Ngày nay hệ thống điều khiển động cơ servo được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống, các máy yêu cầu sự chính xác cao. Xuất phát từ điều đó, được sự giúp đỡ, định hướng của các giảng viên trong bộ môn, chúng em đã chọn và thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động cơ servo bằng PLC và HMI”.
LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển chuyển động lĩnh vực đa dạng phát triển nhanh ngành điều khiển tự động hoá Trong hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ moment yêu cầu xác cao cần đến thiết bị đáp ứng Đây thách thức nhà khoa học, nhà sản xuất chế tạo loại động thể làm nhiệm vụ động servo Ngày hệ thống điều khiển động servo ứng dụng rộng rãi hệ thống, máy yêu cầu xác cao Xuất phát từ điều đó, giúp đỡ, định hướng giảng viên môn, chúng em chọn thực đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động servo PLC HMI” Qua trình vận hành thử nghiệm nhóm cho thấy hệ thống hoạt động xác, ổn định, đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu Mặc dù vậy, tồn số hạn chế q trình gia cơng sai số nên thiếu xác cho việc lắp ráp, cịn thiếu nhiều kinh nghiệm nên lúc thiết kế, chế tạo có nhiều vị trí khó chỉnh Ngồi ra, q trình tiến hành viết báo cáo, chúng em tham khảo số tài liệu, tìm hiểu kiến thức thực tế trao đổi kiến thức với bạn nhóm Vì thời gian nghiên cứu điều kiện thực cị hạn chế nên chắn khơng tránh sai sót, em mong bảo, đóng góp ý kiến thầy cô cho đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình giảng viên giúp đỡ em nhiều để em hoàn thành đồ án MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Lý chọn đề tài 1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1.3 Giới hạn nghiên cứu 1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.1.5 Đối tượng nghiên cứu 1.1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.2 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỬA ĐỘNG CƠ SERVO 1.2.1 Khái quát chung động Servo 1.2.2 Cấu tạo đặc tính động Servo[3] 15 1.2.3 Bộ khuếch đại Servo [5] 18 1.2.4 Nguyên lý hoạt động động Servo 20 1.3 NGHIÊN CỨU CÁC DÒNG PLC CỦA MITSUBISHI 30 1.3.1 Giới thiệu PLC dòng FX 30 1.3.2 Các đặc điểm PLC dòng FX 34 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI 36 2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 37 2.2.1 PLC Mitsubishi FX1S-20MT 37 2.2.2 Màn hình HMI Samkoon SK-04FE 39 2.2.3 Bộ động Servo Mitsubishi Mr-Je-10A[6] 42 2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ PHẦN MỀM 43 2.3.1 Thiết kế hình HMI 43 2.3.2 Lập trình phần mềm 44 2.4 Lựa chọn phương án thiết kế vẽ kỹ thuật hệ thống 45 CHƯƠNG CHẾ TẠO, VẬN HÀNH HỆ THỐNG 46 3.1 CHẾ TẠO HỆ THỐNG 46 3.1.1 Bản vẽ kỹ thuật hệ thống 46 3.1.2 Thiết kế khung 46 3.2 VẬN HÀNH HỆ THỐNG 51 3.4 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH 51 3.5 THIẾT KẾ MÀN HÌNH HMI 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Bộ điều khiển động Servo Hình Khái quát hệ AC Servo 10 Hình Bộ điều khiển gửi lệnh tới khuếch đại servo 10 Hình Bộ khếch đại servo truyền lệnh tới động servo 11 Hình Động servo gửi phản hồi tín hiệu khuếch đại 11 Hình Cơ cấu định vị điều khiển Servo motor 12 Hình Cơ cấu chuyển động định hướng tịnh tiến quay 13 Hình Cơ cấu chuyển động tiến lùi tới 14 Hình Động AC Servo 15 Hình 10 Cấu tạo động AC Servo 15 Hình 11 Thành phần mã hóa 16 Hình 12 Động HF-KN13 16 Hình 13 Sơ đồ khối chức Servo 19 Hình 14 Cấu hình chân CN1, CN2 đầu nối 20 Hình Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình 2 PLC Mitsubishi FX1S-20MT 37 Hình Màn hình HMI