Thiết kế hệ thống điều khiển cẩu trục dầm đôi tại HCMUTE

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay

1.2. Tính cấp thiết của đề tài

1.3. Mục tiêu nghiên cứu

1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu

1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.6. Phương pháp nghiên cứu

1.7. Bố cục của đồ án

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu chung về cẩu trục

2.1.1. Khái niệm

2.1.2. Theo công dụng

2.1.3. Theo cách dẫn động

2.1.4. Theo kiểu dáng kết cấu dầm

2.1.5. Theo cách tựa của dầm cầu lên đường ray di chuyển của cẩu trục

2.1.6. Theo cách bố trí cơ cấu di chuyển cẩu trục

2.1.7. Theo phạm vi phục vụ

2.2. Các cơ cấu chính của cẩu trục

2.2.1. Pa lăng nâng hạ (Hoist)

2.2.2. Dầm chính cẩu trục (Main girder)

2.2.3. Cơ cấu di chuyển cẩu trục (dầm biên) (End carriage)

2.2.4. Hệ thống cấp điện (Electrical component)

2.2.5. Tủ điện cẩu trục và các thiết bị an toàn khác (Electric panel and other safety device)

2.3. Phương pháp điều khiển cẩu trục

2.3.1. Điều khiển cẩu trục bằng tay bấm có dây (Push pendant button)

2.3.2. Điều khiển cẩu trục từ cabin (Cabinet Control)

2.3.3. Điều khiển cẩu trục bằng tay cầm điều khiển từ xa (Radio remote control)

2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cẩu trục dầm đôi

2.4.1. Nguyên lý hoạt động

2.4.2. Một số thông số chính

2.4.3. Ưu và nhược điểm của cẩu trục dầm đôi

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1. Tổng quan phần cứng

3.1.1. Khái niệm về biến tần

3.1.2. Cấu tạo của biến tần

3.1.3. Nguyên lý hoạt động của biến tần

3.1.4. Lợi ích của việc sử dụng biến tần

3.2. Tổng quát về PLC

3.2.1. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC

3.2.2. Ưu điểm khi dùng HMI

3.2.3. Hạn chế của HMI

3.3. Giới thiệu và phân loại encoder

3.3.1. Nguyên lý hoạt động của encoder

3.4. Mạng EtherNet công nghiệp

3.4.1. Tổng quan về mạng Ethernet công nghiệp

3.4.2. Thiết kế, tính toán và lựa chọn phần cứng

3.4.2.1. Yêu cầu của hệ thống

3.4.2.2. Tính toán và lựa chọn thiết bị

3.4.2.2.1. Khối biến tần

3.4.2.2.2. Khối điều khiển trung tâm

3.4.2.2.2.1. Mô-đun cấp nguồn

3.4.2.2.3. Mô-đun ngõ vào số

3.4.2.2.4. Mô-đun Ethernet

3.4.3. Khối truyền thông

3.4.4. Các thiết bị ngoại vi

3.4.5. Bảng lựa chọn thiết bị

3.4.6. Kiến trúc tổng quan của hệ thống

3.4.7. Bản vẽ kết nối thiết bị của hệ thống

4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM

4.1. Tổng quan phần mềm sử dụng trong đề tài

4.2. FactoryTalk View Studio

4.2.1. View Site Edition

4.2.2. View Machine Edition

4.3. Lập trình cho Studio 5000

4.3.1. Cấu trúc của project trong Studio 5000

4.3.2. Add-On Instruction trong Studio 5000

4.3.3. Sử dụng User Defined trong Studio 5000

4.4. Thiết kế các tính năng trong FactoryTalk View ME

4.4.1. Liên kết đến Rslinx Enterprise

4.4.2. Thiết kế các Display cho FactoryTalk View ME

4.5. Thiết kế các tính năng trong FactoryTalk View SE

4.6. Thiết lập cấu hình cho phần mềm FactoryTalk Historian

4.7. Thiết lập cấu hình cho phần mềm FactoryTalk VantagePoint

4.8. Cấu hình cho Stratix 5700

4.9. Tính năng tự động cấu hình (ADC) trên biến tần PowerFlex

4.10. Cấu hình biến tần PowerFlex 755 cho cơ cấu nâng hạ

4.11. Cấu hình biến tần PowerFlex 525 cho biến tần Traverse và biến tần Travel

4.11.1. Cấu hình các thông số

4.11.2. Cân chỉnh tự động

5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT

5.1. Nhận xét kết quả

6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế Hệ Thống Điều Khiển

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển tổng thể cho cẩu trục dầm đôi. Thiết kế hệ thống điều khiển này bao gồm việc lựa chọn và tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm phù hợp. PLC đóng vai trò trung tâm trong việc xử lý logic điều khiển, trong khi HMI và SCADA cung cấp giao diện giám sát và điều khiển trực quan cho người vận hành. Mô phỏng hệ thống điều khiển được thực hiện để kiểm tra hiệu quả và độ tin cậy của thiết kế trước khi triển khai thực tế. Việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển hướng đến hiệu quả năng lượng và an toàn lao động. Giải pháp điều khiển cẩu trục này cần tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế cẩu trục để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Ứng dụng điều khiển cẩu trục này được thiết kế cho môi trường cụ thể tại HCMUTE, do đó, các yếu tố môi trường cần được xem xét trong quá trình thiết kế. Nghiên cứu khoa học về điều khiển thời gian thực được áp dụng để đảm bảo hệ thống phản hồi nhanh và chính xác.

1.1 Lựa chọn Phần Cứng

Việc lựa chọn phần cứng cho hệ thống điều khiển cẩu trục là rất quan trọng. PLC ControlLogix 1756-L73 từ Rockwell Automation được chọn vì khả năng xử lý mạnh mẽ và khả năng mở rộng. Biến tần PowerFlex 525 và PowerFlex 755 được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, đảm bảo vận hành chính xác và hiệu quả. HMI PanelView Plus 1000 cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép giám sát và điều khiển dễ dàng. Mạng Ethernet công nghiệp được sử dụng để kết nối các thiết bị, đảm bảo truyền thông nhanh và ổn định. Cảm biến được bố trí để thu thập dữ liệu về vị trí, tốc độ và các thông số khác của cẩu trục. Việc thiết kế mạch điện phải đảm bảo an toàn điện, tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện. Thiết kế cơ khí cẩu trục cũng cần được xem xét để đảm bảo tương thích với hệ thống điều khiển. Mô hình 3D được sử dụng trong quá trình thiết kế để trực quan hóa và kiểm tra thiết kế. CAD, CAM, và CAE được sử dụng trong quá trình thiết kế và mô phỏng. Điện tử công suất được áp dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.

1.2 Lập Trình và Phát Triển Phần Mềm

Phần mềm từ Rockwell Automation, bao gồm Studio 5000, FactoryTalk View ME, FactoryTalk View SE, FactoryTalk Historian, và FactoryTalk VantagePoint, được sử dụng để lập trình PLC, thiết kế HMI, và quản lý dữ liệu. Lập trình PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp, đảm bảo hệ thống hoạt động theo yêu cầu. Thiết kế HMI tập trung vào tính trực quan và dễ sử dụng, giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển cẩu trục. Phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra chức năng của hệ thống trước khi triển khai. Việc phân tích hệ thống được tiến hành để xác định hiệu suất và các điểm cần cải thiện. Thuật toán điều khiển được tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả. Quản lý năng lượng được tích hợp để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. An toàn điện được ưu tiên trong quá trình lập trình và phát triển phần mềm. Kiểm tra hệ thống điều khiển được thực hiện kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy. Động cơ điện được điều khiển chính xác thông qua biến tần và bộ truyền động.

II. Cẩu Trục Dầm Đôi và Mô Hình

Phần này tập trung vào cẩu trục dầm đôi, bao gồm cấu tạo cẩu trục, nguyên lý hoạt động, và mô hình cẩu trục. Mô hình cẩu trục được thiết kế và chế tạo để minh họa các nguyên tắc hoạt động của cẩu trục dầm đôi trong điều kiện thực tế. Ưu nhược điểm của cẩu trục dầm đôi được phân tích để làm rõ sự phù hợp của loại cẩu này với ứng dụng cụ thể. Phần mềm mô phỏng được sử dụng để mô phỏng hoạt động của mô hình cẩu trục. An toàn lao động cẩu trục là yếu tố quan trọng được xem xét trong quá trình thiết kế và vận hành.

2.1 Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động

Cẩu trục dầm đôi có cấu trúc gồm hai dầm chính song song, kết nối với nhau bằng các cấu kiện đỡ. Pa lăng được thiết kế để nâng hạ hàng hóa. Cơ cấu di chuyển dọc và cơ cấu di chuyển ngang cho phép di chuyển hàng hóa đến vị trí mong muốn. Hệ thống cấp điện cung cấp năng lượng cho các động cơ. Hệ thống điều khiển giám sát và điều chỉnh các hoạt động của cẩu trục. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều khiển các động cơ thông qua các tín hiệu từ hệ thống điều khiển. Cảm biến đo các thông số như vị trí, tốc độ và tải trọng. An toàn điện được đảm bảo thông qua các biện pháp bảo vệ thích hợp. Động cơ điện được sử dụng để điều khiển các chuyển động. Bộ truyền động chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

2.2 Mô Hình và Thử Nghiệm

Một mô hình cẩu trục dầm đôi được xây dựng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển. Kiểm tra hệ thống điều khiển được thực hiện để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy. Phân tích dữ liệu được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Kết quả thử nghiệm được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và hiệu chỉnh các thông số hệ thống. Mô hình 3D được sử dụng để trực quan hóa và phân tích thiết kế. Phần mềm mô phỏng được sử dụng để mô phỏng hoạt động của mô hình cẩu trục. Dữ liệu thu thập được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Báo cáo thử nghiệm tóm tắt kết quả và các phát hiện quan trọng.

III. Kết Quả và Nhận Xét

Phần này trình bày kết quả của dự án thiết kế hệ thống điều khiển cẩu trục dầm đôi tại HCMUTE. Nhận xét kết quả đánh giá mức độ thành công của dự án, bao gồm các khía cạnh kỹ thuật và thực tiễn. Hiệu quả năng lượng và an toàn lao động được đánh giá. Các khuyến nghị cho các nghiên cứu và phát triển trong tương lai được đề xuất.

3.1 Đánh Giá Hiệu Quả

Hiệu quả năng lượng của hệ thống được đánh giá thông qua việc đo lường tiêu thụ điện năng. Độ chính xác của hệ thống điều khiển được xác định thông qua các phép đo và so sánh với các thông số thiết kế. Độ tin cậy của hệ thống được đánh giá thông qua thời gian hoạt động liên tục và số lần xảy ra sự cố. Khả năng mở rộng của hệ thống được đánh giá dựa trên khả năng tích hợp thêm các chức năng và thiết bị. An toàn lao động được đánh giá thông qua việc phân tích các nguy cơ tiềm ẩn và hiệu quả của các biện pháp an toàn. Chi phí của hệ thống được phân tích để đánh giá tính kinh tế. Thực tiễn ứng dụng của hệ thống được đánh giá dựa trên khả năng đáp ứng nhu cầu thực tế. Tối ưu hóa hệ thống được đề xuất dựa trên kết quả đánh giá.

3.2 Hướng Phát Triển

Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như trí tuệ nhân tạo và học máy, để tăng cường hiệu quả và an toàn của hệ thống. Việc nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến để cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của hệ thống. Khả năng kết nối mạng không dây (Wifi, Bluetooth) cũng là một hướng phát triển quan trọng để cải thiện tính linh hoạt của hệ thống. Ứng dụng Internet of Things (IoT) cho phép giám sát từ xa và quản lý dữ liệu hiệu quả hơn. Tích hợp các hệ thống khác trong nhà máy để tối ưu hóa quá trình sản xuất. Ứng dụng thực tế của hệ thống được đề cập và các phương pháp cải tiến được đưa ra. Nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề kỹ thuật cần thiết để cải thiện hệ thống.

Đồ án HCMUTE: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cẩu trục dầm đôi