Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục dầm đôi - ĐH SPKT TPHCM

Đồ án chi tiết thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cầu trục dầm đôi. Trình bày giải pháp phần cứng, lập trình PLC S7-300 và SCADA WinCC.

• Tác giả: Hoàng Gia Phát
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Mô Hình Cẩu Trục Dầm Đôi Dùng Trong Nhà Kho
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Điều Khiển Cầu Trục Dầm Đôi

Đồ án điều khiển và giám sát cầu trục dầm đôi nhà kho là một dự án tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Đình Nhơn. Hệ thống được thiết kế nhằm tối ưu hóa quy trình vận hành cẩu trục trong các kho hàng hiện đại. Công nghệ sử dụng bao gồm PLC Siemens S7-300, phần mềm STEP 7 và giao diện SCADA WinCC. Đồ án này kết hợp các thành phần điện tử, cảm biến số và biến tần điều khiển động cơ để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất hoạt động, giảm thiểu sai sót và cải thiện an toàn lao động trong quá trình vận hành cẩu trục tại kho hàng.

1.1. Cấu Trúc Hệ Thống Điều Khiển Cầu Trục

Hệ thống điều khiển cầu trục dầm đôi được chia thành ba phần chính: phần cứng, phần mềm và giao diện người dùng. Phần cứng bao gồm PLC S7-300, các cảm biến vị trí, biến tần Siemens và hệ thống động cơ. Phần mềm lập trình bằng STEP 7 Manager cho phép kiểm soát toàn bộ chuyển động của cẩu trục. Giao diện SCADA trên máy tính cung cấp giám sát thời gian thực, lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

1.2. Ứng Dụng Trong Kho Hàng Hiện Đại

Cầu trục dầm đôi được ứng dụng rộng rãi trong các kho hàng để vận chuyển hàng hóa hiệu quả. Hệ thống định vị xác định vị trí từng thùng hàng sử dụng ma trận cảm biến số. Điều này cho phép quản lý kho tự động, giảm thời gian tìm kiếm hàng và tăng năng suất lao động. Giao diện giám sát từ xa thông qua TeamViewer giúp điều hành viên quản lý toàn bộ quá trình mà không cần trực tiếp tại hiện trường, nâng cao an toàn lao động.

II. Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống Cầu Trục

Phần cứng của hệ thống điều khiển cầu trục dầm đôi được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. PLC Siemens S7-300 đóng vai trò trung tâm xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị thực thi. Biến tần Siemens điều khiển tốc độ quay của động cơ, giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Các cảm biến vị trí giám sát chuyển động theo ba trục: X (ngang), Y (dọc) và Z (dọc theo dầm). Hệ thống sử dụng relay điều khiển và switch an toàn để đảm bảo an toàn hoạt động. Tất cả các thành phần được lựa chọn dựa trên tính toán kỹ thuật chính xác và tiêu chuẩn an toàn công nghiệp.

2.1. Lựa Chọn PLC Và Biến Tần Điều Khiển

PLC S7-300 của Siemens được chọn vì độ tin cậy cao và khả năng xử lý tín hiệu nhanh. Biến tần Siemens cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt, tiết kiệm năng lượng đến 30-40%. Kết hợp giữa PLC và biến tần tạo nên hệ thống điều khiển động cơ tối ưu, đáp ứng yêu cầu chuyển động chính xác của cẫu trục trong các tác vụ vận chuyển hàng hóa.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Thiết Bị Đo Lường

Hệ thống sử dụng cảm biến số để tạo ma trận định vị chính xác cho hàng hóa. Các cảm biến vị trí được bố trí theo các trục chuyển động, giám sát liên tục vị trí của cẩu trục. Thiết bị an toàn bao gồm switch giới hạn, cảm biến chập tay giảm rủi ro tai nạn. Dữ liệu từ các cảm biến được truyền tải về PLC để xử lý và điều khiển, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.