Samkoon SK-043FE 40 Hình Bộ động Servo Mitsubishi Mr-Je-10a 42 Hình Tạo Screen HMI 44 Hình Phần mềm PLC Mitsubishi GX Developer 44 Hình Bản vẽ kỹ thuật 46 Hình Tiến hành hàn khung cho hệ thống 46 Hình 3 Hoàn thành khung cho hệ thống 47 Hình Sơ đồ đấu nối mạch điện 48 Hình Chương trình điều khiển động chạy tiến, lùi 48 Hình Chương trình hiển thị giá trị vị trí vận tốc 49 Hình Chương trình chạy tới điểm 50 Hình Chương trình hiển thị vị trí vận tốc 50 Hình Chương trình điều khiển động chạy gốc 51 Hình 10 Cài đặt vị trí tới điểm 51 Hình 11 Cài đặt vị trí tới điểm 51 Hình 12 Cài đặt vị trí tới điểm 51 Hình 13 Phầm mềm lập trình GX Developer 52 Hình 14 Tạo thuộc tính nút START 53 Hình 15 Giao diện hệ thống 54 Hình 16 Mơ hình hồn thiện sản phẩm 54 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Ứng dụng động Servo 17 Bảng Lệnh Load, Load Inverse 33 Bảng Lệnh OUT 33 Bảng Tổng hợp linh kiện hệ thống điều khiển giám sát Servo PLC + HMI 47 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.1 Lý chọn đề tài Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ tất lĩnh vực sản phẩm ngày phải có yêu cầu cao chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa sản xuất đặc biệt độ xác gia cơng hình dáng hình học Sự phát triển công nghiêp robot đại gắn liền với việc điều khiển chuyển động tiền đề cho phát triển công nghiệp.Với hệ thống SCADA, khả quản lý từ xa toàn hệ thống thiết bị tự động hệ thống trở nên hiệu Khi có cố phân đoạn hệ thống tự động phân tích gửi về, người vận hành nhận tín hiệu thơng báo qua giao diện người máy (Human MachineInterface, HMI) phần mềm điều khiển chuyên dụng Wincc hay Wincc-Flexible Người vận hành cần ngồi bàn điều khiển trung tâm, theo dõi giám sát tồn hệ thống thay phải chạy xuống tận chỗ để kiểm tra có cố xảy hệ thống Nhận thấy tiện lợi hiệu hệ thống điều khiển servo trình sản xuất nhu cầu xã hội lĩnh vực này, thực đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động servo PLC HMI” để hiểu rõ chất điều khiển tốc độ moment, hiểu quy trình điều khiển hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu 1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đặt với đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động servo PLC HMI” cần nắm vững, hiểu rõ cách thức hoạt động điều khiển AC-Servo, hiểu rõ driver điều khiển động cơ, cách thức điều khiển từ PLC qua HMI Từ mơ hình thực tế tạo giao diện, xây dựng thuật tốn điều khiển lập trình cho động 1.1.3 Giới hạn nghiên cứu - Vì lý kinh tế điều kiện khách quan, đề tài dừng lại việc làm mơ hình điều khiển đơn giản để mô tả hoạt động hệ thống servo - Điều khiển tốc độ moment mơ hình nhỏ gồm: PLC FX1S-20MT Mitsubishi, motor servo Mitsubishi - Điều khiển phần mềm GX Developer 8.9 - Tạo giao diện HMI để điều khiển phần mềm SKTOOL 6.2 1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành mục tiêu đề ra, nhiệm vụ đặt sau: - Tham khảo tài liệu, tìm hiểu lĩnh vực có liên quan đến điều khiển tốc độ moment động AC-Servo - Tìm hiểu PLC FX1S đấu nối phần cứng cách thức lập trình, cách thức sử dụng GX Developer 8.9 cách tạo giao diện HMI cho chương trình ứng dụng - Tìm hiểu cách kết nối PLC FX1S động AC-Servo, cách thức điều khiển tốc độ moment động AC-Servo PLC qua HMI - Nghiên cứu phân tích cơng trình liên hệ 1.1.5 Đối tượng nghiên cứu - PLC FX1S-20MT Mitsubishi, motor servo Mitsubishi - Chương trình điều khiển phần mềm GX Developer 8.9 - Thiết lập giao tiếp HMI phần mềm SKTOOL 6.2 - Tạo giao diện điều khiển giám sát HMI 1.1.6 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo, tra