Báo cáo khoa học: "THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC QUẤN DÂY TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ PSoC" ppt

VŨ XUÂN HÙNG Bộ môn Trang bị điện – Điện tử Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát đo

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐO LƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC QUẤN DÂY TRÊN CƠ SỞ VI ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ PSoC

ThS VŨ XUÂN HÙNG

Bộ môn Trang bị điện – Điện tử Khoa Điện – Điện tử

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát đo

lường và điều khiển cho máy CNC quấn dây trên cơ sở chip công nghệ PSoC Bài báo gồm các nội dung chính sau: tổng quan về máy CNC quấn dây, thiết kế PSoC Card, cách kết nối để điều khiển biến tần và servo motor và thiết kế giao diện giám sát, đo lường và điều khiển trên máy tính cho máy CNC quấn dây

Summary: The article presents the results of the research, design and manufacturing of

the supervising, measuring and controlling system for CNC coil winding machines based on PSoC technology Some main parts are included in the content; an overview of CNC coil winding machines, designing PSoC cards, the wiring diagram to control the inverter and the servo driver, and designing supervisory, measure and control interface for CNC coil winding machines

CT 2

I TẠI SAO PHẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC QUẤN DÂY?

Hiện nay máy CNC quấn dây được sử dụng nhiều trong các nhà máy sản xuất như: Công ty Cáp điện Trần Phú, Cơ điện Hà Nội, Công ty Que hàn Việt Đức, Nhà máy Chế tạo biến thế ABB Việt Nam v.v , đã góp phần nâng cao năng suất lao động, chất lượng, độ tin cậy và giảm giá thành của sản phẩm Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước, nhu cầu sử dụng máy CNC quấn dây sẽ tiếp tục tăng trong nhiều năm tới Các máy CNC quấn dây đều phải nhập ngoại với giá thành cao và trong các nhà máy kể trên còn nhiều máy quấn dây cũ đang có nhu cầu cải tiến, chuyển đổi thành máy CNC quấn dây tự động Thêm vào đó, trong nước hoàn toàn

có thể sản xuất được phần cơ khí của máy CNC quấn dây này Ở Việt Nam chưa có cơ sở nào sản xuất máy CNC quấn dây, một số công ty, viện nghiên cứu cũng đang tiến hành nghiên cứu chế tạo máy CNC nhưng chủ yếu là máy phay, máy bào, máy khoan còn máy CNC quấn dây được dùng trong các nhà máy chế tạo cáp điện, cáp thông tin, nhà máy chế tạo dây quấn máy biến áp, dây quấn máy điện gần như chưa được nghiên cứu Do vậy việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy CNC quấn dây sử dụng công nghệ tiên tiến, hiện đại như

tiết kiệm năng lượng, giảm giá thành cho máy CNC quấn dây, thay thế cho thiết bị nhập ngoại

góp phần vào tiết kiệm ngoại tệ và tận dụng tiềm năng trí tuệ của đất nước Đây cũng chính là

mục tiêu của đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B2007-04-30 do chúng tôi

thực hiện Trong bài báo này chúng tôi sẽ giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo Card

giám sát, đo lường và điều khiển trên cơ sở chip công nghệ PSoC; đây là một phần quan trọng

trong hệ thống điều khiển nói chung và hệ thống điều khiển máy CNC quấn dây nói riêng

II TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC QUẤN DÂY

Máy CNC quấn dây có nhiều chủng loại khác nhau, nếu phân loại theo theo chức năng

quấn dây ta có các loại điển hình sau: Máy quấn dây cáp điện, máy quấn dây hàn (như dây

chuyền quấn dây hàn H8A-VD, W49-VD ở Nhà máy Que hàn Việt Đức), máy quấn dây máy

điện quay, máy quấn dây máy biến áp

CT 2

Hình 1 Máy CNC quấn dây máy điện [3] Hình 2 Máy CNC quấn dây AM3175 [3]

● Cấu tạo máy CNC quấn dây: Một máy CNC quấn dây có thể chia làm các phần chính

sau: Phần cơ khí, phần điều khiển, động cơ điện và hệ thống cảm biến sensor

Phần cơ khí gồm có các cơ cấu chính: Cơ cấu nhả dây, cơ cấu quấn dây, cơ cấu rải dây v.v

Động cơ điện: Có động cơ nhả dây, động cơ quấn dây, và động cơ rải dây Xu thế hiện nay

và trong tương lai là sử dụng động cơ không đồng bô ba pha rôto lồng sóc vì động cơ này có

hiệu suất cao, chắc chắn và làm việc tin cậy

Hệ thống cảm biến: Thường có các loại cảm biến sau: Encoder (đo góc quay, tốc độ quay),

cảm biến sức căng; cảm biến cảm biến quang, cảm biến vị trí bên trái, bên phải của cơ cấu rải

dây v.v

Phần điều khiển gồm có: Bộ biến tần điều khiển cho động cơ nhả dây, quấn dây và hệ điều

khiển vị servo để rải dây; hệ thống điều khiển trung tâm: Gồm có PLC hoặc Card vi điều khiển

có cài đặt chương trình điều khiển và giao diện giám sát, đo lường trên máy tính hoặc màn hình

hiển thị Hệ thống này có chức năng đặt thông số, đo lường và giám sát quá trình hoạt động của

máy CNC quấn dây

CT 2

● Phối hợp điều khiển các cơ cấu trong máy CNC quấn dây và lựa chọn phương pháp điều khiển:

Để quấn dây đều, đẹp, không bị đứt thì ta phải phối hợp việc điều khiển tốc độ động cơ servo rải dây với động cơ quấn dây và động cơ nhả dây với động cơ quấn dây Nếu động cơ quấn dây quấn với tốc độ nhanh thì động cơ servo cũng phải rải dây nhanh, việc rải dây này diễn ra liên tục trong một vòng quấn dây, khi cuộn quấn xoay được một vòng thì cơ cấu rải dây cũng dịch chuyển đi một độ dài chính bằng đường kính quấn dây Còn để dây quấn không bị đứt nhưng vẫn đảm bảo đủ độ căng cần thiết thì ta phải điều khiển tốc độ cuộn nhả đồng tốc độ với cuộn quấn Như vậy cả ba động cơ này hoạt động trong sự ràng buộc lẫn nhau, dưới sự giám sát

và điều khiển của bộ điều khiển trung tâm là Card giám sát, đo lường và điều khiển

Để giải quyết bài toán đồng tốc độ quấn và nhả (cùng tốc độ dài) thì trước hết ta cần có hệ biến tần điều khiển động cơ quấn và nhả có độ chính xác cao, tác động nhanh, ở đây chúng tôi dùng biến tần 3G3MV của hãng Omron, điều khiển vectơ vòng kín, phản hồi dùng Encoder 360 xung/vòng Ta cũng cần một bộ điều khiển trung tâm có độ chính xác cao, tốc độ nhanh để tính toán, xử lý thông tin và đưa tín hiệu đặt vào hệ biến tần điều khiển vectơ, do đó phương án sử dụng Chip PSoC là khả thi Ngoài ra để hệ thống có thể quấn với tốc độ cao (nâng cao năng suất lao động) ta cũng cần phải có cơ cấu bù và cảm biến sức căng có độ chính xác cao, làm việc tin cậy Dựa vào thông tin từ cảm biến sức căng bộ điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh tốc độ cơ cấu nhả dây sao cho đồng tốc độ với cơ cấu quấn dây

III THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY CNC QUẤN DÂY

3.1 Giới thiệu chung về hệ thống giám sát, đo lường và điều khiển

Hệ thống giám sát, đo lường và điều khiển là một phần quan trọng không thể thiếu của một

hệ thống sản xuất tự động hiện đại nói chung và máy CNC quấn dây nói riêng, nó chiếm tỷ lệ cao về giá thành trong toàn bộ hệ thống, đây cũng là một trong các phần phức tạp nhất và chứa đựng trong nó một hàm lượng trí tuệ cao (hiểu theo nghĩa cả về chiều sâu và rộng) Với mục tiêu thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển có giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu

về kỹ thuật, để giảm giá thành máy CNC quấn dây, thay thế cho thiết bị điều khiển có khả năng lập trình PLC và hệ thống giám sát nhập ngoại Chúng tôi đã thiết kế một Card chuyên dụng để giám sát, điều khiển máy CNC quấn dây, trên Card này phần tử cơ bản là Chip PSoC của hãng CyPress Mỹ, đây là loại thiết bị lập trình mới, có cấu hình mạnh, tài nguyên phong phú, tốc độ

xử lý nhanh Hệ thống giám sát, đo lường và điều khiển do chúng tôi xây dựng có chức năng đặt các thông số ban đầu cho máy CNC quấn dây (số vòng cần quấn, số lớp cần quấn, tốc độ quấn dây, chế độ quấn dây v.v…); giám sát các thông số đang vận hành của máy thông qua việc đo các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến; và điều khiển hoạt động của hệ biến tần - động cơ không đồng bộ quấn dây, nhả dây và rải dây thông qua việc xử lý tín hiệu, tính toán giá trị tín hiệu đặt

