Đồ án điều khiển tự động dùng plc

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy +/ Thiết lập chu trình hoạt động của các cơ cấu chấp hành và chọn phơng án điều khiển.. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Cán bộ hớng dẫn Trần Đỡnh Sơn

Đại học Đà Nẵng Cộng hòa x hội chủ nghĩa việt namã hội chủ nghĩa việt nam Trờng đại học bách khoa Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-  

Khoa : Cơ khí

Bộ môn : Chế tạo máy Nhiệm vụ

Thiết kế đồ án môn học

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Quang Đức

Ngụ Văn Minh

NHểM : 03B

Chuyên ngành : Chế tạo máy

1 Tên đề tài : Thiết Kế Mỏy Đếm Tỏo Tự Động

2 Các số liệu ban đầu : Các số liệu tính toán sinh viên tự chọn.

3 Nội dung thuyết minh :

3.1 Lời nói đầu

3.2 Tổng quan (tổng hợp những vấn đề liên quan đến đề tài) ( 3 – 5 trang) 3.3 Thiết kế máy

+ Xác định các tính năng kỹ thuật của máy thiết kế (1 – 2 trang)

+/ Thiết kế nguyên lý của máy (1 – 2 trang)

+/ Các tính toán cơ bản cho máy thiết kế (xác định các thông số động học , các thông số của cơ cấu chấp hành, tính toán công suất nguồn truyền động, ) (2 –

4 trang)

3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy

+/ Thiết lập chu trình hoạt động của các cơ cấu chấp hành và chọn phơng

án điều khiển (2 – 4 trang)

+/ Lý thuyết về kỹ thuật điều khiển ứng dụng cho đề tài (10 -15 trang)

+/ Thiết kế hệ thống điều khiển (3 – 5 trang)

3.5 Chế tạo mô hình (các cơ cấu sử dụng trong mô hình, sơ đồ mạch điều khiển

- mạch lắp ráp và ảnh chụp mô hình) (3 – 5 trang)

3.6 Tài liệu tham khảo; Phụ lục (nếu có).

4 Các loại bản vẽ :+/ Bản vẽ sơ đồ nguyờn lý : 1A3 hoặc A4

+/ Bản vẽ kết cấu máy : 1A0 +/ Bản vẽ sơ đồ mạch điều khiển, mạch lắp ráp : 1A0

5 Cán bộ hớng dẫn: Trần Đỡnh Sơn

6 Ngày giao nhiệm vụ:

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Cán bộ hớng dẫn

Trần Đỡnh Sơn

LỜI NểI ĐẦU

Hiện nay trong cụng nghiệp hiện đại húa đất nước, yờu cầu ứng dụng tự động húa ngày càng cao vào trong sản xuất đời sống sinh hoạt, sản xuất (yờu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ…) Mặt khỏc nhờ cụng nghệ thụng

tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện loại điều khiển khả trình.

Để sử dụng công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Các công ty sản xuất thường sử dụng công nghệ lập trình, các phần mềm tự động Dây chuyền sản xuất tự động giảm được sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao, đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội

Trong quá trình thực hiện còn khó khăn và thời gian hạn hẹp và nó liên quanđến nhiều vấn đề phần cơ trong dây chuyền Mặt dù đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự góp ý của thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

1 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế:……… 5

2.Thông số kỹ thuật của hệ thống:……… 9

3.Thiết kế sơ đồ động học:……… 9

4 Phân tích lựa chọn hệ thống điều khiển:……… 11

Phần B: THIẾT KẾ HỆ THỐNG……….16

1.Thiết kế kết cấu hệ thống truyền động:……… 16

2.Thiết kế hệ thống điều khiển tự động:

a) Phân tích lựa chọn các phần tử điều khiển……… 27

b) Thiết kế mạch điều khiển:……….33

c) Quy trình làm việc của hệ thống……… 38

3 Chương trình trên Step 7 Win/NC……… 41

PHẦN A:

PHÂN TÍCH CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I: Nhiệm vụ thiết kế:

Hệ thống điều khiển tự động ngày nay đã dần dần phổ biến trong các lĩnh vựccông nghệ và phát triển song song với các kỹ thuật tiên tiến khác như điện tử, máytính Là một sinh viên ngành Cơ Khí Chế Tạo Máy, cần thiết phải nắm rõ về quátrình tự động, điều khiển các quá trình tự động Sau khi hoàn thành các môn họcnhư Điều khiển thủy khí, Điều khiển tự động và lập trình plc… sinh viên chúng emđược giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học hệ thống Điều khiển tự động Nhiệm

vụ đồ án là thiết kế một hệ thống điều khiển tự động có tính ứng dụng cao, thânthiện và hiệu quả

Đề tài lựa chọn:

Trong đồ án này, đề tài nhóm chúng em lựa chọn là thiết kế mô hình đếm táo

vào thùng tự động Mô hình mô tả quy trình xếp táo vào thùng trước khi đóng gói

hoàn thành sản phẩm

II : Phân tích lựa chọn phương án của hệ thông điều khiển.