cứu thông tin từ tài liệu khoa học - Tìm hiểu hệ thống điều khiển máy gia công khí - Làm mơ hình - Lập trình mơ máy tính - Kiểm tra chạy thử phòng thiết bị nhà trường 1.2 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỬA ĐỘNG CƠ SERVO 1.2.1 Khái quát chung động Servo Động Servo thiết bị điều khiển chu trình kín Từ tín hiệu vận tốc vị trí, hệ thống điều khiển số điều khiển hoạt động động Servo Với lý nêu sensor đo tốc độ vị trí phận cần thiết phải tích hợp cho động Servo Đặc tính vận hành động Servo phụ thuộc nhiều vào đặc tính từ phương pháp điều khiển động Servo Có loại động Servo sử dụng động AC Servo dựa tảng động AC lồng sóc; động DC Servo dựa tảng động DC động AC Servo không chổi than dựa tảng động không đồng Động servo thành phần quan trọng hệ thống điều khiển chuyển động Để hoạt động được, phải nối động Servo với phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động Động servo kết hợp khí với thiết bị máy móc khác để cung cấp lực di chuyển thiết bị theo yêu cầu ứng dụng Trong đề tài khám phá công nghệ để vận hành động servo, điều khiển động servo phương pháp phản hồi để đạt hoạt động mong muốn (Hình 1.1) Hình 1 Bộ điều khiển động Servo 1.2.2 Cấu hình hệ AC Servo Thơng thường hệ AC Servo (Hình 1.2) chủ yếu cấu hình thành phần sau: - Bộ khuếch đại Servo: điều khiển có chức cung cấp đủ lượng cho động theo cách, thời điểm - Động Servo: thiết bị dò dẫn động - Bộ điều khiển để phát lệnh điều khiển thông thường PLC điều khiển chuyển động chuyên dụng chạy chương trình điều khiển để thực theo yêu cầu kỹ thuật ứng dụng Hình Khái quát hệ AC Servo Hình Bộ điều khiển gửi lệnh tới khuếch đại servo Sau nhận lệnh khếch đại servo truyền lệnh tới động Servo (Hình 1.4), sau phát lực dẫn động theo lệnh 10 CHƯƠNG CHẾ TẠO, VẬN HÀNH HỆ THỐNG 3.1 CHẾ TẠO HỆ THỐNG 3.1.1 Bản vẽ kỹ thuật hệ thống Hình Bản vẽ kỹ thuật 3.1.2 Thiết kế khung Hình Tiến hành hàn khung cho hệ thống 46 Hình 3 Hồn thành khung cho hệ thống 3.1.3 Lắp ráp linh kiện lên khung Bảng Tổng hợp linh kiện hệ thống điều khiển giám sát Servo PLC + HMI Nội dung STT Tên hãng Số lượng PLC Mitsubishi FX1S-20MT Mitsubishi Màn hình HMI Samkoon SK043FE Samkoon Mitsubishi Bộ động Servo Mitsubishi MrJe-10A Bộ nguồn 24V Aptomat Cáp kết nối PLC + HMI Cáp kết nối PLC + PC 47 Phụ kiện lắp đặt (máng cáp, dây điện đấu nối, đầu cốt,… Hình Sơ đồ đấu nối mạch điện 3.1.4 Lập trình phần mềm - Lập trình điều khiển động chạy tiến, chạy lùi (Hình 3.3): Hình Chương trình điều khiển động chạy tiến, lùi 48 - Lập trình hiển thị vị trí vận tốc hành trình (Hình 3.4) Hình Chương trình hiển thị giá trị vị trí vận tốc - Lập trình chạy tới điểm (Hình 3.5) 49 Hình Chương trình chạy tới điểm - Lập trình hiển thị vị trí vận tốc (Hình 3.8) Hình Chương trình hiển thị vị trí vận tốc 50 - Lập trình điều khiển động chạy gốc (Hình 3.9) Hình Chương trình điều khiển động chạy gốc 3.2 VẬN HÀNH HỆ THỐNG Điều khiển, giám sát động theo vị trí: Hình 10 Cài đặt vị trí tới điểm Hình 11 Cài đặt vị trí tới điểm Hình 12 Cài đặt vị trí tới điểm 3.4 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH Sử dụng phần mềm lập trình PLC Mitsubishi GX Developer (Hình 3.14) 51 Hình 13 Phầm mềm lập trình GX Developer ➢ LƯU Ý: + Bộ điều khiển FX định tần số (S1) từ đến 1000Hz Đối với FX phiên 2.2 trở xuống phải cần khởi động lệnh PLSY Chương trình bên phải thực hi+ ện điều Bộ điều khiển FX0/FXon dùng tần số từ 10 đến 2000Hz + Số xung tối đa: Khi hoạt động 16 bit đến 32,767, hoạt động 32bit đến 2,147,483,647 Chú thích: Cờ chuyên dùng M8000= ON