SCADASWARE trên máy tính (software)

Tóm tắt một số chức năng và thông số chính của Card giám sát, đo lường và điều khiển do

chúng tôi thiết kế:

- Có 7 đầu ra số, dùng để điều khiển hoạt động của 2 biến tần 3G3MV hãng Omron (điều

khiển động cơ nhả dây và quấn dây) và Servo motor (điều khiển cơ cấu rải dây), SmartStep A -

Series R7D-AP08H của hãng Omron

- Có 3 đầu đo xung từ Encoder để tốc độ, vị trí của cơ cấu quấn, nhả và rải dây

- Có màn hình hiện thị LCD 2 x 16 (hàng x cột): Hiển thị thông tin, thông số, trạng thái

đang hoạt động của máy CNC quấn dây

- Khả năng truyền thông với máy tính qua cổng RS232, hệ thống được giám sát và điều

khiển qua giao diện (phần mềm SCADASWARE) trên máy tính

- Có đầu vào ADC (max 14 bits), đầu ra DAC (max 9 bits)

- Có 4 EEPROM ngoài, ký hiệu FM24C64, mỗi IC này lưu được 64 Kbit, thông tin có thể

lưu trữ đến 40 năm, dùng để lưu các thông số hiện hành đảm bảo hệ thống sau khi mất điện vẫn

vận hành tốt và tiếp tục quấn dây mà không gây lỗi Giải pháp này cho phép phát triển nhiều

ứng dụng hơn, thuận tiện hơn là dùng bộ nhớ trong của PSoC EEPROM này truyền thông tin

với PSoC theo chuẩn I2C

- Có khả năng nạp trực tiếp chương trình từ máy tính không cần phải thay Chip

CT 2

- Ngoài ra còn rất nhiều tài nguyên có sẵn trong PSoC như: Timer, counter, PWM, khuếch

đại v.v có thể phát triển cho các ứng dụng khác

3.2 Phân cấp chức năng xử lý thông tin giữa Card (phần cứng + firm ware) và phần

mềm trên máy tính

Cấp trên cùng: Máy tính PC có cài đặt phần mềm giám sát, đo lường và điều

khiển(SCADASWARE) Phần mềm được dùng để đặt các giá trị ban đầu, nhận thông tin từ

Card truyền lên, hiển thị các thông số, và dùng để tính toán và sử lý các thông số biến đổi chậm

như bán kính quận quấn v.v…

Cấp thứ 2: Card (phần cứng) và chương trình nạp cho chip PSoC (firm ware) Cấp này có

chức năng: đo lường tốc độ, số vòng quay, tính toán tốc độ đặt cho động cơ nhả, động cơ quấn,

điều khiển vị trí rải dây, lưu trữ và cập nhật các thông số hiện hành của máy CNC vào

EEPROM, hiển thị các thông số trên màn hình LCD, truyền dữ liệu lên máy tính

Cấp cuối cùng: Có thể chia làm hai cấp con:

+ Bộ điều khiển: Biến tần, bộ điều khiển servo Bản thân các thiết bị này cũng đã tích hợp

các thiết bị tính (vi xử lý tín hiệu tốc độ cao) để tính toán tín hiệu điều khiển Trong các bộ điều

khiển này có bộ điều điều chỉnh tự động PID, bộ điều chỉnh vị trí, bộ điều chỉnh mô men v.v…

Hình 3 Phân cấp điều khiển

+ Cơ cấu chấp hành và cảm biến:

gồm có động cơ không đồng bộ nhả dây,

quấn dây, rải dây và các cảm biến thu

thập dữ liệu: cảm biến bên trái, bên phải

cơ cấu rải dây, cảm biến trong cơ cấu bù

sức căng, encoder đo tốc độ động cơ

3.3 Thiết kế giao diện giám sát, đo lường và điều khiển cho máy quấn dây

CNC bằng máy tính (Xây dựng phần

mềm SCADASWARE – Supervisory

SoftWare )

Giao diện có 3 phần chính:

