báo cáo tiểu luận tốt nghiệp thiết kế và chế tạo mô hình đo và cắt chiều dài sủ dụng plc s7 120

TRƯỜNG Đ䄃⌀I H伃⌀C NÔNG LÂM TH䄃

BÁO CÁO MÔN

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ V䄃 SỬ D唃⌀NG PLC S7-1200

Họ và Tên Sinh Viên:

NGÔ LƯƠNG VINH Mssv: 18138102Lớp: DH18TD

Ngành/ chuyên ngành: KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN V䄃Niên Khóa: 2018-2022

TP.HCM ,Tháng 7 năm 2022

THIẾT KẾ V䄃SỬ D唃⌀NG PLC S7-1200

Tác giảNgô Lương Vinh

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành kỹ thuật điềukhiển và tự động hóa

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sỹ, giảng viên Lê Quang Hiền

Tháng 7 năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn

Toàn thể quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tậntình dạy dỗ trong thời gian em học tập tại trường Các thầy cô đã dìu dắt, trang bị cho emnhiều kiến thức hay và bổ ích về mặt học vấn lẫn kiến thức trong cuộc sống đời thường,đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Hiền là người trực tiếp hướng dẫn emtrong thời gian em thực hiện đồ án tốt nghiệp mặc dù công việc thầy rất bận, nhưng thầyđã bớt chút thời gian quý báu của mình để chỉ bảo cho em rất tận tình Thầy đã cho emkinh nghiệm giữa thực hành và lý thuyết mà em đã học cho đến lúc em hoàn thành đồ ánnày.

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đồ án một cách hoàn chỉnh nhất, song do điều kiệnhạn chế về thời gian cũng như chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế cho nên không tránhkhỏi những sai sót nhất định Kính mong được sự quan tâm hướng dẫn, chỉ bảo của quýthầy cô để đồ án của bọn em được hoàn thiện hơn.

Tp.HCM, tháng 7 năm 2022 Sinh viên thực hiện

Đề tài nghiên cứu “ Thiết kế và chế tạo mô hình đo và cắt chiều dài sử dụng PLCS7-1200” được tiến hành tại Bộ môn Điều Khiển Tự Động Hóa,khoaCơ Khí - Công Nghệtrường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh từ tháng 12 năm 2020 đến tháng 7năm 2021

-Kết quả thu được:

+Thiết kế và chế tạo mô hình đo và cắt chiều dài với không gian làm việc của hệ thống 60x40x20

+ Sử dụng diver TB6600 cho động cơ step bằng Tia Portal V15 của PLC S7-1200.+ Điều khiển quy trình đo và cắt chiều dài

+ Đã chạy thử hệ thống và kết quả thu được hơn phôi cắt với tỉ lệ cắt sai lệch ở mứcmm

+ Điều khiển và nhập dữ liệu qua HMI

1.2 Đối tượng nghiên cứu-mục tiêu-ý nghĩa-nhiệm vui……6

1.2.1.Đối tượng nghiên cứu……… 6

2.2.1Nguyên lý hoạt động………

2.2.2 Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước………

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước2.2.3.1 Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave Drive)………

2.2.3.2 Điều khiển động cơ chạy đủ bước (Full Step Drive)……

2.2.3.3 Điều khiển động cơ chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)…

2.2.3.4 Điều khiển động cơ chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)….2.3 Nhận xét……….

2.42.4 Các thiết bị sử dụng ………

Đối tượng và thiết bị nghiên cứu……….

3.1.1Đối tượng nghiên cứu……….

3.1.2 Thiết bị nghiên cứu………

3.2 Phương pháp nghiên cứu………

3.3 Phương tiện thực hiện3.3.1 Phần cơ khí và thiết bị công suất………

4.1.2 Thiết kế phần cơ khí mô hình……….

4.1.2.1 Sơ đồ khối điều khiển………

4.1.2.2 Sơ đồ điều khiển mô hình……….

4.2 Lưu đồ giải thuật ……….

4.3 thống điều khiển……….

