Đồ án , bài tập lớn mô phỏng kho hàng thông minh bằng Win CC + PLC Siemen S7200 . Có file chương trình và Win CC

MỤC LỤC


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tựđộng

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thay vì cách lưu trữ hàng hóa thủ công tốn nhiều diện tích và nhân công
lao động, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống kho hàng tự động cho văn
phòng, nhà xưởng của mình…Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng
hóa, giờ đây chúng ta có thể quản lý hàng hóa của mình một cách khoa học, có hệ thống
và có tính linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm giá thành hoạt động.
Sự ra đời của mã vạch đã giúp đỡ rất nhiều những người trực tiếp làm việc với
mặt hàng có dán mã vạch, năng suất lao động và hiệu quả công việc tăng lên. Nó thực sự
đem lại lợi ích rất lớn cho các doanh nghiệp trong nền kinh tế thị trường ngày nay. Hiện
nay các loại hàng hóa muốn đem bán tại các siêu thị trong nước cũng như xuất khẩu ra
nước ngoài đều phải có mã số mã vạch. Hơn nữa, mã số mã vạch trên hàng hóa cần được
thể hiện chính xác và đúng đắn theo những tiêu chuẩn quốc tế đã quy định.
Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô
giáo trong bộ môn Tự động hóa, em đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự
đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong Viện em được giao đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình Kho hàng tự động”.
Đồ án tốt nghiệp của em gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về Kho hàng tự động.
Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa.
Chương 3: Tìm hiểu và hoàn thiện mô hình.
Chương 4: Ứng dụng PLC S7-200 và lập trình điều khiển kho hàng tự động.
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo
của thầy Hà Tất Thắng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ án có
hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Hà Tất Thắng, và các thầy cô giáo trong bộ môn

“Tự Động hóa xí nghiệp công nghiệp” đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 19 tháng 9 năm 2014
Sinh viên thực hiện:

Trần Xuân Bách

2


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chung về kho hàng tự động
1.1.1. Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa
Nền công nghiệp nước ta nói riêng v à c á c n ư ớ c t r ê n t h ế g i ớ i n ó i
c h u n g đang phát triển mạnh mẽ. Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủ
công nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sức
người, do đó không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho
hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm
nhà kho chứa hàng.
Trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay sản xuất ngày càng
phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội. Từ
đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và
khắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ.
Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này
rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện. Nhưng trong đó
chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các
máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho.
Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau:

- Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa.
- Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để
chung với nhau trong 1 kho).
- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau).
- Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho.
Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lý
tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi
kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa,
điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn
khá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được
bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công
…

3


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Dưới đây là một vài hình ảnh về các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay :

Hình 1.1. Các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay
1.1.2. Tìm hiểu về hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS (Automated
Storage & Retrieval System)
Đây là một hệ thống lấy cất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được sử
dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động. Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm
và phần cứng.
- Phần mềm gồm có phần mềm quản lý các robot lấy cất hàng (Crane Control
Software) và phần mềm quản lý hàng hóa (Warehouse Management Software).
- Phần cứng bao gồm các hệ thống giá kệ cố định (Static Racking), các robot
lấy cất hàng (Crane Control Software), hệ thống các băng tải vận chuyển hàng

(Conveyors) và hệ thống các cửa tự động xuất nhập hàng (Automated Doors).
Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng đông lạnh do những ưu
điểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như:

