nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần pwm cho c

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá -
hiện đại hoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xã
hội. Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vận
tải nói chung và vận tải thuỷ nói riêng. Trong sự phát triển đó, các hải cảng đóng
vai trò rất quan trọng.
Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container
là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên thế giới.
Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt động
cũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọng
đối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các phương
án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống.
Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế môn
học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp
container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu di chuyển
xe con”
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình và các thầy cô giáo
trong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế này.
Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có hạn nên
bản thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
chỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kế được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Môc lôc
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1: Tổng quan về cầu trục 3
1
1.1 Giới thiệu chung về cầu trục 3
1.2 Phân loại cầu trục 3
1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho

cầu trục
4
Chương 2: Tổng quan về trang bị điện điện tử cho cơ cấu di
chuyển xe con cầu trục giàn
6
2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục 6
2.2 Nguyên lý và cấu trúc của bộ biến tần PWM 11
2.3 Tổng quan về PLC S7-300 17
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho cơ cấu di chuyển xe con cầu
trục giàn container
26
3.1 Sơ đồ điều khiển xe con cầu trục giàn 29
3.2 Chức năng các phần tử trong sơ đồ 30
3.3 Nguyên lý hoạt động 31
3.4 Các bảo vệ chính 31
3.5 Bảng quy định tín hiệu vào ra của PLC 32
3.6 Thuật toán điều khiển 33
3.7 Chương trình PLC điều khiển xe con cầu trục giàn 34
3.8 Cài đặt tham số biến tần 43
KẾT LUẬN 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
Chương 1: Tổng quan về cầu trục
1.1 Giới thiệu chung về cầu trục
Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư, thiết bị từ
chỗ này sang chỗ khác. Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trục
nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất.
Trong nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc các
thùng nóng chảy để vào khuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận
chuyển các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được gia
công xong đưa sang công đoạn khác. Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ

trên tàu xuống kho bãi hay vận chuyển hàng hoá xuất khẩu từ kho bãi xuống tầu,
2
vận chuyển các container, các máy móc xuất nhập khẩu qua đường biển.Như
vậy cầu trục và cần trục giúp cho con người cơ khí hoá, tự động hoá bốc xếp làm
giảm sức lao động, tăng năng suất và chấtlượng.
Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia cầu
trục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu trục cũng
rất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung thí dụ : cầu trục
có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc, cơ cấu dịch chuyển
ngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng.
1.2. Phân loại cầu trục
1.2.1. Phân loại theo cấu trúc điều khiển
a. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ 1 chiều.
b. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng
bộ rôto lồng sóc.
c. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng
bộ rôto dây quấn.
d. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ không đồng bộ.
e. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ không đồng bộ
f. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tải
động
1.2.2. Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá
a. Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn
b. Cầu trục có tải trọng trung bình:Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn
c. Cầu trục có tải trọng lớn:Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn
d. Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn
1.2.3. Phân loại theo đặc điểm công tác
a) Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng
Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí.Cầu trục
này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di

chuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn các cầu trục này thường được thiết kế điều
khiển tại chỗ và từ xa.
b) Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray
3
Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho
cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển. Loại này thường được thiết kế có trọng
tải nâng lớn, làm việc trong phạm 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.
c) Cầu trục bốc xếp container
Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển động
chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn.
Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai máy phát điện đồng
bộ. Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng suất cao.
d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiển
chuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson).Đặc điểm công tác nổi
bật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất bốc xếp rất cao.
Được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container.
1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu
trục
Khái quát về các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cho cầu trục
Đối với các thiết bị nâng vận chuyển nói chung và cầu trục nói riêng cần phải
thoả mãn các điều kiện sau:
-Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải định mức
Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện trước
tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế kĩ thuật tốt
nhất cho sự hoạt động của cầu trục. Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quá lớn sẽ đòi
hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn, điều này dẫn tơí giá
thành cao. Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển
chuyển động của các cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời

gian hãm, thời gian làm việc liên tục trong chế độ quá độ , gia tốc và độ giật
thoả măn yêu cầu.Ngược lại nếu tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng tới năng suất bốc
xếp hàng hoá.
-Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng
4
Phạm vi điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điều khiển chuyển động là điều
kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn các yêu cầu
công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá.
Số cấp tốc độ cho cầu trục ít nhất phải là 3 cấp tốc độ .Cấp tốc độ thấp nhằm
thoả mãn công nghệ khi nâng hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu
cho từng cơ cấu, giữa hai cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ
trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hoá .
-Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ
Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở trong chế độ ngắn
hạn lặp lại, vì vậy mà thời gian quá độ chiếm hầu hết thời gian công tác. Do đó
việc rút ngắn thời gian quá độ là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất .
-Có trị số hiệu suất cao 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 hệ thống
truyền động điện của các cầu trục thường không sử dụng hết khả năng công suất,
hệ số tải thường trong khoảng 0,3 – 0,4. do vậy khi chọn động cơ phải chọn loại
có cos cao và ổn định trong phạm vi rộng.
-Đảm bảo an toàn hàng hoá
Bảo đảm an toàn cho hàng hoá, cho thiết bị và an toàn cho công nhân bốc xếp
là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác, vận hành cầu trục.
-Điều khiển thuận lợi và đơn giản
Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiển
cùng với các thiết bị điều khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất giữa
các loại cầu trục. Đồng thời người điều khiển cầu trục có thể sử dụng các lệnh
khẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng .

- Ổn định nhiệt cơ
Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ngoài trời. Các khu vực
làm việc thông thường có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt. Ngoài ra các cầu
trục cảng biển chi ụ ảnh hưởng của hơi nước mặn, vì vậy các thiết bị điện, kết
cấu cơ khí phải được chế tạo thích hợp với các môi trường công tác.
5
-Tính kinh tế và kĩ thuật cao
Thiết bị chắc chắn , kết cấu đơn giản, trọng lượng và kích thước nhỏ, giá
thành hạ. Chi phí bảo quản và chi phí năng lượng hợp lí.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHO CƠ
CẤU DI CHUYỂN XE CON CẦU TRỤC GIÀN
2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục
Trên cầu trục bao gồm có 3 cơ cấu chính truyền động độc lập với nhau. Khi
kết hợp điều khiển 3 cơ cấu này hoạt động hoặc điều khiển hoạt động riêng rẽ
từng cơ cấu sẽ đạt được quỹ đạo bốc xếp hàng hóa theo mong muốn.
Các cơ cấu của cầu trục bao gồm :
1. Truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng.
2. Truyền động cho cơ cấu di chuyển xe con.
3. Truyền động cho cơ cấu di chuyển giàn.
Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu này có thể được thực hiện là các hệ
truyền động điện hoặc truyền động điên- thủy lực.
Tuy nhiên các hệ truyền động điện thuần tuý khi sử dụng động cơ truyền động
là: các động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôtor lồng soc hoặc dây quấn
sẽ cho đặc tĩnh điều chỉnh tốt nhất. Các cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn cả cầu trục trong tính toán gần giống nhau. Chúng ta sẽ phân tích
các hệ trền động điện dùng cho cầu trục .
Cấu trúc của hệ thống điện dùng cho cầu trục được đưa ra với hai dạng phổ
biến trình bày trên hình 2.1. trên hình 2.1a, bao gồm các phần tử chình của hệ
thống động lực:
1. Động cơ điện ruyền động cho các cơ cấu.