Trong quá trình sản suất việc đo đạc được thực hiện bởi người có thể gây sai số lớncũng như không đảm bảo được sự đồng nhất về kích cỡ cũng như độ chính xác và điềunày ảnh hưởng khá nhiều đặt biệt ở quy mô công nghiệp và nhà máy,do đó sử dụng mộthệ thống đo đặt bằng máy có thể đáp ứng được nhu cầu đó cũng như giảm thiểu độ haohụt sản phẩm và sự đồng nhất.

Do đó, báo cáo “Thiết kế và chế tạo mô hình đo và cắt chiều dài sử dụng PLC S7- 1200” là việc kết hợp kiến thức cho chúng ta hình dung một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực tự động hóa qua đó cũng tư duy cho chúng ta về một hệ thống lớn, áp dụng vào việc khác phục sai số ở người.

1.2 Đối tượng nghiên cứu – Mục tiêu – Nhiệm vụ - Ý nghĩa 1.2.1Đối tượng nghiên cứu.

-Hệ thống đo chiều dài-Hệ thống cắt

1.2.2 Mục tiêu.

-Thiết kế chế tạo mô hình đo và cắt chiều dài-Lắp đặt và ứng dụng hợp lý vào thực tế.

CHƯƠNG 2

KHÁI QUÁT

2.1 Tìm hiểu một số hệ thống trên thực tế.2.1.1Hệ thống cắt tự động

Lĩnh vực dệt may:

-Phần lớp trong các xưởng vải công nghiệp việc đảm bảo độ chính xác và hao hụt

nguyên liệu thì các loại máy cắt vải tự động hoặc bán tự động được sử dụng rộng rải

Hình 2.1 Máy cắt vải công nghiệp

Trong công nghiệp nặng:

Các nhà máy sử dụng cắc lại máy cắt CNC plasma, laser,… Sử dụng động cơservo,step trong quá trình điều khiển

Hình 2.2 Máy cắt Plasma

2.2 Tìm hiểu điều khiển động cơ step2.2.1Nguyên lý hoạt động

Khác với các động cơ đồng bộ thông thường, trong việc điều khiển vi bước step motor Rotor, động cơ bước được khởi động bằng phương pháp đo tần số do nó không có cuộn dây để khởi động Rotor của động cơ bước sẽ có loại Rotor tích cực hoặc là Rotor thụ động.

Động cơ bước sẽ làm việc dựa vào bộ chuyển mạch điện tử nhằm mục đích đưa các tín hiệu vào trong Stator theo một thứ tự và 1 tần số nhất định Số lần chuyển mạch của động cơ sẽ được tính bằng tổng số góc quay của Rotor Khi đó, chiều quay cũng như tốc độ quay của roto sẽ phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.

Hình 2.3 biểu đồ chuyển mạch điện tử

Xung điện áp được cấp cho cuộn dây Stator lúc này có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:-Chuyển mạch điện tử trong điều khiển step motor có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator có thể theo từng cuộn riêng lẻ hoặc là theo từng nhóm của các cuộn dây

-Trị số của động cơ cũng như chiều của lực điện từ chính là tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ có trong nó Do đó, vị trí Rotor của động cơ bước lúc này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây dưới đây:

Hình 2.4 Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Hình trên thể hiện nguyên lý hoạt động của động cơ bước m pha với Rotor có 2cực 2p = 2 và khi chúng không được kích thích Nếu các cuộn dây bên trong của động cơbước được cung cấp điện riêng lẻ bởi xung 1 cực thì Rotor của động cơ bước lúc này sẽcó m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây giống như ở hình a.

