Đồ án điều khiển vị trí sử dụng động cơ Servo và PLC S7-200

LỜI CẢM ƠN Để đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” đạt được một số mục tiêu đặt ra, hoàn thành đúng

LỜI CẢM ƠN

Để đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử

dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” đạt được một số mục tiêu đặt

ra, hoàn thành đúng thời gian, em xin chân thành cảm ơn:

Thầy giáo Nguyễn Đăng Hải giảng viên bộ môn đo lường và điều khiển đã trựctiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, giúp đỡ về chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi, hỗtrợ về tài liệu và thiết bị kĩ thuật trong thời gian em thực hiện đồ án này

Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo điện cho em được hoàn thiện

đồ án trong giờ dạy, góp phần cho em hoàn thành đồ án đúng tiến độ

Em cũng xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp Điện 4-K8đã giúp đỡ,đóng góp ý kiến và động viên trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của thầy cô và các bạn

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 5

1.1 C Ơ SỞ LÍ LUẬN 5

1.1.1 Lịch sử phát triển của động cơ 5

1.1.2 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng 5

1.2 T ỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHIỂN VỊ TRÍ 5

1.2.1 Điều khiển vòng hở 6

1.2.2 Điều khiển nửa kín 6

1.2.3 Điều khiển vòng kín 7

1.3 Đ ỘNG CƠ S ERVO 7

1.3.1 Hệ thống Servo 7

1.3.2 Về động cơ Servo 8

1.4 Đ ỘNG CƠ S ERVO DÙNG TRONG MÔ HÌNH 15

1.4.1 Động cơ AC-Servo 15

1.4.2 Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK 17

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 23

2.1 Tìm hiểu chung về PLC 23

2.1.1 Khái niệm 23

2.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng PLC 24

2.2 T ÌM HIỂU VỀ HỌ PLC S7-200 25

2.2.1 Cấu hình phần cứng 25

2.2.2 Kết nối điều khiển 28

2.2.3 Chương trình ngắt 34

2.2.4 Phát xung trên PLC S7-200 35

CHƯƠNG III: TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 41

3.1 CPU CỦA PLC S7-200 SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 41

3.2 H Ệ THỐNG KHÍ NÉN 42

3.2.1 Van điện từ 42

3.2.2 Xy lanh khí nén 44

3.3 C ẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN CẢM CẢM ỨNG (I NDUCTIVITY P ROXIMITY S ENSOR ) 45

3.3.1 Cấu tạo 46

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 46

3.3.3 Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm 46

3.3.4 Ưu điểm, nhược điểm của cảm biến tiềm cận điện cảm 47

3.3.5 Đầu ra của Cảm biến cảm ứng – proximity sensor 47

3.3.6 Khoảng cách Phát hiện – Tỷ lệ Tiêu chuẩn 49

3.3.7 Hệ số giảm khoảng cách phát hiện 49

3.3.8 Khoảng cách Phát hiện – Độ trễ 50

3.4 B Ộ NGUỒN VÀ A PTOMAT 50

3.4.1 Bộ nguồn 50

3.4.2 Aptomat 51

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN,VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH 52

