Tìm hiểu và thiết kế hệ truyền động Servo Yaskawa sử dụng PLC S71200

Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, tự động hoá càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các dây chuyển sản xuất bây giờ ngày càng được tự động hoá gần như tuyệt đối mà trong đó không thể thiếu các thiết bị như PLC, HMI, Động cơ Servo. Sự phát triển của các bộ logic khả trình PLC, cũng như yêu cầu ngày càng khắt khe về điều khiển chuyển động đã giúp các cơ cấu servo ngày càng trởnên phổ biến, ứng dụng ở nhiều công đoạn. Chính vì các lý do trên và dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Danh Huy, em đã nghiên cứu đề tài đồ án thiết kế: “Tìm hiểu và thiết kế hệ điều khiển chuyển động dùng PLC S71200 và hệ truyền động servo. Nội dung chính đồ án gồm: • Tìm hiểu về PLC S71200 và chức năng điều khiển vị trí. • Tìm hiểu về hệ truyền động servo Yaskawa. • Thiết kế ghép nối hệ thống. • Lập trình cho PLC điều khiển hệ thống. Sau một thời gian được sự hướng dẫn và chỉ bảo của TS. Nguyễn Danh Huy thì nhóm đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian và cũng như bản thân còn thiếu kinh nghiệm và năng lực còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy để rút ra những bài học quý báu cho bản thân. Em xin chân thành cảm ơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ 20202

ĐỀ TÀI: Tìm hiểu và thiết kế hệ truyền động Servo Yaskawa sử dụng PLC S7-1200

Nhóm 2

Sinh viên thực hiện : Đinh Văn Hậu

MSSV : 20173842

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy

Bộ môn : Tự động hóa công nghiệp

Viện : Điện

Hà Nội, 2021

Lời mở đầu

Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, tự động hoá càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Các dây chuyển sản xuất bây giờ ngày càng được tự động hoá gần như tuyệt đối mà trong đó không thể thiếu các thiết bị như PLC, HMI, Động cơ Servo Sự phát triển của các bộ logic khả trình PLC, cũng như yêu cầu ngày càng khắt khe về điều khiển chuyển động

đã giúp các cơ cấu servo ngày càng trởnên phổ biến, ứng dụng ở nhiều công đoạn

Chính vì các lý do trên và dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Danh Huy, em đã nghiên cứu đề tài đồ án thiết kế: “Tìm hiểu và thiết kế

hệ điều khiển chuyển động dùng PLC S7-1200 và hệ truyền động servo Nội dung chính đồ án gồm:

• Tìm hiểu về PLC S7-1200 và chức năng điều khiển vị trí

• Tìm hiểu về hệ truyền động servo Yaskawa

• Thiết kế ghép nối hệ thống

• Lập trình cho PLC điều khiển hệ thống

Sau một thời gian được sự hướng dẫn và chỉ bảo của TS Nguyễn Danh Huy thì nhóm đã hoàn thành đồ án này Tuy nhiên do thời gian và cũng như bản

thân còn thiếu kinh nghiệm và năng lực còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

để rút ra những bài học quý báu cho bản thân

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 30 tháng 6 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Đinh Văn Hậu

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC S7-1200 VÀ CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN

VỊ TRÍ………… 1

1.1 Tìm hiểu chung về PLC S7-1200 1

1.2 Module S7-1200 CPU 1214C 1

Thông số của CPU 1214C DC/DC/DC 2

1.3 Tìm hiểu về chức năng điều khiển vị trí trong PLC S7-1200 2

Cấu hình phần cứng điều khiển vị trí servo trên plc s7-1200 3

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO YASKAWA 7

2.1 Tìm hiểu về Servo Driver Yaskawa SGDV- R90A01A 7

2.2 Các chế độ điều khiển của servo Driver Yaskawa SGDV-R90A01A 8

Chế độ điều khiển tốc độ 8

Chế độ điều khiển vị trí 8

Chế độ điều khiển mô-men 8

2.3 Sơ đồ đấu dây mạch lực thiết bị 8

Sơ đồ chi tiết đấu dây mạch lực 9

2.4 Sơ đồ chân kết nối I/O 50 Pin (CN1) 9

Mô tả chân kết nối I/O 50 Pin 9

Các chân I/O sử dụng trong đề tài đồ án 11

Các chân I/O sử dụng trong các chế độ điều khiển 12

2.5 Cài đặt tham số vận hành 13

Lựa chọn chế độ điều khiển 13

Lựa chọn dạng xung đầu vào tham chiếu cho Drive 14

Lựa chọn chiều quay động cơ 14

Lựa chọn setting cho chế độ điều khiển Position 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ GHÉP NỐI HỆ THỐNG 16

