Đồ án đo lường và điều khiển đề tài xây dựng hệ thống giám và điều khiển băng tải

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM VÀ ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI Giảng viên hướng dẫn : BÙI THANH LÂM Lớp : CƠ ĐIỆN TỬ Khóa: ĐH-K14 Nhóm sinh viên thực hiện: NHÓM Tống Văn Hùng_2019606667 Nguyễn Văn Khải_2019607224 Hà Nội_2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa:14 Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Văn Khải Tống Văn Hùng II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống giám sát vận hành băng tải Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Mơ hình sản phẩm báo cáo thu hoạch III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày …/…/… đến ngày …/…/….) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TS Bùi Thanh Lâm MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Lịch sử hình thành phát triển thiết bị đo lường điều khiển 1.2 Các vấn đề đặt 1.3 Phương pháp thực 1.4 Giới hạn nghiên cứu thiết kế CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cảm biến 2.1.1 Khái niệm chung 2.2 Xử lý tín hiệu hệ thống đo 2.2 Vi xử lý – Vi điều khiển 11 2.2.1 Khái niệm vi điều khiển 11 2.2.2 Cấu tạo đặc điểm vi điều khiển 12 2.2.3 Bộ kit ARDUINO UNO R3 15 2.3 Hệ thống điều khiển 20 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 3.1 Tính tốn lựa chọn thiết bị 21 3.2 Thiết kế mạch đo điều khiển 25 3.3 Xây dựng lưu đồ thuật tốn viết chương trình 26 3.4 Kiểm nghiệm mơ hình hệ thống 28 CHƯƠNG : KẾT LUẬN 29 PHỤ LỤC 30 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: : Các loại cảm biến thông dụng Hình 2: Bộ encoder 100 xung Hình 3: Mắt thu hồng ngoại Hình Cấu tạo encoder tương đối Hình :Nguyên lý hoạt động encoder Hình :Encoder tương đối 10 Hình 7: Encoder tuyệt đối 10 Hình Thiết kế thực tế inventor 11 Hình 9: Vi điều khiển 12 Hình 10: Cấu trúc VĐK 13 Hình 11: Một số ứng dụng vi điều khiển 14 Hình 12: Kit ARDUINO UNO R3 15 Hình 13: Bảng mạch điều khiển 17 Hình 14: Thơng số vxl 18 Hình 15: Sơ đồ mạch vxl 19 Hình 16: Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 1: động DC 21 Hình 2: Bộ nguồn 22 Hình 3: remote 22 Hình 4: Màn hình LCD 16 x 23 Hình : Vi Điều Khiển 24 Hình 6: Sơ đồ mạch mô tinkercad 25 Hình 7: Thiết kế mạch mơ trêm inventor 26 Hình 8: Sơ đồ thuật toán CTC 27 Hình 9: Sơ đồ thuật toán CTPVN 28 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Lịch sử hình thành phát triển thiết bị đo lường điều khiển Trong công nghiệp đại, thuật ngữ “đo lường điều khiển” trở nên quen thuộc, mơ tả nhiều để hình dung mục đích, tác dụng tầm quan trọng Hiện hệ thống thiết bị điều khiển tự động mang tỷ trọng lớn phần tử với đặc điểm kỹ thuật vi tính Có thể tìm thấy phần tử lớp cấu trúc hệ thống Từ lớp kế cận hay trực tiếp với q trình cơng nghệ, lớp cấp Kỹ thuật vi tính góp phần làm thay đổi mặt trung tâm điều khiển, nơi theo dõi - xử lý tín hiệu - liệu thu thập được, thực nhiệm vụ điều khiển tối ưu hoá, vận hành phân tích q trình cơng nghệ Khi xây dựng hệ thống đo lường điều khiển dựa máy tính PC có hỗ trợ phần mềm chuyên dụng thường yêu cầu có tốc độ giao tiếp cao Nhu cầu đo lường - điều khiển ngày phức tạp nhu cầu làm việc liên tục q trình sản xuất địi hỏi độ tin cậy thiết bị đo lường - điều khiển ngày cao Câu hỏi đặt làm để tăng suất, giảm thời gian chi phí cho ứng dụng thiết kế, điều khiển, kiểm tra, tạo ứng dụng linh hoạt có khả tích hợp dễ dàng với nhiều kiểu I/O khác phục vụ đắc lực đo lường điều