4.1 P HẦN MỀM STEP 7-M ICROWIN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG S7-200 52

4.1.1 Phần mềm Step 7-Microwin 52

4.2 X ÂY DỰNG GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VỚI PHẦN MỀM W IN CC 54

4.2.1 Phần mềm Win CC sử dụng trong hệ thống 54

4.2.2 Chức năng chính của WinCC 55

4.2.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển trên WinCC: 56

4.2.4 Các thành phần cơ bản trong 1 dự án Win CC: 57

4.2.5 Các khái niệm dùng trong Win CC 59

4.2.6 Các bước lập trình trên Win CC 61

4.3 P HẦN MỀM OPC 67

4.3.1 OPC supermarket Analogy 67

4.3.2 OPC Defined (xác định cấu trúc OPC) 67

4.3.3 Ứng dụng của việc giao tiếp OPC 68

4.4 Y ÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA ĐỀ TÀI 70

4.5 Đ ỊA CHỈ NGÕ VÀO / RA 71

4.6 S Ơ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 72

4.7 L ƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 73

4.8 C HƯƠNG TRÌNH PLC 75

4.9 G IAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT W IN CC 82

KẾT LUẬN 85

1 N HỮNG KẾT QUẢ CỦA ĐỒ ÁN 85

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hệ điều khiển vòng hở 6

Hình 1.2: Hệ điều khiển nửa kín 7

Hình 1.3: Hệ điều khiển vòng kín 7

Hình 1.4:Ví dụ về hệ thống Servo 8

Hình 1.5: Cấu tạo của một động cơ Servo 9

Hình 1.6: Động cơ Servo và bộ điều khiển 10

Hình 1.7:Ví dụ về hệ thống điều khiển vị trí,tốc độ động cơ Servo 10

Hình 1.8: Đường đặc tính 11

Hình 1.9: Đường đặc tính 11

Hình 1.10: Đường đặc tính 12

Hình 1.11: Đường đặc tính 12

Hình 1.12: Hình ảnh về encoder cơ bản 14

Hình 1.14: cấu trúc của một Servo AC đồng bộ 15

Hình 1.15: Thông số động cơ 16

Hình 1.16:Bộ điều khiển Servo Pack 17

Hình 1.17: Thông số bộ điều khiển 17

Hình 1.18: Sơ đồ chân 18

Hình 1.19: Sơ đồ tổng quát một bộ AC-SERVO 19

Hình 1.20: Một số cài đặt cho Mode điều khiển vị trí 20

Hình 1.21: Cài đặt lựa chọn tín hiệu xung điều khiển 20

Hình 1.22: Lựa chọn xung âm dương theo yêu cầu 21

Hình 1.23: Bảng điều khiển 21

Hình 2.1: Ứng dụng của PLC 23

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển dùng PLC 24

Hình 2.3:Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 214 26

Hình 2.4: Đặc điểm 1 số CPU họ 22x 27

Hình 2.5: Kết nối dây cho PLC 28

Hình 2.6: Cấp nguồn 29

Hình 2.7: Ví dụ 29

Hình 2.8: Giao tiếp với máy tính 30

Hình 2.9: Hình ảnh về cổng truyền thông 31

Hình 2.10: Hình ảnh cáp RS-232/PPI Multi-Master 31

Hình 2.11: Các mạch chuyển trên cáp 32

Hình 2.12: Sơ đồ cáp 33

Hình 2.13: Hình dáng cáp 33

Hình 2.14: Các lệnh khi lập trình ngắt 34

Hình 2.15: Chu kì phát xung 38

Hình 2.16: Chế độ phát xung Single segment 39

Hình 3.1: Hình dáng bên ngoài của CPU 222 41

Hình 3.2: Cấu tạo của van điện từ 43

Hình 3.3: Cấu tạo của xy lanh khí nén 45

Hình 3.4: Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm 46

Hình 3.5: Đầu ra của cảm biến tiệm cận kiểm DC-3 dây 48

Hình 3.6: Đầu ra cảm biến tiệm cận kiểu DC-2 dây 48

Hình 3.7: Khoảng cách phát hiện-Tỉ lệ chuẩn 49

Hình 3.8: Hệ số Giảm Khoảng cách Phát hiện với một số vật liệu 49

Hình 3.9: Khoảng cách Phát hiện – Độ trễ 50

Hình 3.10: Aptomat và bộ nguồn trên mô hình 51

Hình 4.1: Giao diện phần mềm Step 7-Microwin 52

Hình 4.2: Giao diện phần mềm mô phỏng 54

Hình 4.3 :Cấu trúc của Win CC 57

Hình 4.4 Các thành phần cơ bản của 1 dự án Win CC 57

Hình 4.5: Cấu trúc của mộ dự án đơn 59

Hình 4.6: Hình ảnh cấu trúc của dự án nhiều người dùng 60

Hình 4.7: Hình ảnh cấu trúc nhiều máy khách 60

Hình 4.8: Click chuột vào Doulble-Click 61

Hình 4.9: Cửa sổ mới xuất hiện 61

Hình 4.10: Cửa sổ mới xuất hiện 62

Hình 4.11: Thao tác chọn New 62

Hình 4.12: Ví dụ về thao tác đặt tên 63

Hình 4.12: Bước lưu 63

Hình 4.13: Khởi động Windows Control Center 64

Hình 4.14: Thêm driver 64

Hình 4.15: Chọn OPC 65

Hình 4.16: Giao diện Parameter 65

Hình 4.17: Cửa sổ OPC Item Manager 66

Hình 4.18: Cửa sổ mới hiện ra 66

Hình 4.19: Chọn new picture 67

Hình 4.20: Truyền thông giữa Server và Client 69

Hình 4.21:Các cấp bậc trong OPC Server 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1:Nhóm thông số lựa chọn 22

Bảng 2: Cách thanh ghi và trạng thái trong PTO 36

Bảng 3:Giá trị của thanh ghi điều khiển thường sử dụng : 38

Bảng 4: Các giá trị tương ứng của vùng nhớ V 40

TRÍCH YẾU ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: Mã sinh viên

Nguyễn Văn Hưng 0841040249

Nguyễn Văn Hiếu 0841040248

Nguyễn Thị Ngọc Hoa 0841040253

Trần Thị Luyến 0841040257

Bùi Quang Đạt 0841040287

Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điện-điện tử

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Đăng Hải Bộ môn: ĐLĐK

☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

1.Tên đề tài

Đề tài:Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC Siemens

cho bài toán điều khiển vị trí

2 Lí dochọn đề tài

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa sản xuất và đặc biệt là độ chính xác gia công về hình dáng hình học Sự phát triển của nền công nghiệp Robot hiện đại cũng gắn liền với việc điều khiển chuyển động và là tiền đề cho phát triển nền công nghiệp.Với hệ thống SCADA, khả năng quản lí từ xa toàn bộ hệ thống và các thiết bị tự động trong hệ thống trở nên rất hiệu quả Khi có sự cố ở bất kì phân đoạn nào hệ thống sẽ tự động phân tích và gửi về, người vận hành sẽ nhận tín hiệu thông báo qua giao diện HMI của các phần mềm điều khiển chuyên dụng như Win CC hay Win CC-Flexible Người vận hành chỉ cần ngồi tại bàn điều khiển trung tâm, theo dõi và giám sát toàn

bộ hệ thống thay vì phải chạy xuống tận chỗ để kiểm tra trong hệ thống Cùng với

đó nhận thấy được sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống điều khiển động cơ Servo trong quá trình sản xuất cũng như nhu cầu của xã hội về lĩnh vực này, nên em quyết