4


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

- Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạy
của robot nhỏ nên diện tích sử dụng sẽ ít hơn những giải pháp khác, so sánh trên cùng
khả năng lưu trữ giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng, xây dựng và hệ
thống lạnh.
- Tốc độ xuất nhập cao: trung bình 1 tấn hàng/ phút/ robot.
- Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho giúp
tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư.
- Không cần hệ thống chiếu sáng, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu
sáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành.
- Thất thoát nhiệt thấp: thất thoát nhiệt xuống đất, qua các cửa ra vào, bù
nhiệt cho hệ thống chiếu sáng là những nguồn thất thoát nhiệt chính trong các kho
lạnh. Sử dụng diện tích nhỏ hơn các giải pháp khác nên thất thoát nhiệt xuống đất sẽ
thấp hơn. Ngoài ra với hệ thống cửa ra vào tự động và có phòng cách ly nên thất thoát
nhiệt sẽ là rất thấp, giảm thời gian xả đá của hệ thống lạnh.
- Không sử dụng lao động trong kho: tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo
hiểm và thiết bị hỗ trợ.
- Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp
với công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder) giúp giảm chi phí quản lý
và nhân công, đồng thời cũng dễ dàng đạt được các tiêu chuẩn ISO để tạo lợi thế
cạnh
tranh.

Các sản phẩm từ khâu đóng gói (được một hệ thống sắp xếp thành các linh
kiện hàng lớn đối với các sản phẩm có kích thước nhỏ, nếu sản phẩm có kích thước
lớn thì nhập kho trực tiếp) được băng chuyền mang đến vị trí chờ để nhập kho. Tại vị
trí nhập kho hệ thống cơ khí sẽ mang lần lượt các kiện hàng hoặc sản phẩm này sắp
xếp vào các vị trí thích hợp trong kho và lưu dữ liệu của hàng vừa nhập kho vào máy
tính. Đối với việc xuất kho hoàn toàn tương tự nhưng ngược lại.
Hệ thống cơ khí cơ bản của một nhà kho tự động là một robot hoạt động theo
ba trục và di chuyển theo đường ray để mang hàng sắp xếp vào kho, và hệ thống băng
chuyển để phân phối sản phẩm xuất nhập.
Số lượng robot sử dụng trong một nhà kho ít hay nhiều hoàn toàn phụ thuộc
vào đặctính của nhà kho đó. Nếu một nhà kho tự động cần khả năng lưu trữ cao nhưng
tốc độ thấp thì số lượng robot không nhiều và hệ thống băng chuyền không quá phức

5


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

tạp. Nhưng nếu một nhà kho cần khả năng lưu trữ cao với tốc độc cao thì số lượng
robot
rất lớn di chuyển trên các ray độc lập, theo đường cong hoặc chuyển ray dẫn đến hệ
thống băng chuyền để phân phối cho các robot này rất phức tạp.

Hình 1.2. Các ngăn chứa hàng của hệ thống ASRS
Mô hình nhà kho có khả năng lưu trữ cao nhưng tốc độ thấp thích hợp cho các
nhà máy mà sản phẩm của họ được sản xuất với năng suất cao, số lượng lớn như: thực
phẩm, điện tử…

6

Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Hình 1.3. Các cơ cấu lấy hàng của hệ thống ASRS
Đối với các nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉ
đơn thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu. Nhưng với những nhà
máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực
hiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp.

1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kho tự động
Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo
mỗi hành lang có một hay nhiều máy xếp, dỡ tự động. Hai bên hành lang là các
khoang chứa hàng. Đầu mỗi hàng lang là trạm xếp dỡ. Các trạm xếp dỡ liên hệ với
nhau theo hệ thống băng chuyền.
Nhìn chung kho tự động được cấu thành từ 3 phần:
-

Hệ thống vận chuyển.

-

Hệ thống xuất nhập.

-

Hệ thống lưu giữ.

7

Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Hình 1.4. Hệ thống kho hàng tự động

1.2.1. Hệ thống vận chuyển
Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, về
hàng hóa, hình thức xuất nhập… mà có những phương thức vận chuyển hàng
trong kho tương ứng. Hiện nay hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã
có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ…
Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động của
các siêu thị, các công ty dược…băng tải ở những môi trường này có nhiệm vụ
vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Băng tải có rất nhiều
loại mỗi loại được dung để tải một loại vật liệu khác nhau. Cũng có loại băng tải
phổ thông được dùng để tải các loại vật liệu khác nhau nhưng không phải là các loại
vật liệu đặc biệt như chịu nhiệt độ cao, chịu dầu, chịu axit, chịu ăn mòn, chịu nước,
chống cháy chịu cường độ cao…
Đối với nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉ đơn
thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu. Nhưng với những nhà
máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực hiện
phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp.
Các robot, xe tự hành là những thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động.
Chúng di chuyển trong diện tích của nhà kho theo 3 trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từ
cổng nhập đến những ô trống và lấy hàng từ những ô chứa hàng ra cổng xuất.

8


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Robot lấy cất hàng tải trọng thấp được thiết kế chuyên cho các hộp, thùng,

khay hoặc là những hàng hóa có tải trọng thấp. Robot này có tốc lấy hàng rất cao.
Robot lấy cất hàng tải trọng trung bình có tốc độ lấy cất khá nhanh, hiệu quả và chính
xác đối với lưu trữ dùng pallet.
Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng
như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng.

Hình 1.5. Cơ cấu robot vận chuyển sản phẩm vào kho

9


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Hình 1.6. Pallet
1.2.2. Hệ thống xuất nhập
Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác
nhau có thể kể đến như dung nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính,
camera. Trong phạm vi đồ án này, chúng em xin giới thiệu sơ qua về phương pháp
xuất nhập bằng nút ấn.
.
* Tận dụng tối đa không gian lưu trữ hàng trong kho:
Các vị trí cất hàng trong kho được phân loại để cất giữ mặt hàng thích hợp (ví dụ
theo trọng lượng hay chủng loại) và khi cần việc phân loại này có thể được linh
động thay đổi thông qua phần mềm quản lý kho. Mọi lãng phí về không gian lưu trữ
trong kho nhờ vậy sẽ bị hoàn toàn loại trừ.
*) An toàn phòng chống cháy nổ cho nhà kho:
Trong không gian kho chứa phải đặt hệ thống báo động với những detector
khói, và nhiệt. Nếu có hỏa hoạn, thì hệ thống này sẽ kích hoạt cái còi (90 dB) trong
hành lang chung.Nên làm giếng trời, với coupole tự mở khi có lửa hay khói vì phần
lớn nạn nhân tử vong vì khói độc hơn là vì nhiệt.

10


Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động

Nên lắp các vòi nước sẵn, với ổng dẫn phi 70mm tối thiểu .
Lắp đặt hệ thống dập lửa tự động : cái này tùy hàng hóa ta chất, thí dụ có hệ
thống phun nước (sprinklage), hệ thống phun bọt xà phồng (dùng cho lư"a điện), hệ
thống phun gaz inergen (hỗn hợp giữa Azote tức khí đam, Argon và CO²) .
*) Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương sử dụng công nghệ Psoc:
Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệp
trong các kho chứa hàng là rất quan trọng. Thông thường với các loại hàng hoá được
lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất định.
Dựa trên cơ sở tìm hiểu các hệ thống lưu trữ tự động trên, đề tài Thiết Kế Hệ
Thống Kho Tự Động được thực hiện dựa trên ý tưởng cá nhân cùng sự mô phỏng hệ
thống nhà kho trên thế giới.

11


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Chương 2
TÍNH TOÁN , THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1. Thiết kế hệ thống tự động hóa
Hệ thống tự động hóa kho tự động được thiết kế gồm có: Một xe nâng có tay máy
chạy dọc theo đường ray ở giữa hai kho để hàng có nhiều ngăn. Tay máy là cơ cấu hai
tầng bánh răng có thể lấy cất hàng theo hai chiều, cơ cấu tay máy có thể di chuyển lên
xuống dọc theo cột của xe nâng để đưa hàng vào các ngăn chứa hàng. Trang bị điện cho

hệ thống kho tự động gồm rất nhiều nhiệm vụ và khâu, có thể chia làm 3 phần sau:

- Xuất – Nhập
- Vận chuyển
- Lưu giữ
2.1.1. Xuất nhập
• Nhiệm vụ
• Yêu cầu
• Giải pháp

:
:
:

Nhận hàng, trả hàng
Nhanh, chính xác, an toàn…
- Cảm biến: Quang, hồng ngoại, áp lưu…

Phương án được chọn làm mô hình là người quản lý kho sẽ nhập hoặc xuất hàng
vào vị trí từ 1,2,3….n trong kho hàng .
Nhận hàng: Khi có người gửi hàng, người điều khiển sẽ ra lệnh nhấn nút CAT ở
bảng điều khiển Win CC và sau đó chọn ô còn trống cho tay máy mang hàng đến một
ngăn còn trống, quá trình tay máy di chuyển hàng diễn ra tự động. Sau khi hàng được
cất vào ngăn, sẽ hiển thi trên Win CC là ô chứa đó có hàng .
Trả hàng: Khi muốn cho hàng ra , người điều khiển sẽ nhấn vào nút LAY ở trên
Win CC sau đó chọn ô muốn lấy , sau đó lệnh cho tay máy đến ngăn hàng đó và lấy hàng
đưa ra ô nhập xuất. Quá trình lấy hàng của tay máy diễn ra tự động.

2.1.2. Vận chuyển

12


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

•
•
•
-

Nhiệm vụ:
Vận chuyển hàng tử khay nhận hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng.
Lấy hàng từ các ngăn có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng
Yêu cầu:
Nhanh – chính xác – ổn định – an toàn – chắc chắn – dễ lắp đặt, bảo dưỡng…
Giải pháp:
Robot vận chuyển – băng tải –máy nâng hạ…
Vận chuyển hàng từ khay nhập hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng:

Tay máy đưa xuống dưới khay nhận hàng → tay máy nâng hàng lên khỏi khay và
đưa về vị trí tay ban đầu → xe di chuyển dọc theo trục X và đến vị trí X trong lệnh
→ xe dừng lại và tay máy nâng dọc theo trục Y để chọn tầng → đúng vị trí Y trong
lệnh → tay máy dừng lại và động cơ trên tay máy chạy thuận để đưa hàng vào
ngăn hàng → tay máy hạ xuống, để hàng lại ngăn và về vị trí ban đầu.

- Lấy hàng từ các khoang có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng: Có tín hiệu
lấy → xe chạy xác định tọa độ OX → đúng vị trí OX → xe dừng lại và tay
máy nâng theo trục Y → đúng vị trí Y → tay máy dừng lại và đưa vào trong
ngăn hàng → tay máy nâng lên và đưa hàng ra khỏi ngăn → xe trở về vị trí ban
đầu để trả hàng.

Mô hình hệ thống tự động hóa của em được thiết kế dựa trên tham khảo các kho
hàng tự động trên internet, gồm cả xe tự hành chở một tay máy chạy dọc theo đường ray
ở bên cạnh một giá hàng nhiều tầng, tay máy có tác dụng đưa hàng vào các ngăn, tay
máy có thể di chuyển lên xuống.

2.1.3. Lưu giữ

• Nhiệm vụ:
- Lưu giữ hàng khi hàng được gửi vào.
- Báo tín hiệu điều khiển là còn trống hay đã có hàng.

• Yêu cầu:
- Chắc chắn

- Tác động nhanh.

- Dễ dàng bảo trì bảo dưỡng để sử dụng lâu dài…

13


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

• Giải pháp:
- Cảm biến

- Công tắc đóng mở bằng tay

- Camera

- Công tắc trọng lực …

Sử dụng công tắc hai tiếp điểm trên hộp điều khiển cầm tay. Khi muốn đưa hàng
vào ngăn người điều khiển sẽ bật công tắc ra lệnh cho xe đưa hàng vào ngăn tương ứng,
đồng thời đèn LED trên hộp ứng với vị trí ngăn đó sẽ sáng, báo có hàng gửi vào ngăn.
Khi muốn lấy hàng ra khỏi ngăn, người điều khiển tắt công tắc 2 tiếp điểm đèn
LED tối và xe sẽ di chuyển lấy hàng ra khỏi ngăn đó. Vấn đề được đặt ra là làm thế nào
để xe xác định được vị trí theo OX và làm thế nào để xác định hàng đã vào đúng vị trí
trên tay máy. Khi trả hàng thì chủ hàng đã đưa vé cho nhân viên điều khiển tính số tiền
phải trả, khi thực hiện xong thì nhân viên sẽ đóng công tắc để hệ thống thực hiện quá
trình trả hàng.

2.2. Các hệ thống chuyển động chính của kho hàng tự động
2.2.1. Hệ thống di chuyển xe nâng
Hệ thống di chuyển xe nâng gồm thân xe và cột chính của thang nâng được di
chuyển trên hai thanh dẫn hướng cố định. Hệ thống truyền động của xe nâng được lắp
động cơ một chiều đầu trục có gắn đĩa xích, hệ thống xích tải được lắp cố định song song
với các thanh ray.
Khi có tín hiệu điều khiển, động cơ được cấp điện sẽ quay đĩa xích kéo theo toàn
bộ xe nâng di chuyển dọc theo phương nằm ngang đến các vị trí yêu cầu tương ứng với
các khoang đặt hàng. Chiều chuyển động của xe nâng phụ thuộc vào chiều của điện áp
đặt vào cuộn ứng của động cơ. Việc dừng và khống chế hành trình của xe nhờ vào các
cảm biến đặt dọc trục ray dẫn theo phương nằm ngang
2.2.2. Hệ thống tay máy
Tay máy là một trong nhưng cơ cấu cơ khí phức tạp nhất của hệ thống, là thiết bị
để lấy cất hàng. Tay máy có khả năng di chuyển lên xuống (trục Y) và di chuyển sang
phải sang trái (trục Z). Các cảm biến từ được gắn dọc theo trục Y và Z giúp cho việc
dừng chính xác ứng với các khoang chứa.

14

Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

2.3. Trang thiết bị cho hệ thống
2.3.1. Động cơ điện
Trong hệ thống kho hàng tự động để vận chuyển các robot tự hành thông thường
người ta sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ đồng bộ và động cơ điện
một chiều.
Ở đây em sử dụng động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ.
2.3.2. Động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh và phần quay:

Hình 2.1. Cấu tạo động cơ 1 chiều
1. Sato
2. Rôto
4. Nắp
5. Quạt

3.Vỏ máy
6. Trục

7. Ổ bi

9. Cổ góp.

8. Chổi than

Phần tĩnh ( stato ):

15


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Hình 2.2. Cấu tạo của stato
Bao gồm có các bộ phận chính sau:
- Vỏ máy
- Cực từ chính
- Cực từ phụ
- Dây quấn
- Nắp
- Chổi than
-Quạt
Ngoài ra, trên phần tĩnh còn có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto. Hai đầu trục có
hai vòng bi, trên thân máy có trụ đấu dây, đế máy, giá chổi than, chổi than, biển máy, móc
vận chuyển.
Phần quay ( Rôto ):

Hình 2.3. Cấu tạo của Rôto
Bao gồm có các bộ phận chính sau:
- Lõi thép

- Dây quấn

- Dây quấn

- Trục rôto

- Cổ góp

*) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều:
Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất hiện từ
trường kt. Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng
(Roto) xuất hiện dòng điện iư. Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, có
chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to.

16


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện có rôto là
khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S) sau đây:

Hình 2.4. Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều
Trên hình 2.4a khi mặt phẳng khung dây trùng với các đường sức của từ trường kt,
nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2 thì chiều dòng điện chạy
trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-). Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định
được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều momen M và.
Trên hình 2.4b tương tự khi mặt phẳng ABCD quay 180° so với hình 1 ta thấy
chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũng
xác định được chiều của F và chiều của momen M cũng như có chiều tương tự ở hình
2.4a.
Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay chiều,
do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi.

17

Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều
a: Kích từ song song; b: Kích từ độc lập; c: Kích từ nối tiếp; d: Kích từ hỗn hợp.
2.3.3. Phương trình cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong đó

U = E + Rư.Iư

(1)

E = K..

(2)

M = K..Iư

(3)

: Từ thông trên mỗi cực.

Iư dòng điện phần ứng.

U : Điện áp phần ứng.

Rư: điện trở phần ứng.

: Tốc độ góc.

M: Mômen động cơ.

K : Hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.

• Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
- Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng:
Uư = (Rư + Rf ).Iư + Eư
Trong đó:

(4)

Uư: Điện áp phần ứng

18


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Eư: Sức điện động phần ứng
Rư: Điện trở của mạch phần ứng
Rf: Điện trở phụ thuộc trong mạch phần ứng
Iư: Dòng điện mạch phần ứng
Với:
Rư = rư + rcf + ri + rct
rư– điện trở cuộn dây phần ứng
rcf –điện trở cuộc cực từ phụ
rb– điện trở cuộn bù
rct- điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động của Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :
Eư = .. =K..
Trong đó:

(5)

K = : Hệ số cấu tạo của động cơ
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
: Tốc độc góc
: Từ thông kích từ dưới một cực từ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay (vòng/phút) thì:
Eư = Ke..
Và:
Vì vậy

= =
Eư = ..

(6)

Ke = – hệ số sức điện động của động cơ
Ke= 0,105K

Từ (4) và (5) ta có:
= – . Iư

(7)

19


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Biểu thức (7) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ điện được xác định bởi:
Mđt = K..Iư

(8)

Suy ra
Iư =
Thay giá trị Iư vào biểu thức (7) ta được:
= - Mđt
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn hao lõi thép thi mô men cơ trên trục động cơ
bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M.Nghĩa là Mđt= Mcơ = M:
= - M

`(9)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông = const thì các phương trình đặc tính cơ
(7) và (9) là tuyến tính. Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trên Hình 2.6 và Hình
2.7 là những đường thẳng:

Hình 2.7. Đặc tính cơ điện của động
cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 2.6. Đặc tính cơ điện của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.3.4. Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ :
20


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

*) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Khi Uư = Uđm và = đm
Muốn thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào mạch
phần ứng.
Tốc độ không tải lí tưởng :

= = const

Độ cứng của đặc tính cơ:
==Khi tăng điện trở phụ độ cứng đặc tính cơ suy giảm.
Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf =0 ta có
đường đặc tính cơ tự nhiên:
TN

=-

Như vậy khi ta thay đổi điện trở Rf , ta được một họ đặc tính biến trở.

Hình 2.8. Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
*) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông = đm , điện trở phụ Rf = 0. Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm
so với Uđm , ta có :

Tốc độ không tải :

= Khi Uư giảm, giảm theo.

Độ cứng đặc tính cơ : = - = const

21


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính
cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình 2.9.

Hình 2.9. Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

*) Ảnh hưởng của từ thông:
Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm và điện trở phần ứng Rf= 0

22


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng kích từ I kt động cơ bằng cách mắc thêm
biến trở vào mạch kích từ. Ta điều chỉnh bằng cách giảm kt , không thể tăng kt vì nó sẽ phá
hỏng cuộn kích từ.
Tốc độ không tải :

=

Độ cứng của đặc tính cơ:

=-

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường cho phép điều chỉnh giảm từ thông
trong giới hạn cho phép. Nên khi từ thông giảm thì tăng, còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc
tính cơ với tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm nhanh khi giảm từ thông.