khiển tự động ngành công nghiệp đại 1.2 Các vấn đề đặt Yêu cầu chất lượng sản phẩm quan trọng ưu tiên hàng đầu trình sản xuất đạt yêu cầu chất lượng yeu cầu cấp thiết suất tạo sản phẩm Với thao tác thủ cơng cơng ty hay sản xuất đạt xuất tối đa Vấn đề giải khả tự động hóa dây chuyền sản xuất Một vấn đề quan trọng dây chuyền tự động hóa việc giám sát điều chỉnh tốc đọ động băng tải Tuy nhiên, việc điều khiển tốc đọ băng tải, Start, Stop… cịn làm thủ cơng Sự liên kết băng tải, băng tải thiết bị khác vấn đề cần giải Như khó để người quản lý kiểm sốt hoạt động băng tải tình xảy bất ngờ Hiểu tầm quan trọng vấn đề giao tiếp người quản lý băng tải nhóm chúng em thực đề tài: “Giám sát điều hành băng tải enconder tương đối” Trong đồ án này, encoder tương đối sử dụng để đo vị trí tốc độ động cơ, hiển thị thông số tốc độ máy cho người dùng qua hệ thống giám sát máy tính điều khiển Bởi lẽ, encoder tương đối cung cấp cho khả phản hồi khoảng cách tốc độ tuyệt vời Ngoài ra, có cảm biến liên quan nên hệ thống trở nên đơn giản tiết kiệm chi phí Loại encoder bị giới hạn cung cấp thơng tin thay đổi, mã hóa u cầu thiết bị tham chiếu để tính tốn chuyển động  Mục tiêu chung + Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển băng tải encoder tương đối  Mục tiêu cụ thể + Thiết kế mô hình + Điều khiển động + Đọc tín hiệu từ encoder tương đối 1.3 Phương pháp thực  Tìm hiểu, phân tích đề tài liên quan  Tìm hiểu xây dựng hệ thống  Tiến hành nghiên cứu chế tạo mơ hình thực tế  Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động encoder tuơng đối  Nghiên cứu chế tạo mơ hình thực tế 1.4 Giới hạn nghiên cứu thiết kế Encoder phận quan trọng sơ đồ cấu tạo máy CNC Có thể dễ hình dung giống phận công tơ mét xe máy hay tơ, đo đạc hiển thị thông số tốc độ máy cho người sử dụng biết thông qua hệ thống giám sát máy tính điều khiển Việc sử dụng encoder tương đối để giám sát vận hành tải sở để ứng dụng đo lường điều khiển Encoder hệ thống điều khiển tự động phận để đo lường dịch chuyển thẳng góc, đồng thời chuyển đổi vị trí góc/vị trí thẳng mà ghi nhận thành tín hiệu nhị phân Ứng dụng đo lường Khi cần cắt cuộn nhơm dài hàng trăm, hàng nghìn mét thành có kích thước định thơng qua máy cắt Encoder lắp vào băng tải, đọc nguyên liệu qua Encoder tính độ dài nhôm từ cho vào đến vị trí cắt Có thể điều chỉnh dao cắt theo độ dài yêu cầu thông qua thông số kích thước nhơm Việc lắp đặt mã hóa Encoder vào chương trình băng chuyền sản phẩm Nó giúp xác nhận chai sản phẩm vào trạm băng chuyền Nếu chai không khỏi trạm khoảng thời gian lập trình khơng giá trị mà Encoder đếm Cũng có nghĩa máy móc bị hư hỏng Encoder hệ thống điều khiển tự động phận để đo lường dịch chuyển thẳng góc, đồng thời chuyển đổi vị trí góc/vị trí thẳng mà ghi nhận thành tín hiệu nhị phân CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cảm biến 2.1.1 Khái niệm chung - Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát biến đổi thành tín hiệu để thu thập thơng tin trạng thái hay q trình - Khi đó, thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng mơi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi gắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thông tin, hay điều khiển trình khác - Hơn nữa, cảm biến thường đặt vỏ để giúp bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò Hơn nữa, kèm theo mạch điện hỗ trợ có nhiều trường hợp trọn lại gọi ln “cảm biến” Tuy nhiên, nhiều trường hợp thuật ngữ cảm biến lại dùng cho vật có kích thước