III. Phần Mềm Lập Trình Và Giao Diện Giám Sát SCADA

Phần mềm STEP 7 Manager được sử dụng để lập trình PLC S7-300, cho phép viết các logic điều khiển phức tạp cho cẩu trục. Giao diện người dùng được phát triển bằng WinCC - phần mềm SCADA của Siemens, cung cấp giám sát thời gian thực toàn bộ hệ thống. Giao diện SCADA hiển thị trạng thái hoạt động của cẩu trục, vị trí hàng hóa, các cảnh báo và dữ liệu năng lượng tiêu thụ. Hệ thống cho phép lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, xuất báo cáo dưới định dạng Excel để phân tích. Kết nối từ xa thông qua TeamViewer giúp người quản lý điều khiển hệ thống từ bất kỳ vị trí nào.

3.1. Lập Trình Điều Khiển Bằng STEP 7

STEP 7 Manager là công cụ lập trình mạnh mẽ cho PLC Siemens, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như LAD, STL, SCL. Chương trình điều khiển được viết để xử lý tín hiệu từ cảm biến và phát lệnh tới các thiết bị thực thi. Logic điều khiển bao gồm các quy trình vận chuyển tự động, xác định vị trí hàng hóa, và kiểm soát an toàn. Hệ thống lập trình cho phép cấu hình linh hoạt, dễ bảo trì và nâng cấp trong quá trình sử dụng.

3.2. Giao Diện Giám Sát WinCC Và Quản Lý Dữ Liệu

WinCC cung cấp giao diện người dùng trực quan, hiển thị trạng thái thời gian thực của cẩu trục. Màn hình giám sát gồm các biểu đồ động, bảng điều khiển, và cảnh báo tự động. Hệ thống lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, cho phép xuất báo cáo Excel chi tiết. Kết nối từ xa TeamViewer cho phép giám sát và điều khiển từ máy tính hoặc điện thoại, tăng hiệu quả quản lý kho hàng.

IV. Tính Năng Nổi Bật Và Giá Trị Ứng Dụng Của Hệ Thống

Hệ thống điều khiển cầu trục dầm đôi mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho quản lý kho hiện đại. Tự động hóa hoàn toàn quy trình vận chuyển giảm chi phí nhân công và tăng năng suất lao động lên 50-60%. Định vị chính xác hàng hóa sử dụng ma trận cảm biến giúp tìm kiếm hàng nhanh chóng, giảm thời gian xử lý đơn hàng. Giám sát từ xa qua SCADA cho phép quản lý toàn bộ quá trình từ bàn làm việc, giảm rủi ro tai nạn lao động. Lưu trữ và phân tích dữ liệu cung cấp thông tin quản lý quý báu giúp tối ưu hóa hoạt động kho. Hệ thống cũng tiết kiệm năng lượng nhờ biến tần điều khiển động cơ, đóng góp vào phát triển bền vững và giảm chi phí vận hành.

4.1. Những Tính Năng Nổi Bật Của Hệ Thống

Hệ thống sở hữu tính năng tự động hóa toàn diện với điều khiển chuyển động ba trục chính xác. Ma trận cảm biến cho phép xác định vị trí chính xác mỗi hàng hóa, giảm sai sót trong quản lý kho. Giao diện SCADA thân thiện cho phép điều khiển dễ dàng mà không cần kỹ năng kỹ thuật cao. An toàn hoạt động được ưu tiên hàng đầu với switch an toàn và giới hạn chuyển động. Khả năng kết nối từ xa giúp giám sát mọi lúc, mọi nơi.

