MỤC LỤC
Lời nói đầu

2

Chương 1. Tổng quan về cơ cấu nâng hạ hang của họ trục cầu

3

1.1 Khái quát chung về thiết bị nâng vân chuyển

3

1.2 Giới thiệu về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn
Bốc xếp container
Chương 2. Thiết kế giám sát cho cơ cấu di chuyển xe con

6
13

2.1 Giới thiệu tổng quan phương pháp điều khiển dùng
biến tần PWM
2.2 Các thiết bị đo và giám sát được sử dụng trong hệ thống

13
18

2.3 Thiết kế giám sát truyền động điện cơ cấu di chuyển
xe con sử dụng biến tần PWM.
Chương 3. Viết phần mềm giám sat cho hệ thống

27
29

3.1 Tạo giao diện giám cho hệ thống

29

3.2 Viết chương trình giám sát

32

Kết luận

39

Tài liệu tham khảo

40

1


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, đất nước ta đã
thu được những thành tựu to lớn về kinh tế xã hội. Gắn liền với sự phát triển
kinh tế là sự phát triển của giao thông vận tải nói chung và vận tải thủy nói
riêng. Với sự phát triển đó các hải cảng đóng vai trò rất quan trọng. Trong các
hình thức thì vận chuyển bằng container là 1 hình thức vận chuyển tiên tiến
được áp dụng rộng rãi trên thế giới.
Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt

động cũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan
trọng đối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các
phương án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống. Em đã được
giao đề tài thiết kế môn học:” Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con
cầu trục giàn bôc xếp container. Thiết kế hệ giám sát truyền động dung biến tần
PWM cho cơ cấu di chuyển xe con.”
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình em đã hoàn thành
bản thiết kế này. Trong quá trình làm đồ án mặc dù đã rất cố gắng nhưng kiến
thức có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được
sự chỉ bảo đóng góp của thầy cô để bản thiết kế được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG CỦA HỌ TRỤC
CẦU GIÀN
1.1 Khái quát chung về thiết bị nâng vận chuyển
1.1.1 Khái quát chung về cầu trục giàn bốc xếp Container
Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư, thiết bị từ
chỗ này sang chỗ khác. Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trục
nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất.
Trong nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc các
thùng nóng chảy để vào khuôn đúc... Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận
chuyển các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được gia
công xong đưa sang công đoạn khác. Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ
trên tàu xuống kho bãi hay vận chuyển hàng hoá xuất khẩu từ kho bãi xuống tầu,
vận chuyển các container, các máy móc xuất nhập khẩu qua đường biển.Như

vậy cầu trục và cần trục giúp cho con người cơ khí hoá, tự động hoá bốc xếp làm
giảm sức lao động, tăng năng suất và chất lượng.
Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia
cầu trục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu trục
cũng rất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung ví dụ :
cầu trục có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc, cơ cấu dịch
chuyển ngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng.
1.1.2 Phân loại cầu trục
*) Phân loại theo cấu trúc điều khiển:
a. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ điện 1 chiều.
b. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ điện không đồng
bộ rôto lồng sóc.
c. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn.
3


d. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ không đồng bộ.
e. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ không đồng bộ.
f. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tải động.
*) Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá:
a. Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn
b. Cầu trục có tải trọng trung bình:Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn
c. Cầu trục có tải trọng lớn:Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn
d. Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn
*) Phân loại theo đặc điểm công tác :
a. Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng.
Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí. Cầu
trục dạng này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng,
cơ cấu di chuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn. Các cầu trục này thường được

thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa.
b. Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray.
Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho
cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển. Loại này thường được thiết kế có trọng
tải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định. Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển
động: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn.
c. Cầu trục bốc xếp container.
Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển
động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển
giàn. Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai máy phát điện
đồng bộ. Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng
suất cao.
d. Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiển
chuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson).Đặc điểm công tác nổi
bật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất bốc xếp rất cao.
Được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container.
4


1.1.3 Cấu tạo cầu trục

Hình 1.1: Cấu trúc cần trục.
Cấu tạo cầu trục gồm 4 bộ phận chính:
-

Xe cầu: Gồm dần chính và khung giàn chính được chế tạo bằng thép có

độ cứng không gian đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh
xe của xe con. Hai đầu cầu được lien kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành

khung chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của các cầu trục được thiết
kế trên các dầm ngang của khung chữ nhật tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc
suất nhà xưởng.
-

Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con. Tùy theo công
dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoạc hai cơ cấu nâng. Xe con có thể di
chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển được trong
suất chiều ngang phân xưởng.

-

Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp nâng
và hạ. Cuối hai đầu cáp thường mắc palăng để đảm bảo nâng hạ trọng tải theo
phương thẳng đứng. Toán bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc, động cơ được đặt trên xe
con.

-

Cơ cấu phanh hãm:
5


Hình 1.2: Cơ cấu phanh hãm.
Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục.
Phanh dùng trong cầu trục có ba loại: Phanh gốc, phanh đĩa và phanh đai.
Nguyên lí hoạt động của ba loại phanh này tương đối giống nhau. Phanh đai
được mô tả như sau:
1. Má phanh
2. Cuộn dây nam châm phanh

3. Đối trọng phanh.
Nhờ những đặc điểm trên cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương
phủ kín mặt bằng nhà xưởng.
- Chuyển động theo phương thẳng đứng là chuyển động nhờ cơ cấu nâng
hạ đặt trên xe con.
- Chuyển động dọc theo phân xưởng là chuyển động của xe cầu.
- Chuyển động ngang theo phân xưởng là hệ thống chuyển động đặt trên
xe con.
1.2 Giới thiệu cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp container
1.2.1 Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu

6


Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dung PLC- bộ biến tần –động cơ
không đồng bộ cho cầu trục.
1.Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng với 3 trạng thái điều
khiển
2. Bộ mã hoá: Bộ mã hoá tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao công suất
tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu và truyền đi xa.
3. Bộ PLC: Bao gồm CPU, các đầu vào DI, các đầu ra DO kết nối với các hệ điều
khiển..
4. Thiết bị đóng cắt: Các côngtắctơ MC dung để đóng cắt cấp nguồn cho bộ
biến tần động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác.
5. Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để điều khiển điện áp, tần số cấp cho động cơ
theo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần…
6. Động cơ điện: Động cơ điện không đồng bộ Rôto lồng sóc dung để điều
khiển truyền động cho hệ thống.
7. Thiết bị quan sát: Máy phát tốc PG là thiết bị đo tốc độ cho tín hiệu dạng
xung.

8. Máy tính kết nối với hệ thống: Chức năng của PC là để điều khiển và giám
sát hệ thống.
7


1.2.2 Trang bị điện cơ cấu di chuyển xe con
Trên thực tế có rất nhiều cầu trục giàn bốc xếp Container như RTG, QC…
Dưới đây ta chỉ phân tích trang bị điện cơ cấu di chuyển xe con của cầu trục
giàn RTG.
Các thông số chính:
Hành trình của xe con: 19.07m
Tốc độ di chuyển của xe con: 70m/phút
Nguồn điện cấp cho động cơ: AC 440V, 60Hz, 3pha
Phanh hãm: Phanh đĩa điện từ 1 chiều.
Thông số động cơ di chuyển xe con
Công suất: 37KW
Tốc độ: 1750 vg/phút
Điện áp cấp: AC440V
Đặc tính: 60%ED
Nắp đậy TEFC
Sứ cách điện: Vật liệu cách điện cấp F
Loại: Lồng sóc
Số lượng: 1

