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”.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ đã tạo ra yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa trong sản xuất, và đặc biệt là độ chính xác trong gia công hình dáng hình học.
Sự phát triển của ngành công nghiệp robot hiện đại gắn liền với việc điều khiển chuyển động, đóng vai trò quan trọng trong sự tiến bộ của nền công nghiệp Hệ thống SCADA cho phép quản lý từ xa hiệu quả toàn bộ hệ thống và các thiết bị tự động Khi xảy ra sự cố, hệ thống tự động phân tích và gửi thông tin, giúp người vận hành nhận tín hiệu qua giao diện người máy (HMI) từ các phần mềm điều khiển như Wincc hay Wincc-Flexible Người vận hành chỉ cần ngồi tại bàn điều khiển trung tâm để theo dõi và giám sát hệ thống, thay vì phải kiểm tra trực tiếp tại hiện trường Nhận thấy sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống điều khiển servo trong sản xuất, tôi đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động cơ servo bằng PLC”.
HMI là một công cụ quan trọng giúp hiểu rõ về điều khiển tốc độ và mô-men xoắn Nó cho phép người dùng nắm bắt quy trình điều khiển của hệ thống, đồng thời giám sát và thu thập dữ liệu hiệu quả.
Mục tiêu của đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát động cơ servo bằng PLC và HMI” là nắm vững nguyên lý hoạt động của AC-Servo và hiểu rõ về driver điều khiển động cơ Bài viết sẽ trình bày cách thức điều khiển từ PLC qua HMI, từ đó tạo ra giao diện và xây dựng các thuật toán điều khiển, cũng như lập trình cho bộ động cơ.
Vì lý do kinh tế và các yếu tố khách quan, bài viết chỉ tập trung vào việc xây dựng một mô hình điều khiển đơn giản nhằm mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống servo.
- Điều khiển tốc độ và moment trên một mô hình nhỏ gồm: PLC FX1S-20MT của Mitsubishi, motor servo của Mitsubishi
- Điều khiển bằng phần mềm GX Developer 8.9
- Tạo giao diện trên HMI để điều khiển bằng phần mềm SKTOOL 6.2
1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành được mục tiêu đề ra, những nhiệm vụ được đặt ra như sau:
- Tham khảo tài liệu, tìm hiểu về những lĩnh vực có liên quan đến điều khiển tốc độ và moment của động cơ AC-Servo
Tìm hiểu về PLC FX1S bao gồm việc đấu nối phần cứng, lập trình và sử dụng phần mềm GX Developer 8.9 Bài viết cũng hướng dẫn cách tạo giao diện HMI cho các ứng dụng, giúp người dùng nắm vững quy trình và cải thiện hiệu quả trong việc điều khiển và giám sát hệ thống tự động hóa.
Tìm hiểu cách kết nối PLC FX1S với bộ động cơ AC-Servo, cùng với phương pháp điều khiển tốc độ và moment của động cơ AC-Servo thông qua PLC và HMI.
- Nghiên cứu và phân tích các công trình liên hệ
- PLC FX1S-20MT của Mitsubishi, motor servo của Mitsubishi
- Chương trình điều khiển bằng phần mềm GX Developer 8.9
- Thiết lập giao tiếp HMI bằng phần mềm SKTOOL 6.2
- Tạo giao diện điều khiển và giám sát bằng HMI
- Tham khảo, tra cứu thông tin từ các tài liệu khoa học
- Tìm hiểu hệ thống điều khiển trong các máy gia công cơ khí
- Lập trình và mô phỏng trên máy tính
- Kiểm tra và chạy thử tại các phòng thiết bị của nhà trường.
HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỬA ĐỘNG CƠ SERVO
1.2.1 Khái quát chung về động cơ Servo Động cơ Servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín Từ tín hiệu vận tốc hoặc vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển hoạt động của một động cơ Servo Với lý do nêu trên sensor đo tốc độ hoặc vị trí là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho động cơ Servo Đặc tính vận hành của một động cơ Servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển động cơ Servo Có 3 loại động cơ Servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ AC Servo dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sóc; động cơ DC Servo dựa trên nền tảng động cơ DC và động cơ AC Servo không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ Động cơ servo là thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển chuyển động Để hoạt động được, chúng ta phải nối động cơ Servo với các phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động Động cơ servo được kết hợp cơ khí với các thiết bị máy móc khác để cung cấp lực di chuyển các thiết bị này theo yêu cầu của ứng dụng Trong đề tài
Chúng ta sẽ khám phá công nghệ vận hành động cơ servo, bộ điều khiển động cơ servo và các phương pháp phản hồi nhằm đạt được hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 1 1 Bộ điều khiển và động cơ Servo
1.2.2 Cấu hình hệ AC Servo
Thông thường hệ AC Servo (Hình 1.2) chủ yếu được cấu hình bởi 3 thành phần sau:
- Bộ khuếch đại Servo: là bộ điều khiển có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm
- Động cơ Servo: là thiết bị dò và dẫn động
Bộ điều khiển như PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ thực hiện các lệnh điều khiển thông thường, chạy chương trình điều khiển để đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
Hình 1 2 Khái quát về hệ AC Servo
Hình 1 3 Bộ điều khiển gửi các lệnh tới bộ khuếch đại servo
Sau khi nhận được lệnh bộ khếch đại servo sẽ truyền lệnh tới động cơ Servo (Hình 1.4), sau đó nó sẽ phát ra lực dẫn động theo lệnh đó
Bộ khếch đại servo truyền lệnh đến động cơ servo, trong khi động cơ này sử dụng bộ mã hóa để xác định vị trí hiện tại và gửi thông tin về bộ khuếch đại Bộ khuếch đại so sánh giá trị lệnh với giá trị hiện tại và đưa ra lệnh sửa đổi nhằm giảm thiểu chênh lệch Quá trình điều khiển hồi tiếp cho phép các AC servo điều chỉnh liên tục theo kết quả thực tế, đảm bảo độ chính xác cao trong việc điều khiển.
