đồ án môn học thiết kế hệ thống điều khiển thiết kế dẫn động cho kho hàng tự động

ể Ở đây sử ụ d ng các thi t bế ị như cảm bi n, ếcông tắc hành trình, encoder, PLC,… để có thể điều khi n, kiể ểm soát được kho hàng.. Em xin cám ơn sự giúp đỡ tận tình, chu đáo, của thầy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CƠ KHÍ

Bộ Môn Cơ Điện Tử

-    -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT K H Ế Ệ THỐNG ĐIỀU KHI N Ể

Nhiệm vụ thi t kế: Thi t k dếếếẫn động cho kho hàng tự ng độ

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Hùng

Sinh viên th c hi n: ự ệ Trần Hoàng Đạt MSSV: 20170683

Hà N i, Tháng 6 ộ năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CƠ KHÍ

Bộ Môn Cơ Điện Tử

-    -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT K H Ế Ệ THỐNG ĐIỀU KHI N Ể

Nhiệm vụ thi t kế: Thi t k dếếếẫn động cho kho hàng tự ng độ

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Hùng

Sinh viên th c hi n: ự ệ Trần Hoàng Đạt MSSV: 20170683

Hà Nội, Tháng 6 năm 2021

Chương 2: Thiết kế h ệ thống điều khiển……… 15

2.1 Tính toán hàm truy n cề ủa động cơ và mô phỏng hàm truy n b ng ề ằ

Matlab Simulink……… … 15

2.2 Thi t k h ế ế ệ thống điều khi n cho các chuyể ển động chính………20

2.3 Sơ đồ thuật toán………20

Chương 3: Lập trình điều khiển PLCvà mô ph ng trên Tiaportalỏ ……… 23

3.1 Lập trình điều khi n trên ể PLC……….…23

3.2 Mô phỏng trên Tiaportal V15……… 33

3.3 Sơ đồ mạch điện……… 33

Chương 4: Kết luận……… 35

Tài li u tham khệ ảo………36

Lời Nói Đầu

Trong th i kì công nghi p hóa, ờ ệ hiện đại hóa ngày nay s n xu t ngày càng phát ả ấtriển, hàng hóa làm ra càng nhiều càng đáp ứng được nhu c u tiêu dùng cho xã ầhội Từ đó nảy sinh ra c n có nh ng kho hàng hiầ ữ ện đại đáp ứng yêu c u s n xuầ ả ất và kh c ph c nh ng h n ch ắ ụ ữ ạ ế những kho hàng cũ Ngày trước, ản ph s ẩm đượ ạo c tra m t cách th công nên vi c mang hàng vào kho hoàn toàn th công d a vào ộ ủ ệ ủ ựsức người là chính và khó qu n lý S ả ự ra đời c a kho hàng t ủ ự động gi i quyả ết được điều đó mà ít sự can thiệp của con người

Tiếp nối đồ án 1 v tài ới đề “thi t k h dế ế ệ ẫn động cho kho hàng tự động” Đồ

án này là thi t k hế ế ệ thống điều khi n ể Ở đây sử ụ d ng các thi t bế ị như cảm bi n, ếcông tắc hành trình, encoder, PLC,… để có thể điều khi n, kiể ểm soát được kho hàng

Em xin cám ơn sự giúp đỡ tận tình, chu đáo, của thầy Nguyễn Thành Hùng, chỉ

bảo, góp ý t ng tu n trong kừ ầ ỳ h c, ọ em đã hoàn thành đồ án ti p theo cế ủa mình Và là hệ thống dẫn động em t thi t k , nên ch c ch n s còn nhi u thi u sót, rự ế ế ắ ắ ẽ ề ế ất mong nhận được sự nhận định, ch b o c a các thỉ ả ủ ầy cô để cho đồ án hoàn thiện chính xác hơn

Hà Nội, Tháng 6, năm 2021Giảng Viên Hướng Dẫn Sinh viên thực hiện

Trần Hoàng Đạt

TS Nguy n Thành Hùng ễ

Hình 1.5 Ngu n t ong 24V 30A ồ ổ ……… 8

Hình 1.6 PLC Siemens S7-200, CPU 226 AC/DC/Rly……… 9

Hình 1.7 Rơ le trung gian……….10

Hình 2.3 Kh o sát hàm truyả ền trên Matlab Simulink………18

Hình 2.4 Động cơ sau khi thêm bộ điều khiển PID……… 19

Hình 2.5 Sơ đồ thu t toánậ ……….……22

Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

1.1 Nguyên lí hoạt động

1.1.1 Giới thi u chung ệ

Hệ thống c khí c b n c a m t ơ ơ ả ủ ộ nhà kho t ự động m t robot ho t ng tlà ộ ạ độ ự động thông qua bộ điều khiển v di chuyà ển theo đường ray mang hàng s p x p vào để ắ ếkho

Số lượng ro t s dbo ử ụng trong m t nhà o ít hay nhi u ộ kh ề hoàn toàn ph thu c vàụ ộ o đặc tính của à kho nh đó.Nếu m t nhà ộ kho tự động c n kh n ng lầ ả ă ưu trữ cao nhưng tốc độ thấp thì s l ng robot ố ượ khôn nhiều và h th ng b ng chuyg ệ ố ă ền không á ph c tqu ứ ạp Nhưng nếu m t nhà o cộ kh ần kh n ng l u ả ă ư trữ cao v i t c ớ ốđộc o thì sca ố lượng robot rấ ớt l n di chuyển ên các ratr y độ ập, theo c l đường cong ho c chuyặ ển ray dẫn n h th ng b ng chuyđế ệ ố ă ền để phân ph i cho các robot ốnày r t ph c t p ấ ứ ạ

Kho hàng tự động g m m t hồ ộ ệ thống đường ray cho robot di chuy n, c nh h ể ạ ệthống kệ hàng Tốc độ di chuyển của robot theo chi u dài tề ối đa là 5 m/p và di chuyển theo chiều cao là 2,8 ps Tm/ ốc độ ấ l y, trả hàng là 8m/p, trọng lượng tối đa của hàng là 30kg

-Các thông s cố ủa hệ thống: 1 Th i h n ph c vờ ạ ụ ụ: 18500 (h) 2 Đặc tính tải trọng: Va đập nhẹ

3 V n t c di chuy n ngang c a xe: 5 (m/ph) ậ ố ể ủ4 V n t c nâng: 2,8 (m/ph) ậ ố

5 V n t c lậ ố ấy hàng: 8 (m/ph)

1.2 Xác định các thành phần của h ệ thống điều khi n ể- Động cơ điện 1 chi u kích t ề ừ độ ậc l p

+ MY1020, 36V

Hình 1.2 Động cơ MI1020

MI1016, 36V +

Hình 1.3 Động cơ MI1016

8

DCM775, 24V +

Hình 1.4 Động cơ DCM775

- Nguồn 1 chiều cấp cho đầu vào của PLC

Hình 1.5 Ngu n t ong 24V 30A ồ ổ

- Khối điều khi n: PLC ể

Hình 1.6 PLC Siemens S7-200, CPU 226 AC/DC/Rly

+ S d ng PLC S7-200, CPU 226 hãng SIEMENS (ử ụ 6ES7216-2AD23-0XB0)

+ Thông s k thu ố ỹ ật:

▪ Nguồn cung c p: 24 VDC ấ▪ Ngõ vào số: 24 DI DC ▪ Ngõ ra số : 16 DO DC ▪ Bộ nhớ chương trình: 24KB ▪ Bộ nhớ dữ liệu: 10KB ▪ 2 PPI/FREEPORT PORTS ▪ Điều khi n PID: Có ể

▪ Phần m m: Step 7 Micro/WIN ề

▪ Thời gian xử lý 1024 lệnh nh phân : 0.37ms ị▪ Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256 ▪ Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz

▪ Bộ đếm lên/xu ng: Có ố▪ Ngắt phần c ng: 4 ứ

▪ Số đầu vào/ra có s n: 24 DI / 16DO ẵ

▪ Số đầu vào / ra s cố ực đại ( nhờ l p ghép thêm Modul s m r ng: ắ ố ở ộDI/DO/MAX: 128 / 120 / 248

(Datasheet: http://it.rs-online.com/webdocs/002d/0900766b8002da3b.pdf)

10 - Rơ le trung gian

Hình 1.7 Rơ le trung gian

Rơle là một lo i thi t b ạ ế ị điện t ng m t n hiự độ à í ệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Dng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo v vệ à điều khi n s l m vi c c a mể ự à ệ ủ ạch điện động l c T c dự ắ ụng điều khiển chiều quay động cơ

- Cảm biến ti m cệ ận Autonics PRDT18-14XO-V

Hình 1.8 C m bi n ti m c n ảếệậ

• Loại dây và nguồn : Loại DC 2 dây 12-24VDC • Đường kính cạnh phát hiện : M18

• Khoảng cách phát hiện : 14mm • Cài đặt : Không có tấm chắn (phẳng)

• Khoảng cách phát hiện tiêu chuẩn : 40×40×1mm(sắt)

• Ngõ ra điều khiển : Thường Mở • Chất liệu : Đồng thau (mạ niken) • Cấu trúc bảo vệ : IP67

- Cảm biến ánh sáng Quang tr ở

Hình 1.9 C m bi n quang tr ảếở

Cảm biến ánh sáng quang tr CDS Light Sensor có tích h p s n opamp và ở ợ ẵbiến trở so sánh m c tín hi u giúp cho việc nh n biết tín hi u tr nên d ứ ệ ậ ệ ở ễdàng, s dử ụng để nhận bi t hay b t t t thiế ậ ắ ết b ị theo cường độ ánh sáng môi trường

- Công t c hành trình ắ

Hình 1.10 Công t c hành trình ắ

12 - Encoder:

+ Tr c Z: Hai công t c hành trình ụ ắ ở 2 đầu

14 Hình 1.14 B trí các thi t b ốế ị

Cảm biến Y0Cảm biến Y1Cảm biến Y2Cảm biến Y3Cảm biến Y4Cảm biến Y5Cảm biến Y6

Cảm biến X1

Công tắc hành trình

Đèn 1 Đèn 2 Đèn 3 Đèn C0

Chương 2: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển

2.1 Tính toán hàm truy n cề ủa động cơ và mô phỏng hàm truy n b ng Matlab ề ằ

Simulink

2.1.1 Hàm truy n cề ủa động cơ

Hình 2.1 Mô hình động cơ 1 chiều có t i [1] ảMomen của động cơ: [2]

Áp d ng biụ ến đổi Laplace ngược cho phương trình (2.3), ( 4): 2.

16 .

(2.7) Từ (2.5) và (.7):

JB là momen quán tính và ma sát của tải.

Với JOlà t ng momen quán tính tr c chính cổ ụ ủa động cơ, BO là tổng ma sát Quan h ệ giữa momen động cơ TOvới v trí tị ải L:

(L s R )(J s B ) k

k nG

(rad/ s) 2600.60

12,3640, 00684.9,554

(0,14s 12)(0, 077s 0, 03) 1,127

19

269, 632

Suy ra hàm truy n cề ủa bộ điều khi n PI: ể

444, 2(s) K i 269, 63

Hình 2.4 Động cơ sau khi thêm bộ điều khiển PID

Từ mô ph ng ta th y rỏ ấ ằng động cơ ổn định sau 0,25s Cải thiện đáng kể so với khi không có bộ điều khi n PID ể

2.2 Thiết k h ế ệ thống điều khiển cho các chuyển động chính

- H ệ thống điều khi n Trể ục X gồm:+ Động cơ điện 1 chi u ề+ Cảm biến quang tr ở X1+ Rơle trung gian

+ Các đèn Laser C0, C1, C2, C3- Hệ thống điều khiển trục Y g m: ồ

+ Động cơ điện 1 chi u ề

+ Cảm biế tiệm cận n Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6 + Rơle trung gian

- Hệ thống điều khiển trục Z g m: ồ+ Động cơ một chiều + 2 Công t c hành trình ắ- Các nút bấm:

+ Nút xuất hàng, nh p hàng ậ+ Các nút chọn hàng và c t ộ

2.3 Sơ đồ thu t toán ậ

Sơ đồ thuật toán bên dưới đây: Khi có tín hiệu từ nút bấm (Nhập hàng hoặc Xuất hàng) hàng i và c t j, các tr c s ở ộ ụ ẽ được chuyển động như hình bên dưới V ới:

X+: Động cơ trục X quay thu n (Ti n t ậ ế ừ chỗ ấ l y hàng vào) X-: Động cơ trục X quay nghịch (Lùi t kho ra ch l y hàng) ừ ỗ ấY+: Động cơ trục Y quay thu n (Nâng lên) ậ

Y-: Động cơ trục Y quay nghịch (H ạ xu ngố ) Z+: Động cơ trục Z quay thuận (Đưa vào) Z-: Động cơ trục Z quay ngh ch (L y ra) ị ấ

21

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán

23

Chương 3: Lập trình điều khiển PLC

và mô ph ng trên Tiaportalỏ

3.1 Lập trình điều khi n trên PLC ể

3.1.1 Phân c ng vào ra ổ- Đầu vào: 19 đầu vào

2 I0.1 Nút ch n Nh p hàng ọ ậ3 I0.2 Nút ch n Xu t hàng ọ ấ4 I0.3 Nút chọn Hàng 1 5 I0.4 Nút ch n Hàng 2 ọ6 I0.5 Nút ch n Hàng 3 ọ7 I0.6 Nút ch n C t 1 ọ ộ8 I0.7 Nút ch n C t 2 ọ ộ9 I1.0 Nút ch n C t 3 ọ ộ10 I1.1 Cảm biến quang tr ở X111 I1.2 Cảm biến ti m cệ ận Y0 12 I1.3 Cảm biến ti m cệ ận Y1 13 I1.4 Cảm biến ti m cệ ận Y2 14 I1.5 Cảm biến ti m cệ ận Y3 15 I1.6 Cảm biến ti m cệ ận Y4 16 I1.7 Cảm biến ti m cệ ận Y5 17 I2.0 Cảm biến ti m cệ ận Y6 18 I2.1 Công t c hành trình K1 ắ19 I2.2 Công t c hành trình K2 ắ

Bảng 3.1 Đầu vào PLC

Bảng 3.2 Đầu PLCra

3.1.2 Chương trình PLC

Chương trình PLC viết trên Tiaportal V16

25

27

29

31

Hình 3.1 M t vài Network trong cộhương trình PLC

33

3.2 Mô ph ng trên Tiaportal V16 ỏ

Hình 3.2 Giao di n TiaPortal ệ

3.3 Sơ đồ ạch điệ mn

35

Chương 4: Kết Luận

Sau 1 h c k ọ ỳ làm đồ án này, em đã rút ra được nhiều ki n th c vế ứ ề điều khi n mể ột hệ thống tự động Tính toán l a chự ọn động cơ ph hợp, thi t k bế ế ộ điều khiển PID, l p mậ ột sơ đồ thuật toán hoàn ch nh, mô ph ng hoỉ ỏ ạt động, ki m tra và chể ỉnh sửa

Mặc d đã cố gắng tìm hiểu và thực hiện song do kiến thức của em còn hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót Em kính mong thầy cô góp ý để đề tài này được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin gửi l i cờ ảm ơn chân thành nhất đến sự giúp đỡ tận tình của các th y cô trong b môn ầ ộ Cơ Điện Tử , và nhất là sự hướng d n, ch b o nhiẫ ỉ ả ệt tình từ thầy giáo Nguyễn Thành Hùng đã giúp chúng em nắm rõ được các yêu cầu để hoàn thành đồ án này