TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG PLC, BIẾN TẦN TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM HÀNG CHO TÀU CONTAINER FORTUNE

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
KHOA: VIỆN HÀNG HẢI

BÁO CÁO MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN II
ỨNG DỤNG PLC, BIẾN TẦN TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG
LÀM HÀNG CHO TÀU CONTAINER FORTUNE FRIEGHTER

TP.HCM tháng 4, 2020

1


MỤC LỤ
1. GIỚI THIỆU CHUNG................................................................................1
1.1. Giới thiệu về tàu Container Fortune Frieghter..................................1
1.2. Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển dùng plc, biến tần......2
1.3. Giới thiệu về hệ thống điều khiển thiết bị làm hàng..........................2
2. ỨNG DỤNG PLC, BIẾN TẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ LÀM HÀNG TRÊN TÀU THỦY..................................................3
2.1. Giới thiệu về biến tần, plc.....................................................................3
2.1.1. Giới thiệu về biến tần......................................................................3
2.1.2. Giới thiệu về plc..............................................................................7
2.2. Sơ đồ điều khiển dùng plc và biến tần trong hệ thống làm hàng....10
2.3. Sơ đồ phần cứng..................................................................................11
2.3.1. PLC, biến tần.................................................................................11
2.3.2. Encoder..........................................................................................13
2.4. Lập trình plc và cài đặt thơng số cho biến tần.................................15
3. TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................16

1

LỜI NÓI ĐẦU

2


1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU CONTAINER FORTUNE
FREIGHTER
- Tàu container Fortune Freighter được sản xuất vào năm 1997, được đóng
tại nhà máy đóng tàu Watanabe Zosen K.K., Nhật Bản.
- Con tàu này do hãng tàu VOSCO sở hữu và khai thác, chủ yếu trên tuyến
nội địa Bắc Nam.
- Fortune Freighter là loại tàu chở container với cơng suất máy chính là
5979kW và với sức chở 8900 tấn.
- Sau đây là các hình ảnh về tàu container và thơng số của tàu:

Hình 1: Hình ảnh tàu container Fortune Freighter

3


- Thông số tàu Container Fortune Freighter:
+ Chiều dài lớn nhất:
LOA = 123,57 m
+ Chiều rộng thiết kế:
B = 18,5 m
+ Chiều cao mạn:
D = 11,4 m
+ Chiều chìm tồn tải:

T=8m
+ Lượng nước chiếm toàn tải: ∆ = 12760,8
+ Tốc độ tàu:
v = 16 hải lý/h
+ Trọng tải:
W = 8937,8
+ Thơng số cẩu:
2 x 36T
+ Cơng suất máy chính:
5979kW
2. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ LÀM
HÀNG
2.1. Giới thiệu chung về thiết bị làm hàng
2.1.1. Chức năng, đặc điểm của thiết bị làm hàng
- Trên tàu thủy, thiết bị làm hàng được xếp vào phụ tải trên boong, có
chức năng bốc xếp hàng hóa lên, xuống tàu.
- Đặc điểm chung của nhóm phụ tải này là loại tải thế năng nên sẽ có
một giai đoạn làm việc ở chế độ hãm.

Hình 2: Hình ảnh về các thiết bị làm hàng trên tàu thủy
4


2.1.2. Các yêu cầu của Đăng Kiểm đối với thiết bị làm hàng
- Hệ thống phải làm việc an toàn, gọn gàng, chắc chắn, ít bị sự cố.
- Hệ thống phải trang bị phanh điện có khả năng chịu được moment
xoắn vượt quá 50% momen xoắn yêu cầu, phải tự động đóng khi tay
điều khiển về vị trí 0 hoặc khi mất nguồn
- Hệ thống điều khiển phải được bố trí sao cho khơng gây trở ngại
cho người điều khiển hoặc ngừng thao tác.

- Hệ thống phải trang bị đầy đủ các bảo vệ và trang bị các hệ thống
an tồn thích hợp để ngăn ngừa các sự cố như sau: nâng hàng quá
cao, sức căng cáp quá lớn, cáp quá trùng, góc quay quá lớn, nâng cần
quá cao, hạ cần quá thấp, tốc độ di chuyển quá cao.
- Động cơ phải có hiệu suất và hệ số cơng suất cao.
- Sửa chữa, bảo quản dễ dàng, kín nước.
2.1.3. Cấu trúc chung hệ thống điều khiển thiết bị làm hàng
- Thiết bị làm hàng gồm các cơ cấu như sau:
+ Cơ cấu nâng hạ hàng
+ Cơ cấu nâng hạ cần
+ Cơ cấu quay mâm
- Hệ thống điều khiển thiết bị làm hàng bao gồm các thiết bị như sau:
+ Tay điều khiển: nó cấu trúc như bộ khống chế, dùng để điều khiển
động cơ lai cơ cấu làm hàng, thông thường có 3 vị trí là nâng, hạ và
dừng.
+ Động cơ điện lai trống tời
+ Tủ điều khiển
+ Phanh điện từ: bao gồm cuộn hút, má phanh, lò xo, phanh phải hoạt
động chính xác và phải có cơ cấu bảo vệ phanh điện từ
- Hệ thống điều khiển thiết bị làm hàng có những bảo vệ sau:
+ Bảo vệ quá tải: dùng rơ le nhiệt , rơ le dòng hoặc các bộ cảm biến
nhiệt
+ Bảo vệ ngắn mạch: dùng các cầu chì, CB
+ Bảo vệ 0
+ Bảo vệ nâng hàng quá cao, hạ hàng quá thấp, trùng cáp, sức căng
cáp quá lớn, góc quay quá lớn
+ Bảo vệ cuộn hút phanh và má phanh.