Hình 1 5 Động cơ servo gửi phản hồi tín hiệu về bộ khuếch đại
Hệ thống servo không chỉ đơn thuần là phương pháp thay thế trong việc điều khiển vị trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học Ngày nay, hệ thống servo đã trở thành một phần quan trọng trong việc điều khiển chính xác vị trí và tốc độ, vượt ra ngoài những thiết bị cơ khí đơn giản.
Cơ cấu định vị điều khiển bởi servo motor
Cơ cấu định vị điều khiển bởi Servo motor mang lại độ chính xác cao và khả năng đáp ứng nhanh chóng Nó cho phép dễ dàng thay đổi vị trí đích và tốc độ của cơ cấu chấp hành, làm cho nó trở thành một giải pháp hiệu quả trong nhiều ứng dụng.
➢ Cơ cấu chuyển động định hướng:
Cơ cấu chuyển động định hướng tịnh tiến và quay mang lại ưu điểm nổi bật với thiết kế đơn giản, đồng thời giúp nâng cao tuổi thọ của hộp số truyền động nhờ vào khả năng truyền động êm ái.
Backlash là giới hạn chuyển động của hệ thống servo, phản ánh điểm trung tính giữa chuyển động theo chiều dương và âm Tương tự như động cơ, trước khi đảo chiều, vận tốc cần giảm về 0 Trong chuyển động tịnh tiến, có sự diễn ra của quá trình lùi và tới, điều này cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị cơ khí.
Hình 1 8 Cơ cấu chuyển động tiến lùi và tới
Chuyển động tịnh tiến được điều khiển bởi động cơ servo, với giới hạn di chuyển tới và lui bởi một khoản trống, được gọi là backlash Động cơ quay theo chiều dương hoặc âm trong một số vòng nhất định để thanh quét di chuyển trong khoản trống mà không vượt quá giới hạn này Tuy nhiên, việc đạt được độ chính xác trong chuyển động của động cơ để con trượt quét toàn bộ khoản trống là thách thức, do đó cần có sự bù trừ Hệ thống servo sử dụng các hàm lệnh để thực hiện việc hiệu chỉnh, gửi xung lệnh cộng/trừ mà không được tính vào bộ đếm xung.
1.2.2 Cấu tạo và đặc tính của động cơ Servo[3]
Hình 1 9 Động cơ AC Servo
Động cơ AC Servo là loại động cơ đồng bộ 3 pha sử dụng nam châm vĩnh cửu, được trang bị encoder độ phân giải cao để đảm bảo quá trình điều khiển chính xác Mỗi nhà sản xuất sẽ cung cấp driver riêng biệt cho động cơ của mình Cấu trúc cơ bản của động cơ Servo bao gồm Stato, Roto (nam châm vĩnh cửu) và bộ mã hóa (bộ dò).
Hình 1 10 Cấu tạo của động cơ AC Servo
Stato là bệ động cơ, sợi dây được quấn quanh lõi để cung cấp lực cần thiết để xoay Roto
Roto là trục quay, nam châm vĩnh cửu cũng được sử dụng trong cấu tạo
Bộ mã hóa được thiết kế để xác định vị trí tuyệt đối và kết nối trực tiếp với động cơ, cho phép đọc chính xác vị trí hiện tại của động cơ Với cấu tạo bao gồm đĩa quang và các linh kiện điện tử nhạy cảm, việc thao tác với bộ mã hóa cần được thực hiện một cách cẩn thận.
Hình 1 11 Thành phần của bộ mã hóa
Hình 1 12 Động cơ HF-KN13
Tốc độ định mức: 3000 vòng/phút
Công suất đầu ra định mức: 100W Độ phân giải encoder: 131072 xung/vòng
Momen xoắn: 0.32 Nm, Max: 0.95 Nm
Động cơ Servo cho phép điều chỉnh vị trí chính xác nhờ vào việc kết hợp với các bộ điều khiển vị trí Hiện nay, một vòng quay roto có thể được chia thành 131072 vị trí hoặc thậm chí nhiều hơn với sự phát triển của các hệ thống hiện đại.
