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.
Đặt vấn đề
Trong thời đại công nghiệp 4.0, tự động hóa công nghiệp đã trở thành một yếu tố không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất và quy trình công nghiệp Việc sử dụng các hệ thống tự động hóa không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất Một trong những công nghệ quan trọng trong tự động hóa công nghiệp là hệ thống điều khiển động cơ servo, kết hợp với các thiết bị hiện đại như HMI, PLC, và các module điều khiển chuyên dụng 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”.
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.
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.
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
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 b) Nguyên lý hoạt động
Về nguyên tắc, động cơ servo là một thiết bị độc lập Tuy nhiên động cơ servo chỉ có ý nghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống servo
Chế động hoạt động của động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín Động cơ servo nhận một tín hiệu xung điện (PWM) từ bộ điều khiển để hoạt động và được kiểm soát bằng bộ mã hóa (encoder)
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 b) Ứng dụng
Với việc đẩy mạnh tự động hóa và phát triển nền công nghiệp 4.0, động cơ Servo ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
− Robot công nghiệp: động cơ servo được sử dụng để làm những khớp xoay của cánh tay robot
− 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,…
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…
Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:
− Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình
− Cổng truyền thông: PLC thường tích hợp cổng truyền thông Modbus RTU Tùy hãng và dòng sản phẩm, PLC có thể được tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT…
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:
− 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 hợp sẵn
− Kết nối ở mọi nơi qua Ethernet, truy cập không dây, máy chủ web nhằm đơn giản hóa việc giám sát và bảo trì, bảo dưỡng hệ thống c) PLC Delta
PLC Delta có xuất xứ từ Taiwan, cũng là một thương hiệu được sử dụng nhiều tại Việt Nam vì giá rẻ Chúng thường đi theo dây chuyền sản xuất nhập về từ Đài Loan Trung Quốc Với thế mạnh về giá rẻ, đa dạng model sản phẩm phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau
Hình 2.6 Một số dòng PLC Delta
Một số đặc điểm nổi bật của dòng PLC Delta như:
− Giá thành rẻ, chất lượng tốt
− Nhiều option tích hợp Ví dụ như có đến 2 cổng truyền thông trên cùng một PLC
− Tính hợp bộ đếm tốc độ cao
− Cổng nhận tín hiệu loadcell, cảm biến nhiệt độ…
− Phần mềm lập trình miễn phí sử dụng d) PLC Mitsubishi
PLC Mitsubishi là sản phẩm của tập đoàn Mitsubishi Nhật Bản Một thương hiệu nổi tiếng trên thế giới chính thức có mặt tai Việt Nam vào năm 2011 Mitsubishi tập trung chủ yếu phát triển các sản phẩm điều hòa không khí, thang máy, thang cuốn, đồ gia dụng và điều khiển tự động công nghiệp Cho tới hiện tại, PLC Mitsubishi được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ thống trong công nghiệp, từ đơn giản đến phức tạp
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.
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
− 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 b) Cách kết nối
Hình 2.11 Minh họa cách kết nối giữa các thiết bị với màn hình HMI GOT
Tên thiết bị Ứng dụng
[1] Máy tính cá nhân Thiết bị được sử dụng để ghi dữ liệu được lưu trữ trong
[2] GT Works3 Thiết bị được sử dụng để ghi dữ liệu được lưu trữ trong
[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.