lớn Thuật ngữ thường không dùng cho số loại chi tiết, ví dụ núm công tắc bật đèn mở tủ lạnh ra, mặt hàn lâm núm làm việc giống cảm biến - Có nhiều loại cảm biến khác chia nhóm chính: + Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, khoảng cách, chuyển động… + Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, ion, hợp chất đặc hiệu, khói… - Các tượng cảm biến đa dạng, phong cách chế cảm biến, cảm biến liên tục phát triển Hình 1: : Các loại cảm biến thông dụng  Bộ Encoder 100 Xung DIY Hình 2: Bộ encoder 100 xung  Tính năng: - Encoder Kênh AB đĩa 100 Xung / Vòng hỗ trợ xung A, B ngõ ra,với nguồn cấp 5V Ngõ cấp tín hiệu giao tiếp với Arduino, STM, PIC làm ứng dụng điều khiển xác động cơ, Robot, xe mơ hình, dị đường  Thông số kỹ thuật : - Bộ Encoder gồm đĩa encoder + mắt đọc kênh Thích hợp để chế động encoder - Dây đỏ : 5VDC - Dây đen: GND - Dây xanh dương ,vàng : đầu xung  Mắt thu hồng ngoại Hình 3: Mắt thu hồng ngoại Tính : giải mã tín hiệu từ remote  Remote CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Tính toán lựa chọn thiết bị  Động DC 15v Hình 1: động DC  Nguồn tổ ong 15V 5A + Do hệ thống điện mạch sử dụng trực tiếp nguồn điện 200v AC nên ta sử dụng nguồn tổ ong hạ áp 15v DC 21 Hình 2: Bộ nguồn  Remote Hình 3: remote 22  LCD 1602 Hình 4: Màn hình LCD 16 x  VKD arduino r3 23 Hình : Vi Điều Khiển Xử lý tín hiệu từ cảm biến : Cơng thức tính vận tốc : v pulse N t d  Trong : V vận tốc trục quay (m/s); Pulse : số sung khoảng thời gian set t: thời gian sét (s) N: số xung vòng quay D: đường kính trục quay (m) Cơng thức tính vòng quay phút (rmp) rmp  pulse * 60 20 24 3.2 Thiết kế mạch đo điều khiển Hình 6: Sơ đồ mạch mơ tinkercad 25 Hình 7: Thiết kế mạch mơ trêm inventor 3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán viết chương trình Chương trình : 26 Hình 8: Sơ đồ thuật tốn CTC Chương trình phục vụ ngắt : 27 Hình 9: Sơ đồ thuật tốn CTPVN 3.4 Kiểm nghiệm mơ hình hệ thống - Do encoder gắn trục đối diện nên tránh lỗi : tải vận tốc mức quy đinh động gặp cố đĩa đọc xung khơng trả đũng vận tốc khoản an tồn vxl tạm dừng toàn hệ thống báo đèn cảnh báo - Dựa vào số sung đĩa đường kính trục ta trả vxl vận tốc tức thời băng tải cách xác Hạn chế : dạng mơ hình nên có số lỗi khách quan 28 CHƯƠNG : KẾT LUẬN Hệ thống giám sát vận hành băng tải hoạt động tốt với mục đích kiểm sốt tốc độ, hạn chế rủi ro q trình hoạt động, giải vấn đề liên kết người quản lý băng tải So với mục tiêu ban đầu nhóm đặt ra, nhóm hồn thành 95% yêu cầu Do kiến thức hạn hẹp, thêm vào lần đầu nhóm thực đồ án nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế nhóm mong có góp ý nhắc nhờ từ thầy giáo để nhóm hồn thiện đề tài Dưới số ưu nhược điểm trình thực đề tài nhóm em Ưu điểm: - Giải vấn đề đề tài - Dễ quan sát, dễ vận hành - Chi phí thấp - Giải cố nhanh chóng hiệu - Được tìm hiểu kiến thức Encoder Nhược điểm: - Đây mơ hình nên khơng tránh thiếu sót - Mơ hình cịn chưa nhỏ gọn tình hình dịch bệnh khơng tập trung lại với nên hệ thơng cịn có nhiều hạn chế mặt hình thức 29 PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo : - Đo lường điều khiển – Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Cảm biến hệ thống đo – Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội Chương trình điều khiển : Code: #include #include LiquidCrystal lcd(12, 11, 7, 6, 5, 4); const int ngat_0=0 ;//ngat pin const int phase_a = 2;//pin const int phase_b = 3;// pin int pulse =0; int rpm = 0; float tocdo = 