Hệ thống chiết rót chất lỏng ứng dụng động cơ servo 2

SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY CHIẾT RÓT 2.1 Khái Niệm Máy Chiết Rót Máy chiết rót loại thiết bị đƣợc sử dụng để chiết loại chất lỏng vào dụng cụ đựng với lƣu lƣợng cố định dựa dây chuyền tự động Máy chiết rót ngành cơng nghiệp sản xuất thực phẩm, dƣợc phẩm, mỹ phẩm, thức uống, hóa chất,… ngày giữ vai trò quan trọng việc vận hành dây chuyền sản xuất đóng gói, hỗ trợ tối đa giúp đẩy mạnh suất lao động, tối ƣu doanh thu, tối thiểu hóa chi phí sản xuất đóng gói 2.2 Cấu Tạo Và Chức Năng Của Máy Chiết Rót Máy chiết rót gồm phần máy bơm, dùng để bơm xác lƣu lƣợng chất lỏng vào Lƣu lƣợng bơm cần phải có độ xác cao, tốc độ xử lí nhanh áp suất đều… Máy chiết rót đơng giản thƣờng có bơm băng tải khơng kể trục Truyền động trục nhờ động servo (DC, AC, bƣớc) servo driver kèm encoder Truyền động trục dùng động AC ba pha biến tần hay cua-roa đổi tốc Phần yếu máy chiết rót vi xử lý 16 bit hay 32 bit, Vi xử lý với linh kiện hổ trợ tạo thành điều khiển chiết rót có nhiệm vụ: - Chuyển đổi thực tế lệnh điều khiển cấu chấp hành - Xuất tín hiệu điều khiển servo driver, biến tần… (di chuyển bàn máy, dao cắt, quay trục chính, thay đổi vận tốc trục chính, thay dao,…) - Đọc vị trí hồi tiếp từ encoder, đọc tín hiệu digital điều khiển rơle cho thao tác - Giao tiếp với panel điều khiển, gồm có hình, bàn phím, núm, cơng tắc đèn báo Thơng qua panel điều khiển điều khiển tay số chức máy, hiệu chỉnh máy, cho máy chạy chƣơng trình điều khiển nhớ, nạp chƣơng trình điều khiển từ máy tính ngồi qua đƣờng truyền nối tiếp, từ đĩa mềm hay băng đục lỗ vào nhớ Một số máy đƣợc kết hợp với máy trƣớc sau cơng đoạn chiết rót SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp - Thơng báo hình tình trạng hoạt động máy, cố hƣớng dẫn khắc phụ chế độ monitor 2.3 Bộ Điều Khiển Hiện nay, điều khiển thƣờng đƣợc thiết kế dƣới dạng: - Sử dụng máy tính PC lập trình môi trƣờng DOS hay windows (pc-based control) với card điều khiển chuyển động giao diện cần thiết khác gắn vào máy tính qua slot, giao diện ngƣời - máy thơng qua hình bàn phím, chuột - Thiết kế dƣới dạng compact đơn khối gồm module điều khiển vị trí, servo driver, PLC, hình touch screen panel điều khiển (giao diện ngƣời thao tác - operator interface) - Bộ điều khiển gồm board vi xử lý (hoặc vi điều khiển) module nhớ, giao diện ngoại vi, servo driver, hình panel điều khiển, giao tiếp máy tính theo đƣờng truyền RS232 hay 485 2.4 Máy Chiết Rót Thực Tế Sử Dụng Ac Servo Motor Hình Máy chiết rót sử dụng AC servo thực tế SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp CHƢƠNG 3: SƠ LƢỢC PHẦN CỨNG 3.1 Thiết Kế Cơ Khí 3.1.1 Các Thơng Số Thiết Kế Ban Đầu - Kích thƣớc bàn máy: 415x410x250 (mm) - Hành trình di chuyển trục X: 280 (mm) - Hành trình di chuyển trục Y: 260 (mm) - Động điều khiển trục X: 100 (W), 3000 (vòng/phút) - Động điều khiển trục Y: 100 (W), 3000 (vòng/phút) - Máy bơm: (W) Hình Mơ hình máy chiết rót 3.1.2 Cấu Tạo Của Máy Chiết Rót SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Chi Tiết Máy - Chi