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
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
Chu kỳ truyền: − Gửi: 0.22 ms/0.44 ms/0.88 ms
Trục điều khiển tối đa trên mỗi hệ thống
− Chu kỳ truyền thông 0,22 ms : 4 trục/hệ thống
− Chu kỳ truyền thông 0,44 ms : 8 trục/hệ thống
− Chu kỳ truyền thông 0,88 ms : 16 trục/hệ thống
Khoảng cách truyền Tối đa 20 m giữa các trạm
Khoảng cách tổng thể tối đa 320 m (20 m x 16 trục)
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.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
3.2.1 Sơ đồ khối tổng quát
Khối HMI Khối Giao tiếp ngoại vi
Khối xử lý trung tâm
Nguồn Tín hiệu đi Tín hiệu về
− 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 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
Lựa chọn thiết bị
QX40 QY40P Q64AD Q64DAN QJ61BT11N QD77MS4
Hình 3.1 Bố trí bộ điều khiển khả trinh PLC
1) Thiết bị cơ sở (Base)
− Điện áp đầu vào: 100-240 VAC
− Công suất biểu kiến đầu vào tối đa: 105VA
− Điện áp đầu ra: 5/24VDC
− Bộ nhớ chương trình: 60K steps
− Tốc độ xử lý lệnh cơ bản: 9.5ns
− Số bước lập trình: 252k steps
− 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
− 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
− 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
− 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
Tên sản phẩm Bộ khuếch đại servo MR-J4-20B Mitsubishi
Dòng MELSERVO-J4 Điện áp định mức (đầu ra) 1-pha 170VAC
Nguồn cấp 1-pha 200VAC hoặc 3-pha 200VAC
Biến động tần số cho phép Max ±5%
Nguồn điện giao diện 24VDC ±10%
Dòng định mức (đầu vào) 1.5 A
Dòng định mức (đầu ra) 1.5 A
Công suất (đầu ra) 0.2 KW
Phương thức điều khiển Điều khiển PWM dạng sóng hình sin, hệ thống điều khiển dòng
Chu kỳ giao tiếp 0.222-0.444-0.888ms
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
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 bảo quản -20…-65°C Độ ẩm môi trường Max 90%rh ( Không ngưng tụ )
Tên sản phẩm Bộ khuếch đại servo MR-J4-40B Mitsubishi
Dòng Melservo-J4 Điện áp định mức (đầu ra) 3-pha 170 VAC
Nguồn cấp 1-pha 200 VAC hoặc 3-pha 200VAC
Biến động tần số cho phép Max ±5%
Nguồn điện giao điện 24 VDC ±10%
Công suất định mức 0.4 KW
Phương thức điều khiển Điều khiển PWM dạng sóng hình Sin
Hệ thống điều khiển dòng
Bộ điều khiển chuyển động xoay chiều
Bộ khuếch đại sóng hình sin, điều khiển xung, điều khiển dòng điện
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 bảo quản -20…65°c Độ ẩm môi trường Max 90%rh ( Không ngưng tụ )
3.3.2 Lựa chọn động cơ servo a) Servo Motor HF-KP23 MITSUBISHI
− Loại: Động cơ AC servo
− Hãng sản xuất: Mitsubishi Electric – Japan
− Chức năng: động cơ quay không chổi than
− Phanh điện từ: không tích hợp
− Encoder: 18-bit, độ phân giải 262.144 xung/vòng
− Servo Amplifiler tương thích: MR-J3-20A-RJ006, MR-J3-20A1-RJ006,
MR-J3-20B-RJ006, MR-J3-20B1-RJ006, MR-J3-20T, MR-J3-20T1
− Đặc điểm: quán tính thấp, công suất nhỏ, làm mát tự nhiên
− Điện áp nguồn cấp: 200V/AC
− Tốc độ quay: 3000 Rpm / Max: 6000 Rpm
− Momen xoắn: 0.64 Nm, max 1.9 Nm
− Nhiệt độ vận hành: 0°C đến 40°C
Hình 3.4 Động cơ HF-KP23 MITSUBISHI b) Servo Motor HG-KR23 MITSUBISHI
− Điện áp cung cấp: 200VAC
− Tốc độ vòng quay: 3000 rmp, max 6000 rmp
− Encoder 22-bit, độ phân giải 4.194.304 xung/vòng
− Mô men xoắn: 0.64 Nm, Max 2.2 Nm
− Tương thích với Servo Amplifiler: MR-J4-20B, MR-J4-20B-RJ,
− Cấp độ bảo vệ: IP65
− Phanh điện từ: không tích hợp
− Ứng dụng trong điều khiển tốc độ, vị trí
− Hãng sản xuất Mitsubishi - Nhật Bản
Hình 3.5 Động cơ HG-KR23 MITSUBISHI c) Servo Motor HG-KR43B MITSUBISHI
− Điện áp cung cấp: 200VAC
− Tốc độ vòng quay: 3000 rmp
− Encoder: 22-bit, độ phân giải: 4.194.304 pulses/rev
− Mô men xoắn: 1.3 Nm, Max 4.5 Nm
− Tương thích với Servo Amplifiler: MR-J4-40B, MR-J4-40B-RJ,
− Cấp độ bảo vệ: IP65
− Phanh điện từ: tích hợp
− Tần số đáp ứng: lên đến 2.5kHz, đáp ứng yêu cầu cao cấp của máy móc
− Chức năng bù chuyển động bị mất
− Chức năng kiểm soát lực và áp lực tác động
− Chế độ điều khiển: Tốc độ, vị trí, hoặc moment xoắn
− Có thể chuyển đổi giữa tốc độ, vị trí, và moment xoắn qua switch
− Kiểm soát triệt tiêu rung nhẹ
− Hãng sản xuất: Mitsubishi - Nhật Bản
Hình 3.6 Động cơ HG-KR43B MITSUBISHI.