4.2. Giá Trị Kinh Tế Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đầu tư vào hệ thống tự động hóa giúp giảm chi phí vận hành dài hạn, tăng hiệu suất kho lên 60%. Giảm nhân công và sai sót trong quản lý mang lại tiết kiệm chi phí đáng kể. Nâng cao chất lượng dịch vụ với độ chính xác cao tạo lợi thế cạnh tranh. Hệ thống có thể mở rộng để áp dụng cho nhiều loại kho, đa ngành công nghiệp, từ thương mại điện tử đến sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: XÂY DỰNG PHẦN CỨNG Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 2 Đồ án tốt nghiệp Chương 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3 Đồ án tốt nghiệp Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung về cẩu trục 2.1 Khái niệm Cẩu trục là loại thiết bị dùng để nâng, hạ, di chuyển hàng hóa trong nhà xưởng một cách đảm bảo. Cẩu trục rất tiện dụng và có hi ệu quả cao đối với quá trình bốc xếp hàng hóa. C ẩu trục có sức nâng từ 1 đến 500 tấn được vận hành chủ yếu bằng động cơ điện nên được sử dụng rộng rãi trong các c ảng biển, nhà máy s ản xuất công nghiệp.1 Theo công dụng - Cẩu trục có công d ụng chung: chủ yếu dùng v ới móc teo để xếp dỡ, di chuyển lắp ráp và sửa chữa máy móc. - Cẩu trục chuyên dùng : được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng và ch ế độ làm việc rất nặng.2 Theo cách dẫn động các cơ cấu - Cẩu trục dẫn động bằng tay: các cơ cấu được dẫn động bằng hệ thống tời kéo tay (hệ thống đĩa xích kéo tay…).

- Cẩu trục dẫn động bằng điện: các cơ cấu được dẫn động bằng động cơ điện (Palang…).3 Theo kiểu dáng kết cấu dầm - Cẩu trục dầm đơn: Dầm cầu của cẩu trục một dầm thường là dầm chữ I hoặc là dầm tổ hợp với các dầm thép tăng cứng cho dầm, cẩu trục một dầm thường dùng pa lăng điện chạy dọc theo dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển pa lăng.1 Cẩu trục dầm đơn 4 Đồ án tốt nghiệp - Cẩu trục dầm kép: có c ấu tạo kiểu dầm đôi (2 dầm), pa lăng di chuyển bên trên dầm chính (bò phía trên). Có s ức nâng từ 2 tấn đến 100 tấn hoặc hơn nữa, tùy theo nhu cầu sử dụng. Cẩu trục dầm đôi có kết cấu vững chắc, hoạt động bền bỉ, phù h ợp với các công vi ệc có t ần suất làm việc nặng.2 Cẩu trục dầm đôi - Cẩu trục dầm hộp: có ph ạm vị hoạt động rộng, cơ động cao có th ể di chuyển vật dễ hơn trong không gian chật hẹp. Có s ức nâng lớn, khẩu độ lớn, khả năng chịu lực tốt, độ bền cao.

- Cẩu trục dầm giàn: thường dùng đối với kết cấu kim loại máy trục có chi ều dài lớn, chịu tải trọng nhỏ, loại này có hình dạng giống hình xương cá, loại này có nhược điểm: độ bền của dàn thấp, mất nhiều thời gian chế tạo, yêu cầu công nghệ chế tạo cao do không th ể hàn tự động. Đây là một loại cẩu trục có không gian phức tạp, gồm một giàn chính và hai giàn phụ, hai dàn trên và hai d àn dưới, có hai d ầm cuối và các thanh xiên, ngoài ra còn có thêm bu ồng lái, tay vịn, cầu thang… 5 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.3 Cẩu trục đôi dạng giàn không gian 2.4 Theo cách tựa của dầm cầu lên đường ray di chuyển của cẩu trục - Cẩu trục tựa (cẩu trục tường): Cẩu trục tường hay gọi là là c ẩu tường, cẩu cột được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà x ưởng, kho bãi,… Góc quay của cẩu trục phụ thuộc vào mục đích sử dụng, góc quay l ớn nhất đến 270 độ. Đặc điểm của loại cẩu này là có thân g ắn cố định với cột nhà xưởng hoặc toàn bộ hệ khung cẩu tường chạy áp sát v ới một mé nhà, phía trên thân là h ệ thống quay và hệ thống tay với và pa lăng di động nâng hạ di chuyển tải.4 Cẩu trục tường - Cẩu trục treo: được sử dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghi ệp, đặc biệt là trong các nhà máy s ản xuất thép, trong các nhà xưởng, kho chứa 6 Đồ án tốt nghiệp hàng bị giới hạn chiều cao nóc nhà xưởng hoặc xưởng với hệ khung kết cấu nhỏ.5 Cẩu trục dầm treo 2.5 Theo cách bố trí cơ cấu di chuyển cẩu trục - Cẩu trục dẫn động riêng. - Cẩu trục dẫn động chung.6 Theo phạm vị phục vụ Hiện cách phân loại này rất đa dạng nó được gọi tên theo mục đích cẩu hàng như: - Cẩu trục cho cầu cảng: với sức nâng hàng hóa l ớn.

