THIẾT KẾ,XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ĐỘNG CƠ SERVO SỬ DỤNG PLC MITSUBISHI DÒNG Q, MODULE QD77MS4, DRIVER MR-J4 DÒNG B VÀ HMI GOT 2000

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP Tên đề tài: THIẾT KẾ,XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ĐỘNG CƠ SERVO SỬ DỤNG PLC MITSUBISHI DÒNG Q, MODULE QD77MS4, DRIVER MR-J4 DÒNG B VÀ HMI GOT 2000. Với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hóa và hiện đại đất nước, ngành điện – điện tử nói chung hay điều khiển lập trình nói riêng đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Trong chương trình đào tạo có bộ môn điều khiển lập trình là một phần hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi nghiên cứu. Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn về các thiết bị. Vì vậy, đồ án nghiên cứu lập trình là điều kiện tốt giúp chúng em ứng dựng được lý thuyết Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát động cơ servo sử dụng PLC Mitsubishi dòng Q, module QD77MS4, driver MR-J4 dòng B và HMI GOT 2000”. Sau thời gian nghiên cứu, chúng em đã thu được rất nhiều kiến thức mới hữu ích về lĩnh vực hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm, Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự giải đáp và hướng dẫn của thầy Lê Thành Sơn và sự góp ý của các bạn sinh viên đồng nghiên cứu. Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy và các bạn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

QD77MS4, DRIVER MR-J4 DÒNG B VÀ HMI GOT 2000

Người hướng dẫn: Ths Lê Thành Sơn

Sinh viên: Nguyễn Văn Hải Anh Mã số sinh viên: 12220059 Lớp: 122201.5

Hưng Yên, năm 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hóa và hiện đại đất nước, ngành điện – điện tử nói chung hay điều khiển lập trình nói riêng đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Trong chương trình đào tạo có bộ môn điều khiển lập trình là một phần hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi nghiên cứu Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn về các thiết bị Vì vậy, đồ án nghiên

cứu lập trình là điều kiện tốt giúp chúng em ứng dựng được lý thuyết Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát động cơ servo sử dụng PLC Mitsubishi dòng Q, module QD77MS4, driver MR-J4 dòng B và HMI GOT 2000” Sau thời gian nghiên

cứu, chúng em đã thu được rất nhiều kiến thức mới hữu ích về lĩnh vực hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp.

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm, Tuy nhiên, chúng em đã nhận được sự

giải đáp và hướng dẫn của thầy Lê Thành Sơn và sự góp ý của các bạn sinh viên đồng

nghiên cứu Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy và các bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hải Anh

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện và trang bị kiến thức cho em trong quá trình thực hiện đồ án, em rất biết ơn các thầy cô đã tận tình chỉ bảo cũng như rèn nắn em trong quá trình thực hiện đồ án

Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô và gia đình dồi dào sức khỏe Gặt hái nhiều thành công trong sự nghiệp trồng người cao quý

Hưng Yên, tháng 06 năm 2024 Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Hải Anh

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ servo 11

2.1.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của động cơ servo 11

2.1.2 Các loại động cơ servo và ứng dụng 12

2.2 Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Controller) 15

2.2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của PLC 15

2.2.2 Các loại PLC phổ biến và đặc điểm 17

2.3 HMI (Human-Machine Interface) GOT2000 của Mitsubishi 21

2.3.1 Chức năng và ưu điểm của HMI GOT2000 21

2.3.2 Cấu tạo và cách kết nối với hệ thống 23

2.4 Các giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống 25

2.4.1 Giao thức truyền thông giữa PLC và HMI: Ethernet 25

2.4.2 Giao thức truyền thông giữa PLC và động cơ servo: SSCNET III/H 27

Chương 3 31

LẮP RÁP, CÀI ĐẶT VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 31

3.1 Yêu cầu kỹ thuật 31

3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 32

3.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 32

3.2.2 Sơ đồ kết nối chi tiết giữa các thành phần 33

3.3 Lựa chọn thiết bị 33

3.3.1 Lựa chọn PLC 33

3.3.2 Lựa chọn động cơ servo 40

3.3.3 Lựa chọn màn hình HMI GOT2000 43

KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 66

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 66

4.1.1 Mô tả mô hình 66

4.1.2 Chi tiết mô hình 67

4.2 Cài đặt và cấu hình hệ thống 68

4.2.1 Cài đặt thông số trên Gx Works2 68

4.2.2 Cài đặt thông số prameter cho các trục servo 72

4.3 Chạy thử và kiểm tra hệ thống 75

4.3.1 Kiểm tra chức năng điều khiển 75

4.3.2 Kiểm tra giao diện và giám sát trên HMI 76

4.4 Đánh giá kết quả 78

4.4.1 So sánh với yêu cầu kỹ thuật 78

4.4.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống 78

DANH MỤC HÌNH ẢNH Chương 2

Hình 2.1 Minh họa động cơ Servo 11

Hình 2.2 Cấu tạo động cơ Servo 12

Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC 16

Hình 2.4 Một số dòng PLC Siemens 18

Hình 2.5 Một số dòng PLC Scheneider 19

Hình 2.6 Một số dòng PLC Delta 20

Hình 2.7 Một số dòng PLC Mitsubishi 21

Hình 2.8 Series HMI GOT2000 22

Hình 2.9 Cấu tạo mặt trước của HMI GOT 23

Hình 2.10 Cấu tạo mặt sau của HMI GOT 23

Hình 2.11 Minh họa cách kết nối giữa các thiết bị với màn hình HMI GOT 24

Hình 2.12 Cáp mạng Ethernet 25

Hình 2.13 Implementation của Ethernet hiện đại 26

Hình 2.14 Cáp mạng truyền thông SSCNET III/H 27

Chương 3 Hình 3.1 Bố trí bộ điều khiển khả trinh PLC 33

Hình 3.2 Module Driver MR-J4-20B 37

Hình 3.3 Module Driver MR-J4-40B 39

Hình 3.4 Động cơ HF-KP23 MITSUBISHI 41

Hình 3.5 Động cơ HG-KR23 MITSUBISHI 42

Hình 3.6 Động cơ HG-KR43B MITSUBISHI 43

Hình 3.7 Màn hình HMI GOT2107 WTBD 43

Hình 3.8 Các chức năng của HMI GOT2107 WTBD 43

Hình 3.9 Một vài relay trung gian 45

Hình 3.10 Một vài cầu đấu 46

Hình 3.11 Cảm biến hồng ngoại EE-SX672 46

Hình 3.12 Lắp ráp kết nối các thiết bị bên trong tủ điện 48

Hình 3.13 Lắp ráp kết nối các thiết bị trên mặt tủ điện 49

Chương 4 Hình 4.1 Tổng thể mô hình thực tế 66

Hình 4.2 Màn hình chính 76

Hình 4.3 Màn hình chọn chế độ 76

Hình 4.4 Màn hình riêng từng chế độ 77

Động cơ servo là một loại động cơ đặc biệt có khả năng điều chỉnh vị trí, tốc độ và mô-men xoắn một cách chính xác, nhờ vào sự phản hồi liên tục từ hệ thống điều khiển Các hệ thống điều khiển động cơ servo thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như robot công nghiệp, máy CNC, và các dây chuyền sản xuất tự động Thực tế cho thấy rằng, trong một hệ thống sản xuất, đối với những công việc hòi hỏi phải hoạt động cùng thời điểm, đồng tốc độ, di chuyển chính xác vị trí đã cài đặt sẵn Vấn đề đó thì những hoạt động thủ công của con người gần như không thể thực hiện được Nhưng với công nghệ tiên tiến hiện nay, điều đó có thể thực hiện một cách dễ dàng Xuất phát từ nhu cầu muốn tìm hiểu về thiết bị, cách thức điều khiển thiết bị cũng như muốn xây dựng mô hình mô tả hoạt động, nhóm quyết định lựa chọn đề

tài“Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát động cơ servo sử dụng PLC

Mitsubishi dòng Q, module QD77MS4, driver MR-J4 dòng B và HMI GOT 2000”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu đặt ra với đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát động

cơ servo sử dụng PLC Mitsubishi dòng Q, module QD77MS4, driver MR-J4 dòng B và HMI GOT 2000” là nắm vững, hiểu rõ các thức hoạt động điều khiển của động

cơ AC-Servo, hiểu rõ được driver điều khiển động cơ, tìm hiểu cách thức giao tiếp, truyền tín hiệu giữa các CPU trong hệ thống Multiple CPU, mạng quản lý động cơ Servo SSCNET III/H Từ mô hình thực tế này tạo giao diện, xây dựng các thuật toán điều khiển và lập trình cho bộ động cơ

