Tính toán, thết kế hệ thống cầu trục điều khiển bán tự động dùng plc s7 300

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CẦU TRỤC ĐIỀU KHIỂN BÁN TỰ ĐỘNG DÙNG PLC
S7-300

Sinh viên thực hiện:

HOÀNG XUÂN TUẤN
Lớp 54K1 - KTĐK &TĐH
Khóa học 2013-2018

Giảng viên hướng dẫn: ThS. HỒ SỸ PHƯƠNG

Nghệ An, 06-2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CẦU TRỤC ĐIỀU KHIỂN BÁN TỰ ĐỘNG DÙNG PLC
S7-300

Sinh viên thực hiện:

HOÀNG XUÂN TUẤN
Lớp 54K1 - KTĐK &TĐH
Khóa học 2013-2018

Giảng viên hướng dẫn: ThS. HỒ SỸ PHƯƠNG
Giảng viên phản biện: ThS. LÊ VĂN CHƯƠNG

Nghệ An, 06-2018


LỜI CẢM ƠN
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả các quý thầy cô và các bạn
trong Viện Kỹ Thuật và Công Nghệ trường Đại học Vinh đã tận tình hướng dẫn và
truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Đặc biệt là thầy
Hồ Sỹ Phƣơng đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em
hoàn thành đồ án tốt nhiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, Ngày 15 tháng 06 năm 2018
Người thực hiện
Hoàng Xuân Tuấn

1

LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật phát triển nâng cao năng suất lao động hiệu quả công việc
đặc biệt đã góp phần rất lớn trong sự nghiệp cơng nghiệp hố hiện đại hoá đất nước.
Với sự ra đời của cầu trục thì những cơng việc như di chuyển hàng hố, vật
tư, thiết bị từ vị trí này tới vị trí khác được thực hiện một cách đơn giản nhưng cho
hiệu quả và năng suất lao động cao. Trong công nghiệp cầu trục có nhiệm vụ nâng
các thiết bị cơng nghệ từ mặt đất lên cao để lắp ráp. Trong các nhà máy luyện kim
cầu trục vận chuyển các cuộn thép, phơi thép hoặc các thùng kim loại nóng chảy đổ
vào khn 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 gia công sang các công đoạn mới. Trong
cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng hoá từ trên tàu xuống kho bãi hay ngược lại.
Như vậy cầu trục đã giúp con người cơ khí hố, tự động hoá khâu bốc xếp
làm giảm sức lao động tăng năng suất hiệu quả công việc.
Với những vốn kiến thức nhất định về truyền động điện, trang bị điện, PLC,
khí cụ điện, tự động hố q trình điều khiển, và những kiến thức cơ sở khác. Với
nhu cầu tiếp cận với nền khoa học kỹ thuật hiện đại. Với xu hướng hội nhập chung
của đất nước. Để phần nào hồn thiện kiến thức của mình em đã thực hiện đồ án
mơn học với đề tài: “Tính tốn, thết kế hệ thống cầu trục điều khiển bán tự động
dùng PLC S7-300”. Là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ
nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống.

2


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này trình bày q trình phân tích, tính tốn, thiết kế và chế tạo mơ
hình hệ thống cầu trục để phục vụ công việc nâng hạ hàng hóa ở trong nhà máy,
phân xưởng và bến cảng. Đồ án cũng đã nghiên cứu tổng quan về PLC siemen S7 300, giải quyết các bài toán lập trình. Kết quả của đồ án đã thiết kế được mơ hình
cầu trục và lập trình điều khiển hệ thống cầu trục sử dụng PLC siemen S7-300.
ABSTRACT

This project presents the process of analyzing, calculating, designing and
manufacturing the crane system model for the lifting of goods in factories,
workshops and ports. The project also studied the PLC siemen S7 -300, solving
programming problems. The result of the project was designed the crane model and
programmer control the crane system using PLC siemen S7-300.

