Với đề tài “ Thiết kế và điều khiển xe AGV sử dụng bộ điều khiển PLC” em nhận thấy các vấn để cần được giải quyết trong quá trình thiết kế; về phần thiết kế cơ khí, làm sao để tối ưu được hệ khung của xe cùng như hệ thống bánh chuyển động để đảm bảo độ ổn định trong quá trình di chuyển; về phần hệ thống điện cho cho xe, em cần phải tính toán thiết kê đường dầy điện, nguồn điện sao cho các thiết bị điện trên xe hoạt động an toàn; về phần lập trình PLC cho chương trình điều khiển, cần lập trình sao cho xe nhập biết được đường đi đã được thiết kế, đi đúng theo đường đi với tốc độ cho ổn định. Ban ban đầu, em thiết kế mô hình xe bằng phần mền SOLIDWORKS, tiến hành gia công lắp đặt hình thực tế, lắp đặt hệ thống điện cho xe, sử dụng phần mềm GX WORKS để lập trình điều khiển cho xe. Kết quả thực nghiệm mô hình xe khả quan nhưng vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế. Vì vậy em có hướng phát triển đề tài bằng việc sử dụng các thiết bị chất lượng hơn nhằm nâng cao độ chính xác của mô hình. Qua đề tài này em đã học thêm được nhiều kiến thức và áp dụng kiến thức vào thực tế.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sơ lược về sự phát triển của xe tự hành (AGV)
Năm 1953, Arthur “MAC” Barett chế tạo ra phượng tiện không người lái đầu tiên và đặt tên là “Guide-O-Matic” Guide-O-Matic sử dụng 1 sợi dây dẫn gắn trên trần nhà để định hướng di chuyển Sau này xe tự hành được đổi tên thành AGV và người ta công nhận Arthur “MAC” Barett là cha đẻ của chúng
Năm 1954, xe tự hành AGV đầu tiên được sử dụng trong công việc vận chuyển trong nhà kho hàng hóa tại Mỹ Xe tự hành AGV đã giúp cho giải phỏng sức lao động, quy chuẩn hóa dây truyền sản xuất Chính vì thế, xe tự hành AGV đã làm thay đổi cục diện ngành công nghiệp sản xuất Các công ty đã bắt đầu có những thay đổi trong quy trình sản xuất để phù hợp với việc ứng dụng xe tự hành AGV
Năm 1973, công ty lắp ráp ô tô Volvo của Thụy Điển triển khai ứng dụng hệ thống xe tự hành AGV Họ đã sử dụng xe tự hành AGV được điều khiển bằng máy tính để thay thế cho dây truyền lắp ráp truyền thống
Hiện nay, xe tự hành AGV có những bước cải tiến mới: tạm dừng, đảo chiều chuyển động, thay thế dây dẫn hướng bằng sóng vô tuyến, vạch kẻ từ, sử dụng radar để quét đường đi… Hệ thống xe AGV này đã được nhiều công ty sản xuất ứng dụng rộng rãi trong dây truyền của mình
Một số hình ảnh về lịch sử phát triển của xe AGV:
Hình 2.1:Mô hình xe tự hành AGV đầu tiền
Hình 2.2: Mô hình xe tự hành (AGV) hiện nay
Cơ sở phát triển đề tài
Về cơ bản, mô hình xe tự hành (AGV) này dùng để phục vụ cho một hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng cho công việc vận chuyện nguyên vật liệu trong nhà máy Mô hình xe tự hành sẽ được điều khiển hoàn toàn tự động dựa trên chương trình đã được thiết kế Sử dụng bộ điều khiển PLC thuận tiện cho việc lắp đặt, bảo trì và tìm lỗi, thuận tiện cho việc nắm bắt chương trình đã được phát triển và thay đổi chương trình một cách thuận tiện hơn so với việc sử dụng vi điều khiển PLC sẽ điều khiển xe tự hành AGV thông qua việc tương tác với các cảm biến và motor động lực Phương thức lập trình theo lược đồ Ladder được thiết kế để phù hợp với lộ trình của xe tự hành (AGV) và có thế chỉnh sử dễ dàng nếu có yêu cầu thay đổi lộ trình.