0; int timecho = 1000; unsigned long thoigian; unsigned long hientai; const int receiverPin = 10; // chân digital dùng để đọc tín hiệu IRrecv irrecv(receiverPin); // tạo đối tượng IRrecv decode_results results;// lưu giữ kết giải mã tín hiệu void setup() { lcd.begin(16, 2); attachInterrupt(ngat_0,int_,FALLING); pinMode(phase_a, INPUT_PULLUP); pinMode(phase_b, INPUT_PULLUP); Serial.begin(9600); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("RPM: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("M/s: "); irrecv.enableIRIn(); // start the IR receiver 30 } void loop() { if (irrecv.decode(&results)) // nhận tín hiệu { Serial.println(results.value); // in Serial Monitor while(results.value==16580863) { analogWrite(9,0); thoigian = millis(); if (thoigian - hientai >= timecho) { hientai = thoigian; rpm = (pulse/20)*60; tocdo = float(pulse/20)*float(0.025*3.14); pulse = 0; } if (rpm >= 100) { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" "); } else { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(6,0); lcd.print(" "); } lcd.setCursor(5,1); lcd.print(tocdo); break; }; 31 while(results.value==16582903) { analogWrite(9,64); thoigian = millis(); if (thoigian - hientai >= timecho) { hientai = thoigian; rpm = (pulse/20)*60; tocdo = float(pulse/20)*float(0.025*3.14); pulse = 0; } if (rpm >= 100) { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" "); } else { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(6,0); lcd.print(" "); } lcd.setCursor(5,1); lcd.print(tocdo); break; }; while(results.value==16615543) { analogWrite(9,127); thoigian = millis(); if (thoigian - hientai >= timecho) { hientai = thoigian; 32 rpm = (pulse/20)*60; tocdo = float(pulse/20)*float(0.025*3.14); pulse = 0; } if (rpm >= 100) { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" "); } else { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(6,0); lcd.print(" "); } lcd.setCursor(5,1); lcd.print(tocdo); break; }; while(results.value==16599223) { analogWrite(9,191); thoigian = millis(); if (thoigian - hientai >= timecho) { hientai = thoigian; rpm = (pulse/20)*60; tocdo = float(pulse/20)*float(0.025*3.14); pulse = 0; } if (rpm >= 100) { lcd.setCursor(5,0); 33 lcd.print(rpm); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" "); } else { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(6,0); lcd.print(" "); } lcd.setCursor(5,1); lcd.print(tocdo); break; }; while(results.value==16591063) { analogWrite(9,255); thoigian = millis(); if (thoigian - hientai >= timecho) { hientai = thoigian; rpm = (pulse/20)*60; tocdo = float(pulse/20)*float(0.025*3.14); pulse = 0; } if (rpm >= 100) { lcd.setCursor(5,0); lcd.print(rpm); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" "); } else { lcd.setCursor(5,0); 34 lcd.print(rpm); lcd.setCursor(6,0); lcd.print(" "); } lcd.setCursor(5,1); lcd.print(tocdo); break; }; irrecv.resume(); } } void int_() { pulse++; } 35 ... Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống giám sát vận hành băng tải Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội... 28 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Lịch sử hình thành phát triển thiết bị đo lường điều khiển Trong công nghiệp đại, thuật ngữ ? ?đo lường điều khiển? ?? trở nên quen thuộc,... 2.3 Hệ thống điều khiển 20 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 3.1 Tính tốn lựa chọn thiết bị 21 3.2 Thiết kế mạch đo điều khiển 25 3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán