độ chính xác vì bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ bên ngoài.

4.4. Tìm hiểu các thiết bị trong hệ thống4.4.1. PLC 4.4.1. PLC

PLC là chữ viết tắt của chữ tiếng Anh Programmable Logic Controller nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được.

PLC là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm CPU

(Central Processing Unit), bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM, dùng để nhớ chương trình ứng dụng, và các cổng vào ra – INPUT / OUTPUT.

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo chung của PLC

a. Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có 1 vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.

PLC S7_300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng 1 loại 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 viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM(Intergrated Function Module). Ví dụ như Module CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là module CPU315-DP.

b. Thiết kế module

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra lớn cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà PLC S7 – 300 được chia nhỏ thành các module. Số module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bài toán, song tối thiểu bao giớ cũng có một module chính là module CPU. Các module còn lại gọi chung là các module mở rộng, bao gồm module nguồn nuôi, module ghép nối để nối các module mở rộng với nhau thành một khối thống nhất và được quản lý bởi một CPU, các module vào/ra để nhận/truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các module thực hiện chức năng chuyên dụng như PID, module điều khiển servo, module truyền thông để ghép nối mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. Tất cả các module được gá trên những thanh ray gọi là giá đỡ

Hình 1.2. Các module của PLC

c. Module mở rộng:

Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:

PS (Power supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại:2A, 5A, 10A.

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

a) DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.

b) DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. . Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.

c) 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/8ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ từng loại module.

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

d) AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module.

e) AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module.

f) AI/AO (Analog input/ Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.

IM (Interface module): Module ghép nối, nối các module mở rộng lại với nhau thành 1

khối và được quản lý chung bởi 1 module CPU. Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhau trên 1 thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có thể gắn nhiều nhất là 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7_300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM.

FM (Function module): Module có chúc năng điều khiển riêng. Ví dụ như module PID,

module điều khiển động cơ bước…

CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giừa các PLC

với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.

d. Chọn các module cho PLC

Ở đây ta chọn các module cho PLC S7-300 như sau:

Bảng 2.1. Bảng chọn module cho PLC

Tên gọi Ký hiệu Thông số thiết bị Số lượng

(cái)

Khối nguồn PS 307 6ES7307-1KA00-0AA0 1

CPU 315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0/V2.0 1

Module ghép nối IM365 6ES7 365-1BA00-0AA0 1

Module tín hiệu vào SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 4

Module tín hiệu ra SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 4

Thanh đỡ Rack S7 6ES7 390-1AE70-0AA0 1

4.4.2. Mạng truyền thông PROFIBUS –DP

PROFIBUS – DP là một trong ba giao thức của PROFIBUS (Process Field Bus), ra đời vào năm 1993, được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, là giải pháp tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển. Lúc đầu PROFIBUS –

DP được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp. Tuy nhiên gần đây phạm vi ứng dụng của nó ngày càng lan rộng ra nhiều lĩnh vực khác.

Truy nhập bus

Với dự án ta chỉ sử dụng có một S7 – 300 làm nhiệm vụ điều khiển cả hệ thống, còn các thiết bị còn lại là thiết bị vào-ra phân tán ET200M và encoder nên truy nhập bus sử dụng trong hệ thống mạng kiểu chủ/tớ là phù hợp nhất ( Master/Slave ). Thời gian cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kì bus. Do vậy, chu kì bus có thể tính toán trực tiếp được. Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Một ưu điểm nữa của phương pháp này là việc kết nối đơn giản, đỡ tốn kém. Trạm chủ S7 – 300 lại là một thiết bị điều khiển nên việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn.

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp truy nhập chủ/tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ và hiệu suất sử dụng đường truyền bị giảm do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ. Đồng thời độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp có xảy ra sự cố thì toàn bộ công đoạn ngừng làm việc.

4.4.3. Mạng MPI

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:

• Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản.

• Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ.

• Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông.

• Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

• Chuẩn: SIEMENS.

• Số trạm cho phép: Max 32.

• Phương pháp thâm nhập đường dẫn: Token Passing. • Tốc độ truyền thông: Max 187,5 Kbit/s.

• Môi trường truyền dẫn: đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo).

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

• Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m,với cáp quang qua OLM>100 km.

• Cấu trúc mạng (Topology) : đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn.

• Dịch vụ truyền thông : các hàm chức năng của S7, bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD).

Hình 3.1. Cấu trúc mạng MPI đơn giản

4.4.4. ET200M

 ET200M là thiết bị vào-ra phân tán có nhiệm vụ truyền-nhận tín hiệu từ khối điều khiển CPU của các module S7-300 cục bộ. Nó có các ưu điểm:

• Linh động trong việc lắp đặt các thiết bị điều khiển trực tiếp tại nơi cần mà không bị hạn chế bởi các phương tiện và cấu trúc mạng

• Tăng số lượng đầu vào ra của hệ thống tự động hóa một cách dễ dàng mà vẫn đảm