Để mạch điều khiển động cơ bước 6 dây tăng cường lực điện từ tổng của Stato, từ đó sẽ tăng từ thông và mô men đồng bộ, chúng ta phải cấp điện đồng thời cho 2, 3, cũng có khi là nhiều cuộn dây Lúc đó phần Rotor của động cơ bước sẽ có vị trí ổn định và trùng với vectơ của lực điện từ tổng F Đồng thời, lực điện từ tổng F của nó cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ phát ra từ các cuộn dây Stator

2.2.2 Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước

Động cơ bước khi được điều khiển dưới dạng nhiều xung điện rời rạc kế tiếp nhau thì sẽ tạo thành các chuyển động góc quay cũng như các chuyển động của Rotor Động cơ bước sẽ không còn quay theo cơ chế thông thường mà sẽ quay theo từng bước nên cũng

có chế độ chính xác rất cao xét về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển động cơ bước 5 dây vào Stato theo thứ tự và những tần số nhất định.

Vì mỗi một loại động cơ bước sẽ có những đặc tuyến khác nhau, nên cách điều khiển cũng sẽ khác nhau Tùy thuộc vào lực kéo (mô men) và tốc độ quay mà động cơ yêu cầu, chúng ta có thể dùng các cách điều khiển dưới đây:

-Với những động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp: Người ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển để cung cấp điện áp trực tiếp Lúc này, chính nội trở cuộn dây của động cơ sẽ hoạt động để tạo ra một dòng điện, do đó, giới hạn dòng điện này sẽ phụ thuộc vào điện áp cung cấp trực tiếp cho nó.

-Với những động cơ bước yêu cầu chạy ở tốc độ cao: Người ta không thể tiếp tục sử dụng phương pháp cấp điện áp trực tiếp nữa vì lực kéo lúc này sẽ bị giảm nghiêm trọng Bởi lẽ, đặc tuyến cảm của cuộn dây trong động cơ sẽ kìm hãm khả năng hoạt động của dòng điện.

-Với những động cơ bước cần cải thiện và nâng cao hiệu suất của motor bước và bộ điều khiển ở tốc độ thấp và cần tăng tốc độ cao thì chúng ta nên sử dụng phương pháp điều khiển bằng băm xung Cách điều khiển động cơ bước này sẽ giúp bạn duy trì tần số không đổi, tùy theo nguyên tắc duy trì dòng điện thì các cuộn dây của động cơ cũng sẽ không đổi so với mọi cấp độ Cách điều khiển này còn được gọi là điều khiển tùy theo dòng điện.

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước

2.2.3.1 Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave Drive)

Đây là phương pháp cơ bản nhất để điều khiển 1 động cơ bước, dù cho nó không được sử dụng nhiều nhưng vẫn đáng để giúp cho chúng ta hiểu về cách điều khiển động cơ bước Trong phương pháp này, nếu mỗi pha hoặc stato ở cạnh nhau sẽ được động cơ kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng 1 mạch đặc biệt giúp từ hóa và khử từ hóa stato, điều này sẽ dẫn đến chuyển động nhanh chóng của rôto một bước.

2.2.3.2 Điều khiển động cơ chạy đủ bước (Full Step Drive)

Trong mạch điều khiển động cơ bước 4 dây, thay vì kích hoạt tất cả các stator một lần, 2 stator sẽ được kích hoạt chỉ cách nhau 1 khoảng thời gian ngắn Điều này có nghĩa là nếu stator thứ 1 bật ON thì stator thứ 2 sẽ ON ngay sau đó một khoảng thời gian ngắn, trong khi đó thì stator thứ nhất vẫn ON Phương pháp này dẫn đến mô men xoắn đạt mức cao và cho phép chúng ta điều khiển động cơ tải cao.

2.2.3.3 Điều khiển động cơ chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)

Phương pháp này cũng tương tự như ổ đĩa Full bước Ở step motor và mạch điều khiển, 2 stator được đặt cạnh nhau sẽ được tiến hành kích hoạt trước và stator thứ 3 sẽ được kích hoạt ngay sau đó, nhưng 2 stator này lại bị vô hiệu hóa Chu kỳ này sẽ kích hoạt 2 stator trước và sau đó 1 stator lặp lại để giúp điều khiển động cơ bước Phương pháp này sẽ dẫn đến tăng cường độ phân giải của động cơ trong khi đó mô men xoắn sẽ giảm xuống.

