thiết kế, chế tạo mô hình dây chuyền dập nút chai điều khiển plc

thiết kế, chế tạo mô hình dây chuyền dập nút chai điều khiển plc

Mục lục

Lời nói đầu 3

Chương 1 5

Tổng quan về dây chuyền dập nút chai vμ Bộ điều khiển logic khả trình PLC 5

1.1 Tổng quan về dây chuyền dập nút chai 5

1.1.1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất nói chung 5

1.1.2 Cấu trúc vμ chức năng của các thμnh phần trong dây chuyền dập nút chai 10

1.2 Bộ điều khiển logic khả trình PLC 21

1.2.1 Khái quát chung về bộ điều khiển logic khả trình 21

1.2.2 Thiết bị điều khiển logic khả trình S7-200 của SIEMENS 27

Chương 2 34

tính toán động học tay máy dập nút chai 34

2.1 Xây dựng phương trình động học tay máy 34

2.2 Xác định các hệ toạ độ 35

2.3 Giải bμi toán động học thuận tay máy 36

2.4 Giải bμi toán động học ngược tay máy 39

Chương 3 42

tính toán, thiết kế tay máy dập nút chai 42

3.1 Các yêu cầu về tính toán thiết kế tay máy dập nút chai 42

3.2 Thiết kế sơ bộ 42

3.3 Tính toán, thiết kế băng tải 45

3.4 Tính chọn động cơ vμ hộp giảm tốc 46

3.5 Chọn trục vítme cho cơ cấu nâng hạ tay máy 51

Chương 4 52

ứng dụng PLC điều khiển dây chuyền dập nút chai 52

4.1 Điều khiển dây chuyền dập nút chai 52

4.1.1 Hệ thống điều khiển theo trình tự vμ hệ thống điều khiển tổ hợp 52 4.1.2 Chức năng của hệ thống điều khiển 53

4.1.3 Sơ đồ khối chức năng ứng dụng PLC 54

4.1.4 Giới thiệu về giao diện điều khiển dùng LabVeiw 55

4.2 Mô tả hoạt động của dây chuyền dập nút chai 61

4.2.1 Các thμnh phần ghép nối 63

4.2.2 Quá trình hoạt động của hệ thống 64

4.2.3 Kết luận vμ đánh giá kết quả đạt được 65

Kết luận 68

Tμi liệu tham khảo 69

Phụ lục 70

Phụ lục 1: Thuật toán chương trình 70

Phụ lục 2: Chương trình điều khiển dây chuyền dập nút chai 74

Phụ lục 3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ 86

Lời nói đầu

Ngμy nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật,

điện tử, tự động hoá, việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hoá vμo các dây chuyền sản xuất lμ rất quan trọng Nó đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của các ngμnh công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, giá thμnh hạ, giảm bớt sức lao động cho con người, năng suất lao

động nhờ thế mμ được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung

Trong những năm gần đây, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) được

sử dụng ngμy cμng rộng rãi trong công nghiệp như lμ một giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa quá trình sản xuất Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ điều khiển logic khả trình đã đạt được những ưu thế cơ bản trong những ứng dụng điều khiển công nghiệp, đó lμ dễ dμng lập trình

vμ lập trình lại, nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp, cấu tạo nhỏ gọn vμ giá thμnh thấp so với

hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơle Vì vậy việc học tập, nghiên cứu vμ ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển lμ một nhu cầu rất cần thiết

Sau thời gian đi thực tập tốt nghiệp tại các nhμ máy, được tham quan

các dây chuyền sản xuất Tôi đã nhận đề tμi tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo

mô hình dây chuyền dập nút chai điều khiển PLC” Với mục đích lμ

nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình vμ ứng dụng nó vμo việc xây dựng hệ thống điều khiển dây chuyền dập nút chai Xây dựng mô hình dây chuyền từ các thiết bị có sẵn trên thị trường, mở ra một hướng mới về việc thiết kế chế tạo dây chuyền đóng gói với giá thμnh thấp, không phải sử dụng các hệ thống, thiết bị ngoại nhập đắt tiền

Nội dung đồ án gồm các chương:

- Chương 1: Tổng quan về dây chuyền dập nút chai vμ Bộ điều khiển logic khả trình PLC

- Chương 2: Tính toán động học tay máy dập nút chai

- Chương 3: Tính toán, thiết kế tay máy dập nút chai

- Chương 4: ứng dụng PLC để điều khiển dây chuyền dập nút chai

Trong đó, nhiệm vụ của các thμnh viên như sau:

1.Phạm Đức Tuân

-Tìm hiểu tổng quan về dây chuyền dập nút chai

-Tính toán động học, viết chương trình điều khiển

2 Nguyễn Hoμng Linh

-Tính toán, thiết kế mô hình cơ khí

-Viết giao diện điều khiển dây chuyền dập nút chai

Tôi xin chân thμnh cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Nguyễn

Đức Anh vμ các thầy giáo trong bộ môn Cơ điện tử & Chế tạo máy đặc biệt

cũng như các thầy giáo trong khoa Hμng Không Vũ Trụ đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình lμm đồ án

Hμ nội, ngμy 05 tháng 6 năm 2009

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoμng Linh Phạm Đức Tuân

Chương 1 Tổng quan về dây chuyền dập nút chai vμ Bộ điều

khiển logic khả trình PLC

Nội dung chương 1 sẽ đề cập đến những khái niệm, cấu trúc chức

năng của các thμnh phần chủ yếu trong dây chuyền dập nút chai Khảo sát

các thiết bị của hệ thống, những vấn đề trọng tâm lμ nguyên lý hoạt động của các phần tử cảm biến vμ chấp hμnh, sự nối ghép giữa chúng với hệ thống điều khiển, các thμnh phần vμ nguyên lý hoạt động của hệ thống, lμm

cơ sở cho việc xây dựng hệ thống điều khiển ứng dụng PLC

1.1 Tổng quan về dây chuyền dập nút chai

1.1.1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất nói chung

* Một số mô hình dây chuyền dập nút chai có trong thực tế

Mỏy chiết rút và siết nắp chai tự động

- Kớch thước : L5000xW2400xH2200

- Cụng suất: Max : 3600 Chai/h

- Số lượng: 01 cỏi

- Nguồn: 1 pha – 220V hoặc 3 pha – 380V

- Vật liệu : bọc khung sườn bằng Inox SS304

- Trọng lượng mỏy: Tuỳ cụng suất mỏy

- Điều khiển bằng bộ lập trỡnh PLC, màn hỡnh HMI linh hoạt cho quỏ trỡnh điều khiển

- Cấp nắp tự động cho cỏc loại chai

- Hệ sensor quang, từ, giỏm sỏt và bảo vệ cho mỏy

- Dễ: Thao tỏc, vệ sinh, bảo hành bảo dưỡng

- Ứng dụng: cho cỏc loại chai

Dây chuyền cchiết nnước mmắm vvμ đđóng cchai ttự đđộn

Chúng tôi, xin giới thiệu cụ thể về nhμ máy sản xuất nước khoáng AVA, nằm trên quốc lộ 1B, trên đường đi Bắc Sơn, thuộc thị trấn La Hiên huyện Võ Nhai thμnh phố Thái Nguyên ( Cách trung tâm thμnh phố Thái Nguyên 20km) Công suất trung bình của nhμ máy lμ khoảng 800 đến 1000 thùng / 1 ca sản xuất ( Mỗi thùng 24 chai x 500ml), sản phẩm chính lμ nước khoáng thiên nhiên đóng chai Dây chuyền dập nút chai của nhμ máy, lμ một dây chuyền hiện đại vμ hoạt động rất hiệu quả

Nhμ máy nước khoáng AVA có tất cả 2 dây truyền sản xuất, được trang bị 8 động cơ để thực hiện truyền động cho các máy,trong đó mỗi một dây truyền gôm có 4 máy sản xuất chính:

ư 2 máy rửa chai

ư 1 máy chiết chai

ư 1 máy đóng nút chai

Tất cả 8 động cơ của 2 dây truyền nμy đều lμ các động cơ không

đồng bộ xoay chiều 3 pha trong đó:

ư D1,D2,D3,D4 lμ 4 động cơ thực hiện việc rửa chai

Hình 1.1a: Máy rửa chai

−D5,D6 lμ 2 động cơ thực hiện việc dịch chuyển băng tải vμ hệ thống kéo xilanh bằng xích

Hình 1.1b: Động cơ băng tải máy chiết chai

−D7,D8 lμ 2 động cơ thực hiện thao tác vặn nút chai.Quá trình vặn nút chai

đ−ợc thực hiện hoμn toμn bằng khí nén, 2 động cơ D7 vμ D8 chỉ thực hiện

thao tác quay mâm đặt các xilanh

Hình 1.1c: Máy vặn nút chai

Từ dây chuyền sản xuất thực tế của nhμ máy, chúng ta có thể hiểu tổng quát về một dây chuyền phải bao gồm những thiết bị gì

Một dây chuyền sản xuất nhất thiết phải bao gồm các hệ thống sau:

- Hệ thống nguồn nuôi:

Có thể lμ điện áp 1pha 220V hoặc ba pha 380V Thông thường các dây chuyền sản xuất cỡ vừa vμ nhỏ thường sử dụng điện áp 1 pha 220 VAC để lμm nguồn cung cấp cho toμn bộ hệ thống

- Bộ xử lý trung tâm:

ở các hệ thống cũ thường dùng các hệ thống rơle, khởi động từ (contactor) lμm hệ thống điều khiển trung tâm Ngμy nay đa phần các dây truyền sản xuất đều sử dụng các thiết bị xử lý công nghiệp như các thiết bị

vi xử lý onchip hoặc bộ điều khiển logic khả trình PLC Với các ưu điểm lμ tốc độ xử lý nhanh, độ tin cậy cao, dễ dμng trong việc cμi đặt vμ thay đổi chương trình

- Các thμnh phần cảm biến:

Các dây chuyền công nghiệp hiện nay thường sử dụng loại cảm biến

vị trí kiểu quang điện để phát hiện vật ưu điểm lμ nhỏ gọn vμ tin cậy vμ có

độ chính xác cao Các cảm biến nμy sẽ đưa tín hiệu đến đầu vμo của bộ xử

lý trung tâm để điều khiển dây chuyền Các cảm biến nμy cũng có thể lμ các công tắc hμnh trình

- Hệ thống mạch động lực:

Thường sử dụng các khởi động từ để điều khiển các động cơ xoay chiều Ngoμi ra còn sử dụng rơle để điều khiển động cơ một chiều hoặc các thiết bị khác như lμ các thiết bị điện tử công suất (Thyristor) Có thể lμ các rơle van khí để vận hμnh các cơ cấu chấp hμnh khí nén

- Các cơ cấu chấp hμnh:

Tùy vμo mục đích hoạt động của từng dây chuyền, Cơ cấu chấp hμnh

có thể lμ các động cơ một chiều, xoay chiều, các cánh tay thủy lực khí nén

1.1.2 Cấu trúc vμ chức năng của các thμnh phần trong dây chuyền dập nút chai

Hình 1.1c: Sơ đồ khối chức năng của dây chuyền dập nút chai

a) Bảng điều khiển trung tâm

Có nhiệm vụ điều khiển quá trình vận hμnh của dây truyền ở hai chế

độ tự động (auto) hoặc bằng tay (manual) Bảng điều khiển trung tâm gồm

có các bộ phận nh− lμ các nút ấn, công tắc

Bảng điều khiển dây chuyền dập nút chai

Bộ xử

lý trung tâm (plc)