1.3 Phạm vi nghiên cứu`

Mô hình sử dụng 3 động cơ Servo không phanh, 1 động cơ Servo có phanh, 3 drive 200W, 1 drive 400W của hãng Mitsubishi, 1 bàn trượt vitme KK40 của HIWIN, 1 bàn trượt vitme của Astro Robot Sử dụng 2 controller chính đó là Q06UEDHCPU và QD77MS4 Q06UEDHCPU đóng vai trò giao tiếp thiết bị ngoại vị như nút nhấn, màn hình HMI , QD77MS4 đóng vai trò là module motion giúp giao tiếp và điều khiển động cơ Servo

+ Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này đặt vấn đề dẫn nhập, mục tiêu, nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và bố cục đồ án

+ Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, Servo motor, HMI GOT2000, các giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống

+ Chương 3: Thiết kế hệ thống

Tính toán, lựa chọn và bố trí các thiết bị trong mô hình phù hợp với yêu cầu đặt ra Mô tả cách thức hoạt động của mô hình và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau Dựa vào cơ sở đã tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình Nhóm bắt đầu thi công mô hình từ khâu cơ khí, lắp ráp và kết nối các thiết bị với nhau Kiểm tra độ an toàn, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị

+ Chương 4: Thực nghiệm và Đánh giá

Trình bày về kết quả đạt được Kết luận sau khi hoàn thành mô hình Nêu ra những ưu, nhược điểm và hướng phát triển của đồ án để đưa ra hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

+ Phụ lục: Thiết kế và thi công mô hình

Phần này trình bày về các Bản vẽ kỹ thuật trong mô hình cho Mô tả hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống Trích dẫn các nguồn tài liệu tham khảo

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, nhóm đã nghiên cứu và thực hiện các phương pháp: − Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

− Phương pháp thực nghiệm khoa học

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÁC THIẾT BỊ

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ servo

2.1.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của động cơ servo

a) Định nghĩa

Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động làm thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch

Hình 2.1 Minh họa động cơ Servo

Hình 2.2 Cấu tạo động cơ Servo

Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp và điều khiển này thông qua bộ mã hóa (encoder) Khi đó bất cứ lý do nào ngăn cản chuyển động và làm sai lệch tốc độ cũng như vị trí mong muốn, cơ cấu hồi tiếp sẽ phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển Từ tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển servo và so sánh với tín hiệu lệnh và đưa ra điều chỉnh phù hợp Đảm bảo động cơ servo hoạt động theo đúng yêu cầu và đặt được tốc độ và vị trí chính xác nhất

2.1.2 Các loại động cơ servo và ứng dụng

a) Phân loại

Động cơ Servo hiện nay đang được ứng dụng rất nhiều và được phân loại thành 2 loại Servo chính là: động cơ DC Servo và động cơ AC Servo

− AC servo: có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bộ điều khiển hay bộ khuếch đại Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng

− DC servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo

− Băng chuyền - băng tải: cơ cấu truyền động sử dụng động cơ servo trên băng tải mang theo hàng hóa, sản phẩm đến chính xác những vị trí mong muốn

− Công nghệ lấy nét tự động: ống kính máy ảnh tự động điều chỉnh tiêu cư để lấy nét thông qua một động cơ servo lắp đặt bên trong

− Xe điều khiển trong quân sự, nghiên cứu: động cơ servo lắp đặt và điều khiển các bánh xe Chúng cung cấp momen xoắn vừa đủ để xe có di chuyển, dừng, tăng tốc, vượt địa hình

− Hệ thống pin năng lượng mặt trời: những tấm pin năng lượng mặt trời tự động điều chỉnh hướng và góc theo vị trí của mặt trời để nhận được nhiều ánh sáng nhất Khả năng này có được nhờ vào việc sử dụng động cơ servo

− Máy gia công chính xác: máy tiện, máy phay, máy khắc,…: Động cơ servo được lắp đặt trên các trục X, Y, Z,… để di chuyển bộ phận cắt đến được chính xác vị trí cần gia công

− Định vị radar, angten: có cấu điều khiển bằng động cơ servo cho phép xác lập vị trí của angten, radar theo như mong muốn của người sử dụng

− In ấn: bên trong các loại máy in được bố trí động cơ servo để di chuyển các bộ phân in, quét

− Cửa thông minh: hệ thống cửa ra vào với khả năng đóng mở tự động thường thấy tại các siêu thị, văn phòng, tòa nhà là môt ứng dụng tiêu biểu sử dụng động cơ servo

− Dệt may: cơ cấu chuyển động trong những loại máy dệt, máy kéo sợi sử dụng động cơ servo để mang lại độ chính xác cao