2.2.3.4 Điều khiển động cơ chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)

Đây là phương pháp điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất vì nó có tính chính xác rất cao Mạch điều khiển cung cấp ngay 1 dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato đang tồn tại ở dạng sóng hình sin Những bước đi nhỏ xíu này hiện nay dùng để tăng cường độ chính xác tuyệt đối của từng bước một Phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi do nó có thể giảm tiếng ồn của hoạt động ở mức độ lớn.

2.3 Nhận xét

Thiết kế và chế tạo mô hình đo và cắt sử dụng PLC S7-1200 Bằng cách điều khiển động cơ step để cho ra kết quả đo tốt nhất.

2.4 Các thiết bị sử dụng 2.4.1CPU PLC S7-1200

 Bộ phận kết nốinguồn

 Các bộ phận kết nối nối dâycủa người dùng có thể tháo được (phíasau các nắp che)

 Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phíatrên

 Các LED trạng thái dành choI/O tích hợp

 Bộ phận kết nối PROFINET (phíatrên của CPU.

Hình 2.5: CPU PLC S7-1200

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượnggiúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.Thông số cơ bản:

Kích thước (mm) : 90 x 100 x 75.-Bộ nhớ người dùng:

+ Bộ nhớ làm việc : 25 kB+ Bộ nhớ nạp : 1 MB+ Bộ nhớ giữ lại : 2 kB

I/O tích hợp cục bộ :+ Kiểu số : 8 ngõ vào / 6 ngõ ra.+ Kiểu tương tự : 2 ngõ ra.

- Kích thước ảnh tiến trình: 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q) -Bộ nhớ bit (M) : 4096 byte

2.4.2 DIVER TB6600

Driver điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng chocác loại động cơ bước: 42/57/86 2 pha hoặc 4 dây có dòng tải là 4A/42VDC Ứng dụngtrong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự động khác

THÔNG SỐ KỸ THUẬT Driver điều khiển động cơ bước TB6600

-Nguồn đầu vào là 9V – 42V - Dòng cấp tối đa là 4A

- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao - Có tích hợp đo quá dòng quá áp - cân nặng : 200G

-ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa

-Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung.

Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC

RAM 64MB

RS-232

RS-485 2W/4w CANBUS

Hình 2.9 HMI weintek mt8071ip

2.6 Xylanh

2.6.1 Xylanh

Cấu tạo của xi-lanh khí nén gồm các thành phần như sau: -Thân trụ (Barrel) và pít-tông (Piston)

-Trục pít-tông (Piston rod)

-Các lỗ cấp, thoát khí Cap-end port và Rod-end port Nguyên lý chung:

- Khi được kích thích, không khí nén vào thành ống với một đầu của piston và do đó sẽ chiếm không gian trong xi-lanh Lượng khí này lớn dần sẽ làm piston di chuyển, khi piston di chuyển sẽ sinh ra công và làm thiết bị bên ngoài hoạt động

-Xi-lanh tác động kép DAC: Sử dụng khí nén đưa vào hai đầu xi-lanh đẩy piston ra ngoài và lùi lại nên xi-lanh có 2 hành trình ra và hành trình vào dựa vào van điều khiển xi-lanh

-Mặc dù xi-lanh tác động đơn và xi-lanh tác động kép là loại bình phổ biến nhất của xi-lanh khí nén, các loại sau đây không phải là đặc biệt hiếm:

+Xi-lanh xoay: Bộ truyền động sử dụng không khí để truyền động qua

+Xi-lanh trượt: Bộ truyền động sử dụng khớp nối cơ học hoặc từ để truyền đạt lực, điển hình cho một chiếc bàn hoặc một thân khác di chuyển dọc theo chiều dài của thân xi-lanh, nhưng không vượt quá nó

 Hình 2.10 XyLanh

2.6.2 Van 5/2

 Hình 2.11 Van khí nén 5/2

Thông số kĩ thuật

Nhiệt độ không khí tối đa 50oC

2.7 Động cơ step 42Thông số:

Hình 2.12 Động cơ step

2.8 Modul reley 5vThông số:

-Kích thước: 53mm (chiều dài) * 28.3mm (chiều rộng) * 19.3mm (H)-Tọng lượng: 18g

-Màu sắc: Đen

- Bốn lỗ để bắt vít cố định có đường kính 3.1mm, dễ dàng lắp đặt trong hệ thống mạch-Opto cô lập, tốt chống nhiễu

-Có đèn báo đóng ngắt trên Relay.-Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.

-Đầu ra điện thê đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A

-Tìm hiểu về truyền thông diver động cơ với PLC S7-1200

-Lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ LAD và giao diện HMI bằng WinCC trong TiaPortal V15.

3.1.2 Thiết bị nghiên cứu.

-Động cơ step 42-Diver TB6600

-Van khí nén và xy lanh-HMI

-PLC S7-1200-Phần mêm lập trình-Các linh kiện khác,v.v

3.2 Phương pháp nghiên cứu.

Tìm hiểu cấp xung cũng như tính số xung cần thiết cho 1 chu trình đo

3.3 Phương tiện thực hiện.

Đối với phạm vi đề tài này, phương tiện thực hiện sẽ được chia làm hai phần:

3.3.1 Phần cơ khí và thiết bị công suất

-Động cơ và giá đỡ.-Giá đỡ xylanh-Van khí nén.-Đi dây

3.4.2 Phần mềm

-Phần mềm Tia Portal v15-Phần mêm Soildwork

+ Sản phẩm thu được đúng với cài đặt

-Tính toán các thiết bị cần sử dụng và thiết kế mạch điện cho mô hình -Lập trình điều khiển mô hình.

-Điều khiển động cơ bằng PLC thông qua diver -Tạo giao diện điều khiển mô hình trên HMI

-Điều khiển động cơ bước

-Cơ cấu cắt sử dụng lực của xylanh

4.1.2 Thiết kế phần cơ khí mô hình

-Kích thước tổng quát mô hình: 60x40

4.1.2.1 Sơ đồ khối điều khiển

Hình 4.2 sơ đồ điều khiển mô hình

4.1.2.2 Sơ đồ điều khiển mô hình

hình 4.4 sơ đồ mô hình điều khiển

4.2 Lưu đồ giải thuật

- Qui trình hoạt động

Bước 1: Đầu tiên: cấp nguồn cho hệ thống.Bước 2: Cài đặt thông số: trên giao diện HMI

Bước 3: Chọn chế độ Auto/Manual: tùy vào mục đích sử dụng (mực nước trong

bồn chứa đủ thì hệ thống tiếp tục hoạt động).

Bước 4: Bấm chạy thuận hoặc nghich để phôi vào vị trí để chọn điểm 0

Bước 5: Đo: động cơ quay theo chiều dài được cài đặt

Bước 6: Cắt: Sau khi động cơ dừng relay sẽ kích cho van hoạt động và xylanh sẽ đi

hết hành trình ấn kìm

Bước 7: Nhận sản phẩm: Phôi cắt hoàn thành

Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ

CHẾ ĐỘ AUTO

-Cài đặt các thông số trên giao diện HMI

-Bắt đầu chạy hệ thống nhấn nút Bắt đầu: , động cơ hoạt động

-Chiều dài đo= chiều dài cài đặt động cơ dừng,nếu không động cơ chạy tiếp tục

-Thời gian xylanh hoạt động=thời gian cài đặt xylanh tắt,nếu không xylanh vẫn hoạt động-Khi số lượng cắt=số lượng cài đặt kết thúc cắt,nếu không lập lại quá trình đo và cắt

Vật liệu sử dụng:

-Khung mô hình sử dụng bảng gỗ 60x40 - Diện tích làm việc : 240cm vuông-Gá động cơ

-Giá chữ L- Cao 20cm-Kìm cắt dây

4.3Kết quả sau khi hoàn thànhMô hình