Mô hình điều khiển cẩu trục bằng thiết bị thu phát sóng không dây và PLC - Đồ án HUTECH

Khám phá mô hình điều khiển cẩu trục bằng PLC và thiết bị không dây. Đồ án ứng dụng Webserver và biến tần để vận hành từ xa, nâng cao an toàn lao động.

• Tác giả: Trần Quang Khải
• Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Nguyễn Vạn Quốc
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Mô hình điều khiển cẩu trục bằng thiết bị thu phát sóng không dây và PLC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển cẩu trục từ xa

Hệ thống điều khiển cẩu trục từ xa bằng PLC và sóng không dây đại diện cho một bước tiến vượt bậc trong công nghệ tự động hóa công nghiệp hiện đại. Giải pháp này kết hợp PLC Mitsubishi Q04UDEHCPU, phần mềm Webserver và Kepserver liên kết với router wifi để tạo nên một hệ thống điều khiển an toàn, hiệu quả. Thay đổi từ cách vận hành trực tiếp sang vận hành gián tiếp qua phần mềm giúp nâng cao tính an toàn trong môi trường làm việc. Mô hình này cho phép thực hiện các chức năng nâng hạ, di chuyển dầm chính và di chuyển cẩu một cách linh hoạt, đáp ứng nhu cầu của các nhà máy, kho xưởng hiện đại.

1.1. Khái niệm và ứng dụng thực tế

Điều khiển cẩu trục từ xa là công nghệ cho phép người vận hành kiểm soát các hoạt động của cẩu từ vị trí an toàn, cách xa khỏi khu vực nguy hiểm. Ứng dụng thực tế bao gồm các nhà máy sản xuất, cảng biển, kho xưởng logistics. Hệ thống sử dụng sóng không dây để truyền tín hiệu điều khiển, giảm thiểu nguy hiểm từ dây cáp vật lý truyền thống.

1.2. Lợi ích của giải pháp PLC và sóng không dây

Giải pháp PLC kết hợp sóng không dây mang lại nhiều lợi ích: tăng độ an toàn, giảm chi phí bảo trì dây cấp, linh hoạt trong bố trí không gian, dễ dàng mở rộng hệ thống. Webserver cho phép giám sát từ xa, quản lý thông số hoạt động theo thời gian thực.

II. Cấu trúc và thành phần chính của hệ thống

Hệ thống điều khiển cẩu trục bao gồm các thành phần cơ bản: PLC Mitsubishi đóng vai trò xử lý tín hiệu, biến tần điều khiển tốc độ động cơ, bộ thu phát sóng không dây truyền tín hiệu điều khiển, router wifi kết nối mạng. Mô hình vật lý bao gồm dầm chính, chân cẩu, pa lăng nâng hạ, bánh xe chuyển động, móc nâng và động cơ điện. Phần mềm Kepserver hoạt động như cầu nối giữa Webserver và PLC, cho phép truyền dữ liệu các thông số điều khiển. Cấu trúc phân tầng này đảm bảo sự độc lập giữa các bộ phận, dễ dàng bảo trì và nâng cấp hệ thống trong tương lai.

2.1. Vai trò của PLC trong hệ thống

PLC Mitsubishi Q04UDEHCPU là bộ não của hệ thống, xử lý các tín hiệu đầu vào từ bộ thu sóng không dây, sau đó gửi lệnh điều khiển đến biến tần. PLC thực hiện các logic điều khiển phức tạp, quản lý trạng thái hoạt động của cẩu, đảm bảo tuân thủ các quy tắc an toàn lập trình.

2.2. Chức năng của Webserver và Kepserver

Webserver cung cấp giao diện người dùng cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua trình duyệt web. Kepserver hoạt động như gateway chuyển đổi giao thức, kết nối Webserver với PLC thông qua wifi router, cho phép truyền tải dữ liệu theo thời gian thực.

III. Quy trình điều khiển và cơ chế hoạt động

Quy trình điều khiển cẩu trục bắt đầu khi người vận hành gửi lệnh từ thiết bị điều khiển không dây hoặc giao diện Webserver. Tín hiệu được gửi đến bộ thu sóng không dây, sau đó PLC nhận và xử lý lệnh này. Dựa trên chương trình logic được lập sẵn, PLC gửi lệnh đến biến tần, điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ điện. Hệ thống này hỗ trợ ba chế độ hoạt động chính: nâng hạ tải trọng, di chuyển dầm chính theo chiều dọc, di chuyển mô hình cẩu theo chiều ngang. Mỗi lệnh đều được xác nhận bằng phản hồi trạng thái gửi về Webserver, cho phép giám sát liên tục.

3.1. Các chế độ vận hành chính

Hệ thống hỗ trợ ba chế độ: (1) Nâng hạ tải trọng bằng pa lăng điều khiển bởi động cơ, (2) Di chuyển dầm chính theo chiều dài cẩu, (3) Di chuyển cẩu theo chiều rộng. Mỗi chế độ có tốc độ điều khiển riêng, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.

3.2. Cơ chế bảo vệ an toàn trong quá trình vận hành

Hệ thống tích hợp nhiều tính năng bảo vệ: giới hạn quá tải, tự động dừng khi vượt tải, cảnh báo lỗi khi mất tín hiệu không dây, khóa an toàn chặn hoạt động khi phát hiện bất thường. Chương trình PLC liên tục kiểm tra các cảm biến giới hạn, đảm bảo cẩu không vượt quá giới hạn an toàn.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn của giải pháp

Đề tài điều khiển cẩu trục bằng PLC và sóng không dây đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc nâng cấp công nghệ điều khiển cẩu công nghiệp. Mô hình thử nghiệm chứng minh khả năng điều khiển ổn định từ khoảng cách xa, độ chính xác cao trong định vị tải trọng, tính tin cậy của hệ thống thông tin liên lạc không dây. Giải pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong các cảng biển, nhà máy sản xuất ôtô, kho xưởng logistics tự động hóa. Tiềm năng phát triển bao gồm tích hợp AI để tối ưu hóa lộ trình, thêm camera giám sát để quan sát khu vực làm việc, kết nối với hệ thống quản lý kho hiện đại.

4.1. Kết quả đạt được từ thực nghiệm

Mô hình đã hoạt động ổn định trong các bài kiểm tra, đạt độ chính xác định vị lên đến 99%, thời gian phản ứng dưới 100ms. Tín hiệu sóng không dây ổn định trong khoảng 50-100 mét, không có mất tín hiệu trong điều kiện làm việc thông thường. Hệ thống Webserver giám sát được cập nhật trạng thái mỗi giây.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng trong tương lai

Hướng phát triển bao gồm tích hợp machine learning cho điều khiển tự động tối ưu, thêm cảm biến thị giác để nhận diện tải trọng, kết nối với IoT platform để quản lý bfleet cẩu. Có thể mở rộng sang điều khiển nhiều cẩu đồng thời từ một trạm điều khiển tập trung.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết do đó máy móc càng được sử dụng rộng rãi và với mức độ càng ngày càng hiện đại hơn trong đó bộ phận máy thiết bị nâng và xếp đỡ đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất và trong vận chuyển hàng hóa, thiết bị nâng đã góp phần làm giải phóng sức lao động tăng nhanh năng suất lao động tạo điều kiện cho xí nghiệp đầu tư vào việc cải tiến công nghệ và đưa công nghệ mới vào quá trình sản xuất. Cẩu trục là thiết bị nâng được sử dụng rộng rãi trong các công xưởng do nó chiếm ưu điểm và có kết cấu nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng. Cẩu trục được sử dụng trong xây dựng công trình công nghiệp, trong các nhà máy luyện kim, trong các nhà máy cơ khí và trong cảng biển … Đặc biệt trong các nhà máy cơ khí, nhóm thiết bị cẩu trục đóng vai trò rất rất quan trọng, đóng góp lớn vào việc quyết định năng suất và hiệu quả kinh doanh. Nhưng gắn liền với việc sử dụng cẩu trục, là quá trình điều khiển kết hợp giữa các cơ cấu sao cho đạt được hiệu quả sản xuất là cao nhất.

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, nhóm thiết bị này ngày càng được hoàn thiện, có tính năng ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn hiệu quả. Để điều khiển cẩu trục cần có người đứng bên dưới hoặc ở cạnh để vận hành và giám sát, khi làm việc ở trong môi trường độc hại hay ở các lò luyện kim, lò nung… nếu như người vận hành đứng gần sẽ rất nguy hiểm. Vì vấn đề an toàn phương án điều khiển cẩu trục bằng thiết bị thu phát sóng không dây là giải pháp tối ưu cho vấn đề này. Xuất phát từ những vấn đề trên nhóm em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế mô hình Điều khiển cẩu trục bằng thiết bị thu phát sóng không dây.

Vì thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi thiếu sót mong Quý Thầy Cô thông cảm, em mọng nhận được ý kiến từ Quý Thầy Cô và các bạn để hoàn thiện và phát triển đề tài. 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CẨU TRỤC. Tình hình nghiên cứu. Ở Việt Nam có rất nhiều loại cẩu trục như: - Cẩu trục dầm đôi 10 tấn khẩu độ 5m.1: Cẩu trục chân đê.

(Nguồn: Internet) - Cẩu trục dầm đôi 10 tấn khẩu độ 24m.2: Cẩu trục nhà xưởng. (Nguồn: Internet) 2 - Cẩu trục dầm đơn 3 tấn khẩu độ 21m.3: Cẩu trục dầm đơn. (Nguồn: Internet) - Cẩu trục dầm đôi 16 tấn khẩu độ 40m.4: Cẩu trục dầm đôi. (Nguồn: Internet) 3 Cẩu trục (hay còn gọi là cẩu trục công nghiệp, cẩu trục), được sử dụng để di chuyển vật nặng hoặc cồng kềnh phía trên nhà xưởng thay vì di chuyển theo lối đi trên sàn nhà là thiết bị có khả năng nâng lên, hạ xuống và di chuyển vật nặng từ nơi này sang nơi khác.

Mục đích nghiên cứu. Mục đích thiết kế hệ thống điều khiển cẩu trục không bằng thiết bị thu phát sóng không dây và PLC nhằm giải quyết vấn đề: - Năng suất sử dụng cao. - Sử dụng được ở nhiều môi trường làm việc nhiều mục đích khác nhau. - Người vận hành có thể giám sát và điều khiển, cài đặt được từ xa các thông số hoạt động của cẩu trục mà không phải đứng gần.

- Thiết bị điều khiển cẩu trục độc lập từ xa với cẩu trục. - Điều khiển bằng 3 cách: Nút nhấn, HMI, điều khiển độc lập không dây từ xa, để đảm bảo vận hành không gián đoạn khi một trong 3 phương thức bị lỗi. - Hiển thị được các lỗi hoạt động của biến tần ở các giao diện điều khiển. - Kết hợp PLC điều khiển và giám sát nhiều biến tần, khi biến tần điều khiển động cơ trong một hệ thống PLC truyền thông CC-Link với biến tần.

- Có khả năng nâng lên, hạ xuống và di chuyển vật nặng từ nơi này sang nơi khác tuỳ theo người sử dụng. - Có công tắc hành trình để đảm bảo an toàn khi vận hành. - Đạt được tính kinh tế cao: Sau khi chế tạo và các chi phí hoạt động tối ưu nhất. - Kích thước sau khi thiết kế nhỏ gọn mà vẫn dảm bảo được các tính năng của nó.

- Sử dụng đơn giản, làm việc có độ tin cậy cao, ít hỏng hóc và bị sự cố. - Đảm bảo được việc bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng trong những trường hợp cần thiết. - Thiết bị đạt được tuổi bền cao. Nhiệm vụ nghiên cứu.

Tìm hiểu thực tế. - Tìm hiểu và tóm tắt các loại cẩu trục hiện nay. - Tìm hiểu các cách thức điều khiển và cách vận hành của cẩu trục. - Tìm hiểu độ nâng tải trọng và di chuyển của cẩu trục.

- Tìm hiểu các cơ cấu của cẩu trục. Đề xuất giải pháp sử dụng trong đồ án tốt nghiệp. - Mô tả thiết kế, cấu hình của giải pháp lựa chọn, các thiết bị chính của giải pháp lựa chọn, các phương pháp điều khiển, cách vận hành của mô hình. - Mô tả chức năng bảo vệ, vận hành, các phương pháp điều khiển, cách vận hành của mô hình.

Thiết kế và thi công mô hình. - Thiết kế, thi công khung mô hình thu nhỏ, thi công phần cứng và phần mềm điều khiển cẩu trục bằng thiết bị thu phát sóng không dây và PLC. Phương pháp nghiên cứu. - Tham khảo sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn thực hiện đồ án.

- Tham khảo các phương pháp thực hiện trên các trang web của Google. - Tham khảo từ thực tế. Kết quả đạt được của đề tài. Mô hình cẩu trục sẽ có các chức năng.

- Điều khiển bằng 3 cách: Nút nhấn, HMI, điều khiển không dây độc lập từ xa. - Dùng PLC điều khiển và giám sát nhiều biến tần, khi biến tần điều khiển động cơ trong một hệ thống PLC truyền thông CC-Link với biến tần. - Hệ thống nhận được lỗi của biến tần và tự động cảnh báo. - Giao diện phần mềm điều khiển riêng.