định thực hiện đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử

dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” Để hiểu rõ hơn về bản chất

điều khiển vị trí, tốc độ của động cơ Servo cũng như hiểu được quy trình điều khiểnmột hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu

3.Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu đặt ra với đề tài:“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát

sử dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí” là cần nắm vững, hiểu rõ

cách thức hoạt động, điều khiển của AC-Servo, hiểu rõ được Driver điều khiển động

cơ, cách thức điều khiển từ PLC thông qua Win CC Từ mô hình thực tế này tạogiao diện, xây dựng chương trình,các thuật toán điều khiển và lập trình cho bộ độngcơ

4.Giới hạn nghiên cứu

-Vì lí do kinh tế và điều kiện khách quan, đề tài chỉ dừng lại ở việc làm mô hìnhđiều khiển đơn giản để mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống Servo

-Điều khiển vị trí và tốc độ trên mô hình nhỏ gồm: PLC Siemens S7-200 củaSIEMENS, motor Servo của Teco và hệ thống khí nén

-Xây dựng chương trình bằng phần mềm Step 7 Microwin

-Giao tiếp giữa PLC Siemens S7-200 và Win CC bằng phần mềm PC Access -Tạo giao diện trên Win CC để điều khiển và giám sát

5.Nhiệm vụ nghiên cứu

Để hoàn thành được mục tiêu để ra, những nhiệm vụ được đặt ra như sau:

-Đọc, dịch tham khảo tài liệu tìm hiểu những lĩnh vực có liên quan đến điều khiển vịtrí, tốc độ của động cơ AC-Servo

-Tìm hiểu về PLC S7-200, cách đấu nối phần cứng, cách thức phát xung, cách lậptrình, cách thức kết nối với giao diện Win CC, cách thức sử dụng và tạo giao diệncho một chương trình ứng dụng

-Tìm hiểu cách kết nối giữa PLC S7-200 với bộ động cơ AC-Servo, cách thức điềukhiển vị trí bằng động cơ AC-Servo thông qua Win CC và PLC S7-200

-Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ

6.Đối tượng nghiên cứu

-PLC S7-200 của Siemens, motor Servo của Teco

-Chương trình điều khiển STEP 7 MICROWIN

-Thiết lập giao tiếp giữa PLC S7-200 với Win CC bằng phần mềm PC Access -Tạo giao diện điều khiển giám sát trên Win CC

-Hệ thống cảm biến điện cảm

-Hệ thống khí nén

7.Phương pháp nghiên cứu

-Tham khảo, tra cứu thông tin từ các lài liệu khoa học

-Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các băng chuyền, gia công cơ khí

-Sử dụng các thiết bị có sẵn,làm mô hình

-Lập trình và mô phỏng trên máy tính

-Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thực hành của nhà trường

8.Nội dung của đề tài

-Chương I: Tổng quan về hệ thống điều khiển vị trí

-Chương II: Tổng quan về PLC S7-200

-Chương III: Tìm hiểu về các thiết bị trong mô hình

-Chương IV: Thiết kế và chạy mô hình

Hà Nội,ngày tháng 4 năm 2017 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn.

Nguyễn Đăng Hải

LỜI NÓI ĐẦU

rong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước vào thời kìcông nghiệp hóa-hiện đại hóa với những cơ hội thuận lợi và nhữngkhó khăn thách thức lớn Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những ngườichủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề.Đất nước đangcần sức lực và trí tuệ cũng như lòng nhiệt huyết của những trí thức trẻ, trong đó cónhững kĩ sư tương lai.Với sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học

kĩ thuật nói chungvà trong lĩnh vực điện-điện tử-tự động hóa-tin học nói riêng làmcho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày

T

Trong đó điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triểnnhanh trong ngành điều khiển và tự động hóa.Trong những hệ thống điều khiển vịtrí, tốc độ và moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến các thiết bị điện đápứng.Đây được xem như một bài toán đặt ra cần giải quyết.Để làm được nhiệm vụnày các nhà khoa học đã nghiên cứu và sản xuất ra động cơ Servo.Cùng với sự kếthợp của các thiết bị khác như PLC, khí nén thì ngày nay động cơ Servo được sửdụng rông rãi và hiệu quả trong hệ thống vận hành của nhiều nhà máy Để có thểhiểu rõ hơn về động cơ Servo và các thiết bị đi kèm em quyết định lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC Siemens cho bài toán điều khiển vị trí”.