3


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 1
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .......................................................................................... 2
MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. 6
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CẦU TRỤC ........ 9
1.1. Giới thiệu về cầu trục ............................................................................. 9
1.1.1. Đặc điểm cơ bản của hệ truyền động ............................................. 9
1.1.2. Cấu tạo cầu trục .............................................................................. 9
1.1.3. Phân loại ....................................................................................... 10
1.1.4. Ứng dụng ...................................................................................... 11
1.2. Các yêu cầu cho hệ truyền động cầu trục ........................................... 12
1.3. Tự động hóa cho cầu trục ................................................................... 14
CHƢƠNG 2. TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT CỦA
ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CẦU TRỤC .......... 15
2.1. Tính chọn cơng suất của động cơ truyền động các cơ cấu chính của cầu trục.... 15
2.1.1. Cơ cấu di chuyển xe cầu và xe con ............................................... 15

2.1.2. Cơ cấu nâng hạ .............................................................................. 16
2.2.Tính chọn cơng suất động cơ ................................................................ 17
2.2.1. Phụ tải t nh khi nâng .................................................................... 18
2.2.2. Phụ tải t nh khi hạ ........................................................................ 19
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ THỐNG CẦU TRỤC SỬ DỤNG PLC SIEMEN S7 - 300 ...............21
3.1. Thiết bị sử dụng trong đề tài ................................................................ 21
3.1.1. Relay trung gian ........................................................................... 21
3.1.2. Động cơ một chiều có giảm tốc ................................................... 21
3.1.3. Nút nhấn ....................................................................................... 23
3.1.4. Bộ điều khiển PLC Siemen S7 - 300 ................................................ 24
3.2. Thiết kế mơ hình ................................................................................. 33
3.2.1. Chi tiết cơ cấu di chuyển xe cầu ................................................... 33
4


3.2.2. Chi tiết cơ cấu di chuyển xe con .................................................. 34
3.2.3. Chi tiết cơ cấu nâng hạ ................................................................. 34
3.3. Sơ đồ đấu nối thiết bị.......................................................................... 36
3.4. Lưu đồ thuật toán ................................................................................ 37
3.5. Chương trình điều khiển ..................................................................... 39
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 48

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo và trang bị điện cho cầu trục.............................................. 10
Hình 2.1. Sơ đồ của cơ cấu di chuyển............................................................. 15

Hình 2.2. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ với cơ cấu bốc hàng dùng móc ....16
Hình 2.3. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ d ng móc ............................... 18
Hình 2.4.Quan hệ phụ thuộc c theo tải trọng ................................................. 18
Hình 3.1. Relay trung gian .............................................................................. 21
Hình 3.2. Động cơ một chiều có giảm tốc ...................................................... 23
Hình 3.3. Nút nhấn .......................................................................................... 24
Hình 3.4. PLC Siemen S7 – 300 ..................................................................... 24
Hình 3.5. Các khối module của PLC S7 – 300 ............................................... 25
Hình3.6. Địa chỉ khe và kênh trên module số ................................................. 26
Hình 3.7. Địa chỉ khe và kênh trên module tương tự...................................... 27
Hình 3.8. Chi tiết kết cấu xe cầu ..................................................................... 33
Hình 3.9. Chi tiết kết cấu xe con ..................................................................... 34
Hình 3.10. Chi tiết cơ cấu nâng hạ .................................................................. 34
Hình 3.11. Mơ hình hồn chỉnh của hệ thống cầu trục ................................... 35
Hình 3.12. Sơ đồ vị trí kho hàng ..................................................................... 35
Hình 3.14. Lưu đồ thuật tốn cho ơ số 1 ......................................................... 38
Hình 3.15. Sơ đồ vị trí ..................................................................................... 38
Hình 3.16. Sơ đồ vị trí ..................................................................................... 45

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bảng các vùng nhớ của PLC .......................................................... 27

7


MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong nhà

máy rất rộng rãi làm cho năng suất và hiệu quả công việc được tăng lên. Hệ thống
cầu trục ra đời thì những cơng việc như di chuyển hàng hoá, vật tư, thiết bị từ vị trí
này tới vị trí khác được thực hiện một cách đơn giản nhưng cho hiệu quả và năng
suất lao động cao. Vì vậy, nên đã chọn đề tài: “Tính tốn, thết kế hệ thống cầu
trục điều khiển bán tự động dùng PLC S7-300”.Trong quá trình thực hiện đề tài
này em đã tìm hiểu, tổng hợp các kiến thức mà mình được học tại trường, cũng như
tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài để hoàn thành đề tài được giao. Cấu trúc
của đồ án gồm ba chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống truyền động cầu trục
Chương 2.Trang bị điện và tính chọn cơng suất của động cơ truyền động trong
hệ thống cầu trục
Chương 3. Thiết kế mơ hình và chương trình điều khiển cho hệ thống cầu trục
sử dụng PLC siemen S7-300
Phần kết luận và tài liệu tham khảo, sau đây là nội dung chi tiết của đồ án.