Khối hiển thị

Cơ cấu chấp hμnh(Động cơ 1 chiều)

* Nút ấn:

Nút ấn còn gọi lμ nút điều khiển, lμ loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu, chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu, liên động, bảo vệ…ở mạch điện một chiều điện áp đến 440V vμ vμ mạch điện xoay chiều điện áp đến 500V tần

số 50, 60 Hz

Hình 1.2a: Cấu tạo nút ấn Hình 1.2b: Hình chụp thực tế nút ấn

* Công tắc:

Lμ loại khí cụ điện đóng ngắt dòng điện bằng tay kiểu hộp, dùng để

đóng, ngắt, đổi nối không thường xuyên mạch điện có công suất không lớn (dòng điện đến 400A, điện áp một chiều 220V vμ điện áp xoay chiều 380V)

Công tắc đổi nối kiểu hộp thường lμm cầu dao tổng cho các máy công cụ, dùng lμm đổi nối, khống chế trong các mạch điện tự động Nó cũng được dùng lμm mở máy đảo chiều quay, hoặc đổi nối dây quấn stato

động cơ từ sao (Y) sang tam giác (Δ)

Hình 1.3: Cấu tạo công tắc

Hình vẽ mô tả hình dạng của một công tắc Khi xoay núm 4, nhờ hệ thống lo xo nằm trong 5 xoắn lại, lực lò xo sẽ lμm quay trục 7, các tiếp

điểm động 2 gắn trên trục 7 sẽ chém vμo các tiếp điểm tĩnh 1 Lực ép tiếp

điểm ở đây nhờ lực đμn hồi của má tiếp điểm động Mỗi pha được ngăn cách với nhau bằng tấm cách điện 6 Các tấm cách điện 3 được lμm bằng vật liệu cách điện, mục đích lμm cho các tiếp điểm động chuyển động dễ dμng

b) Cảm biến (Sensor):

Lμ thiết bị cảm biến dùng để phát hiện chai vμ đếm số chai trong dây chuyền Trong dây truyền sử dụng loại cảm biến thu phát quang E3S-DS30E4 của hãng OMRON Có thể điều chỉnh được khoảng cách từ 30 cm

đến 10cm thông qua núm vặn trên cảm biến Cảm biến lμ kiểu NPN với 2 chân nguồn (nguồn nuôi có thể cho phép từ 10 ữ 30 VDC) vμ 1 chân tín hiệu âm Trong đó dây nâu (Brown) dây nối với dương (+) nguồn, dây xanh (Blue) nối đất vμ dây đen (Black) lμ chân tín hiệu ra (Out) Trên cảm biến

có một đèn báo nguồn (mμu xanh) vμ một đèn bμo phát hiện vật (mμu đỏ) Dây tín hiệu của senso ta nối thẳng vμo cổng vμo của PLC, không phải thông qua điện trở, vì trong đầu vμo của PLC đã treo sẵn điện trở

Hình 1.4a: Mạch ghép nối đầu vμo

Hình1.4b: Hình chụp thực tế cảm biến

c) Công tắc hμnh trình:

Khi cần dừng máy hoặc chuyển đổi trạng thái với độ chính xác cao

(0,3 đến 0,7 mm) thì sử dụng loại công tắc hμnh trình tế vi Hình vẽ lμ cấu

tạo của một kiểu công tắc hμnh trình tế vi

Hình 1.5: Cấu tạo của công tắc hμnh trình

d) Cơ cấu chấp hμnh:

Tuỳ các nhiệm vụ cụ thể mμ cơ cấu chấp hμnh có thể thực hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay Trong dây chuyền nμy sử dụng tổng cộng lμ 7 cơ cấu chấp hμnh( 7 động cơ 1 chiều ), cụ thể nh− sau:

Động cơ1: Chạy băng chuyền

Động cơ2: Thực hiện chuyển động lên, xuống của tay máy

Động cơ3: Thực hiện chuyển động quay của tay máy

Động cơ4: Thực hiện chuyển động vặn nút của tay máy

Động cơ5: Thực hiện chuyển động gắp mở nút

Đông cơ 6&7: Thực hiện việc định vị chai để kẹp nút

e) Mạch động lực

IRF540 Q1

R3 1K

5 V

12 V

R2 10K

RELAY

3 4 5 6 8 7 1

R1 10K

5 V

Cong DK 1

R2 1K

V CC Re lay

D2 DL4001/CY L C1 104

Cong DK 2

C1 104

MOTOR

R4 1K

D1 DIODE

Q2 C1815

Octo 1

1 2 4

3

Octo 2

1 2 4

3

V CC M otor

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch lực điều khiển động cơ

Chức năng của mạch lực lμ cung cấp điện, điều khiển đảo chiều vμ

điều khiển tốc độ cho động cơ một chiều chấp hμnh Mạch sử dụng loại rơle

8 chân Chân 1 vμ chân 2 dùng để điều khiển cuộn hút rơle Hai bộ tiếp

điểm riêng biệt (bộ 3,4,5 vμ bộ 6,7,8) trong đó 3,4 vμ 6,8 lμ các cập tiếp

điểm thường kín, 3,5 vμ 6,7 lμ các cặp tiếp điểm thường hở Trong mạch còn sử dụng 1 transistor công suất lớn IRF 540, một trasistor loại nhỏ C1815, hai bộ cách ly quang vμ các điện trở tụ điện

