Thiết kế hệ thống điều khiển gara ô tô trên nền công nghệ PLC

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp đất nước đặc biệt là sự phát triển của Công nghệ điện tử tin học. Có thể coi là một cuộc cách mạng công nghệ trên toàn thế giới. Ở nước ta, ngành kĩ thuật điện tử tin học đã được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kĩ thuật vi xử lí. Hiện nay, người ta đã sản xuất ra những thiết bị có thể lập trình được. Đó chính là thiết bị điều khiển có lập trình Programable Logic Controlle viết tắt là PLC.

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp đất nước đặc biệt là sự phát triển củaCông nghệ điện tử - tin học Có thể coi là một cuộc cách mạng công nghệ trên toàn thếgiới Ở nước ta, ngành kĩ thuật điện tử - tin học đã được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển

tự động, đặc biệt là kĩ thuật vi xử lí Hiện nay, người ta đã sản xuất ra những thiết bị cóthể lập trình được Đó chính là thiết bị điều khiển có lập trình Programable LogicControlle viết tắt là PLC

Ra đời năm 90, PLC có thể coi là một ứng dụng điển hình của mạch vi xử lí, chiếmđến 80% và trở thành xu thế mới trong điều kiện công nghiệp đang phát triển ở Việt Nam

So với quá trình điều khiển bằng mạch điện tử thông thường thì PLC có nhiều ưư điểmhơn hẳn, ví dụ như: Kết nối mạch điện đơn giản, rút ngắn được thời gian lắp đặt côngtrình, dễ dàng thay đổi công nghệ nhờ việc thay đổi nội dung chương trình điều khiển,ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng, độ tin cậy cao

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất bộ điều khiển lập trình (Omron,Siemens, ABB, Misubishi ) với nhiều ứng dụng: Tự động hoá quá trình công nghệ cungcấp vật liệu cho quá trình sản xuất, tự động hoá các máy gia công cơ khí, điều khiển hệthống trạm bơm, điều khiển các thiết bị thuỷ lực và khí nén, tự động hoá quá trình lắp rápcác linh kiện điện - điện tử, điều khiển thang máy, hệ thống đèn giao thông Ngày nay có

rất nhiều nhà cao tầng, hầm mỏ… xuất hiện làm cho diện tích đất ở ngày càng thu hẹp, xengày càng nhiều vì vậy không có diện tích để xe Để giải quyết vấn đề này người ta xâydựng các ga ra với các hệ thống điều khiển khác nhau.Trong phạm vi đồ án môn học nàytái dựng thiết bị lập trình PLC để viết chương trình cho hệ thống điều khiển ga ra.

Thiết bị khả trình PLC mà tôi sử dụng để viết chương trình điều khiển trong đồ án này

là PLC của Siemens Trong quá trình làm đồ án cũng gặp nhiều khó khăn, nhưng được sự hướng dẫn cô hướng dẫn em đã hoàn thành đồ tôi đã án này

Xin chân thành cảm ơn!

hệ thống PLC.Nó thường được xây dựng ở dưới các nhà cao tầng,khách sạn nhà hàng…1.2– Khái niệm chung về Ga ra ô tô.

-Ga ra: là nơi đậu xe rãi cho ô tô

Trong thực tế ga ra được sử dụng rộng rãi và điều khiển bằng hệ thống PLC

-Các bộ phận chủ yếu: động cơ, cảm biến,công tắc hành trình

1.3 – Yêu cầu chung của ga ra:

- Dễ điều khiển, làm việc tin cậy

- Các thiết bị phải có độ bền cao và tuổi thọ vận hành lớn

- Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bi

- Các cảm biến phải báo chính xác

- Vốn đầu tư phù hợp

- Chi phí vận hành thấp.