2. Phanh hãm điện từ .
3. Bộ truyền cơ khí .
4. Có thể là trống tời quấn cáp của cơ cấu nâng hạ hàng .
5. Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ hàng .
6
Với cấu trúc như trên hính 2.1a, động cơ thực hiện có thể là động cơ một
chiều điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch kích từ.
Cần chú ý rằng cuộn kích từ nối tiếp được sử dụng để hỗ trợ mômen của động
cơ trong điều khiển ở chiều nâng hạ là khác nhau.Việc đổi chiều quay của động
cơ điện một chiều được thay đổi chủ yếu bằng cách thay đổi chiều điện áp phần
ứng. Hệ thống cấp nguồn của động cơ một chiều có thể là máy phát điện một
chiều có nhiều mạch phần ứng ( hệ F- Đ) hoặc bộ biến đổi tiristor - động cơ điện
một chiều ( T-Đ).Với cấu trúc trên hình 2.1a , động cơ thực hiện là động cơ
không đồng bộ rôto lồng sóc loại có nhiều cuộn dây quấn trên stato, các tốc độ
khác nhau đuợc tạo ra bằng cách đổi nối các cuộn dây hoặc thay dổi điện áp, tần
số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato. Việc đổi chiều quay cho các động cơ
xoay chiều không đồng bộ thường thực hiện bằng phương pháp đổi thứ tự pha
điện áp nguồn cung cấp .
Ưu điểm cơ bản của hệ truyền động điện trên hình 2.1a: Kết cấu hệ thống dơn
giản thường xây dựng theo nguên tắc dùng tay điều khiển kết hợp với trạm từ.
Đồng thời dạng này cũng cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tư ban
đầu thấp.
Nhược điểm cuat hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây nên
lực giật trong quá trình làm việc của cầu trục.Vì vậy bền vững không cao và chỉ
ứng dụng cho các cầu trục khi yêu cầu đặc tính công nghệ nâng chuyển không
cao.
Để khắc phục các nhược điểm trên trong các hệ thống điều khiển chuyển
động cho các cơ cấu, ngày nay đã ứng dụng các hệ thống truyền động điện hiện
đại sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ với thiết bị điều
khiển PLC. Dạng hệ thống này cho kết quả tốt về điều chỉnh tốc độ, tính linh

hoạt trong điều khiển và giám sát, cũng như hiệu quả kinh tế cao.
Trên hình 2.1b biểu diễn dạng cấu trúc động lực của hệ thống truyền động
điện đã được ứng dụng cho mhiều loại cần trục và cầu trục.
Trong hệ thống bao gồm:
1. Động cơ truyền động
7
2. Phanh điện từ hãm dừng.
3. Bộ truyền cơ khí.
4. Phụ tải động dùng để điều chỉnh tốc độ của hệ thống bằng máy hãm
đồng bộ hoặc máy phát điện một chiều hoặc các dạng phanh hãm điện từ.
5. Cơ cấu thực hiện có thể là trống tời cáp của cơ cấu nâng hạ.
6. Phanh an toàn .
b)
5
12
3
4
6
6
a)
5
5
4
3
2 1
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện cho cầu trục
Đặc điểm cơ bản của hệ thống ở hình 2.1 là ở chỗ cấu phanh hãm điều chỉnh
tốc độ 4 có thể điề chỉnh được mômen hãm theo yêu cầu và kết hợp với đặc tính
của động cơ điện để cho ra được đặc tính của hệ thống thoả mãn được công
nghệ nâng vận chuyển cho các loại cầu trục .Đặc biệt thích hợp với cầu trục