Hình 2.10. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông
- Khi giảm từ thông thì ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng giảm
dần : đm >1>2.
- Khi giảm quá nhỏ ta có thể làm tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép,
làm cho điều kiện chuyển mạch xấu đi, do dòng phần ứng tăng cao. Để chuyển mạch
bình thường ta phải giảm dòng phần ứng, làm cho momen trên trục động cơ giảm nhanh
dẫn đến động cơ bị quá tải.
Qua các phương pháp ở trên ta thấy được bằng phương pháp thay đổi điện áp phần
ứng dễ ứng dụng và phù hợp với mô hình này, hơn nữa nó còn có hiệu suất ổn định.
Trong khuôn khổ của mô hình em sử dụng động cơ điện một chiều có các đặc điểm sau:

23


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

- Các dộng cơ truyền trong mô hình nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn
ặp lại, số lần đóng cắt lớn.
- Yêu cầu đảo chiều quay. Động cơ điện phải có khả năng đảo chiều, có mô men
thay đổi theo trọng tải rõ rệt. Theo tham khảo thực tế thì khi không có tải mô men động
cơ không vượt quá 15-20% Mđm, khi có tải M = 150% Mđm.

- Yêu cầu về khởi động và hãm. Trong các hệ thống cơ cấu của máy nâng, yêu cầu
của quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, phải có phạm vi điều chỉnh tốc độ đủ rộng và
có đường đặc tính cơ thỏa mãn yêu cầu công nghệ. Đó là các yêu cầu về dừng máy chính
xác, nên các đường đặc tính cơ thấp, có nhiều đường đặc tính cơ trung gian để mở hãm
máy êm.
- Phạm vi điều chỉnh không lớn, thông thường D < 3:1, ở các cầu trục lắp ráp
(D<10:1) hoặc lớn hơn. Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao, thường trong
khoảng 5%.
-Yêu cầu về bảo vệ an toàn:
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất
điện, đảm bảo an toàn cho người vận hành và các bộ phận khác trong hệ thống. Để đảm
bảo an toàn cho người và thiết bị ta sử dụng các Aptomat, các cảm biến để dừng khi có
tín hiệu. Trong mạch nguồn có bảo vệ quá dòng.
2.3.5. Đảo chiều động cơ
Do robot trong mô hình sử dụng nhiều động cơ nên để tránh những sự cố về điện
cần có các thiết bị bảo vệ như rơ-le trung gian và để đảo chiều động cơ dùng một cặp rơle trung gian.

24


Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Hình 2.11. Sơ đồ đảo chiều động cơ

• Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo chiều động cơ:
- Khi rơ-le RLB+ có điện sẽ kích đóng làm cho tiếp điểm B+ đóng lại, tiếp điểm
B1+ mở ra, do đó động cơ được nối với nguồn thông qua: + → tiếp điểm
B+ của
RLB+→ ĐC → tiếp điểm B1- của RLB- → 0V làm cho động cơ quay theo chiều thuận.
- Khi rơ-le RLB- có điện sẽ kích đóng làm cho tiếp điểm B- đóng lại, tiếp điểm B1mở ra, do đó động cơ được nối với nguồn thông qua: + → tiếp điểm B- của RLB- → ĐC

→ tiếp điểm B1+ của RLB+ → 0V làm cho động cơ quay theo chiều ngược.
2.3.6. Rơ-le trung gian
Được dùng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện, trong các hệ thống điều khiển
tự động, do đó có số lượng tiếp điểm lớn 4-6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường hở.
Rơ-le trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt các tiếp điểm của rơ-le chính không
đủ hoặc tín hiệu từ rơ-le chính đến nhiều bộ phận khác của mạch điều khiển.
Trong các mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử rơ-le nay thường được dùng làm
phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các bộ phận phía sau, đồng thời cách ly điện áp giữa
mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành.

• Yêu cầu chọn rơ-le
25