8


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CẦU TRỤC
1.1.

Giới thiệu về cầu trục

1.1.1. Đặc điểm cơ bản của hệ truyền động
Phần lớn các cơ cấu cầu trục được trang bị bởi các động cơ điện. Cung cấp
điện cho hệ thống có 3 dạng:
+ Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định. Loại này thường là
cầu trục phân xưởng.
+ Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện. Loại này thường d ng cho
cầu trục dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất.

+ Cung cấp điện từ máy phát điện diezen. Loại này thường d ng cho cầu trục
di chuyển trên ô tô.
Phần lớn môi trường làm việc của cầu trục rất khắc nghiệt.Ví dụ trong nhà
máy luyện kim môi trường làm việc của cầu trục là nóng ẩm và nhiều bụi. Trên bến
cảng cầu trục phải làm việc ngoài trời. Chế độ làm việc của cầu trục là ngắn hạn lặp
lại, khởi động và hãm thường xuyên.
Tất cả các truyền động cho cơ cấu phải điều chỉnh tốc độ, lực và gia tốc.
Hàng hoá được dịch chuyển theo quỹ đạo không gian nhất định cho nên thường
phải phối hợp 2 hoặc 3 truyền động c ng 1 lúc.
1.1.2. Cấu tạo cầu trục
Cầu trục gồm có gầm cầu di chuyển trên đường ray lắp đặt dọc theo chiều
dài của phân xưởng cơ cấu nâng hạ hàng lắp trên xe con di chuyển dọc theo gầm
cầu theo chiều ngang của nhà xưởng. Cơ cấu bốc hàng của cầu trục có thể dùng
móc (đối với những cầu trục có cơng suất lớn có 2 móc hàng, cẩu móc hàng chính
có tải trọng lớn và có cẩu móc phụ có tải trọng nhỏ) hoặc dùng gầu ngoạm.

9


Hình 1.1. Cấu tạo và trang bị điện cho cầu trục
Trong mỗi cầu trục có 3 chuyển động chính là di chuyển xe cầu, di chuyển
xe con (xe trục) và nâng hạ hàng (Hình 1.1).
Trên cầu trục được trang bị 4 động cơ truyền chuyển động cơ di chuyển xe
con 10. Phanh hãm điện từ 6,11,14,18 lắp hợp bộ với động cơ truyền động. Điều
khiển các động cơ bằng các bộ khống chế 3 trong cabin điều khiển. Hộp điện trở 8
d ng để khởi động và điều chỉnh tốc độ các đông cơ được lắp đặt trên gầm cầu.
Bảng bảo vệ 2 để bảo vệ quá tải, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ điện áp không
được lắp đặt trong cabin điều khiển.
Để hạn chế hành trình di chuyển của các cơ cấu dùng các cơng tắc hành trình
4 và 5 cho cơ cầu di chuyển xe cầu, 9 và 17 cho cơ cấu di chuyển xe con và 13 cho

cơ cấu nâng hạ hàng.
Cung cấp điện cho cầu trục bằng hệ thống tiếp điện chính 1 gồm 2 bộ phận.
Bộ cấp điện là 3 thanh thép góc lắp trên các giá đỡ bằng sứ cách điện lắp đặt dọc
theo nhà xưởng và bộ phận tiếp đien lắp trên cầu trục để cấp điện cho thiết bị điện
trên các cơ cấu xe con dùng bộ tiếp điện phụ 15 lắp dọc theo chiều dọc của gầm
cầu.
1.1.3. Phân loại
Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá.

10


+ Cầu trục có tải trọng nhỏ : Tải trọng nâng chuyển từ 1 -> 5 tấn.
+ Cầu trục co tải trọng trung bình: Tải trọng nâng chuyển từ 10 -> 30 tấn.
+ Cầu trục co tải trọng lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 30-> 60 tấn.
+ Cầu trục co tải trọng rất lớn: Tải trọng nâng chuyển từ 80-> 120 tấn.
Phân loại theo đặc điểm công tác.
+ Cầu trục trang bị cho kho bãi nhà xưởng: Là cầu trục chạy trên ray trang bị
cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí. Cầu trục loại này có cơ cấu điều khiển
chuyển động chính là 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.
+ Cầu trục khung giầm chạy trên đường ray. Cầu trục khung giầm 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 tải trọng 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.
+ Cầu trục bốc xếp Container.
Cầu trục giàn bánh lốp bốc xếp Container co cơ cấu điều khiển chuyển động
chính của cầu trục giàn bánh lốp bao gồm : cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển
xe con, cơ cấu di chuyển giàn. Việc cung cấp nguồn cho cầu trục hoạt động bằng

diezen loại máy phát điện đồng bộ. Đặc điểm của loại cầu trục này là : Có tính cơ
động, năng suất cao.
+ Cầu trục giàn chạy trên đường ray bốc xếp Container. Các cơ cấu điều
khiển chuyển động chính của loại này là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe
con, cơ cấu di chuyển giàn và co cấu nâng hạ giàn. Đặc điểm cơng tác nổi bật của
loại này là: có tầm với và tải trọng nâng lớn, năng suất bốc xếp cao được trang bị
cho các cầu cảng.
1.1.4. Ứng dụng
Cầu trục được ứng dụng rất rộng rãi trong quá trình lắp máy. Khi lắp máy
cho một dây truyền công nghệ lớn, như dây truyền sản xuất xi măng các chi tiết
máy vói kích thước khổng lồ, trọng tải lớn, vị trí lắp đặt trên cao. Nhờ có cầu trục
mà việc di chuyển chi tiêt máy và lắp đặt trở nên nhẹ nhàng hơn.
Tại các cảng biển công việc di chuyển hàng hố co kích thước và khối lượng
lớn nhờ có cầu trục trở nên dễ dàng hơn.
Ngồi cơng dụng trên cầu trục cịn được sử dụng trong những mơi trường
khắc nghiệt như trong các nhà máy luyện kim, cầu trục di chuyển các th ng kim
loại nóng chảy đổ vào khn. Cầu trục con được sử dụng rộng rãi trong việc di
chuyển hàng ho á từ vị trí này đến vị trí khác.
Nhờ có cầu trục mà sức lao động của con người được giải phóng, năng suất

11


và hiệu quả công việc được tăng lên rõ rệt.
1.2. Các yêu cầu cho hệ truyền động cầu trục
Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải trọng 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 lã thuật
cao nhất cho sự hoạt động của cầu trục. Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế quá lớn sẽ địi
hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn. điều này dẫn tới giá thành

chế tạo cao. Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển huyền
động của cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thòi gian đảo chiều, thòi gian hãm, làm
việc liên tục trong chế độ quá độ “hệ thống liên tục đảo chiều theo chu kì bốc xếp”.
Gia tốc và độ giật thoả mãn yêu cầu. Ngược lại nếu tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng
tới năng suất bốc xếp hàng hố. Thơng thường tốc độ chuyển động của hàng hoá ở
chế độ định mức thường nằm trong phạm vi 0,2 đến 1 m/s hay 12 đến 60 m/ph.
Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu cầu trục cần đảm bảo các yêu cầu tiếp theo.
Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng.
Phạm vi điều chỉnh của các cơ cấu điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điều
khiển chuyển động là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp hàng đồng
thời thoả mãn các yêu cầu công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá. Cụ thể
là khi nâng và hạ móc khơng tải hay tải trọng nhẹ với tốc độ cao cịn khi có u cầu
khai thác phải có tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hóa vào vị trí u cầu, điều này
do là thuật bốc xếp hoặc k thuật lắp máy đòi hỏi cụ thể với từng loại cầu trục.
Ngoài các hệ thống truyền động phải có các tác động trung gian sau.
+ Tốc độ toàn tải V,^.
+ Tốc độ nâng 1/2 tải (1,5 đến ljyv^) .
+ Tốc độ nâng móc khơng ( 3đến 3,5)Vđm.
+ Tốc độ hạ toàn tải (2 đến 2,5)Vđm
+ Tốc độ hạ ít tải và khơng tải (2 đến 2,5)Vđm.
Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục ít
nhất là 3 cấp tốc độ. Cấp tốc độ thấp thoả mãn công nghệ nâng hạ hàng khi chạm
đất. Cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa 2 cấp tốc độ này thường
được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hoá
cũng như sự làm việc ổn định của cầu trục.
Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ.
Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn
lặp lại, thường hệ số đóng điện tương đối £ %=40% vì vậy thời gian quá độ chiếm
hầu hết thịi gian cơng tác. Do đó việc rút ngắn thòi gian quá độ là biện pháp cơ bản
để năng cao năng suất. Thòi gan quá độ trong các chế độ cơng tác là thịi gian khởi

12


động và thời gian hãm trong quá trình tăng tốc, giảm tốc. Để rút ngắn thời gian quá
độ cần sử dụng biện pháp sau:
+ Chọn động cơ có mơmen khởi động lớn.
+ Giảm mơmen qn tính (GD)2 của các bộ phận quay
+ D ng động cơ điện có tốc độ khơng cao từ 1000-1500vịng/phút.
Đối vói động cơ điện một chiều mơmen khỏi động phụ thuộc vào giói hạn
dịng của các phiến góp vì vậy thường chọn Ikđ - 2-> 2,5 Iđm. Đối với động cơ diện
xoay chiều mômen khỏi động phụ thuộc vào loại động cơ . Vói động cơ khơng đồng
bộ rơto lồng sóc mơmen khỏi động có thể đạt 1,5 M,^, cịn với động cơ khơng đồng
bộ rơto dây quấn mơmen khởi động có thể chọn bằng mơmen tói hạn Mmflx Việc sử
dụng động cơ có tốc độ thấp trong hệ thống điện một mặt rút ngắn được quá trình
quá độ, mặt khác nâng cao được hiệu suất, khi sử dụng bộ điều tốc cơ khí có tỉ số
nhỏ.
Có trị số hiệu suất cos .
Cơng tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hố là một yếu tố để
nâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển. Như chúng ta đã biết hệ thống truyền
động của cầu trục thường không sử dụng hết công suất, hệ số tải thường trong
khoảng từ 0,3-> 0,4. Do vậy khi chọn các động cơ truyền động phải chọn loại có
hiệu suất cao và ổn định trong phạm vi rộng.
Đảm bảo an tồn hàng hố.
Đảm bảo an tồn cho hàng hố, cho thiết bị và đảm bảo an tồn cho công
nhân bốc xếp là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác vận hành cầu trục. Để
thực hiện được điều đó cần chú ý tới các giải pháp sau:
+ Cần có quy trình an tồn cho cơng tác vận hành và điều khiển cầu trục
trong quá trình hoạt động.
+ Trong q trình tính tốn thiết kế phải chọn các hệ số dự trữ hợp lý

+ Kỹ thuật điều khiển cầu trục cần có các hệ thống giám sát bảo vệ tự động
cho các hệ thống điều khiển chuyển động cầu trục. Các hệ thống cần có các
bảo vệ như bảo vệ móc chạm đỉnh, bảo vệ tr ng cáp cho các cơ cấu nâng hạ,
ngồi ra cịn có các hệ thống đo lường và bảo vệ quá tải tải trọng nâng hạ
hàng.
Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có các bảo vệ sự cố, bảo vệ “0”, bảo vệ
ngắn mạch, bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ thực hiện và dừng khẩn cấp.
Các loại phanh hãm cho các hệ thống làm việc có tính bền vững cao.
Các giải pháp đảm bảo an toàn trên đây trong quá trình khai thac cầu trục
phải kiểm tra thường xuyên và phải được kiểm tra tại các cơ quan đăng kiểm.
Điều khiển tiện lợi và an toàn.

13


Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiển
cùng vói 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 và điện.
Các cầu trục thông thường được láp ráp để vận hành ngồi trịi. Các khu vục
làm việc thơng thường có nhiệt độ làm việc biến đổi theo mùa rõ rệt. Ngoài ra các
cầu trục cảng biển còn chịu ảnh hưởng của hoi nước mặn vì vậy các thiết bị điện kết
cấu phải được chế tạo thích hợp vói mơi trường cơng tác.
1.3. Tự động hóa cho cầu trục
Khi cầu trục mới ra đời người ta tự động hóa cho cầu trục bằng hệ thống tiếp
điểm như điều khiển cầu trục bằng vô lăng, bằng nút bấm, cấp nguồn cho cầu trục
dùng cơng tắc tơ,cầu dao...
Vì đặc điểm làm việc của cầu trục là ngắn hạn lặp lại q trình đóng mở máy
diễn ra liên tục nên các tiếp điểm thường xuyên phải làm việc dẫn đến tiếp điểm bị

mài mòn dẫn đến khả năng dẫn điện không tốt làm cho khả năng làm việc của cầu
trục giảm. Vì vậy hệ thống tự động hóa cho cầu trục sử dụng vi điều khiển (không
tiếp điểm) đã ra đời thay thế và khắc phục những nhược điểm của hệ có tiếp điểm.
Mặc d đã khắc phục được những nhược điểm của hệ có tiếp điểm nhưng vi điều
khiển cũng có những nhược điểm : Vi mạch phức tạp, muốn thay đổi công nghệ rất
khó khăn (phải thiết kế lại bộ vi điều khiển).
Để khắc phục nhược điểm này bộ điều khiển PLC-S7-300 đã ra đời. Bộ điều
khiển PLC-S7-300 đã khắc phục được nhược điểm của hệ có tiếp điểm và bộ vi
điều khiển, ngồi ra nó cịn có ưu điểm là :

-

Dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển nhờ thay đổi phần mềm thực tế.
Thời gian lắp đặt cơng trình ngắn.
Số lượng vào, ra lớn.
Dễ dàng thay đổi cơng nghệ mà ít gây tổn thất về kinh tế.
Có thể tính tốn được chính xác giá thành đầu tư vào dây truyền.
Chuẩn hố được phần cứng điều khiển.
Độ tin cậy, độ chính xác cao.

Thích ứng được trong mơi trường khắc nghiệt.
Có cấu trúc chương trình điều khiển rõ ràng, mạch lạc, giúp phát hiện và xử

lý

14


CHƢƠNG 2. TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT CỦA ĐỘNG
CƠ TRUYỀN ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG CẦU TRỤC

2.1. Tính chọn công suất của động cơ truyền động các cơ cấu chính của cầu
trục
2.1.1. Cơ cấu di chuyển xe cầu và xe con
Đối với cơ cấu di chuyển, lực cản t nh phụ thuộc vào khối lượng hàng (G) và
khối lượng của cơ cấu. Trạng thái đường đi của cơ cấu di chuyển trên nó, cấu tạo và
chế độ bơi trơn cho cơ cấu (cổ trục, khớp nối, bản lề…). Đối với cầu trục lắp đặt
ngồi trời cịn chịu tác động phụ của gió. Hình vẽ dưới đây biểu diễn lực tác dụng
lên cơ cấu tác dụng lên đường ray.

Hình 2.1. Sơ đồ của cơ cấu di chuyển
F

(G  G 0  G x ) g
(  .rct  f ) k ms
Rb

(2.1)

Trong đó: G là khối lượng hàng hóa, kg.
G0 là khối lượng của cơ cấu bốc hàng, kg.
Gx là khối lượng của xe, kg.
G Gia tốc trọng trường, m/s2.
Rb bán kính bánh xe, m.
ß Hệ số ma sát trượt (8.10-4 ÷ 15.10-4).
rct bán kính cổ trục bánh xe, m.
f Hệ số ma sát lăn (5.10-4 m).
kms hệ số có tính đến ma sát giữa mép bánh xe và đường ray, (km=
1,2 ÷1,5).
Momen động cơ sinh ra thắng lực cần chuyển động đó bằng:
M

F .Rh
(N.m)
i.

(2.2)

Trong đó F được tính theo biểu thức (2.1).
i là tỷ số truyền từ động cơ đến bánh xe.
 là hiệu suất cơ cấu.

Công suất động cơ khi truyền có tải trong chế độ xác lập bằng:

15


P

F .v



.103 (kW)

(2.3)

Trong đó:
v là tốc độ di chuyển, m/s.
Cơng suất của động cơ khi di chuyển không tải bằng:
P

F0 v



.103 (kW)

(2.4)

Trong đó F0 được tính theo biểu thức (2.1) khi cho G = 0
2.1.2. Cơ cấu nâng hạ

Hình 2.2 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ với cơ cấu bốc hàng dùng móc
1- Trục vít
2- Bánh vít
3- Truyền động bánh răng
4- Tang nâng
5- Bộ phận móc hàng
6- Móc
7- Động cơ

A- Điểm cố định cáp
Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ đóng vai trị quan trọng trong các máy
nâng vận chuyển nói chung và trong mơ hình cầu trục nói riêng. Trên hình 2.2 mơ
tả sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng với cơ cấu bốc hàng dùng móc.

16


Lực đặt trên cáp nâng được tính theo biểu thức sau:

F

(G  G 0 ) g
(N)
m.t

(2.5)

Trong đó: m là bội số của rịng rọc
Khi nâng khơng tải (G=0), lực đặt trên cáp nâng bằng:
G0 .g
(N)
m.t

F

(2.6)

Mô men đặt lên tang nâng tương ứng cho 2 trường hợp bằng:
Mt 

F .Rt

t

(N.m) M t 0 

F0 .Rt

t

(N.m)

(2.7)

Trong đó: t là hiệu suất của tang nâng.
Mo men đặt trên trục động cơ bằng:
M

Mt
(N.m)
i.

(2.8)

Trong đó: i và  là tỷ số truyền và hiệu suất của cơ cấu truyền lực.
  bv .br

Trong đó: bv là hiệu suất của bánh vít
br là hiệu suất của cáp bánh rang

Công suất của động cơ truyền động phụ thuộc vào tốc độ nâng:
P

F .v.m

c

.103 (kW)

(2.9)

Trong đó: v là tốc độ nâng hàng
 c hiệu suất của toàn bộ cơ cấu truyền lực

c  bv .br .t

(2.10)

2.2 T nh chọn c ng uất động cơ
Để xác định công suất của động cơ của cơ cấu nâng hạ ta sẽ sử dụng phương
pháp đại lượng đ ng trị.Vì động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ làm việc ở chế độ
ngắn hạn lặp lại nên việc tính chọn cơng suất động cơ phải xác định cả phụ tải t nh
và phụ tải động.

17


Hình 2.3 Sơ đồ độn học của cơ cấ n n hạ
2.2.1 Ph
Có tải:

n m c

ải nh hi n ng
Mn 

(G  G0 ) Rt
uic

(N.m)

Trong đó:
G là trọng lượng của tải trọng (N)
G0 là trọng lượng móc (N)
Rt là bán kính tang nâng (m)
u là bội số của hệ thống ròng rọc, thay đổi theo kết cấu và cách quấn cáp.
 c là hiệu suất toàn bộ cơ cấu, được xác định theo tải trọng như hình dưới:

Hình 2.4

an hệ phụ h ộc  c h o

18

i ọn


i là tỷ số truyền được xác định như sau:
2 .Rt .n
i

u.v

n là tốc độ động cơ (vòng/s)
v là tốc độ nâng tải (m/s)
Khi khơng có tải:
M n0 

G0 .Rt

u.i.c

2.2.2. Ph ải nh hi hạ
T y thuộc vào tải trọng G lớn hay nhỏ mà có hai chế độ hạ tải như ở phần
yêu cầu phụ tải đã nêu
-Hạ động lực
-Hạ hãm
Mơ men do tải trọng gây ra khơng có tổn thất :
Mt 

(G  G0 ) Rt
(N.m)
u.i

Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên :
M h  M t  M  M t .h (N.m)

Trong đó:
Mh là mơ men trên trục động cơ khi hạ tải (N.m)
M là tổn thất mômen trong cơ cấu truyền động (N.m)
 h là hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải

Nếu M t > M : hạ hãm
M t < M : hạ động lực

Coi tổn thất trong cơ cấu nâng- hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì:
M 

Mt

 Mt  Mt (

c

1

c

 1)

M h  M t  M  M t  M t (

1

c

 M t (2 


1

c

 1)

)

(G  G0 ) Rt
1
(2  )

ui
c

Suy ra:
h  2 

1

c

Chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc vào hiệu suất cơ cấu khi hạ tải:

19


- Khi  c < 0,5

 h 0, động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực (momen động cơ c ng

chiều momen tải trọng)
- Khi  c > 0,5

 h >0, động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm (momen động cơ ngược

chiều momen tải trọng).

20


CHƢƠNG 3.

THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG CẦU TRỤC SỬ DỤNG PLC SIEMEN S7 - 300
3.1. Thiết bị sử dụng trong đề tài
3.1.1. Relay trung gian
Rơ le trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống tiếp
điểm. Rơle trung gian cịn gọi là rơ le kiến là một cơng tắc chuyển đổi hoạt động
bằng điện. Gọi là một công tắc vì rơ le có hai trạng thái ON và OFF. Rơ le ở trạng
thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dịng điện chạy qua rơ le hay khơng.