8


1.2.3 Sơ đồ điện
dc reactor


braking resistor

1M

AC 440 V

2M

R6

E

R

U

S

V

T

W

E

THR
TH1

R0


T6

TH2

T0

RST2

T1
T - LINK T2
INV2
SD

IM

XB

PGP
PGM

CM

PA

T1

PB

PG


T2
SD
R2

Hình 1.4: Sơ đồ liên kết biến tần và động cơ di chuyển xe con

3MCB

AC 200V

AC 440 V
EMX1

24AMCB

EMX2 1M

26M

3CR
1MA
4CR

26M

HELS

20CR


5CR

BR

7CR

HOS

Hình 1.5: Cơ cấu cấp nguồn cho hệ thống và phanh
9


AC 100V

033.1

TFE

033.2

TRE

IVT1

3CR

IVT2

4CR


PL

IVT3

5CR

7CR

EPB3

EPB1

EPB4

EPB2

EMX1

EMX2

2

HOS

32

HELS

034.1


TFS

034.2

TRS

Hình 1.6: Sơ đồ các rơ le trung gian

A. Chức năng phần tử trong sơ đồ điện
Cơ cấu di chuyển xe con có động cơ truyền động được cấp nguồn từ bộ
biến tần FRN37VG7S-4, đặc điểm của cơ cấu này là động cơ hoạt động cơ chế
độ ngắn hạn lặp lại, điều khiển động cơ được thực hiện bằng tay trang trong
cabin điều khiển chính phía bên trái lựa chọ chế độ là việc bằng các nút ấn tại
bàn điều khiển.
INV3: Bộ biến tần số 3(FRN37VG7S-4).
IM: Động cơ truyền động chính là động cơ dị bộ rôto lồng sóc
PG: Máy phát xung
THR3: Nhiệt điện trở
BRT: Phanh thủy lực
24M: Tiếp điểm Côngtắctơ 24M cấp nguồn cho phanh thủy lực
IM: Côngtắctơ cấp nguồn chính cho bộ biến tần
MC-T: Tay điều khiển 11 vị trí
EMX1, EMX2: Dừng khẩn cấp
2M: Tiếp điểm phụ Côngtắctơ cấp nguồn cho bộ biến tần
3MCB: Tiếp điểm phụ của cầu dao cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe con
10


EPB3, EPB4, EPB1, EPB2: Các nút dừng khẩn cấp
4MCB: Tiếp điểm phụ cầu dao dừng cấp nguồn cho bộ biến tần

034: Công tắc giới hạn vị trí cuối hành trình
TFS, TRS: Rơle trung gian của xe con
RST2: Đặt chế độ làm việc cho bộ biến tần IVN3
20CR: Công tắc giới hạn chiều cao nâng
33.1: công tắc hạn vị gần cuối hành trình.
7CR: Rơle trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự
TFE, TRE: Rơle trung gian của xe con
INV1, INV2, INV3: Tiếp điểm phụ kiểm tra trạng thái hoạt động của biến tần
3CR, 4CR, 5CR: Các Rơle trung gian
PL: Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự
2: Bảo vệ nâng dưới định mức
HOS: Rơle bảo vệ tốc độ nâng định mức.
32: Dừng khẩn cấp khi nâng
HELS: Rơle trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố.
24M: Công tắc cấp nguồn cho phanh xe con.
B. Nguyên lí hoạt động cơ cấu dịch chuyển xe con
Sau khi đã thực hiện đầy đủ các thao tác cấp nguồn cho toàn bộ cầu trục
và xác định trạng thái có thể làm việc bằng các đèn hiệu trên bàn điều khiển, nếu
không có sự cố gì thì nguồn điện điều khiển, động lực đã được cấp để chờ hoạt
động.
Đưa tay điều khiển tiến hay lùi tương ứng với chiều dịch chuyển của xe
con. PLC xử lý và cấp tín hiệu điều khiển biến tần PWM để lấy điện áp ra tương
ứng với tốc độ dịch chuyển của xe con, lúc này nếu không có sự cố từ biến tần,
các cảm biến hành trình thì các tiếp điểm EMX1, EMX2, 3CR, 4CR, 5CR, 7CR,
HOS, HELS, IM bằng 1 cấp nguồn cho hai công tắc tơ 1M và 24M  các tiếp
điểm 1M, 24M bên mạch động lực đóng lại cấp nguồn cho bộ biến tần hoạt
động, đồng thời cấp nguồn cho cơ cấu phanh sẵn sàng hoạt động. Máy phát
xung PG đóng vai trò là khâu phản hồi tốc độ.
11



Khi đưa tay điều khiển lên mức tốc độ cao hơn thì bộ mã hóa 8 bit tiếp
nhận thông tin, thông tin này được xử lý và truyền tới đầu vào của PLC. PLC xử
lý cấp tín hiệu ra điều khiển bộ biến tần sao cho đầu ra của biến tần có điện áp
và tần số phù hợp với tốc độ đặt. Để tăng tính chính xác, hệ thống được xây
dựng theo sơ đồ mạch kín với máy phát xung PG đóng vai trò là khâu phản hồi
tốc độ.
Khi giảm tốc độ từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp ( xảy ra quá trình hãm
tái sinh), bộ điều khiển PLC thu nhận thông tin và tự động cấp tín hiệu công tắc
tơ 1M và cấp điện cho công tắc tơ 2M để trả năng lượng về nguồn. Sau khi quá
trình hãm tái sinh kết thúc công tắc tơ 1M có điện trở lại và công tắc tơ hãm 2M
mất điện động cơ làm việc bình thường ở chế độ xác lập mới.

12


Chương 2
THIẾT KẾ GIÁM SÁT CHO CƠ CẤU DI CHUYỂN XE CON
2.1 Giới thiệu tổng quan phương pháp điều khiển dung biến tần PWM
2.1.1 Bộ biến tần gián tiếp PWM điều chế độ rộng xung
Trong công nghiệp ngày nay khi quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá
ngày càng phát triển mạnh mẽ thì trong xản suất công nghiệp lại càng đòi hỏi có
những hệ thống truyền động điện có khả năng thay đổi tốc độ thường xuyên,
liên tục, dễ dàng với độ chính xác cao. Vấn đề điều chỉnh tốc độ là một trong
những vấn đề chính của truyền động điện, nó có ý nghĩa quan trọng đối với quá
trình công nghệ và sản xuất tiên tiến.
Việc điều chỉnh tốc độ của hệ thống có thể tiến hành bằng nhiều phương
pháp như: phương pháp thủy lực, cơ khí và điều khiển tần số là một phương
pháp điều khiển hiện đại nó cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
một cách trơn láng, phạm vi điều chỉnh rộng và đạt được hiệu quả cao.

Ngày nay, việc sử dụng biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung để điều
chỉnh điện áp và tần số cấp cho động cơ có nhiều ưu điểm:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị đặt mong muốn
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở
không đổi trong vòng điều chỉnh mômen.
- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số
- Độ tin cậy cao, với kỹ thuật tin học và điện tử công suất ngày càng phát
triển, các thiết bị bán dẫn và kỹ thuật biến đổi điện năng công suất lớn được đưa
vào sử dụng phổ biến thì ngày càng làm cho kỹ thuật điều chỉnh tốc độ đạt được
chỉ tiêu về chất lượng và kinh tế.
Việc sử dụng bộ biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung trong các thiết
bị nâng hạ, hệ thống cần cẩu đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc
độ rộng, điều khiển trơn, hãm dừng chính xác.
2.1.2 Nguyên lí hoạt động nói chung của bộ biến tần gián tiếp PWM
- Thiết bị biến tần
13


Bộ biến tần là bộ biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50 Hz)
sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ điện xoay chiều. BBT chia
làm 2 loại: Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) và bộ biến tần gián tiếp (có
khâu trung gian một chiều).
Bộ biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp năng lượng điện xoay chiều có
tần số, điện áp này (U1, f1) thành nguồn năng lượng điện có tần số, điện áp khác
(U2, f2). Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở những hệ thống có công
suất cao.
Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp (50Hz)
được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc
bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thành
điện áp 3 pha có tần số, điện áp biến đổi cung cấp cho động cơ.

- Bộ biến tần có điều biến độ rộng xung
Là bộ biến tần gián tiếp, điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu được lọc nhờ
tụ điện có trị số khá lớn, điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu
điều biến độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM). Các mạch nghịch
lưu bằng các tranzito ( MOSFET, IGBT ) được điều khiển theo nguyên lý PWM
đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng hình sin nhất.
- Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu
Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối như ở hình 2.1a, điện áp
ra U0 được lọc sao cho có dạng hình sin. Tải của nghịch lưu là động cơ, mang
tính cảm kháng, nên dòng điện i0 sẽ chậm pha so với điện áp U0 như ở hình
2.1b. Trong khoảng 1, điện áp U0 và dòng điện i0 đều mang dấu dương, trong
khi ở khoảng 3 chúng đều mang dấu âm, nên công suất tức thời sẽ được truyền
từ mạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế độ nghịch lưu của
bộ biến đổi. Ngược lại trong khoảng 2, 4 điện áp U 0 ngược dấu với điện áp i0,
dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về một chiều, tương ứng với chế
độ chỉnh lưu. Như vậy, mạch nghịch lưu hình 2.1a sẽ phải có khả năng làm việc
ở góc phần tư trên mặt phẳng (i0OU0) trong một chu kỳ điện áp lưới như minh
họa trên hình 2.1c
14


Hình 2.1: Nguyên tắc cơ bản của nghịch lưu 1 pha
- Các chế độ làm việc trong mặt phẳng
Nghịch lưu điều biến độ rộng xung được sử dụng để tạo điện áp đầu ra
của nghịch lưu có dạng hình sin với tần số đặt trước. Nguyên lý điều biến độ
rộng xung như sau: Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ được
so sánh với các xung hình tam giác. Tần số chuyển mạch của nghịch lưu (f cm)
bằng tần số xung tam giác (fcm) có giá trị không đổi. Tần số xung tam giác còn
gọi là tần số sóng mang. Tần số tín hiệu điều khiển (f đk) có tên là tần số điều
biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu.

a. Sơ đồ một pha.

+

+

Ud / 2

TA+

§A+

TB+

§B+

U0=UA0-UB0

+
Ud / 2
-

TA-

§A-

TB-

§B-


-

15


Hình 2.2: Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha
Các phần tử trong sơ đồ hình 2.2:
TA+, TA_, TB+, TB_ : các phần tử chuyển mạch.
TA+, TA_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa U rc
và điện áp điều khiển Uđk.
TB+, TB_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa U rc và
điện áp điều khiển (- Uđk).
Ud, id: điện áp và dòng điện ra của bộ chỉnh lưu.
U0: điện áp ra tải.
Dạng xung chuyển mạch PWM được biểu diễn trên hình 2.3

U

UX

Udk

t

-Udk
TB+ më
-Udk >UX

TB+ më
Udk >UX


Ud
Ud

U0 = UAN - UBN
U0
t

-Ud

Hình 2.3: Dạng xung ra chuyển mạch PWM
16


-Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển.
- Điện áp đầu ra nghịch lưu.
Ưu điểm của sơ đồ nghịch lưu điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là
tần số điện ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển mạch
thay đổi với trị số Ud so với 2Ud ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng cực. Do
tần số điện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành phần sóng hài
gấp đôi so với sơ đồ nghịch lưu điều biến với chuyển mạch điện áp lưỡng cực.
b. Mạch nghịch lưu 3 pha.
Sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn trên hình 2.4, gồm 3 nhánh, mỗi
nhánh tương tự như một nhánh của sơ đồ nghịch lưu một pha hình 2.2.
+

+

Ud / 2


TA+

§A+

§B+
TB+

-

§B+
TC+

+
TB-

TA-

Ud / 2

§A-

TC§B-

§B-

A

B

C


Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu ba pha
Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cả
biên độ và tần số điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một chiều
Ud không đổi. Để nhận được điện áp đối xứng ba pha, các điện áp điều khiển
hình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120 o được so sánh với cùng một điện áp
răng cưa. Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương pháp điều
biến điện áp đơn cực. Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn
trên hình 2.5.

17


U

UX

UdkA

UdkB

UdkC

0

t

UAB = UAN - UBN

Sèng c¬ b¶n

0

Ud
t

Hình 2.5: Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha
2.2 Các thiết bị đo và giám sát được sử dụng trong hệ thống
2.2.1 Các thiết bị đo và bảo vệ
- Rơ le nhiệt
Rơ le nhiệt bảo vệ quá tải cho hệ thống. Khi động cơ IM bị quá tải, nhiệt
điện trở THR3 bị tác dụng, tác động lên tiếp điểm nằm trong biến tần , ngắt
nguồn cấp cho động cơ.
- Rơ le trung gian
18


Khi xe con di chuyển gần tới cuối hành trình, các Rơ le trung gian TFS,
TRS bị tác động làm cho xe con di chuyển chậm lại ở phía cuối hành trình di
chuyển. khin tới cuối hành trình di chuyển, các Rơ le trung gian TFE hoặc TRE
bằng không thì PLC cấp tín hiệu cho cơ cấu phanh hoạt động dừng di chuyển
của xe con.
- Máy phát xung.
Máy phát xung PG được gắn với động cơ IM, có nhiệm phản hồi tốc độ
của động cơ truyền động IM dựa trên việc phát xung có tần số tỉ lệ với tốc độ
động cơ. Các xung này sẽ được chuyển đổi sang điện áp và phản hồi về bộ điều
khiển, nhờ đó ta có thể biết được tóc độ của động cơ truyền động và điều khiển
tốc độ cho cơ cấu di chuyển xe con.
2.2.2 Thiết bị điều khiển giám sát PLC S7-300
A.Thiết bị điều khiển logic khả trình
Thiết bị điều khiển logic khả trình ( Programmable Logic Control ), viết

tắt thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán đó
bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành
bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ trao đổi thông
tin với môi trường xung quanh(với các PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ
chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối
chương trình ( khối OB, FC hoặc FB ) và được thực hiện lặp theo chu kì của
vòng quét.

19


Hình 2.6 : Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ PLC.
1.

Khối vi xử lí trung tâm và hệ điều hành

2.

Bộ nhớ chương trình

3.

Bộ đệm vào ra

4.

Các timer

5.


Bộ đếm

6.

Bít cờ

7.

Cổng vào ra onboard

8.

Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

9.

Bus của PLC

10.

Quản lí ghép nối.
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải
có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí ( CPU ), một hệ
điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải có
các cổng vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông
tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều
khiển số, PLC phải cần có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm,
bộ thời gian.. và những khối hàm chuyên dụng.
B.Các module của PLC S7 - 300

* Modul CPU
Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông... và có thể có một vài cổng vào ra số. Các
cổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7 – 300 có nhiều loại modul CPU khác nhau. Nói chung
chúng được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó như modul CPU 312, modul
CPU 314.
Những CPU cùng sử dụng một loại vi xử lí, nhưng khác nhau về cổng vào ra
onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ
điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phân
20


biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function
Modul)
Ngoài ra còn có các loại CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền
thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất nhiên
kèm theo cổng truyền thông thứ 2 này là những phần mền tiện dụng dụng thích
hợp cũng đã được cài sẵn trong chương trình. Các loại CPU này được phân biệt
với các CPU khác bằng thêm cụm từ DP.
* Modul mở rộng
Các module mở rộng được chia thành 5 lại chính.
1.

PS ( Power supply ) : Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A, 10A.

2.

SM ( Signal module ) : Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm :
- DI ( Digital input ) : Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số


mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- DO ( Digital output ) : Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- DI/DO (Digital input/ Digital output) : Module mở rộng các cổng vào/ra số.
Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/ 8 ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ thuộc
vào từng loại module.
- AI ( Analog input ) : Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất
chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits ( AD ), tức là mối tín
hiệu tương tự được chuyển thành tín hiệu số có độ dài 12 bits. Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- AO ( Analog output ) : Module mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits ( DA ). Số các cổng ra
tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ thuộc vào từng loại module.
- AI/AO ( Analog input/ Analog output ) : Module mở rộng các cổng vào/ra
tương tự. Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ thuộc vào
từng loại module.
3. IM ( Interface module ) : Module ghép nối. Đây là loại module chuyên
dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một
21


khối và được quản lí chung bởi một CPU. Thông thường các module mở rộng
được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là thanh rack. Trên mỗi một thanh
rack chỉ có thể gá tối đa 8 module mở rộng ( không kể module CPU, module
nguồn nuôi ). Một module CPU S7 – 300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều
nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.
4. FM ( Function module ) : Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ
như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module
PID, module điều khiển vòng kín ...

5. CP ( Communication module ) : Moduel phục vụ truyền thông trong mạng
giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
2.3.3. Cấu trúc bộ nhớ của CPU.
1)

Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia làm
3 miền.
- OB ( Organisation block ) : Miền ch chương trình tổ chức.
- FC ( Function ) : Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
- FB ( Function block ) : Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì một một khối chương trình nào
khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là
DB-Data block ).

2)

Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được
phân chia thành 7 vùng khác nhau bao gồm :
- I ( Process image input ) : Miền bộ đệm các dữ liệu vào cổng số. Trước khi
bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu
vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng
không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng
vào từ bộ đệm I.
- Q ( Process image output ) : Miền bộ đệm các dữ liệu ra số. Kết thúc giai
đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới tất cả
22


các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận

cổng ra mà chỉ truyền chúng vào bộ đệm Q.
- M : Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu
gữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit ( M ), byte ( MB), từ
( MW ) hay từ kép ( MD ).
- T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian, bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt
trước ( PV - Preset value ), giá trị đếm thời gian tức thời(CV - Current value )
cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
- C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm, bao gồm lưu trữ giá trị đặt trước (PV Preset value ), giá trị đếm tức thời ( CV - Current value ) và giá trị logic đầu ra
bộ đếm.
- PI : Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự. Các giá trị tương tự tại
cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo
những địa chỉ. Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo
từng byte ( PIB ), từng từ ( PIW) hoặc theo từng từ kép ( PID ).
- PQ : Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự. Các giá trị tương tự
theo những địa chỉ này sẽ được các module tương tự chuyển tới các cổng ra
tương tự. Chương trình ứng dụng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng
byte ( PQB ), từng từ ( PQW) hoặc theo từng từ kép ( PQD ).
3)

Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia làm 2 loại :
- DB ( Data block ) : Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích
thước cũng như số lượng khối do người sử dụng qui định, phù hợp với từng bài
toàn điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit ( DBX ),
byte ( DBB ), từ ( DBW ), hoặc từ kép ( DBD ).
- L ( Local data block ) : Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương
trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến tức thời và trao đổi dữ liệu
của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số
dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong
OB, FC, FB. Miền này có thể truy cập từ chương trình theo bit ( L ), byte ( LB ),
từ ( LW ) hoặc từ kép ( LD ).

23


C.Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
Trong trạm PLC luôn có sự trao dổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng
thông qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại các cổng vào của
modul số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số. Cuối mỗi vòng quét nội
dung của bộ đệm ra số lại được CPU chuyển tới cổng ra của các modul số (DO).
Việc thay đổi nội dung 2 bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng
(user program). Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều
lệnh đọc ghi giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này
có thể đã bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình vẫn sẽ
luôn đọc được một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào tại đầu
vòng quét. Cũng như vậy nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị
cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có
giá trị ở lần thay đổi cuối cùng mới thực sự được đưa đến cổng ra vật lí của
modul DO.
Khác hẳn với việc đọc ghi cổng số, việc truy cập các cổng vào/ra tương tự lại
được CPU thực hiện trực tiếp với các modul mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi
lệnh đọc giá trị thuộc vùng PI sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có
tại cổng tại thời điểm thực hiện lệnh. Tương tự lệnh gửi một giá trị ( số nguyên
16 bit) tới địa chỉ vùng PQ, giá trị đó được gửi ngay tới cổng ra tương tự của
modul.
Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do đặc thù về sự tổ chức bộ nhớ và phân
chia địa chỉ của PLC. Chỉ có các modul vào/ra số mới có bộ đệm còn các modul
vào ra tương tự thì không, chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy cập ( địa chỉ
PI và PQ)
Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số cổng vào
ra của một trạm tương tự có thể có của một trạm. Chẳng hạn, thực chất các cổng
vào ra tương tự chỉ có thể có từ địa chỉ PIB256 đến địa chỉ PIB767 nhưng miền

địa chỉ của PI và PQ lại là từ 0 đến 65535. Điều này tạo khả năng kết nối các
24


cổng vào/ra số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng
dụng có thể truy cập trực tiếp các modul DI/DO mở rộng để có được giá trị tức
thời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q

Hình 2.7: Nguyên tắc trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng
D.Vòng quét chương trình
Nguyên tắc hoạt động của CPU là sử dụng vòng quét chương trình. Một vòng
quét được chia làm 4 giai đoạn :
- Giai đoạn 1 chuyển dữ liệu từ các cổng vật lí tới vùng đệm để chờ xử lí.
- Giai đoạn 2 thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình
được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1
- Giai đoạn 3 chuyển các nội dung từ bộ đệm ảo Q tới cổng ra vật lí
- Giai đoạn 4 là truyền thông nội bộ và kiểm tra

25