Ứng dụng plc và động cơ servo điều khiển máy cắt ống tự động

Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định.. Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

ỨNG DỤNG PLC VÀ ĐỘNG CƠ SERVO ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ỐNG

TỰ ĐỘNG (GIẢ LẬP TRÊN MÔ HÌNH)

3 Nội dung:

- Điều khiển mô hình máy cắt ống ở nhà máy

- Lập trình điều khiển GX Works 2

- Sử dụng Main FX3U điều khiển động cơ AC Servo

4 Kết quả

Trình bày tóm tắt kết quả đạt được

Giảng viên hướng dẫn Tp.HCM, ngày tháng năm 2019

Sinh viên

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.2 Nội dung nghiên cứu 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 1

1.3.1 Ý nghĩa đề tài 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3

2.1 Hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo 3

2.1.1 Cấu hình hệ thống động cơ servo 3

2.1.2 Điều khiển năng lượng cho động cơ servo 4

2.1.3 Phản hồi trong hệ thống động cơ servo 5

2.1.4 Mạch điều khiển vị trí 5

2.2 Tổng quan về máy cắt ống sử dụng động cơ servo 7

2.3 Các hệ thống Servo trong công nghiệp 8

2.3.1 Động cơ Servo Máy in phẳng màn hình phẳng với chân không 8

2.3.2 Máy ép tự động bằng động cơ Servo 8

2.3.3 Máy cắt phôi công nghiệp 9

2.3.4 Máy cắt bao bì 10

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

3.1 PLC 11 3.1.1 Lịch sử ra đời và phát triền của PLC 11

3.1.2 Đặc điểm của bộ điều khiển PLC 11

3.1.3 Ứng dụng của PLC 12

3.1.4 Giới thiệu về PLC FX3U 12

3.1.5 Cấu tạo board PLC FX3U 14

3.1.6 Khả năng kết nối và ưu điểm 15

3.1.7 Lập trình PLC phát xung điều khiển servo 16

3.2 Động cơ servo 16

3.2.1 Servo là gì? 16

3.2.2 Cơ cấu định vị 17

3.2.3 Hệ thống điều khiển 18

3.2.4 Sự khác biệt so với motor thường 19

3.2.5 Tăng tốc độ đáp ứng 20

3.2.6 Tăng khả năng đáp ứng: 20

3.2.7 Mở rộng vùng điều khiển (control range) 20

3.2.8 Khả năng ổn định tốc độ: 21

3.2.9 Nguyên lí hoạt động của encoder 21

3.2.10 Các loại và tính năng của Servo Motor: 21

3.2.11 Các tính năng của động cơ servo AC so với động cơ servo DC: 22

3.3 Động cơ AC servo và Driver MR-J2 Mitsubishi 23

3.3.1 Động cơ AC servo và driver MR - J2 23

3.3.2 Sơ đồ kết nối và dây 26

3.3.3 Bảng tham số 29

3.3.4 Lựa chọn các tham số cài đặt 33

3.3.5 Các lỗi của servo 35

3.4 Phần mềm GXWORK 2 36

3.4.1 Cách sử dụng phần mềm 36

3.4.2 Cách kết nối máy tính với PLC 38

3.4.3 Cách soạn chương trình 40

CHƯƠNG 4 THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH 44

4.1 Thi công 44

4.1.1 Sơ đồ đấu dây 44

4.1.2 Linh kiện thi công mô hình: 47

4.2 Lưu đồ giải thuật 54

4.3 Lập trình 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 57

5.1 Kết quả đạt được 57

5.2 Hạn chế 57

5.3 Hướng phát triển 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

LỜI CẢM ƠN 59

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu hình hệ thống động cơ Servo 3