3.1 Các thiết bị đấu nối trong tủ điều khiển 16

3.2 Đấu nối Servo Drive với nguồn cấp 220VAC 17

3.3 Sơ đồ nguồn cấp cho 2 Servo Drive 17

3.4 Sơ đồ đấu nối chân CN1 18

Các chân sử dụng trong CN1 18

Sơ đồ đấu nối các chân trong CN1 18

3.5 Sơ đồ đấu nối vào ra cho CPU S7-1200 19

Sơ đồ đấu nối input cho CPU 19

Sơ đồ đấu nối output 19

3.6 Sơ đồ đấu nối đã thực hiện thực tế 20

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG VÀ LẬP TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 21

4.1 Giao diện HMI vận hành hệ thống 21

4.2 Lập trìn PLC giải quyết bài toán đặt ra 23

Bài toán cần thực hiện 23

Lưu đồ thuật toán thực hiện bài toán 24

Chương trình PLC thực hiện bài toán di chuyển theo hình chữ nhật 25 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM THẢO 43

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

hình 1.1: CPU 1214C DC/DC/DC 2

hình 1.2: Thao tác thực hiện cấu hình điều khiển vị trí trên TIA PORTAL V15 3

hình 1.3: chọn sigmal type là :PTO trong mục Pulse options 4

hình 1.4: cấu hình chân phát xung và hướng cho động cơ 4

hình 1.5: cấu hình độ phân giải của servo và vít me 4

hình 1.6: khai báo giới hạn hành trình 5

hình 1.7: cấu hình phần tốc độ và thời gian tăng giảm tốc 5

hình 1.8: Cài đặt thời gian và gia tốc cho quá trình dừng khẩn cấp 6

hình 2.1: giải thích tham số model 7

hình 2.2: Bộ Driver SGDV- R90A01A 7

hình 2.3: Sơ đồ đấu dây mạch lực sử dụng điện áp 1pha 200-230VA 8

hình 2.4: Sơ đồ chi tiết đấu dây mạch lực 9

hình 2.5: Sơ đồ thứ tự các chân I/O 10

hình 2.6: Chế độ điều khiển tốc độ 12

hình 2.7: Chế độ điều khiển vị trí 12

hình 2.8: Chế độ điều khiển mô-men 13

hình 2.9: các chế độ lựa chọn xung đầu vào 14

hình 2.10: hình minh họa chiều quay thuận nghịch của động cơ 14

hình 3.1: thiết bi đấu nối 16

hình 3.2 : đấu nối Servo Drive với nguồn 17

hình 3.3: sơ đồ nguồn cấp cho 2 servo drive 17

hình 3.4: Các chân sử dụng trong CN1 18

hình 3.5: Sơ đồ đấu nối các chân trong CN1 18

hình 3.6: sơ đồ đấu nối input 19

hình 3.7: sơ đồ đấu nối output 19

hình 3.8: Hình ảnh đấu nối thực tế đã thực hiện 20

hình 3.9: Hai trục động cơ servo gắn với hai cơ cấu trượt 20

hình 4.1: giao diện vận hành chính của hệ thống 21

hình 4.2 : phân quyền cho hệ thống 21

hình 4.3: main screen sau khi đăng nhập 22

hình 4.4: màn hình Manual vận hành hệ thống 22

hình 4.5: Màn hình auto screen 23

hình 4.6: Bài toán cần thực hiện 23

hình 4.7: Lưu đồ save và gọi vị trí 24

hình 4.8: Lưu đồ chạy auto theo hình chữ nhật 25

hình 4.9: chương trình lưu vị trí axis 1 26

hình 4.10 : chương trình lưu vị trí axis 2 27

hình 4.11: chương trình gọi vị trí Axis_1 28

hình 4.12: chương trình gọi vị trí Axis_2 29

hình 4.13:Chương trình chạy hình chữ nhật 41

MỤC LỤC BẢNG Bảng 1: các chân tín hiệu I/O 10Bảng 2: Các chân tín hiệu được sử dụng trong đề tài 11Bảng 3:bảng tham số lựa chọn cho động cơ 14