Vì thời gian nghiên cứu và tìm hiểu hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi đượcsai sót.Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô và các bạn để đề tàiđược hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

1.1 Cơ sở lí luận

1.1.1Lịch sử phát triển của động cơ

Từ xưa khi chưa có phát minh ra động cơ, lúc đó chủ yếu sử dụng các máy mócchạy bằng xăng dầu cấu tạo phức tạp nặng nề, cồng kềnh mà hiệu suất lại khôngcao, gây tiếng ồn.Từ khi động cơ được phát minh và đưa vào sử dụng thay thế chocác máy móc chạy bằng xăng dầu đã đem lại hiệu quả kinh tế cao

Động cơ cũng không ngừng phát triển đa dạng và nhiều chức năng khác nhau, ví dụnhư động cơ 1 chiều , động cơ xoay chiều, động cơ không đồng bộ, động cơ đồng

bộ, động cơ 1 pha, động cơ 3 pha và trong tất cả các lĩnh vực

Ngày nay về tương lai động cơ được phát triển theo hướng điều khiển được dễ dàng,chính xác, điều khiển vòng kín (hồi tiếp): động cơ đặc biệt, động cơ bước, động cơServo

1.1.2Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng

Hiện nay, tất cả các lĩnh vực đều có sử dụng động cơ Servo, do đó sản phẩm động

cơ AC-Servo được sản xuất nhiều,nhiều hãng sản xuất nhưYASKAWA,PANASONIC,OMRON,FANUC, với rất nhiều loại AC-Servo dùngvào nhiều mục đích sử dụng khác nhau

Các sản phẩm làm ra từ các nhà máy trong đó có sử dụng động cơ Servo thường cho

độ chính xác cao và mẫu mã đẹp.Do đó động cơ Servo được sử dụng đặc biệt nhiềutrong ngành tự động hóa nói chungvà ngành sản xuất khuôn mẫu, sản xuất các máygia công chính xác nói riêng

1.2Tổng quan về hệ thống điều khiển khiển vị trí

Sự phát triển của nền công nghiệp gắn liền với hệ thống điều khiển Công nghệ ngàycàng hiện đại đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải đáp ứng được yêu cầu khắt khe

để đảm bảo quá trình sản xuất

Sự phát triển các hệ thống được tóm tắt như sau:

+ Điều khiển vòng hở (open loop)

+ Điều khiển nửa kín (semi-closed loop)

+ Điều khiển vòng kín (full –closed loop)

Sau đây giới thiệu sơ lượt về các nguyên tắc điều khiển:

Giả sử như chúng ta đang có nhu cầu điều khiển một thống số X của đối tượng A.Trong trường hợp điều khiển vòng hở thì đối tượng A sẽ được điều khiển mà khôngcần quan tâm đến thống số X và thực tết thì thống số X sẽ được người điều khiểnquan sát và thao tác để điều khiển đối tượng A.

Trong trường hợp semi-closed loop thì hệ thống điều khiên sẽ nhận dạng một thông

số Y không phải là thông số X nhưng qua nó có thể ước lượng hoặc đại diện cho X.Như vậy tính “quan sát bằng mắt” được loại bỏ một phần Tuy nhiên sai số của môhính khá cao do các sai số về cơ và điện Mô hình này được áp dụng chủ yếu là lý

do về mặt giá thành hoặc đôi khi thông số X không thể đo được độ chính xác của

nó dõ nhiên là cao hơn open loop

Và cái cuối cùng là closed loop, dĩ nhiên trong trường hợp này đối tượng X đươctrực tiếp feedback về hệ thống để điều khiển để xử lý

1.2.1Điều khiển vòng hở

Bộ điều khiển vị trí chỉ thị lệnh cho động cơ quay, nhưng chỉ quay mà thôi, quay tớiquan lùi mà không cần biết quay bao nhiêu vòng cho bàn chạy đến vị trí nào…nóchỉ dừng khi có tác động từ con người hay từ một hệ thống ra kệnh nào đó bên ngoàinó

Hình 1.1: Hệ điều khiển vòng hở 1.2.2 Điều khiển nửa kín

Hình này có điểm khác so với hình trên Đó là số vòng quay của motor được mã hóa

và hồi tiếp về bộ điều khiển vị trí Nghĩa là đến đây thì động cơ chỉ quay một sốvòng nhất định tùy thuộc vào lệnh của bộ điều khiển, nói cách khác bộ điều khiển cóthể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồngười thiết kế Tuy nhiên cái mà chúng ta cần điều khiển chính là vị trí của bàn chạychứ không phải việc động cơ quay bao nhiêu vòng thì dừng đối tượng là cái bàn

Hình 1.2: Hệ điều khiển nửa kín 1.2.3Điều khiển vòng kín

Hình này rõ ràng là khác hẳn hai hình trên Vòng hồi tiếp lúc này không phải hổitiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thôngqua một thước tuyến tính Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòngquay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy Nghĩa là các sai

số tĩnh do sai số trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ Vòngđiều khiển lệnh và hồi tiếp khép một vòng kín quét lên toàn bộ thiết bị liên quan nên

Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí vàtốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servobây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vịtrí và tốc độ. 

