Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ điều khiển – tự động" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thọ Nam, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (mã ngành 7510303), Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp, dưới sự hướng dẫn của Th.S Phạm Văn Huy vào tháng 11 năm 2021. Mặc dù trang bìa văn bản ghi tên đề tài là "Điều khiển hệ thống máy khoan", nhưng toàn bộ nội dung nhiệm vụ nghiên cứu (Đề số 11), Lời nói đầu và 5 chương nội dung chuyên môn đều tập trung giải quyết bài toán: "Điều khiển 2 động cơ ba pha không đồng bộ roto lồng sóc" ứng dụng trong công nghệ cầu trục vận chuyển và rải liệu công nghiệp.

Về bối cảnh thực tiễn, cầu trục rải liệu là thiết bị cơ điện giữ vai trò quan trọng trong việc nâng bốc, vận chuyển nguyên vật liệu rời (than, cát, phôi liệu) tại các nhà máy luyện kim, phân xưởng cơ khí, công trường xây dựng và bến cảng. Hệ thống truyền động của cầu trục đòi hỏi di chuyển linh hoạt theo hai phương (phương ngang và phương thẳng đứng). Đặc thù làm việc của hệ truyền động cầu trục là chế độ ngắn hạn lặp lại, tần số đóng cắt đảo chiều cao, dòng mở máy lớn và dễ xảy ra quá tải. Do đó, việc ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) thay thế cho các mạch rơ-le cơ khí truyền thống là yêu cầu kỹ thuật cần thiết nhằm nâng cao độ tin cậy, mức độ an toàn và năng suất vận hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo Đề số 11 gồm 3 nhiệm vụ chính:

  1. Tổng hợp mạch điện điều khiển cho công nghệ chuyển động theo chu trình cho trước bằng phương pháp hàm tác động.
  2. Lập trình hệ thống điều khiển công nghệ bằng ngôn ngữ lập trình của PLC Siemens S7-1200.
  3. Thiết kế giao diện giám sát, vận hành hệ thống thông qua phần mềm WinCC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tuần tự cho 2 động cơ ba pha không đồng bộ roto lồng sóc điều khiển hai cơ cấu chuyển động gồm Lên – Xuống (L – X) và Phải – Trái (P – T), kết hợp hệ thống 6 công tắc hành trình (A, B, C, D, E, F).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển; tính toán lựa chọn khí cụ điện hạ áp; tổng hợp thuật toán logic bằng phương pháp hàm tác động; xây dựng chương trình điều khiển và kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm TIA Portal và WinCC RT Professional. Đồ án không bao gồm việc chế tạo và chạy thử nghiệm trên mô hình cơ khí phần cứng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng trong đồ án:

  • Lý thuyết truyền động điện và máy điện không đồng bộ: Nghiên cứu nguyên lý làm việc của động cơ ba pha không đồng bộ roto lồng sóc hạ áp, các chế độ quá độ khi mở máy, đảo chiều quay và các giải pháp bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch và điện áp cực tiểu.
  • Cơ sở lý thuyết tổng hợp mạch logic tuần tự theo phương pháp hàm tác động (Action Function Method): Phương pháp sử dụng chuỗi sự kiện thời gian logic để biểu diễn chu trình làm việc của các phần tử chấp hành thông qua các toán tử chuyển mạch đóng (+) và cắt (-).
  • Khung điều khiển tự động hóa tích hợp Siemens TIA Portal: Ứng dụng cấu trúc điều khiển của dòng PLC SIMATIC S7-1200 và hệ thống giám sát giao diện người – máy HMI/SCADA trên nền Simatic WinCC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã sử dụng:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp logic: Phân tích sơ đồ công nghệ, xác định chu kỳ hoạt động của từng chuyển động, thành lập phương trình hàm đóng $f_đ$ và hàm cắt $f_c$ cho từng phần tử chấp hành. Đặc biệt, phương pháp này được tác giả dùng để giải quyết hiện tượng trùng tín hiệu cảm biến (công tắc hành trình tác động nhiều lần trong một chu kỳ) bằng cách đưa vào các biến trạng thái trung gian.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật điện công nghiệp: Áp dụng các công thức kinh nghiệm để chọn lựa thiết bị đóng cắt và bảo vệ mạch động lực (Aptomat, cầu chì, contactor, rơ-le nhiệt) dựa trên dòng định mức và hệ số quá tải mở máy của động cơ.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng công cụ S7-PLCSIM kết hợp WinCC Runtime Professional để mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển ở cả hai chế độ: Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual).

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu quy trình công nghệ và sơ đồ nguyên lý chu trình từ Đề số 11 do Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện giao phó.
  • Dữ liệu thông số kỹ thuật động cơ điện từ danh mục sản phẩm của Công ty Chế tạo máy Việt Nam – Hungari (VIHEM).
  • Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật phần cứng, tập lệnh lập trình và cấu hình truyền thông PROFINET của dòng PLC S7-1200 từ hãng Siemens.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được xây dựng trên cơ sở phân định rõ hai phần: phần cứng điện động lực/điều khiển và phần mềm lập trình giám sát.

Cấu hình phần cứng và phân bổ vào/ra (I/O)

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình trung tâm PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (mã hiệu 6ES7 214-1BG40-0XB0). CPU này tích hợp sẵn cổng truyền thông PROFINET, ngõ vào/ra số và ngõ vào analog. Tín hiệu từ các công tắc hành trình và nút ấn được đưa về đầu vào số của PLC, ngõ ra rơ-le kích hoạt các cuộn hút của contactor điều khiển đảo chiều hai động cơ điện.

Bảng phân bổ địa chỉ tín hiệu vào/ra và các biến nhớ nội bộ được tác giả thiết lập trong TIA Portal như sau:

Tên thiết bị / Chức năng Ký hiệu địa chỉ PLC Loại biến / Ghi chú
Công tắc hành trình A I0.0 Đầu vào số vật lý (DI)
Công tắc hành trình B I0.1 Đầu vào số vật lý (DI)
Công tắc hành trình C I0.2 Đầu vào số vật lý (DI)
Công tắc hành trình D I0.3 Đầu vào số vật lý (DI)
Công tắc hành trình E I0.4 Đầu vào số vật lý (DI)
Công tắc hành trình F I0.6 Đầu vào số vật lý (DI)
Nút ấn chuyển động xuống I1.7 Đầu vào số vật lý (DI)
Nút ấn chuyển động sang phải I1.0 Đầu vào số vật lý (DI)
Nút ấn chuyển động sang trái I1.1 Đầu vào số vật lý (DI)
Cuộn dây điều khiển chiều Lên Q0.2 Đầu ra số điều khiển (DQ)
Biến trung gian y M0.0 Biến nhớ nội bộ phân biệt CTHT B
Biến trung gian z M0.5 Biến nhớ nội bộ phân biệt CTHT C
Lệnh chuyển động đi xuống lần 2 M0.2 Biến cờ nhớ chu trình
Công tắc hành trình A mô phỏng M1.5 Biến giao diện HMI
Công tắc hành trình B mô phỏng M1.6 Biến giao diện HMI
Công tắc hành trình C mô phỏng M1.7 Biến giao diện HMI
Công tắc hành trình D mô phỏng M2.0 Biến giao diện HMI
Công tắc hành trình E mô phỏng M2.1 Biến giao diện HMI
Công tắc hành trình F mô phỏng M2.2 Biến giao diện HMI
Nút nhấn điều khiển sang phải HMI M5.3 Biến giao diện HMI
Nút nhấn điều khiển sang trái HMI M5.3 / M5.4 Biến giao diện HMI

Kiến trúc chương trình điều khiển PLC

Chương trình điều khiển được viết trong khối hàm tổ chức chính Main (OB1), bao gồm 22 Network thực hiện các nhóm chức năng logic tuần tự:

  • Khối điều khiển chung và lựa chọn chế độ: Network 1 lập trình nút Start/Stop; Network 2 xử lý cờ chuyển đổi giữa hai chế độ Manual và Auto.
  • Khối điều khiển các chuyển động: Network 3, 4, 5 lần lượt xử lý các hành trình đi lên lần 1, lần 2 và lần 3; Network 6 tổng hợp điều kiện kích hoạt ngõ ra chuyển động Lên; Network 7 xử lý chuyển động sang Phải; Network 8, 9, 10 lần lượt xử lý các hành trình đi xuống lần 1, lần 2 và lần 3; Network 11 tổng hợp điều kiện kích hoạt chuyển động Xuống; Network 12 xử lý chuyển động sang Trái.
  • Khối khởi tạo biến trung gian: Network 13 và Network 14 xử lý thuật toán tạo và duy trì biến trung gian Y và Z nhằm phân biệt các lần tác động trùng lặp của công tắc hành trình B và C.
  • Khối mô phỏng chế độ Auto: Network 15 cài đặt bộ định thì (Timer) tạo nhịp thời gian chuyển bước; Network 16 đến Network 21 tạo tín hiệu tác động tuần tự giả lập cho 6 công tắc hành trình A, B, C, D, E, F theo đúng tiến trình công nghệ.
  • Khối mô phỏng chế độ Manual: Network 22 xử lý tín hiệu can thiệp trực tiếp từ các nút nhấn độc lập trên giao diện HMI.

Thiết kế giao diện giám sát HMI và kết nối mô phỏng

Trên giao diện TIA Portal, tác giả tạo một trạm giám sát dạng PC Systems với ứng dụng SIMATIC HMI WinCC RT Professional. Truyền thông giữa PLC S7-1200 và WinCC được thiết lập qua giao thức mạng PROFINET (giao diện IE General). Màn hình điều khiển chính (Screen 1) được bố trí các nút ấn ảo (Start, Stop, chuyển Auto/Manual, các nút điều khiển hướng chuyển động) và các biểu tượng đèn báo trạng thái hoạt động của động cơ cùng vị trí tác động của từng công tắc hành trình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu công nghệ cầu trục và nguyên lý hoạt động

Chương này tổng quan về chức năng, phân loại và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cầu trục rải liệu trong công nghiệp. Tác giả nêu rõ các yêu cầu công nghệ đặc thù: điện áp lưới cấp cho cầu trục không quá 500V (thường dùng mạng 380V hoặc 220V), hệ thống phải có bảo vệ quá tải, ngắn mạch, bảo vệ điện áp cực tiểu để tránh tự khởi động khi nguồn phục hồi, và bắt buộc phải trang bị phanh hãm điện từ để khóa cứng cơ cấu khi mất điện hoặc dừng động cơ.

Văn bản mô tả nguyên lý chuyển động của hệ thống theo sơ đồ công nghệ chu trình tuần hoàn:

  1. Nhấn nút khởi động (tín hiệu m): Cơ cấu thực hiện chuyển động Lên (L) lần 1 đến khi chạm công tắc hành trình B.
  2. CTHT B tác động: Dừng chuyển động Lên, kích hoạt chuyển động sang Phải (P) đến khi chạm CTHT C.
  3. CTHT C tác động: Dừng chuyển động Phải, kích hoạt chuyển động Xuống (X) lần 1 đến khi chạm CTHT D.
  4. CTHT D tác động: Dừng chuyển động Xuống, kích hoạt chuyển động Lên (L) lần 2 đến khi chạm CTHT E.
  5. CTHT E tác động: Dừng chuyển động Lên, kích hoạt chuyển động Xuống (X) lần 2 đến khi chạm CTHT C lần thứ hai.
  6. CTHT C nhận tín hiệu lần 2: Kích hoạt chuyển động sang Trái (T) đến khi chạm CTHT B lần thứ hai.
  7. CTHT B nhận tín hiệu lần 2: Dừng chuyển động Trái, kích hoạt chuyển động Lên (L) lần 3 đến khi chạm CTHT F.
  8. CTHT F tác động: Dừng chuyển động Lên, kích hoạt chuyển động Xuống (X) lần 3 đến khi chạm CTHT A.
  9. CTHT A tác động: Kết thúc chu kỳ, tự động kích hoạt lại chuyển động Lên lần 1 để lặp lại chu trình.

Tác giả xác định vấn đề then chốt của bài toán là hai công tắc hành trình B và C bị tác động lặp lại 2 lần với các nhiệm vụ kích hoạt chuyển động khác nhau, đòi hỏi phải tìm giải pháp phân biệt trạng thái trong thuật toán điều khiển.

Chương II: Tính toán, lựa chọn thiết bị

Chương II tập trung vào việc tính toán, thuyết minh và lựa chọn các thiết bị phần cứng cho mạch động lực và mạch điều khiển:

  • Động cơ truyền động: Chọn 02 động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ roto lồng sóc do VIHEM sản xuất, kiểu 3K112M2, công suất định mức $P = 4\text{ kW}$ ($5,5\text{ HP}$), dòng điện định mức $I_{đm} = 7,9\text{ A}$.
  • Aptomat (khối đóng cắt và bảo vệ tổng): Áp dụng công thức tính dòng làm việc $I_{tt} = (1,2 \div 1,5) I_{đm}$. Với hệ số 1,4, tác giả tính ra dòng yêu cầu $I_{tt} = 1,4 \times 7,9 = 11,06\text{ A}$. Từ đó, lựa chọn Aptomat 3 pha có dòng định mức $I_{ap} = 16\text{ A}$, dòng cắt định mức $10\text{ kA}$.
  • Cầu chì: Tính chọn với hệ số tải $K_t = 1$, điều kiện dây chảy $I_d \ge I_{tt} = 1 \times 7,9 = 7,9\text{ A}$. Tác giả lựa chọn loại dây chảy định mức $8\text{ A}$.
  • Contactor và rơ-le nhiệt: Tính toán dòng chọn khí cụ theo công thức $I_{ct} = I_{RN} = 1,4 \times 7,9 = 11,06\text{ A}$. Tuy nhiên, trong phần thuyết minh kết quả lựa chọn cụ thể, văn bản ghi nhận việc chọn contactor và rơ-le nhiệt loại có dòng định mức $8\text{ A}$ (kèm dải điều chỉnh dòng làm việc thực tế).
  • Thiết bị mạch điều khiển: Lựa chọn khối PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY; rơ-le trung gian Omron MY2N-DC24 (dòng tiếp điểm 5A, điện áp cuộn hút 24VDC); và 06 công tắc hành trình cơ khí dạng gạt/nhấn đè.

Chương III: Tổng hợp mạch logic tuần tự và thiết kế hệ thống theo phương pháp hàm tác động

Tác giả trình bày phương pháp lý thuyết hàm tác động gồm 6 bước: (1) Phân tích tín hiệu vào/ra; (2) Xác định chu kỳ hoạt động của từng phần tử chấp hành; (3) Xác định hàm logic đóng $f_đ$ và hàm cắt $f_c$; (4) Kiểm tra tính đúng đắn và đưa biến phụ hiệu chỉnh nếu hàm đổi trị trong giai đoạn tác động; (5) Vẽ sơ đồ điều khiển; (6) Phân tích và hiệu chỉnh mạch.

Chuỗi tác động toàn hệ thống được biểu diễn dưới dạng hàm chu kỳ: $$F = (A - X) + L + (B - L) + P + (C - P) + X + (D - X) + L + (E - L) + X + (C - X) + T + (B - T) + L + (F - L) + X + (A - X) + L$$

Để xử lý hiện tượng trùng lặp của CTHT B và C, tác giả đặt biến trung gian:

  • Gọi biến trung gian cho CTHT B là $Y$. Trạng thái được quy ước: Khi gặp B lần 1 thì $Y$ chưa xuất hiện; khi gặp B lần 2 thì $Y$ đã xuất hiện. Suy ra $Y$ được kích hoạt xuất hiện từ thời điểm gặp C lần 1 và tự duy trì, sau đó bị xóa khi gặp F. Phương trình logic của biến $Y$ được xác lập:
    • Hàm đóng: $f_đ(Y) = C + y$
    • Hàm cắt: $f_c(Y) = F$
    • Hàm tác động điều khiển: $f(Y) = (C + y) \cdot \overline{B}$ (trong văn bản có sự kết hợp điều kiện cắt theo tiếp điểm).
  • Tương tự, một biến trung gian $Z$ được thiết lập để phân biệt các lần tác động của CTHT C giữa chu trình đi xuống lần 1 và chu trình rẽ trái.

Chương IV: Giới thiệu phần mềm TIA Portal và lập trình bài toán

Chương IV trình bày các bước thao tác trên phần mềm TIA Portal:

  1. Tạo dự án mới và cấu hình phần cứng: Chọn CPU SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (mã đặt hàng 6ES7 214-1BG40-0XB0).
  2. Khai báo danh sách biến (PLC Tags): Cấu hình địa chỉ vào/ra số và các vùng nhớ nội bộ (M).
  3. Soạn thảo chương trình điều khiển: Viết mã lệnh dạng sơ đồ tiếp điểm (Ladder Diagram - LAD) trong khối Main [OB1] gồm 22 Network như đã phân tích.
  4. Biên dịch và kiểm tra lỗi: Sử dụng tính năng Compile trên thanh công cụ. Kết quả biên dịch thông báo đạt "errors: 0; warnings: 0", xác nhận chương trình hợp lệ.
  5. Chạy mô phỏng: Kích hoạt phần mềm mô phỏng S7-PLCSIM, bật chế độ giám sát trực tuyến (Monitoring On/Off) và dùng tính năng Modify giá trị (0/1) để kiểm thử phản ứng logic của từng Network.

Chương V: Tiến hành chạy mô phỏng công nghệ cầu trục trên WinCC

Chương V hướng dẫn chi tiết quy trình xây dựng trạm SCADA giám sát:

  1. Thêm thiết bị mới (Add new device): Chọn mục PC systems, chọn cấu hình SIMATIC HMI application là WinCC RT Professional.
  2. Cấu hình phần cứng trạm PC: Mở bảng Hardware Catalog, chọn mục Communications modules, thêm card mạng PROFINET/Ethernet kiểu IE General.
  3. Thiết lập kết nối mạng: Chuyển sang chế độ xem mạng (Network view), kết nối cổng truyền thông giữa PLC CPU 1214C với trạm PC Systems; sau đó chuyển sang Connections để xác lập đường truyền thông logic.
  4. Thiết kế giao diện đồ họa: Tạo màn hình Screen 1, lấy các phần tử điều khiển (nút bấm, đèn chỉ thị) từ thư viện Elements và Basic Objects.
  5. Gán biến (Tag Binding): Kết nối thuộc tính động của các đối tượng đồ họa với bảng biến PLC Tags đã lập trình.
  6. Chạy Runtime mô phỏng: Kiểm tra khả năng tương tác điều khiển hai chế độ Manual và Auto trực tiếp trên giao diện màn hình máy tính.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Lập bảng tính toán và lựa chọn đầy đủ khí cụ điện hạ áp cho hệ thống truyền động 2 động cơ $4\text{ kW}$:
Thiết bị Chủng loại / Mã hiệu Thông số kỹ thuật lựa chọn
Động cơ điện VIHEM 3K112M2 $P = 4\text{ kW}$ ($5,5\text{ HP}$), $I_{đm} = 7,9\text{ A}$, 3 pha xoay chiều
Aptomat tổng Khí cụ đóng ngắt 3 pha $I_{đm} = 16\text{ A}$, dòng cắt ngắn mạch $10\text{ kA}$
Cầu chì bảo vệ Cầu chì hạ áp Dòng định mức dây chảy $I_d = 8\text{ A}$
Khởi động từ (Contactor) Đóng cắt hạ áp Dòng định mức $8\text{ A}$ (dòng tính toán $11,06\text{ A}$)
Rơ-le nhiệt Bảo vệ quá tải lưỡng kim Dòng định mức $8\text{ A}$ (có dải tinh chỉnh dòng)
Bộ điều khiển lập trình Siemens S7-1200 CPU 1214C Nguồn cấp AC, đầu vào DC, đầu ra Relay
Rơ-le trung gian Omron MY2N-DC24 Cuộn hút 24VDC, tiếp điểm 5A
  • Giải quyết triệt để bài toán trùng lặp tín hiệu cảm biến hành trình tại vị trí B và C thông qua việc thành lập hàm tác động có biến trung gian $Y$ và $Z$.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển PLC gồm 22 Network logic không có lỗi cú pháp (errors: 0, warnings: 0) và tích hợp thành công giao diện HMI giám sát trên nền WinCC RT Professional.

Đóng góp của đồ án:

  • Tổng hợp thành công một quy trình công nghệ điều khiển tuần tự phức tạp bằng phương pháp toán học giải tích logic (hàm tác động), giúp giảm thiểu số lượng rơ-le vật lý và tránh nhầm lẫn bước chuyển tiếp.
  • Cung cấp tài liệu hướng dẫn cụ thể về từng bước thao tác thực tế trên phần mềm TIA Portal: từ khởi tạo cấu hình phần cứng CPU 1214C, phân bổ Tag, lập trình LAD, kiểm thử PLCSIM cho đến kết nối truyền thông công nghiệp PROFINET với SCADA WinCC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Về tính nhất quán của tài liệu: Tồn tại sự thiếu đồng nhất giữa trang bìa ghi tên đề tài là "Điều khiển hệ thống máy khoan", trong khi toàn bộ nội dung nhiệm vụ, phân tích công nghệ và lập trình là hệ thống cầu trục rải liệu điều khiển 2 động cơ ba pha.
  • Về tính toán thiết bị: Có sự chênh lệch nhỏ giữa kết quả tính toán lý thuyết và thông số thiết bị lựa chọn; cụ thể, dòng tính toán cho contactor và rơ-le nhiệt là $I_{tt} = 11,06\text{ A}$, nhưng ở phần chốt danh mục tác giả lại ghi nhận chọn loại có dòng định mức $8\text{ A}$. Ngoài ra, bảng thông số động cơ ở Chương II bị khuyết một số trường dữ liệu (hiệu suất, $\cos\varphi$, khối lượng).
  • Về phạm vi thực nghiệm: Toàn bộ quá trình đánh giá và nghiệm thu giải pháp điều khiển mới dừng lại ở mức độ mô phỏng số thông qua phần mềm S7-PLCSIM và WinCC RT, chưa được kiểm chứng trên mô hình phần cứng thực tế hoặc tủ điện điều khiển công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tiến hành lắp ráp tủ điện điều khiển thực tế theo sơ đồ mạch đã thiết kế; tích hợp các rơ-le dòng điện cực đại và phanh hãm điện từ bảo vệ chống rơi tải đúng theo tiêu chuẩn an toàn cầu trục.
  • Nghiên cứu ứng dụng biến tần (Inverter) thay thế cho việc đóng cắt trực tiếp bằng contactor, nhằm làm mềm đặc tính khởi động/dừng, hạn chế sụt áp lưới điện và giảm thiểu rung lắc cho cơ cấu nâng hạ rải liệu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện: Cung cấp ví dụ thực tế về phương pháp áp dụng lý thuyết hàm tác động để giải bài toán tuần tự công nghiệp có sự lặp lại của tín hiệu cảm biến.
  • Người học và kỹ sư mới tiếp cận môi trường TIA Portal của Siemens: Cung cấp tài liệu trực quan, chi tiết từng bước (step-by-step) về cách cấu hình CPU S7-1200, khai báo biến, tổ chức khối OB1, chạy mô phỏng PLCSIM và thiết lập kết nối truyền thông SCADA với WinCC RT Professional.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đối tượng truyền động chính trong đồ án là gì và công suất định mức được chọn là bao nhiêu? Hệ thống sử dụng 02 động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ roto lồng sóc do Công ty Chế tạo máy Việt Nam – Hungari (VIHEM) sản xuất, ký hiệu 3K112M2, công suất định mức mỗi động cơ là $4\text{ kW}$ ($5,5\text{ HP}$) với dòng điện định mức $I_{đm} = 7,9\text{ A}$.

  2. Điểm đặc biệt và phức tạp nhất trong sơ đồ công nghệ chu trình của đề tài là gì? Điểm phức tạp nhất là hai công tắc hành trình B và C bị tác động nhiều hơn 1 lần trong cùng một chu kỳ làm việc (mỗi công tắc tác động 2 lần tại các thời điểm chuyển động khác nhau). Nếu không có giải pháp xử lý trạng thái, bộ điều khiển sẽ bị nhầm lẫn tín hiệu và kích hoạt sai hướng chuyển động.

  3. Tác giả đã giải quyết hiện tượng trùng lặp tín hiệu của công tắc hành trình B và C như thế nào? Tác giả đã áp dụng phương pháp hàm tác động để đưa vào 2 biến trạng thái trung gian là $Y$ (cho CTHT B) và $Z$ (cho CTHT C). Biến $Y$ được kích hoạt khi gặp C lần 1 và tự duy trì, chỉ bị xóa khi gặp F; nhờ đó, hệ thống phân biệt được lần tác động thứ nhất của B (chưa có Y, chuyển động sang Phải) và lần tác động thứ hai của B (đã có Y, chuyển động Lên lần 3).

  4. Khối điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình được sử dụng trong đồ án là gì? Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng là Siemens SIMATIC S7-1200 với CPU 1214C AC/DC/RLY (mã hiệu 6ES7 214-1BG40-0XB0). Phần mềm được sử dụng để lập trình logic và thiết kế giao diện mô phỏng là TIA Portal (gồm Step 7 lập trình khối OB1 và WinCC RT Professional thiết kế HMI).

  5. Chương trình điều khiển trong khối Main (OB1) được phân chia cấu trúc như thế nào? Chương trình chính gồm 22 Network: Network 1-2 phục vụ khởi động và chọn chế độ; Network 3-12 điều khiển chi tiết và tổng hợp các chuyển động Lên, Xuống, Phải, Trái; Network 13-14 xử lý biến trung gian Y và Z; Network 15-21 xử lý bộ đếm thời gian và tạo xung mô phỏng công tắc hành trình ở chế độ Auto; Network 22 phục vụ điều khiển bằng tay ở chế độ Manual.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ điều khiển – tự động" của sinh viên Nguyễn Thọ Nam đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ kỹ thuật của bài toán điều khiển hệ thống 2 động cơ ứng dụng cho công nghệ cầu trục rải liệu. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa việc tính toán khí cụ điện mạch động lực, ứng dụng phương pháp hàm tác động giải quyết bài toán trùng tín hiệu logic, và hiện thực hóa thuật toán trên nền tảng PLC S7-1200 kết hợp giao diện WinCC. Dù vẫn còn hạn chế về tính nhất quán trong tên đề tài trang bìa và chỉ dừng lại ở phạm vi mô phỏng phần mềm, kết quả nghiên cứu vẫn cung cấp quy trình thiết kế và tài liệu tham khảo bài bản cho các bài toán điều khiển tuần tự công nghiệp.