Phần 1 (Select Mode): Lựa chọn các chế độ quấn cho máy quấn dây CNC: quấn theo số vòng đặt, quấn theo số lớp đặt, quấn theo khối lượng đặt (quấn dây hàn), quấn dây máy biến áp Phần 2 (Setting parameters): Đặt các thông số cho hệ quấn dây như tốc độ quấn, số lớp, đường kính dây và vật liệu dây quấn

Phần 3 (Measuring parameters): Nhận các giá trị đo lường từ Card (đo được từ các sensor) truyền lên máy tính và hiển thị các thông số này

CT 2

được Chip PSoC sẽ tính toán, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp, đảm bảo sự hoạt

động nhịp nhàng giữa cơ cấu quấn dây, cơ cấu nhả dây và cơ cấu rải dây

Ngoài ra còn có các giao diện con dùng để kiểm tra, vận hành, điều khiển riêng biến tần

hoặc servo motor phục vụ cho việc sửa chữa và bảo dưỡng khi có sự cố hoặc có thể dùng làm

thiết bị thí nghiệm phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu trong các trường cao đẳng và

đại học

3.4 Thiết kế Card giám sát, đo lường và điều khiển

Sơ đồ mạch nguyên lý của Card hình 5

Trên Card gồm 2 chip PSoC: Việc dùng 2 chip cho phép ta phát triển nhiều ứng dụng khác

mà không cần thay đổi phần cứng

PSoC 1: Đóng vai trò là chip chủ (Master) có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thu thập

các tín hiệu từ các cảm biến trái - phải, cảm biến sức căng, đo tốc độ, đo vị trí từ Encoder và

nhận tín hiệu từ PSoC 2 truyền sang, từ đó xử lý điều khiển động cơ Servo rải dây và truyền

thông tin lên máy tính và đóng mở các van điều khiển quá trình hoạt động 2 biến tần, cho chạy

và dừng hệ thống PSoC 1 sẽ thường xuyên lưu trữ thông tin vào EEPROM và sẽ đọc giá trị

trong EEPROM sau khi có điện trở lại

PSoC 2: Đóng vai trò là chip tớ (Slave) có nhiệm vụ là nhận tín hiệu từ máy tính và thu

thập tín hiệu từ các cảm biến căng dây và trùng dây từ đó đưa ra tín hiệu dạng Analog để điều

chỉnh tốc độ cho 2 động cơ quấn và nhả sao cho dây quấn không bị đứt, đồng thời thu thập từ

cảm biến sự cố đứt dây và truyền thông sang chip PSoC 1 để cho dừng hệ thống khi có sự cố

CT 2

Chi tiết thuật toán và chương trình điều khiển có thể tìm thấy trong bản thuyết minh đề tài

cấp Bộ, mã số B2007-04-30 do tác giả làm chủ nhiệm [4]

A B C

D

6 5

4 3

2 1

D

C

B

A

Title Number Revision Size

B Date: 4-Dec-2007 Sheet of File: D:\CUA THINH DE NHO\New Folder\mach thay HUNG\MyDesign.ddb Drawn By:

P0[7]

1 P0[5]

2 P0[3]

3 P0[1]

4 P2[7]

5 P2[5]

6 P2[3]

7 P1[7]SCL 10 P1[5]SDA 11 P2[1]

8 VSS 9 P1[3]

12 XSCL 13 Vss

14Psoc XSDAXRES P1[2] P1[4] P1[6] P2[0] P2[2] P2[4] P2[6] P0[0] P0[2] P0[4] P0[6] Vdd 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Psoc