dùng trong công nghệ lắp máy, xây dựng và các cầu trục để bốc xếp container ở
các biển. Dạng hệ thống trên hình 2.1b thường được ứng dụng cho các hệ thống
có phạm vi công suất lớn sử dụng động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn.
Ưu điểm của hệ thống trên hình 2.1b là có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , độ
trơn điều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, trái phải.
Nhược điểm của hệ là : Hệ thống điều khiển thường phức tạp và là hệ kín, giá
thành tổng thể cao hiệu suất vùng điều chỉnh thấp.
Cấu trúc hệ điều khiển cho các hệ truyền động điện biểu diễn trên hình 2.1 có
thể được xây dựng trên nguyên tắc hệ hở hoặc hệ kín điều chỉnh tốc độ.
8
Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiển
chuyển động cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày trên hình 2.2, chức
năng cơ bản của các khâu như sau:
- Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống tương ứng với 3 trạng
thái của tay điều khiển.Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động; Khi tay điều
khiển được dịc chuyển về phía”UP- DOWN” đối với các cơ cấu nâng hạ hàng;
về phía” L- P” đối với cơ cấu di chuyển giàn và xe con, cơ cấu di chuyển tay
điều khiển tạo ra tín hiệu chọn chiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên động
với tay điều khiển. Đồng thời tay điều khiển được nối liên động với trục của
encoder sử dụng các tín hiệu dạng số điều khiển giá trị tốc độ quay của động cơ.
Thông thường các Encoder sử dụng hiện nay tạo ra tín hiệu điều khiển 8 bít.
Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bit tín hiệu điều khiển (2 bit chiều và 8 bit
tốc độ).
- Bộ mã hoá: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao công
suất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa.
- Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DI, và các modul
đầu ra DO kết nối cới các hệ thống điều khiển. Để đảm bảo tính tác động nhanh
cho hệ thống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệu
analog điều khiển biến tần. Đông thời thông qua PLC cung cấp thông tin giám

sát sự hoạt động của toàn bộ hệ thống.
- Thiết bị đón cắt: Các công tắc tơ MC dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho
bộ biến tần, động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác.
- Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để đièu khiển điện áp, tần số cấp cho động cơ
theo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thời
thông qua biến tần có thể quan sát và đặt thông số bảo vệ động cơ . . .
- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng để truyền động
cho hệ thống.
- Thiết bị quan sát: Máy phat tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ cho tín
hiệu dạng xung.
9
U
V
W
DO
DI
T
S
R
PB
PA
PGM
PGP
THR
Pulse
generator
DC
REACTOR
PG
M

T1
E
T-
Link
PLC
SD
T2
T1
2 bit chiều
8 bit
Encorder
Cơ cấu chấp hành
INVERTER
bộ Mã HOá
AC 440V
Main
Source
Main
motor
TAY ĐIềU KHIểN
PLC
Processor
Unit
Computer
- Mỏy tớnh kt ni h thng: Chc nng chớnh ca PC l iu khin v
giỏm sỏt h thng.
Cỏc h thng iu khin trờn hỡnh 2.2 cú nhiu u im nh to ra nhiu cp
tc . Vỡ vy h thng hot ng ờm, git nh, kh nng t ng húa cho
tng cu trc cng nh ton b h thng iu khin khu vc cng trong khu vc
bc xp hng hoỏ. Dng h thng ny ngy cng c ng dng rng rói cho h

thng iu khin cu trc.

Hỡnh 2.2. Cu trỳc iu khin cho tng c cu dựng PLC b bin tn - ng
c khụng ng b cho cu trc.
*Nhn xột:
S phỏt trin kinh t ca mi nc ph thuc rt nhiu vo mc c gii
hoỏ, t ng hoỏ. Qua vic xem xột cỏc h thng iu khin trờn thỡ chỳng ta ó
thy rừ c cỏc u im v nhc im ca tng h thng iu khin truyn
ng.
+u im chung l: To ra nhiu cp tc , h thng hot ng ờm, git
nh.
+Nhc im chớnh l: cha cp n vn t ng hoỏ , tc l cỏc h
thng phi iu khin trc tip bng tay.
10
2.2. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP PWM
2.2.1 Bộ biến tần gián tiếp PWM điều chế độ rộng xung
Trong công nghiệp ngày nay khi quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá
ngày càng phát triển mạnh mẽ thì trong xản suất công nghiệp lại càng đòi hỏi có
những hệ thống truyền động điện có khả năng thay đổi tốc độ thường xuyên,
liên tục, dễ dàng với độ chính xác cao. Vấn đề điều chỉnh tốc độ là một trong
những vấn đề chính của truyền động điện, nó có ý nghĩa quan trọng đối với quá
trình công nghệ và sản xuất tiên tiến.
Việc điều chỉnh tốc độ của hệ thống có thể tiến hành bằng nhiều phương
pháp như: phương pháp thủy lực, cơ khí và điều khiển tần số là một phương
pháp điều khiển hiện đại nó cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
một cách trơn láng, phạm vi điều chỉnh rộng và đạt được hiệu quả cao.
Ngày nay, việc sử dụng biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung để điều
chỉnh điện áp và tần số cấp cho động cơ có nhiều ưu điểm:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị đặt mong muốn
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở

không đổi trong vòng điều chỉnh mômen.
- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số
- Độ tin cậy cao, với kỹ thuật tin học và điện tử công suất ngày càng phát
triển, các thiết bị bán dẫn và kỹ thuật biến đổi điện năng công suất lớn được đưa
vào sử dụng phổ biến thì ngày càng làm cho kỹ thuật điều chỉnh tốc độ đạt được
chỉ tiêu về chất lượng và kinh tế.
Việc sử dụng bộ biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung trong các thiết bị
nâng hạ, hệ thống cần cẩu đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độ
rộng, điều khiển trơn, hãm dừng chính xác.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động nói chung của bộ biến tần gián tiếp PWM
- Thiết bị biến tần
Bộ biến tần là bộ biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50 Hz)
sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ điện xoay chiều. BBT chia
11
làm 2 loại: Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) và bộ biến tần gián tiếp (có
khâu trung gian một chiều).
Bộ biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp năng lượng điện xoay chiều có tần
số, điện áp này (U
1
, f
1
) thành nguồn năng lượng điện có tần số, điện áp khác
(U
2
, f
2
). Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở những hệ thống có công
suất cao.
Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp (50Hz)
được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc

bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thành
điện áp 3 pha có tần số, điện áp biến đổi cung cấp cho động cơ.
- Bộ biến tần có điều biến độ rộng xung
Là bộ biến tần gián tiếp, điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu được lọc nhờ tụ
điện có trị số khá lớn, điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều
biến độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM). Các mạch nghịch lưu
bằng các tranzito ( MOSFET, IGBT ) được điều khiển theo nguyên lý PWM
đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng hình sin nhất.
- Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu
Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối như ở hình 2.14a, điện áp ra
U
0
được lọc sao cho có dạng hình sin. Tải của nghịch lưu là động cơ, mang tính
cảm kháng, nên dòng điện i
0
sẽ chậm pha so với điện áp U
0
như ở hình 2.14b.
Trong khoảng 1, điện áp U
0
và dòng điện i
0
đều mang dấu dương, trong khi ở
khoảng 3 chúng đều mang dấu âm, nên công suất tức thời sẽ được truyền từ
mạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế độ nghịch lưu của bộ
biến đổi. Ngược lại trong khoảng 2, 4 điện áp U
0
ngược dấu với điện áp i
0
,

dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về một chiều, tương ứng với chế
độ chỉnh lưu. Như vậy, mạch nghịch lưu hình 2.14a sẽ phải có khả năng làm
việc ở góc phần tư trên mặt phẳng (i
0
OU
0
) trong một chu kỳ điện áp lưới như
minh họa trên hình 2.14c
12
+
-
U
0
i
0
-
+
U
d
i
0
NghÞch luu
1pha
vµ bé läc
a)
c)
b)
chØnh luu
NghÞch luu
1 2

1
chØnh luu
2
NghÞch luu
ω
t
4
1
2
3
i
0
U
0
0
Hình 2.3: Nguyên tăc cơ bản của nghịch lưu 1 pha
a) Sơ đồ mạch điện
b) Dạng điện áp và dòng điện
c) Các chế độ làm việc trong mặt phẳng
Nghịch lưu điều biến độ rộng xung được sử dụng để tạo điện áp đầu ra của
nghịch lưu có dạng hình sin với tần số đặt trước. Nguyên lý điều biến độ rộng
xung như sau: Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được so
sánh với các xung hình tam giác. Tần số chuyển mạch của nghịch lưu (f
cm
) bằng
tần số xung tam giác (f
cm
) có giá trị không đổi. Tần số xung tam giác còn gọi là
tần số sóng mang. Tần số tín hiệu điều khiển (f
đk

