(Đồ án hcmute) điều khiển giám sát vị trí qua mạng ethernet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ÐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VỊ TRÍ QUA MẠNG ETHERNET GVHD: TS TRƯƠNG ÐÌNH NHƠN SVTH : NGUYỄN BÁ VƯƠNG QUAN MSSV: 10102219 SKL 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VỊ TRÍ QUA MẠNG ETHERNET Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Sinh viên: NGUYỄN BÁ VƯƠNG QUAN MSSV: 10102219 Hướng dẫn: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN TP HỒ CHÍ MINH – 01/2017 an PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên: Nguyễn Bá Vương Quan MSSV: 10102219 Tel: 01685500088 Email: 10102219@student.hcmute.edu.vn Thông tin đề tài Tên đề tài: Điều khiển giám sát vị trí qua mạng Ethernet Mục đích đề tài: Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển – Tự Động Hóa, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 22/09/2019 đến 06/01/2017 Các nhiệm vụ cụ thể đề tài - Nghiên cứu, sử dụng thí nghiệm thiết bị điều khiển tự động hóa AllenBradley gồm: PLC micro850, biến tần PowerFlex 525, màng hình HMI PanelView 800 số thiết bị khác - Liên kết, điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet/IP - Điều khiển Vitme xác vị trí, điều khiển tốc độ động sử dụng mạng Ethernet Lời cam đoan sinh viên Tôi – Nguyễn Bá Vương Quan cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn tiến sĩ Trương Đình Nhơn Các kết cơng bố ĐATN trung thực không chép từ cơng trình khác Tp.HCM, ngày tháng năm 2017 SV thực đồ án Nguyễn Bá Vương Quan Giáo viên hướng dẫn xác nhận mức độ hoàn thành cho phép bảo vệ: ……………………………………………………………………………………… Tp.HCM, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên học hàm học vị) Xác nhận Bộ Môn an LỜI CẢM ƠN Lời đầ u tiên, sinh viên thực hiê ̣n đề tài xin đươ ̣c phép chân thành gửi lời cảm ơn đế n thầ y giáo - tiến sĩ Trương Đình Nhơn, giáo viên hướng dẫn đề tài đã đinh ̣ hướng và trao đổ i những kinh nghiê ̣m quý báu để sinh viên thực hiê ̣n những nô ̣i dung đề tài mô ̣t cách hoàn chỉnh Sinh viên thực hiê ̣n đề tài cũng xin trân tro ̣ng cảm ơn các thầ y (cô) trường Đa ̣i Ho ̣c Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TP.HCM nói chung và thầ y (cô) khoa Điê ̣n – Điê ̣n Tử nói riêng đã tâ ̣n tình truyề n đa ̣t những kiế n thức nề n tảng để sinh viên thực hiê ̣n hoàn thành tố t đề tài Cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình: bố mẹ, anh chị em tạo điều kiện thuận lợi mặt vật chất tinh thần, sở vững tâm lý để sinh viên thực đề tài, hoàn thành tốt cơng việc học tập Cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn đến tất anh/ chị khóa trước bạn khóa, học tập, giúp đỡ trao đổi kiến thức liên quan để hoàn thành đồ án tốt nghiệp tiến độ đạt kết tốt TP HCM, Ngày 06 Tháng 01 Năm 2017 Sinh viên thực hiê ̣n đề tài Nguyễn Bá Vương Quan iv an MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VII DANH MỤC BẢNG X CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƯƠNG GIỚI THIỆU .1 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .2 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .2 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .3 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2.1 PHẦN CỨNG SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.1.1 PLC Micro850 .4 2.1.2 Biến tần PowerFlex 525 2.1.3 HMI PanelView 800 17 2.1.4 Động pha Y70-15 .19 2.1.5 Encoder LPD3806-360BM-G5-24C 20 2.1.6 Công tắc hành trình 21 2.1.7 Nguồn tổ ong 24V DC .23 2.1.8 Switch 24 2.2 PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI .25 2.2.1 Phần mềm Connected Components Workbench (CCW) 25 2.2.2 Thao tác Connected Components Workbench 27 2.3 MẠNG ETHERNET CÔNG NGHIỆP 38 2.3.1 Tổng quan mạng Ethernet công nghiệp 38 2.3.2 Cáp mạng Ethernet 38 2.3.3 Switch mạng Ethernet 39 2.3.4 Khắc phục cố mạng Ethernet 41 2.3.5 Kết nối với hệ thống mạng IT 42 v an CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 43 3.1 YÊU CẦU CỦ HỆ THỐNG 43 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 43 3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .44 3.4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ .44 3.4.1 Đề xuất phương pháp 44 3.4.2 Đánh giá độ xác, ảnh hưởng lực quán tính 45 3.4.3 Lưu đồ giải thuật .45 3.4.4 Sơ đồ nối dây .48 3.4.5 Chương trình điều khiển PLC Micro850 50 3.4.6 Thiết kế giao diện làm việc HMI PanelView 800 59 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 63 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 63 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .64 4.2.1 Hệ thống hoạt động cấp tốc độ 10Hz .64 4.2.2 Hệ thống hoạt động cấp tốc độ 30, 50, 70 Hz 66 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 5.1 KẾT LUẬN .68 5.1.1 Kết đạt .68 5.1.2 Ưu điểm, nhược điểm hệ thống 68 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 vi an DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: PLC AllenBradley Micro850 (2080-LC50-48QWB) Hình 2.2: Sơ đồ phần cứng Micro850 Hình 2.3: Biến tần Powerflex 525 (Series A) Hình 2.4: Vị trí đấu nối dây động lực cho Powerflex 525 Hình 2.5: Vị trí đấu nối tín hiệu điều khiển cho Powerflex 525 Hình 2.6: Màn hình hiển thị Powerflex 525 Hình 2.7: Phần cứng PanelView 800 Hình 2.8: Giao diện làm việc HMI PanelView 800 Hình 2.9: Động pha Y70-15 Hình 2.10: Encoder LPD3806-360BM-G5-24C Hình 2.11: Cơng tắc hành trình LXW5-11M Hình 2.12: Sơ đồ chân LXW5-11M Hình 2.13: Cơng tắc hành trình AZ7310 Hình 2.14: Nguồn tổ ong 24V DC Hình 2.15: Thiết bị Switch Hình 2.16: Màn hình khởi động CCW Hình 2.17: Tạo dự án CCW Hình 2.18: Thêm PCL Micro850 vào dự án Hình 2.19: Thêm trang viết chương trình điều khiển Hình 2.20: Mở trang viết chương trình điều khiển Hình 2.21: Cửa sổ soạn thảo chương trình cơng cụ Toolbox Hình 2.22: Thêm biến tần PowerFlex 525 vào dự án Hình 2.23: Cửa sổ làm việc với biến tần PowerFlex 525 Hình 2.24: Cách Import khối điều khiển biến tần Hình 2.25: Cách Import khối điều khiển biến tần Hình 2.26: Chọn file cần import Hình 2.27: Import khối lệnh cho PowerFlex 525 Hình 2.28: Thêm khối lệnh cho PowerFlex 525 Hình 2.29: Khối lệnh cho PowerFlex 525 thêm vào chương trình vii an Hình 2.30: Thêm HMI PanelView 800 vào dự án Hình 2.31: Chọn giao diện nằm ngang thẳng đứng cho PanelView 800 Hình 2.32: Cửa sổ thiết kế giao diện cho PanelView 800 Hình 2.33: Download chương trình vào Micro850 Hình 2.34: Download chương trình vào Micro850 Hình 2.35: Download chương trình vào PanelView 800 (1) Hình 2.36: Download