thiết kế điều khiển cẩu trục rải liệu

Đồ án môn học : Điều khiển logic

MỤC LỤC

Lời nói đầu .
Chương I . Giới thiệu công nghệ
Chương II . Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực
1 . Phương pháp ma trận trạng thái
2 . Xác định biến trung gian , mã hoá biến trung gian
3 . Hàm điều khiển cho biến ra và biến trung gian
4 . Thiết kế sơ đồ nguyên lý dùng PLC S7-200
5. Thuyết minh hoạt động của sơ đồ
Chương III . Tính chọn thiết bị và lắp ráp mạch
1 . Chọn thiết bị
2 . Sơ đồ lắp ráp
Kết luận
Tài liệu tham khảo

1


Đồ án môn học : Điều khiển logic

LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá , hiện đại hoá đất nước , có thể nói một trong
những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hoá
quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng xuất và chất lượng sản phẩm làm ra . Sự phát
triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của
lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cơ sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnh
vực tự động hoá .
Ở nước ta mặc dầu là nước chậm phát triển , nhưng những năm gần đây cùng với

những đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp
dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hoá các quá trình sản xuất
đã có bước phát triển mới tạo ra sản phẩn có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành
một nền kinh tế tri thức .
Ngày nay tự động hoá các quá trình điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu
vào từng ngõ ngách , vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm . Một trong
những ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển cẩu trục rải liệu tự động hoá
điều khiển công nghệ cẩu trục là quá trình vận chuyển hàng hoá nặng , cồng kềnh từ vị trí
này sang vị trí khác . Trong công việc thiết kế , tự động hoá điều khiển được thể hiện qua
quá trình sau :
Tự động hoá điều khiển công việc nhận hàng và chuyển đến vị trí đã định trước
sau đó trở về vị trí cũ để đảm bảo chu trình làm việc tiếp theo .
Hiệu quả và năng suất của công việc phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ điều
khiển .Quá trình làm việc được thực hiện theo một trật tự logic , theo trình tự thời gian
xác định do đó để điều khiển được công nghệ ta phải tổng hợp được hàm điều khiển cho
hệ thống . Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hàm điều khiển nhưng ở đây ta dùng
phương pháp “ma trận trạng thái “ . So với các phương pháp khác thì phương pháp nay
có ưu điểm đảm bảo sự chính xác về thực hiện quá trình.
Trong quá trình làm đồ án , được sự giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo
hướng dấn và các bạn , em đã hoàn thành được bản đồ án này tuy nhiên do trinh độ có
hạn , bản đồ án không thể tránh khỏi thiếu sót .
Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn

Hải phòng

2


Đồ án môn học : Điều khiển logic

Chương I : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ

M
A

B

C

D
Vị trí I

II

III

Cẩu trục được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy , xí nghiệp cũng như việc xếp
dỡ hàng trên cảng bên cạnh các máy móc khác được tự động điều khiển thì cẩu trục cũng
được tự động hoá nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả
Trong môi trường công nghiệp nặng yêu cầu
+ Cẩu làm việc ổn định chắc chắn
+ Tần số làm việc lớn
•

Nguyên lý làm việc

Khi có tín hiệu mở máy và M đang ở vị trí ban đầu , cẩu trục chuyển động đi xuống ,
khi đến vị trí I ở dưới cẩu trục dừng lại tiến hành lấy nguyên vật liệu . Sau khi lấy
xong cẩu trục đi lên , đến vị tri I ở trên cẩu trục chuyển động sang phải . Khi đến vị trí
II ở trên cẩu trục đi xuống dưới , đến vị trí II ở dưới cẩu trục dừng lại theo thời gian

đặt trước để tiến hành thao tác . Sau thời gian đặt trước cẩu trục đi lên khi đến vị trí II
ở trên cẩu trục chuyển động sang phải đến vị trí III ở trên cẩu trục đi xuống để tiến
hành thao tác sau khi xong cẩu trục đi lên đến vị trí 3 ở trên cẩu trục chuyển động
sang trái , trở về vị trí ban đầu chuẩn bị chu trình làm việc tiếp theo.