) có tên là tần số điều biến sẽ
xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu.
a. Sơ đồ một pha.
13
U
0
=U
A0
-U
B0
§
B
-
§
B
+
T
A
+
T
A
-

T
B
-
T
B
+
§

A
-
§
A
+
+
-
++
U
d
/ 2
U
d
/ 2
Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha
Các phần tử trong sơ đồ hình 2.15:
T
A
+
, T
A
_
, T
B
+
, T
B
_
: các phần tử chuyển mạch.
T

A
+
, T
A
_
: được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa U
rc
và điện áp điều khiển U
đk
.
T
B
+
, T
B
_
: được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa U
rc
và
điện áp điều khiển (- U
đk
).
U
d
, i
d
: điện áp và dòng điện ra của bộ chỉnh lưu.
U
0
: điện áp ra tải.

Dạng xung chuyển mạch PWM được biểu diễn trên hình 3.5
T
B
+ më
U
dk
>U
X
T
B
+ më
-U
dk
>U
X
U
t
-U
dk
U
dk
U
X
14
-U
d
t
U
0
= U

AN
- U
BN
U
0
U
d
U
d
Hình 2.5: Dạng xung ra chuyển mạch PWM
- Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển.
- Điện áp đầu ra nghịch lưu.
Ưu điểm của sơ đồ nghịch lưu điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là tần
số điện ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển mạch thay
đổi với trị số U
d
so với 2U
d
ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng cực. Do tần số
điện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành phần sóng hài gấp
đôi so với sơ đồ nghịch lưu điều biến với chuyển mạch điện áp lưỡng cực.
b. Mạch nghịch lưu 3 pha.
Sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn trên hình 2.17, gồm 3 nhánh, mỗi
nhánh tương tự như một nhánh của sơ đồ nghịch lưu một pha hình 2.15.
C
B
A
T
C
+

T
C
-
§
B
+
§
B
-§
B
-
§
B
+
T
A
+
T
A
-
-
-
T
B
-
T
B
+
§
A

-
§
A
+
+
-
+
+
U
d
/ 2
U
d
/ 2
Hình 2.6: Sơ đồ nghịch lưu ba pha
15
Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cả
biên độ và tần số điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một chiều
U
d
không đổi. Để nhận được điện áp đối xứng ba pha, các điện áp điều khiển
hình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120
o
được so sánh với cùng một điện áp
răng cưa. Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điều
biến điện áp đơn cực. Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn
trên hình 2.18.
U
dkC
U

dkB
U
dkA
U
X
t
0
U
t
U
d
Sèng c¬ b¶n
0
UAB = UAN - UBN
Hình 2.7: Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha
16
2.3 Tổng quan về PLC S7-300
2.3.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình
Thiết bị điều khiển logic khả trình ( Programmable Logic Control ), viết tắt
thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng
mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ
điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ trao đổi thông tin
với môi trường xung quanh(với các PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ
chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối
chương trình ( khối OB, FC hoặc FB ) và được thực hiện lặp theo chu kì của
vòng quét.

Hình 2.8 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ PLC.
1. Khối vi xử lí trung tâm và hệ điều hành

2. Bộ nhớ chương trình
3. Bộ đệm vào ra
4. Các timer
5. Bộ đếm
6. Bít cờ
17
7. Cổng vào ra onboard
8. Cổng ngắt và đếm tốc độ cao
9. Bus của PLC
10.Quản lí ghép nối.
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí ( CPU ), một hệ
điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải có
các cổng vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông
tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều
khiển số, PLC phải cần có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm,
bộ thời gian và những khối hàm chuyên dụng.
2.3.2. Các module của PLC S7 - 300
* Modul CPU
Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông và có thể có một vài cổng vào ra số. Các
cổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7 – 300 có nhiều loại modul CPU khác nhau. Nói chung
chúng được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó như modul CPU 312, modul
CPU 314.
Những CPU cùng sử dụng một loại vi xử lí, 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 cho việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phân
biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function
Modul)