Tổng quan hệ thống
Chức năng của các khối:
• Xe tự hành (AGV): Trong qua trình di chuyển làm việc, xe tự hành sẽ liên tục gặp các thay đổi vật lý của môi trường
• Các cảm biến: Tiếp nhận các kích thích vật lý, chuyển đổi thành tín hiệu điện, đưa về bộ điều khiển PLC để phân tích
• Bộ điều khiển PLC: Tiếp nhận tín hiện từ các cảm biến, từ đó đưa ra các lệnh đầu ra cho hai động cơ
• Hệ thống động cơ: Nguồn cung cấp động lực để xe tự hành AGV di chuyển theo tín hiệu đưa ra từ bộ điều khiển PLC
Hình 2.3: Sơ đồ khối chức năng
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Kết cấu cơ khí
Thiết kế phần cơ khí trên Solidwork
Thiết kế khung cho xe tự hành AGV có kích thước: 420 x 310 x 100 mm
• Được gia công băng thép hộp có thông số 14 x 14 mm
• Tấm bẳng điện sử dụng chất liệp Phíp, kích thước 380 x 300 mm
Hình 3.2: Bố trí bảng điện bên trong xe và gầm xe
• Mô hình thiết kế sơ bộ
Hình 3.3: Mô hình thiết kế 3D
Giới thiệu về PLC
Các cơ cấu máy nguyên sơ được điều khiển phần lớn bằng các cơ cấu cơ khí như cam, bánh răng, hộp số… Các hệ thống máy móc hiện đại ngày càng phức tạp, vậy nên cần một hệ thống điều khiển tiên tiến hơn Hệ thống điều khiển thông qua role được phát triển, được ứng dụng rộng rãi để điều khiển Logic cho các hệ thống máy Hệ thống điều khiển này chỉ phù hợp với những hệ thống máy không cần thay đổi hay điều chỉnh chương trình hoạt động Nhưng, với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, các sản phẩm liên tục được phát triển, thay đổi, cải tiến, đòi hỏi sự phát triển của hệ thống điều khiển Lý do cho vấn đề này là do việc sửa chữa và thay thế hệ thống relay vật lý và các công tắc logic rất khó khắn và tốn nhiều thời gian Vậy nên, dẫn đến sự phát minh ra Programmable Logic Controller (PLC)- Hệ thống lập trình điều khiển logic
Hệ thống lập trình điều khiển logic là một khối thống nhất được thiết kế để đảm nhiệm các vai trò điều khiển logic, các chức năng điều khiển ví dụ như điều khiển tuần tự, bộ đếm thời gian, bộ đếm, các thuật toán được ứng dụng trong điều khiển hệ thống máy móc và các quá trình cái mà trước đây thường được các relay vật lý đảm nhiệm PLC được vận hành bởi các chỉ dẫn do các nguồn tín hiệu đầu vào của các thiết bị ví dụ như nút bấm, công tắc,cảm biến và các thiết bị khác dùng để phát hiện những điều khiện vận hành của thiết bị, và các thiết bị đầu ra chất hành hiệu lệnh ví dụ như vạn điện từ, van khí nén, động cơ điện, các tín hiệu chỉ dẫn ví dụ như đèn tháp, còi báo, đèn tín hiệu… Sự chuyển hóa tín hiệu ra lệnh cho các thiết bị chấp hành dựa trên các tín hiệu đầu vào được xác định thông qua chương trình được thiết lập trên PLC Nhưng thiết bị có công suất nhỏ như van điện từ, đèn báo có thể được điều khiển trực tiếp thông qua PLC Tuy nhiên, đối với những thiết bị công suất lớn ví dụ như động cơ 3 pha, van điện từ công suất lớn… thì cần sử dụng relay trung gian Relay trung gian được cài đặt trên bảng điện cùng với PLC nhằm mục đích an toàn PLC đóng một vai trò quan trọng giống như bộ não của một hệ thống điều khiển tự động
• Các thành phần chính của một bộ điều khiển PLC:
- Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM
- Bộ xử lý trung tâm CPU
- Module input/output Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu mở rộng I/O có thể lắp module I/O
- 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…
Hình 3.4 Các thành phần chính của PLC
• Các dạng PLC Có 2 dạng PLC cơ bản là Intergated PLC và Modular PLC
- Intergated PLC bao gồm CPU, Bộ cấp nguồn, I/O modules trong một bộ khung Một số dòng intergated PLC có thể mở rộng để có thêm I/O modules thông qua các Socket mở rộng
- Modular PLC bao gồm CPU Module, bộ cấp nguồn, và I/O module, được trang bị riêng biệt Nó có thể được chia ra các loại từ nhỏ, trung bình, lớn, tùy theo thông số cấp nguồn cho CPU và dung lượng bộ nhớ của CPU
• Lập trình trong PLC Sơ đồ Ladder là một dạng mô phỏng chương trình của PLC Nó liên quan đến kỹ thuật lập trình cơ bản để phát triển chương trình diễn tả lại hoạt động logic cơ bản ví dụ như AND, OR, NAND, NOR Một mạch điện cơ bản có thể được mô tả lại thông qua sơ đồ Ladder Lập trình sơ đồ Ladder tương đương với việc vẽ một mạch chuyển vòng
Sơ đồ mạch thể hiện sự liên hệ giữa các thiết bị điện vật lý trong mạch và cách chúng được liên kết với nhau Với sơ đồ Ladder, nó sẽ không chú trọng đến việc diễn tả cụ thể các thiết bị điện vật lý, thay vào đó sẽ là cách điều khiển chúng Một sơ đồ Ladder sẽ bao gồm các thanh ngang ở giữa hai thanh ray cấp nguồn thẳng đứng Ở mỗi thanh ngang chứa những thành phần chỉ dẫn, nó kiểm tra các Bits nhớ đầu vào và điều khiển ít nhất một thành phần đầu ra Mỗi thanh ngang sẽ bảo gồm một hoặc nhiều Bits đầu vào và ít nhất một thành phần đầu ra
Hình 3.7: Minh họa về phần lập trình
• PLC Mitsubishi PLC Mitsubishi là một trong các dòng PLC đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam, được sản xuất bởi tập đoàn Mitsubishi Electric (Nhật Bản) Mitsubishi Electric là một nhà sản xuất tự động hóa công nghiệp (FA) toàn diện trên tất cả lĩnh vực sản xuất từ bộ điều khiển đến thiết bị điều khiển truyền động, thiết bị điều khiển phân phối điện và cơ điện tử công nghiệp Cùng với việc phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu của khách hàng, Mitsubishi
9 Electric sử dụng kỹ thuật tiên tiến để cung cấp các giải pháp FA đáng tin cậy với một tầm nhìn hướng đến những thế hệ mới trong sản xuất.
Bộ PLC được sử dụng trong đề tài này đó là Mitsubishi FX3G-
60MT-DS Dưới đây là hình ảnh của thiết bị và các thống số cơ bản được trình bày trong bảng
Hình 3.9: PLC FX3G-60MT/DS Bảng 3.1: Thông số cơ bản của PLC
Tên bộ điều khiển FX3G-60MT/DS
Kiểu dòng điện DC Điện áp cung cấp (V) 24 V
Dung lượng chương trình 32K STEPS Đơn vị bộ nhớ EEPROM
Số lượng cổng đầu ra 24 Định dạng cổng ra Transistor(Sink)
Khả năng mở rộng Có
PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH ĐỒ ÁN
Các bước tiến hành
• Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết ( AGV/ AGV system and PLC)
• Bước 2: Tìm hiểu các thiết bị phần cứng cần thiết.Dựa trên các lý thuyết để tìm hiểu những thiết bị cơ bản cũng như là bộ điều khiển PLC
• Bước 3: Thiết kế sơ bộ mô hình xe AGV, đo đạc kích thước, tạp bản vẽ sơ bộ
• Bước 4: Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ
• Bước 5: Thiết kế đường ray cho xe
• Bước 6: Thiết kế chương trình PLC
- Nghiên cứu thiết kế chương trình để AGV có thể bám theo đường đã định ( Có khả năng đi tiến, lùi, rẽ trái phải, dừng lại ở các trạm đã được thiết kế) tránh va chạm khi có vật cản
- Vẽ lưu đồ hoạt động mô tả hoạt động - Sắp xếp các biến input và thiết bị output cần thiết và các địa chỉ ứng với mỗi thiết bị
- Từ lưu đồ hoạt động, thiết kế sơ dồ Ladder cùng với các input và output
- Kiểm tra kết quả và chỉnh sửa
• Bước 7: Chạy thử chương trình trên bộ kit PLC
• Bước 8: Dựng mô hình và đường chạy cho xe AGV
• Bước 9: Thiết lập các giao tiếp giữa PLC và các thiết bị đầu vào và đầu ra
• Bước 10: Kiểm tra và chạy thử AGV
• Bước 11: Hiệu chỉnh Lưu đồ thiết kế
Nghiên cứu lý thuyết về AGV và PLC
Dựa trên lý thuyết, tìm hiểu các thiết bị phần cứng cần thiết
12 Mua các thiết bị phần cứng cần thiết
Thiết kế sơ bộ mô hình xe
Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ
Thiết kế chương trình chạy cho xe
Kiểm tra và chạy thử chương trình trên bộ kit PLC
Kiểm tra tính thỏa mãn của chương trình đối với yêu cầu
Xây dựng nguyên mẫu, chương trình và đường chạy cho xe
Kết nối các thiết bị đầu vào và đầu ra với PLC Sửa lỗi
Công cụ vật tư cần thiết
Bảng 4.1: Danh sách công cụ, vật tư cần thiết
STT Tên vật tư SL
1 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi
3 Cảm biến phát hiện kim loại tiệm cận
4 Cảm biến quang khoảng cách 3
9 Bulong và ốc vít các loại
11 Các loại nút nhấn và đèn chỉ thị
Kiểm tra và chạy thử xe AGV
Kiểm tra tính thỏa mãn và ổn định của xe
16 Mạch Logic 74HC04 và 74HC
Xây dựng mô hình
Khung của xe được gia công bằng thép hộp 14mmx14mm, được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn Các kích thước được cắt và hàn dựa trên kích thước của bản vẽ 3D sơ bộ
Việc lựa chọn động cơ đóng vai trò quan trọng cho việc vận hành của xe Mô loại động cơ thông thường như BLDC, DC, STEP, SERVO Trên phương diện lựa chọn cho xe tự hành AGV thì có hai loại được sử dụng nhiều nhất đó là DC và BLDC Đối với động cơ DC thì tốc độ chậm, momen cho ra lớn, giá thành rẻ Đối với BLDC thì tốc độ và momen ổn định trong một khoảng vận tốc, cho ra chuyển động chính xác hơn, nhưng giá thành cao.Về kích thước thì độgn cơ DC nhỏ hơn so với BLDC
Hình 4.1: Biểu đồ Momen và tốc độ
Với những yêu tố đã nêu ở trên, trong đồ án này, em xin được sử dụng 2 động cơ DC có thông số như sau
Bảng 4.2: Thông số động cơ DC
Trọng lượng 315 gram Đường kính trục động cơ 6 mm Điện áp hoạt động 12-24V Tốc độ đầu ra 98 RPM tại 24V, 0.05 A
Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC
Có một vài cách có thể sử dụng để điều khiển chiều quay của động cơ DC để quay thuận và quay ngược Trong đó có cách sử dụng công tắc, relay và mạch cầu H tích hợp IC chức năng Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển chiều quay của động cơ DC là việc thay đổi chiều của dòng điện đi qua động cơ từ đó thay đổi chiều quay Hai cách sử dụng công tắc và relay là tương tự nhau, đều có khả năng thay đổi chiều quay của động cơ, nhưng nhược điểm là không thể tùy chỉnh tốc độ Cách sử dụng Mạch cầu H cùng với các IC chức năng giúp cho động cơ có thể đảo chiều dễ dàng, cùng với đó là khả năng tùy chỉnh tốc độ riêng biệt cho từng động cơ nhờ có lệch phát xung tốc độ cao của PLC Ý tưởng bản đầu để xe AGV có thể rẽ trái hoặc phải đó là việc làm đồng thời làm cho 1 bên động cơ quay chậm lại hoặc dừng quay, còn động cơ bên còn lại giữa nguyên tốc độ Để đặt được được mục tiêu đó, ta tận dụng đầu ra Transitor của PLC để dùng lệnh phát xung PWM(Pulse Width Modulation) cùng với mạch IC LOGIC tín hiệu và mạch điều khiển động cơ L298N, điều này giúp cho ta có thể thay đổi dễ dàng điện áp của mỗi động cơ và chiều dòng điện đi qua động cơ
• PWM ( Pulse Width Moduation) PWM (Pulse Width Modulation) có nghĩa là phương pháp điều chỉnh độ rộng xung từ đó thay đổi điện áp ra tải,hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất là điều khiển động cơ, các bộ xung áp, điều áp… Sử dụng PWM điều khiể độ nhanh chậm của động cơ và dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ của động cơ
Trong PLC Mitsubishi thì xung PWM được thể hiệu như sau:
Hình 4.3: Mô tả câu lệnh
Một dải xung liên tục sẽ được xuất ra thông qua thanh ghi D khi câu lệnh được thực thi Các thành phần trong câu lệnh được diễn giải như sau: S2 biểu thị khoảng cách giữa 2 xung gần nhất, tính theo đơn vị (msec), S1 biểu thị thời gian một xung hoạt động
Thông qua tính toán Duty cycle có thể dễ dàng được tính thông qua việc chia S2 cho S1 Vậy nên, giá trị của S1 không thể lớn hơn giá trị của S2, bởi vì thời gian hoạt động của một xung không thể lớn hơn khoảng cách giữa hai xung, nếu điều đó xảy ra thì xung thứ hai sẽ bắt đầu khi xung thứ nhất chưa kết thúc điều đó sẽ dẫn đến lỗi chương trình
Vì bản chất đòi hỏi đầu ra tốc độ cao, vậy nên đầu ra transistor nên được sử dụng cho câu lệnh này Đầu ra Relay sẽ bị giảm tuổi thọ và sẽ có những sai số do tiếp điểm cơ khí của nó nếu như được áp dụng câu lệnh này
Công thức tính điện áp đầu ra cho động cơ như sau:
Hình 4.4: Hướng dẫn từ nhà sản xuất
17 Công thức tính hiệu điện thế đầu ra cho động cơ, thông qua mạch điều khiển:
Với các đại lượng: e m : Hiệu điện thế đầu ra cho động cơ (V)
E: Hiệu điện thế đầu vào tối đa cho mạch điều khiển (V) t: độ dài của xung (ms)
T 0: Chu kỳ của xung (ms)
• Mạch điều khiển động cơ Để có điều khiển đồng bộ tốc độ của hai động cơ, ta cần sử dụng kết hợp giữa mạch tín hiệu Logic và mạch điều khiển động cơ L298N
Ta có sơ đồ kết nối như sau:
Về mạch Logic điều khiển động cơ, ta sử dụng kết hợp 2 IC tín hiệu là 74HC04 và 74HC08 a IC 74HC04:
74HC04 cung cấp 6 đầu ra tín hiệu NOT độc lập Thiết bị hoạt động trong dải điện áp từ 2.0V đến 6.0V
Ta có ký hiệu Boolean của thiết bị như sau:
Sơ đồ chân của IC:
Hình 4.6: sơ đồ chân IC
Bảng mô tả chức năng chân:
Bảng 4.3: Bảng mô tả chân
Số chân Tên của chân Chức năng
Hình 4.7: Lược đồ logic Bảng 4.4: Bảng mô tả chức năng IC
Bảng 4.5: Thông số làm việc khuyến nghị
Ký hiệu Tên gọi Điều kiện Min Max Đơn vị
V I Điện áp đầu vào 0 V CC V
V O Điện áp đầu ra 0 V CC V t V
Tốc độ tăng giảm của chuyển tiếp đầu vào
IC74HC08 cung cấp 4 cổng 2-input AND với đầu ra push-pull tiêu chuẩn
Thiết bị hoạt động trong dải điện áp từ 2.0V đến 6.0V
Ký hiệu Boolean của thiết bị:
Hình 4.8: Sơ đồ chân của IC
Bảng mô tả chức năng các chân:
Bảng 4.6: Bảng mô tả chức năng các chân
Số chân Tên của chân Chức năng
Bảng chức năng của IC:
Bảng 4.7:Bảng chức năng của IC
Bảng thông số làm việc khuyến nghị:
Bảng 4.8: Bảng thông số làm việc khuyến nghị:
22 c Mạch điều khiển động cơ L298N
- Module L298 có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước, có 4 lỗ nằm ở 4 góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí của module
- Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt 2A IC L298N được gắn với các đi ốt trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/tắt động cơ
- Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H - Điện áp điều khiển : +5V ~ +24 V - Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A - Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V ~ +7 V
Ký hiệu Tên gọi Điều kiện Min Max Đơn vị
V I Điện áp đầu vào 0 V CC V
V O Điện áp đầu ra 0 V CC V t V
Tốc độ tăng giảm của chuyển tiếp đầu vào
23 - Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36mA
- Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C) - Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130
- IC L298N là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áp làm tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…
- Chức năng các chân của L298
+ 4 chân INPUT: INA, INB, INC, IND được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển
+ 4 chân OUTUT: OUTA, OUTB, OUTC, OUTD (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ
+ Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động Điền khiển chiều quay của động cơ:
+ Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào
+ INTA = 1; INTB = 0: Động cơ quay thuận
+ INTA = 0; INTB = 1: Động cơ quay nghịch
+ INTA = INTB: Động cơ dùng ngay tức thì
Với ENB cũng tương tự với INTC, INTD
Bảng 4.9: Bảng trạng thái tín hiệu qua mạch logic
Thông qua đặc tính của các phần tử trong mạch Logic ta có thể điều khiển động cơ DC thông qua xung PWM, từ đó dễ dàng điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ
Các cảm biến sử dụng trên xe a Cảm biến tiệm cận SICK GTB6-N1211
24 Cảm biến SICK GTB6-N1211 có thông số cơ bản như sau:
- Chủng loại thiết bị: Cảm biến quang thu phát chung - Nguyên lý hoạt động: Cảm biến quan điện tiệm cận
- Phạm vi cảm biến tối đa: 5mm-250mm - Phạm vi cảm biến: 35mm-140mm - Thông số về tia sáng:
+ Nguồn sáng: PinPoint LED + Kiểu tia sáng: Tia sáng đỏ có thể nhìn thấy
+ Kích thước tia sáng tại khoảng cách: 6mm tại 100mm
+ Bước sóng của LED: 650nm - Tùy chỉnh bằng vít cơ khí
- Nguyền cung cấp: 10V DC….30V DC - Hệ số gợn sóng: 10%
- Cường độ dòng điện tiêu thụ: 30 mA - Cấp bảo vệ: III
- Kiểu cảm biến: NPN - Tín hiệu hiệu điện thế NPN HIGH/LOW: xấp xỉ Vs/ < 3 V - Cường độ dòng điện đầu ra I max 100 mA
- Tần số đóng ngắt: 1000 Hz - Kiểu Switching: Light/dark switching
Hình 4.11: Cảm biến SICK GTB6 N1211 b Cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/BX Cảm biến LJ12A3-4-Z/BX có thông số kỹ thuật như sau:
- Tên model: LJ12A3-4-Z/BX - Đầu ra: NPN, 3 dây, NO (Thường mở)
25 - Điện áp hoạt động: 6V DC -30V DC
- Cường độ dòng điện đầu ra: 300mA (Sink) - Kích thước: đường kính 12mm, chiều dài 64mm - Khoảng nhận tín hiệu tổi đa: 4mm
- Vật liệu nhận biết: kim loại ( đồng, sắt, nhôm )
Hình 4.12: Cảm biến tiệm cận kim loại
Hình 4.13: Sơ đồ đấu nối của cảm biến
Thiết bị chỉ thị, báo hiệu đầu ra
Mô hình xe AGV sử dụng các đèn báo và còi báo để thông báo trạng thái hạt động của thiết bị
• Hệ thống đèn chỉ thị Đèn START: báo hiệu xe bắt đầu vào trạng thái hoạt động
26 Đèn RUN: xe đang di chuyển, lúc đó đèn sẽ chớp liên tục Đèn STOP: sáng lên khi xe dừng lại Đồng hồ: báo dung lượng pin và hiệu điện thế của pin
Pin sử dụng cho xe là pin mã 6S 2P, với thông số như sau:
• Jack sử dụng: DC 55x21mm cho cả nạp và xả
• Quy cách: 1 pack 6 cell pin 18650 3.7-4.2V nối tiếp
Sơ đồ điện của xe
Qua quá trình nghiên cứu thông số các linh kiện và thông qua các thử nghiệm thì ta đã thiết lập được sơ đồ kết nối các phần tử điện của xe AGV như sau:
• Sơ đồ kết nối tổng quan các thiết bị với nguồn điện là pin 24V
• Sơ đồ kết nối đầu vào của PLC: Với mô hình xe AGV, những thiết bị đầu vào gồm có cảm biến tiệm cận kim loại, cảm biến quan phát hiện vật cản, các nút nhấn START, STOP, TIẾN, LÙI Việc giao tiếp các đầu vào không sử dụng bất kỳ một thiết bị kết nối đặc biệt nào Nó chỉ sử dụng kết nối sẵn có của PLC Các đấu nối các cảm biến và nút nhấn được trình bày cụ thể thông qua hình ảnh
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Phân tích về mô hình
Việc phát triển thiết kế của xe tự hành AGV đã được giải thích từ phần trên
Trong hệ thống sản xuất công nghiệp đời hỏi có nhiều hơn 1 xe AGV để thực hiện các tác vụ Nó phụ thuộc vào quy mô sản xuất và thiết kế đường đi cho xe
Vậy nên, việc thiết kế đường đi cho xe cũng đóng vai trò quan trọng cho việc hoạt động hiệu quả của xe AGV, việc thiết kế đường đi cho xe còn phụ thuộc nhiều vào sự bố trí thiết bị và hành lang đi lại trong môi trường nhà xưởng
Ta có sơ đồ đường đi được thiết kế cho xe AGV như sau Trên đường đi được đánh dấu 5 trạm dừng cho xe và thời gian dừng lại, việc thay đổi số lượng trạm dùng và thời gian dừng lại ở mỗi trạm được thiết lập dễ dàng thông qua phần lập trình Ladder của xe
Tiến trình hoạt động của xe như sau: Bằng các thao tác trên bảng điều khiển, xe sẽ bắt đầu hoạt động, di chuyển theo lộ trình của băng từ được dựng sẵn Khi xe đi đến vị trí trạm dừng, được tạo ra bằng cách dán một dải băng từ ngang, sao cho kích hoạt đồng thời 4 cảm biến kim loại ở đầu xe, lúc này xe sẽ dừng lại trong 20 s để thực hiện các công việc tại trạm, sau 20 s thì xe sẽ tiếp tục di chuyển Qúa trình này sẽ được thực hiện trong vòng 5 trạm, và khi di chuyển hết 5 trạm thì sẽ kết thúc một vòng vận hàng của xe, lúc này xe sẽ dừng lại chờ hiệu lệnh từ người sử dụng Khi có chướng ngại vật trang đường đi của xe, xe sẽ dừng lại và cói báo sẽ hoạt động để người sử dụng tiến hàng dọn đường đi, sau khi trướng ngại vật được dọn thì xe sẽ tiếp tục lộ trình
Hình 5.1: Đường chạy của xe
Hình 5.2: Lưu đồ điều khiển xe
Ta có bảng: Tổng hợp các trạng thái của cảm biến kim loại từ đó xuất ra tín hiệu thích hợp để điều hướng cho xe AGV đi đứng theo lộ trình đã được vạch ra
Bảng 5.1: Bảng trạng thái tín hiệu ứng với hành động
Cảm biến trái Cảm biến trái giữa
Cảm biến phải giữa Cảm biến phải Hành động
Phần tử vào ra
Bảng 5.2: Bảng phần tử vào ra
Input Mô tả Output Mô tả
Lập trình tốc độ động cơ
Dựa trên hướng dẫn của nhà sản xuất và qua các thử nghiệp ta có thể thiết lập mức tốc độ dựa trên hiệu điện thế đầu ra cho động cơ như sau: Đi thẳng: Động cơ 1: 15V; Động cơ 2: 15V
Rẽ mức nhẹ: Động cơ 1: 15V; Động cơ 2: 12V ( tùy thuộc vào việc rẽ trái hay phải mà con số có thể đảo lại)
Rẽ hoàn toàn: Động cơ 1: 12V; Động cơ 2: 0V ( tùy thuộc vào việc rẽ trái hay phải mà con số có thể đảo lại)
Hình ảnh thực tế
Sau quá trình lắp ráp gia công, ta có sản phẩm cuổi như sau
Hình 5.3: Mô hình được lắp ráp hoàn chỉnh
Khung xe được hàn từ thép ống 14 x 14 mm, thân xe sử dụng phíp tấm dày 3mm, được cắt và ghép lại bằng đinh vít
Hình 5.5: Khung và gầm xe
Mạch điều khiển động cơ
Dựa vào sơ đồ mạch đã thiết kế ở trên, mạch điều khiển động cơ đã được gia công hoàn chỉnh, và được kết nối với nguồn điện, động cơ, PLC
Hình 5.6: Hệ thống điện bên trong xe
Giao tiếp các thiết bị đầu vào của PLC
Các đầu vào của xe AGV là cảm biến kim loại, cảm biến quan khoảng cách, nút START, nút STOP, nút TIẾN, nút LÙI Cảm biến kim loại được nối trực tiếp với PLC vì đây là cảm biến công nghiệp nên không có vấn đề gì xảy ra khi kết nối trực tiếp Tương tự với cảm biến quang khoảng cách, cũng được kết nối trực tiếp với
PLC Các nút ấn được kết nối trực tiếp với với PLC vì chúng chỉ là những công tắc đơn thuần, chỉ đưa ra tin hiệu khi cần thiết Việc kết nối dây cho nút nhấn gồm có một dây kết nối với nguồn điện và dây còn lại kết nối với PLC
Stop LED Nút stop Run LED
Giao tiếp các thiết bị đầu ra với PLC
Các thiết bị đầu ra của xe AGV là hai động cơ DC và hệ thống đèn và còi báo Hai động cơ được gắn hai bánh trái và phải Động cơ không được kết nối trực tiếp với PLC, vì như thế nó chỉ có thể di chuyển theo một chiều Vây nên, sử dụng mạch mạch điều khiển độgn cơ để nó có thể quay đảo chiều khi chương trình PLC yêu cầu Tín hiệu để vận hành 2 động cơ gồm có tín hiệu từ hai chân phát xung Y00 và Y02, tín hiệu đảo chiều Y04, Y05, Y06,Y07 Khi có tín hiệu điều khiển động cơ bên phải thì Y00 Y04 sẽ đưa ra tín hiệu, tín hiệu đi qua mạch Logic rồi đưa đến mạch
Driver L298N, Khi có tín hiệu điều khiển động cơ bên trái thì Y02 Y06 sẽ thực hiệu quá trình tương tự như đã nói ở trên để điều khiển động cơ bên trái.(điều khiển động cơ đảo chiều cũng diễn ra tương tự)
Kiểm tra và hiệu chỉnh
Đường chạy thử của xe là đường khép kín bao gồm các đường thẳng, các đường cua vòng cung, các trạm dừng đỗ Thông thường, trong quá trình di chuyển thì xe có xu hướng đi ra khoải quỹ đạo vạch kim loại đã được vạch ra, lúc này thì việc có thể tùy chỉnh tốc độ cho từ bánh phát huy tác dụng, thông qua dãy cảm biến kim loại được bố trí ở đầu xe, ở mỗi cảm biến thì sẽ cho ra một tốc độ quay nhất định cho bánh xe, sao cho xe luôn di chuyển chính giữa vạch kim loại Để tối ưu cho việc duy chuyển chính xác mượt mà cho xe thì các vạch kẻ kim loại được thiết kế để phù hợp với khoảng phát hiện của các cảm biến kim loại
Một vòng làm việc của xe sẽ đi qua 5 trạm dừng, ở mỗi trạm dừng xe sẽ phát ra tiếng còi báo hiệu, và sau 20 giây tại mỗi trạm thì xe tiếp tục di chuyển đến trạm tiếp theo, cho đến khi đi đến trạm thứ 5, xe sẽ báo hiệu để người sử dụng có thể biết để chọn cế độ cho xe,có thể tiếp tục chạy tiến cho vòng tiếp theo hoặc chạy lùi lại về lại điểm xuất phát.
Các tính năng an toàn
Trong quá trình vận hành, có 2 tính năng an toàn được thiết lập Nhũng tính năng đảm bảo an toàn cho người vận hàng và đảm bảo an toàn cho các thiết bị phần cứng
Nút dừng này dừng toàn bộ hệ thống khi xe AGV vận hành không đúng với thiết kế, khi toàn bộ xe sẽ dừng lại nhưng vẫn nguồn điện không bị ngắt, khác với việc ngắt nguồn điện của xe
Nút STOP là một phần tử thường đóng, khi đó nó sẽ ngắt toàn bộ tín hiệu cấp cho đầu ra là hai động cơ DC sẽ bị dừng lại và xe AGV sẽ dừng lại
Tránh va chạm vật cản
Tính năng an toàn tiếp theo là tránh va chạm vật cản Với tính năng này tận dúng khả năng phát hiện vật cản trong phạm vi cài đặt của các cảm biến quang khoảng cách được bố trí đầu và cuối xe Khi có vật cản trong khoảng cài đặt của cảm biến, thì cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu về PLC Dựa trên lược đồ Ladder, còi báo sẽ kêu
35 và xe sẽ dừng lại, cho đến khi vật cản được di chuyển khỏi khu vực đừng đi của xe, sau khi vật cản được di rời khỏi đường đi của xe thì xe sẽ dừng lại một thời gian ngắn trước khi tiếp tục làm việc
KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN
Kết luận chung
Qua một thời gian học tập và nghiên cứu, sinh viên đã hoàn thành báo cáo nghiên cứu của mình Nội dung chính là xây dựng mô hình xe tự hành AGV ứng dụng bộ điều khiển PLC Theo nội dung trên, em đã thu được những kết quả như sau:
• Xây dựng được mô hình xe tự hành AGV
• Tìm hiều về thông số các thiết bị từ đóa đưa ra nhưng thiết kế phù hợp
• Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình trong PLC
• Dựa trên nguyên lý hoạt động của xe để tiến hành lập trình chương trình hoạt động
• Tiến hành hiệu chỉnh các thông số dựa trên các thử nghiệm thực tế.
Hướng nghiên cứu phát triển đề tài
Để tài có thể được phát triển theo các hướng nghiên cứu sau đây:
• Về phần cứng, có thể cái tiến từ động cơ DC sang động cơ BLDC có công suất lớn hơn giúp xe tăng được khả năng chịu tải làm việc
• Về tính năng dò đường bằng vạch kim loại, ta có thể cải tiến bằng việc thay thế các cảm biến kim loại riêng lẻ bằng module nhiều cảm biến kim loại giúp tăng khả năng bám theo đường kim loại
• Về tính năng tránh vật cản, cải tiến cảm biến quang tiệm cận bằng cảm biến SICK 2D LiDAR TiM giúp xây dựng được bản đồ 2D cho xe từ đó tăng cường khả năng vận hành trong môi trường nhà xưởng
• Tích hợp thêm hệ thống định vị bằng RFID kết hợp với thiết bị ESP8266 để có thể giám giát vị trí thực của xe tự hành AGV
• Cải thiện giao diện người dùng bằng cách tích hợp thêm màn hình HMI giúp cho quá trình giám sát và sử dụng trực quan hơn
• Hoàn thiện chất lượng sản phẩm hướng đến thương mại