2.1.4. Chu kỳ làm hàng
5

- Chu kỳ làm hàng được tính từ khi móc hàng vào móc, nâng hàng
lên, đưa hàng sang ngang, hạ hàng xuống, tháo hàng ra, nâng móc
khơng lên, đưa móc khơng sang ngang, hạ móc khơng xuống, móc
hàng vào cho một chu kỳ tiếp.

Hình 3: Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ hàng của cần trục và tời đơn
2.1.5. Các loại thiết bị làm hàng trên tàu thủy
- Trên tàu thủy thường có 3 loại thiết bị làm hàng: cần trục, tời kép, tời
đơn.

Hình 4: Cần trục, tời kép, tời đơn
3. ỨNG DỤNG PLC, BIẾN TẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ LÀM HÀNG TRÊN TÀU THỦY
6


3.1. Giới thiệu về biến tần, plc
3.1.1. Giới thiệu về biến tần
- Biến tần là một thiết bị dùng để thay đổi tần số trong dịng điện xoay
chiều, từ đó điều khiển được tốc độ động cơ.

Hình 5: Hình ảnh biến tần
- Cấu trúc cơ bản của biến tần bao gồm các thành phần như sau:
+ Bộ chỉnh lưu
+ Bộ lọc
+ Bộ nghịch lưu
+ Bộ điều khiển

7


Hình 6: Sơ đồ ngun lí của biến tần
- Ngun lí của bộ biến tần như sau:
+ Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 3 pha sẽ đưa vào và được chỉnh
lưu thành điện một chiều không phẳng, việc chỉnh lưu nhờ vào mạch
cầu chỉnh lưu (Rectifier Bridge).
+ Sau đó nguồn điện một chiều không phẳng sẽ được lọc bằng tụ và
cuộn kháng để thành nguồn điện một chiều bằng phẳng.
+ Tiếp theo, nguồn điện một chiều phẳng sẽ được biến đổi (nghịch
lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, việc biến đổi này được
thực hiện bằng cách dùng các IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor),
là các transitor lưỡng cực có cổng cách ly.
+ Việc thay đổi tần số của điện xoay chiều được thực hiện bằng
phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
- Ngày nay biến tần còn được tích hợp trong các bộ PID và thích hợp
với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều
khiển và giám sát trong các hệ thống SCADA.

8


Hình 7: Cấu trúc mạch động lực của biến tần
- Phương phát điều chế độ rộng xung PWM: Ngày nay phương pháp
điều chế độn rộng xung được ứng dụng rất phổ biến trong kỹ thuật điều
khiển động cơ điện, đảm bảo việc điều chỉnh trơn láng, dải điều chỉnh
rộng, phù hợp với việc tự động hóa và kết nối các hệ thống phức hợp.

Hình 8: Dạng sóng điện áp vào và ra trong biến tần

9


Hình 9: Dạng điện áp và dịng điện trên động cơ
- Đấu nối biến tần:

Hình 10: Sơ đồ đấu nối biến tần

3.1.2. Giới thiệu về plc
10


- PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập
trình, được thiết kế chun dùng trong cơng nghiệp để điều khiển các
tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp.

Hình 11: PLC Mitsubishi

Hình 12: Ứng dụng PLC

- Cấu trúc hệ thống PLC:
11


Hình 13: Cấu trúc của PLC
Hệ thống PLC bao gồm các thành phần sau:
+ Phần đầu vào, đầu ra: phần đầu vào (Input module) đưa các tín hiệu
vào plc, bao gồm công tắc, cảm biến, nút nhấn. Phần đầu ra (Output
module) có chức năng điều khiển hệ thống bằng cách thay đổi đầu

vào, có thể là đèn, cịi, solenoid, động cơ.
+ CPU (Central processing unit): là đơn vị sử lí trung tâm, nó có
chức năng điều khiển các q trình đã được lập trình trong plc.
+ Thiết bị lập trình: có thể là máy tính cầm tay, máy tính xách tay.
+ Nguồn cấp: thường là 24VDC.
+ Bộ nhớ: được chia làm 2 phần: bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương
trình.