Ngoài ra còn có các loại CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền
thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất nhiên
kèm theo cổng truyền thông thứ 2 này là những phần mền tiện dụng dụng thích
18
hợp cũng đã được cài sẵn trong chương trình. Các loại CPU này được phân biệt
với các CPU khác bằng thêm cụm từ DP.
* Modul mở rộng
Các module mở rộng được chia thành 5 lại chính.
1. PS ( Power supply ) : Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A, 10A.
2. SM ( Signal module ) : Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm :
- DI ( Digital input ) : Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- DO ( Digital output ) : Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- 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 tuỳ thuộc
vào từng loại module.
- AI ( Analog input ) : Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất
chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits ( AD ), tức là mối tín
hiệu tương tự được chuyển thành tín hiệu số có độ dài 12 bits. Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- AO ( Analog output ) : Module mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits ( DA ). Số các cổng ra
tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- AI/AO ( Analog input/ Analog output ) : Module mở rộng các cổng vào/ra
tương tự. Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ thuộc vào
từng loại module.
3. IM ( Interface module ) : 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 lí chung bởi một CPU. Thông thường các module mở rộng

được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là thanh rack. Trên mỗi một thanh
19
rack chỉ có thể gá tối đa 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 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.
4. FM ( Function module ) : Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ
như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module
PID, module điều khiển vòng kín
5. CP ( Communication module ) : Moduel phục vụ truyền thông trong mạng
giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
2.3.3. Cấu trúc bộ nhớ của CPU.
1) Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia làm
3 miền.
- OB ( Organisation block ) : Miền ch chương trình tổ chức.
- FC ( Function ) : Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
- FB ( Function block ) : Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì một một khối chương trình nào
khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là
DB-Data block ).
2) Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được
phân chia thành 7 vùng khác nhau bao gồm :
- I ( Process image input ) : Miền bộ đệm các dữ liệu vào cổng số. Trước khi
bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu
vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng
không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng
vào từ bộ đệm I.
- Q ( Process image output ) : Miền bộ đệm các dữ liệu ra số. Kết thúc giai
đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới tất cả
20

các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận
cổng ra mà chỉ truyền chúng vào bộ đệm Q.
- M : Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu
gữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit ( M ), byte ( MB), từ
( MW ) hay từ kép ( MD ).
- T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian, bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian
đặt trước ( PV - Preset value ), giá trị đếm thời gian tức thời(CV - Current
value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
- C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm, bao gồm lưu trữ giá trị đặt trước (PV -
Preset value ), giá trị đếm tức thời ( CV - Current value ) và giá trị logic đầu ra
bộ đếm.
- PI : Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự. Các giá trị tương tự tại
cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo
những địa chỉ. Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo
từng byte ( PIB ), từng từ ( PIW) hoặc theo từng từ kép ( PID ).
- PQ : Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự. Các giá trị tương tự
theo những địa chỉ này sẽ được các module tương tự chuyển tới các cổng ra
tương tự. Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng
byte ( PQB ), từng từ ( PQW) hoặc theo từng từ kép ( PQD ).
3) Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia làm 2 loại :
- DB ( Data block ) : Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích
thước cũng như số lượng khối do người sử dụng qui định, phù hợp với từng bài
toàn điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit ( DBX ),
byte ( DBB ), từ ( DBW ), hoặc từ kép ( DBD ).
- L ( Local data block ) : Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương
trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến tức thời và trao đổi dữ liệu
của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số
dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong
21
OB, FC, FB. Miền này có thể truy cập từ chương trình theo bit ( L ), byte ( LB ),

