nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun

BỘ GIÁO GIÁO DỤC ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  NGUYỄN PHÚC DƯƠNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2013 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp hµ néi  NGUYỄN PHÚC DƯƠNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành : KỸ THUẬT ðIỆN Mã số : 60.52.02.02 Người hướng dẫn khoa học : 1. TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG 2. TS. LÊ VŨ QUÂN Hà Nội – 2013 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào trước ñây. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Nguyễn Phúc Dương Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện ñề tài này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự ñộng hóa, khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ñại học và các thầy cô trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Nhân dịp này, cho phép tôi ñược bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất ñến quý thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Ngô Trí Dương và thầy TS. Lê Vũ Quân ñã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ từ việc ñịnh hướng ban ñầu, giải quyết từng nội dung ñề tài, ñến sửa ñổi những sai sót trong suốt quá trình học tập và quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường ðại học Hải Dương, các ñồng nghiệp, bạn bè, gia ñình và người thân ñã tạo mọi ñiều kiện giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này. Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân ñã dành cho tôi mọi sự giúp ñỡ quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 11 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Phúc Dương Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ðẦU 1 1. ðặt vấn ñề 1 2. Mục ñích nghiên cứu 1 3. Phương pháp nghiên cứu 2 4. Nội dung nghiên cứu 2 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu về mô hình trồng cây 3 1.2. Các phương pháp phun cho loại cây trồng 3 1.2.1. Máy phun bằng tay 3 1.2.2. Máy phun bằng máy 4 1.2.3. Phun tự ñộng 5 1.3. Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun 5 1.3.1. Yêu cầu luận văn 5 1.3.2. Giải pháp thiết kế 6 Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 8 2.1. Xây dựng mô hình phun 8 2.2. Thiết kế phần cứng 11 2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình 11 2.3.1. Tổng quan về ñiều khiển lập trình 11 2.3.2. Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn 14 2.3.3. Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1) 15 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iv 2.4. Lựa chọn cảm biến 16 2.4.1. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16 2.4.2. Cấu hình ngõ ra của cảm biến 18 2.4.3. Lựa chọn cảm biến 18 2.5. Lựa chọn ñộng cơ bước 19 2.5.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ bước 20 2.5.2. ðộng cơ từ trở thay ñổi 23 2.5.3. ðộng cơ ñơn cực 24 2.5.4. ðộng cơ lưỡng cực 26 2.5.5. ðộng cơ nhiều pha 27 2.5.6. Các mạch ñiều khiển ñộng cơ bước cơ bản 28 2.5.7. Lựa chọn ñộng cơ bước 34 2.6. Phần cơ khí 34 2.6.1. Bánh răng và thanh răng 34 2.6.2. Van ñiện từ 36 2.6.3. Vòi phun 37 Chương 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 38 3.1. Sơ ñồ cấu trúc và chức năng các khối 38 3.2. Lựa chọn phần mềm ñiều khiển PLC 38 3.3. Sơ ñồ kết nối phần cứng 39 3.3.1. Lựa chọn các ñịa chỉ vào/ra 39 3.3.2. Sơ ñồ kết nối phần cứng 40 3.3.3 Chương trình ñiều khiển 41 3.4. Thuật toán hoạt ñộng 44 3.4.1. Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44 3.4.2. Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB2 45 3.4.3. Thuật toán ñiều khiển chương trình chính 47 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật v 3.5. Chạy mô phỏng chương trình 50 3.5.1. Các bước chạy chương trình (Phụ lục 2) 50 3.5.2. Kết quả mô phỏng 50 3.6. Thiết kế giao diện 51 3.6.1. Các bước thiết kế giao diện Win CC. 52 3.6.2. Giới thiệu phần mềm S7-200 PC ACCESS 54 3.6.3 ðiều khiển vòi phun thuốc sâu trên Win CC. 58 KẾT LUẬN 60 1. Kêt luận 60 2. Hướng phát triển 60 3. Giới hạn ñề tài 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Tạng thái cấp ñiện cho các cuộn dây 22 Bảng 2.2. Bảng thông số vòi phun 37 Bảng 3.1. Bảng phân công tín hiệu 39 Bảng 3.2. Bảng ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay 4 Hình 1.2. Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ 4 Hình 1.3. Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống 5 Hình 1.4. Mô hình hóa mô hình trồng rau 6 Hình 1.5. Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí 7 Hình 2.1. Mô hình hóa mô hình trồng rau 8 Hình 2.2. Nguyên lý chung hệ thống 9 Hình 2.3. Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến 10 Hình 2.4. Mô hình hệ thống phun thuốc sâu 11 Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét 12 Hình 2.6. Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224 14 Hình 2.7. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16 Hình 2.8. Cấu trúc cảm biến quang 17 Hình 2.9.Cảm biến E3F-DS10C4 17 Hình 2.10. Cảm biến màu BZJ- 211 19 Hình 2.11. ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 20 Hình 2.12. Cấu tạo ñộng cơ bước 23 Hình 2.13 ðộng cơ bước ñơn cực 24 Hình 2.14. ðộng cơ bước lưỡng cực 26 Hình 2.15. ðộng cơ bước nhiều pha 27 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 1 MỞ ðẦU 1. ðặt vấn ñề ðưa tự ñộng hóa vào trong các máy canh tác sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, ñây là một lĩnh vực nghiên cứu ñã ñược nhiều nước nông nghiệp phát triển trên thế giới quan tâm nhưng ở Việt Nam hiện nay còn tương ñối hạn chế. Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun thuốc bảo vệ thực vật có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí cây trồng ñể phun thuốc sẽ góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng làm việc của máy phun thuốc trừ sâu. Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu kiểu giàn phun (boom sprayer) mà các vòi phun của nó có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí của ñối tượng cây trồng, nhờ vậy máy có thể tiến hành phun thuốc chính xác trực tiếp lên cây trồng. Trong luận văn thạc sỹ của mình, tôi sẽ thực hiện ñề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun ”. Chính vì vậy tính cấp thiết của ñề tài tôi chọn ñề tài trên ñể giải quyết ứng dụng kỹ thuật tự ñộng hóa vào quá trình ñiều khiển vị trí vòi phun, cho phép giảm lượng thuốc bảo vệ thực vật phun thừa, tránh tác ñộng ñộc hại ñến con người, góp phần bảo vệ môi trường hướng ñến một nền nông nghiệp an toàn và chính xác. Chính vì vậy tôi chọn ñề tài trên ñể giải quyết các vấn ñề liên quan ñến tính cấp thiết của ñề tài. 2. Mục ñích nghiên cứu - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun. - Thiết kế giao diện ñiều khiển và giám sát vòi phun. [...]... ñi u khi n ðCB tùy bi n trong máy phun d ng giàn phun, t ñó ta có th nghiên c u, thi t k h th ng ñi u khi n ñ ng cơ bư c tùy bi n trong máy phun d ng giàn phun, n i dung này s ñư c trình bày chương 2 Trư ng ð i H c Nông Nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t 7 Chương 2: THI T K H TH NG ðI U KHI N ð NG CƠ BƯ C TÙY BI N TRONG MÁY PHUN D NG GIÀN PHUN 2.1 Xây d ng mô hình phun Trong mô hình tr... n ra phương pháp ñi u khi n b ng ñ ng cơ bư c - Nghiên c u t ng quan v ñ ng cơ bư c, căn c vào yêu c u k thu t ñ t ra ñ i v i v trí vòi phun, l a ch n lo i ñ ng cơ bư c phù h p - Nghiên c u các phương pháp ñi u khi n ñ ng cơ bư c dang tùy bi n theo th i gian, t ñó ch n ra phương pháp ñi u khi n phù h p - Nghiên c u, thi t k giao di n h th ng ñi u khi n v trí vòi phun Trư ng ð i H c Nông Nghi p Hà N... i v n