Đồ án điều khiển logic và PLC đề tài uốn kim loại bằng các xylanh khí nén.

Tên đề tài: Khi ấn nút start, piston 1 đi xuống và dừng lại được phát hiện bởi cảm biến để giữ kim loại. Sau đó piston 2 đi xuống để uốn kim loại vào khuôn uốn. Sau khi piston 2 thu về thì piston 3 chạy sang bên phải để uốn kim loại và định hình vào khuôn. Sau đó piston 3 thu về, khi piston 3 thu về thì piston 1 cũng thu về vị trí ban đầu.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, một trong nhữngtiêu chí để đánh giá sự phát triển công nghiệp của mỗi quốc gia là mức độ tự độnghóa trong quá trình sản xuất Sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử -công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ

sở cho sự phát triển tương xứng của lĩnh vực tự động hóa Ngày nay tự động hóa điềukhiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào nhiều lĩnh vực trong tất cả các khâu của quátrình sản xuất

Trong học kỳ này để áp dụng lý thuyết với thực tế em được giao đồ án môn

học Điều khiển Logic và PLC với đề tài là: “ Thiết kế hệ thống điều khiển logic sử dụng PLC theo yêu cầu công nghệ ” Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận

tình của thầy giáo hướng dẫn Đinh Văn Nghiệp và các thầy cô giáo trong bộ môn.Đến nay đồ án của em đã được hoàn thành

Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏinhững thiếu sót Vậy em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo đểđồn án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt em xincảm ơn thầy Đinh Văn Nghiệp đã giúp đỡ em để đồ án được hoàn thành đúng thờihạn

Thái Nguyên, Ngày 27 tháng 12 năm 2020

Sinh viên thiết kếMAI VIỆT HÙNG

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

PHẦN 1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN……….3

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 3

1.2 Lựa chọn phương án thực hiện 3

PHẦN 2 PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/ RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ HÀM LOGIC 5

2.1.Phân tích chọn biến vào ra 5

2.2 Mô tả hệ thống và thiết kế hàm logic……….6

PHẦN 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, CHỌN THIẾT BỊ……… 11

3.1 Chọn thiết bị……… 11

3.2 Chọn PLC……….16

3.3 Đặt địa chỉ……….23

3.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý……… 24

PHẦN 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………26

4.1 Chương trình điều khiển……… 27

PHẦN 5: THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ…… 29

5.1 Thuyết minh nguyên lý………29

5.2 Chạy thử……… 29

PHẦN 1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ.

Khi ấn nút start, piston 1 đi xuống và dừng lại được phát hiện bởi cảm biến để giữ kim loại Sau đó piston 2 đi xuống để uốn kim loại vào khuôn uốn, hành trình của piston 2 được phát hiện bởi cảm biến, sau khi piston 2 thu về thì piston 3 chạy sangbên phải để uốn kim loại và định hình vào khuôn, hành trình của piston 3 được phát hiện bởi cảm biến Sau đó piston 3 thu về, khi piston 3 thu về thì piston 1 cũng thu về vị trí ban đầu

1.2 Lựa chọn phương án thực hiện

Giả thiết phôi kim loại là 1 thanh thép dài và mỏng, có khối lượng khoảng Để

có thể xây dựng hệ thống thực hiện chức năng uốn thanh thép này, chúng ta cần có những trang thiết bị phục vụ cho hệ thống:

1 Xylanh khí nén:

Xylanh là dạng cơ cấu vận hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũytrong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động

 Sử dụng loại xylanh 2 tác động cho cả 3 xylanh

2 Van điều hướng khí nén:

 Từ loại xylanh 2 tác động, ta dùng van điều hướng khí nén 5/2, để sử dụng

3 Động cơ bơm khí:

Để cấp khí cho xylanh ta dùng máy nén khí kiểu piton, có sử dụng động cơ điện để nén khí, để đảm bảo hoạt động tin cậy, điều chỉnh dễ dàng tốc độ, dừng chính xác, chọn động cơ không đồng bộ roto dây quấn làm động cơ bơm khí

Sử dụng nút start là tiếp điểm thường mở, có màu xanh

Sử dụng nút stop là tiếp điểm thường đóng, có màu đỏ

6 Bảo vệ ngắn mạch

Dùng cầu chì và aptomat để bảo vệ ngắn mạch cho động cơ

PHẦN 2 PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/ RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG VÀ

THIẾT KẾ HÀM LOGIC

2.1.Phân tích chọn biến vào ra

-Từ phân tích yêu cầu công nghệ trong mục ta xác định hệ thống gồm các biến sau :

a.Biến vào :

+Start(m) : +m=1 ấn nút

+m=0 không ấn nút

+Cảm biến 1 (C1) : +C1=1 piston 1 ở vị trí đầu

+C1=0 piston 1 không ở vị trí đầu

+Cảm biến 2 (C2) : +C2=1 piston 1 ở vị trí giữ phôi

+C2=0 piston 1 không ở vị trí giữ phôi

+Cảm biến 3 (C3) : +C3=1 piston 2 ở vị trí ban đầu

+C3=0 piston 2 không ở vị trí ban đầu

+Cảm biến 4 (C4) : +C4=1 piston 2 ở vị trí uốn phôi

+C4=0 piston 1 không ở vị trí uốn phôi

+Cảm biến 5 (C5) : +C5=1 piston 3 ở vị trí ban đầu

+C5=0 piston 3 không ở vị trí ban đầu

+Cảm biến 6 (C6) : +C6=1 piston 3 ở vị trí uốn phôi

+C6=0 piston 3 không ở vị trí uốn phôi

b.Biến ra :

Y1: Điều khiển Piston 1 đi xuống

Y2: Điều khiển Piston 1 đi lên

Y3: Điều khiển Piston 2 đi xuống

Y4: Điều khiển Piston 2 đi lên

Y5: Điều khiển Piston 3 đi ra

Y6: Điều khiển Piston 3 đi vào

2.2 Mô tả hệ thống và thiết kế hàm logic.

2.2.1 Lưu đồ hành trình bước :

Trong mỗi cơ cấu chấp hành, nét liền mảnh nằm ngang thể hiện vị trí cơ cấu chấphành ở phía ngoài (xylanh đi ra) và nét liền mảnh ở phía dưới thể hiện cơ cấu chấphành ở phía trong (xylanh đi vào)

2.2.2 Các phương pháp mô tả hệ thống.

Để mô tả hệ thống chúng ta sử dụng các mạch logic trình tự Các phương pháp mô

tả mạch logic trình tự:

a Phương pháp bảng chuyển trạng thái.

Bảng gồm có số hàng là số trạng thái của hệ số cột là số tổ hợp các biến vào

+ Trạng thái là một mệnh đề mô tả một nguyên công hoặc một quá trình làm việccủa hệ

+ Biến vào có thể là 1 tín hiệu từ người điều khiển thiết bị chương trình hoặc là docông nghệ

+ Bảng đầu ra: Các hàng là các trạng thái các cột là các tín hiệu vào, các ô giaonhau giữa các hàng và các tổ hợp biến vào sẽ ghi trạng thái đích, còn các ô giaonhau giữa các hàng với các cột của đầu ra sẽ ghi kết quả đầu ra của trạng thái đó

Các đỉnh là các trạng thái và giá trị trạng thái còn các cung sẽ ghi biến tác động

c Phương pháp lưu đồ thuật toán.

+ Phương pháp giản đồ thời gian

+ Phương pháp GRAFCET

=> Căn cứ vào yêu cầu bài toán và qua phân tích các phương pháp trên ta dùng phương pháp để mô tả hệ thống đó là phương pháp GRAFCET.

- Xác định trạng thái:

TT1: Trạng thái không hoạt động

TT2: Piston 1 đi xuống để kẹp chặt phôi sau khi bấm nút Start(m)

TT3: Piston 2 đi xuống để uốn phôi.

TT4: Piston 2 trở về vị trí ban đầu

TT5 : Piston 3 đi vào để định hình phôi

TT6: Piston 3 trở về vị trí ban đầu

TT7: Piston 1 trở về vị trí ban đầu, hoàn thành 1 sản phẩm

Sử dụng các biến trung gian mã hóa cho từng trạng thái: Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5,Q6, Q7 lần lượt mã hóa cho các trạng thái TT1, TT2, TT3, TT4, TT5, TT6, TT7.

GRAFCET

- Hàm vào:

+ SQ1=Q7.C1

RQ1=Q2+ SQ2=Q1.m

RQ2=Q3+ SQ3=Q2.C2

RQ3=Q4+ SQ4=Q3.C4

PHẦN 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, CHỌN THIẾT BỊ

3.1 Chọn thiết bị

3.1.1 Lựa chọn xylanh khí nén

Xi lanh khí nén (Ben khí nén) là một thiết bị cơ học được vận hành bằng khí

nén dựa vào hoạt động chuyển đổi năng lượng tiềm năng của khí nén thành động năng Từ đó làm cho các pít tông của xi lanh chuyển động theo hướng mong muốn qua đó làm cho thiết bị bên ngoài hoạt động

Với hệ thống này, ta lựa chọn loại xylanh 2 tác động cho cả 3 xylanh:

Xylanh 2 tác động là loại xi lanh hoạt động hai chiều (DAC) sử dụng lực không khí để di chuyển đẩy ra và rút lại Chúng có hai cổng để cho phép không khí; một cho hành trình đi ra và một cho hành trình lùi về

Giả thiết để uốn và giữ phôi thì cần lực là 15N, như vậy có thể chọn xylanh khí néncủa hãng SMC dòng CDM2B20-100Z có thông số như sau:

Kích thước nòng (mm) 20 mm

Hành trình tiêu chuẩn 100 mm

Tác động Hai tác động, một trục

Áp suất phá hủy 1.5 MPa

Áp suất hoạt động tối đa 1.0 MPa

Áp suất hoạt động tối

Nhiệt độ lưu chất và môi

trường -10oC đến 70oC (Không đóng băng)

Tùy chọn vòng từ Có từ

Dung sai hành trình 0 đến +1.4 mm

Tốc độ piston 50 đến 750 mm/s

3.1.2 Lựa chọn van điều hướng khí nén

Với hệ thống này, lựa chọn van điều hướng khí nén 5/2 có 2 cuộn hút để điều khiển xylanh

Van khí nén 5/2 có 5 cổng 2 vị trí và, kích hoạt và điều khiển bằng điện,

thường được dùng để điều khiển xi lanh khí nén Lựa chọn van khí nén của hãng SMC dòng SY3120

3.1.4 Chọn nút ấn:

Sử dụng nút start là tiếp điểm thường mở, có màu xanh

Sử dụng nút stop là tiếp điểm thường đóng, có màu đỏ

Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống tiếp điểm thường mở và thường đóng và

vỏ bảo vệ khi tác động vào nút ấn các tiếp điểm chuyển trạng thái ban đầu

Nút ấn thường đặt trên bảng điều khiển, ở tụ điện trên hộp nút ấn, các loại nút

ấn thông dụng có dòng điện định mức là 5A, điện áp ổn định mức là 400V, tuổi thọđiện thế 200.000 lần đóng cắt, tuổi thọ cơ đến 1.000.000 đóng cắt, nút ấn màu đỏ thường dùng để tắt máy, màu xanh để khởi động máy

3.1.5 Chọn cảm biến

Với yêu cầu điều khiển xylanh thì ta chọn loại cảm biến có cảm ứng từ D-A93 của SMC với thông số kỹ thuật như sau:

- Dùng cho tải: Relay, PLC

- Dòng điện tải: 24VDC và 100VAC

- Công suất dòng và quãng tải tối đa: 5 tới 40mA (đối với 24VDC), 5 tới 20mA (đối với 100VAC)

- Đèn tín hiệu: đèn LED đỏ

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý của cảm biến từ

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến từ chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặcxuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thốngchuyển mạch cộng từ

Ưu điểm:

+ Tuổi thọ cao

+ Dễ dàng lắp đặt

+ Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt

ng d ng c a c m bi n t : Ứng dụng của cảm biến từ: ụng của cảm biến từ: ủa cảm biến từ: ảm biến từ: ến từ: ừ:

+ Dùng để phát hiện kim loại (vật mang từ tính)

+ Thường dùng trong các dây chuyền sản xuất nước giải khát, thực phẩm, đónghộp, đếm sản phẩm, linh kiện điện tử, sản xuất linh kiện

3.1.6 Chọn van tiết lưu

Chọn van tiết lưu SMC dòng AS series với các thông số kỹ thuật như sau:

- Lưu chất: Khí nén, nước

- Dải áp suất hoạt động: 0.1 Mpa – 1.0 MPa ( tiêu chuẩn 0.7)

- Áp suất phá hủy: 1.5 MPa (1.05)

- Nhiệt độ lưu chất và môi trường: -5 – 600C (không đóng băng)

3.2 Chọn PLC

3.2.1 Tổng quan về PLC

3.2.1.1 Khái niệm

Bộ điều khiển logic khả trình (tiếng Anh: Programmable Logic Controller,

viết tắt: PLC) hay còn gọi là bộ điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mộtloạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực

tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi

có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC cóthể là Ladder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC

như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General

Electric, Omron, Honeywell

3.2.1.2 Cấu trúc của PLC

 Phần đầu vào / đầu ra: Phần đầu vào hoặc mô-đun đầu vào bao gồm các

thiết bị như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào thế giới thực khác Đầu vào từ các nguồn được kết nối với PLC thông qua đường ray đầu nối đầu vào Phần đầu ra hoặc mô-đun đầu ra có thể là một động cơ hoặc một solenoid hoặc một đèn hoặc một lò sưởi, có chức năng được điều khiển bằng cách thay đổi các tín hiệu đầu vào

 CPU: (Central Processing Unit) là đơn vị xử lý trung tâm Nó là một bộ

vi xử lý mà có thể kết hợp với các hoạt động của hệ thống PLC CPU thi hành chương trình xử lý các tín hiệu I/O và được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O thông qua các tuyến đường dây thích hợp bên trong PLC

 Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều

khiển được viết Nó có thể là một thiết bị cầm tay hoặc một máy tính xáchtay hoặc một máy tính chuyên dụng

 Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện

khoảng 24 V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra

 Bộ nhớ: Bộ nhớ được chia thành hai phần – Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ

chương trình Thông tin chương trình hoặc logic điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình từ nơi CPU tìm nạp các lệnh chương trình Tín hiệu đầu vào và đầu ra và tín hiệu bộ định thời

và bộ đếm được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng

tín hiệu điện kỹ thuật số phù hợp và các tín hiệu này được đưa đến PLC thông qua đường ray kết nối.

PLC ở các vị trí được gọi là bit Điều này được thực hiện bởi CPU

 Logic điều khiển hoặc các lệnh chương trình được ghi lên thiết bị lập trình thông qua các ký hiệu hoặc thông qua các phép nhớ và được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng.

vào bằng cách thao tác, tính toán, xử lý chúng để điều khiển các thiết bị đầu ra

điều khiển các thiết bị đầu ra

nội dung của bộ nhớ hình ảnh đầu vào theo những thay đổi trong bộ nhớ đầu ra

hẹn giờ, kiểm tra bộ nhớ của người dùng

Dòng PLC FX3G-40M được tích hợp bộ đếm trong lên đến 32Kb bước lệnhcho dòng tiêu chuẩn, tốc độ xử lý một lệnh đơn logic trong thời gian 0.21µs Thêmvào đó, nó cho phép xử lý trên số thực và các ngắt.

Việc lập trình trên FX3G đơn giản nhờ vào sự thực thi thông qua đồng thời 2 cổngtruyền thông tốc độ cao là RS422 & USB Còn với dòng FX3G ngõ ra kiểuTransistor cho phép phát xung độc lập trên 3 ngõ ra lên đến 10KHz, được nhà sảnxuất tích hợp và cải tiến nhiều tập lệnh điều khiển vị trí Chức năng cho phép càiđặt mật khẩu truy cập và phân quyền theo người sử dụng

Ngoài ra, việc kết nối mở rộng thông qua 2 bus bên trái và bên phải cho phép kếtnối mở rộng khối chức năng đặc biệt như: Analog/truyền thông nối mạng,… để đạtđược hiệu suất làm việc tốt hơn

 Những tính năng chính

- Số I/O linh hoạt: 14/24/40/60 I/O

- Tập lệnh điều khiển vị trí linh hoạt mạnh mẽ, cho phép phát xung tối đa lên đến100KHz trên 3 trục độc lập (40/60 I/O)

- Bộ nhớ trong đến 32Kb

- Cổng lập trình giao tiếp USB và RS422 giúp tăng tốc cho việc lập trình, giám sát

và gỡ lỗi

- Tích hợp bộ đếm tốc độ cao 60Hz x 4 kênh và 10KHz x 2 kênh

- Cho phép kết nối 2 board đồng thời, mở rộng thêm tính năng phụ

- Tương thích với hầu hết các module mở rộng thế hệ trước

- Điều khiển đồng thời nhiều biến tần qua mạng RS485

Với nhưng tính năng được phân tích ở trên và xuất phát từ yêu cầu công nghệ của

hệ thống Piston khí nén và các biến vào, các biến ra:

3.2.3 PLC S7-200

S7–200 là thiết bị điều khiểu khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theokiểu Modul và có các Modul mở rộng, các Modul này sử dụng cho nhiều ứng dụnglập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý CPU214hoặc CPU224 Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau giữa hai loại CPU này nhậnbiết được nhờ số đầu vào/ ra và nguồn cung cấp

CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm bằng 7Modul mở rộng

128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi

388 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạn g thái và đặt chế độ làm việc

Các chế độ ngắt vá xử lý ngắt bao gồm :

-Ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộđếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

+ Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

+ Dụng lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

Có 2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM, tần số 20 KHz chỉ các CPU DC

Có hai bộ điều chỉnh tương tự

Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông

Đồng hồ thời gian thực

Chương trình được bảo vệ bằng password

Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC mất điện

Bảng gán địa chỉ các thiết bị sử dụng trong hệ thống :

STT Thi t bến vào, ị Tên bi nến vào, Đ a chị ỉ

PLC

2 Công t c hành trình v trí đi v c a Piston 1ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ề của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C1 X001

3 Công t c hành trình v trí đi ra c a Piston 1ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C2 X002

4 Công t c hành trình v trí đi v c a Piston 2ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ề của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C3 X003

5 Công t c hành trình v trí đi ra c a Piston 2ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C4 X004

6 Công t c hành trình v trí đi v c a Piston 3ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ề của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C5 X005

7 Công t c hành trình v trí đi ra c a Piston 3ắc hành trình vị trí đi về của Piston 1 ị ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, C6 X006

8 Van đi u khi n đi ra c a Piston 1ề của Piston 1 ển đi ra của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, Y1 Y001

9 Van đi u khi n đi vào c a Piston 1ề của Piston 1 ển đi ra của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, Y2 Y002

10 Van đi u khi n đi ra c a Piston 2ề của Piston 1 ển đi ra của Piston 1 ủa hệ thống Piston khí nén và các biến vào, Y3 Y003