chương trình vào PanelView 800 (2) Hình 2.37: Cáp Ethernet Hình 2.38: Switch mạng Ethernet Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ xử lý điều khiển vị trí Hình 3.3: Lưu đồ xử lý HSC Hình 3.4: Lưu đồ xử lý HSC vị trí kết thúc 25 cm Hình 3.5: Lưu đồ xử lý hãm Hình 3.6: Sơ đồ nối dây PCL Micro850 Hình 3.7: Sơ đồ nối dây biến tần PowerFlex 525 Hình 3.8: Sơ đồ nối dây HMI PanelView 800 Hình 3.9: Sơ đồ nối dây động pha Hình 3.10: Sơ đồ nối dây cơng tắc hành trình Hình 3.11: Các điều kiện để dừng động Hình 3.12: Khối lệnh điều khiển biến tần PowerFlex 525 Hình 3.13: Khối lệnh xử lý xung tốc độ cao HSC Hình 3.14: Thuật tốn tính tốn quy đổi giá trị vị trí đặt (cm) sang số xung HSC Hình 3.15: Thuật tốn xác định chiều quay động Hình 3.16: Thuật tốn so sánh số xung HSC giá trị xung vị trí Hình 3.17: Thuật tốn dừng động vị trí 25 Hình 3.18: Thuật tốn xác định vị trí Vitme Hình 3.19: Giao diện làm việc hình HMI PanelView 800 Hình 3.20: Các thẻ Tags sử dụng thiết kế giao diện HMI Hình 3.21: Khai báo địa IP HMI PanelView 800 phần mềm CCW Hình 3.22: Màn hình Main PanelView 800 viii an Hình 3.23: Màn hình Communication Hình 3.24: Màn hình Static IP Address Hình 4.1: Mơ hình điều khiển vị trí qua mạng Ethernet Hình 4.2: Màn hình làm việc HMI PanelView 800 Hình 4.3: Vị trí bắt đầu (10 cm) Hình 4.4: Vị trí kết thúc (40 cm) Hình 4.5: Thực nghiệm độ xác hệ thống cấp tốc độ 30, 50, 70 Hz ix an DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Mô tả điều khiển PLC Micro850 Bảng 2.2: Mô tả điều trạng thái PLC Micro850 Bảng 2.3: Nối dây động lực cho Powerflex 525 Bảng 2.4: Tín hiệu điều khiển cho Powerflex 525 Bảng 2.5: Các nhóm thơng số cài đặt Powerflex 525 Bảng 2.6: Trạng thái Powerflex 525 LCD Bảng 2.7: Trạng thái Powerflex 525 đèn báo Bảng 2.8: Nút nhấn thao tác nút nhấn Bảng 2.9: Ví dụ cách thao tác cấu hình cho thơng số Bảng 2.10: Các thơng số cấu hình cho biến tần Powerflex 525 Bảng 2.11: Phần cứng tính PanelView 800 HMI Bảng 2.12: Yêu cầu hệ thống Connected Components Workbench Bảng 2.13: Yêu cầu phần cứng Connected Components Workbench x an Thuật toán hãm tốc độ hệ thống làm việc cấp tốc độ cao Trong trường hợp hệ thống hoạt động tốc độ cao, để đảm bảo tính xác, động cần giảm tốc độ trước Vitme chuyển động đến vị trí kết thúc Hình 19: Thuật tốn hãm tốc độ hệ thống làm việc cấp tốc độ cao 58 an 3.4.6 Thiết kế giao diện làm việc HMI PanelView 800 Phần mềm Connected Components Workbench hỗ trợ chức thiết kết giao diện làm việc cho HMI PanelView 800 công cụ bên Toolbox Hình 3.19: Giao diện làm việc hình HMI PanelView 800 Màn hình HMI PanelView 800 thực hiên nhiệm vụ giao tiếp người sử dụng với hệ thống làm việc, số chức sử dụng HMI PanelView 800: - Numeric Entry: nhập thông số đầu vào gồm tốc độ quay, vị trí bắt đầu, vị trí kết thúc - Numeric Display: Hiển thị thơng số vị trí Vitme hình HMI - Trend: Biểu đồ thể tốc độ quay phản hồi động hình HMI - Momentary Push Button: Các nút nhấn hình HMI, thực chức khởi động, dừng xóa lỗi cho biến tần PowerFlex 525 59 an Connected Components Workbench sử dụng thẻ Tags để đánh dấu cho khối chức giao diện làm việc HMI PanelView 800 Hình 3.20: Các thẻ Tags sử dụng thiết kế giao diện HMI Mỗi Tag Name có kiểu liệu Data