Hình 1.4:Ví dụ về hệ thống Servo 1.3.2 Về động cơ Servo

1.3.2.1 Cấu tạo của một động cơ Servo

Động cơ servo về cấu tạo,nguyên lý hoạt động,cấu tạo phần điện-từ thì giống vớiđộng cơ bình thường (nghĩa là cũng có 2 phần:phần cảm và phần ứng,khe hở từthông và cách đấu dây…) nhưng có sự khác biệt về cấu trúc khi động cơ servo cóhình dáng dài,có đường kính trục và rotor nhỏ hơn so với động cơ thường có cùngcông suất và momen

Sở dĩ có sự khác biệt trong chế tạo như trên là bởi động cơ servo có yêu cầu về độchính xác rất cao,cho nên khi chạy người ta phải đảm bảo sao cho momen quán tínhkhi dừng là nhỏ nhất.Do vậy trục động cơ được kéo dài và làm nhỏ đường kính lại

để sao cho công suất và monen khởi động không giảm nhưng giảm được momenquán tính khi dừng

Điểm nổi bật khác của động cơ servo so với động cơ thường là có tích hợp một cơcấu feedback sẵn trong động cơ.động cơ được điều khiển bằng một chu trình kín,từtín hiệu hồi tiếp về vị trí/tốc độ hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển động cơ.Vì thếđộng cơ sẽ có thêm bộ phận cảm biến để thông báo vị trí và tốc độ của động cơ, cảmbiến này thường là encoder hoặc máy phát tốc

Hình 1.5: Cấu tạo của một động cơ Servo

Trong đó:

1 Động cơ 6 Vôn kế

3 Dây dương (màu đỏ) 8 Đầu nối gắn trên trục động cơ

4 Dây tín hiệu (vàng hoặc trắng) 9 Vỏ động cơ

5 Dây âm hoặc dây mát (đen) 10 Chip điều khiển

1.3.2.2 Phân loại động cơ Servo

Hiện nay, có 3 loại động cơ thường hay sử dụng đó là: Động cơ AC servo dựa trênnền tảng động cơ ba pha lồng sóc,động cơ DC servo dựa trên nền tảng động cơ điệnmột chiều và động cơ AC servo không chổi than dựa trên động cơ đồng bộ và động

cơ không đồng bộ

Không phải bất kì động cơ nào cũng được dùng làm động cơ servo,động cơ servo làđộng cơ hoạt động dựa trên các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ.Chính vì thế nó phảiđược thiết kế sao cho các đáp ứng phù hợp với nhu cầu điều khiển, tùy vào từngmục đích cụ thể mà người ta sẽ có những cải tiến riêng.Cụ thể với bài toán này sẽ đitìm hiểu kĩ về động cơ AC servo

Hình 1.6: Động cơ Servo và bộ điều khiển

1.3.2.3 Đặc tính của động cơ Servo

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu đầu racủa động cơ được đưa về một mạch điều khiển.Khi động cơ quay,tốc độ và vị trí sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này.Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển độngquay của động cơ,cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu đầu ra chưa đạt được vị trímong muốn,mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểmđó

Đặc tính của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiểnđộng cơ

Hình 1.7:Ví dụ về hệ thống điều khiển vị trí,tốc độ động cơ Servo

1.3.2.4Tăng tốc độ đáp ứng

Các động cơ bình thường khi muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cầnmột thời gian để đáp ứng gọi là thời gian quá độ Trong một số nhu cầu điềukhiển,đòi hỏi tốc độ phải thay đổi trong một khoảng thời gian ngắn hoặc vị trí cầnnhanh chóng đạt được chuẩn xác một cách nhanh nhất.Ví dụ khi bạn muốn động cơquay từ vị trí X đến vị trí X’,động cơ cần nhanh chóng tăng tốc để quay đếnX’,nhưng khi sắp đến X’ đòi hỏi động cơ cần quay chậm tức thì để đạt được vị trí

chính xác và loại trừ độ vọt lố quá khỏi vị trí X’.Các động cơ bình thường không thểđáp ứng được đặc điểm này.để đáp ứng được yêu cầu trên thì động cơ cần phải đượcthiết kế sao cho rút ngắn thời gian đáp ứng tốc độ của động cơ.

Hình 1.8: Đường đặc tính

Muốn được như vậy ta phải giảm momen quán tính và tăng dòng giới hạn chođộng cơ Để giảm momen quán tính thì động cơ servo đã được giảm kích thướcrotor và các cơ cấu sắt từ không cần thiết Để tăng dòng giới hạn cho động cơ,người

ta đã chế tạo lõi sắt từ bằng ferrit và hình dạng các lõi sắt này được thiết kế với hìnhdạng phù hợp.Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu nó được thiết kế sao cho ngănđược sự khử từ(hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm ( sửdụng nam châm đất hiếm rare earth magnet)

1.3.2.5Tăng khả năng đáp ứng

Đáp ứng ở đây cần được hiểu là sự tăng hay giảm tốc cần phải “mềm”,tức là gia tốccần phải là một hằng số hay gần như vậy

Hình 1.9: Đường đặc tính

Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng động

cơ phải “mềm”,quá trình quá độ vận tốc phải là một đường tuyến tính,để làm đượcđiều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng

chống lại dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.các động cơ dạng này thường đượcthiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từtrong mạch từ khe hở không khí.