Bộ cách ly quang thực chất lμ một cặp Led thu phát được gắn cố định với nhau Khi Led phát không có dòng chạy qua tức lμ chân 1 được nối lên 5V qua điện trở 1K , còn chân 2 nối với cổng điều khiển ở mức cao 5V thì bên Led thu có điện trở rất cao, mạch không thông Còn khi cổng điều khiển ở mức thấp 0V thì có dòng điện chạy qua Led phát, nhờ đó Led thu nhận được ánh sáng vμ có điện trở rất thấp, nối thông mạch Như vậy việc truyền tín hiệu giữa 2 phía của bộ cách ly hoμn toμn dựa trên hiện tượng quang điện nên không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu xung điện, vì thế nó đã lμm nhiệm vụ cách ly phần mạch điều khiển với phần mạch lực nơi có rất nhiều nhiễu

Các trạng thái hoạt động của động cơ:

Cổng điều khiển1 Cổng điều khiển 2 Động cơ

lμm nắp chuyển động Lực hút điện từ có quan hệ F = 2

2 δ

Ki

Vậy lực hút

điện từ F tỉ lệ nghịch với bình phương chiều dμi kẽ hở vμ tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện

Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của rơle điện từ

1 Cuộn dây; 2 Mạch từ; 3 Lò xo nhả; 4 Hệ thống tiếp điểm; 5 Cữ chặn Trong dây truyền sử dụng loại rơle điện từ một chiều LY2N của hãng OMRON Với chức năng lμm thμnh phần trong mạch động lực điều khiển

động cơ, có nhiệm vụ đóng mở các tiếp điểm để cấp điện hoặc đảo chiều

động cơ Rơle có 8 chân hai cặp tiếp điểm thường kín vμ hai cặp tiếp điểm thường hở Điện áp tiêu thụ 12 VDC Dòng tiêu thụ 75 mA Điện trở cuộn dây 160Ω Độ tự cảm cuộn dây lúc không hoạt động lμ 0,73H, lúc hoạt

động lμ 1,37H Điện áp nhỏ nhất để đóng lμ 80% điện áp định mức Điện áp lớn nhất để nhả lμ 10% điện áp định mức Điện áp chịu được lớn nhất lμ 110% điện áp định mức Công suất tiêu thụ khoảng 0,9W Tiếp điểm có khả năng chịu được điện áp 240VAC vμ 28VDC, dòng 10A (các thông số nμy

được đo đạc vμ tính toán trong điều kiện nhiệt độ 230C)

f) Động cơ một chiều DC motor

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vì vậy

động cơ 1 chiều đ−ợc dùng nhiều trong các ngμnh công nghiệp có yều cầu cao về điều chỉnh tốc độ Hơn thế nữa nó còn có −u điểm lμ đơn giản vμ dễ dμng trong thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ (giá thμnh bộ điều khiển

tốc độ rẻ)

Nh−ợc điểm của động cơ một chiều so với động cơ xoay chiều lμ giá thμnh đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại mμu hơn, chế tạo vμ bảo quản cổ góp phức tạp Không tin cậy khi điều khiển động cơ ở tốc độ thấp Nh−ng do −u

điểm của nó nên động cơ một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất

Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo của động cơ một chiều

* Điều chỉnh vận tốc trong động cơ một chiều

Các động cơ một chiều thường được sử dụng trong các máy có độ chính sác cao nên yều cầu về điều chỉnh được vận tốc êm trơn trong phạm

vi nhất định trở nên hết sức cần thiết Muốn vậy, người ta tác động vμo một

đại lượng nμo đó trong mạch điện Vận tốc quay của động cơ một chiều phụ thuộc vμo nguồn cung cấp U, điện trở dây quấn phần ứng Ru vμ từ thông cực từ φ

n =

φ

e

u u

C

R I

Thay đổi điện áp nguồn cung cấp U Khi điện nguồn vμo tăng động cơ quay nhanh Khi điện áp nguồn giảm, động cơ quay chậm Phương pháp nμy cho phép điều chỉnh trơn trong một phạm vi rộng lại không gây tổn hao năng lượng vô ích, giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên thường

được sử dụng trong máy cắt gọt kim loại Để điều khiển được tốc độ phải cần có bộ nguồn thay đổi như máy phát điện một chiều, bộ nắn điện hay mạch điều chỉnh điện tử, nên vốn đầu tư cơ bản vμ chi phí vận hμnh cao

Thay đổi điện trở dây quấn phần ứng Rubằng cách đấu nối tiếp với

nó một biến trở Khi điện trở tăng, động cơ quay chậm Khi điện trở giảm,

động cơ quay nhanh Phương pháp nμy cho khả năng điều chỉnh trơn, dễ thực hiện do thiết bị thay đổi đơn giản

Thay đổi từ thông cực từ φ bằng cách thay đổi dòng kích từ Khi dòng kích từ tăng, động cơ quay chậm Khi dòng kích từ giảm động cơ quay nhanh Phương pháp nμy cho khả năng điều chỉnh trơ vμ rộng, có thể

điều chỉnh tốc độ vô cấp, tổn hao năng lượng không đáng kể, thiết bị đơn

zgiản Phương pháp nμy được dùng để điều chinh tốc độ cho các máy mμi vạn năng, máy bμo giường

Còn có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ như lμ, Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ)…

Vμ một trong các phương pháp hay được sử dụng để điều khiển tốc

độ động cơ công suất nhỏ lμ phương pháp điều chế bề rộng xung (PWM)

Trong dây truyền sử dụng loại động cơ một chiều 24VDC của hãng TSUKASA ELECTRIC cho các cơ cấu như băng tải, cơ cấu nâng hạ, cơ cấu quay tay máy, cơ cấu xoay nắp chai Vμ các động cơ một chiều khác cho các cơ cấu tay kẹp, cơ cấu trục vít di truyển Trong đó các cơ cấu trục vít di truyển sử dụng loại động cơ không có hộp số (vì yêu cầu tốc độ di truyển nhanh do khoảng cách các răng trục vít lμ tương đối nhỏ)

Hình 1.9: Hình chụp các loại động cơ sử dụng trong dây chuyền

Tủg Tng T

Utb

Ud U

t0

1.2 Bộ điều khiển logic khả trình PLC

1.2.1 Khái quát chung về bộ điều khiển logic khả trình

a) Giới hiệu về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, lμ thiết bị điều khiển logic lập trình được, hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình PLC lμ loại thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các quá trình từ đơn giản đến phức tạp Người sử dụng có thể viết chương trình vμ biên dịch chương trình (bằng các thiết bị lập trình chuyên dụng) rồi nạp vμo bộ nhớ PLC Hoạt động cơ bản của PLC lμ kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vμo, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện chương trình trong bộ nhớ vμ tạo ra tín hiệu

điều khiển các thiết bị bên ngoμi Tuy nhiên cần phải có mạch khếch đại công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính thông thường (được coi lμ máy tính xử lý dữ liệu, chuyên dùng với chức năng sử lý dữ liệu vμ hiển thị) trong khi PLC lμ máy tính điều khiển quá trình, hay còn gọi lμ máy tính công nghiệp vì chúng có những đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

b) ưu điểm của PLC

*Trong ứng dụng điều khiển

- Dễ dμng trong lập trình, cho phép nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển

- Ngôn ngữ lập trình truyên dùng, dễ hiểu vμ dễ sử dụng

*VÒ phÇn cøng

- CÊu t¹o nhá gän so víi nhiÒu m¹ch ®iÒu khiÓn t−¬ng ®−¬ng

- CÊu tróc module cho phÐp dÔ dμng thay thÕ, t¨ng kh¶ n¨ng (nèi thªm c¸c module më réng vμo/ra) vμ thªm chøc n¨ng chuyªn dïng (nèi thªm c¸c module chuyªn dïng)

- §¬n gi¶n trong b¶o d−ìng vμ söa ch÷a

- ViÖc kÕt nèi d©y vμ møc ®iÖn ¸p tÝn hiÖu ngâ vμ vμ ngâ ra ®−îc chuyÓn hãa

- Gi¸ trμnh ngμy cμng thÊp

c) CÊu tróc c¬ b¶n cña PLC

CÊu tróc cña PLC gåm cã c¸c thμnh phÇn c¬ b¶n:

• Khèi xö lý trung t©m (Central Procesing Unit – CPU)

• Bus hÖ thèng (System Bus)

• Khèi ghÐp nèi vμo/ra (Input/Output Interface)

• Bé nhí trong (Internal Memory)

• Nguån cung cÊp (Power supply)

H×nh 1.10: CÊu tróc cña PLC

* Khối xử lý trung tâm CPU

Đây lμ bộ não của hệ thống, có chức năng điều khiển vμ giám sát toμn bộ hoạt động của hệ thống bằng cách thực hiện tuần tự các lệnh trong

bộ nhớ Bên trong CPU gồm có các mạch điều khiển, khối thuật toán vμ logic, các thanh ghi chuyên dụng vμ thanh ghi dữ liệu tạm thời Hoạt động cơ bản của CPU lμ: đọc lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh, phát tín hiệu điều khiển các thμnh phần khác vμ xử lý dữ liệu

* Bus hệ thống

Bus hệ thống phục vụ cho việc chuyền thông tin giữa các thμnh phần

trong hệ thống Thông tin được truyền trong hệ thống dưới dạng nhị phân

Bus hệ thống có các bus:

Bus địa chỉ: bus địa chỉ lμ bus một chiều, khi CPU muốn truy cập đến một thμnh phần nμo đó thì nó cung cấp địa chỉ của thμnh phần đó lên bus nμy, tín hiệu địa chỉ qua bộ giải mã địa chỉ kích hoạt thμnh phần tương ứng

Bus dữ liệu: bus dữ liệu lμ bus hai chiều, dùng để truyền tải dữ liệu giữa các thμnh phần trong hệ thống

Bus điều khiển: CPU sử dụng bus điều khiển để cung cấp các tín hiệu

điều khiển vμ nhận các tín hiệu thông báo từ các thμnh phần

* Khối ghép nối vμo/ra

Khối ghép nối vμo:

Có các chức năng nhận tín hiệu từ các thiết bị như các cảm biến, chuyển mạch biến đổi các tín hiệu vμo thμnh mức điện áp một chiều, thực hiện cách ly tĩnh điện nhờ bộ ghép nối quang, tạo tín hiệu logic chuẩn đưa

Hình 1.11: Sơ đồ mạch ghép nối vμo

Khối đầu tiên nhận tín hiệu từ các cảm biến, chuyển mạch Nếu tín hiệu vμo lμ điện áp xoay chiều thì bộ biến đổi chỉnh lưu thμnh điện áp một chiều có giá trị nhỏ Đầu ra của bộ biến đổi không được đưa trực tiếp đến các mạch trong PLC nhằm tránh cho nó khỏi ảnh hưởng của mạch ngoμi Phải có mạch cách ly để bảo vệ các mạch trong PLC Mạch cách ly thường

sử dụng bộ ghép nối quang

1

2

4

3

Tín hiệu được chuẩn hóa về mức logic để đưa vμo hệ thống

Hình 1.12a: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối vμo

Khối ghép nối ra:

Khối ghép nối ra hoạt động tương tự như khối ghép nối vμo: tín hiệu một chiều chuẩn từ trong PLC qua các mạch biến đổi đến các đầu ra vật lý cho phép điều khiển trực tiếp các tải một chiều vμ xoay chiều công suất nhỏ vởi các mức điện áp khác nhau Bộ ghép nối quang cũng được sử dụng để

tr¸nh cho c¸c m¹ch bªn trong PLC khái ¶nh h−ëng cña c¸c thiÕt bÞ bªn ngoμi

H×nh 1.13: M¹ch giao tiÕp kiÓu r¬le

Nh− vËy, mÆc dï c¸c m¹ch bªn trong PLC lμm viÖc víi tÝn hiÖu chuÈn 5V mét chiÒu, nh−ng nhê cã m¹ch ghÐp nèi nªn cã thÓ nèi trùc tiÕp PLC víi phô t¶i mét chiÒu hoÆc xoay chiÒu cã c¸c møc ®iÖn ¸p kh¸c nhau

* Bé nhí trong

Bộ nhớ trong lμ loại bộ nhớ bán dẫn, có ưu điểm lμ tương thích về kích thước vμ mức logic với các thμnh phần khác của hệ thống, tốc độ truy cập cao, năng lương tiêu thụ thấp PLC sử dụng các loại bộ nhớ:

- RAM chứa chương trình vμ dữ liệu của người sử dụng

- RAM lμm bộ đệm cho các tín hiệu vμo/ra vμ cho các đối tượng khác (bộ đếm, định thời )

- ROM chứa chương trình hệ thống vμ dữ liệu cố định được CPU sử dụng Dữ liệu tong ROM được nhμ sản xuất nạp vμo vμ không thay

đổi trong suốt quá trình sử dụng sau nμy

- EEPROM để lưu cố định chương trình của người sử dụng cũng như những dữ liệu cần thiết mμ người dùng lựa chọn

Một phần hoặc toμn bộ RAM có thể được nuôi bằng tụ điện hoặc nguồn pin bên ngoμi Chương trình của người sử dụng được nạp vμo RAM, sau đó tự động nạp vμo EEPROM để có thể lưu giữ vĩnh cửu

* Khối nguồn cung cấp

Khối nμy có chức năng biến đổi nguồn điện áp bên ngoμi thμnh các mức điện áp phù hợp cung cấp cho các thμnh phần của PLC Ngoμi ra PLC còn có một mạch tạo xung điện, gọi lμ động hồ hệ thống (System clock), để tạo xung đồng bộ cho sự hoạt động của các thμnh phần

d) Hoạt động cơ bản của một hệ thống PLC

Trong quá trình hoạt động, CPU đọc trạng thái của tất cả các thiết bị ngoại vi thông qua các đầu vμo, sau đó thực hiện chương trình trong bộ nhớ Sau khi thực hiện xong chương trình lμ giai đoạn truyền thông nội bộ vμ chuẩn đoán lỗi Cuối cùng CPU sẽ gửi tín hiệu điều khiển các thiết bị thông qua các đầu ra số Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu đầu vμo, thực hiện chương trình, truyền thông nội vμ tự kiểm tra lỗi, gửi tín hiệu tới các đầu ra được gọi lμ một vòng quét (Scan Cycle) Việc thực hiện một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn

1.2.2 Thiết bị điều khiển logic khả trình S7-200 của SIEMENS

S7-200 lμ thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của SIEMENS

Nó có thể điều khiển một cách đa dạng cho những ứng dụng tự động Một

hệ thống PLC S7-200 đơn giảm gồm có một module CPU S7-200, máy tính cá nhân, phần mềm chương trình STEP7-Micro/WIN vμ một cáp kết nối

Hình 1.14 Hệ thống PLC S7-200 đơn giản

Module CPU S7-200 gồm có một khối sử lý chung tâm CPU, nguồn cung cấp, các đầu vμo/ra số tích hợp, cổng truyền thông Có thể tăng thêm các đầu vμo ra số cũng như các chức năng chuyên dùng khác bằng các module mở rộng

a) Khái niệm về một chương trình PLC S7-200

STEP 7 - Micro/win cung cấp địa chỉ tuyệt đối cho tất cả các vùng nhớ Ta có thể truy cập vμ xác định rõ bằng cách nhập địa chỉ vμo (ví dụ: I0.0 cho điểm đầu vμo đầu tiên) STEP7 - Micro/win cũng cho phép ta định nghĩa các tên biểu tượng cho các địa chỉ tuyệt đối Một địa chỉ tuyệt đối của vùng nhớ không chỉ cho biết vùng nhớ mμ còn cho biết kích thước dữ liệu

được truy cập (có thể lên đến 4byte): B (byte) W (word hoặc 2 byte) D (double word hoặc 4 byte) Địa chỉ tuyệt đối cũng cho biết cả chỉ số có thể

lμ số của byte từ vị trí bắt đầu của vùng nhớ (offset) hoặc chỉ số thiết bị

b) Khái niệm về ngôn ngữ lập trình

CPU S7-200 có thể được lập trình bằng ba ngôn ngữ cơ bản sau:

Phương pháp hình thang (Ladder Logic - LAD):

LAD lμ phương pháp lập trình bằng đồ họa Khi viết chương trình trong Ladder, ta tạo ra các bộ phận hình học từ các Network logic Các

phần tử trong Ladder tương ứng lμ các phần tử của hệ thống điều khiển

Phương pháp hình thang được sử dụng rộng rãi vì nó có tính trực quan, đơn giản, rất thuận tiện cho người mới bắt đầu lập trình

Phương pháp liệt kê lệnh (Statement List - STL)

Lμ phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh Phương pháp nμy cho phép ta tạo các chương trình điều khiển bằng cách nhập mã gợi nhớ của lệnh Phương pháp liệt kê phù hợp cho những người lập trình chuyên nghiệp

Phương pháp biểu đồ khối chức năng (Function Block Diagram - FDB):

Phương pháp nμy sử dụng các khối hộp để biểu diễn các công logic (AND,OR, NOT) vμ các hμm thực hiện chức năng (định thời, đếm, toán học…) Có các đường nối giữa các hộp để tạo thμnh mạch logic theo yêu cầu, vì vậy phương pháp nμy tương tự như việc thiết kế mạch số

c) Các thμnh phần cơ bản cho cấu trúc của một chương trình

CPU S7-200 trực tiếp thực hiện chương trình điều khiển các công việc hoặc các quy trình Ta có thể viết chương trình với STEP7-Micro/WIN

vμ nạp nó vμ CPU Từ chương trình chính ta có thể gọi ra các chương trình con khác hoặc các chương trình xử lý ngắt

Chương trình cho CPU S7-200 có cấu trúc từ ba thμnh phần cơ bản: chương trình chính, chương trình con (tùy chọn), chương trình xử lý ngắt (tùy chọn)

viết sau lệnh kết thúc chương trình chính END Để kết thúc một chương trình con ta sử dụng lệnh RET

Chương trình xử lý ngắt: lμ một bộ phận của chương trình chính Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt thì phải viết sau lệnh kết thúc chương

trình chính END Để kết thúc chương trình xử lý ngắt ta sử dụng lệnh

RETI

d) Hiểu về một vòng quét của CPU

CPU S7-200 được thiết kế để thực hiện một chuỗi các công việc, bao gồm cả chương trình, một cách tuần hoμn Sự thực hiện các công việc có tính tuần hoμn nμy gọi lμ vòng quét (Scan cycle) Trong mỗi vòng quét, CPU thực hiện hầu hết hoặc toμn bộ các công việc sau:

• Đọc các đầu vμo

• Thực hiện chương trình

• Xử lý các yều cầu truyền thông

• Thực hiện tự chuẩn đoán

• Viết các đầu ra

Hình 1.18 Sơ đồ một vòng quét

Chuỗi các công việc được thực hiện trong vòng quét phụ thuộc vμo chế độ hoạt động của CPU CPU S7-200 có hai chế độ vận hμnh: chế độ STOP vμ chế độ RUN Sự khác nhau chính giữa hai chế độ nμy lμ chương trình chính được thực hiện trong chế độ RUN mμ không được thực hiện trong chế độ STOP

e) Lựa chọn chế độ vận hμnh của CPU

Thay đổi chế độ vận hμnh với STEP 7-Micro/WIN

Ta có thể sử dụng STEP 7-Micro/WIN để thay đổi chế độ hoạt động của CPU Để có thể thay đổi được bằng phần mềm ta phải bật công tắc chế

độ trên CPU sang một trong hai chế độ RUN hoặc TERM

Thay đổi chế độ hoạt động từ chương trình

Ta có thể dùng lệnh STOP trong chương trình để thay đổi CPU sang chế độ STOP Nó cho phép ta dừng thực hiện chương trình tại bất kỳ đoạn chương trình logic nμo khi thêm lệnh STOP vμo nơi đó

f) Bộ nhớ CPU (loại dữ liệu vμ chế độ địa chỉ)

CPU S7-200 cung cấp các vùng bộ nhớ chuyên dùng lμm cho việc sử

lý dữ liệu nhanh hơn vμ hiệu quả hơn

* Duy trì bộ nhớ cho CPU S7-200

CPU cung cấp một số phương pháp để đảm bảo chương trình, dữ liệu chương trình vμ dữ liệu cấu hình cho CPU được lưu lại một cách thích hợp CPU cung cấp một EEPROM để lưu giữ thường xuyên toμn bộ chương trình, các vùng dữ liệu tùy chọn vμ dữ liệu cấu hình cho CPU

CPU cung cấp một siêu tụ điện để duy trì nội dung của RAM sau khi ngắt nguồn khỏi CPU Tùy thuộc vμo từng module CPU mμ tụ có thể duy trì RAM trong vμi ngμy

Một số module CPU có thể dùng thêm hộp pin nhằm lμm tăng thời gian duy trì nội dung của RAM sau khi mất nguồn Hộp pin chỉ cấp nguồn sau khi tụ điện đã phóng hết

g) Các đầu vμo/ra điều khiển

Đầu vμo vμ đầu ra lμ hệ thống các đầu điều khiển: Đầu vμo giám sát tín hiệu từ các thiết bị (như lμ cảm biến, công tắc) vμ đầu ra để điều khiển bơm, động cơ hoặc các thiết bị khác trong quy trình Ta có thể có các đầu vμo/ra tích hợp (cung cấp bởi CPU) hoặc đầu vμo/ra mở rộng (cung cấp bởi các module mở rộng) Module CPU S7-200 cũng cung cấp đầu vμo/ra tốc

độ cao

* Đầu vμo/ra tích hợp vμ mở rộng

- Module CPU S7-200 cung cấp một số các đầu vμo/ra số, số lượng các

đầu vμo/ra phụ thuộc vμo từng loại CPU

- Module CPU cũng cho phép cμi đặt thêm các đầu vμo/ra mở rộng số vμ tương tự

h) Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI lμ 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do lμ từ 300 đến 38400

đó đi kèm theo máy lập trình

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua công truyền thông RS-232 cần

có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485

• Cấu trúc CPU 214

• CPU- 214 bao gồm 14 đầu vμo vμ 10 đầu ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng

• 2.048 từ đơn ( 4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ ghi non- volatile để lưu

chương trình( vùng nhớ có giao diện với EEPROM)

• 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 Khz vμ 7 Khz

• 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM

• 2 bộ điều chỉnh tương tự

• Toμn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190

giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp

Bộ điều khiển lập trình được PLC-S7 200, CPU214

Chương 2 tính toán động học tay máy dập nút chai

2.1 Xây dựng phương trình động học tay máy

Theo quan điểm động học, một tay máy có thể được biểu diễn bằng

một chuỗi động học hở, gồm các khâu được liên kết với nhau bằng các khớp Một đầu của chuỗi được gắn lên thân, còn đầu kia nối với phần công tác Thao tác trong quá trình lμm việc đòi hỏi phần công tác phải được định

vị vμ định hướng chính xác trong không gian Động học tay máy giải quyết

2 lớp bμi toán:

- Lớp bμi toán thuận căn cứ vμo các biến khớp để xác định vùng lμm việc của phần công tác vμ mô tả chuyển động của phần công tác trong vùng lμm việc của nó;

- Lớp bμi toán ngược, xác định các biến khớp để đảm bảo chuyển động cho

trước của phần công tác

Trong đại đa số các trường hợp, tay máy lμ một chuỗi động hở, được

cấu tạo bởi một số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp Một đầu của chuỗi nối với giá (Base), còn đầu kia nối với phần công tác Mỗi khâu

hình thμnh cùng với khớp phía trước nó một cặp khâu - khớp Tuỳ theo kết cấu của mình mμ mỗi loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định

Mỗi khớp (thực chất lμ cặp khâu - khớp) được đặc trưng bởi 2 loại thông số:

- Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình lμm việc của tay máy

được gọi lμ tham số

- Các thông số thay đổi khi tay máy lμm việc được gọi lμ các biến khớp

Hai loại khớp thông dụng nhất trong kỹ thuật tay máy lμ khớp trượt

vμ khớp quay Chúng đều lμ loại khớp có một bậc tự do

Ta có thể xác định phương trình động học của tay máy theo công thức D_H(Denavit – Hartenberg), gồm các bước sau:

Gọi: Cát tuyến vuông góc chung giữa trục khớp i-1 vμ i lμ u iư1

Cát tuyến vuông góc chung giữa trục khớp i vμ i+1 lμ u i

Lập hệ toạ độ động, gắn tên các khớp như hình vẽ sau:

Các tham số trên hình vẽ: l1=65(cm), d1=10(cm), a1=30(cm), a2=20(cm), 4

d =3(cm), a=50(cm) Trong đó các biến khớp lμ: d1, d4, θ θ2, 3 Khớp tịnh tiến lμ d d1 2, Khớp quay lμ θ θ2, 3

Riêng đối với khớp tịnh tiến thứ nhất ta không đặt hệ toạ độ tại tâm khớp

mμ ta đặt ở chân đế cho tiện tính toán(Vì giá đỡ khớp 1 liền với đất)

Ta xây dựng mô hình tay máy 3D trong Inventer, sau đó để tiện cho tính toán, thiết kế ta chuyển sang dạng 2D như hình vẽ dưới

2.3 Giải bμi toán động học thuận tay máy

Giải bμi toán động học thuận lμ việc khảo sát bμi toán khi biết trước chương trình chuyển động vμ cần xác định quy luật thay đổi của các thông

số động học đặc trưng cho sự chuyển động của các khâu Chương trình

chuyển động được biểu thị bằng các hμm iq (t) ( iq lμ toạ độ suy rộng hoặc

lμ biến khớp ) Cụ thể, trong trường hợp nμy, nếu các biến khớp được cho trước thì ta cần đi tìm vị trí vμ hướng của tay kẹp tại mọi thời điểm Việc nμy hoμn toμn lμm được bằng việc giải hệ phươg trình động học Tóm lai,

thông số đầu vμo của bμi toán thuận lμ tập biến khớp iq vμ thông số đầu ra

lμ toạ độ vị trí vμ hướng của tay kẹp

Riêng đối với khớp tịnh tiến thứ nhất ta không đặt hệ toạ độ tại tâm khớp mμ ta đặt ở chân đế cho tiện tính toán(Vì giá đỡ khớp 1 liền với đất )

cos0 -sin0.cos0 sin0.sin0 0.cos0

sin0 cos0.cos0 -cos0.sin0 0.sin0

cosθ -sinθ cos0 sinθ sin0 a cosθ

sinθ cosθ cos0 -cosθ sin0 a sinθ

cosθ -sinθ cosπ -cosθ sinπ 0.cosθ

sinθ cosθ cosπ -cosθ sinπ 0.sinθ

cos0 -sin0.cos0 sin0.sin0 0.cos0

sin0 cos0.cos0 -cos0.sin0 0.sin0

= (cosθ +sinθ ).sinθ +cosθ sinθ -cosθ cosθ sinθ sinθ -cosθ cosθ 0 a sinθ

2.4 Giải bμi toán động học ngược tay máy

Nhiệm vụ của bμi toán động học ngược lμ xác định được bộ nghiệm

i

q (t) sao cho tay máy thực hiện được các chuyển dịch chuyển theo một quỹ

đạo cho trước Lời giải bμi toán chính lμ cơ sở chủ yếu để xây dựng chương

trình điều khiển chuyển 20động của tay máy bám theo một quỹ đạo cho

trước Thông số đầu vμo của bμi toán nμy lμ toạ độ vị trí vμ hướng của tay

kẹp(quỹ đạo công tác) vμ đầu ra lμ tập biến khớp iq

Xuất phát từ phương trình động học cơ bản của tay máy, ta có:

= (cosθ +sinθ ).sinθ +cosθ sinθ -cosθ cosθ sinθ sinθ -cosθ cosθ 0 a sinθ

được 4 phương trình độc lập với các ẩn số lμ iq (i=1,2,3,4) Do đó toμn bộ