từ ( LW ) hoặc từ kép ( LD ).
2.3.4. Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
Trong trạm PLC luôn có sự trao dổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng
thông qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại các cổng vào của
modul số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số. Cuối mỗi vòng quét nội
dung của bộ đệm ra số lại được CPU chuyển tới cổng ra của các modul số (DO).
Việc thay đổi nội dung 2 bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng
(user program). Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều
lệnh đọc ghi giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này
có thể đã bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình vẫn sẽ
luôn đọc được một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào tại đầu
vòng quét. Cũng như vậy nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị
cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có
giá trị ở lần thay đổi cuối cùng mới thực sự được đưa đến cổng ra vật lí của
modul DO.
Khác hẳn với việc đọc ghi cổng số, việc truy cập các cổng vào/ra tương tự lại
được CPU thực hiện trực tiếp với các modul mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi
lệnh đọc giá trị thuộc vùng PI sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có
tại cổng tại thời điểm thực hiện lệnh. Tương tự lệnh gửi một giá trị ( số nguyên
16 bit) tới địa chỉ vùng PQ, giá trị đó được gửi ngay tới cổng ra tương tự của
modul.
Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do đặc thù về sự tổ chức bộ nhớ và phân
chia địa chỉ của PLC. Chỉ có các modul vào/ra số mới có bộ đệm còn các modul
vào ra tương tự thì không, chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy cập ( địa chỉ
PI và PQ)
Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số cổng vào
ra của một trạm tương tự có thể có của một trạm. Chẳng hạn, thực chất các cổng
vào ra tương tự chỉ có thể có từ địa chỉ PIB256 đến địa chỉ PIB767 nhưng miền
22
địa chỉ của PI và PQ lại là từ 0 đến 65535. Điều này tạo khả năng kết nối các

cổng vào/ra số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng
dụng có thể truy cập trực tiếp các modul DI/DO mở rộng để có được giá trị tức
thời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q
Hình 2.9 Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng
2.3.5. Vòng quét chương trình:
Nguyên tắc hoạt động của CPU là sử dụng vòng quét chương trình. Một vòng
quét được chia làm 4 giai đoạn :
- Giai đoạn 1 chuyển dữ liệu từ các cổng vật lí tới vùng đệm để chờ xử lí.
- Giai đoạn 2 thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình
được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1
- Giai đoạn 3 chuyển các nội dung từ bộ đệm ảo Q tới cổng ra vật lí
- Giai đoạn 4 là truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi 1
4 2
Vòng quét
3
23
Các bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh
truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lí chứ không
thông qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để CPU thực hiện một vòng quét gọi là thời gian quét.
Thời gian của vòng quét có thể thay đổi được, nó phụ thuộc vào chương trình
ứng dụng dài hay ngắn, đơn giản hay phức tạp. Một chương trình ứng dụng có
nhiều chương trình con và chương trình ngắt thì thời gian vòng quét càng lớn.
Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của hệ thống càng cao.
Thời gian quét cực đại Max = 100ms và có thể thay đổi được. Nếu chương trình
ứng dụng xử lí quá thời gian quét cực đại thì hệ thống sẽ báo lỗi.
Để chọn chế độ hoạt động cho CPU thì có thể thực hiện bằng 2 cách
-Chọn từ phần mềm
-Chọn từ phần cứng
Các CPU họ 300 cũ thường có nguồn nuôi phụ để lưu trữ chương trình ứng

dụng khi nguồn nuôi chính bị mất. Khi thay pin cho CPU thì bao giờ cũng phải
có nguồn nuôi chính.
2.3.6 Ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tượng sử dụng khác nhau. PLC S7 – 300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản
đó là :
- Ngôn ngữ lệnh liệt kê, kí hiệu là STL ( Statement list ). Đây là dạng ngôn
ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều
câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu
trúc chung “ tên lệnh + toán hạng “ .
- Ngôn ngữ hình thang, kí hiệu là LAD ( Ladder logic ). Đây là dạng ngôn
ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
- Ngôn ngữ hình khối, kí hiệu là FBD ( Function block diagram ). Đây là
kiểu ngôn ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
24
Nếu chương trình viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một
chương trình theo kiểu STL tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình
viết theo kiểu STL cùng có thể chuyển sang dạng LAD được. Trong STL có
nhiều lệnh không có trong LAD hay FBD

Hình 2.10. Ba kiểu ngôn ngữ lập trình chính cho S7 - 300
25