tiết thành phần máy chiết rót: Bàn máy Động servo điều khiển trục X Thanh ray trƣợt trục X Động servo điều khiển trục Y Vitme trục Y Động bƣớc (step motor) Thanh ray trƣợt trục Y Đầu chiết rót 10 Con trƣợt Vitme trục X 11 Khớp nối gá động 3.1.2.1 Bộ Phận Vitme Đai Ốc Nhiệm vụ: Dùng để dẫn động trục chuyển động theo đƣờng dẫn hƣớng Trục vitme đƣợc dẫn động nhờ động quay Vitme đai ốc bi loại vitme đặc biệt khử khe hở triệt để Vì đổi chiều chuyển động khơng tồn khe hở đảm bảo đƣợc độ xác gia cơng Kết cấu vitme đai ốc bi nhƣ hình sau: Hình 3 Cấu tạo vitme đai ốc bi SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp 3.1.2.2 Bộ Phận Trục X Nhiệm vụ: Thực chuyển động dọc theo thân máy Để thực chuyển động nhờ trục vitme đai ốc bi dẫn động động servo Hình Bộ phận trục X 3.1.2.3 Bộ Phận Trục Y Nhiệm vụ: Thực chuyển động vng góc với trục X Chuyển động đƣờng dẫn hƣớng trục Y Thực chuyển động nhờ trục vitme đai ốc bi, dẫn động nhờ động servo Hình Bộ phận trục Y SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp 3.2 Thiết Kế Tủ Điện Hình Bố trí thiết bị CB Power 24V Contactor Relay Positioning unit FX2N-20GM Board Arduino A4988 Terminal CN1B Terminal I/O CNT FX2N-20GM Servo Amplifier MRJ2S-10A 10 Domino cầu nối dây điện SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Bố trí đèn báo nút nhấn POWER: Đèn báo nguồn hệ thống ALARM: Đèn báo lỗi EMG: Nút nhấn dừng khẩn cấp START: Nút khẩn khởi động STOP: Nút nhấn dừng POSITIONG UNIT POWER: Nguồn FX2N-20GM SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp CHƢƠNG 4: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ SERVO 4.1 Khái Niệm Servo Servo hệ thống để kiểm soát dụng cụ khí phù hợp với biến đổi vị trí tốc độ mục tiêu giá trị Hình Mơ hình hệ thống 4.1.1 Cơ Cấu Định Vị Hệ thống servo không đơn giản phƣơng pháp thay điều khiển vị trí tốc độ cấu học, thiết bị khí đơn giản, hệ thống servo trở thành hệ thống điều khiển phƣơng pháp điều khiển vị trí tốc độ Sau số vị dụ cấu định vị: -Cơ cấu định vị đơn giản: Hình Một số ví dụ cấu 10 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Các ví dụ (hình) cấu xylanh, trục cam hay ly hợp phanh hãm Ƣu điểm cấu đơn giản, rẻ tiền, hoạt động tốc độ cao Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển servo motor Cơ cấu đƣợc điều khiển vịng hở, nửa kín hay vịng kín Ƣu điểm cấu độ xác đáp ứng tốc độ cao, dễ dàng thay đổi vị trí đích tốc độ cấu chấp hành Cơ cấu chuyển động định hƣớng Cơ cấu chuyển động theo hƣớng định đƣợc định từ điều khiển Chuyển động chuyển động tịnh tiến quay 4.1.2 Hệ Thống Điều Khiển - Điều khiển vịng kín: Hình Điều khiển vịng kín Vịng hồi tiếp lúc hồi tiếp từ trục động mà vòng hồi tiếp lúc hồi tiếp vị trí bàn chạy thơng qua thƣớc tuyến tính Lúc điều khiển vị trí khơng điều khiển số vịng quay motor mà điều khiển trực tiếp vị trí bàn chạy Nghĩa sai số tĩnh sai khác bánh hay hệ thống truyền động đƣợc loại bỏ - Cấu hình hệ thống Servo: Hình 4 Cấu hình hệ thống servo 11 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp 4.1.3 Bộ Điều Khiển Pid Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển đƣợc sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trƣờng hợp khơng có kiến thức (mơ hình tốn học) hệ thống điều khiển điều khiển PID điều khiển tốt Tuy nhiên, để đạt đƣợc kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống - kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống Hình Sơ đồ khối điều khiển PID Giải thuật tính tốn điều khiển PID bao gồm thơng số riêng biệt, đơi cịn đƣợc gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh q trình thơng qua phần tử điều khiển nhƣ vị trí van điều khiển hay nguồn phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, giá trị làm sáng tỏ quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ, D dự đoán sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi 12 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp 6.1.3 Lập Trình Lƣu Đồ 6.1.3.1 Chế Độ Lập Trình - Các kí hiệu Flow Bao gồm khối START, END, SUBROUTINE, RET, Program inText, JMP, POINTER, CONDITION, CALL - Các kí hiệu Code Bao gồm 12 khối: DRV, DRVZ, LINE, CIR, INC/ABS, TIME, SET address, CHK, SETR/DRVR, INTERRUPT, CORRECT m Code - Các kí hiệu Func Bao gồm khối: RPT/RPTE, MOV, BCD/BIN, Arithmetic, Logical, ABS, EXT, SEGL SET/RST Chú thích khối có khối Program in text dung để lập trình dịng lệnh 58 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Cửa sổ Program in text 6.1.3.2 Cài Đặt Các Thành Phần Flow - Comments (Bình luận) Mỗi kí hiệu có comment gắn với Nó đƣợc hiển thị bên phải kí hiệu tích chọn „Display Comment‟ Comment hiển thị tối đa 16 kí tự Nếu chọn „Display Contents‟ đƣợc hiển thị bên trái kí hiệu Hình Comment - Parameters (Thơng số) Thơng số vị trí cho tất cơng cụ đƣợc hiển thị chỉnh sửa việc click chuột vào nút Parameters 59 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp - Hộp thoại lệnh m code FXPLC Hộp thoại đƣợc sử dụng để hiển thị sơ đồ lệnh Ladder cho việc hiển thị trạng thái thiết bị, chép vào Clip board dán đến phần mềm SW0PC-FXGP/WIN-E Hình 6 Parameter Nó cung cấp chƣơng trình Ladder cho: - Thiết bị lƣu m code - Thiết bị điều khiển thiết bị phụ trợ - m code ON m code OFF 6.2 Thiết Bị Ngoại Vi Trục Z 6.2.1 Động Cơ Bƣớc (Step Motor) 6.2.1.1 Tổng Quan Động Cơ Bƣớc Động bƣớc loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thƣờng Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dƣới dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rơto có khả cố định rơto vào vị trí cần thiết Về cấu tạo, động bƣớc đƣợc coi tổng hợp hai loại động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ 60 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp 6.2.1.2 Điều Khiển Động Cơ Bƣớc Động bƣớc không quay theo chế thông thƣờng, chúng quay theo bƣớc nên có độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đƣa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rơto tƣơng ứng với số lần chuyển mạch, nhƣ chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi 6.2.1.3 Lập Trình Và Điều Khiển Động Cơ Bƣớc Hình Sơ đồ kết nối độc bƣớc Bao gồm: - Vi xử lí Arduino uno R3 - Module điều khiển động bƣớc 4988 - Động bƣớc 61 