- Hoạt động của plc:

12


Hình 14: Hoạt động của PLC
3.2.

Sơ đồ điều khiển dùng plc và biến tần trong hệ thống làm hàng

Hình 15: Sơ đồ nguyên lí điều khiển thiết bị làm hàng dùng plc và biến tần
- Hệ thống bao gồm các phần tử sau:

13


+ Tay điều khiển: dùng để tạo tín hiệu điều khiển, có 3 vị trí: nâng, hạ,
dừng. Tay điều khiển sẽ tạo tín hiệu điều khiển về chiều quay và tốc độ
động cơ. Để thực hiện chức năng này, thông thường tay điều khiển sẽ kết
nối cơ khí với encoder, nó sẽ xác định tốc độ và chiều quay của tay điều
khiển để tạo lệnh.
+ Bộ biến đổi để mã hóa tín hiệu encoder thành tín hiệu dạng chuẩn đưa

vào PLC.
+ Bộ điều khiển PLC: PLC nhận tín hiệu từ các bộ biến đổi, tín hiệu
hành trình,… và xuất ra tín hiệu để điều khiển biến tần, mạch phanh.
+ Biến tần dùng để điều khiển tốc độ của động cơ.
3.3. Sơ đồ phần cứng
3.3.1. Chọn PLC cho 3 cơ cấu làm hàng
- Trong sơ đồ phần cứng ta sử dụng PLC Siemen S7-1200 loại 1214C
DC/DC/DC

Hình 16: PLC S7-1200 loại 1214C DC/DC/DC

14


Hình 17: Sơ đồ chân PLC 1214C DC/DC/DC
3.3.2. Chọn biến tần cho 3 cơ cấu làm hàng
 Chọn biến tần cho cơ cấu nâng hạ hàng
- Chọn biến tần cho động cơ có cơng suất là 94,3kW.
- Biến tần Mitsubishi loại FR A84 có cơng suất là 110kW.

Hình 17: Chọn biến tần cho cơ cấu nâng hạ hàng
 Chọn biến tần cho cơ cấu nâng hạ cần
15


- Chọn biến tần cho cho động cơ nâng hạ cần có cơng suất là 140kW.

Hình 17: Chọn biến tần cho cơ cấu nâng hạ cần

 Chọn biến tần cho cơ cấu quay mâm

- Chọn biến tần cho động cơ quay mâm có cơng suất là 195kW.
16


3.3.3. Encoder
- Ta chọn Encoder kiểu Encoder tương đối (Incremental Encoder),
loại xoay (Rotary Encoder), có mã là RVI50, có thơng số như sau:

Hình 18: Chọn encoder

17


Hình 16: Sơ đồ chân của encoder RVI50
3.3.4. Sơ đồ chân kết nối
- Sơ đồ chân kết nối encoder và PLC:
Tên chân encoder
Power (+)
GND (-)
A (Green)
B (Write)
Z (Yellow)

Chân encoder
7
8
1
3
5

18

Chân PLC
+24V
0V
X0
X1
X3


3.4. Bảng DI/DO
- Để lập trình cho hệ thống nâng hạ trong thiết bị làm hàng, ta sử dụng
phần mềm Tial Portal V15.
- Bảng DI/DO:

DI

DO

M

I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0

I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
M0.0

START
E- STOP
VT0
N1
N2
HT
H1
H2
H3
NN
NH
TS1
TS1
TS2
RA

KN
KH
K1
K2
K3
Phanh
KS
R0

Nút khởi động START
Nút dừng khẩn cấp
Vị trí 0 (tay điều khiển)
Vị trí nâng tốc độ 1 (tay điều khiển)
Vị trí nâng tốc độ 2 (tay điều khiển)
Cơng tắt hành trình cho má phanh
Vị trí nâng tốc độ 3 (tay điều khiển)
Vị trí hạ tốc độ 2 (tay điều khiển)
Vị trí nâng tốc độ 3(tay điều khiển)
Ngắt hành trình nâng
Ngắt hành trình hạ
Vị hạ tốc độ 3 (tay điều khiển)
Cảm biến nhiệt độ 1
Cảm biến nhiệt độ 2
Relay cấp nguồn
Contactor nâng
Contactor hạ
Contactor cấp tốc độ 1
Contactor cấp tốc độ 2
Contactor cấp tốc độ 3
Contactor cho phanh

Contactor cấp nguồn cho phanh trực tiếp
Rơ le vị trí 0

19


3.5.

Lập trình PLC cho cơ cấu nâng hạ hàng

20


21


3.6.

Cài đặt thông số cho biến tần

1. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tính tốn thiết kế truyền động điện tàu thủy 2
2. Truyền động điện tàu thủy của Lưu Đình Hiếu
3. Các trang web internet

22