hành máy phun b m c r t nhi u b nh ngh nghi p do ph i thư ng xuyên ti p xúc tr c ti p v i thu c phun, gây ra các nh hư ng x u tr c ti p ñ n s c kh e ngư i lao ñ ng và có di ch ng t i c th h sau Trư ng ð i H c Nông Nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t 3 Hình 1.1 M t s hình nh v s d ng bình phun thu c sâu bơm tay 1.2.2 Máy phun b ng máy ð i v i các thi t b phun có ñ ng cơ thì h u h... lư ng thu c không nh ñã không ñư c phun vào cây tr ng mà phun xu ng ñ t, ñây chính là m t trong các tác nhân gây ra nh hư ng x u c a thu c b o v th c v t t i môi trư ng Hình 1.2 M t s hình nh máy phun thu c có ñ ng cơ Trư ng ð i H c Nông Nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t 4 1.2.3 Phun t ñ ng T th c t trên có th nh n th y n u có th ch t o ra m t m u máy phun thu c b o v th c v t có kh năng... ñ ng xác ñ nh v trí cây tr ng ñ phun thu c s góp ph n r t l n vào vi c b o v môi trư ng, nâng cao ch t lư ng làm vi c c a máy phun thu c tr sâu Nh m ñáp ng ñư c yêu c u này, nhi m v ñ t ra là ti n hành nghiên c u thi t k và ch t o m t m u máy phun thu c tr sâu, mà các vòi phun c a nó có kh năng t ñ ng xác ñ nh v trí c a ñ i tư ng cây tr ng, nh v y máy có th ti n hành phun thu c chính xác tr c ti p lên... n, nên vi c phun các lo i thu c b o v th c v t tr c ti p vào cây tr ng ñ tiêu di t và phòng ch ng sâu b nh v n ñư c s d ng, ñ c bi t khi phát sinh d ch h i thì bi n pháp này v n mang l i hi u qu cao nh t 1.2 Các phương pháp phun cho lo i cây tr ng 1.2.1 Máy phun b ng tay Thi t b phun s d ng trong s n xu t nông nghi p Vi t Nam hi n nay ch y u là các bình bơm tay ho c các máy phun có ñ ng cơ ñeo vai,... ng cơ bư c có th ñư c coi là t ng h p c a hai lo i ñ ng cơ: ð ng cơ m t chi u không ti p xúc và ñ ng cơ ñ ng b gi m t c công su t nh ð ng cơ bư c ñư c chia làm hai lo i, nam châm vĩnh c u và bi n tr t (cũng có lo i h n h p) Các ñ ng cơ bư c r t phong phú v góc quay, ñ ng cơ kém nh t là quay 90 ñ m i bư c, có nh ng ñ ng cơ bư c nam châm vĩnh c u quay 1,8 ñ n 0,72 ñ m i bư c ð i v i c hai lo i ñ ng cơ. .. ng cơ mô t trên là lo i ñ ng cơ nam châm vĩnh c u hay h n h p m i bư c tương ng 30 ñ Cu n dây s m t c a ñ ng cơ ñư c ñ nh gi a c c trên và c c dư i c a stator trong khi cu n dây th 2 c a ñ ng cơ ñư c ñ nh gi a c c trái và ph i c a ñ ng cơ Rotor ñ ng cơ nam châm vĩnh c u này có 6 c c 3 nam và 3 b c ñư c s p xêp vòng tròn Cho ñ phân gi i c p cao hơn rotor ñ ng cơ ph i có nhi u c c hơn lo i ñ ng cơ 30... cơ bư c CðB 2 H th ng phun s chuy n ñ ng d c lu ng, khi c m bi n tác ñ ng (nh n ñư c cây VT 1) thì ñ ng cơ bươc CðB 1 d ng, ñ ng th i van m ñ phun thu c trong th i gian gi s là 10 giây, khi phun h t 10 giây thì van ñóng (ng ng phun) ðCB 2 làm vi c ñ y vòi phun P chuy n ñ ng theo phương ngang CD, khi c m bi n nh n bi t cây VT 2 thì c m bi n tác ñ ng thì ðCB 2 ng ng và van m ñ phun thu c (Gi s là tp)... ng cơ bư c ð ñi u khi n m t chuy n ñ ng quay thành chuy n ñ ng th ng thì có th s d ng ñ ng cơ ñi n xoay chi u, ñ ng cơ ñi n 1 chi u v i các ñ ng cơ này thì khi mu n d ng t i 1 v trí nào ñó m t cách chính xác thì khó ñi u khi n m t khác l i ph i s d ng gi i h n hành trình và hãm ð ng cơ bư c là m t ñ ng cơ cho phép d ng chính xác v trí, nó phù h p v i các bài toán ñi u khi n v trí do ñó 2 ñ ng cơ trong . cấp thiết của ñề tài. 2. Mục ñích nghiên cứu - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun. - Thiết kế giao diện ñiều khiển và giám sát vòi phun. . 6 Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 8 2.1. Xây dựng mô hình phun 8 2.2. Thiết kế phần cứng 11 2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình. khiển ðCB tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, từ ñó ta có thể nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, nội dung này sẽ ñược trình bày