− Xy lanh điện: động cơ servo đóng vai trò truyền động để xy lanh điện hoạt động − Các loại máy tự động chuyên dụng: máy đóng gói, máy vặn nắp chai,…

2.2 Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Controller)

2.2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của PLC

a) Nguyên lý hoạt động

Bộ điều khiển trung tâm CPU thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động bên trong bộ PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Tốc độ xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC Chương trình được lưu trữ trên RAM Pin dự phòng được tích hợp trên PLC giúp chương trình không bị mất khi có sự cố về điện

b) Cấu tạo

PLC được cấu tạo bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm, khối vào (Module input, Analog input), khối ra (Module output, Analog output)

Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC ➢ Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit )

− Để đáp ứng được yêu cầu đã nêu thì PLC cần phải có CPU như một máy tính thực thụ CPU được xem là bộ não của PLC, nó quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC

− CPU là nơi đọc tín hiệu ngõ vào từ khối vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối ra CPU còn chứa các khối chứa năng phổ biến như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu… và các hàm chuyên dụng

➢ Khối vào (Module Input) : Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)

− Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng nhị phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận…

− Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được

Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở… Một thông số quan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC

➢ Khối ra (Module Output): Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output)

− Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ…

− Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính…

2.2.2 Các loại PLC phổ biến và đặc điểm

a) PLC Siemens

PLC Siemens xuất xứ từ Đức, một trong những nước có nền công nghiệp phát triển bậc nhất của thế giới Do đó nhiều thiết bị của Siemens có thể có tuổi thọ vượt trội hơn so với một số thiết bị của các hãng khác Có giá thành khá cao (so với các PLC cùng phân khúc) và phần mềm nặng Tuy nhiên lại hoạt động ổn định và có độ bền cao Do đó PLC Siemens thường được ứng dụng cho nhiều máy móc cao cấp hoặc hệ thống tự động hóa lớn Nguyên nhân quan trọng khiến Siemens phổ biến tại Việt Nam là do hãng vào thị trường Việt Nam tương đối sớm

Hình 2.4 Một số dòng PLC Siemens Một số đặc điểm nổi bật của dòng PLC Siemens như:

− Giá cả cạnh tranh

− Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học − Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

− Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp − Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

− Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Module mở rộng

b) PLC Schneider

Schneider Electric là một tập đoàn đa quốc gia của Pháp nằm trong bảng xếp hạng Fortune Global 500 và dẫn đầu thế giới về sản xuất các sản phẩm quản lý điện năng, tự động hóa và các giải pháp thích ứng với các ngành này Sớm có mặt tại Việt Nam (1994), vì thế Schneider được sử dụng rộng rãi tại nước ta Với hệ thống đại lý phân phối lớn mạnh, dù giá thành có cao hơn so với Mitsubishi và 1 số thương hiệu khác, nhưng PLC Schneider có thể được coi là đã trở thành “thói quen” của nhiều nhà sản xuất

Hình 2.5 Một số dòng PLC Scheneider Một số đặc điểm nổi bật của dòng PLC Schneider như:

− Độ chính xác, tính linh hoạt và năng suất cao

− Dung lượng lớn, hiệu suất cao, khả năng mở rộng linh hoạt, cho phép dễ dàng nâng cấp

− Hỗ trợ các chức năng: Counting/position control, Analogue/PID, Maths functions, Fuzzy logic, etc

− Hỗ trợ kết nối qua Ethernet TCP/IP và Bus cho cảm biến/ cơ cấu chấp hành − Tất cả các tính năng và chức năng mà bạn cần để thiết kế và lập trình đã được tích

Hình 2.6 Một số dòng PLC Delta Một số đặc điểm nổi bật của dòng PLC Delta như:

Hình 2.7 Một số dòng PLC Mitsubishi Một số đặc điểm nổi bật của dòng PLC Mitsubishi như:

− Độ bền cao cộng với khả năng hoạt động ổn định trong nhiều môi trường − Mitsubishi lại có thế mạnh về điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động − Số câu lệnh phong phú, có các câu lệnh riêng chuyên dùng để điều khiển các ứng

dụng tốc độ cao Đơn giản hơn nhiều với việc PLC Siemens phải cấu hình qua khá nhiều bước và nhiều thông số mới thực hiện được việc này

− Mitsubishi có cấu trúc chương trình theo chiều dọc, chỉ thực hiện từ trên xuống dưới Toàn bộ là câu lệnh, dù phải nhớ nhiều lệnh nhưng lập trình lại đơn giản hơn

2.3 HMI (Human-Machine Interface) GOT2000 của Mitsubishi

2.3.1 Chức năng và ưu điểm của HMI GOT2000

Màn hình HMI (Human-Machine Interface) GOT2000 là một loại màn hình cảm ứng được sản xuất bởi Mitsubishi Electric, một công ty chuyên sản xuất các sản phẩm điều khiển tự động và tự động hóa GOT2000 là một dòng màn hình HMI phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp để tương tác giữa người vận hành và hệ thống tự động

Hình 2.8 Series HMI GOT2000

− Màn hình đồ họa Mitsubishi GOT2000 series Các tính năng hiển thị sáng tạo trong một thân máy đơn giản

− Các tính năng thân thiện với người dùng nâng cao của Phần mềm thiết kế màn hình HMI / GOT GT Works3

− Dễ dàng vận hành màn hình ngay cả trong quá trình xử lý tải cao, như ghi nhật ký, tập lệnh, báo thức hoặc truyền dữ liệu thiết bị

− Màn hình đồ họa Mitsubishi GOT2000 series được tăng dung lượng bộ nhớ Công nghệ nén dữ liệu sản phẩm cho phép sử dụng tối đa 128 MB dung lượng thực mà không cần thẻ SD (GT27)

− GOT2000 mới phù hợp cho các ứng dụng trong bất kỳ ngành công nghiệp nào Model trắng GT27, GT25 cung cấp tùy chọn màu bổ sung và khung phẳng không có cổng USB có thể được làm sạch rất dễ dàng GOT có thể được cài đặt theo chiều dọc để tăng thêm tính linh hoạt khi được cài đặt trong không gian hạn chế − Phóng to để dễ dàng vận hành các công tắc nhỏ và khó tiếp cận Sau khi phóng

to, cuộn màn hình để hiển thị khu vực bạn muốn hoạt động − Thao tác bấm 2 điểm ngăn các thao tác không chính xác

− Ứng dụng của Màn hình đồ họa Mitsubishi GOT2000 series: Trong nhiều loại máy móc và ngành công nghiệp như ô tô, bán dẫn, LCD, điện tử, bia và nước giải khát, Dược phẩm, Nông nghiệp,…

2.3.2 Cấu tạo và cách kết nối với hệ thống

a) Cấu tạo HMI GOT

Hình 2.9 Cấu tạo mặt trước của HMI GOT

Hình 2.10 Cấu tạo mặt sau của HMI GOT

[3] Cáp USB Cáp kết nối giữa máy tính cá nhân với GOT

[4] Khối truyền thông Thiết bị kết nối cáp kết nối CPU PLC.*1

[5] Cáp kết nối Cáp để kết nối giữa GOT với CPU PLC.*2

*1 Thiết bị truyền thông khác nhau tùy thuộc vào loại kết nối PLC

Khi GOT được kết nối với PLC bằng cách sử dụng giao diện được tích hợp trong GOT (giao diện Ethernet, giao diện RS-232 hoặc giao diện RS-422/485), không cần thiết bị truyền thông

*2 Cáp kết nối khác nhau tùy thuộc vào loại kết nối

2.4 Các giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống

2.4.1 Giao thức truyền thông giữa PLC và HMI: Ethernet

Ethernet là một họ các công nghệ mạng máy tính thường dùng trong các mạng local area network (LAN), metropolitan area network (MAN) và wide area network (WAN) Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Ête trong ngành vật lý học Nó được giới thiệu thương mại vào năm 1980 và lần đầu tiên được tiêu chuẩn hóa vào năm 1983 thành IEEE 802.3, kể từ đó nó được chỉnh sửa để hỗ trợ bit rate cao hơn và khoảng cách kết nối dài hơn

Hình 2.12 Cáp mạng Ethernet

Các hệ thống giao tiếp qua Ethernet chia một dòng dữ liệu (data stream) thành các mảnh ngắn hơn gọi là các khung (frame) Mỗi khung gồm có địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, và dữ liệu kiểm tra lỗi sao cho các khung bị hư hại có thể được phát hiện và loại bỏ; thường gặp nhất là các giao thức tầng cao hơn kích hoạt (trigger) việc truyền lại các frame bị mất

Các station (trạm) Ethernet giao tiếp với nhau bằng cách gửi cho nhau các gói (packet) dữ liệu: block dữ liệu được gửi và chuyển phát riêng lẻ Cũng như các mạng LAN IEEE 802 khác, mỗi station Ethernet được cấp một địa chỉ MAC 48-bit Địa chỉ