3.3.3 Lựa chọn màn hình HMI GOT2000
Hình 3.7 Màn hình HMI GOT2107 WTBD
Hình 3.8 Các chức năng của HMI GOT2107 WTBD
① Giao diện USB: thiết bị (USB Mini-B)
Kết nối với máy tính cá nhân và truyền dữ liệu
② Giao diện USB: máy chủ (USB-A)
Truyền dữ liệu hoặc đọc dữ liệu dự án (nhật ký ghi dữ liệu, etc.) đến hoặc từ GOT bằng bộ nhớ USB USB của chuột, bàn phím, đầu đọc mã vạch* hoặc đầu đọc RFID* cũng có thể kết nối
*Chỉ dành cho máy tương thích với bàn phím USB (HID)
Sử dụng Ethernet để kết nối đồng thời hai loại thiết bị công nghiệp từ các nhà sản xuất khác nhau Các thiết bị tương thích CC-Link IE, Field Network Basic cũng có thể được kết nối
Kết nối với nhiều thiết bị công nghiệp và đầu đọc mã vạch
⑤ Giao diện RS-232 Kết nối với nhiều thiết bị công nghiệp, đầu đọc mã vạch và chuỗi máy in
⑥ Giao diện thẻ nhớ SD Khối lượng lưu dữ liệu lớn, bao gồm cả cảnh báo và nhật ký ghi dữ liệu
3.3.4 Các thiết bị phụ trợ và cảm biến a) Relay trung gian
Rơle trung gian (hay còn gọi là relay trung gian), đây là thiết bị điện tử được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và thay thế Chúng giống như một kiểu nam mạch tín hiệu điều khiển hoặc khuếch đại điện từ Trong sơ đồ điều khiển, các rơle trung gian luôn được lắp ở vị trí trung gian Đó là nằm giữa những thiết bị điều khiển có công suất nhỏ với các thiết bị công suất lớn hơn
Rơ le trung gian với chức năng điều khiển tải tương đối mạnh với độ bền chuyển mạch tương đối thấp đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay Bên cạnh đó, loại rơ le này còn cung cấp cách ly điện giữa các mạch đầu vào và đầu ra, và tăng khả năng chống nhiễu Trong thực tế có rất nhiều loại rơ le trung gian khác nhau nhằm đa dạng hóa sự lựa chọn cho người tiêu dùng Bao gồm: rơ le trung gian 8 chân, 12 chân và 14 chân với điện thế tương ứng là 5V, 12V, 24V
Hình 3.9 Một vài relay trung gian b) Cầu đấu dây
Cầu đấu dây điện là thiết bị có chức năng kết nối dây điện với các thiết bị điều khiển hoặc thiết bị động lực Chúng sẽ giúp nối liền mạch điện trong tủ điện và hệ thống điện Giữa các cầu đấu điện được cách điện hoàn toàn với nhau Cầu nối dây điện không chỉ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kỹ thuật điện mà còn trong 1 số ứng dụng điện dân dụng phục vụ đời sống
Hình 3.10 Một vài cầu đấu c) Cảm biến
Cảm biến hồng ngoại Omron EE-SX672 dùng ánh sáng hồng ngoại để giám sát vật cản mong muốn: Khi vật cần giám sát trong vùng làm việc, EE-SX672 sẽ kích hoạt ngõ ra lên mức ON báo hiệu có sự xuất hiện của vật Khi vật cần giám sát ở bên ngoài vùng làm việc, EE-SX672 cho ngõ ra ở mức OFF EE-SX672 cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt Khoảng cách làm việc của EE-SX672 max= 5mm, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở NPN EE- SX672 được dùng phổ biến trong các thiết bị điều khiển, tự động hóa công nghiệp
Hình 3.11 Cảm biến hồng ngoại EE-SX672
Loại Thu – phát, loại có rãnh (dạng chữ T)