Ứng dụng của đề tài. Cẩu trục được sử dụng phổ biến để di chuyển nguyên vật liệu phục vụ sản xuất, lưu kho hàng hóa, bốc xếp hàng hóa trong nhà xưởng, phục vụ kho bãi ngoài trời, phục vụ tại các ga tàu hoặc bến cảng. Hiện nay, cẩu trục được ứng dụng trong nhiều không gian khác nhau điển hình nhất là trong các môi trường đó là: - Khu vực kho bãi lắp đặt cẩu trục để tiến hành vận chuyển hàng xuất kho hoặc là nhập kho tiết kiệm thời gian tối đa. - Trong các nhà máy, nhà xưởng công nghiệp lắp cẩu trục để di chuyển các bộ phận trong hệ thống dây chuyền sản xuất một cách hiện đại nhất.

- Cẩu trục cũng được ứng dụng để nâng giữ các chi tiết trong quá trình sản xuất cũng như hỗ trợ nâng hạ hàng hóa từ dây chuyển lên các phương tiện vận tải. Nhiệm vụ cần thực hiện. - Thiết kế thi công cơ khí mô hình cẩu trục. - Thiết kế thi công tủ điện.

- Thiết kế thi công hệ thống điện. - Đấu nối đi dây điện. - Tính toán lựa chọn thiết bị. - Cấu hình và viết chương trình để kết nối với PLC bằng phần mềm GX Works2.

- Cấu hình và tạo giao diện màn hình HMI bằng phần mềm GT Designer 3. - Cấu hình cho KEPServerEX để kết nối với PLC và đưa dữ liệu từ PLC vào IOT. - Viết chương trình code và tạo giao diện điều khiển Webserver đưa dữ liệu từ IOT lên webserver bằng phần mềm Visual Studio Code. - Cấu hình địa chỉ IP cho router wifi.

- Cấu hình lại địa chỉ IP của laptop. - Cài đặt các thông số biến tần. - Kết nối router wifi với PLC. 6 - Kết nối Webserver với PLC.

- Sữa lỗi và đánh giá tính ổn định của mô hình. Phạm vi giới hạn của đồ án. - Cẩu trục dầm đơn cho nhà xưởng và ngoài trời. Bố cục và thời gian thực hiện.

Đề tài gồm 6 chương bao gồm: Chương 1: Giới thiệu hệ thống cẩu trục. Chương 2: Tổng quan giải pháp về mô hình điều khiển cẩu trục không dây. Chương 3: Phương pháp giải quyết mô hình điều khiển cẩu trục không dây Chương 4: Quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm. Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm và mô phỏng.

Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận. 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CẨU TRỤC KHÔNG DÂY. Giải pháp cẩu trục 2. Giải pháp cẩu trục dầm đơn có bánh xe di chuyển dưới chân dầm.

- Cấu tạo: Bao gồm các bộ phận như: dầm chính, chân cẩu, pa lăng (tời) nâng hạ được tổ hợp với nhau thành chiếc cẩu di động. Dầm chính của cẩu trục được làm từ thép hình chữ I hoặc từ thép tổ hợp tạo hình chữ I, hai đầu dầm chính có bản mã, được khoan lỗ bu lông ở bốn góc. Chân cẩu trục được làm từ thép hình (ví dụ như C chập) hoặc C gấp, mặt cắt sau khi tạo hình dạng hộp. Dưới chân cẩu là dầm biên (dầm đầu) là 2 bánh xe mỗi bên được gắn vào động cơ.

Dưới dầm biên của cẩu trục di chuyển bằng tay là các bánh xe chịu tải, Thiết bị tời nâng hạ (palang xích tay, palang xích điện, palang cáp điện) được treo và di chuyển dưới dầm chính của cẩu trục. Dùng palang điện còn hệ thống điện ngang, tủ điện cung cấp điện cho palang.1: Cẩu trục chữ A được thiết kế theo dạng trụ tam giác có bánh xe di chuyển dưới chân dầm. (Nguồn: Internet) 8 - Nguyên lý hoạt động: Cẩu trục có thể di chuyển vật theo 3 hướng trong không gian: • Phương thẳng đứng nhờ bộ phận nâng gồm: móc treo, dây cáp, phanh, hộp giảm tốc và động cơ. Chúng được đặt trên xe con.

• Phương ngang theo ray dẫn hướng xe con: Cụm xe con được đặt trên thanh ray dẫn hướng, thanh ray bố trí trên dầm chính có động cơ để truyền động và 2 đầu có thể bố trí công tắc hành trình để giới hạn vùng làm việc an toàn. • Phương dọc theo bánh xe: Được bố trí 2 động cơ mỗi bên truyền động bánh xe di chuyển cẩu trục. Cẩu trục có những ưu điểm hạn chế sau.