1.3.2.6 Mở rộng vùng điều khiển

Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơntốc độ định mức rất nhiều.Động cơ thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó nhỏ hơnhoặc bằng với điện áp định mức

động cơ thường.các động cơ loại này được ứng dụng trong những nơi có yêu cầuchính xác về mặt tốc độ như cánh tay robot, nó được thiết kế sao cho có thể gia tăngdòng điện mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ.Các rãnh của rotorđược thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí mộtcách đặt biệt để đáp ứng yêu cầu này.

1.3.2.8Tăng khả năng chịu đựng của động cơ

Một số động cơ được thiết kế sao cho có khả năng chịu được tín hiệu điều khiển ởtần số rất cao và cũng có khả năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộđiều khiển(có khả năng tạo ra các xung hài bậc cao).Những động cơ như thế nàythường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại những haomòn do ma sát trên ổ bi cũng như trên chổi than

1.3.2.9Nguyên lí hoạt động của Encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay.Đĩa quay có thể làtrục động cơ,bánh xe hoạc bất kì thiết bị quay nào cần xác định vị trí gócquay.Encoder được chia làm 2 loại,absolute encoder (tuyệt đối) và incrementalencoder (tương đối)

Encoder tuyệt đối chỉ rõ ràng vị trí của encoder,chúng ta không cần xử lý gì thêmcũng biết chính xác vị trí của encoder.Encoder tương đối chỉ có 1,2 hoặc tối đa là 3lỗ.Cứ mỗi lần đi qua một lỗ,chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 Do vậy

nó có tên là incremental encoder (encoder tăng lên một đơn vị) và nó không thể cho

ta biết chính xác vị trí

Việc thiết kế encorder tuyệt đối cần quá nhiều vòng lỗ và giới hạn về kích thước củaencoder bởi việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiệnđược.Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rấtlớn đến kích thước giới hạn này nên đa số trong các motor,người ta thường sử dụngencoder loại incremental,và động cơ servo cũng không ngoại lệ

Absolute encoder sẽ theo dõi trục quay của động cơ ngay cả khi hệ thống xảy ra mấtđiện và cả những chuyển động của động cơ trong thời gian đó,Incremental thì không

có khả năng trên

Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay quay xung quanh một trục.Trênđĩa có các lỗ,rãnh.Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa,khi đĩa quay chỗ

không có lỗ(rãnh) đèn chiếu sẽ không chiếu qua được, và ngược lại chỗ có lỗ rãnhthì sẽ có đèn led chiếu xuyên qua Trong khi đó,tại mặt bên kia của đĩa người ta đặtmột con mắt thu.Với tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua.Người ta sẽ nghinhận đèn led có chiếu qua hay là không.Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng

số lần ánh sáng bị cắt

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuôngnày được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vàotốc độ quay của tấm tròn đó Đối với encoder mình đang dùng thì nó có 2 tín hiệu ralệch pha nhau 90 Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ

có độ phân giải khác nhau, độ phân giải của encoder ảnh hưởng đến độ chính xácđiều khiển và phương pháp điều khiển Kênh B được đặt trên cùng đường tròn vớikênh A nhưng lệch một chút (M=0.5 rãnh).tín hiệu từ kênh B có cùng tần số vớikênh A, tuy nhiên lệch pha so với kênh A 90 độ.Bằng cách phối hợp giữa hai kênh

A và B ta có thể biết được chiều quay của động cơ

Hình 1.13: Hai kênh A và B lệch nhau trong Encoder

1.4Động cơ Servo dùng trong mô hình

1.4.1Động cơ AC-Servo

1.4.1.1 Sơ đồ cấu trúc của AC Servo

AC-Servo được chia làm 2 loại: Động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng.Loại động cơđồng bộ được sử dụng nhiều hơn.Đối với loại động cơ đồng bộ, tốc độ của động cơđược điều khiển bởi sự thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều.Động cơ loại đồng

bộ có moment giữ mạnh khi động cơ dừng và hơn nữa loại này có thể sử dụng khiđòi hỏi vị trí dừng chính xác,loại này thường sử dụng cho Servo điều khiển vị trí.Động cơ AC Servo có 2 bộ phận chính là phần encoder và phần motor

-Phần Encoder: Bao gồm đĩa quay, led phát và encode

-Phần Motor: Bao gồm led thu, cuộn cảm, vỏ động cơ, vỏ mặt trước ,

Hình 1.14: cấu trúc của một Servo AC đồng bộ

1.4.1.2 Thông số động cơ

Thông số của động cơ Servo được viết tắt bởi các chữ và số được giải thích như tronghình trên, từ mã của động cơ ta suy ra được các thông số của động cơ, động cơ nhóm

đồ án sử dụng là động cơ có mã:JSMA-PSC04ABK

-JSM: Loại động cơ Servo AC

-A: Loạt sản phẩm kí hiệu A

-P: IP6

-S : Tốc độ động cơ 3000rpm

-04: Công suất của động cơ 400W

-A: Điện áp đầu vào xoay chiều 220V

-B: Độ phân giải của encoderlà 2500

-□:Động cơ servo không có tích hợp tính năng hãm khi động cơ dừng

Hình 1.15: Thông số động cơ

1.4.1.3 Nguyên lí hoạt động của động cơ

Được điều khiển từ bộ driver của SERVOPACK, tín hiệu hồi tiếp của động cơ nhờencoder đưa về driver.Driver xử lí tín hiệu hồi tiếp rồi sau đó đưa ra tín hiệu điềukhiển động cơ.