Khoảng cách phát hiện 5mm ( chiều rộng khe) Độ trễ –
Vật phát hiện chuẩn Vật mờ đục: 2 x 0.8mm
Nguồn sáng LED hồng ngoại 940nm
Chế độ hoạt động Dark-ON/Light-ON
Ngõ ra NPN collector hở
Chỉ thị hoạt động Led đỏ (On khi ánh sáng bị gián đoạn với các model
Thời gian đáp ứng – Điều chỉnh độ nhạy –
Chức năng bảo vệ Ngắn mạch ngõ ra (loại có giắc cắm), không bảo vệ mạch (loại có dây liền)
Kiểu đấu nối Giắc cắm
Phụ kiện Hướng dẫn sử dụng
Tiêu chuẩn IEC, CE, CCC
Thiết kế phần cứng
3.4.1 Lắp ráp và kết nối các thiết bị
Hình 3.12 Lắp ráp kết nối các thiết bị bên trong tủ điện
Hình 3.13 Lắp ráp kết nối các thiết bị trên mặt tủ điện
3.4.2 Thiết kế mạch điện điều khiển
Thiết kế phần mềm
1) Phần mềm lập trình Gx Works2
GX Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX Developer với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình khác như là FBD (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart)
2) Ngôn ngữ lập trình a)Một số ngôn ngữ lập trình phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực PLC
− Ladder Logic (LD): Là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất cho PLC, nó mô phỏng mạch điện bằng các nguyên tắc logic dây thẳng
− Structured Text (ST): Là một ngôn ngữ lập trình có cú pháp tương tự với Pascal, cho phép lập trình viên thực hiện các tác vụ phức tạp và có cấu trúc
− Function Block Diagram (FBD): Sử dụng các khối chức năng để mô tả chương trình, giúp dễ dàng hiểu và thay đổi chương trình
− Instruction List (IL): Một ngôn ngữ lập trình dựa trên danh sách các chỉ thị thực hiện các chức năng cụ thể
− Sequential Function Chart (SFC): Được sử dụng để mô tả các trạng thái và chuyển đổi giữa chúng trong quy trình hoạt động của hệ thống
− Structured Control Language (SCL): Là một ngôn ngữ lập trình có cú pháp tương tự với ngôn ngữ lập trình C, giúp thực hiện các nhiệm vụ phức tạp
Mỗi ngôn ngữ này có ưu điểm và ứng dụng riêng, và lập trình viên có thể chọn ngôn ngữ phù hợp nhất cho nhu cầu cụ thể của họ b) Ngôn ngữ Ladder
Ladder Logic hay Ladder Diagram (LD/LAD) là một trong năm ngôn ngữ lập trình PLC được chỉ định sử dụng theo tiêu chuẩn IEC 61131-3 Ladder là ngôn ngữ bậc thang, nhằm thể hiện các hoạt động logic với ký hiệu tượng trưng, dễ sắp xếp, theo dõi, dễ hiểu Ladder trực quan hơn nhiều so với hầu hết các ngôn ngữ lập trình
− Dễ hiểu và sử dụng: LD mô phỏng các mạch điện bằng các nguyên tắc logic dây thẳng, rất giống với sơ đồ mạch điện truyền thống Điều này làm cho nó dễ hiểu và sử dụng, đặc biệt là đối với những người mới bắt đầu hoặc những người không có nền tảng lập trình
− Thị giác tốt: LD cung cấp một cách trực quan để hiểu và theo dõi hoạt động của hệ thống Các thành phần trong LD được biểu diễn bằng các biểu tượng dễ nhìn, giúp lập trình viên dễ dàng theo dõi luồng logic của chương trình
− Ứng dụng đa dạng: LD có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ các hệ thống đơn giản đến các hệ thống phức tạp Điều này làm cho nó phù hợp cho nhiều ngành công nghiệp như tự động hóa công nghiệp, điều khiển quá trình, và hệ thống an toàn
− Hỗ trợ mạnh mẽ từ các nhà sản xuất PLC: Các nhà sản xuất PLC hàng đầu thường cung cấp môi trường lập trình LD mạnh mẽ và dễ sử dụng Điều này bao gồm các công cụ mô phỏng, gỡ lỗi và tối ưu hóa chương trình
− Tiêu chuẩn ngành công nghiệp: Do sự phổ biến và dễ sử dụng, LD trở thành một tiêu chuẩn ngành trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp c) Đặc điểm
Ngôn ngữ LAD cho phép ta viết chương trình tương tự như mạch tương đương của sơ đồ nối dây mạch điện Chương trình LAD cho phép CPU mô phỏng di chuyển của dòng điện từ nguồn, qua một loạt các điều kiện ngõ vào để tác động ngõ ra
− Thích hợp cho người mới bắt đầu lập trình
− Cấu trúc bậc thang dễ sắp xếp, tổ chức và tiện theo dõi
− Biểu đồ họa dễ hiểu và thông dụng hơn, cho phép ghi chú thích
* Nhược điểm: một số lập trình chức năng không có sẵn, đặc biệt là khó khăn trong việc lập trình chuyển động hoặc phân luồng d) Lý do lựa chọn
− Dễ hiểu và dễ học: Ladder Logic được thiết kế để giống với sơ đồ mạch điện, nên dễ hiểu đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên có nền tảng về điện và điện tử Điều này giúp việc học và áp dụng Ladder Logic trở nên thuận tiện hơn
− Tiêu chuẩn hóa và phổ biến: Ngôn ngữ Ladder là một trong những ngôn ngữ lập trình chính được tiêu chuẩn hóa trong IEC 61131-3 (tiêu chuẩn quốc tế cho lập trình PLC), giúp nó trở nên phổ biến và dễ dàng chuyển giao giữa các hệ thống và thiết bị khác nhau
− Khả năng mô phỏng logic mạch điện: Ladder Logic mô phỏng cách hoạt động của các mạch điện relay, giúp việc chuyển đổi từ các hệ thống điều khiển relay truyền thống sang PLC trở nên dễ dàng và trực quan
− Tính trực quan cao: Do đặc điểm đồ họa và cấu trúc đơn giản, Ladder Logic cho phép người dùng dễ dàng hình dung và kiểm tra các quy trình điều khiển, giúp việc chẩn đoán và sửa lỗi trở nên hiệu quả hơn
− Hỗ trợ từ các nhà sản xuất PLC: Hầu hết các nhà sản xuất PLC đều hỗ trợ và cung cấp các công cụ lập trình với Ladder Logic, làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp tự động hóa
3.5.2 Thiết kế giao diện HMI
* Phần mềm thiết kế: GT Designer 3
* Mở phần mềm, tạo project mới và khởi tạo thông số ban đầu
➢ Toàn bộ thông số thiết lập
➢ Sau khi thiết lập thông số kết thúc được màn hình như sau
− Tạo nhiều màn hình (Base Screen)
− Sử dụng lệnh Text trong Figure để viết các tiêu đề, chú thích,
− Sử dụng lệnh Switch trong Object để tạo nút nhấn
➢ Để di chuyển giữa 2 màn hình thông qua nút nhấn, ta sử dụng chế độ Screen Switching Tại Screen No chọn màn hình muốn tới
➢ Đối với những nút nhấn thường ta sử dụng chế độ Bit Momentary (bit tức thời), tại device đặt ô nhớ tương ứng
− Sử dụng lệnh Bit Lamp trong Object để tạo đèn báo
➢ Tại device chọn ô nhớ tương ứng
− Sử dụng lệnh Numerical Display/Input để tạo ô hiển thị hoặc nhập số
➢ Numerical Display: hiển thị số
3.5.3 Tích hợp và kiểm tra hệ thống a) Kiểm tra phần cứng
− Kiểm tra nguồn điện cấp cho các thiết bị: HMI, PLC, cảm biến
− Kiểm tra kết nối truyền thông giữa các driver qua mạng sscnet III
− Kết nối giữa HMI và PLC
− Kết nối nữa các thiết bị đầu vào cho PLC: các nút nhất start, stop, reset b) Kiểm tra qua phần mềm MR Configurator2
MR Configurator2 là phần mềm do Mitsubishi phát triển với mục đích dùng để cấu hình, cài đặt và sửa lỗi trên các sản phẩm Servo Mitsubishi
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Mô hình sẽ gồm có 2 phần chính bao gồm:
− Các thiết bị điều khiển: Q06UDEHCPU, Input module QX40, Output module QY40P, Motion module QD77MS4, Driver MR-J4,
− Động cơ Servo, bàn trượt vitme, HMI GOT2000, nút nhấn, cầu đấu
Mặt bàn có kích thước 800mm*800mm, mặt trong tủ có kích thước 480mm*650mm PLC được lập trình để điều khiển động cơ dẫn động theo phương ngang để cơ cấu có thể di chuyển đến các vị trí cần thiết với tốc độ đặt trước Màn hình giám sát sẽ hiển thị và điều khiển trực tiếp các hoạt động của mô hình
4.1.2 Chi tiết mô hình a) Mặt cơ cấu chấp hành b) Mặt điều khiển
Cài đặt và cấu hình hệ thống
4.2.1 Cài đặt thông số trên Gx Works2
− B1: Tạo project mới và nhập thông số
− B2: Khai báo các địa chỉ đầu vào, ra cho các module
+ Đọc từ bộ điều khiển (Read PLC Data) thông qua cáp truyền thông
− B4: Khai báo thông số module
− Sau khi khai báo, tại project mở phần cài đặt chuyển động
− B5: Tạo project mới và cài thông số module chuyển động
− B6: Tại phần Project mở Intelligent Function Module → 0060:QD77MS4
→ System Setting → System Configuration → click đúp mở cài đặt module
→ cài đặt thông số hoạt động cho module
− B7: Cài thông số cho các trục servo (các trục giống nhau) → mở Servo Parameter
4.2.2 Cài đặt thông số prameter cho các trục servo
Giải thích thông số bên trong Parameter: Ở trong mục này sẽ chứa các thông số cài đặt cơ bản bao gồm Basic parameter 1, Basic parameter 2, Detail prameter 1, Detail parameter 2 Tùy vào nhu cầu sử dụng mà người dùng cài đặt thông số cho phù hợp Thứ nhất, đối với Basic parameter 1 ở mục này sẽ có các thông số như Unit setting (mm/ich/xung/độ) để chọn đơn vị điều khiển động cơ Number Of puses per rotion là số xung cần cấp cho động cơ Servo để quay được một vòng Movement amount per rotation viết tắt là khoảng cách mà động cơ di chuyển khi quay được một vòng Pulse output mode là dạng xung ngõ ra (Pulse/Sign mode, CW/CCW mode, A phase/ B phase)
* Pr.1: Unit setting: chọn đơn vị là 3: pluse
* Pr.2: Độ phân giải của các trục
− Động cơ mã HF-KP có độ phân giải là: 262144 pulse
− Động cơ mã HG-KR có độ phân giải là: 4194304 pulse
− Tốc độ giới hạn có thể tùy chỉnh theo mong muốn: 2000000 p/s
* Pr.12 và Pr.13: Giới hạn trên, dưới
− Trục 1 là hệ trục vitme sử dụng cảm biến để giới hạn trên, dưới nên ta cho 2 giá trị bằng nhau để vô hiệu hóa giới hạn trên phần mềm
− Trục 2 và trục 3 là chuyển động quay tròn, không sử dụng cảm biến nên ta giới hạn bằng phần mềm
− Trục 4 là hệ trục vitme có sử dụng cảm biến giới hạn trên giới hạn dưới, nên ta cho 2 giá trị bằng nhau để vô hiệu hóa giới hạn trên phần mềm
* Pr.17: Giá trị đặt giới hạn của momen đơn vị là % (0-1000%): Chúng ta đặt giới hạn là 500% để động cơ hoạt động được với mức tải có cân nặng mong muốn
* Pr.80: External input signal selection (lựa chọn tín hiệu đầu vào bên ngoài), trong mô hình lựa chọn kết nối qua driver servo sử dụng cáp CN3
* Pr.31: JOG speed limit value (giá trị giới hạn tốc độ JOG), có thể lựa chọn giá trị tùy chỉnh theo ý muốn
* Tại phần cài đặt về gốc: HPR basic parameters (Pr.43 → Pr.48) Trục 1, 4 có sử dụng cảm biến DOG nên ta chọn phương pháp dò gốc
− Pr.46: Cài đặt tốc độ về gốc
− Pr.44: Chọn vị trí đặt cảm biến dog
* Pr 54: Giá trị giới hạn Momen HPR
Chạy thử và kiểm tra hệ thống
4.3.1 Kiểm tra chức năng điều khiển
− Kiểm tra động cơ bằng phần mềm MR Configurator2 → Test Mode
− Lựa chọn chế độ chạy test cho động cơ :
− Thực hiện kiểm tra chức năng bằng các bài toán sau:
+ Bài toán điều khiển vị trí :
− Từ home đến 1 vị trí bất kỳ sau đó gọi home rồi đến vị trí bất kì
− Từ home đến vị trí 1, vị trí 2, vị trí Từ các vị trí có thể đến các vị trí khác không cần về home
− Từ home đến vị trí 1 với tốc độ 1 dừng 3s, đến vị trí 2 với tốc độ 2 dừng 3s , đến vị trí 3 với tốc độ 3 dừng 3s
+ Bài toán điều khiển tốc độ :
− Điều khiển tốc độ động cơ với 3 tốc độ khác nhau,
− Điều khiển tốc độ chạy khác nhau ở những vị trí khác nhau
4.3.2 Kiểm tra giao diện và giám sát trên HMI
− Kiểm tra, chạy thử màn hình giám sát ở những chế độ khác nhau
Hình 4.3 Màn hình chọn chế độ
Hình 4.4 Màn hình riêng từng chế độ.
Đánh giá kết quả
4.4.1 So sánh với yêu cầu kỹ thuật
− Phần cứng chắc chắn, chịu được áp lực khi động cơ Servo quay ở tốc độ cao
− Ít bị ảnh hưởng bới yếu tố bên ngoài
− Kết cấu dễ dàng tháo lắp, an toàn với người vận hành
4.4.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống
− Mô hình hoạt động tốt các chế độ điều khiển vị trí, tốc độ, momen xoắn
− Thực hiện thao tác điều khiển và quan sát dễ dàng trên màn hình HMI và trên mô hình thực tế
− Chức năng lưu giữ thông số khi mất nguồn đột ngột
− Độ chính xác cao: Servo motor cung cấp điều khiển chính xác về vị trí và tốc độ
− Linh hoạt: PLC có thể lập trình để thực hiện nhiều chức năng điều khiển khác nhau
− Dễ dàng bảo trì và mở rộng: Hệ thống có thể dễ dàng điều chỉnh và mở rộng mà không cần thay đổi phần cứng
− Tích hợp tốt: PLC có thể tích hợp với nhiều loại cảm biến và thiết bị điều khiển khác nhau
− Vì là mô hình khá nhỏ nên có thể dễ dàng đưa vào giảng dạy trong trường, cung cấp kiến thức cho cơ bản cho sinh viên về PLC và động cơ servo
− Chưa có chức năng chưa kết hợp nhiều chế độ cùng lúc
− Tính thẩm mỹ chưa cao
− Chi phí lắp đặt mô hình cao
− Việc cài đặt và điều chỉnh khá phức tạp.