Hình 2.2 Động cơ Servo 4

Hình 2.3 Máy cắt ống chuyên dụng 7

Hình 3.1 PLC FX3U 13

Hình 3.2 Mô hình của hệ thống servo 17

Hình 3.3 Một số ví dụ về cơ cấu định vị 17

Hình 3.3 Thành phần chính của Encoder 21

Hình 3.4 Cấu tạo của động cơ servo 22

Hình 3.5 Tổng quan sơ đồ kết nối AC servo 26

Hình 3.6 Hoàn tất chương trình 43

Hình 4.1 Nguồn tổ ong 24VDC 47

Hình 4.2 CB 10A 47

Hình 4.3 Domino kết nối 48

Hình 4.4 Nút nhấn 48

Hình 4.5 Cảm biến quang 49

Hình 4.5 Đèn báo vị trí 49

Hình 4.6 Vít me 50

Hình 4.7 Động cơ servo 50

Hình 4.8 Driver MR-J2 51

Hình 4.9 Board PLC Fx3u 52

Hình 4.10 Cáp kết nối RS 232 52

Hình 4.11 Tổng thể mô hình 53

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của động cơ servo 25

Bảng 3.2 Diễn giải sơ đồ chân 27

Bảng 3.3 Tham số mặc định do nhà sản xuất cài đặt 29

Bảng 3.4 Các chức năng lệnh lập trình 40

CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay, trong bối cảnh các nền công nghiệp đang được phát triển thì trong đó

có rất nhiều ngành công nghiệp tự động đang được nâng cao và đẩy mạnh đã tạo nên một cách mạng trong thời đại công nghiệp phát triển Không chỉ giúp việc tiết kiệm được lao động đồng thời còn đẩy mạnh quá trình sản xuất hay vận hành nhờ tính tối ưu và khả năng vận hành tự động và đạt được độ chính xác cao

Trong đó Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực đa dạng và phát triển nhanh trong ngành điều khiển và tự động hoá Trong những hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ và moment yêu cầu sự chính xác cao rất cần đến một thiết bị đáp ứng Đây là thách thức và các nhà khoa học, nhà sản xuất đã chế tạo ra một loại động cơ thể làm được nhiệm vụ này đó là động cơ servo Ngày nay hệ thống servo được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy yêu cầu sự chính xác cao

.Nhận biết được điều đó chúng em đã chọn đề tài sử dụng PLC FX3U và động

cơ Servo AC để điều khiển máy cắt ống tự động, điều đó giúp cho người sử dụng có thễ

dễ dàng quan sát và nắm được trọng tâm điều khiển

1.2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu về PLC FX3u: Nghiên cứu về cấu trúc phần cứng và các khả năng kết nối mở rộng

- Tìm hiểu về động cơ AC Servo

- Tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm GX WORK 2 để lập trình cho các dòng PLC

1.3 Phương pháp nghiên cứu

 Vận dụng, tham khảo các tài liệu về thiết bị PLC FX3U,AC Servo

 Tham khảo ý kiến và các góp ý từ giảng viên hướng dẫn và cộng đồng

 Đúc kết và tổng hợp các tài liệu có liên quan

 Áp dụng kết quả nghiên cứu, tổng hợp đưa vào thực nghiệm

Áp dụng các kiến thức đã học để thiết kế lập trình mô phỏng cho 1 hệ thống máy cắt ống trong nhà máy

1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Vận dụng, kế thừa tài liệu tham khảo, khóa luận của các khóa trước

 Tham khảo các ý kiến góp ý giáo viên hướng dẫn và cộng đồng mạng

 Tìm hiểu, thu thập và phân tích tài liệu

 Tổng hợp, đúc kết tài liệu, ý kiến và đưa ra ý tưởng thực hiện

 Áp dụng kết quả nghiên cứu, tổng hợp đưa vào thực nghiệm

 Sửa đổi, đánh giá đưa ra kết quả hoàn thiện

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

2.1 Hệ thống điều khiển vị trí động cơ Servo

Động cơ servo là thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển chuyển động

Để hoạt động được, chúng ta phải nối động cơ servo với các phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định

Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng

2.1.1 Cấu hình hệ thống động cơ servo

Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định

Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng

Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với:

1 Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng

2 Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm

3 Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ

Hình 2.1 Cấu hình hệ thống động cơ Servo Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này

Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều

khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo

Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

1 Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động

2 Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín

3 Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động

Hình 2.2 Động cơ Servo

2.1.2 Điều khiển năng lượng cho động cơ servo

Bộ điều khiển điện động cơ servo sử dụng một hàng các transistor công suất được gọi là Transistor có cực điều khiển cách ly(IGBT) để kiểm soát năng lượng đưa vào động cơ servo

IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh với dòng lớn nên là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này

IGBT được điều khiển bằng các thiết bị điện tử nhằm sản sinh ra các dạng điện áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha đặc thù cung cấp cho động cơ servo

Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường kết hợp với một dòng động cơ servo cụ thể Trong khi tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng một chiều (DC), đầu

ra bộ điều khiển gần như là dạng sóng điện xoay chiều để điều khiển trơn tốc độ, gia tốc

và mô men của động cơ servo

2.1.3 Phản hồi trong hệ thống động cơ servo

Bộ điều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế độ mạch vòng kín

Khi sử dụng mạch phản hồi, vị trí thực tế, vận tốc hay mô men của động cơ servo được

so sánh với lệnh chuyển động và bất kỳ sai số nào giữa các cặp giá trị trên đều được xác định

Sau đó, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai số này để điều chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng

Chu trình phản hồi – xác định sai số – triệt tiêu sai số được gọi là mạch vòng điều khiển kín

dùng cho điều khiển tốc độ Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạch vòng điều khiển để điều khiển vị trí

 Điều khiển vị trí (position Loop)

Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ servo hoặc trong vài trường hợp, là vị trí của thiết bị truyền động bởi động cơ servo

Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ mã hóa xung vòng quay của động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có thể gửi tín hiệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động

Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế, từ sai số nhận được và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí

Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên khó di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trí mong muốn bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động

 Điều khiển tốc độ (Velocity Loop)

Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo

Khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi vận tốc và chiều quay thực tế tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động

Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại; dựa vào sai số tốc độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu cầu của ứng dụng

Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi Ví dụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu

có trọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc Trong trường hợp này, động cơ có thể tăng mô men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng

 Điều khiển Mô men (Current Loop)

Mô men của động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ

Mô men tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động

cơ Dòng hiệu dụng càng cao, mô men sinh ra càng lớn

Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator và

dùng phản hồi giá trị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian

thực nhằm đáp ứng được yêu cầu mô men của ứng dụng

Mạch vòng dòng điện đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men

Trong ví dụ sau, bộ điều khiển gửi đi 32 xung để điều khiển vị trí động cơ

Bộ mã hóa xung vòng quay gửi tín hiệu phản hồi vị trí của động cơ Sai số nhận được sẽ

được sử dụng để điều chỉnh động cơ đến vị trí đúng

Do quán tính nên động cơ chuyển động vượt quá vị trí chuẩn một chút, sai số vị trí này sẽ

được dùng để điều chỉnh động cơ về vị trí đúng

2.2 Tổng quan về máy cắt ống sử dụng động cơ servo

Hình 2.3 Máy cắt ống chuyên dụng

Ứng dụng của động cơ AC servo hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực và máy móc

Đối với một số loại máy công cụ như CNC chấn đột dập để di chuyển theo trục X, Y, Z

thì thường được sử dụng servo để có thể di chuyển các trục này một cách chính xác Một

số dây chuyền chiết rót, đóng gói cần chạy và dừng đúng vị trí cũng yêu cầu bắt buộc

phải sử dụng động cơ ac servo Đối với một số loại máy cắt ống thì motor servo cũng

dùng cho trục dao cắt để giúp cho máy có thể cắt theo những vị trí đã được lập trình sẵn

trên plc Ngoài ứng dụng động cơ ac servo cho việc chạy vị trí thì chúng còn được dùng

cho một số ứng dụng liên quan đến điều khiển torque để giúp việc thu xả cuộn có tỷ lệ chính xác cao hơn

Máy cắt ống bao gồm rất nhiều dòng máy khác nhau như máy khắc, máy tiện, máy phai, máy bào…Tuy nhiên, tất cả đều hoạt động theo nguyên lý chung là trục chính

sẽ di chuyển theo chiều Z từ trên xuống, bàn máy giữ sản phẩm theo trục X, Y đưa lưỡi cắt lên tất cả bề mặt sản phẩm

2.3 Các hệ thống Servo trong công nghiệp

2.3.1 Động cơ Servo Máy in phẳng màn hình phẳng với chân không

2.3.2 Máy ép tự động bằng động cơ Servo

Máy ép servo đang ngày càng được sử dụng rộng rãi, các máy ép tự động bằng servo ứng dụng ép cho các sản phẩm lắp ráp cơ khí, điện tử Giải pháp ép bằng servo thay thế cho phương pháp ép sử dụng xy lanh thủy lực và khí nén thông thường Với rải lực ép có thể dễ dàng điều chỉnh biến thiên từ nhỏ đến lớn theo yêu cầu của từng công đoạn ép và sản phẩm, đáp ứng yêu cầu cần độ chính ác về lực và hành trình, máy ép bằng servo được áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực lắp ráp ô tô, xe máy, điện tử, …

ảnh minh họa

2.3.3 Máy cắt phôi công nghiệp

2.3.4 Máy cắt bao bì

Bộ điều khiển lập trình PLC, HMI, Servo và biến tần Siemens đảm bảo máy cắt bao bì hoạt động ổn định, cắt chính xác cho ra sản phẩm đều với tốc độ lên đến 130 cái/phút Giải pháp giúp người sử dụng dễ dàng thay đổi tốc độ và chiều dài sản phẩm phù hợp với nhu cầu sản xuất

ảnh minh họa

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 PLC

3.1.1 Lịch sử ra đời và phát triền của PLC

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật sự đa dạng của các linh kiện điện

tử số, các thiết bị điều khiển tự động Các công nghệ cũ đang dần dần được

thay thế bằng các công nghệ hiện đại Các thiết bị công nghệ tiên tiến với hệ

thống điều khiển lập trình vi điều khiển, vi xử lý, PLC… các thiết bị điều khiển

từ xa Đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, các dây truyền sản xuất ngành tự động đã phát triễn đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết

điều khiển tự động.Nhiều hệ thống điều khiển đã ra đời, nhưng phát triển mạnh

nhất và có khả năng phục vụ rộng rãi là bộ điều khiển PLC Các họ PLC phát

triển từ loại độc lập, chỉ với 20 ngõ vào/ra và dung lượng bộ nhớ chương trình

khoảng 500 bước, đến các họ PLC có cấu trúc Module mở rộng dễ để thêm chức năng chuyên dùng như:

3.1.2 Đặc điểm của bộ điều khiển PLC

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình được (programmable control systems), hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động Trong bối cảnh đó, bộ điểu khiển lập trình (PLC – Programmable Logic

Controller) và thiết bị rời cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thời, đếm….làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏnhất

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng ta còn có

ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thông”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng rộng rãi trong việc điểu khiển các máy móc công nghiệp và trong điền khiển quá trình (Process – control)

3.1.3 Ứng dụng của PLC

Trong lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp hiện nay, ứng dụng của PLC vào các

hệ thống máy móc là vô cùng cần thiết và đã trở nên ngày càng phổ biến Hầu hết các thiết bị máy móc, các dây chuyền sản xuất đều có ứng dụng PLC Có thể nói PLC hiện nay đang chiếm lĩnh trong hầu hết các lĩnh vực Với khả năng chống nhiễu tốt cùng với

độ tin cậy cao và giá thành hợp lý nên PLC đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ trên

cả thế giới

3.1.4 Giới thiệu về PLC FX3U

Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric

Sản phẩm được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng mới đặc biệt là

hệ thống “adapter bus” được bổ hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc biệt

và khối truyền thông mạng Khả năng mở rộng tối đa có thể lên đến 10 khối trên hệ thống mới này

Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho việc điều khiển

vị trí Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và cổng lập trình RS-422 mini DIN Với tính năng mạng mở rộng làm cho

PLC này nâng cao được khả năng kết nối tối đa lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng

- Bộ đếm tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz với module chức năng

- Loại ngõ ra: relay, transistor

- Phát xung tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz hoặc 1Mhz với module chức năng

- Tổng I/O: 16/32/48/64/80/128

- Có thể mở rộng lên tới 256 I/Os thông qua module hoặc 384 I/O thông qua mạng CC-Link

Hình 3.1 PLC FX3U

3.1.5 Cấu tạo board PLC FX3U

Tính năng

- Module PLC 14MT hỗ trợ kết nối giao diện người- máy (HMI) và các ứng dụng hoàn toàn với PLC Mitsubishi FX3U Module sử dụng MCU 32 bit, sử dụng trong

công nghiệp với khả năng chống nhiễu tốt, tốc độ chạy cao Hỗ trợ tốc độ truyền tải PLC

- Yếu tố đầu ra Y: Y0-Y11 cho ngõ ra relay tối ưu, ngõ ra relay hiện tại 5A

- 6 ngõ vào analog 12 bit (điện áp 0-10V)/ 0-20mA) 2 đầu ra analog 12 bit (điện

áp 0-10V)

– Hỗ trợ 2 kiểu giao tiếp: RS232 (cổng nối tiếp DB9- tốc độ 38400) RS485 (giao thức truyền thông D8120)

3.1.6 Khả năng kết nối và ưu điểm

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau: – Giảm đến 80% số lượng dây nối

– Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

– Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng – Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng

– Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển

– Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình

– Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc

độ và năng suất PLC

– Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

– Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học

– Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

– Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp – Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

– Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

– Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

– Giá bán cạnh tranh

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ số

IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động

3.1.7 Lập trình PLC phát xung điều khiển servo

- Một số lệnh phát xung cơ bản:

+ PLSY : Phát xung vuông cho phép cài tần số và số xung

+ PLSR : Phát xung vuông tương tự lệnh PLSY nhưng có thêm tham số hiệu chỉnh việc tăng tần số phát xung và giảm tần số phát xung khi khởi động và kết thúc lệnh phát xung Việc này tạo sườn dốc khi khởi động và dừng, giúp làm mềm chuyển động hơn lệnh PLSY ở những tốc độ cao

+ DRVI : Phát xung kèm thêm phát lệnh đảo chiều theo giá trị +/- của xung Lệnh này cũng cho phép cài đặt chỉ số hiệu chỉnh sườn dốc khi bắt đầu và chuẩn bị kết thúc lệnh Mỗi lần phát xung, số xung được tính tương đối theo lệnh

+ DRVA : Tương tự lệnh DRVI, nhưng vị trí ban đầu được xác định tuyệt đối Số xung sẽ lưu lại trong thanh ghi và xác định tuyệt đối so với điểm ban đầu

Chú ý: Đối với những lệnh 32 bit, ta thêm chữ D vào đầu lệnh: DPLSY, DPLSR, DDRVI, DDRVA

3.2 Động cơ servo

3.2.1 Servo là gì?

Servo là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí hoặc tốc độ mục tiêu giá trị

Hình 3.2 Mô hình của hệ thống servo

3.2.2 Cơ cấu định vị

Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phương pháp thay thế điều khiển vị trí

và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phương pháp điều khiển vị trí và tốc độ Sau đây là một số ví dụ về các cơ cấu định vị:

-Cơ cấu định vị đơn giản

Các ví dụ (hình ) về cơ cấu này đó là xy lanh hay trục cam hay bộ ly hợp và phanh hãm

Hình 3.3 Một số ví dụ về cơ cấu định vị

Ưu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ cao

Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor Cơ cấu này có thể được điều khiển vòng hở, nửa kín hay vòng kín Ưu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ dàng thay đổi vị trí đích và tốc độ của cơ cấu chấp hành Cơ cấu chuyển động định hướng Cơ cấu này chuyển động theo hướng nhất định được chỉ định

từ bộ điều khiển Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến hay quay

+ Điều khiển nửa kín:

Điều khiển nửa kín

Ở đây 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 số vòng nhất định tùy thuộc vào “ lệnh” của bộ điều khiển vị trí, nói cách khác bộ điều khiển vị trí có thể ra lệnh cho chạy hoặc dừng động cơ theo một lập trình sẵn có tùy thuộc vào ý đồ của người thiết kế + Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín

Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông qua một thước tuyến tính Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ

- Cấu hình của hệ thống servo:

3.2.4 Sự khác biệt so với motor thường

Về kết cấu và hoạt động của động cơ servo về cơ bản giống động cơ thường Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao, kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiện cơ khí Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo Động cơ servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Chính vì thế nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển Về cơ bản thì một servo motor và một động cơ bình thường giống nhau về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động (cũng có phần cảm phần ứng, khe hở

từ thông, cách đấu dây … ) Tuy nhiên tuỳ theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho những mục đích đặc biệt) so với động cơ thường

3.2.5 Tăng tốc độ đáp ứng

Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng thời gian quá độ Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất Các động cơ thường không thể đáp ứng được điều này Để động cơ đáp ứng được những yêu cầu trên thì nó phải được thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ Muốn như vậy ta cần giảm moment quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ Để giảm moment quán tính thì động cơ servo được giảm đường kính rotor và loại bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần đƣợc thiết

kế sao cho ngăn cản được sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm rare earth magnet)

3.2.6 Tăng khả năng đáp ứng:

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá

độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính Để làm đƣợc điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu Các động cơ servo thuộc loại này thường được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí

3.2.7 Mở rộng vùng điều khiển (control range)

Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện

áp chịu đựng của động cơ và thong thường không quá lớn so với điện áp định mức Động

cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặt biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hoà mạch từ trong động cơ Như vậy động cơ servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare earth)

3.2.8 Khả năng ổn định tốc độ:

Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định

Như ta đã biết là không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực

tế Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở 1750 rmp

mà nó chỉ dao động quanh giá trị này Động cơ servo khác biệt với động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khác cao Các động cơ servo loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot) Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ

3.2.9 Nguyên lí hoạt động của encoder

Để điều khiển được số vòng quay hay vận tốc thì chúng ta phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor servo bao gồm tachometer, dung biến trở xoay hoặc dung encoder trong 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và calencoder (encoder quang) còn lại thuộc phương pháp digital Hệ thống optial encoder bao gồm nguồn phát quang (thường là hồng ngoại), một cảm biến quang và 1 đĩa có cho rãnh Encoder được chia thành 2 loại là encoder tương đối và encoder tuyệt đối

Hình 3.3 Thành phần chính của Encoder

3.2.10 Các loại và tính năng của Servo Motor:

Động cơ Servo được phân loại thành các động cơ servo DC, động cơ servo

AC, và động cơ bước Có hai loại động cơ servo AC , động cơ servo đồng bộ và

động servo loại cảm ứng

- Phân loại động cơ servo:

- Nét đặc trưng của mỗi động cơ servo:

- Cấu trúc động cơ servo AC:

Hình 3.4 Cấu tạo của động cơ servo

3.2.11 Các tính năng của động cơ servo AC so với động cơ servo DC:

+ Nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn sẵn trên roto từ trường quay

+ Cuộn dây được cung cấp trên các Stator tĩnh phần ứng

+ Mặt khác, các chức năng điện của Stator một rotor đƣợc đảo ngƣợc, động

cơ AC servo không có các chuyển mạch và chổi than mà động cơ DC servo có

- Nguyên tắc hoạt động của động cơ servo AC:

Thông thường đầu chung được đấu với nguồn dương nguồn và được kích từ theo thứ tự liên tục

Theo hình thì đây là động cơ có góc quay 120 độ cho mỗi bước Rotor trong

động cơ có 2 răng Stator có ba cực cách nhau 120 độ Khi cuộn một kích điện thì răng của rotor bị hút vào cực một Nếu dòng qua cuộn một bị ngắt và đóng dòng

cho cuộn hai , rotor quay 120 độ ngược kim đồng hồ và răng của rotor sẽ hút vào cực hai

Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta cần cấp điện liên tục luân

phiên cho ba cuộn dây

3.3 Động cơ AC servo và Driver MR-J2 Mitsubishi

3.3.1 Động cơ AC servo và driver MR - J2

3.3.1.1 Giới thiệu driver MR-J2

- Nhãn mác của driver và ý nghĩa trên nhãn

- Giao diện interface của amplifier

- Tổng quan bộ driver servo

Tổng quan bộ driver servo

3.3.1.2 Động cơ servo

- Các bộ phận chính của động cơ

3.3.2 Sơ đồ kết nối và dây

3.3.2.1 Kết nối ngoại vi

Hình 3.5 Tổng quan sơ đồ kết nối AC servo

- Mô tả dây kết nối

+ L1, L2, L3 hoặc L, N : Nguồn cung cấp (1 pha hoặc 3 pha)

+ U, V, W: Kết nối đầu cuối motor servo (kết nối tới động cơ)

+ PE: Nối đất bảo vệ

+ MC: Cuộn dây contactor

+ CN1A, CN1B: Kết nối ngoại vi

+ CN3: Kết nối với máy tính

+ CN2: Dây encoder kết nối với motor servo