1

7

4

A5

DB9

C1+

1

C1-3

C2+

4

C2-5

Vs+ 2 Vs- 6 VCC 16 GND 15 T1IN

11 T1OUT 14

T2IN

10 T2OUT 7

R1OUT

12 R1IN 13

R2OUT

9 R2IN 8

uRS1

MAX232

VSS

VCC

RXD

Vss 1

Vdd Vo RS 2 3 4

R/W 5

DB0 7

DB1 8

DB2 9

DB3 10

DB4 11

DB5 12

DB6 13

DB7 A K 14 15 16

A1

LED

LED1 LED4

RW VSS VCC

VCC VSS

A35 NPN

A36 NPN

A37 NPN

A40 NPN

A38 NPN

A39 NPN

A34 NPN 1K

RES1

A8 RES1

A10 RES1

A12 RES1

A21 RES1

A15 RES1

A17 RES1 A24

RES1

A46 HEADER 5

A43

SW SPST

A7 RES1

A9

A11 RES1

A13 RES1

VSS

A16

A18

chieu xung chay

1 4

A51

4 HEADER

BT1

BT1

1 4

A52

4 HEADER

BT2 BT2

A45 HEADER 5

24 VC VS

1

A41

HEADER 3

A2

CAP

A3

CAP

A4

CAP

VSS

VSS VSS

MACH DIEU KHIEN MAY QUAN DAY CNC Design: TRAN THE THINH

D1 LED

D4 LED

D6 LED

D5 LED

D7 LED

D2 LED

D3 LED

D10 RES1 D11 SW-PB

VCC

VSS P0[7]

1 P0[5]

2 P0[3]

3 P0[1]

4 P2[7]

5 P2[5]

6 P2[3]

7 P1[7]SCL 10 P1[5]SDA 11 P2[1]

8 VSS 9 P1[3]

12 XSCL 13 Vss

14Psoc1 XSDAP1[2] P1[4] P1[6] XRES P2[0] P2[2] P2[4] P2[6] P0[0] P0[2] P0[4] P0[6] Vdd 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Psoc1

TX2 TXD

RS LED4 LED2

BT1 RW E LED3 RX2

BT2 VCC HT

chieu C8dcSV xung

A14 SW-SPST

A19 RES1

VSS

SCL SDA C8B/A

VSS C8B/A

A47

VSS

A26 RES1

A27 RES1

A28 RES1

A29 RES1

CBT CBP

1

A32

HEADER 2

encoderQ

encoderQ

P002 P012

DB42 analog1

A31 HEADER 2

CBduoiVCC

A42 DIODE SCHOTTKY A44 DIODE SCHOTTKY

A23 RES1 A25 RES1

A20 RES1 A22 RES1

+12V

A33 HEADER 2

RXD

A30 RES1

A50 HEADER 10

RS2 DB72 DB52

RW2 E2 DB62 encoderQ VSS

1

A49

HEADER 2

encoderN

XRES

encoderN

A53 HEADER 5

A0 1 A1 2 A3 3 GND

4A56 SDA SCL VCC RW 5 6 7 8

24c64

A0 1 A1 2 A3 3 GND

4A58 SDA VCC SCL RW 5 6 7 8

24c64

A0 1 A1 2 A3 3 GND

4A57 SDASCL VCC RW 5 6 7 8

24c64

A0 1 A1 2 A3 3 GND

4A59 SDAVCC SCL RW 5 6 7 8

24c64

SCL VCC SDA VCC VSS VCC SCL

VSS

SCL SDA VCC VSS VCC SCL SDA

A54 RES1A55RES1

VCC

1 4

A60

SW DIP-2

R2 TX2

T2

A61

SW SPST

XRES2

A62 HEADER 3

p072 p012

22 22

A63 CON1

Hình 5 Sơ đồ mạch nguyên lý Card điều khiển máy quấn dây CNC

VI CÁCH KẾT NỐI GIỮ CARD PSOC VỚI BIẾN TẦN 3G3MV VÀ SERVO MOTOR

CỦA HÃNG OMRON

Hình 7 Sơ đồ nối dây với Servo Driver Hình 6 Cách đấu với biến tần 3G3MV

V KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, đo lường và điều khiển (Card PSoC, firm ware cho chip PSoC, phần mềm SCADASWARE trên máy tính)

và áp dụng vào điều khiển mô hình máy CNC quấn dây Kết quả vận hành cho thấy hệ thống giám sát, đo lường và điều khiển do chúng tôi chế tạo làm việc tin cậy và có độ chính xác cao hoàn toàn có thể thay thế cho thiết bị nhập ngoại

CT 2

Hình 9 Mô hình máy CNC quấn dây

Tài liệu tham khảo

[1] Tài liệu kỹ thuật về PSoC của hãng CyPress

[2] Tài liệu về SmartStep A - Series R7D-AP08H và biến tần 3G3MV của hãng Omron

[3] Các website của một số hãng: Omron, Cypress, Electromech, Siemen, ABB, Digmotor,

GeorgeStevens, ReynoldsElectronics, http://www.alldatasheet.comu

[4] Vũ Xuân Hùng, bản thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số

B2007-04-30, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy CNC quấn dây sử dụng hệ điều khiển vectơ

CT 2