Type địa Address riêng tất điều khiển PLC có tên khai báo PLC-1 Hình 3.21: Khai báo địa IP HMI PanelView 800 phần mềm CCW Khi thiết kế giao diện làm việc cho HMI PanelView 800 cần khai báo địa IP HMI mục Address Lưu ý phần mềm Connected Components Workbench, địa IP phải khai báo trùng khớp với địa IP PLC Micro 850 khai báo trước Ví dụ, địa IP PLC Micro 850 60 an 192.168.1.95 IP địa IP PanelView 800 phải khai báo 192.168.1.95 Trong mạng truyền thông Ethernet/IP, thiết bị kết nối với qua switch để phân biệt thiết bị với thiết bị khác thiết bị đặt địa IP khác Điều kiện, địa IP phải lớp mạng Đặt địa IP cho HMI cách thao tác trực tiếp hình cảm ứng PanelView 800 Hình 3.22: Màn hình Main PanelView 800 Tại giao diện Main PanelView 800, chọn Commuication Hình 3.23: Màn hình Communication 61 an Chọn Set Static IP Address Hình 3.24: Màn hình Static IP Address Tại IP Address: nhập địa IP tĩnh thiết bị Trong đề tài này, địa IP HMI PanelView 800 nhập với giá trị 192.168.1.96 hoàn tất việc nhập IP Address Enter, tương tự nhập Mask với 255.255.255.0, Gateway 0.0.0.0 62 an CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thiết kế, thi công thành công hệ thống điều khiển, giám sát vị trí qua mạng Ethernet Hình 4.1: Mơ hình điều khiển vị trí qua mạng Ethernet Khi người sử dụng đặt vị trí bắt đầu, vị trí kết thúc, tốc độ quay chọn phím nhấn cảm ứng START hình làm việc HMI PanelView 800, hệ thống làm việc Vitme chuyển động dừng xác vị trí mong muốn 63 an Ưu điểm: - Giao diện thận thiện, thao tác dễ dàng với người sử dụng - Độ xác tương đối lớn, hệ thống tự xác định chiều quay - Tốc độ đặt vị trí nhanh gọn Nhược điểm: - Trong trường hợp Vitme chuyển động với tốc độ cao, chưa loại bỏ hết sai số ảnh hưởng lực quán tính 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 4.2.1 Hệ thống hoạt động cấp tốc độ 10Hz Tại giao diện làm việc HMI PanelView 800, người dùng nhập thông số tốc độ quay 10Hz, vị trí bắt đầu 10 cm vị trí kết thúc 40 cm Hình 4.2: Màn hình làm việc HMI PanelView 800 Vị trí Vitme lúc đầu 10 cm Sau nhấn START, hệ thống hoạt động, Vitme bắt đầu chuyển động đến vị trí kết thúc 64 an Hình 4.3: Vị trí bắt đầu (10 cm) Vitme chuyển động dừng xác vị trí đến (40 cm) Hình 4.4: Vị trí kết thúc (40 cm) Kết luận: Ở tốc độ 10Hz hệ thống hoạt động xác, mức độ sai số nhỏ 65 an 4.2.2 Hệ thống hoạt động cấp tốc độ 30, 50, 70 Hz Tại giao diện làm việc HMI PanelView 800, người dùng nhập thông số tốc độ quay 30, 50, 70 Hz, vị trí bắt đầu 10 cm vị trí kết thúc 40 cm Sau nhấn nút START hình PanelView 800, hệ thống hoạt động trả kết Ở tốc độ 30 Hz, hệ thống hoạt động xác với sai số nhỏ Ở tốc độ 50 Hz, hệ thống hoạt động xác với sai số nhỏ Ở tốc độ 70 Hz, hệ thống hoạt động xác với sai số nhỏ Hình 4.5: Thực nghiệm độ xác hệ thống cấp tốc độ 30, 50, 70 Hz 66 an Qua trình thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động xác nhiều cấp tốc độ khác Đặc biệt cấp tốc độ cao, hệ thống hoạt động xác Đây triển vọng lớn để đưa dải thuật điều khiển, giám sát vị trí vào ứng dụng lớn, khả phát triển, nâng cao ứng dụng đề tài cao 67 an CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN 5.1.1 Kết đạt Qua quá trình nghiên cứu, nhóm sinh viên thực hiê ̣n đã hoàn thành đề tài