1.4.2Bộ điều khiển driver của động cơ SERVOPACK

Hình 1.16:Bộ điều khiển Servo Pack

1.4.2.1 Thông số bộ điều khiển Driver Servo Pack

Hình 1.17: Thông số bộ điều khiển.

Trong đó: Nhãn động cơ JSDA-15A

-JSD: Loại driver cho servo xoay chiều

-A: Serie A

-15: Công suất driver là 400W

-A: Điện áp đầu vào xoay chiều 220V

1.4.2.2 Sơđồ chân của driver SERVOPACK

Hình 1.18: Sơ đồ chân

Sơ đồ chân được chia ra làm 3 nhóm chính :

Nhóm 1: Chân tín hiệu điều khiển:

COM+,COM- : chân nguồn

SV-ON:Cho phép động cơ làm việc

P-CON:Chọn Mode điều khiển

P-NL:Mode điều khiển

N-NL:Mode điều khiển

CL: Xóa bộ đếm.

SV-RST:Chân reset lỗi

P-OT, N-OT: Chân công tắc hành trình thuận và nghịch

Nhóm 2: Chân tín hiệu đèn báo:

SV-ALM : Đèn báo tín hiệu lỗi

V-CMP : Đén báo vận tốc

TGON: Đèn báo Mode vận tốc

ALM1 : Mode trạng thái lỗi

ALM2 : Mode trạng thái lỗi

Nhóm 3: Chan tín hiệu Encoder :

OA+, OA-:Tín hiệu ngõ ra kênh A

OB+, OB-:Tín hiệu ngõ ra kênh B

OC+, OC-:Tín hiệu ngõ ra kênh C

Các tín hiệu phàn hổi từ Encoder được gửi về driver thông qua một cổng bộ đệm vàđược driver xử lý và đưa về bộ điều khiển trung tâm(PLC)

Hình 1.19: Sơ đồ tổng quát một bộ AC-SERVO

1.4.2.3 Nguyên lý điều khiển của driver trong Mode điều khiển vị trí

Driver điều khiển vị trí nhận tín hiệu analog từ bên ngoài, có thể từ ngõ ra analogcủa module analog.Khi động cơ làm việc Encoder sẽ nhận tín hiệu phản hồi vị trí về

bộ điều khiển driver, driver sẽ nhận được tín hiệu so sánh từ PLC và tín hiệu phảnhồi từ đó đưa ra hướng xử lý.Tín hiệu điều khiển vị trí được đưa trực tiếp đến cácchân PULSE và SIGN của driver.Phụ thuộc vào việc cài đặt thông số trong modeđiều khiển vị trí thì các chân tín hiệu sẽ có các ngưỡng điều khiển khác nhau, từngchế độ điều khiển khác nhau

Hình 1.20: Một số cài đặt cho Mode điều khiển vị trí.

Chế độ điều khiển vị trí (Position Mode) có thể sử dụng 2 phương pháp điều khiển:

 Điều khiển vị trí sử dụng xung ngoài (External Pulse)

 Sử dụng lệnh vị trí có sẵn bên trong driver

Trong nội dung đồ án này nhóm em sử dụng phương pháp điều khiển động cơServo bằng xung ngoài nên chúng em sẽ trình bày kĩ về phần cài đặt thông số chodriver cho chế độ này

Hình 1.21: Cài đặt lựa chọn tín hiệu xung điều khiển

Hình 1.22: Lựa chọn xung âm dương theo yêu cầu.

1.4.2.4 Bảng điều khiển trên Driver

Bảng điều khiển:

Bàn phím điều khiển chứa 5 led 7 thanh để hiển thị thông số cài đặt , 4 phím điềukhiển và 2 đèn hiện thỉ trạng thái :

Hình 1.23: Bảng điều khiển

Khi led Power (green) xanh báo nuồn điện đã được cấp vào driver.

Đèn led Charge (red) cho ta thấy trạng thái đang nạp điện của tụ điện, khi cápnguồn thì đèn này sẽ sáng và khi đã nạp đủ điện thì đèn sẽ tối

Sau khi bật nguồn điện thì có thể sử dụng nút Mode để lựa chọn 9 nhóm thôngsố.Mỗi lần ấn phím Mode thì sẽ chuyển sang một nhóm thông số khác như bảnghướng dẫn dưới đây