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyên lí hoạt động: PLC điều khiển Relay qua ngõ output Y6, chân ENABLE Arduino đƣợc đóng ngắt qua Relay Bật tắt động thông qua chân ENABLE, mức LOW bật module, mức HIGH tắt Điều khiển chiều quay động thông qua pin DIR Điều khiển bƣớc động thông qua pin STEP, xung tƣơng ứng với bƣớc (hoặc vi bƣớc) Chọn chế độ hoạt động cách đặt mức logic cho chân MS1, MS2, MS3 Hai chân Sleep với Reset nối với Hình Phần mềm Arduino IDE 6.2.2 Máy Bơm Chất Lỏng Dùng để bơm chất lỏng từ bồn đến ống nghiệm đến đầu chiết rót, đƣợc điều khiển qua ngõ Y7 điều khiển 62 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Máy bơm DC12V-MB4090 Thông số kỹ thuật: Điện áp: DC 12V Dòng điện 500mA Trọng lƣợng: 100g -Áp lực hút: 50Kpa -Áp lực đẩy: 90Kpa -Lƣu lƣợng: 4L/Phút 63 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp CHƢƠNG 7: ĐIỀU KHIỂN MÁY CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG Mơ hình máy chiết rót thực chiết rót loại chất lỏng hàng loạt vào dụng cụ chứa định sẵn theo lƣu lƣợng định Chƣơng trình đƣợc lập trình tay sử dụng phần mềm hỗ trợ tạo chƣơng trình tự động, ngơn ngữ điều khiển vị trí FX2N-20GM Bộ nhớ chƣơng trình RAM độ dài tối đa 7800 steps Quy Trình Thực Hiện Chung: Kiểm tra ống nghiệm khay Đặt khay vào vị trí định trƣớc Xác định chọn vị trí muốn chiết rót Chọn vị trí chiết rót giao diện phần mềm Nhấn Start giao diện phần mềm để chiết rót Kiểm tra kết chiết rót Chú ý: Chỉ chọn đƣợc vị trí chiết rót(nếu khơng chọn nhấn Start máy chiết rót lần lƣợt tất ống nghiệm - Đầu tiên bật CB tủ điện lên, cắm cáp lập trình USB-SC09-FX cáp nguồn Arduino vào máy tính Nhấn nút Start tủ điều khiển bật nguồn cho điều khiển - Mở phần mềm FX-PCS-VPS-WIN/E Mở giao diện thiết kế sẵn, với thông số cài đặt file có tên pr1 đĩa CD đính kèm: 64 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Giao diện điều khiển chƣa khởi chạy Trong đó: 1- Các nút nhấn thao tác thủ công trục X, trục Y 2- Đối tƣợng vị trí 3- Biểu đồ đối tƣợng 4- Trạng thái ngõ vào điều khiển 5- Trạng thái ngõ điều khiển 6- Trạng thái ngõ vào thủ công 7- Trạng thái FX-GM 8- thơng tin chƣơng trình 9- Phần phụ trợ 10- Vị trí chọn thủ cơng/hiển thị vị trí - Vào FX-GM chọn Commport Chọn cổng COM, nhấn test để kiểm ra, OK (Lƣu ý phần mềm FX-PCS-VPS/WIN-E chó phép từ COM1 -> COM4) - Vào FX-GM -> Monitor -> Start Kích đúp vào M9168 (SET M9168) để chọn chế độ Manual FX2N-20GM Rồi FX-GM -> Monitor -> Stop 65 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Chọn chế độ điều khiển Sau đó, FX-GM -> Write to FX-GM(Nạp vào chƣơng trình đƣợc lập trình sẵn) Khởi động lại nguồn FX2N-20GM Hình Tủ điều khiển - Để kiểm tra, ta vào FX-GM -> chọn Monitor -> Start Ta đƣợc kết nhƣ hình sau: 66 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình Giao diện điều khiển khởi chạy Trong FX-PCS-VPS-WIN/E vào FX-GM -> Monitor -> Start Kích đúp vào M9168 (RST M9168) để chọn chế độ Auto FX2N-20GM, kích vào button X START để chạy chƣơng trình - Chƣơng trình đƣợc xử lý dịng lệnh: Hình Chƣơng trình hoạt động chế độ Auto 67 