1.4 – Yêu cầu công nghệ

Với yêu cầu của bài toán lập trình điều khiển gara :

- Xe được chia làm 2 bãi đỗ riêng và số lượng là hữu hạn: chiều cao <2m đỗ bãi 1,

>=2m đỗ bãi 2

-Mỗi bãi xe có 2 cửa ra vào được điều khiển độc lập: Cửa vào bị đống khi bãi đỗ đã đầy, cửa ra dóng khi bãi đỗ xe trống Hai cửa này khi nâng, hạ đều có hạn định

Có một màn hình HMI dung để hiển thị số xe thực tế đang có trong bãi

Giải quyết bài toán :với yêu cầu của bai toán như trên ta làm như sau :

- Phân luồng xe :

+ Để phân loại xe ta dùng 1 cảm biến quang CBQ1 dặt ở độ cao 2m

+ Ta sử dụng một hệ thống cửa như sau:cửa này có tác dụng là phân luồng xe,cửanày khi hệ thống bắt đầu hoạt động thì nó đang ở vị trí đóng cửa không cho xe vào bãi2,mở cho xe vào bãi 1.Khi xe vào gara có chiều cao nhỏ hơn 2m thì xe không bị cảmbiến quang phát hiện, xe sẽ đi vào được bãi 1.khi xe có chiều cao bằng hoăc lớn hơn2m thì bị cam biến quang phát hiện,cảm biến này sẽ tác động tơi động cơ 1 mở cửa bãi

2 cho xe vào bãi 2,đồng thời cửa này cũng đóng cửa bãi 1 lại không cho xe vào Đểhạn chế đóng mở cửa này ta dùng 2 công tăc hành trình,công tắc hành trình CTHT1(thường đóng), công tắc hành trình CTHT 2(thường mở).Khi xe đi vào bãi 2 thì cảmbiến quang CBQ2 phat hiện ra lệnh cho PLC đóng cửa lại

- Xử lý cho bãi 1 :để nhận biết số xe trong bãi 1 ta lắp hai cảm biến CBQ3 ở cổngvào và CBQ4 ở cổng ra.Để đóng mở vào cửa bãi 1 ta dùng hệ thông cửa cuốn.Để hạnchế đóng mở vào ta dùng hai công tắc hành trình CTHT 3 (thường đóng), CTHT4(thường mở).Nếu trong bai có đủ 10 xe thì PLC ra

lệnh đóng cửa vào (giả sử bãi chứa 10 xe).Khi cửa đóng đến CTHT 4 thì dừngđóng Nếu trong bãi có ít hơn 10 xe thì PLC ra lệnh mở cửa vào.Nếu trong bãi trốngthì PLC ra lệnh đóng cửa ra bãi 1,,tương tư cửa vào để khống chế đóng mở cửa ra tadùng hai công tắc hành trình CTHT 5 (thường đóng), CTHT 6(thường mở) Khi cửa rađóng đến CTHT 6 thì dừng đóng Nếu trong bãi có xe thì PLC ra lệnh mở cửa ra,khicửa mở tới CTHT 5 thì dừng mở

Xử lý cho bãi 2 cũng tương tự bãi 1 : để nhận biết số xe trong bãi 1 ta lắp hai cảmbiến CBQ5 ở cổng vào và CBQ6 ở cửa ra.Để đóng mở vào cửa bãi 1 ta dùng hệ thôngcửa cuốn.Để hạn chế đóng mở vào ta dùng hai công tắc hành trình CTHT 7 (thườngđóng), CTHT 8 (thường mở).Nếu trong bãi có đủ 10 xe thì PLC ra lệnh đóng cửa vào(giả sử bãi chứa 10 xe).Khi cửa đóng đến CTHT 8 thì dừng đóng Nếu trong bãi có íthơn 10 xe thì PLC ra lệnh mở cửa vào,cưa vào bai 2 đong mở đến CTHT 7 thì dừngmở.Nếu trong bãi trống thì PLC ra lệnh đóng cửa ra bãi 2 ,tương tự cửa vào để khốngchế đóng ,mở cửa ra ta dùng hai công tắc hành trình CTHT 9 (thường đóng), CTHT 10(thường mở) Khi cửa ra đóng đến CTHT 10 thì dừng đóng Nếu trong bãi có xe thìPLC ra lệnh mở cửa ra,khi cửa mở tới CTHT 9 thì dừng mở

- Khi nhấn stop thì hệ thống dừng

CBQ 1

CTHT 1 CTHT 2

CBQ 2 Cửa

CTHT 10 CTHT 9

Sơ đồ công nghệ của bãi đỗ xe

- Cảm biến quang: để nhận biết số xe vào ra.