MAC được dùng để xác định nguồn và đích của mỗi gói dữ liệu Ethernet thiết lập các kết nối mức liên kết xác định bằng cách dùng địa chỉ nguồn và đích Khi nhận được dữ liệu, receiver sẽ dùng địa chỉ đích để xác định xem station nên truyền tiếp dữ liệu đi hay nên bỏ qua Một network interface (giao diện mạng) thường không nhận các gói có địa chỉ là các station Ethernet khác Địa chỉ của các adapter được lập trình sẵn có giá trị duy nhất trên toàn thế giới

Hình 2.13 Implementation của Ethernet hiện đại Các tính năng của Ethernet:

− Thông qua mạng Ethernet, dữ liệu có thể được gửi và nhận với tốc độ rất cao − Với sự trợ giúp của mạng Ethernet, dữ liệu của bạn được bảo mật vì nó bảo vệ dữ

liệu của bạn Giả sử rằng ai đó đang cố gắng xâm nhập vào mạng của bạn và rồi sau đó tất cả các thiết bị trong mạng của bạn dừng xử lý ngay lập tức và đợi cho đến khi người dùng cố gắng truyền lại

− Ethernet tạo điều kiện cho chúng tôi chia sẻ dữ liệu và tài nguyên của mình như máy in, máy quét, máy tính, vv…

− Mạng Ethernet nhanh chóng truyền dữ liệu Đó là lý do tại sao, ngày nay hầu hết các trường đại học và cao đẳng đều sử dụng công nghệ Ethernet, dựa trên Gigabit Ethernet

2.4.2 Giao thức truyền thông giữa PLC và động cơ servo: SSCNET III/H

Mitsubishi đã phát minh ra mạng lưới hệ thống servo nguyên bản "SSCNET" nhằm đạt được độ tin cậy SSCNET III-H là mạng quang thực hiện hoạt động trơn tru, có độ phản hồi cao và độ chính xác cao trong mọi trường hợp

Hình 2.14 Cáp mạng truyền thông SSCNET III/H

− Tốc độ truyền thông được tăng lên 150 Mbps nhanh hơn ba lần so với tốc độ thông thường Phản hồi của hệ thống được cải thiện đáng kể

− Có thể điều khiển máy mượt mà bằng cách sử dụng giao tiếp nối tiếp tốc độ cao với thời gian chu kỳ là 0,22 ms Công nghệ servo đã được cải tiến đáng kể SSCNET hiện thực hóa các thiết bị có hiệu suất và độ chính xác cao mà lệnh truyền xung thông thường hoặc lệnh tương tự không thể đạt được Khi mà lệnh xung thường có tần số xung hạn chế để điều khiển tốc độ cao và độ chính xác cao, còn lệnh tương tự dễ bị nhiễu đường dây, sụt áp do chiều dài cáp và chênh lệch nhiệt độ Thì SSCNET giải

quyết những vấn đề này và thực hiện các hoạt động mượt mà hơn với tốc độ và độ chính xác cao Hệ thống truyền thông nối tiếp tốc độ cao trong SSCNET cho phép hệ thống điều khiển đồng bộ mô tơ servo và hệ thống định vị tuyệt đối Truyền thông định vị và đồng bộ đạt được hoàn chỉnh với SSCNET III/H, mang lại lợi thế kỹ thuật trong các máy như máy in và máy chế biến thực phẩm đòi hỏi độ chính xác đồng bộ

− Kết nối SSCNETIII/H làm giảm hệ thống dây điện, cho phép kết nối lên đến 100 m giữa các trạm và dễ dàng hỗ trợ cài đặt vị trí tuyệt đối LS giới hạn trên, LS giới hạn dưới và tín hiệu DOG gần điểm có thể được nhập từ bộ khuếch đại servo, do đó làm giảm đáng kể hệ thống dây điện Ngoài điều khiển định vị và kiểm soát tốc độ, các quy trình như điều khiển đồng bộ và điều khiển cam điện tử có thể được thực hiện Kết nối đơn giản với cáp chuyên dụng giúp giảm cả thời gian nối dây và khả năng xảy ra lỗi nối dây Không còn hệ thống dây điện phức tạp

− Điều khiển trung tâm bằng mạng Lượng lớn dữ liệu servo được trao đổi trong thời gian thực giữa bộ điều khiển và Driver Sử dụng MR Configurator 2 trên máy tính cá nhân được kết nối với Q17nDSCPU, Q170MSCPU hoặc QD77MS giúp hợp nhất thông tin cho nhiều bộ khuếch đại servo