- Cẩu trục phòng n ổ: cho các nhà máy gas, khí, hầm lò than… - Cẩu trục thủy điện: phục vụ quá trình vận hành và làm vi ệc khi lắp đặt sửa chữa thay thế tua bin máy phát, tr ạm nguồn… - Cẩu trục luyện kim: cầu trục làm việc trong các phân xưởng luyện kim có nhi ệt độ rất cao. - Cẩu trục gầu ngoạm: cẩu trục có móc c ẩu dạng gầu ngoạm chuyên dụng để bốc vật liệu rời (than, cát…). - Cẩu trục mâm từ: cẩu trục có móc c ẩu là các c ục nam châm điện chuyên dùng để bốc thép tấm,… 2.3 Các cơ cấu chính của cẩu trục 2.1 Pa lăng nâng hạ (Hoist) Là một bộ phận quan trọng nhất trong cấu tạo cẩu trục đóng vai trò trung tâm v ới chức năng nâng và hạ. Sức nâng của pa lăng quyết định sức nâng của cẩu trục.

Khi thiết kế cẩu trục, người ta luôn luôn phải xem xét đến các tham số kỹ thuật của pa lăng như: tốc độ nâng hạ, tốc độ di chuyển pa lăng, chiều cao nâng hạ, tự trọng của pa 7 Đồ án tốt nghiệp lăng…Ngoài ra, kích thước hình học của pa lăng cũng là một yếu tố quan trọng cần phải xem xét khi thiết kế cẩu trục. Tùy theo cấu tạo hay mục đích sử dụng người ta phân chia ra nhiều loại pa lăng khác nhau với tên gọi khác nhau. Tuy nhiên, ph ổ biến nhất pa lăng được chia thành pa lăng cáp điện, pa lăng xích điện và pa lăng xích kéo tay. Trong đó: - Pa lăng cáp điện là loại pa lăng chủ yếu được dùng v ới các loại cẩu trục có tải trọng từ 5 tấn trở lên.

Dựa vào cách phân chia c ẩu trục, người ta lại chia ra thành pa lăng cáp điện dầm đơn và pa lăng cáp điện dầm đôi. Mỗi loại có sức nâng (tải trọng) và ứng dụng khác nhau.6 Pa lăng cáp điện dầm đôi - Pa lăng xích điện : phổ biến ở các mức tải trọng nhỏ từ 500 đến dưới 5 tấn. Chiều cao nâng thường hạn chế từ 3m đến 12m do đặc điểm cấu tạo của pa lăng xích. Tuy nhiên, cũng có những loại pa lăng xích tải trọng đến 50 tấn, chiều cao nâng đến 20m được sản xuất và sử dụng.7 Pa lăng xích điện 8 Đồ án tốt nghiệp - Pa lăng xích kéo tay thường có t ải trọng thấp và chiều cao nâng ngắn, chuyên phục vụ các công vi ệc nâng hạ không thường xuyên.

Pa lăng kéo tay chủ yếu được ứng dụng trong công tác thi công, l ắp dựng và một số loại thiết bị cổng trục đẩy tay hay cẩu trục monorail.8 Pa lăng xích kéo tay 2.2 Dầm chính cẩu trục (Main girder) Có thi ết kế dạng hộp, dạng thép hình hay dạng giàn không gian, tùy vào t ải trọng và khẩu độ của cẩu trục cũng như tính sẵn có của nguyên vật liệu. Dầm chính cẩu trục là bộ phận quan trọng không kém so với pa lăng nâng hạ. Vì vậy, việc chế tạo dầm chính cẩu trục thường được kiểm soát rất chặt chẽ ở tất cả các công đoạn từ cắt tạo phôi, ghé ép đến hàn hoàn thi ện. Khi thiết kế, chế tạo dầm chính cẩu trục, chúng ta cần chú ý một số tham số quan trọng đó là : Độ võng t ối đa của dầm chính, khả năng chịu tải tối đa của dầm chính, độ thẳng của dầm chính và đảm bảo các kích thước hình học theo thiết kế.3 Cơ cấu di chuyển cẩu trục (dầm biên) (End carriage) Cấu tạo gồm có khung dầm biên, bánh xe di chuy ển và động cơ giảm tốc giúp di chuyển cẩu trục trên ray chạy.

Dầm biên liên k ết với dầm chính bằng mối nối pu lông. Dầm biên cẩu trục khi chế tạo cần phải đảm bảo độ đồng phẳng, độ thẳng của bánh xe di chuyển. - Khi chế tạo bánh xe, cần chú ý modul bánh răng, độ cứng bề mặt bánh xe cũng như đường kính bánh xe. - Động cơ giảm tốc (Động cơ di chuyển) thì cần chú ý thông s ố công su ất động cơ, tỷ số truyền và tốc độ đầu ra hộp số.

9 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.9 Cơ cấu dầm biên cẩu trục 2.4 Hệ thống cấp điện (Electrical component) Hệ thống cấp điện trong cẩu trục bao gồm hệ cấp điện động lực và hệ điện điều khiển được thiết kế đặc biệt, phù h ợp với từng loại cẩu trục riêng biệt. Giá thành hệ thống cấp điện phụ thuộc vào khẩu độ cẩu trục và chiều dài nhà xưởng.5 Tủ điện và các thiết bị an toàn khác (Electric panel and other safety device) Đóng vai trò là bộ não điều khiển cẩu trục. Là nơi cung cấp mệnh lệnh đóng, mở, nâng hạ cẩu trục, di chuyển hay đứng lại. Tủ điện cẩu trục được tích hợp từ nhiều linh phụ kiện của các hãng cung cấp khác nhau do đó cần phải lựa chọn những nhà sản xuất uy tín trên thị trường, tránh gặp phải hàng nhái, hàng kém ch ất lượng.4 Phương pháp điều khiển cẩu trục 2.1 Điều khiển cẩu trục bằng tay bấm có dây (Push pendant button) Đây là kiểu điều khiển phổ biến đối với các loại cẩu trục trang bị trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, nhà kho, bến bãi có kho ảng không rộng, không bị hạn chế không gian di chuy ển đối với cán bộ vận hành.

Nó ph ổ biến cũng một phần vì hầu hết các nhà s ản xuất pa lăng (thiết bị chính của cẩu trục) đều cung cấp tay bấm điều khiển dây đồng bộ với thiết bị. Số lượng nút b ấm, chiều dài dây điều khiển và các ch ức năng an toàn như nút dừng khẩn cấp, nút tắt nguồn là các ch ức năng không thể thiếu trên tay cầm điều khiển. Khi mua cẩu trục, căn cứ vào tốc độ nâng hạ, di chuyển của cẩu trục sẽ chọn loại tay bấm điều khiển phù h ợp như : tay bấm 1 tốc độ, 2 tốc độ, 6 nút hay 8 nút b ấm. 10 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.10 Tay bấm điều khiển cẩu trục có dây 2.2 Điều khiển cẩu trục từ cabin (Cabinet Control) Chủ yếu được trang bị cho các sản phẩm cẩu trục có tải trọng lớn, tần suất làm việc nhiều.

Đôi khi với các nhà xưởng bị hạn chế không gian di chuyển của cán bộ vận hành thì cabin điều khiển là lựa chọn tối ưu nhất.