Bảng 1:Nhóm thông số lựa chọn

Khi đã hiển thị đến nhóm thông số muốn chỉnh sửa, để có thể chỉnh sửa ta ấn nútenter 2s liên tục, màn hình sẽ tự động chuyển sang trạng thái nhấp nháy cho phép

chỉnh sửa Để chỉnh sửa tăng giảm thông số các chế độ ta dùng 2 phím Increment –

keyvà Decrement-key.Sau khi chỉnh sửa xong thì ấn phím enter thêm 2s nữa để lưu

giá trị đã cài đặt

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200

2.1 Tìm hiểu chungvề PLC

2.1.1 Khái niệm

Bộ điều khiển lập trình (Programmale Logic Controller) được sáng tạo từ những ýtưởng ban đầu vào năm 1968 Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trìnhđược sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như 1 giải pháp lítưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất.Cùng với sự hát triển công nghệmáy tính đến hiện nay, bộ diều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trongứng dụng điều khiển công nghiệp Như vậy PLC là 1 máy tính thunhỏ nhưng vớicác tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu nãoquan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa Một sốưu điểm của PLC:

Hình 2.1: Ứng dụng của PLC

2.1.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC

2.1.2.1 Phân loại: PLC được phân loại theo 2 cách

- Hãng sản xuất: Siemens, Omron, Mitsubusi, Alenbratlay,

-Version: Ví dụ của Siemens có các họ như S7-200,S7-300, S7-400

+ PLC: Độ phức tạp và tốc độ xử lí không cao, giao diện không thân thiện với người

sử dụng, không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít Môi trường làm việc khắcnghiệt

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển dùng PLC

2.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng PLC

PLC được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy nông nghiệp,thiết bị y tế,

2.2Tìm hiểu về họ PLC S7-200

2.2.1.Cấu hình phần cứng

PLC S7-200 có nhiều loại CPU như CPU 210, CPU 214, CPU 221, CPU 222, CPU224, Trong đó CPU 214 tiêu biểu cho PLC S7-200

2.2.1.1 Khối xử lí trung tâm

CPU 214 có các đặc điểm sau:

-Bộ nhớ chương trình: 4096 byte (4 kbyte)

-Bộ nhớ dữ liệu: 4096 byte

-Số lượng ngõ vào: 14 ngõ vào

-Số lượng ngõ ra: 10 ngõ ra digital tích hợp trong CPU

-Số lượng module mở rộng: 7 gồm cả module analog

-Số lượng vào/ra số cực đại: 64

-Số lượng Timer: 128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer có độ phân giải 100ms

-Số lượng Counter: 128 bộ đếm chia làm 2 loại: 96 Counter đếm Up và 32 Counterđếm Up/Down

-Bit memory: 256 bit

-Bộ nhớ đặc biệt: 688 bit dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

Hình 2.3:Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 214

Mô tả các đèn báo trên CPU 214:

-SF (Đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi Đèn SF sáng lên khi PLC có lỗi-Run (Đèn xanh): Cho biết chương trình đang ở chế độ làm việc và thực hiệnchương trình được nạp vào trong bộ nhớ chương trình của PLC

-Stop (Đèn vàng): Chỉ định PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thựchiện lại

-Ix.x (Đèn xanh):Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng(x.x=0.0-1.5) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng-Qy.y (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng(y.y=0.0-1.1) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.Hiện nay, CPU 22x với nhiều tính năng vượt trội đã thay thế loại CPU 21x và hiệnđang được sử dụng rất nhiều Dưới đây là bảng dữ liệu về CPU họ 22x:

Hình 2.4: Đặc điểm 1 số CPU họ 22x

Chọn chế độ làm việc cho PLC

-Run: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-200 sẽ rời khỏichế độ Run và chuyển sang chế độ Stop nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chươngtrình gặp lệnh Stop

-Stop: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ Stop

Ở chế độ Stop, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp, xóa một chương trình

-Term: Cho phép người dùng từ máy tính quyết định chọn mộ trong hai chế độ làmviệc cho PLC hoặc Run hoặc Stop

2.2.1.2 Khối mở rộng

Digital Module

Các Module số gắn thêm vào khối CPU để mở rộng số lượng các ngõ vào/ra số

Analog Module

+ Khối ngõ vào tương tự AI: Tín hiệu Analog ngõ vào có thể là tín hiệu điện áphoặc dòng điện Tùy thuộc vào tín hiệu Analog cần đọc là loại nào mà người sửdụng cài đặt cho phù hợp

+ Khối ngõ ra tương tự AO: Tín hiệu tương tự này có thể là điện áp hoặc dòng điệntùy theo người dùng cài đặt

Intelligent Module

Các PLC S7-200 có thể nối vào các loại mạng khác nhau để tăng cường khả năng

mở rộng, truyền thông với các thiết bị khác trong hệ thống tự động hóa

Function Module

Là các khối chức năng thực hiện các chức năng đặc biệt như điều khiển vị trí(position module), cân (SIWREX MS)

2.2.2 Kết nối điều khiển

2.2.2.1Kết nối dây cho PLC hoạt động

Hình 2.5: Kết nối dây cho PLC

Cấp nguồn:

Hình 2.6: Cấp nguồn

Loại DC có nguồn nuôi kí hiệu là M, L+

Loại AC có nguồn nuôi kí hiệu là N, L1

+ Ngõ vào: Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút ấn cho ngõ vào PLC

Hình 2.7: Ví dụ

Chân 1M, 2M nối chung với chân M

Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại tiếp điểm nối vào các ngõ I trênPLC