Hình 3.1 Relay trung gian
Cấu tạo của rơ le trung gian: Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép
động, lõi thép t nh và cuộn dây. Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn
điện áp, hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ. Lõi thép động được găng bởi lò xo
c ng định vị bằng một vít điều chỉnh. Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm nghịch
và tiếp điểm nghịch.
Nguyên lý hoạt động.
+ Khi có dịng điện chạy qua rơ le, dịng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong
và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một địn bẩy bên trong
làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ
le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế.
+ Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động. Một mạch là để điều khiển cuộn dây của
rơ le: Cho dịng chạy qua cuộn dây hay khơng, hay có ngh a là điều khiển rơ le ở
trạng thái ON hay OFF. Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm sốt có qua
được rơ le hay khơng dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le.
3.1.2. Động cơ một chiều có giảm tốc
Động cơ điện một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều.
Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi
động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
Động cơ một chiều gồm các thành phần sau.

21


+ Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một
chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ)
quay trong không gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực
từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực
nam. Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện.
Những nam châm này được cấp điện từ bên ngồi và đóng vai trị hình thành cấu
trúc từ trường.
+ Phần ứng: Khi có dịng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm
điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ
một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực
bắc và cực nam của nam châm hốn đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần
ứng. Khi sự hốn đổi hồn tất, dịng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và
nam của phần ứng.
+ Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng
đảo chiều của dịng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa
phần ứng và nguồn điện.
+ Hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp,
có tỉ số truyền khơng đổi, thường đi kèm với động cơ máy khuấy, có 2 tác dụng
chính:
+ Giảm tốc: Vì động cơ (theo chuẩn quốc tế) thường có tốc độ cao, trong khi
nhu cầu sử dụng thực tế (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần tới hộp giảm tốc để
điều chỉnh vòng quay để được tốc độ như ý.
+ Tăng tải: Lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm
tăng khả năng tải trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc.
+ Một đặc trưng nữa của hộp giảm tốc cần lưu ý đó là hộp giảm tốc chỉ điều
chỉnh (giảm) xuống được một tốc độ quay nhất định, khác với biến tần có thể điều
chỉnh cho trục ra nhiều tốc độ sử dụng khác nhau.

+ Tỉ số truyền: Tỉ số truyền là tỉ số biến thiên tốc độ giữa trục vào và trục ra
của động cơ hộp giảm tốc, là đại lượng thể hiện sự biến thiên tốc độ của động cơ
máy ban đầu với đầu ra động cơ (tốc độ sử dụng thực tế) thông qua bộ phận giảm
tốc là hộp giảm tốc.

22


Hình 3.2 Độn cơ một chiều có gi m tốc
Thống số kỹ thuật:
+ Điện áp định mức: 24VĐC
+ Điện áp làm việc: 12V - 24VĐC
+ Dịng điện khi khơng tải: 100mA
+ Dịng điện khi có tải là: 500mA
+ Tốc độ khi khơng tải:134 Vịng/phút
+ Tốc độ khi có tải: 83 Vòng/phút
+ Tỉ lệ giảm tốc:1/40
+ Momen định mức: 7,5 kgf.cm
+ Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm
+ Công suất tiêu thụ: 12W
3.1.3. Nút nhấn
Nút nhấn hay là nút điều khiển là loại khí cụ điện d ng để đóng, ngắt từ xa các
thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch
điều khiển tín hiệu, liên động, bảo vệ… Nút nhấn dùng trong mạch điện một chiều
điện áp đến 440 V và trong mạch điện xoay chiều điện áp đến 500 V.
Nút nhấn là loại khí cụ điện kết hợp với một số thiết bị khí cụ điện khác như
cơng tắc tơ, khởi động từ, rơ le trung gian, rơ le thời gian… đóng hay cắt mạch điện
từ xa, để khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ điện, chuyển đổi, liên động
mạch điều khiển tín hiệu. Nút nhấn thường đặt trên các bảng điện điều khiển, ở tủ
điện, trên hộp nút nhấn. Nút nhấn thường được chế tạo để làm việc trong mơi

trường khơng ẩm ướt, khơng có hơi hóa chất và bụi.

23