- Công tắc hành trình:dung để hạn chế quá trình đóng mở cửa

- Màn hình hiển thị TD200

2.1.1- Động cơ một chiều

2.1.1.1-Cấu tạo của động cơ một chiều

Kết cấu của động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính là: phần tĩnh và phần quay

Nhiệm vụ chính của cực từ chính và dây quấn kích từ tạo ra từ thông chính trong máy

- Cực từ phụ :

Cực từ phụ thường làm bằng thép khối đặt xen kẽ giữa các cực từ chínhvà dùng để cải thiện đổi chiều (đặt trên đường trung tính hình học) Xungquanh cực từ phụ có dây quấn

cực từ phụ Dây quấn cực từ phụ được đấunối tiếp với dây quấn phần ứng (dây quấn Roto)

Nhiệm vụ của cực từ phụ là để làm giảm sự xuất hiện tia lửa điện trên bềmặt chổi than

Ÿ Phần quay hay Roto (phần ứng)

- Lõi sắt phần ứng

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường làm bằng lá thép kĩ thuật điện dầy

0.5(mm) phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn haodo dòng điện xoáy gây nên.Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi éplại thì đặt dây quấn vào

- Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là thành phần sinh ra sức điện động và có dòng điệnchạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Dây quấn được bọc cách điệncẩn thận với rãnh của lõi thép

- Cổ góp

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòngđiện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép cáchđiện với nhau Bề mặt cổ góp phải được gia công với độ nhẵn bang cao để đảm bảo tiêp xúc giũa chổi than và cổ góp

Cổ góp đặt đồng tâm với trụcquay để hạn chế phát sinh tia lửa điện

- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy

+ Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ bi.Trụcmáy thường làm bằng thép cácbon tốt

2.1.1.2-Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều hoạt đông dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.Khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm chodây dẫn chuyển động ,chiều của từ lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

* Nguyên lý: Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ , sẽ tạo ra từtrường tác dụng một lực từ vào các dây dẫn của rôto khi có dòng chạy qua sẽtạo mô men làm quay rôto 2.1.1.3-Điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Từ phương trình đặc tính cơ :

Ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

Ÿ Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ và giữ từ thông φ = φđm = const , điện trở R = Rư

Khi giảm điện áp thì :

Ÿ Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi từ thông trong mạch

kích từ động cơ

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từcủa động cơ qua

một điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp

giảm từ thông φ và vẫn giữ điện áp U = Uưđm , điện trở R = Rư và cũng không được

dm

Hình 2

+ Nhận xét : Như vậy khi giảm từ thông thì tốc độ không tải tăng lênnhưng độ xụt tốc độ tăng gấp 2 lần Do đó ta thu được họ các đường đặc tínhcơ có độ dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn Vì vậy càng giảm từ thôngthì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơcàng tăng, tốc độ động cơ cànglớn Độ cứng đặc tính cơ giảm Phương pháp này rất kinh

tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1 ÷ 10)% dòng định mức phần ứng

Ÿ Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

Trong thực tế người ta thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ :

R = RƯ + Rf , và giữ điện áp U = Uđ m , từ thông φ = φđm = const

Ta có :

Hinh 3

+ Nhận xét : Khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ thì độ

dốc đặc tính cơ càng lớn ,đặc tính cơ mềm và độ ổn định tốc độ càng kém

sai số tốc độ càng lớn Tốc độ không tải không đổi và = ω

0, còn độ xụt tốc

độ Δω tăng Khi đó ta được họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua

điểm tốc độ không tải (0, ω

0) và độ rốc tăng khi điện trở Rf càng lớn,tức là

độ cứng của đặc tính cơ giảm

KẾT LUẬN : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ

điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện

một chiều bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt

nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không

đổi ,điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao

2.1.1.2-Đảo chiều động cơ một chiều

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì lực từ có chiều ngược lại

Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách sau:

-Hoặc đảo chiều từ thông(bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ)

-Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Ÿ Ở đây chúng ta sử dụng động cơ: động cơ DC EXCEM 24V 300W

có xuất xứ từ Excem – Korea

Ÿ Cấu tạo chung cảm các biến quang gồm:có một bộ phát quang và 1 bộ thu quang -Bộ phát quang có thể sử dụng ánh tia hồng ngoại,ánh sang đỏ,lazer.

-Bộ thu quang có thể sử dụng tranzitor quang,diode quang Ÿ Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang như sau:tín hiệu quang từ bộ phát quang không bi cản nó vẫn truyền tới bộ thu bộ thu giữ nguyên trạng thái đầu khi có vật cản đường truyền tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu,bộ thu sẽ chuyển trạng thái đầu ra

Với yêu câu của bài đề tài ta chọn loại cảm biến quang:

Hình ảnh cảm biến quang

E3JK của hãng OMRON có các th ông số kỹ thuật :

Cảm biến quang điện thông dụng loại nhỏ, đầu ra rơle, nguồn cấpdải rộng

Có sẵn bộ khuếch đại cho phép dải nguồn cấp rộng

- Kích thước nhỏ gọn 50 x 50 x 17,4 mm

- Ngõ ra rơ-le với tuổi thọ cao và dòng đóng mở đến 3A, 250 VAC

- Loại phản xạ gương với chùm tia phân cực cho phép phát hiện vật thể bóngloáng (dạng gương)

Khi bộ phận đó di chuyển đến những vị trí này tác động tí công tắc hành trình,coong tắc hành trình sẽ phát những tín hiệu điều khiển hệ thống đến nhưng trạng thái làm việc mới.Ví dụ như đặt các công tắc hành trình cuối cùng để hạn chế hành trình may doa,cầu

trục,hạn chế quá trình đóng mở cửa…,hoăc dặt các công tắc hành trình để đảo chiều, giảmtốc độ cho may cắt giấy.

Với yêu cầu của đề tài ta sử dụng công tắc hành trình :HL 5050 của hãng OMRON

TD 200 là một thiết bị hiển thị text giao tiếp với người vận hành.Thiết bị này chỉ dung

giao tiếp với họ PLC S7 200

TD 200 là một bộ hiển thị có thể giao tiếp trực tiếp với CPU sử dụng cáp RS 485 hoặcmodule mở rộng EM 277

2.1.4.1-Một số đặc tính của TD 200

-hiển thị các tin nhắn và các biến của PLC.

-Cho phép điều khiển các biến trong chơng trình

-Có khả năng cài đặt thơi gian thực của PLC

2.1.4.3-Cổng giao tiếp TD 200 và PLC.

Cổng RS485 ,9 chân giao tiếp giữa TD 200 và PLC qua cáp TD/CPU

2.1.4.4-Nguồn cung cấp

Nguồn cung cấp cho TD 200 là 24VDC.Có thể cấp cho TD200 theo 2 cách:

-Nguồn cấp chung:cấp nguồn cho TD 200 thông qua cáp TD/CPU(chiều dài 2.5m)

- Nguồn cấp riêng : cấp nguồn cho TD 200 thông qua đầu nối bên ngoài TD200 đươc sửdụng khi khoang cach giữa TD200 và CPU lớn hơn 2.5m

Lưu ý không dùng nguồn cấp chung và cấp riêng cùng một lúc như thế sẽ làm hỏng thiếtbị

phải thực hiện việc định dạng bằng Wizard.

Các bước thực hiện Wizard:

Bước 1: khởi động chương trình Step 7 microwin,trên thanh menu chọn tool ,chọnTD200 Wizard

Bước 2:chọn ngôn ngữ và kiểu kí tư hiển thị

Bước 3:lựa chọn các chưc năng timer,force,password.

-Tốc độ giao tiếp giữa PLC và TD200 nên chọn as fast as possible

Bước 5:chọn cửa sổ message và số kí tự hiển thị trên 1 message

Bước 6:chọn vùng sV để định dạng cho TD200

Ta cần quan tâm tới các thông số sau:

-Đia chỉ vùng định nghĩa cho các thông số của TD200,vùng này thường chứa 12 byte hay

14 byte(tùy vao kí tự hiển thị trên TD200 ) trong vun nhớ V

-Đia chỉ vùng nhớ hiển thị message trên TD200.Mỗi message có 1 bit tương ứng để cho phép message có được hiển thị hay không.Khi bit được set băng chương trình S7 200 thì message

tương ứng sẽ được hiển thị trên TD200.ngược lai khi bit bị reset thì message tương ưng

sẽ bị mất

Địa chỉ vung nhớ thông tin cuả message.Mỗi kí tự trên message se có 1 địa chỉ byte tương ứng trên PLC,điêu này có nghĩa la ta muốn hiển thijbao nhiêu kí tự trên message thí ta phai mất đi số byte tương ứng của vung nhớ V trên S7 200 để lưu trữ thông tin của message

Bước 7: tạo các message Mỗi message có thể có moptj trong các chức năng sau :hiển thi text,hiển thị các biến trên PLC,cho nhập các giá trị vào các biến của chương trình, yêu cầu

sự xuất hiện của message

-Message 1 : gồm 40 kí tự bắt dầu từ địa chỉ VB40, bit điều khiển cho hiển thị Message làV14.7

Sau khi định dạng xong Message 1 ta nhấn vào nút next để vào Message 2

Message 2 : gồm 40 kí tự bắt dầu từ địa chỉ VB80, bit điều khiển cho hiển thị Message là V14.6

Trên hộp thoại này ta phải khai bao cac phàn sau:

-Định dạng dữ liệu: ở đây ta co 3 lựa chọn là không có dữ liệu,dữ liệu dạng word và dữ liệu dạng double

- Kiểu hiển thị là có dấu hoăc không có dấu

-chọn số kí tự hiển thị bên phải dấu chấm

-cho phép nhập giá trị hayhay yeu cầu xác nhận Message hay không

Sau khi khi bao xong thì ta nhấn ok để trở về hôp thoại trước đó

Lúc này hộp thoại sẽ có 4 ô được bôi xám

Tiếp theo muốn nhập vào một biến của chương trình thì ta đặt con trỏ vào vị trí muốn nhập,sau đó nhấn Embedded Data, hộp thoại như trên lại xuât hiện

Như hộp thọai trên; ta chọn kiểu dữ liệu Double Word, kiểu hiển thị Real, có 1 chữ số hiển thị sau dấu chấm, địa chỉ của dữ liệu là VD116.

Ngoài ra, muốn nhập giá trị vào biến của chương trình thì ta check vào lựa chon cho phép nhập dữ liệu (User is allowed to edit this data) Sau khi check vào lựa chon thì hộp thoại thông báo cho ta biết bit xác nhận sau nhập dữ liệu (trên hộp thoại là V114.2) Nếu ta muốn người vận hành cần nhập password khi thay đổi biến của chương trình thì

ta check vào lựa chọn Should the user edit or data be Password-protected ?

Sau khi thực hiện xong các khai báo ta nhấn OK xác nhận và trở về hộp thoại trước đó

Lúc này trên hộp thoại sẽ có thêm 6 ô(tức là 6 byte) bị bôi đen.

Lưu ý : khi ta muốn cho hiển thị hay nhập một giá trị vào các biến của PLC thì trước tiên ta phải gắn các giá trị này vào message bằng cách đặt con trỏ vào vị trí thích hợp và nhấn nút Embedded Data trên hộp thoại Sau đó khai báo kiểu dữ liệu, kiểu hiển thị và cáclựa chọn ; TD200 sẽ dành 2byte để lưu những khai báo này

-Message 3:yêu cầu người vận hành xác nhận khi Message xuất hiện Message3 gồm 40

kí tự bắt dầu từ địa chỉ VB120, bit điều khiển cho hiển thị Message là V14.5:

Đặt con trỏ vào mũi tên sau do nhấn Embedded Data,một hộp thoại xuất hiện

Ta check và lựa chọn yêu cầu xác nhận,sau đó nhấn ok dể quay về hộp thoại trước

Lúc này trên hộp thoại có 2 ô được bôi đen đây chính là hai byte dung để định nghĩa.và trên hộp thoai cung cho ta bit xác nhận là V158.1,bit nay sẽ đươc set nên 1 khi ta ấn enter

- Số đầu vào/ra có sẵn: 24 DI / 16DO.

- Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng: