Đồ án: Thiết kế và thi công hệ thống cầu trục dầm đơn trong nhà xưởng

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế & thi công hệ thống cầu trục dầm đơn tối ưu góp phần nâng cao kiến thức chuyên ngành và ứng dụng ứng dụng trong giảng dạy

• Tác giả: Trần Đức Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thiện
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Cầu Trục Dầm Đơn Trong Nhà Xưởng
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cầu Trục Dầm Đơn

Cầu trục dầm đơn là thiết bị vận chuyển không thể thiếu trong các nhà xưởng hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Hệ thống này được thiết kế để nâng hạ và di chuyển các hàng hóa nặng một cách hiệu quả, giảm thiểu thời gian vận chuyển và tăng năng suất lao động. Thiết kế hệ thống cầu trục sử dụng các thanh nhôm định hình để gia cố phần khung, đảm bảo độ bền và an toàn trong quá trình hoạt động. Cấu trúc dầm đơn cho phép di chuyển linh hoạt trên hai trục chính X và Y, tạo ra không gian làm việc hiệu quả. Với công nghệ hiện đại, cầu trục dầm đơn tối ưu giúp các nhà máy sản xuất đáp ứng nhu cầu thị trường với số lượng lớn, nâng cao chất lượng dịch vụ vận chuyển hàng hóa.

1.1. Định Nghĩa Và Chức Năng Cơ Bản

Cầu trục dầm đơn là một thiết bị cơ khí chuyên dụng dùng để nâng, hạ và di chuyển vật liệu trong không gian ba chiều. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý cơ khí, sử dụng động cơ để tạo lực nâng và di chuyển theo các hướng khác nhau. Chức năng chính bao gồm nâng hạ hàng hóa, di chuyển trên trục ngang và dọc, tối ưu hóa quy trình xếp dỡ hàng hóa. Thiết bị này được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, kho bãi, nhà máy sản xuất để nâng cao hiệu suất làm việc.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Nhà Xưởng

Trong môi trường nhà xưởng, cầu trục dầm đơn được sử dụng để vận chuyển các sản phẩm nặng, linh kiện máy móc, nguyên liệu thô một cách nhanh chóng và an toàn. Ứng dụng của hệ thống giúp giảm sức lao động thủ công, tăng tốc độ sản xuất và đảm bảo an toàn cho công nhân. Các nhà máy sản xuất ô tô, máy móc, thiết bị công nghiệp thường trang bị cầu trục để tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, giảm chi phí vận chuyển nội bộ.

II. Thiết Kế Kỹ Thuật Hệ Thống Cầu Trục

Thiết kế hệ thống cầu trục dầm đơn yêu cầu sự kết hợp giữa các thành phần cơ khí và điện tử. Khung chính được chế tạo từ các thanh nhôm định hình có độ cứng cao, đảm bảo khả năng chịu tải và độ ổn định trong suốt quá trình hoạt động. Dầm biên được trang bị hai Step motor để điều khiển chuyển động trên trục X, trong khi dầm chính sử dụng một Step motor riêng để di chuyển trục Y. Động cơ DC được lựa chọn cho hệ thống nâng hạ vì khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt. Các công tắc hành trình được lắp đặt ở các giới hạn của khung để bảo vệ hệ thống khỏi vượt quá phạm vi hoạt động cho phép.

2.1. Cấu Trúc Khung Và Dầm

Khung cầu trục được xây dựng từ thanh nhôm định hình chất lượng cao, cung cấp độ bền vừa phải với trọng lượng nhẹ. Dầm được thiết kế theo nguyên lý tối ưu hóa, giảm trọng lượng riêng nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu tải lớn. Dầm đơn cho phép chi phí sản xuất thấp hơn so với dầm kép, phù hợp với các ứng dụng có tải trọng vừa phải. Các liên kết giữa các bộ phận được thiết kế chắc chắn, dễ lắp ráp, và thuận tiện cho bảo trì, sửa chữa.

2.2. Hệ Thống Động Cơ Và Truyền Động

Hệ thống sử dụng Step motor để điều khiển chuyển động theo trục X và Y, cho phép định vị chính xác vị trí của cầu trục. Động cơ DC được áp dụng cho hệ thống nâng hạ, có khả năng hoạt động thuận nghịch thông qua relay trung gian. Các driver điều khiển kết nối với PLC để phát xung, điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ. Thiết kế hệ thống truyền động đảm bảo mượt mà, an toàn, và tiết kiệm năng lượng điện.

III. Hệ Thống Điều Khiển Và Tự Động Hóa

Hệ thống điều khiển cầu trục dầm đơn sử dụng PLC FX3UC 96MT/D để lập trình và quản lý các hoạt động của thiết bị. PLC này được chọn vì khả năng xử lý dữ liệu nhanh, có sẵn các chân phát xung để điều khiển Step motor, và hỗ trợ giao tiếp thông qua cổng Serial. Phần mềm Labview được sử dụng để thiết kế giao diện Scada, cung cấp công cụ trực quan để theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa. Kết nối giữa Labview và PLC được thực hiện thông qua MX OPC, cho phép truyền tín hiệu real-time. Sơ đồ thuật toán được thiết kế chi tiết để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng theo yêu cầu, với các bước kiểm tra an toàn tích hợp sẵn.

3.1. Lập Trình PLC Và Sơ Đồ Thuật Toán

PLC FX3UC được lập trình để điều khiển tuần tự các hoạt động nâng, hạ, di chuyển trục X và Y. Sơ đồ thuật toán được xây dựng dựa trên logic rõ ràng, đảm bảo các chuyển động được thực hiện đúng thứ tự và an toàn. Các công tắc hành trình được đưa vào chương trình để giới hạn hành trình, phòng tránh sự cố vượt quá giới hạn thiết kế. Hệ thống được thiết kế để dễ dàng bảo trì, với các lỗi được ghi lại và báo cáo qua giao diện.

3.2. Giao Diện Scada Và Theo Dõi Hệ Thống

Giao diện Scada được thiết kế bằng Labview, cung cấp các nút bấm điều khiển, hiển thị trạng thái thiết bị, và báo cáo các sự cố. Người vận hành có thể giám sát hoạt động của cầu trục từ một máy tính hoặc bảng điều khiển tập trung. Giao diện được tối ưu hóa để dễ sử dụng, với các biểu tượng trực quan và thông báo cảnh báo. Kết nối MX OPC đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy cao trong truyền tín hiệu.

IV. Hướng Phát Triển Và Tối Ưu Hóa Tương Lai

Dự án hiện tại đã đạt được những thành tựu cơ bản trong việc mô phỏng hoạt động của hệ thống cầu trục dầm đơn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều lĩnh vực cần cải thiện để nâng cao hiệu suất và an toàn. Một trong những hạn chế chính là thiếu hệ thống thắng động cơ, điều này có thể ảnh hưởng đến an toàn khi dừng khẩn cấp. Giao diện Scada hiện tại cũng cần được nâng cấp để cung cấp định vị chính xác vị trí của cầu trục trong nhà xưởng theo thời gian thực. Các nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào tích hợp thắng từ, cải thiện độ chính xác của hệ thống định vị, và phát triển các thuật toán điều khiển nâng cao. Ngoài ra, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa lộ trình vận chuyển cũng là một hướng đi tiềm năng, giúp giảm thời gian chuyên chở và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Những Thiếu Xót Hiện Tại Và Giải Pháp

Thiếu xót chính của dự án là thiếu hệ thống thắng động cơ, có thể dẫn đến tình huống nguy hiểm nếu mất điện hoặc cần dừng khẩn cấp. Giao diện Scada hiện tại không thể theo dõi chính xác vị trí của cầu trục trong thời gian thực, ảnh hưởng đến hiệu suất quản lý. Giải pháp bao gồm tích hợp thắng cơ khí hoặc từ, cài đặt cảm biến vị trí chính xác, và nâng cấp phần mềm Labview để xử lý dữ liệu vị trí nhanh hơn.

4.2. Các Công Nghệ Tiên Tiến Có Thể Áp Dụng

Trí tuệ nhân tạo và machine learning có thể được sử dụng để tối ưu hóa lộ trình vận chuyển, giảm thời gian di chuyển và tiêu thụ điện năng. Cảm biến IoT có thể được lắp đặt để thu thập dữ liệu thời gian thực về trạng thái hệ thống, giúp dự báo sự cố. Công nghệ 5G sẽ cho phép kết nối không dây ổn định hơn cho các thiết bị điều khiển từ xa. Những nâng cấp này sẽ biến cầu trục thành một hệ thống thông minh, tự động, và hiệu quả cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong quá trình hiện đại hóa và phát triển của xã hội thì sản xuất đóng một vai trò không hề nhỏ cho sự phát triển đó. Để đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của xã hội một các nhanh chóng và nguồn cung cho thị trường. Thì vấn đề được đặt lên đầu tiên là “làm sao để tối ưu hóa quá trình sản xuất ?”. Từ vấn đề trên thì chúng ta thấy được để tối ưu hóa cho một nhà máy sản xuất thì chúng ta cần tối ưu thời gian sản xuất.

Và việc sử dụng nhân công cho việc nâng hạ sẽ làm giảm năng suất của nhà máy cũng như ảnh hưởng tới sức khỏe của người lao động. Từ đó việc vận chuyển các thiết bị hạng nặng để sửa chửa chữa cũng như nâng hạ hàng hóa với số lượng lớn ra khỏi nhà máy cần được tối ưu hóa. Để phục vụ các nhu cầu trên thì từ những năm 1830 các nhà máy nghiên cứu hệ thống cầu trục đã được thành lập từ đó cung cấp các giải pháp cầu trục nâng hạ cho các nhà xưởng và giúp nâng cao năng suất làm việc. Hiện nay thì xây dựng một nhà máy sản xuất thì việc lắp đặt thêm hệ thống cầu trục là điều không thể thiếu.

Hệ thống giúp nhà máy có thể tối ưu hóa công việc, giảm tải gánh nặng cho các công nhân trong việc di chuyển các thiết bị hạng nặng trong xưởng cũng như việc di chuyển hàng hóa ra ngoài xưởng từ đó mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà đầu tư và doanh nghiệp.2 Ứng dụng của đề tài Hệ thống cầu trục trong nhà xưởng là hệ thống không thể thiếu trong một nhà xưởng. Hệ thống giúp các công nhân trong việc vận chuyển các thiết bị hạng nặng các bộ phận trong một hệ thống dây chuyền đi bảo trì bảo dưỡng cũng như việc cầu trục giúp việc vận chuyển hàng hóa xuất nhập khẩu xưởng. 1 Ngoài ra hệ thống cầu trục không chỉ được sử dụng trong nhà xưởng mà còn được ứng dụng ở lĩnh vực xây dựng nhằm mục đích nâng hạ các vật tư nặng lên trên các kiến trúc đang xây với chiều cao lớn sức người không thể nâng được Đồng thời cầu trục cũng là một thiết bị không thể thiếu ngoài cảng biểng giúp nâng hạ các thùng container từ thuyền vào cảng và ngược lại từ cảng ra thuyển phục vụ xuất nhập khẩu Một số hệ thống cầu trục đang được sử dụng trong một nhà máy sản xuất: Hình 1.1: Hệ thống cầu trục dầm đơn trong xưởng bảo trì sửa chữa (Nguồn: Chụp tại phòng khuôn dập CTNNHH NIDEC TOSOK) 2 Hình 1.2: Cầu trục dầm đơn được sử dụng khu vực sản xuất tại NIDEC TOSOK (Nguồn: Chụp tại khu vực sản xuất của CTNNHH NIDEC TOSOK) 1.3 Mục đích nghiên cứu Việc nghiên cứu hệ thống cầu trục và mô phỏng lại với mô hình nhỏ hơn giúp nhóm thực hiện nắm bắt được các hoạt động hơn các thành phần cần có trong một hệ thống và các thông số cần thiết để thiết kế nên một hệ thống cầu trục. Mặt khác việc nghiên cứu một hệ thống giúp nhóm nâng cao trình độ về lập trình cũng như các kĩ năng đi dây tủ điện một cách gọn gàng.