Bảng 1 1 Ứng dụng của động cơ Servo
Bấm đục lỗ (Vị trí nguồn cấp dữ liệu X, Y)
- Y axis servomotor: Trục Y động cơ servo
- Gear and ball screw: bánh răng và vít tròn
- Press punching: đục bấm lỗ
- Servo amplifier: Bộ khuếch đại servo
- Press head: Phần đầu ép
- Gear and rack & pinion: bánh răng và giá
- X axis servomotor: Trục X động cơ servo
- Servo amplifier: bộ khuếch đại servo
- Để đục lỗ vật liệu cách nhiệt hoặc da, v.v., có cùng hình dạng với năng suất cao, việc định vị được thực hiện với servo trục X và trục Y
- Sau khi định vị bàn bằng servo trục
X, đầu ép được định vị với servo trục
Y, và sau đó được đục lỗ bằng máy ép
- Khi loại vật liệu hoặc hình dạng thay đổi, khuôn đầu ép sẽ thay đổi và kiểu định vị cũng được thay đổi
- Reduction gear: bánh răng giảm tốc
- Unloader control: điều khiển không tải
- Position detector: bộ phát hiện vị trí
Động cơ Servo có khả năng duy trì tốc độ ổn định ở mức 1/1000 tốc độ định mức với momen đầu ra không đổi Chính vì vậy, động cơ này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác trong một phạm vi rộng, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất.
Động cơ Servo có khả năng đạt momen cực đại lên đến 300%, cho phép đáp ứng nhanh chóng với việc tăng tốc hoặc giảm tốc trong 10ms từ trạng thái đứng yên đến tốc độ định mức Việc sử dụng động cơ Servo không cần thêm các tiếp xúc cơ khí để điều khiển vị trí, giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng Hơn nữa, động cơ Servo hoạt động ổn định mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
Giới thiệu bộ khuếch đại Mr-JE:
Sê-ri AC Servo MELSERVO-JE của Mitsubishi Electric mang lại hiệu suất cao với các chức năng điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn Hỗ trợ chuỗi xung tối đa 4 M xung/s ở chế độ điều khiển vị trí, MELSERVO-JE cho phép chuyển đổi giữa các chế độ điều khiển khác nhau, như điều khiển vị trí/tốc độ và điều khiển mô-men xoắn/vị trí Điều này giúp ứng dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực, từ máy công cụ đến kiểm soát dây chuyền và căng thẳng Với tính năng điều chỉnh một lần chạm và tự động theo thời gian thực, bộ khuếch đại Servo tối ưu hóa mức tăng Servo theo máy Giao diện truyền thông USB cho phép kết nối với máy tính thông qua phần mềm MR Configurator 2 để thực hiện cài đặt và vận hành Động cơ Servo MELSERVO-JE còn được trang bị bộ mã hóa gia tăng với độ phân giải 131072 xung/vòng quay, đảm bảo định vị chính xác cao.
Sơ đồ khối chức năng:
Hình 1 13 Sơ đồ khối chức năng của Servo\
Kết nối và sắp xếp tín hiệu:
Cấu hình chân của các đầu nối được xem từ phần nối dây cáp
Hình 1 14 Cấu hình chân CN1, CN2 của các đầu nối
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo
❖ Giới thiệu về hệ điều khiển vị trí:
NGHIÊN CỨU CÁC DÒNG PLC CỦA MITSUBISHI
1.3.1 Giới thiệu về PLC dòng FX
PLC FX là dòng PLC micro của hãng Mitsubishi, nổi bật với nhiều tính năng mạnh mẽ Thiết bị này được tích hợp sẵn các I/O trên CPU, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quá trình sử dụng PLC FX đã được giới thiệu từ năm
Từ năm 1981 đến nay, nhiều loại mô hình điều khiển đã được phát triển, bao gồm các dòng như F, F1, FX1, FX0(S), FX0N, FX1S, FX1N, FX2N và FX3U Mỗi mô hình có dung lượng bộ nhớ khác nhau, với dung lượng chương trình dao động từ 2kStep đến 8kStep, và có thể mở rộng lên đến 64kStep khi kết nối bộ nhớ ngoài Tổng số I/O của các loại này có thể đạt tới 256 I/O, trong khi FX3U(C) có khả năng mở rộng lên đến 384 I/O Số lượng module mở rộng cũng có thể tăng lên đáng kể.
PLC FX tích hợp nhiều chức năng trên CPU (Main Unit), bao gồm ngõ ra xung hai tọa độ, bộ đếm tốc độ cao (HSC), PID và đồng hồ thời gian thực.
Module mở rộng nhiều chủng loại như Analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, các Module mạng như Cclink, Profibus…
Additionally, there are extension boards available, such as Analog boards, which facilitate communication using standards like RS232, RS422, RS485, and USB For programming PLCs, software options include FXGP_WIN_E and GX_Developer.
Các phương pháp lập trình như:
✓ LAD(ladder): là phương pháp lập trình hình thang, thích hợp trong ngành điện công nghiệp
✓ FBD(Flowchart Block Diagram): là phương pháp lập trình theo sơ đồ khối, thích hợp cho ngành điện tử số
✓ STL(Statement List): là phương pháp lập trình theo dạng dòng lệnh giống như ngôn ngữ Assemply, thích hợp cho ngành máy tính
Một PLC gồm có các vùng nhớ sau:
➢ Các cờ nhớ của PLC: M và S
Các vùng nhớ trên bộ PLC FX
Có 6 thiết bị lập trình cơ bản Mỗi thiết bị có công dụng riêng Để dễ dàng xác định thì mỗi thiết bị gán cho một ký tự
X: Dùng để chỉ ngõ vào vật lý gắn trực tiếp vào PLC Các ngõ vào này có thứ tự
33 đếm theo hệ đếm bát phân X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7, X10 X11…
Y: Dùng để chỉ ngõ ra trực tiếp từ PLC Các ngõ ra này có thứ tự đếm theo hệ đếm bát phân Y0 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7, Y 10 Y 11…
M và S: Dùng như là các cờ hoạt động trong PLC
Tất cả các thiết bị trên được gọi là các thiết bị bit nghĩa là các thiết bị này có hai trạng thái ON hoặc Off 1 hoặc 0
Ta có thể tổ hợp các thiết bị bit lại để có thể tạo thành một dữ liệu 4bit, Byte, Word, hay Doulbe Word như sau:
K1M0 = M3M2M1M0(tương ứng dữ liệu 4bit)
K2M10 =M17M16M15M14M13M12M11M10(tương ứng với dữ liệu 8bit) Tổng quát: KnMm (1 n 8)
D: Thanh ghi 16 bit/32 bit Đây là thiết bị Word
T: Dùng để xác định thiết bị định thì có trong PLC(timer) Dữ liệu trên Timer là dữ liệu dạng Word (16bit) và trạng thái Timer ta nói Timer là thiết bị bit
C: Dùng để xác định thiết bị đếm có trong PLC Dữ liệu trên Counter là dữ liệu dạng Word (16bit/32bit) và trạng thái trên counter là trạng thái bit
Tập lệnh cơ bản trên bộ PLC FX
Nhóm lệnh xử lý bit:
Bảng 1 2 Lệnh Load, Load Inverse
Lệnh gợi nhớ Chức năng Dạng mẫu Thiết bị Số bước
LD (Load) Công tắc thường hở
(NO): Tác vụ logic bit
LDI (Load Inverse) Công tắc thường đóng
(NC): Tác vụ logic bit
Lệnh Chức năng Dạng mẫu Thiết bị Số bước
OUT Điều khiển cuộn dây: Y,M,S,T,C Y,M:1
➢ Ghi chú: khi ngõ vào X0 tác động từ 0 lên 1 ngõ ra Y0 sẽ tác động
1.3.2 Các đặc điểm của PLC dòng FX
Bất kể các thuật ngữ mà nhà sản xuất PLC sử dụng để mô tả loại, kích thước và hiệu suất của sản phẩm, PLC cố định đều có những đặc điểm chung.
• Quy ước đặt tên PLC: fixed, integrated, nano, micro, compact, small, mini, basic, unitary, standard và brick
• Bộ xử lý CPU: hiệu suất thấp
• Kích thước bộ nhớ chương trình và dữ liệu: nhỏ
• Kích thước vật lý: nhỏ
• Tính linh hoạt: I/O và truyền thông giao tiếp là cố định
• Có thể mở rộng/tùy chỉnh: không
• Ứng dụng: các ứng dụng cơ bản với số lượng đầu vào và đầu ra nhỏ
• Chi phí: thấp Ưu điểm của PLC cố định:
PLC cố định mang lại nhiều lợi thế nổi bật so với các loại PLC khác, đặc biệt được thiết kế cho các dự án tự động hóa quy mô nhỏ và cấp thấp Những ưu điểm chính của PLC cố định bao gồm tính ổn định cao, dễ dàng lắp đặt và bảo trì, cùng với chi phí thấp hơn, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản.
• Kích thước nhỏ nên chúng không chiếm nhiều diện tích
• Gắn kết một cách nhanh chóng và dễ dàng
• Chi phí thấp nên chúng là một giải pháp kinh tế cho các ứng dụng đơn giản.
Nhược điểm của PLC cố định:
Khi lựa chọn một PLC cố định cho các ứng dụng tự động hóa, bạn cần cân nhắc kỹ lưỡng một số nhược điểm để đảm bảo rằng bạn chọn đúng loại PLC phù hợp Một số nhược điểm của PLC cố định bao gồm khả năng mở rộng hạn chế, khó khăn trong việc thay thế hoặc nâng cấp, và thiếu tính linh hoạt trong việc tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể của ứng dụng.
• Hiệu suất xử lý của CPU thấp và bộ nhớ nhỏ nên khó thực hiện các tác vụ phức tạp
• Không linh hoạt vì số lượng đầu vào, đầu ra và giao diện truyền thông là cố định
• Thích hợp cho các ứng dụng cơ bản với số lượng đầu vào và đầu ra nhỏ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
SƠ ĐỒ KHỐI
Hình 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Phân tích chức năng các khối:
Bộ nguồn là thiết bị điện quan trọng cung cấp năng lượng cho các phụ tải điện Chức năng chính của nó là chuyển đổi dòng điện từ nguồn thành điện áp, dòng điện và tần số chính xác, đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định cho tải.
- PLC: PLC sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiệu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ
Driver Servo là một bộ khuếch đại điện từ chuyên dụng, có chức năng cung cấp điện cho các cơ chế Servomechanisms Bộ này theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servome và liên tục điều chỉnh độ lệch để đảm bảo hoạt động đúng như dự kiến.
Công tắc hành trình là thiết bị dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động trong cơ cấu hoặc hệ thống.
Động cơ servo là một loại động cơ chuyên dụng cung cấp cơ năng cho thiết bị và dây chuyền sản xuất Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lực kéo, giúp các cơ cấu và dây chuyền hoạt động hiệu quả trong quy trình chế tạo.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
2.2.1 PLC Mitsubishi FX1S-20MT a, Thông số kỹ thuật:
+ Model: Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng FX1S, loại 20 I/O: + FX1S-20MT-001: Nguồn cấp 220V, ngõ vào cấp sẵn nguồn nội 24VDC của PLC
+ FX1S-20MT-001: 12 ngõ vào cách ly/ 8 ngõ ra transistor
+ Bộ nhớ chương trình: 2000 bước lệnh, sử dụng EEPROM
+ Relay phụ: 512 points, Timer: 64 points, Counter: 32 points, Thanh ghi: 256 points
+ Bộ đếm xung tốc độ cao (HSC): 1 phase: 6 input for max 60 kHz; 2 phases: 2 input for max 30 kHz
+ Có 2 ngõ ra phát xung tốc độ cao đồng thời
+ Kết nối truyền thông: chuẩn RS422
+ Bộ đếm tốc độ cao: 1 phase: 6 đầu vào max 60KHZ, 2 phases: 2 đầu vào max 30KHZ
+ Phát xung tốc độ cao: 2 chân phát xung max.100khz
Hình 2 2 PLC Mitsubishi FX1S-20MT
PLC Mitsubishi FX1S-20MT là một trong những dòng PLC phổ biến nhất tại Việt Nam và trên thế giới, do tập đoàn Mitsubishi Electric (Nhật Bản) sản xuất Mitsubishi Electric là nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, cung cấp các giải pháp từ bộ điều khiển đến thiết bị điều khiển truyền động, phân phối điện và cơ điện tử công nghiệp Với mục tiêu phát triển sản phẩm đáp ứng nhu cầu khách hàng, Mitsubishi Electric áp dụng công nghệ tiên tiến để mang đến các giải pháp FA đáng tin cậy, hướng tới tương lai sản xuất hiện đại.
PLC Mitsubishi nổi bật với giá thành hợp lý, chất lượng sản phẩm cao và khả năng đáp ứng đa dạng các yêu cầu cấu hình Các tính năng nổi bật bao gồm giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao, cùng với các module đọc nhiệt độ và loadcell Tại Việt Nam, PLC Mitsubishi được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như dệt sợi, bao bì giấy, carton, nilon, nhựa, thực phẩm, cơ khí chính xác và chế tạo máy.
PLC FX1S được tăng cường thêm một số tính năng đặc biệt:
Tăng cường hiệu năng tính toán và khả năng làm việc với đầu vào ra tương tự thông qua card chuyển đổi và bộ đếm tốc cao, FX1S được trang bị thêm chức năng truyền thông qua card lắp thêm, cho phép kết nối tối đa 8 trạm và giao tiếp với các bộ HMI FX1S rất phù hợp cho ứng dụng trong ngành công nghiệp chế biến gỗ, đóng gói sản phẩm, điều khiển động cơ, máy móc và các hệ thống quản lý môi trường.
PLC Mitsubishi FX1S-20MT có số lượng I/O trong khoảng 10-30 I/O FX1S không có khả năng mở rộng module c Ứng dụng PLC Mitsubishi FX1S-20MT:
PLC Mitsubishi FX1S-20MT được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:
- Hệ thống nâng vận chuyển
- Các robot lắp giáp sản phẩm
- Dây chuyền xử lý hoá học
- Công nghệ sản xuất giấy
- Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh
- Công nghệ chế biến thực phẩm
- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn
- Dây chuyền lắp ráp Tivi
- Điều khiển hệ thống đèn giao thông
- Quản lý tự động bãi đậu xe
- Dây chuyền may công nghiệp
- Dây chuyền sản xuất xe ôtô
- Kiểm tra quá trình sản xuất
2.2.2 Màn hình HMI Samkoon SK-04FE
Sản phẩm Samkoon mới ra mắt năm 2017 thuộc series SK-H SK-F, với nhiều cải tiến đáng kể về tốc độ xử lý và nâng cấp CPU Phiên bản phần mềm lập trình mới nhất SKTool V6.0 đã thay thế model SK-043AE đã ngừng sản xuất Sản phẩm hỗ trợ giao thức Modbus RTU và ASCII, cho phép kết nối HMI với vi điều khiển, biến tần, bộ điều khiển nhiệt độ, và đồng hồ đo đếm năng lượng Hệ thống làm mát không quạt và hiển thị sắc nét với 262.144 màu, cùng cáp lập trình cổng USB (USB type B).
- Kích thước hiển thị: 4.3 inch TFT
- Độ phân giải (WxH dots): 480×272
- Cảm ứng: 4-wire Resistive Type
- Khe cắm thẻ SD: Không
- COM1:RS232 / 422 / 485 (Modbus, Free protocol…)
Hình 2 3 Màn hình HMI Samkoon SK-043FE b Ưu nhược điểm màn hình HMI Sankoon SK-043Fe
Khi tự động hóa tại nhà máy gia tăng, người điều khiển cần nhiều thông tin hơn về quy trình, dẫn đến yêu cầu hiển thị và điều khiển phức tạp Một trong những tiến bộ nổi bật là việc sử dụng màn hình cảm ứng, cho phép người điều khiển dễ dàng tương tác bằng cách chỉ cần chạm vào các phần của giao diện.
Thiết bị này có một “nút ảo” cho phép thực hiện các hoạt động mà không cần bàn phím, chuột hay gậy điều khiển, ngoại trừ một số trường hợp lập trình phức tạp Màn hình tinh thể lỏng của nó chiếm ít không gian và mỏng hơn so với màn hình CRT, phù hợp cho những không gian hạn chế Điểm mạnh nhất là khả năng tích hợp vào các máy tính nhúng nhỏ gọn, giúp thay thế hiển thị truyền thống và mang lại trải nghiệm HMI đầy đủ tính năng.
HMI hiện đại với tích hợp cấp cao và hình dáng nhỏ gọn giúp giảm chi phí sản xuất và mua bán Độ tin cậy cao làm giảm tổng chi phí sở hữu (TCOS) so với các thiết kế trước Sản phẩm này tiêu thụ điện năng thấp, dễ di chuyển khi cần thiết, đồng thời nâng cao độ tin cậy và hiệu suất kinh tế, mang lại chi phí thấp hơn cho người sử dụng.
Hệ thống HMI gặp phải một số nhược điểm như độ tin cậy và ổn định thấp, khả năng lưu trữ thông tin hạn chế, cùng với độ phức tạp cao, khiến cho việc mở rộng hệ thống trở nên rất khó khăn.
HMI Sankoon SK-043Fe là thiết bị thiết yếu trong việc tự động hóa các quy trình sản xuất phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao Hầu hết các tổ chức công nghiệp và nhiều công ty khác sử dụng HMI để tương tác với máy móc và tối ưu hóa quy trình công nghiệp Thiết bị này được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như dầu khí, năng lượng, chế tạo, ngành nước, và vận tải.
Các vai trò chính tương tác với HMI bao gồm các nhà khai thác, nhà tích hợp hệ thống và kỹ sư, đặc biệt là kỹ sư hệ thống điều khiển HMI Sankoon SK-043Fe là công cụ thiết yếu cho những chuyên gia này, giúp họ theo dõi và giám sát quy trình, chẩn đoán sự cố và trực quan hóa dữ liệu một cách hiệu quả.
Màn hình cảm ứng HMI tương tác với bộ lập trình PLC để nhận và hiển thị thông tin cho người dùng HMI có thể thực hiện nhiều chức năng, từ giám sát và hiển thị đến điều khiển thiết bị máy móc, như tắt máy hoặc tăng tốc độ sản xuất, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
HMI Sankoon SK-043Fe tối ưu hóa quy trình công nghiệp bằng cách số hóa và tập trung hóa dữ liệu, giúp người dùng dễ dàng theo dõi thông tin quan trọng qua biểu đồ và bảng điều khiển kỹ thuật số Thiết bị này cho phép các nhà khai thác quản lý cảnh báo hiệu quả và kết nối liền mạch với các hệ thống SCADA và MES, tất cả chỉ qua một bảng điều khiển duy nhất.
2.2.3 Bộ động cơ Servo Mitsubishi Mr-Je-10A[6] a, Thông số kỹ thuật:
Thông tin về bộ điều khiển động cơ SERVO DRIVER AMPLIFIER Mr-Je-10A MITSUBISHI Model: Drive Amplifier Servo Mr-Je-10A
- Điện áp nguồn cấp: 3-pha or 1-pha 200V AC to 240V AC, 50Hz/60Hz
- Điện áp ngõ ra: 3-pha 170V AC
- Độ phân giải Encoder: 17 bit (131.072 p/rev)
- Tốc độ tối đa: 6000 rpm
- Giao tiếp: RS232 - Chức năng điều khiển bao gồm: tốc độ, vị trí, và mô-men xoắn
- Phương pháp điều khiển: điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện
- Loại motor tương thích: HF-KN13J, HG-KN13J
Hình 2 4 Bộ động cơ Servo Mitsubishi Mr-Je-10a
43 b, Ưu nhược điểm Động cơ servo AC
Mô tả các ưu điểm nổi bật của hệ thống điều khiển tốc độ, bao gồm khả năng điều khiển trơn tru trên toàn bộ dải tốc độ với độ dao động gần như không có Hiệu suất đạt trên 90%, ít phát sinh nhiệt, cho phép điều khiển tốc độ cao và vị trí chính xác, tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa Bên cạnh đó, hệ thống có mô-men xoắn và quán tính thấp, hoạt động với tiếng ồn tối thiểu, không sử dụng bàn chải, đồng nghĩa với việc bảo trì miễn phí trong môi trường không bụi và không có nguy cơ nổ.
Điều khiển phức tạp hơn là một nhược điểm của hệ thống, yêu cầu điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn.
Trong ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống, nhu cầu về quy trình thực phẩm chất lượng cao và an toàn ngày càng gia tăng Do đó, động cơ Servo trở thành giải pháp phổ biến cho nhiều lĩnh vực, bao gồm cả quy trình sản xuất thực phẩm.
- Ứng dụng trong ngành may mặc, ngành giấy, bao bì: Trong việc điều khiển các máy cuộn vải, giấy, bao bì để cắt hoặc in ấn…
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ PHẦN MỀM
2.3.1 Thiết kế màn hình HMI
Màn hình HMI Sankoon SK-043Fe:
Phần mềm SKTOOL V6.2, ra mắt vào năm 2019, là phiên bản mới nhất dành cho các dòng HMI Samkoon như SK-HE, SK-HS, SK-FE và SK-FS Đây là bản nâng cấp từ các HMI đời cũ SK-BE và SK-AE, sử dụng SKWorkshop, mang lại hiệu suất vượt trội và cải tiến đáng kể.
- SKTool hỗ trợ lập trình HMI kết nối hầu hết PLC phổ biến trên thị trường như: Siemens, Mitsubishi, Omron, Fujitsu, Panasonic, Schneider, Emerson,
- SKTool chạy tốt trên Hệ điều hành: Window XP, Window 7 32-bit và 64-bit Riêng với Window 10 thì SKTool có trường hợp bị xung đột khi cài driver cho HMI
Hình 2 5 Tạo Screen trên HMI
Phần mềm PLC Mitsubishi GX Developer
Hình 2 6 Phần mềm PLC Mitsubishi GX Developer
GX Developer là phần mềm lập trình dành cho các dòng PLC Mitsubishi, được phát triển bởi chính Mitsubishi và được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu.
GX Developer được đánh giá rất tốt thông qua những đặc điểm nổi bật:
+ Thiết kế giao diện trực quan, dễ sử dụng
+ Hỗ trợ đầy đủ các dòng PLC Mitsubishi đời cũ
+ Phần mềm có kích thước nhỏ gọn và không yêu cầu cấu hình máy tính cao + Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình IEC
+ Tương thích với các hệ điều hành được sử dụng phổ biến hiện nay
Hạn chế lớn nhất của GX Developer là không tương thích với các dòng PLC Mitsubishi mới như FX5U, điều này buộc người dùng phải nâng cấp và cài đặt phần mềm mới để sử dụng hiệu quả.
Lựa chọn phương án thiết kế bản vẽ kỹ thuật của hệ thống
AutoCAD, viết tắt của Automatic Computer Aided Design, là phần mềm do Autodesk phát triển, hỗ trợ thiết kế và soạn thảo bằng máy tính (CAD) Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra bản vẽ 2D và 3D, giúp khái niệm hóa ý tưởng và tạo ra thiết kế với độ chính xác kỹ thuật cao Ngoài ra, AutoCAD còn có khả năng thực hiện tính toán và mô phỏng thiết kế nhanh chóng, phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
CHẾ TẠO, VẬN HÀNH HỆ THỐNG
CHẾ TẠO HỆ THỐNG
3.1.1 Bản vẽ kỹ thuật của hệ thống
Hình 3 1 Bản vẽ kỹ thuật
Hình 3 2 Tiến hành hàn khung cho hệ thống
Hình 3 3 Hoàn thành khung cho hệ thống
3.1.3 Lắp ráp linh kiện lên khung
Bảng 3 1 Tổng hợp linh kiện của hệ thống điều khiển giám sát Servo bằng PLC + HMI
STT Nội dung Tên hãng Số lượng
1 PLC Mitsubishi FX1S-20MT Mitsubishi 1
2 Màn hình HMI Samkoon SK-
3 Bộ động cơ Servo Mitsubishi Mr-
6 Cáp kết nối PLC + HMI 1
7 Cáp kết nối PLC + PC 1
8 Phụ kiện lắp đặt (máng cáp, dây điện đấu nối, đầu cốt,… 1
Hình 3 4 Sơ đồ đấu nối mạch điện
- Lập trình điều khiển động cơ chạy tiến, chạy lùi (Hình 3.3):
Hình 3 5 Chương trình điều khiển động cơ chạy tiến, lùi
- Lập trình hiển thị vị trí và vận tốc hành trình (Hình 3.4)
Hình 3 6 Chương trình hiển thị giá trị vị trí và vận tốc
- Lập trình chạy tới các điểm (Hình 3.5)
Hình 3 7 Chương trình chạy tới các điểm
- Lập trình hiển thị vị trí và vận tốc hiện tại (Hình 3.8)
Hình 3 8 Chương trình hiển thị vị trí và vận tốc hiện tại
- Lập trình điều khiển động cơ chạy về gốc (Hình 3.9)
Hình 3 9 Chương trình điều khiển động cơ chạy về gốc
VẬN HÀNH HỆ THỐNG
Điều khiển, giám sát động cơ theo vị trí:
Hình 3 10 Cài đặt vị trí tới điểm 1
Hình 3 11 Cài đặt vị trí tới điểm 2 Hình 3 12 Cài đặt vị trí tới điểm 3
VIẾT CHƯƠNG TRÌNH
Sử dụng phần mềm lập trình PLC Mitsubishi GX Developer (Hình 3.14)
Hình 3 13 Phầm mềm lập trình GX Developer
Bộ điều khiển FX có khả năng định tần số từ 1 đến 1000Hz, trong khi phiên bản FX 2.2 trở xuống yêu cầu khởi động lệnh PLSY để thực hiện Chương trình bên phải có thể hỗ trợ quá trình này Ngoài ra, bộ điều khiển FX0/FXon có thể sử dụng tần số từ 10 đến 2000Hz.
+ Số xung tối đa: Khi hoạt động 16 bit là 1 đến 32,767, khi hoạt động 32bit là 1 đến 2,147,483,647
Cờ M8000 sẽ được bật (ON) khi số xung đã định được phát đủ Cờ báo kết thúc đếm M8000 (Pulse count completion) sẽ được RESET khi lệnh PLSY không còn hoạt động Nếu được chỉ định, lệnh PLSY sẽ tiếp tục phát xung trong suốt thời gian lệnh này còn hoạt động.
Một xung có chu kỳ hoạt động 50% được mô tả với trạng thái ON trong 50% thời gian và OFF trong 50% còn lại Điều này cho thấy ngõ ra được kiểm soát bằng ngắt, đảm bảo chu kỳ ngõ ra không bị ảnh hưởng bởi thời gian quét chương trình.
Trong quá trình thực hiện lệnh, dữ liệu trong các toán hạn S1 và S2 có thể được thay đổi Tuy nhiên, dữ liệu mới trong S2 sẽ không được áp dụng ngay lập tức mà phải chờ đến khi tác vụ hiện tại hoàn tất Lệnh này chỉ có thể được sử dụng một lần trong thời gian quét chương trình.
Bộ điều khiển sử dụng transistor ở ngõ ra do tín hiệu có tốc độ cao, giúp nâng cao hiệu suất Việc sử dụng các ngõ ra rơle có thể dẫn đến giảm tuổi thọ và hư hỏng thiết bị.
Để đảm bảo tín hiệu ra sạch khi sử dụng ngõ ra transistor, dòng tải nên từ 200mA trở lên, do các tiếp điểm có thể bị nảy quá nhanh Trong trường hợp này, cần sử dụng các điện trở kéo lên.
Các bộ điều khiển FX với CPU phiên bản 3.07 trở lên và bộ điều khiển FX2c có khả năng sử dụng lệnh HSZ (FNC 55) kết hợp với lệnh PLSY khi thiết bị nguồn S1 được xác định là D8132.
Các bộ điều khiển FX với CPU phiên bản 3.07 trở lên và bộ điều khiển FX2c có khả năng xem tổng số xung đã phát thông qua thiết bị 32bit, cụ thể là D8136 và D8137.
THIẾT KẾ MÀN HÌNH HMI
Thiết kế sử dụng phần mềm SKTOOL 6.2
- Tạo thuộc tính cho các nút (Hình 3.15):
Hình 3 14 Tạo thuộc tính nút START
- Màn hình thiết kế như Hình 3.16:
Hình 3 15 Giao diện chính của hệ thống
Hình 3 16 Mô hình hoàn thiện sản phẩm
Kết quả nhận được sau khi vận hành hệ thống:
Nhờ vào sự nỗ lực nghiên cứu của nhóm và sự hỗ trợ từ thầy cô, bạn bè, bản thuyết đã hoàn thành đúng hạn và đạt được những kết quả đáng ghi nhận.
Hệ thống điều khiển và giám sát động cơ servo bằng PLC và HMI đã được thiết kế và chế tạo thành công, hoạt động ổn định và chính xác, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu ban đầu.
+ Làm quen được với PLC của hãng Mitsubishi
+ Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý điểu khiển động cơ Servo.