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Nếu chƣơng trình có lỗi, máy dừng hoạt động thông báo lỗi Hình Báo lỗi 68 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp Lƣu đồ chƣơng trình: 69 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp KẾT LUẬN Qua thời gian thực hiện, dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy Ngô Thanh Quyền, giúp đỡ quý thầy cô giáo bạn sinh viên khoa, chúng em cố gắng hoàn thành báo cáo tốt nghiệp theo yêu cầu thời gian quy định Trong báo cáo, em thực đƣợc công việc sau: - Khảo sát phần lý thuyết: + Giới thiệu tổng quan máy chiết rót + Giới thiệu động AC servo Mitsubishi + Giới thiệu điều khiển vị trí FX2N-20GM - Nội dung: + Tìm hiểu lập trình đƣợc cho module điều khiển vị trí FX2N-20GM + Tìm hiểu điều khiển đƣợc động AC servo Cài đặt thông số cho driver servo + đọc,hiểu khắc phục cố tủ điều khiển - Hƣớng phát triển đề tài: + Gia công lại phần khí, hạn chế sai lệch nhỏ + Kết nối FX2N-20GM với PLC FX2N, FX2NC, FX3U, mở rộng I/O, gắn thêm board nhớ: FX2NC-EPROM-16 + Thay phƣơng pháp điều khiển bơm để đạt đƣợc độ xác thiết lập lƣu lƣợng bơm Do thiếu nhiều kinh nghiệm nhƣ thời gian nên báo cáo khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc giúp đỡ, bảo thầy giáo để em hồn thiện tốt q trình sau 70 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Melservo J2-Super Series [2] Hardware/Programing Manual FX2N-10GM, FN2N-20GM [3] Software Manual FX-PCS-VPS/WIN-E 71 SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng Khóa Luận Tốt Nghiệp LỜI CẢM ƠN Trên thực tế thành cơng mà khơng gắn liền với hỗ trợ giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngƣời khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu thực khóa luận tốt nghiệp đến nay, em nhận quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Đặc biệt, đƣợc hƣớng dẫn nhiệt tình thầy Ngô Thanh Quyền giúp em giải khó khăn q trình thực đề tài “HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ SERVO” Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Thanh Quyền, quý thầy cô Khoa Công nghệ Điện - trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thực quý báu giúp cho em hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Trong trình viết báo cáo khơng thể tránh đƣợc sai sót, mong đƣợc góp ý q thầy, bạn sinh viên Khoa Công nghệ Điện Xin cảm ơn tất bạn bè, gia đình ngƣời quan tâm, giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! 72 ... FX -20 GM (khi FX -20 GM đƣợc sử dụng độc lập): - Khối mở rộng dòng FX2NC : FX2NC-16EX-DS, FX2NC-16EYT-DSS, FX2NC-32EXDS, FX2NC-32EYT-DSS, FX2NC-16EXT-DS, FX2NC-16EX-D/UL, FX2NC-16EYTD/UL, FX2NC-32EX-D/UL,... FX2N(C), dòng FX3U(C) FX2N -20 GM Đề tài sử dụng module FX2N -20 GM để điều khiển vị trí cho hai động servo - Cài đặt thông số Chọn hệ thống phát vị trí tuyệt đối: 0: Hệ thống tƣơng đối 1: Hệ thống. .. CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ SERVO 4.1 Khái Niệm Servo Servo hệ thống để kiểm soát dụng cụ khí phù hợp với biến đổi vị trí tốc độ mục tiêu giá trị Hình Mơ hình hệ thống 4.1.1 Cơ Cấu Định Vị Hệ thống servo không