Đồng thời nhóm cũng hướng tới việc thiết kế Scada để người giám sát có thể giám sát từ xa các hoạt động của hệ thống và thao tác của người vận hành đã chuẩn chưa và có thể giám sát tần suất hoạt động từ đố đưa ra giải pháp bảo trì bảo dưỡng định kì.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Đưa ra giải pháp vận hành cho mô hình thu nhỏ của mình. Tìm hiểu về PLC FX3UC – 96MT/D. Phân tích được hệ thống điều khiển cần các thiết bị như thế nào. Tìm hiểu các lắp đặt các khí cụ điện lên tủ và đi dây điện các thiết bị một cách gọn gàng.

3 Tìm hiểu về các giao tiếp giữa PLC và máy tính. Nghiên cứu thiết kế giao diện Scada giám sát hệ thống.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu nghiên cứu thu thập thông tin từ nhiều nguồn tổng hợp lại và thiết kế hệ thống. Sử dụng phần mềm GX Works2 để phục vụ cho việc nghiên cứu chương trình lập trình cho hệ thống. Phần mềm MX OPC để nghiên cứu giao tiếp giữa máy tính và PLC.

Phần mềm Labview để nghiên cứu thiết kế giao diện cho Scada. Tính toán thu nhỏ dựa trên một hệ thống cầu trục thực tế với các thông số sau: Nhà xưởng chứa thép cuộn Diện tích 200𝑚 ( 8mx25m) Hệ thống cầu trục có tải trọng nâng max 5 tấn Ray đường chạy 22m Dầm chính 7,5m Tốc độ di chuyển cầu trục: Biến tần điều khiển Công suất động cơ: 1.5kw Phanh hãm: Phanh đĩa điện từ Tải trọng nâng móc 5 tấn Chiều cao nâng móc 12 mét Tốc độ nâng hạ móc 4.7 m/phút Công suất động cơ nâng 5.5 kw Tốc độ di chuyển xe con 20m/phút Động cơ di chuyển xe con 0.75kw x 4P 4 Nguồn điện động lực AC 380V, 3 pha, 50Hz Điện áp điều khiển 110V Tay bấm điều khiển Loại 6 nút + 1 nút dừng khẩn Thiết bị bảo vệ quá tải Thiết bị giới hạn hành trình nâng hạ Thiết bị giới hạn hành trình di chuyển xe con, cầu trục Thiết bị đồng bộ 1.6 Mục tiêu của đề tài Hiểu và nắm được các thông số cần thiết cũng như thiết kế một hệ thống cầu trục dầm đơn với các thông số đã được thu nhỏ lại để phù hợp cho mô hình. Tính toán và thiết kế được hệ thống cầu trục dầm đơn. Đưa ra được giải pháp điều khiển cho hệ thống cầu trục dầm đơn dựa trên PLC FX – 3U 96MT/D Thiết kế hệ thống scada giám sát số lượng hàng hóa và số lần cầu trục được sử dụng để có kế hoạch bảo trì bảo dưỡng cho hệ thống hoạt động ổn định.7 Phạm vị giới hạn nghiên cứu Đề tài được thực hiện trên mục đích mô phỏng lại hệ thống cầu trục với mô hình nhỏ nên chưa mô phỏng được chuẩn xác các thiết bị công nghiệp được sử dụng cho hệ thống thực tế.

Còn khó khăn trong việc mô phỏng chính xác sử dụng các thiết bị công nghiệp để thiết kế một hệ thống cầu trục dầm đơn. Giới hạn về các trang thiết bị công nghiệp. Giới hạn khả năng thiết kế và thi công chuẩn xác.7 Kết quả được sau khi hoàn thành Mô phỏng thành công hệ thống cầu trục dầm đơn hoạt động ổn định đồng thời Scada giám sát được hoạt động của hệ thống và plc giao tiếp được với máy tính thông qua MX OPC.8 Kết cấu của đề tài Bài báo cáo đồ án tốt nghiệp có 6 chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài. Giới thiệu về lịch sử ra được tổng quát về đề tài ứng dụng phạm vi các mục đích cũng như kết quả sẽ đạt được.

Chương 2: Tổng quan về hệ thống. Chương này nhóm sẽ tìm hiểu về hệ thống cầu trục những thiết bị điện cần thiết cho việc thiết kế cũng điểm mạnh yếu của từng hệ thống và các hệ thống đang được sử dụng như thế nào hiện nay với các ưu nhược điểm riêng của từng hệ thống. Chương 3: Phương pháp giải quyết. Chương này nhóm tìm hiểu đưa các giải pháp về tính toán mô hình cũng như xác định cho mô hình hướng sử dụng các thiết bị để lập trình.

Chương 4: Thiết kế mô hình. Chương này nhóm tính chọn truyền động các động cơ sử dụng cho mô hình chọn các thiết bị điện cho hệ thống và tiến hành vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình cũng như thiết kế Scada cho hệ thống. Chương 5: Thi công mô hình. Chương này nhóm bắt đầu đi vào việc lắp đặt các thiết bị điện lên tủ đấu nối dây điện đổ chương trình và tiến hành chạy mô phỏng.

Chương 6: Phân tích đánh giá kết quả và hướng phát triển. Đánh giá các kết quả đã đạt được sau khi hoàn thành mô hình phân tích các điểm hạn chế của mô hình từ đó đưa ra hướng phát triển cho hệ thống. 6 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu về hệ thống cầu trục 2.1 Tổng quát Hiện nay đất nước đang trong quá trình phát triển mạnh và đi đôi với sự phát triển đó thì nhu cầu về hàng hóa của người tiêu dùng cũng như các doanh nghiệp ngày càng tăng mạnh. Để đáp ứng kịp thời các nhu cầu về hàng hóa của thị trường thì các nhà máy sản xuất cần tối ưu hóa các hoạt động sản xuất cũng như vận chuyển hàng hóa.

Thì để tối ưu hóa những vấn đề đó thì hệ thống cầu trục đã ra đời để có thể đáp ứng đầy đủ các nhu cầu nâng hạ thiết bị cũng như hàng hóa trong nhà máy giúp các công việc bảo trì bảo dưỡng nhanh chóng hơn tiết kiệm thời gian và sức lao động. Sau khi hệ thống cầu trục ra đời. Thì hầu như toàn bộ các nhà máy hiện đại ngày nay đều liệt cầu trục vào danh sách các thiết bị thiết yếu trong quá trình xây dựng một nhà xưởng.1: Hệ thống cầu trục dầm đơn (Nguồn: Chụp tại khu vực sản xuất CTTNHH NIDEC TOSOK) 7 2.2 Vai trò Hệ thống cầu trục là thiết bị cần thiết cho các nhà máy sản xuất để phục vụ cho mục đích tối ưu hóa các hoạt động nâng hạ hàng hóa cũng như giảm sức lao động cho công nhân và tiết kiệm thời gian sản xuất và mang lại nhiều lợi nhuận hơn cho nhà máy. Cầu trục đóng một vai trò không hề nhỏ trong các khối ngành về sản, xây dựng và xuất nhập khẩu cũng như có thể thêm phục vụ cho các phòng nghiên cứu công nghệ Cầu trục dầm đơn sử dụng cho sản xuất: Hình 2.2: Hệ thống cầu trục dầm đơn (Nguồn: Chụp tại khu vực sản xuất CTTNHH NIDEC TOSOK) 8 Cầu trục sử dụng cho phòng nghiên cứu bảo trì sửa chửa và nghiên cứu: Hình 2.3: Cầu trục trong phòng khuôn dập (Nguồn: Chụp tại phòng khuôn dập CTNNHH NIDEC TOSOK) Cầu trục sử dụng cho xây dựng: Hình 2.4: Cầu trục tháp sử dụng cho xây dựng (Nguồn: Internet) 9 Cầu trục STS sử dụng ngoài cảng biển: Hình 2.5: Cấu trục STS cảng biển (Nguồn: Internet) 10 2.2 Các giải pháp cầu trục trong nhà xưởng 2.1 Cầu trục dầm đơn a.

Giới thiệu Cầu trục dầm đơn, cổng trục dầm đơn hay còn gọi là cầu trục một dầm, cẩu đơn, cẩu dầm đơn, cẩu đơn,…Cầu trục được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong nhà máy sản xuất, thép nhôm, inox,…trong các nhà xưởng, kho chứa hàng,… b. Cấu tạo Một hệ thống cầu trục hiện nay gồm các thành phần cơ bản như sau: Hình 2.6: Cấu tạo cầu trục dầm đơn (Nguồn: Internet) Trong đó: 1.