3


Đồ án môn học : Điều khiển logic

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
1. Giới thiệu
Trong dây truyền sản xuất công nghiệp , các thiết bị máy móc thường hoạt động
theo một chu trình logic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , an toàn cho người
và thiết bị. Cấu trúc làm việc trình tự của dây truyền đã đưa ra yêu cầu cho điều khiển là
điều khiển sự hoạt động chặt chẽ thống nhất của dây chuyền đồng thời cũng gợi ý cho ta
sự phân nhóm logic của automat trình tự bởi các tập hợp con của máy móc và các thuật
toán
2. Phương pháp ma trận trạng thái
Khi gặp những đối tượng công nghệ mới, người đặt hàng thường chỉ nêu những
yêu cầu của đối tượng cần phải thoả mãn. những yêu cầu đó thể hiện các trạng thái của hệ
thống cần có theo công nghệ. Vì vậy một cách tốt nhất và ít sai sót nhất là ghi chép lại tất
cả các yêu cầu đặt hàng đó thành một bảng kèm theo sự sắp xếp hợp lí, khoa học. bảng
thống kê đó gọi là bảng trạng thái, nó thể hiện mối quan hệ giữa các tín hiệu vào ở các
trạng thái bất kì nào của hệ. trong bảng bao gồm các cột:
Trạng thái của hệ biểu thị các mệnh đề nói rõ về công nghệ hoặc những nguyên
công mà máy cần thoả mãn. số hàng của bảng chỉ rõ số trạng thái của hệ.
Cột các tín hiệu vào bao gồm những cột chứa các tổ hợp logic các tín hiệu đưa
vào hệ điều khiển. những tín hiệu này bao gồm những tín hiệu phát lệnh điều khiển của
mạch vận hành, của thiết bị chương trình hoặc những tín hiệu phát ra từ các đối tượng

công nghệ.
Cột các trạng thái ra, mỗi trạng thái xác định của hệ điều khiển cho một trạng thái
đầu ra xác định. Giá trị đầu ra là kết quả trực tiếp của hệ điều khiển đảm bảo cho hệ chấp
hành thực hiện đầy đủ ý đồ công nghệ.
Phương pháp tổng hợp mạch điều khiển sử dụng bảng trạng thái được gọi là
phương pháp ma trận trạng thái. Sau đây ta sẽ xây dựng bảng trạng thái cho hệ điều khiển
Cẩu trục và từng bước tổng hợp mạch điều khiển.

4


Đồ án môn học : Điều khiển logic
2.1.

Lập bảng chuyển đổi trạng thái tín hiệu ra
S0 : Trạng thái ban đầu
S1 : Trạng thái đi xuống

A => D

S2 : Trạng thái đi lên

D => A

S3 : Trạng thái sang phải

A => B

S4 : Trạng thái đi xuống

B => D

S5 : Trạng thái đi lên

D => B

S6 : Trạng thái sang phải

B => C

S7 : Trạng thái đi xuống

C => D

S8 : Trạng thái đi lên

D => C

S9 : Trạng thái sang trái

C => A

a : Cảm biến tại A
b : Cảm biến tại B
c : Cảm biến tại C
d : Cảm biến tại D

Trạng thái đầu vào
+ Mở máy
+Dừng

+Cảm biến : a , b , c , d .
+Tín hiệu ra : X , L , P , T.

5


Đồ án môn học : Điều khiển logic

S

abcd

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 X

L

P

T

S1
S1
S3
S3

0
1
0
0
1

0
0
1
0

0
0
1
0
0
1
0
0
1

0
0
0
1
0
0
1
0
0

0
0
0
0
0

0
0
0
0

S0

0

0

0

1

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 X

L

P

T

S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6

S7
S8

S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8

S9

S9

2.2.

S2
S2
S4
S4
S6
S6

S5
S5
S7
S7

S9

S8
S8

S9

S9

Rút gọn trạng thái trong

S1 ~ S4 ~ S7 ⇒ S147
S2 ~ S5 ~ S8 ⇒ S258

Bảng mới
S

abcd

S0
S0
S147 S147 S258
S258 S258 S258
S3
S3
S6
S6
S9

S147

S9
S147

S147
S6
S147
S6

S9

S9

S9

S147
S147
S3
S3

0
1
0
0
0

0
0
1
0
0

0
0
0
1
1

0
0
0
0
0

S0

0

0

0

1

2.3. Mã hoá trạng thái : Mạch có 6 trạng thái trong dùng 3 biến để mã hoá
Bảng giá trị mã hoá
S0
KMN

2.4.

000

S147 S258
001

011

S3

S6

S9

010

110

111

Viết phương trình
6


Đồ án môn học : Điều khiển logic

+ Viết phương trình cho biến trung gian

Biến K
abcd
KMN

0000

0001

0011 0010 0110

0111 0101 0100

1100

1101

1111

1110

1010

1011

1001

1000

000

0

001

0

0

0

0

0
0

011

0

0

1

1

0

010

0

0

0

110

1

0

1

111

1

1

1

0

101
100

f(K) = K.a.c + M.N.b + M.N.c

Biến M
abcd
KMN

0000

0001

0011 0010 0110

0111 0101 0100

1100

1101

1111

1110

1010

1011

1001 1000

000

0

001

0

1

0

0

0
0

011

1

1

1

1

1

010

1

0

1

110

1

0

1

111

1

1

1

0

101
100

f(M)= K.M.b + K.N.c + M.N.a + d

Biến N
abcd

7


Đồ án môn học : Điều khiển logic
KMN

0000

0001

0011 0010 0110

0111 0101 0100

1100

1101

1111

1110

1010

1011

1001

1000

000

0

1

001

1

1

1

1

1

011

1

1

1

0

0

010

0

1

0

110

0

1

0

111

1

1

1

0

101
100

f(N) = N.a. b + c + M.N + M.a + K.N.b + K.N.b

2.5. Phương trình cho đầu ra
+ Phương trình biến X
K

MN

00

0
1

01

11

10

1
X

f(X) = M.N

X

+ Phương trình biến L
K

MN

00

01

X

X

0
1

11

10

1

f(L) = K.M.N

+ Phương trình biến P1
K MN

00

01

X

X

0
1

11

10

1

f(P1) = K.M.N

+ Phương trình biến P2
MN

8


Đồ án môn học : Điều khiển logic

K

00

01

X

X

11

10

0
1

f(P2) = K.N

1

+ Phương trình biến T
K MN

f(T) = K.N

00

01

11

X

X

1

10

0
1

2.6.

Lập bảng phân công địa chỉ đầu vào , đầu ra.

Bảng phân công địa chỉ vào ra

Các tín hiệu
Tín hiệu mở máy
Tín hiệu dừng máy
Công tắc hành trình tại A
Công tắc hành trình tại B
Công tắc hành trinh tại C
Công tắc hành trình tại D
Di chuyển cẩu đi xuống
Di chuyển cẩu đi lên
Di chuyển cẩu sang phải
Di chuyển cẩu sang trái

M
D
a
b
c
d
X
L
P
T

Địa chỉ trên PLC
Input
Output
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3

I0.4
I0.5
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3

Các biến bên trong PLC

9


Đồ án môn học : Điều khiển logic
Các tín hiệu
Biến phụ DG
Biến phụ K
Bến phụ M
Biến phụ N

Địa chỉ bên trong PLC
M0.0
M0.1
M0.2
M0.3

CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
VÀ LẮP RÁP MẠCH
10

Đồ án môn học : Điều khiển logic

3.1 Tính mạch lực
a . Chọn các aptomat
+ Aptomat A1
Dùng để đóng , cắt , bảo vệ quá tải và ngắn mạch chung cho toàn bộ mạch
động lực và điều khiển
+ Aptomat A2
Dùng để đóng cắt , bảo vệ quá tải và ngắn mạch động cơ lâng , hạ .
Có P = 15 (KW)
U = 380 ( V )
*

Dòng định mức động cơ lâng , hạ
I=

Pdm
Udm.η . cos ϕ

=

15000
= 58A
380.0,85.0,8

Trong đó :
Idm : Dòng điện định mức của động cơ
Pdm : Công suất định mức của động cơ
Udm : Điện áp định mức đặt vào động cơ
ŋ

: Hiệu suất làm việc của động cơ

Ta chọn Aptomat do LG chế tạo có thông số kỹ thuật sau
Loại

Kiểu

Số cực

Udm

Idm

100AF

ABE203a

3

600

100

Icdm

Kích thước (mm)
Rộng x Cao x Sâu

+ Aptomat A3
Dùng để đóng cắt , bảo vệ quá tải và ngắn mạch động cơ trái , phải .

Có P = 15 (KW)
U = 380 ( V )

*

Dòng định mức cho động cơ trái , phải

11


Đồ án môn học : Điều khiển logic

I=

Pdm
Udm.η . cos ϕ

=

15000
= 58A
380.0,85.0,8

Trong đó :
Idm : Dòng điện định mức của động cơ
Pdm : Công suất định mức của động cơ
Udm : Điện áp định mức đặt vào động cơ
ŋ
: Hiệu suất làm việc của động cơ

Ta chọn Aptomat do LG chế tạo có thông số kỹ thuật sau
Loại

Kiểu

Số cực

Udm

Idm

100AF

ABE203a

3

600

100

Icdm

Kích thước (mm)
Rộng x Cao x Sâu

b . Chọn các rơ le nhiệt
Rơle nhiệt RN1 :
Dùng để bảo vệ quá tải dài hạn cho động cơ lâng hạ D1
Các phần tử đốt nóng của rơle nhiệt được mắc nối tiếp vào mạch lực của

động cơ. Dòng điện của động cơ cũng chính là dòng chạy qua thanh nhiệt của Rơle . Quá
tải dài hạn cho phép dòng vượt quá lâu dài là I = 1,3Idm
I = 1,3Idm = 1,3 x 58 = 75,4 (A)
Ta chọn Rơle nhiệt do LS sản xuất có thông số kỹ thuật sau
Kiểu

Udm

Idm

(V)

(A)

380

85

Icd
(KA)

Kích thước
Cao x rộng x sâu

Rơle nhiệt RN2 :
Dùng để bảo vệ quá tải dài hạn cho động cơ trái phải D2
Các phần tử đốt nóng của rơle nhiệt được mắc nối tiếp vào mạch lực của
động cơ. Dòng điện của động cơ cũng chính là dòng chạy qua thanh nhiệt của Rơle . Quá
tải dài hạn cho phép dòng vượt quá lâu dài là I = 1,3Idm
I = 1,3Idm = 1,3 x 58 = 75,4 (A)

Ta chọn Rơle nhiệt do LS sản xuất có thông số kỹ thuật sau

12


Đồ án môn học : Điều khiển logic
Kiểu

Udm

Idm

(V)

(A)

380

85

Icd
(KA)

Kích thước
Cao x rộng x sâu

- Việc bảo vệ nhờ vào aptomat , cầu chì và rơle nhiệt .
c. Lựa chọn công tắc tơ
Vì các công tắc tơ không chỉ đóng cắt các tiếp điểm trên mạch điều khiển mà còn

đóng cắt các tiếp điểm trên mạch động lực cho nên phải chọn các công tắc tơ chịu
được dòng lớn , nếu không các tiếp điểm trên mạch lực của các công tắc tơ . Như
vậy các tiếp điểm của chúng phải chịu được dòng địng mức của phần ứng động cơ
mà không bị phá hỏng hay bị phóng điện và còn phải chịu dược dòng khi động cơ
khởi động .
Dòng định mức động cơ lâng , hạ , trái , phải
I=

Pdm
Udm.η . cos ϕ

=

15000
= 58A
380.0,85.0,8

Trong đó :
Idm : Dòng điện định mức của động cơ
Pdm : Công suất định mức của động cơ
Udm : Điện áp định mức đặt vào động cơ
ŋ
: Hiệu suất làm việc của động cơ

•

Khi mở máy , dòng khởi động của các động cơ
Ikd = 2,5Idm = 2,5 x 58 = 145
Ta chọn công tắc tơ có các thông số sau

Loại

Idm

Udm

Pdm

(A)

(V)

(KW)

LS

85

380-440

22

Kích thước
Rộng x Cao x sâu

Số lần
thao
tác/giờ
200

Chọn công tắc tơ trên cho các công tắc tơ L , X , T, P
d . Chọn cầu chì bảo vệ
13


Đồ án môn học : Điều khiển logic
Cầu chì bảo vệ được chọn thoả mãn 2 điều kiện

Icc ≥ Itt
Ikd
Icc ≥
C

Trong đó
Itt : Dòng điện tính toán với công suất định mức
Ikd : Dòng điện khởi động
C là hệ số . Ở đây động cơ khởi động với thời gian ngắn ( 3 đến 10 s ) nên
ta chọn C = 2,5
Với các động cơ đã cho Icc = 56A
3.2 Chọn thiết bị cho mạch điều khiển
a . Chọn các nút ấn
- Tín hiệu mở máy
: Sử dụng nút ấn on có tiếp điển thường mở
- Tín hiệu dừng máy
: Sử dụng nút ấn off có tiếp điểm thường mở
- Tín hiệu cảm biến vị trí tại các điểm A , B , C , D : sử dụng các công tắc hành
trình tương ứng a, b, c, d có tiếp điểm thường mở và thường đóng.
b . Chọn PLC
- Với yêu cầu bài toán cần 6 đầu vào ( on, off , a ,b ,c ,d ) và 4 đầu ra (RX , RL ,
RP , RT) .Ta chọn loại CPU 222 – DC/DC/DC – 8 INPUT / 6 OUTPUT, MH : 6ES72121AB23-0XB0,S7-200 của SIEMENS là thích hợp .

- Các rơ le RX , RL , RP , RT điều khiển tương ứng các công tắc tơ X ,L ,P ,T.
c . Chọn các Rơle trung gian .
Các Rơle trung gian RX ,RL ,RP ,RT chủ yếu làm việc đóng cắt các tiếp điểm
trên mạch điều khiển cho nên ta chọn các Rơle không cần chịu được dòng Stato.
Ta chọn Rơle hãng Omron có các thông số kỹ thuật sau :
Loại
MY4N

Kiểu
IEC255

Udm

Idm

(V)

(A)

Kích thước đế
(mm)

24 VDC

5

45 x 85 x 42

d . Chọn công tắc hành trình

14


Đồ án môn học : Điều khiển logic
Chọn hành trình do Korea chế tạo , có thông số ky thuật sau
Loại
KY707

Udm

Idm

Kích thước đế

(V)

(A)

(mm)

24 VDC

5

35 x 125 x 42

15