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC S7-1200 VÀ CHỨC NĂNG

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

1.1 Tìm hiểu chung về PLC S7-1200

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-

1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là nó được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản

S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO), một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào

cả CPU và chương trình điều khiển:

• Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

• Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

1.2 Module S7-1200 CPU 1214C

- Board tín hiệu/truyền thông:1

- Module truyền thông: 3

- Bộ đếm tốc độ cao:

• 1 Pha 3 x 100KHZ/3 x 30KHZ

• 2 Pha 3 x 80KHZ/3 x 20KHZ

- Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2

- Truyền thông: Ethernet

- Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10 ngày

- Thực thi lệnh nhị phân: 0.1 micro giây/lệnh

1.3 Tìm hiểu về chức năng điều khiển vị trí trong PLC S7-1200

Để điều khiển chuyển động (kiểm soát tốc độ và vị trí) chúng ta có thể sử dụng phương pháp PWM và PTO Một đầu ra PLC được chỉ định sử dụng PWM hoặc PTO (chỉ một trong hai, không phải cả hai)

PWM là từ viết tắt của cụm từ “Pulse Width Modulation” được dịch sang tiếng việt là “điều chế độ rộng xung” PWM là một kỹ thuật điều chế được sử dụng

để mã hóa một thông số thành một tín hiệu xung Mặc dù kỹ thuật điều chế này có thể được sử dụng để mã hóa thông tin để truyền tải, nhưng công dụng chính của

nó là cho phép điều khiển công suất cung cấp cho các thiết bị điện, đặc biệt là đối với tải quán tính như động cơ

PTO là từ viết tắt của cụm từ “Pulse Train Output” dùng để định vị chính xác hoặc kiểm soát vận tốc chính xác PTO thường được dùng để phát xung điều khiển cho Driver của Servo Motor hay Stepper Motor

Cả PWM & PTO đều là những bộ tạo xung, tuy nhiên PTO là tạo ra chuỗi xung vuông có tỷ lệ T(on)/ T(period) là không đổi, còn PWM là tạo ra chuỗi xung vuông có tỷ lệ T(on)/ T(period) biến thiên PTO thường được dùng để phát xung điều khiển cho Driver của động cơ Servo hay động cơ bước (Stepper Motor) PWM thường được dùng để điều khiển trong điều khiển động cơ một chiều, bộ gia nhiệt hay điều khiển biến tần…

Trong nội dung đề tài: “Thiết kế hệ truyền động dùng PLC S7-1200 và hệ truyền động Servo” ta sẽ sử dụng phương pháp phát xung PTO để điều khiển Servo Yaskawa SGDV

Xung PTO

• Thay đổi tần số trong khi chu kỳ hoạt động vẫn ở mức 50%

• T (period) rất đa dạng Việc kiểm soát được thực hiện từ phần mềm

• Tỷ lệ T (off) so với T (on) có thể được cố định ở mức 50%: 50%

Cấu hình phần cứng điều khiển vị trí servo trên plc s7-1200

Đầu tiên tạo 1 project mới sau đó add CPU và chọn đúng version để cấu hình phần cứng cho chính xác Sau đó bấm vào mục: Technology object rồi chọn Add new object

Ở cửa sổ mới mở ra chọn Motion control rồi bấm vào mục TO_PositioningAxis rồi chọn phần Automatic và bấm OK

hình 1.2: Thao tác thực hiện cấu hình điều khiển vị trí trên TIA PORTAL V15

Giao diện phần cứng: Trong mục Properties của CPU, ở phần Pulse Generators (PTO1/PWM1), tích chọn “Enable this pulse generator”, trong phần "Parameter assignment", chọn “PTO (pulse A and direction B)”

hình 1.3: chọn sigmal type là :PTO trong mục Pulse options

Với lựa chọn đó, 2 chân đầu ra điều khiển xung và điều khiển hướng sẽ được

tự động chọn là Q0.0 và Q0.1

Giờ chuyển vào mục Drive để cấu hình chân phát xung và hướng chạy của động

cơ servo, cấu hình như hình bên dưới thì Q0.0 sẽ là ngõ phát xung, còn chọn hướng

là chân Q0.1

hình 1.4: cấu hình chân phát xung và hướng cho động cơ

Tiếp theo bấm vào mục Mechanics để cấu hình độ phân giải của servo và vít

me Thông số như dưới hình có nghĩa là phát 1000 xung thì động cơ quay 1 vòng,

1 vòng thì vít me sẽ đi được 10mm

hình 1.5: cấu hình độ phân giải của servo và vít me

Sau khi cấu hình 3 phần nêu trên về cơ bản đã hoàn thành, ý nghĩa của những phần còn lại được trình bày trong các phần sau:

1.3.1.1 Position litmits: phần khai báo giới hạn hành trình.

hình 1.6: khai báo giới hạn hành trình

Click chọn Enable HW limit switch và SW limit switch Đặt địa chỉ Input Low HWLimit Switch và Input high HWLimit Switch tương ứng là I0.7 và I0.6

Lưu ý chọn Level của 2 công tắc giới hạn hành trình là High Level để khi có tín hiệu mức cao tức là từ 0 lên 1 thì cảm biến mới hoạt động

1.3.1.2 Dynamics- General: cấu hình phần tốc độ cũng như thời gian tăng giảm tốc

hình 1.7: cấu hình phần tốc độ và thời gian tăng giảm tốc

Trong mục General, ta có thể cài đặt đơn vị của vận tốc động cơ, tốc độ lớn nhất trong quá trình di chuyển, tốc độ tăng tốc và giảm tốc, gia tốc tăng tốc và giảm tốc

Thời giam tăng tốc và thời gian giảm tốc được tính bằng hiệu của tốc độ lớn nhất và tốc độ tăng/giảm tốc chia cho gia tốc tăng/giảm tốc

Với đơn vị Pulse/s2, độ lớn gia tốc tăng tốc và gia tốc giảm tốc nằm tronng khoảng từ 0.28 đến 9.5e9

1.3.1.3 Gynamics Emergency stop: khai báo phần dừng khẩn

Cài đặt thời gian và gia tốc cho quá trình dừng khẩn cấp Trong đó, thời gian dừng khẩn cấp liên hệ với gia tốc dừng khẩn cấp được đặt theo công thức:

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO

YASKAWA

2.1 Tìm hiểu về Servo Driver Yaskawa SGDV- R90A01A

hình 2.1: giải thích tham số model

Servo AC đa năng dòng Yaskawa SGDV-R90A01A được phát triển bởi hang Yaskawa của Nhật Bản có hiệu suất làm việc cao, đa dạng các chức năng và hoạt động bền bỉ ở nhiều môi trường làm việc khác nhau

Dòng SGDV là các bộ Drive dùng cho các động cơ AC servo của hãng Yaskawa với công suất đầu ra là 100W

Bộ Driver có 3 chế độ điều khiển được sử dụng phổ biến ngày này đó là chế

độ điều khiển tốc độ, vị trí, mômen Ngoài ra bộ Driver có khá nhiều các chế độ điều khiển khác bằng việc tích hợp 2 trong 3 chế độ làm việc trên, tổng cộng có 9 chế độ điều khiển cho bộ driver

Do được tích hợp nhiều chế độ chiều khiển như vậy, có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như định vị chính xác và điều khiển tốc độ mượt mà của máy công cụ và máy công nghiệp

hình 2.2: Bộ Driver SGDV- R90A01A

Ngoài ra dòng SGDV được trang bị các cổng truyền thông RS-422, USB Thông qua các cổng truyền thông RS-422, USB cho phép bộ Drive giao tiếp với phần mềm SigmaWin+ dùng để cài đặt thông số, vận hành thử hệ thống, hiện thị các thông số trục chuyển động

Các dòng Servo Yaskawa SGDV sử dụng một Encoder tương đối với độ phân giải 13-bit (8192 xung/ vòng) để đảm bảo việc vận hành trơn tru

2.2 Các chế độ điều khiển của servo Driver Yaskawa SGDV-R90A01A

Chế độ điều khiển tốc độ

Điều khiển tốc độ động cơ servo bằng 1 điện áp tương tự đặt

Sử dụng trong các trường hợp sau:

• Để kiểm soát tốc độ

• Để điều khiển vị trí bằng cách sử dụng đầu ra xung bộ mã hóa từ SERVOPACK để tạo một vòng lặp vị trí trong bộ điều khiển máy chủ

Chế độ điều khiển vị trí

Điều khiển vị trí của động cơ bằng 1 xung vị trí tham chiếu

Điều khiển vị trí với số lượng xung đầu vào và điều khiển tốc độ với tần số xung đầu vào Sử dụng khi cần định vị

Chế độ điều khiển mô-men

Điều khiển mô-men xoắn đầu ra của động cơ servo bằng một điện áp tương

tự đặt

Sử dụng để xuất ra số lượng cần thiết mô-men xoắn cho các hoạt động như dừng khi tiếp xúc

2.3 Sơ đồ đấu dây mạch lực thiết bị

hình 2.3: Sơ đồ đấu dây mạch lực sử dụng điện áp 1pha 200-230VA

Sơ đồ đấu dây trên được kết nối bởi các chân tín hiệu sau:

• L1, L2, L3: Các đầu nối mạch động lực Sử dụng điện 3 pha 200- 230VAC hoặc điện 1 pha 200-230VAC, ở đây chúng ta sử dụng điện 1 pha, và chỉ sử dụng chân L1, L2

• L1C, L2C: các đầu nối mạch điều khiển L1C nối với L1, L2C nối với L2

• U, V, W: đầu ra cấp nguồn cho động cơ Servo

• CN1: Các chân I/O 50-pin của Servo Drive

• CN2: Đầu nối feedback từ Encoder của động cơ Servo

Sơ đồ chi tiết đấu dây mạch lực

hình 2.4: Sơ đồ chi tiết đấu dây mạch lực

Trong đó có các đầu nối mạch điều khiển L1C nối với L1, L2C nối với L2, nguồn cấp 220VAC vào hai chân L1, L2

2.4 Sơ đồ chân kết nối I/O 50 Pin (CN1)

Sơ đồ chân kết nối I/O(CN1) có nhiệm vụ kết nối Drive Servo với PLC

S7-1200, PLC S7-1200 sẽ điều khiển động cơ Servo qua chân kết nối I/O 50pin (CN1) này

Mô tả chân kết nối I/O 50 Pin

hình 2.5: Sơ đồ thứ tự các chân I/O

Số chân tín hiệu ứng với tên tín hiệu sẽ được trình bày trong bảng dưới đây

Bảng 1: các chân tín hiệu I/O

Chân tín

Chân tín

Các chân I/O sử dụng trong đề tài đồ án

Bảng 2: Các chân tín hiệu được sử dụng trong đề tài

50

Input

/S-Ready+ 29 Turn ON when the driver ready to

accept the S-ON signal

Các chân I/O sử dụng trong các chế độ điều khiển

2.4.3.3 Chế độ điều khiển mô-men

Lựa chọn chế độ điều khiển

Lựa chọn chế độ điều khiển cho driver servo, ta điều chỉnh tham số Pn000.1 (control method selection), ở đây ta sẽ có các chế độ lựa chọn như sau:

- 0: speed control

- 1: Position control

- 2: torque control

- 3: internal set speed control

- 4: internal set speed control →speed control

- 5: internal set speed control →position control

- 6: internal set speed control → torque control

Tham số lựa chọn trong đề tài đồ án Pn000.1: 1(position control)

Lựa chọn dạng xung đầu vào tham chiếu cho Drive

Lựa chọn dạng xung đầu vào tham chiếu cho Drive, ta điều chỉnh tham số Pn200.0, ở đây ta sẽ có các chế độ lựa chọn như bảng sau:

hình 2.9: các chế độ lựa chọn xung đầu vào

Tham số lựa chọn: Pn200.0: 0(sign+pulse train- position logic)

Lựa chọn chiều quay động cơ

hình 2.10: hình minh họa chiều quay thuận nghịch của động cơ

Tham số lựa chọn Pn000.0 :0(set CCW as forward direction)

Lựa chọn setting cho chế độ điều khiển Position

Lựa chọn thông số cho hộp số điện tử

- Pn20E: 8192 (Encoder 13 bit)

- Pn210 :1000 (số xung PLC phát)

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ GHÉP NỐI HỆ THỐNG

3.1 Các thiết bị đấu nối trong tủ điều khiển

hình 3.1: thiết bi đấu nối

3.2 Đấu nối Servo Drive với nguồn cấp 220VAC

hình 3.2 : đấu nối Servo Drive với nguồn

3.3 Sơ đồ nguồn cấp cho 2 Servo Drive

hình 3.3: sơ đồ nguồn cấp cho 2 servo drive