Thiết kế, chế tạo mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng phục vụ dạy học modul lập trình PLC cơ bản

Thiết kế, chế tạo mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng phục vụ dạy học modul lập trình PLC cơ bản

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.Tên đề tài: 2

2.Lý do chọn đề tài: 2

2.1 Yêu cầu nâng cao hiệu quả học tập các môn học thuộc lĩnh vực tự động hóa trong nhà trường 2

2.2 Tiếp tục hoàn thiện các mô hình phục vụ dạy học modun PLC của Viện Sư phạm kỹ thuật 2

3.Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu: 3

3.1 Mục tiêu của đề tài 3

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Nội dung của đề tài được chia thành 3 chương: 3

CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 4

1.1 Khái niệm về hệ thống đỗ xe ô tô tự động nhiều tầng 4

1.2 Một số loại bãi đỗ xe tự động 4

1.2.1 Bãi đỗ xe tự động dùng thang máy 4

1.2.2 Bãi đỗ xe tự động dạng xếp hình 5

1.2.3 Bãi đỗ xe tự động hệ thống xoay vòng đứng 5

1.2.4 Đỗ xe tự động hệ thống xoay vòng ngang 6

1.2.5 Đỗ xe tự động hệ thống tháp xe (Sky parking System) 6

1.2.6 Đỗ xe tự động hệ thống tầng di chuyển 7

1.3 Lựa chọn giải pháp cho bài toán thiết kế 8

1.3.1 Bộ phận truyền động 8

1.3.2 Bộ phận điều khiển 8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ XE GIA ĐÌNH TỰ ĐỘNG HAI TẦNG 9

2.1 Bài toán thiết kế 9

2.1.1 Yêu cầu thiết kế 9

2.1.2 Thống kê thiết bị sử dụng trong mô hình 10

2.1.3 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7-200 của Siemens 10

2.2 Thiết kế mô hình 14

2.2.1 Phần cơ khí 14

2.2.2 Phần điện 14

2.2.3 Lập trình phần mềm 15

CHƯƠNG 3 BIÊN SOẠN TÀI LIỆU DẠY HỌC MODUN LÂP TRÌNH PLC CƠ BẢN TRÊN MÔ HÌNH NHÀ XE GIA ĐÌNH TỰ ĐỘNG HAI TẦNG 18

3.1 Những vấn đề chung về đào tạo nghề theo modun năng lực thực hiện 18

3.1.1 Khái niệm chung về modun 18

3.1.2 Đào tạo nghề theo mô đun năng lực thực hiện 22

3.1.3 Yêu cầu đối với giáo viên trong đào tạo nghề theo năng lực thực hiện 23

3.2 Biên soạn tài liệu dạy học mô đun PLC trên mô hình thiết kế 24

3.2.1 Giới thiệu mô đun « Đào tạo PLC cơ bản » 24

3.2.2 Biên soạn tài liệu hỗ trợ giáo viên trong đào tạo PLC cơ bản 24

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Phụ lục 28

ĐẶT VẤN ĐỀ 1.Tên đề tài:

Thiết kế, chế tạo mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng phục vụ dạy học modul

Tuy nhiên việc học trong nhà trường còn nặng tính lý thuyết, sinh viên ít được thựchành, các phòng thực hành còn thiếu thốn về trang thiết bị nên hiệu quả việc dạy và họccủa các môn thuộc lĩnh vực này còn rất hạn chế

Một phương pháp để nâng cao hiệu quả việc dạy và học các môn thuộc lĩnh vực này

là bổ xung các mô hình thực hành gắn với các bài toán thực tế và tăng thời lượng thựchành để nâng cao tay nghề của sinh viên, đồng thời giúp sinh viên tiếp cận ngay với cácứng dụng thực tế để có thể làm việc ngay khi tốt nghiệp mà không phải đào tạo lại

2.2 Tiếp tục hoàn thiện các mô hình phục vụ dạy học modun PLC của Viện Sư phạm

kỹ thuật

Trong một vài năm gần đây, phương thức đào tạo trong hệ thống nghề nghiệpchuyển sang phương thức đào tạo theo modul năng lực thực hiện Một trong những điềukiện quan trọng để có thể tiến hành tổ chức dạy học theo modul năng lực thực hiện đó là

đội ngũ giáo viên Theo thống kê hiện nay số giáo viên trong các cơ sở dạy nghề đáp ứng

đủ điều kiện dạy học theo modul năng lực thực hiện chỉ chiếm 40% Là một đơn vị đào

tạo giáo viên cho hệ thống dạy nghề, làm thế nào để sinh viên tốt nghiệp ra trường có thể tiếp cận ngay với phương thức đào tạo theo modul năng lực thực hiện là một nhiệm

vụ cấp thiết đặt ra đối với Viện Sư phạm kỹ thuật, trường ĐHKH Hà Nội Một trongnhững giải pháp đặt ra là cho sinh viên tiếp cận với phương thức đào tạo này thông quaviệc học tập tại Viện Modun Lập trình PLC cơ bản đã được lựa chọn để giúp sinh viênlàm quen với dạy và học theo modun Các mô hình thực hành gắn với các bài toán thực tế

đã và đang được sinh viên năm cuối của một vài khóa gần đây thiết kế và chế tạo khi làm

3.Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

3.1 Mục tiêu của đề tài

- Thiết kế, chế tạo mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng

- Xây dựng tài liệu dạy học modun PLC cơ bản cho giáo viên và sinh viên trên môhình nhà xe gia đình tự động hai tầng

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu thực tế về các bãi đỗ xe tự động và lựa chọn giải pháp cho bài toán thiết kếnhà xe gia đình tự động hai tầng sử dụng bộ điều khiển PLC

- Tìm hiểu về PLC S7-200 của Siemens

- Thiết kế, chế tạo mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng sử dụng bộ điều khiển PLC

- Tìm hiểu về modun và dạy học theo modun

- Biên soạn tài liệu dạy học modun PLC trên mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng

4 Nội dung của đề tài được chia thành 3 chương:

Chương 1: Những vấn đề chung về bãi đỗ xe tự động

Chương 2 Thiết kế mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng

Chương 3 Biên soạn tài liệu dạy học modun “Lập trình PLC cơ bản”

CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BÃI ĐỖ XE TỰ ĐỘNG

1.1 Khái niệm về hệ thống đỗ xe ô tô tự động nhiều tầng

Hệ thống đỗ xe ô tô tự động nhiều tầng được hình thành để giải quyết những hạnchế của các bãi đỗ xe truyền thống hiện nay như: dễ bị mất cắp phụ tùng xe nếu vị trí đỗ

xe không lắp camera an ninh, người lái xe không có kinh nghiệm phải mất nhiều thờigian để đưa xe vào vị trí đỗ xe chật hẹp (đôi khi gây ra ùn tắc cục bộ), khó kiểm soát khíthải và tiếng ồn khi xe di chuyển trong khu vực đỗ xe, người lái xe mất rất nhiều thời gian

để tìm chỗ đỗ và tìm ra xe của mình khi lấy xe, tốn diện tích…

Hệ thống đỗ xe ô tô tự đông nhiều tầng là loại kết cấu có trang bị hệ thống nâng để

di chuyển xe ô tô từ mặt đất lên điểm đỗ xe ở trên cao (đối với loại hệ thống nổi) hoặcchuyển xe xuống điểm đỗ ô tô dưới lòng đất (đối với loại hệ thống ngầm) một cách hoàntoàn tự động, không cần người lái Sau khi đưa xe vào phòng xe, bộ phận điều khiển sẽ tựđộng đưa xe vào vị trí đỗ, người lái xe không cần thao tác bất kỳ động tác nào ngoài việcbấm nút số xe (hoặc nhận thẻ từ hệ thống) Khi cần lấy xe ra, hệ thống điều khiển nhậnthông tin từ người gửi để ra các quyết định thích hợp để đưa xe đến điểm trả xe cố định,lái xe chỉ cần lấy xe ra từ điểm cố định này

1.2 Một số loại bãi đỗ xe tự động

1.2.1 Bãi đỗ xe tự động dùng thang máy

`

Với hệ thống đỗ xe tự động dùng thang máy, lái xe sẽ đưa xe vào buồng thang máy, thang nâng

xe đến tầng đỗ xe, lái xe đưa xe ra khỏi thang máy và lái xe vào vị trí đỗ xe

Đặc điểm bãi đỗ xe tự động dùng thang máy:

Hình 1.1 Bãi đỗ xe tự động dùng thang máy

- Tiết kiệm diện tích đường di chuyển nội bộ của xe khi lên xuống giữa các tầng

bên trong bãi đỗ xe, tuy nhiên vẫn tốn diện tích di chuyển cho xe trong từng tầng

- Tốc độ nâng hạ chậm do có xe và người Với hệ thống một thang máy thì thời

gian lấy xe ra vào rất lâu

Lắp thông dụng cho các công trình

qui mô nhỏ (1 tầng hầm đỗ xe)

để tăng số lượng đỗ xe trí đỗ xe

Thời gian lấy xe lâu (bình quân 2.5

xoay vòng đứng có thể xoay thuận

chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ

(hoặc 1 chiều)

Dễ tháo lắp

- Chỉ thích hợp với các loại xe nhỏ Hình 1.3 Bãi đỗ xe tự động kiểu xoay vòng đứng

1.2.4 Đỗ xe tự động hệ thống xoay vòng ngang

1.2.5 Đỗ xe tự động hệ thống tháp xe (Sky parking System)

Là hệ thống đỗ xe tự động dạng tháp nhiều tầng Có thể là tháp độc lập hoặc nằmbên trong tòa nhà, 70 xe có thể đổ trên diện tích 7.3 m x 6.4 m = 46.7 m2, chiều cao tháptương ứng 75m, 35 tầng (hoặc xếp dọc 3,6 m x 17 m = 61.2 m2) Tốc độ tiêu chuẩn 90 m/

ph, tối đa có thể đạt 140m/p, vận hành êm và an toàn Điều khiển đơn giản với màn hìnhcảm ứng (Touch screen)

Hệ thống đỗ xe tự động lắp ngầm

dưới mặt đất, phù hợp cho mặt bằng nhỏ

hẹp, Tốc độ thang nâng 20-40m/p, tốc độ di

chuyển ngang 20-30m/p Số lượng xe tối

ưu của hệ thống: 6-38 xe Điều khiển đơn

giản với màn hình cảm ứng (Touch screen)

ngang rất phù hợp cho các công trình tòa

nhà có qui mô đỗ xe nhỏ Hình dạng khu

đất thường là hình gần vuông với hai cạnh

gần bằng nhau.

Hình 1.5 Hệ thống xoay vòng ngang

Hệ thống đỗ xe tự động sky parking truyền thống là có 2 cột xe đối xứng, nhưngtùy theo diện tích đất, để tăng số lượng xe chúng ta có thể có 3- 5 – 5 – 6 cột xe Nhưngthời gian lấy xe trung bình sẽ tăng lên theo số lượng xe.

Số lượng xe tối ưu là 70 xe

1.2.6 Đỗ xe tự động hệ thống tầng di chuyển

Đặc điểm:

- Loại tháp đỗ mỗi bên thang 1 xe là loại

hệ thống có thể lấy xe cực nhanh kể cả số lượng

xe nhiều (thời gian lấy xe tối đa cho hệ thống 60

xe là 1.5 phút, bình quân 1 phút / 1 xe)

- Hệ thống đỗ xe tự động sky parking tiết

kiệm diện tích đất hẹp, phía sau hoặc bên hông

nhà cao tầng

- Giá thành cao hơn các loại khác nhưng

vận hành êm, ít gây tiếng ồn

- Lắp đặt nhanh chóng và có thể tháo dỡ di

chuyển khi cần

Hình 1.6 Hệ thống tháp xe

Đặc điểm:

- Sử dụng pallet hoặc robot

- Bảo dưỡng dễ dàng hơn (do mỗi tầng

có 1 trolley hoạt động riêng biệt)

- Do mỗi tầng có 1 bộ trolley nên giảm

thiểu thời gian nhận và trả xe

- Thời gian nhận và trả xe có thể giảm

tùy theo số lượng thang nâng được lắp

đặt

Hình 1.7 Hệ thống tầng di chuyển

1.3 Lựa chọn giải pháp cho bài toán thiết kế

Với quy mô hộ gia đình sử dụng hai xe thì hệ thống đỗ xe tự động dùng thang máy

là một giải pháp phù hợp

Hệ thống gồm hai bộ phận chính:

1.3.1 Bộ phận truyền động

Dùng nâng/hạ buồng thang

Có hai cách để nâng/hạ buồng thang: Dùng kích thủy lực hoặc động cơ kéo

Để phục vụ dạy học modun Lâp trình PLC cơ bản nên trong mô hình sử dụng động cơ kéo.

1.3.2 Bộ phận điều khiển

Điều khiển hệ thống hoạt động theo yêu cầu cho trước

Có 2 phương pháp điều khiển:

- Điều khiển nối cứng: Sự hoạt động của thiết bị được xác định bằng mạch

nối giữa các phần tử khác nhau Thay đổi hoạt động dẫn tới thay đổi mạch nối

- Điều khiển mềm: Sự hoạt động của thiết bị được xác định bằng chương trình

do bộ xử lý hoạt động theo chu kỳ Thay đổi hoạt động dẫn đến thay đổi chương trình.Điều khiển mền có thể được thực hiện bằng PLC, vi điều khiển (μC-Micro Controller)hay máy tính (PC-Personal Computer) Trong đó với μC và PC người lập trình có thể đưavào tất cả thiết kế của mình và như vậy công nghệ đáp ứng yêu cầu của người thiết kế,không sẵn sàng đáp ứng trong môi trường công nghiệp còn PLC được chế tạo chuyên biệtcho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp

Trong mô hình sử dụng bộ điều khiển PLC S7-200 của Siemens.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ XE GIA ĐÌNH TỰ ĐỘNG HAI TẦNG

2.1 Bài toán thiết kế

2.1.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế mô hình nhà xe gia đình tự động hai tầng hoạt động theo nguyên lý sau:

- Thiết bị sẽ bắt đầu nâng nếu thỏa mãn 1 trong 2 điều kiện:

+ Ở khay dưới không có xe và cảm biến phát hiện có xe ở cửa trước củathiết bị

+Khay dưới đang ở dưới mặt đất và người dùng ấn nút nâng.

- Khi thiết bị đã nâng đủ chiều cao cho phép (bánh xe motor quay đủ quãng đườngxác định là x vòng) thì động cơ sẽ dừng nâng

Trạng thái treo(Dừng nâng)

- Thiết bị sẽ bắt đầu hạ nếu thỏa mãn 1 trong 2 điều kiện:

+ Sau 5s kể từ khi các cảm biến xác nhận người dùng lấy xe ra khỏi khaydưới

+ Khay dưới đang ở trên mặt đất và người dùng ấn nút hạ Khi ấn nút hạ

nếu khay dưới có xe thì thiết bị sẽ ghi nhớ trạng thái này

- Khi thiết bị đã hạ đủ chiều cao cho phép (bánh xe motor quay đủ quãng đườngxác định là x vòng) thì động cơ sẽ dừng hạ

Trạng thái nghỉ (Dừng hạ)

2.1.2 Thống kê thiết bị sử dụng trong mô hình

2 Nút nhấn thường mở 2 Chọn chế độ nâng/hạ buồng thang

5 PLC S7-200, CPU 224 1 Điều khiển hoạt động của mô hình

cơ quay thuận/nghịch

2.1.3 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7-200 của Siemens

PLC S7-200 là thiết bị điều khiển khả trình của hãng Simens, nó được ra đời từnhững năm 70 của thể kỷ trước để thay thế cho các bộ điều khiển kiểu Rơle.Ngay từ khi ra đời nó đã nhanh chóng thể hiện được những ưu thế vượt trội và được ứngdụng rất rộng rãi trong các hệ thống tự động hoá sản xuất Được nhập vào thị trường ViệtNam từ năm 1996, các thế hệ đầu tiên được sản xuất tại USA Thành phần cơ bản của S7– 200 là khối vi xử lý Về hình thức bên ngoài sự khác biệt của các loại CPU này đượcnhận biết nhờ số đầu vào/ra

PLC S7-200 có cấu trúc kiểu modul bao gồm:

 Module nguồn (PS): có nhiệm vụ tạo ra điện áp một chiều 24V ổn định cung cấpcho CPU và các Module mở rộng hoạt động Điện áp cung cấp cho bộ nguồn làđiện áp lưới xoay chiều 220V, 50Hz

 Module CPU: với bộ vi xử lý, Module CPU có chức năng thực hiện các thuật toánđiều khiển, liên kết hoạt động của các module và thực hiện truyền thông đơn giản

 Module mở rộng gồm có: các Module vào ra số (DI/DO), các Module vào ratương tự (AI/AO) các Module giao diện truyền thông (IM) và các Module chứcnăng (FM) khác:

- Module vào ra số (DI/DO): có nhiệm vụ thu nhận và đưa ra tín hiệu số vớiđiện áp 24 VDC để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

Bảng 2.1 Bảng thống kê thiết bị sử dụng trong mô hình

- Module vào ra tương tự (AI/AO): thực hiện chức năng giao tiếp vớithiết bị ngoại vi có tín hiệu tương tự dạng: 0 - 20 mA, 4 - 20 mA, 0 - 5 V,

0 -10 V …

- Module chức năng (FM): có vai trò thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đónhư: điều khiển vị trí, điều khiển động cơ bước, động cơ servo, máy biếntần…

Các module này được sử dụng với các mục đích khác nhau và được ghép nốivới CPU thông qua hệ thống Bus nội bộ:

Tốc độ xử lí

Số đầu vào ra mở rộng

AI/AO:( 8AI và 02AO )DI/DO:( 40DI và 38DO)

Số Timer/Counter 256 Counter(16 bit),

256 timer

256 Counter(16 bit),

256 timer

Hz

24VDC hoặc 220 VAC, 50Hz

DI/DO: (94DI và 74DO)

AI/AO: ( 28AI và 10AO )hoặc 16AO

DI/DO: ( 94DI và 74DO)

220 VAC, 50 Hz

24VDC hoặc

220 VAC, 50 Hz

+2 bộ 32 bit (fmax =200kHz)

mạch

24 VDCcó bảo vệ ngắnmạch

(MPI, PPI, COM)

2 RS485 (MPI, PPI, COM)

mạch

24 VDCcó bảo vệ ngắnmạch

2.2.2.2 Mạch lực và Sơ đồ đấu nối đầu vào

2.2.3 Lập trình phần mềm

Phần mềm lập trình điều khiển nhà xe, được lập trình bằng ngôn ngữ LAD Giản đồ thang Cho PLC S7-200

Chương trình:

CHƯƠNG 3 BIÊN SOẠN TÀI LIỆU DẠY HỌC MODUN LÂP TRÌNH PLC CƠ

BẢN TRÊN MÔ HÌNH NHÀ XE GIA ĐÌNH TỰ ĐỘNG HAI TẦNG

3.1 Những vấn đề chung về đào tạo nghề theo modun năng lực thực hiện

3.1.1 Khái niệm chung về modun

3.1.1.1 Khái niệm về modun

Mô đun có nguồn gốc từ thuật ngữ Latinh “ modulus” với nghĩa đầu tiên là mựcthước, thước đo Trong kiến trúc xây dựng La mã nó được sử dụng như một đơn vị đo.Đến giữa thế kỷ 20, thuật ngữ modulus mới được truyền tải sang lĩnh vực kỹ thuật Nóđược dùng để chỉ các bộ phận cấu thành của các thiết bị kỹ thuật có các chức năng riêngbiệt có sự hỗ trợ và bổ sung cho nhau, không nhất thiết phải hoạt động độc lập

Mô đun mở ra khả năng cho việc phát triển, hoàn thiện và sửa chữa sản phẩm.Đặc điểm căn bản của Mô đun là: tính độc lập tương đối- tính tiêu chuẩn hoá vàtính lắp lẫn

Mô đun đào tạo có nguồn gốc từ USA, lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1869tại trường đại học Harward với mục tiêu: tạo điều kiện cho sinh viên có khả năng lựachọn các môn học ở các chuyên ngành

Trong đào tạo có nhiều khái niệm về mô đun:

- Mô đun là một đơn vị học tập liên kết tất cả các yếu tố của các môn học lý thuyết ,

kỹ năng, các kiến thức liên quan để tạo ra một trình độ

- Mô đun là một đơn vị học tập trọn vẹn và có thể được thực hiện theo cá nhân hoá

và theo một trình tự xác định trước để kết thúc mô đun

- Mô đun là một đơn vị trọn vẹn về mặt chuyên môn vì vậy, nhờ những điều kiện

cơ bản mỗi Mô đun tương ứng với một khả năng tìm việc Điều đó có nghĩa khikết thúc thành công mỗi mô đun sẽ tạo ra những khả năng cần thiết cho tìm việclàm Đồng thời, mỗi mô đun có thể hình thành một bộ phận nhỏ trong chuyên môncủa một người thợ lành nghề

- Mô đun chia quá trình đào tạo ra làm các thành tố đơn giản Mỗi thành tố hoặc Môđun được xác định bởi mục đích kỹ năng tiên quyết phải có, nội dung và độ dàithời gian Thường thì mô đun nhấn mạnh vào phát triển năng lực hơn là kiến thứcđạt được, tạo khả năng cho người thợ nhanh chóng thích nghi với môi trườngnghề nghiệp và có thể được cấp chứng chỉ