1.Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế:

a) Chọn phương án dẫn động

Để dẫn động táo dịch chuyển ta sử dụng băng tải bao gồm các bộ phận: động

cơ điện có gắn hộp giảm tốc trực tiếp, vải quấn băng tải và có thêm bộ truyền xích

để truyền động giữa hai trục cách nhau Đây là phương án dẫn động được ứngdụng phổ biến và hoạt động rất hiệu quả đảm bảo yêu cầu kĩ thuật cũng như giáthành hợp lí Ở phạm vi thiết kế mô hình thì băng tải là một giải pháp công nghệhay để sinh viên biết thêm về thực tế ứng dụng của băng tải

b) Phương án đếm táo:

+ Phương án đếm số táo : ta dùng một cảm biến vật thể để điếm số táo trước khi

chuyển vào hộp

+ PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, khi đếm đủ 3 quả PLC đưa tín hiệu ra điều khiển

xi lanh điều khiển các hoạt động tiếp theo

+ Khi đếm đủ 3 quả Xi lanh A nhận tín hiệu từ PLC đẩy tới chặn không cho các táo tiếp theo tiếp tục, lúc này công tắc hành trình 2 ở xi lanh A được tác động đưa tín hiệu

về PLC, lúc này PLC phát tín hiệu điều khiển xi lanh B đẩy các hộp tới vị trí bãi

+ Các phần tử cần dùng trong phương án:

 Cảm biến: ta dùng cảm biến để nhận biết số táo chạy trên băng tải

 1 Xi lanh khí nén: đầu của xi lanh ta gắn vào một khối vuông để chặntáo không bị rơi xuống hộp.

 Công tắc hành trình: đặt ở đàu và cuối hành trình của xi lanh

Đây là phương án đơn giản vì sử dụng ít cơ cấu chấp hành Kết cấu ở đâycũng không cần độ cứng vững cao vì chi dùng để định vị

c) Chọn phương án để táo vào thùng:

Hiện nay có nhiều phương án thực hiện đếm sản phẩm hiện đại với các cảm biến chính xác.và áp dụng them xi lanh để chắn táo không bị rơi xuống khi cảm biến đã đủ 3 quả

Các phần tử trong cơ cấu:

 Băng tải 1 chứa hộp chuyển động và chạm cảm biến 1 thì bang tải 1 dừng lại.

 Táo sẽ từ băng tải 2 rơi vào hộp, nhưng đực đếm đủ 3 quả thì xi lanh A đây ra chắntáo lại Đồng thời băng tải 2 dừng lại khi đủ số táo vào hôp

 Tiếp tục băng tải 1 chạy tiếp( lúc này băng tải 2 chưa chạy) hộp chứa táo đến chạmcảm biến 1 thì băng tải 1 dừng và băng tải 2 hoạt động cho 3 quả táo rơi xuống tiếp

và cứ thế hoạt động

 Và khi đến hộp thứ 3 nhận táo thì thì xi lanh B đẩy hộp vào bải tập kết.Và tiếp tục hộp sau nhận táo thì xi lanh B đẩy như vậy

2.Thông số kỹ thuật của hệ thống:

- Năng suất : 600quả/h

4 Phân tích lựa chọn hệ thống điều khiển:

Hệ thống điều khiển trong đồ án này có thể dùng bộ điều khiển lập trình PLC và viđiều khiển Nhưng nhóm em chọn điều khiển bằng PLC bởi vì bộ khả lập trình PLC đúngvới yêu cầu ứng dụng của môn học vào đồ án môn học này và thích hợp với chuyênngành của em đang học Mặt khác bộ khả lập trình PLC đang được ứng dụng rộng rãihiện nay trong sản xuất công nghiệp nên chúng em muốn ứng dụng nó vào mô hình đồ ánmôn học để tìm hiểu sâu hơn và biết cách lập trình PLC nhằm phục vụ cho công việc saunày khi ra trường

a Giới thiệu về cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC:

a 1 ) Cấu trúc:

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý

trung tâm (CPU: Central Processing Unit : CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra

(I/0)

Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộnhớ và

hệ thống nguồn cung cấp Hình 1.2 mô tả ba phần cấu thành một PLC.