đúng với tiế n đô ̣ mà giáo viên hướng dẫn đă ̣t và thi công phần cứng hoa ̣t đô ̣ng tố t Sau thời gian nghiên cứu thực đề tài nhóm tìm hiểu, phân tích vấn đề liên quan đến đề tài thực hiện, thân đề tài nhiều vấn đề chưa thực chưa tối ưu nên không tránh khỏi thiếu sót Tuy vậy, nhóm tự đánh giá trình xây dựng đề tài sau: - Với kiến thức kỹ lập trình nhóm tìm hiểu phương pháp sử dụng khối chức Connected Components Workbench để điều khiển biến tần PowerFlex 525, dùng Micro800 đọc xung tốc độ cao HSC - Kết nối, điều khiển thiết thiết bị tự động hóa đề tài qua mạng truyền thơng Ethernet - Các phương pháp tìm hiểu đề tài có phần mẻ, thiết bị đại, khả ứng dụng sau lớn - Xây dựng giải thuật điều khiển, giám sát vị trí qua mạng ethernet Màn hình điều khiển HMI độc lập với máy tính 68 an 5.1.2 Ưu điểm, nhược điểm hệ thống Ưu điểm: - Hệ thống hoạt động ổn định, vị trí đặt có độ xác cao, đáp ứng nhu cầu mở rộng ứng dụng công nghiệp thang máy, hệ thống trục chuyển động - Giao diện thân thiện, người dùng dễ dàng thao tác sử dụng - Độ xác tương đối lớn, hệ thống tự xác định chiều quay - Tốc độ đặt vị trí nhanh gọn, khả tương tác với người dùng tốt Nhược điểm: - Chưa khai thác hết chức hỗ trợ thiết bị sử dụng đề tài 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để góp phần hồn thiện để tài, nhóm sinh viên thực đề tài đưa số hướng phát triển đề tài sau: - Phát triển bàn khoan 2D ứng dụng điêu khắc mỹ nghệ, khắc chữ laser - Sử dụng công nghệ xử lý ảnh điều khiển vị trí theo kích thước thật vật chụp từ camera 69 an Tài liệu tham khảo Tài liệu [1] Rockwell Automation, Inc Micro830 and Micro850 Programmable Controllers User Manual - Chapter 1: Hardware Overview (P: 01 - 08) - Chapter 8: Use the High-Speed Counter and Programmable Limit Switch (P: 127 - 160) - Use the High Speed Counter (P: 214 - 226) [2] Rockwell Automation, Inc Micro850 48-Point Programmable Controllers Installation Instructions [3] Rockwell Automation, Inc PowerFlex 525 DeviceNet Adapter User Manual - Chapter 1: Installation/Wiring (P: 01 - 58) - Chapter 2: Start Up (P: 59 - 70) - Chapter 3: Programming and Parameters (P: 71 - 156) [4] Rockwell Automation, Inc RA_PFx_ENET_STS_CMD UDFB [5] Rockwell Automation, Inc Bulletin 2711R PanelView 800 Graphic Terminals User Manual - Chapter 1: Overview (P: 01 - 16) - Chapter 2: Configuration Mode (P: 17 - 54) [6] Datasheet LXW-5 [7] Datasheet AZ7310 [8] Datasheet Y70-15 motor [9] Datasheet LPD3806-360BM-G5-24C Encoder Website: [10] http://ab.rockwellautomation.com/ [11] http://www.minikits.com.au/ [12] https://www.youtube.com/ [13] https://jap.vn/ 70 an 71 an S an K L 0 ... pha Vị trí kết nối nguồn 3-pha Vị trí kết nối đến động Vị trí kết nối DC Bus Vị trí kết nối điện trở xả Vị trí nối đất an Vị trí đấu nối tín hiệu điều khiển cho Powerflex 525 Hình 2.5: Vị trí. .. điều khiển 2.3.3 Switch mạng Ethernet Switch thiết bị mạng quan trọng hệ thống mạng Ethernet, sử dụng để kết nối thiết bị đầu cuối mạng 39 an Hình 2.38: Switch mạng Ethernet Trong mạng Ethernet. .. Static IP Address Hình 4.1: Mơ hình điều khiển vị trí qua mạng Ethernet Hình 4.2: Màn hình làm việc HMI PanelView 800 Hình 4.3: Vị trí bắt đầu (10 cm) Hình 4.4: Vị trí kết thúc (40 cm) Hình 4.5: Thực