− Bộ điều khiển tương thích SSCNET III/H hỗ trợ sử dụng các bộ khuếch đại servo tương thích SSCNET III/H kết nối với nhau trong cùng một hệ thống

− Độ tin cậy được cải thiện SSCNET III/H cung cấp mức độ chính xác và độ tin cậy cao khi truyền dữ liệu Khi xảy ra lỗi trong quá trình giao tiếp, dữ liệu hiện tại sẽ bị loại bỏ và dữ liệu thông thường sau đây sẽ được sử dụng

Thông số kỹ thuật SSCNETIII/H

Phương tiện truyền: Cáp quang

− Dây tiêu chuẩn cho bảng điều khiển bên trong − Cáp tiêu chuẩn cho bảng điều khiển bên ngoài

Khoảng cách truyền Tối đa 20 m giữa các trạm

Khoảng cách tổng thể tối đa 320 m (20 m x 16 trục)

Chương 3

LẮP RÁP, CÀI ĐẶT VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

3.1 Yêu cầu kỹ thuật

− Xác định yêu cầu và mục tiêu đề tài: Xác định rõ các yêu cầu bài toán điều khiển Định rõ phạm vi của đề tài, các mục tiêu, phương pháp nghiên cứu hiệu quả − Thiết kế và Kiến trúc Hệ thống: Thiết kế tổng thể: sơ đồ khối hệ thống điều khiển − Thiết kế chi tiết: thiết kế phần cứng, lắp ráp và kết nối các thiết bị, thiết kế mạch

điều khiển

− Lựa chọn Phần cứng và Phần mềm: Phần cứng: lựa chọn PLC, động cơ sevor,

màn hình HMI, các thiết bị phụ trợ Phần mềm: Lựa chọn ngôn ngữ lập trình PLC, phần mềm thiết kế giao diện HMI

− Tích hợp và Kết nối: Sử dụng các giao thức truyền thông giữa PLC và HMI, giao

thức giữa PLC và Driver Đảm bảo các thành phần phần cứng và phần mềm tương thích và có thể hoạt động đồng bộ

− Kiểm tra và đánh giá: Cài đặt và cấu hình hệ thống, kiểm tra các chức năng điều

khiển, kiểm tra giao diện và giám sát trên HMI3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

3.2.1 Sơ đồ khối tổng quát

Khối động cơ ServoKhối HMIKhối Giao tiếp ngoại vi

Khối nguồn

Máy tính cá nhân

Khối xử lý trung tâm

Nguồn Tín hiệu đi Tín hiệu về Chức năng các khối:

− Khối xử lý trung tâm: cung cấp tín hiệu điều khiển, tính toán xử lý các thuật toán, giao tiếp với thiết bị ngoại vi

− Khối nguồn:

− Khối HMI: hỗ trợ thao tác giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống Điều khiển,

− Khối giao tiếp ngoại vi: gồm các thiết bị như cảm biến, nút nhấn, đèn,…

− Khối động cơ servo: Đây chính là khối chính của hệ thống Khối này sẽ có 4 động cơ Sử dụng Driver MR-J4 nhận xung giao tiếp thông qua mạng SSCNETIII/H

3.2.2 Sơ đồ kết nối chi tiết giữa các thành phần

Hình 3.1 Bố trí bộ điều khiển khả trinh PLC

1) Thiết bị cơ sở (Base)

− Tên: Main base Q38B − Dòng: MELSEC-Q SERIES − Slot: 8

2) Modul nguồn

− Tên: Power supply Q62P − Dòng: MELSEC-Q SERIES − Điện áp đầu vào: 100-240 VAC

− Công suất biểu kiến đầu vào tối đa: 105VA − Điện áp đầu ra: 5/24VDC

− Dòng điện đầu ra: 3/0,6A

3) Modul CPU Q06UDEHCPU

− Loại CPU: Universal CPU − Bộ nhớ chương trình: 60K steps − Tốc độ xử lý lệnh cơ bản: 9.5ns − Số bước lập trình: 252k steps − Điểm I/O cục bộ: 4096

− Điểm I/O mở rộng: 8192

− Cổng kết nối: USB mini, Ethernet RS232 − Hỗ trợ kết nối CC-Link IE, Field Network − Hỗ trợ thẻ nhớ SD để sao lưu dữ liệu thanh ghi − Phần mềm lập trình: GX Developer, PX Developer − Bộ nhớ số liệu: 4000kB