phát đủ số xung định Cờ báo kết thúc đếm M8000 (Pulse count completion) RESET lệnh PLSY khơng cịn hoạt động Nếu định lệnh PLSY tiếp tục phát xung lệnh cịn hoạt động + Một xung mơ tả có chu kỳ hoạt đơng 50% Điều nghĩa ON 50% xung OFF 50% xung cịn lại Thực ngõ kiểm sốt ngắt nghĩa chu kỳ ngõ không bị ảnh hưởng thời gian qt chương trình + Có thể thay đổi liệu toán hạn S1 S2 thực lệnh Tuy nhiên liệu S2 không ảnh hưởng mà phải chờ khgi hoàn tất tác vụ hành Lệnh dùng MỘT LẦN thời gian qt chương trình + Vì ngõ tín hiệu có tốc độ cao nên điều khiển dùng Transitor ngõ dùng với lệnh Việc dùng ngõ rơle làm giảm tuổi thọ làm hỏng 52 ngõ tiếp điểm bị nảy nhanh Để đảm bảo tín hiệu dùng ngõ transitor dịng tải nên từ 200mA trở lên Khi cần dùng điện trở kéo lên + Các điều khiển FX có CPU phiên 3.07 trở lên điều khiển FX2c dùng lệnh HSZ (FNC 55) với lệnh PLSY, thiết bị nguồn S1 D8132 + Các điều khiển FX có CPU phiên 3.07 trở lên điều khiển FX2c xem tổng số xung phát thông qua thiết bị 32bit gồm D8136 D8137 3.5 THIẾT KẾ MÀN HÌNH HMI Thiết kế sử dụng phần mềm SKTOOL 6.2 - Tạo thuộc tính cho nút (Hình 3.15): Hình 14 Tạo thuộc tính nút START - Màn hình thiết kế Hình 3.16: 53 Hình 15 Giao diện hệ thống Hình 16 Mơ hình hồn thiện sản phẩm Kết nhận sau vận hành hệ thống: Với nỗ lực tìm tịi nghiên cứu nhóm thực đề tài, bên cạnh giúp đỡ từ phía thầy cơ, bạn bè, thuyết hoàn thành thời gian quy định đạt kết sau: + Hệ thống “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động servo PLC HMI” hoàn thành; hoạt động xác, ổn định đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu 54 + Làm quen với PLC hãng Mitsubishi + Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý điểu khiển động Servo KẾT LUẬN Sau trình thực đề tài, chúng em đạt kết sau: - Tìm hiểu sở lý thuyết điều khiển, giám sát động servo - Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động servo PLC HMI - Vận hành hệ thống đạt kết đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu 55 - Hướng phát triển: Nâng cấp, phát triển mơ hình điều khiển giám sát động servo điều khiển máy hàn máy bắn keo tự động, mơ hình máy CNC, điều khiển giám sát cánh tay robot bậc, nâng cao cơng suất hoạt động tăng độ xác cho động servo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] FX Series Programmable Controllers Programming Manual, date: November 2005 [2] FX1S Series Programmable Controllers Hardware Manual, date: April 2003 [3] Mitsubishi điều khiển lập trình Sổ tay hướng dẫn lập trình điều khiển họ FX (Fxo, Fxos, FXon, FX, FX2c) [4] Proface-Device/PLC Connection Manual, Vol 56 [5] Mitsubishi, General Purpose AC Servo, MELSERVO-C Series, Instruction Manual [6] Tham khảo Websites: - https://plcmitsubishi.com/tai-lieu-servo-mitsubishi.html https://unlockplc.com/2014/05/phan-mem-lap-trinh-plc-mitsubishi-gx- - developer-8-91/ http://www.mikrokontrol.com.yu PHỤ LỤC Chương trình 57 58 59 Hưỡng dẫn vận hành hệ thống: Khi bắt đầu người vận hành cấp nguồn cho hệ thống cách đóng ATM vị trí gốc tọa độ Người vận hành cần nhập tốc độ để di chuyển tay hàng trượt vít me di chuyển tiến lùi Tiếp theo, để di chuyển tới điểm 1, 2, người vận hành cần phải nhập tọa độ vận tốc để di chuyển tới cấc điểm nhập Sau nhập xong ấn nút START hình giám sát HMI ấn nút VE GOC hệ thống bắt đầu hoạt động cấu di chuyển đến vị trí sau độ trễ 1s di chuyển tới điểm điểm Khi chạy xong điểm hàng trượt vít me di chuyển tọa độ gốc mà người vận hành cài đặt ban đầu, quan sát hình hiển thị HMI để biết tọa độ tóc độ xác với giá trị nhập ban đầu chưa 60