Hình 1.2 : Sơ đồ khối tổng quát của CPU

a 2 ) Hoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thốngcác cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất /nhập) dùng để đưa cáctín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, công tắc, tín hiệu từ động

cơ …) Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệuđiều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển Trong suốt quá trìnhhoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vithông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một

bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh đểthi hành Chương trình ở dạng STL (StatementList – Dạng lệnh liệt kê) sẽ đượcdịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xongchương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (Update) tín hiệu tới các thiết bị, đượcthực hiện thông qua module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực

hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét(Scanning).

Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽgiúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ thể hóa hoạtđộng của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (Scan) nhưsau:

Hình 1.3 :Một vòng quét của PLC.

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program execution) PLC khi cậpnhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu hiện nay không được truy xuất tứcthời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF)phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi cácbước logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), cácbước logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở ngõ ra

“that” (tức tín hiệu được đưa ra tại modul out) vẫn chưa được đưa ra Khi xử lý kếtthúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đãhoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra

để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra vớimột thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện mộtvòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ

thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết

bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉkhi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi

xử lý coi như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các

hệ thống chấp hành “là các hệ thống cơ khí nên có tốc độ quét như trên có thể đápứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắc phục thời gian quét dài,ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cậpnhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượngI/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

b) PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle:

Mô hình hệ thống điều khiển tự động của đồ án môn học này do chúng emthiết kế được điều khiển bằng rơle Sau đây tìm hiểu rõ về PLC với hệ thống điềukhiển bằng rơ le

Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần thay thế từng bước

hệ thống điều khiển bằng role trong các quá trình sản suất khi thiết kế một hệ thốngkhông phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, màchỉ đơn giản là thay với máy tính Cấu trúc giữa máy đổi chương trình cho phù hợpvới điều kiện sản xuất mới.điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựachọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệthống điều khiển bằng rơ le do các nguyên nhân sau:

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động

- Có độ tin cậy cao

- Khoảng không lắp đặc thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích

- Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao

- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi dễ dàng

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách thường xuyên.

- Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tươnglai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất

Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhucầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lậptrình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (rơle, contactor …) Hệthống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai

PHẦN B: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1.Thiết kế kết cấu hệ thống truyền động:

Tính toán hệ thống dẫn động băng tải:

a) Thiết kế băng tải:

Để chai di chuyển thực hiện các công việc ta chọn hệ thống dẫn động bằngbăng tải Từ trục động cơ qua trục chủ động của băng tải ta chọn bộ truyền xích

Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu băng tảiCác số liệu ban đầu: Tốc độ vận chuyển của băng tải: v = 2 (m/s)

Năng suất vận chuyển của băng tải: QChiều dài của băng tải: L = 80 cm

Bề rộng băng: B = 80 mmChọn vật liệu làm băng là vải dệt tổng hợpĐường kính tang: Chọn D = 40mm

Nhằm tạo lực căng ban đầu cho tấm băng để có thể truyền lực ma sát Ngoài

ra sau thời gian làm việc băng bị dãn nên cần thiết phải căng băng.:

Tính toán băng tải:

Năng suất vận chuyển của băng tải:

Q  0 , 36q.v

Mặt khác:Năng suất vận chuyển của băng tải là:



.

3600 A v

Q 

Với   30kg/m3  0 , 03T/m3: khối lượng riêng của ván gỗ

A = 0,5.0,14 = 0,07m2: diện tích tiết diện của ván gỗ

12 , 15

36 , 0

m N v

Q q

bt vl

Chọn: 0  1 , 1,   0 , 2 ; 1  2  0 , 4

qbt= 1,1.0,6.(0,2.3+ 0,4 + 0,4).10-3= 0,001N/m

Chọn t= 0,5m

Giả sử trọng lượng phần quay của con lăn : Gcl= 3N

Trên 2m băng tải có 4 con lăn

m N t

G

q cl cl 24 /

5 , 0

3 4

G

1

3 2

W

96 , 0 1000

2 133

Do đó tra bảng P1.3 sách TTTKHDĐCK - Trịnh Chất chọn động cơ có ký hiệu 4a71A6Y3 có công suất của động cơ là : N= 0,37 kW

Số vòng quay của động cơ : n= 920 vg/phút

Số vòng quay của tang :

phut vg D

v

400 14 , 3

2 1000 60

1000 60

b) Thiết kế bộ truyền xích:

-Ưu điểm của bộ truyền xích

- Bộ truyền xích có khả năng tải cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn so với bộtruyền đai

- Bộ truyền xích có thể truyền chuyển động giữa hai trục xa nhau, mà kíchthước của bộ truyền không lớn

- Bộ truyền xích có thể truyền chuyển động từ một trục dẫn đến nhiều trục bịdẫn ở xa nhau

- Hiệu suất truyền động cao hơn đai

-Nhược điểm của bộ truyền xích

- Bộ truyền xích có vận tốc và tỷ số truyền tức thời không ổn định

- Bộ truyền làm việc có nhiều tiếng ồn

- Yêu cầu chăm sóc, bôi trơn thường xuyên trong quá trình sử dụng

- Bản lề xích mau bị mòn, và có quá nhiều mối ghép, nên tuổi thọ khôngcao

-Phạm vi sử dụng bộ truyền xích

- Bộ truyền xích được dùng nhiều trong các máy nông nghiệp, máy vậnchuyển, và trong tay máy

- Khi cần truyền chuyển động giữa các trục xa nhau, hoặc truyền chuyểnđộng từ một trục đến nhiều trục

- Bộ truyền xích thường dùng truyền tải trọng từ nhỏ đến trung bình Tảitrọng cực đại có thể đến 100 kW

- Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc nhỏ đến trung bình Vận tốc thườngdùng không nên quá 6 m/s Vận tốc lớn nhất có thể dùng 25 m/s, khi tỷ số truyềnnhỏ hơn 3

- Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 7 Tỷ số truyền tối đa không nên quá

- Dễ kiếm đối với sinh viên

Số răng đĩa xích bị đẫn là: Z2 = 30

Hệ số điều kiện sử dụng

K = Kđ KA K0 Kđc Kb Kc

Trong đó :

Kđ  là hệ số xét đến tính chất của tải trọng ngoài, vì tải trọng êm nên Kđ = 1

KA  Hệ số xét đến chiều dài xích, chọn A = (30  50)t nên KA = 1

K0  Hệ số xét đến cách bố trí bộ truyền, chọn K0 = 1

Kđc  Hệ số xét đến khả năng điều chỉnh lực căng xích, Kđc = 1,2

Kb  Hệ số xét đến điều kiện bôi trơn, chọn Kb = 1,5 vì bôi trơn định kỳ

Kc  Hệ số xét đến chế độ làm việc của bộ truyền, bộ truyền làm việc 1 ca nên

n01 : số vòng quay đĩa dẫn của bộ truyền cơ sở

Công suất tính toán của bộ truyền:

Theo bảng 6-5 (TKCTM) với bước xích t = 4,5 mm, số răng đĩa dẫn Z1 =

30, số vòng quay giới hạn ngh của đĩa xích có thể đến 1050 [ vg/ph]

Có n1 = 920 vg/ph vậy điều kiện được thoả mãn

n

ZL

v4

920 25

2 2 1 2

1

2

Z Z 8 2

Z Z X 2

Z Z X 4

t

A

14 , 3 2 25 75 8 2

75 25 112 2

75 25 112 4 5 ,

Tính đường kính của đĩa xích :

 Đường kính vòng chia của đĩa xích dẫn :

43 30 180

5 , 4 180

1

c

Sin Z

Sin

t d

N k 10 6 P k

37 , 0 15 , 1 10 6

.

10 6

7 7

N k P

dây đai và bộ phận căng đai.

Nguyên lí làm việc của bộ truyền đai: Dây đai mắc căng trên hai bánh đai, trên

bề mặt tiếp xúc của dây đai và bánh đai có áp suất, có lực ma sát Lực ma sát cảntrở chuyển động trượt tương đối giữa dây đai và bánh đai Do đó khi bánh dẫnquay sẽ kéo dây đai chuyển động và dây đai lại kéo bánh bị dẫn quay Như vậychuyển động đã được truyền từ bánh dẫn sang bánh bị dẫn nhờ lực ma sát giữa dâyđai và các bánh đai

- Do có trượt đai nên không đảm bảo được độ chính xác về tỷ số truyền

- Do phải có lực căng đai ban đầu tạo nên áp lực phụ trên trục và gối đỡ

- Dây đai dễ bị nhiễm điện và không chịu được môi trường có dầu, mỡ

+ Tỉ số truyền giữa động cơ và băng tải là : i = 1

2

d

30= 0.5

-> Số vòng quay của băng chuyền: n = 0.5.ndc = 0.5x48 = 24 (vòng/phút).

- Chiều dài L của dây đai:

Dựa vào bảng ta chọn được hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ như sau:

ηkhớp nối=0,99; ηổ lăn =0,99; ηbánh răng =0,98; ηxích =0,93; ηtrục =0,98

-> η =0,99x0,993x0,982 x0,98x0,93 =0,84

- Công suất cần thiết trên trục động cơ: Pyc =0,0075

0.84 =0,0089 (kW) =8,9(W)