− Nhiệt độ lưu trữ : -25 ~ +75ºC − Cấp bảo vệ : IP20

4) Modul input QX40

− Series: MELSEC-Q SERIES − Kiểu: đầu vào DC (COM chung)

− Điểm I/O sử dụng trên PLC: 16 − Đầu vào kỹ thuật số tích hợp: 16

− Điện áp đầu vào định mức: 24VDC/0.05A

5) Modul output QY40P

− Series: MELSEC-Q SERIES − Kiểu đầu ra: Transistor (SINK) − Điểm I/O sử dụng trên PLC: 16 − Đầu ra kỹ thuật số tích hợp: 16

− Điện áp tải định mức: 12/24VDC-0.065A

6) Modul chuyển động QD77MS4

− Series: MELSEC-Q SERIES − Kiểu: modul chuyển động cơ bản − Số lượng trục điều khiển: 4

− Đơn vị điều khiển: mm, inch, độ, pulse − Chu kỳ hoạt động: 0.88ms/1.77ms − Dữ liệu định vị: 600 dữ liệu/trục

− Dòng điện tiêu thụ bên trong : 5VDC/0.6A − Bộ đếm ghi Flash ROM: Tối đa 100000 lần − Số lượng điểm I/O được nắm giữ : 32 điểm − Chức năng nội suy: Nội suy tuyến tính 2 trục, 3,4

Nội suy đường cong 2 trục

− Hệ thống điều khiển: Điều khiển PTP (điểm tới điểm), điều khiển đường (cả tuyến tính và đường cong có thể được thiết lập), điều khiển tốc độ, điều khiển chuyển đổi tốc độ-vị trí , điều khiển chuyển đổi vị trí-tốc độ,điều khiển tốc độ-momen

7) Module Driver Mr-J4-20B

Tên sản phẩm Bộ khuếch đại servo MR-J4-20B Mitsubishi

Điện áp định mức (đầu ra) 1-pha 170VAC

Biến động tần số cho phép Max ±5%

Nguồn điện giao diện 24VDC ±10%

Chu kỳ giao tiếp 0.222-0.444-0.888ms

Loại Tiêu chuẩn

Chức năng servo

Điều khiển giảm rung tiên tiến II, bộ lọc thích ứng II; Điều chỉnh tự động, một chạm; chức năng ổ đĩa cứng, ghi ổ đĩa, chẩn đoán máy, giám sát công suất; Bộ điều khiển chuyển động xoay chiều Bộ khuếch đại sóng hình sin, điều khiển xung, điều khiển dòng điện

Chức năng bảo vệ

Ngắt: quá dòng, quá áp tái sinh, quá tải

Bảo vệ: quá nhiệt mô tơ servo, lỗi encoder, lỗi tái tạo, bảo vệ thấp áp, mất điện tức thời, quá tải

Hệ thống làm mát Làm mát tự nhiên, đế nhôm và có quạt

Nhiệt độ môi trường 0…-55°C

Nhiệt độ bảo quản -20…-65°C

Độ ẩm môi trường Max 90%rh ( Không ngưng tụ )

Hình 3.2 Module Driver MR-J4-20B

8) Module Driver Mr-J4-40B

Tên sản phẩm Bộ khuếch đại servo MR-J4-40B Mitsubishi

Điện áp định mức (đầu ra) 3-pha 170 VAC

Biến động tần số cho phép Max ±5%

Nguồn điện giao điện 24 VDC ±10%

Dòng điện định mức 2.8 A

Công suất định mức 0.4 KW

Phương thức điều khiển

Điều khiển PWM dạng sóng hình Sin Hệ thống điều khiển dòng

Chức năng servo

Bộ điều khiển chuyển động xoay chiều

Bộ khuếch đại sóng hình sin, điều khiển xung, điều khiển dòng điện

Chức năng bảo vệ

Quá dòng, quá áp tái sinh, quá tải, quá nhiệt động cơ, lỗi encoder, bảo vệ thấp áp, quá tải tái sinh, mất điện đột ngột, quá tốc độ, cực từ phát hiện, lỗi điều khiển servo tuyến tính

Hệ thống làm mát Làm mát tự nhiên, đế nhôm và có quạt

Nhiệt độ môi trường 0…55°c

Nhiệt độ bảo quản -20…65°c

Độ ẩm môi trường Max 90%rh ( Không ngưng tụ )

Hình 3.3 Module Driver MR-J4-40B