Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều kiển hệ thống xi lanh khí nén trong phòng thí nghiệm bằng PLC s7 300 của hãng siemens

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: Cùng sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngàynay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén sử dụng trong trongphòng thí nghiệm, máy mó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP–ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Phan Xuân Minh

Phản biện 1: PGS.TS Lại Khắc Lãi

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 14 giờ 15’, ngày 17 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

-Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:

Cùng sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngàynay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén sử dụng trong trongphòng thí nghiệm, máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vựccông nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máydập, máy xây dựng, máy ép phun, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyềnchế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điềukhiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏgọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết

bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện Để giúp chocông tác đào tạo tại Trường Đại học Công nghiệp Việt-Hung tronglĩnh vực tự động hóa, tiếp cận nhanh chóng với các thiết bị của hệthống điều khiển khí nén trong việc khai thác các thiết bị phục vụcho công tác giảng dạy của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpThái Nguyên và các trường ĐH, CĐ trên địa bàn Hà Nội học viên

chọn đề tài: “Điều kiển hệ thống xi lanh khí nén trong phòng thí

nghiệm bằng PLC S7-300 của hãng Siemens” Với đề tài này học

viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng Siemens, thực hànhthiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tượng côngnghiệp (cụ thể là đối tượng hệ thống khí nén) bằng các thiết bị vàcông cụ phần mềm của trường Cao đẳng Nghề Cơ Điện Hà Nội

2 Mục đích nghiên cứu

Trang bị cho học viên các kiến thức và phương pháp mô hìnhhóa đối tượng bằng thực nghiệm Sử dụng thành thạo công cụ nhận

dạng hệ thống của phần mềm Matlab để mô hình hóa đối tượng điềukhiển tuyến tính với độ chính xác tương đối cao

Khai thác sử dụng các module điều khiển quá trình của STEP7

và nâng kỹ năng lập trình hệ thống điều khiển

Về lý thuyết trang bị cho học viên các phương pháp thiết kế bộđiều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kếphù hợp cho đối tượng điều khiển

Đề tài này giúp cho học viên ngành điện phần nào hiểu đượccách thức hoạt động của các thiết bị khí nén đồng thời ứng dụng PLCvào điều khiển chúng Đề tài được trình bày theo dạng các bài thínghiệm, học viên sau khi nắm vững lý thuyết, sẽ thực hành theo cácdạng bài tập thí nghiệm Các bài thí nghiệm được viết theo trình tự từ

dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp nằm giúp học viên dễ dàngnắm bắt bài học hơn Đề tài này được thực hiện trên bộ thí nghiệmkhí nén của hãng SIMEN đề tài giới thiệu cho sinh viên các thiết bị

và các thức hoạt động của các thiết bị, tự động điều khiển các thiết bịbằng PLC, giúp học viên có kiến thức căn bản nhất về khí nén và đây

là một đề tài mới mẻ đối với học Trong quá trình nghiên cứu xâydựng bài thực tập do kiến thức còn hạn chế chắc chắn không tránhkhỏi những sai sót, kính mong quí Thầy, Cô cùng các bạn học viênđóng góp ý kiến để xây dựng đề tài tốt hơn

3 Nội dung trình bày luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1: Mô tả thiết bị quá trình của bàn thí nghiệm

Chương 2: Thiết kế hệ thống mạng PROFIBUS với STEP7

Chương 3: Viết chương trình điều khiển, khảo sát thực nghiệm

Viết phần mềm điều khiển tương ứng cho các modul này.Kết nối hệ thống hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ :

Đưa ra các nhận xét, đánh giá về hệ thống, những điểm đạtđược và những hạn chế, điểm chưa đạt được của đề tài Nêu kiếnnghị bản thân và các đề xuất hoàn thiện hệ thống cũng như hướngphát triển của đề tài

Chương 1: MÔ TẢ THIẾT BỊ QUÁ TRÌNH CỦA BÀN THÍ

NGHIỆM 1.1 Các thiết bị cảm biến của quá trình

1.1.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

1.1.1.1 Đặc điểm:

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Tốc độ đáp ứng nhanh

Đầu sensor nhỏ, có thể lắp ở nhiều nơi

Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

1.1.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)

Hình 1.4 Vài loại cảm biến tiệm cận điện cảm của Siemens

Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hìnhdạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau Cảm biếntiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại(loại cảm biến này không thể phát hiện các đối tượng có cấu tạokhông phải là kim loại)

1.2 Các thiết bị chấp hành của quá trình

1.2.1 Van khí

Hình 1.25 Van lọc khí nén

1.2.1.2 Van điều chỉnh áp suất:

Nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều chỉnh, mặc dù

có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường ra hoặc sựdao động của áp suất ở đầu vào Áp suất ở đầu vào luôn luôn là lớnhơn áp suất ở đầu ra (hình 1.26)

Hình 1.26 Cấu tạo van điều chỉnh áp suất

1.2.1.3 Van tra dầu:

Được sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bịtrong hệ thống điều khiền khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mòn và

sự gỉ (hình 1.27)

Hình 1.27 Cấu tạo van tra dầu

1.2.1.4 Phần tử điều chỉnh

Trong hệ thống điều khiển khí nén, ngoài cơ cấu biến đổi nănglượng, phần tử đưa tín hiệu và xử lý tín hiệu ra, còn có nhiều cơ cấu điềukhiển và điều chỉnh làm các nhiệm vụ khác nhau Tùy thuộc vào nhiệm

vụ của hệ thống mà các cơ cấu này chia ra làm 3 loại chủ yếu:

1.2.1.5 Cơ cấu chỉnh áp

Cơ cấu chỉnh áp dùng để điều chỉnh áp suất, có thể cố định hoặctăng hoặc giảm trị số áp suất trong hệ thống truyền động khí nén - thủylực Cơ cấu chỉnh áp có các loại phần tử sau:

Hình 1.28 Van an toàn

1.2.1.6 Cơ cấu chỉnh lưu lượng.

Cơ cấu chỉnh lưu lượng để xác định lượng lưu chất chảy qua

nó trong một đơn vị thời gian và như vậy sẽ làm thay đổi vận tốcdịch chuyển của cơ cấu chấp hành trong hệ thống lưu chất làm việcvới bơm tạo năng lượng với lưu lượng cố định

Hình 1.32 Mô tả van tiết lưu được lắp ở đường ra của xy lanh dầu.

1.2.1.7 Cơ cấu chỉnh hướng.

Cơ cấu điều khiển là loại cơ cấu điều khiển dùng để đóng,

mở, nối liền hoặc ngăn cách các bộ phận của hệ thống khí nén Cơcấu chỉnh hướng thường dùng các loại sau đây:

a Động cơ bánh răng (gear motor)

Động cơ bánh răng được phân thành 3 loại: động cơ bánh răngthẳng, động cơ bánh răng nghiên, động cơ bánh răng chữ V

Hình 1.52 Động cơ bánh răng

b Động cơ cánh gạt (rotate motor)

Xy lanh màng có hành trình dịch chuyển lớn nhất (hmax = 80)nên được dùng trong điều khiển, ví dụ trong công nghiệp ô tô (điềukhiển thắng, li hợp…), trong công nghiệp hóa chất (đóng mở van).

b Một số loại Xi lanh đặc biệt

 Xy lanh lồng

Xy lanh lồng là một loại xy lanh lực gồm nhiều xy lanh vàpít tông lồng đồng tâm với nhau Khoảng chạy của xy lanh lồng làbằng tổng khoảng chạy của các pít tông

Hình 1.66 Sơ đồ kết cấu xy lanh lồng hai xy lanh.

1.4 Phát biểu các bài toán điều khiển

1.4.1 Các loại tín hiệu điều khiển:

Trong điều khiển khí nén nói chúng ta sử dụng hai loại tín hiệu:

 Tín hiệu tương tự:

2.1 Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với

Các Master trong phương thức PROFIBUS cũng được gọi làcác trạm tích cực (Active Node)

Slave

PROFIBUS-Slaves là các thiết bị ngoại vi I/O như các cơcấu chấp hành, Sensor, bộ chuyển đổi đo, nó không giữ quyền truycập Bus, nó chỉ nhận và gửi thông báo (data) tới Master khi có yêucầu Các Slave cũng được gọi là các trạm thụ động (passive node)

Hình 2.1 Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với SIMATIC S7

2.1.1 PROFIBUS - Master

Các hệ thống S7-300 cũng như S7-400 có thể nối vàoPROFIBUS như là các Master qua các CPU có tích hợp giao tiếpPROFIBUS-DP hoặc các CP (Communication Processing)

Các CPU có tích hợp giao tiếp PROFIBUS-DP cho phép cấuhình các hệ thống tự động hoá phân tán với tốc độ truyền lớn nhất 12Mbaud

Hình 2.2: Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với SIMATIC

Vùng địa chỉ lớn nhất cho mỗi ET 200M: 128/128 Byte ngõ vào ra với tốc độ truyền lớn nhất là 12 Mbaud

2.1.3 Điện trở đầu cuối

PROFIBUS chỉ được nối đúng, khi nguồn cung cấp của cáctrạm có đặt điện trở đầu cuối được thực sự đóng mạch Nếu không cóđiện trở đầu cuối thì PROFIBUS có thể nối qua điện trở đầu cuối tíchcực RS 485 (6ES7972-0DA00-0AA0) Sau đó điện trở đầu cuối nàyđược cung cấp nguồn cố định tách rời với nguồn của các thành phầnI/O khác hoặc được cấp nguồn trước I/O

Hình 2.3 Các vị trí lắp đặt điện trở đầu cuối.

2.2.3 Thiết lập cấu hình hệ thống DP-Slave

Để cấu hình một DP-Slave, tiến hành theo các bước sau:

1 Chọn Compacten DP-Slave mong muốn (thí dụ: ET200B) hoặc các modul giao tiếp (thí dụ: IM153 cho ET200M) cho một modular Slave từ "Hardware catalog"

2 Kéo ký hiệu mong muốn từ "Hardware catalog" thả vào

ký hiệu Mastersystem Hộp thoại “Properties -

PROFIBUS Nodes" được mở ra ở đây có thể đặt:

- Tính chất của PROFIBUS-Subnet (thí dụ: Baudrate, ).

- Địa chỉ PROFIBUS của các DP-Slave

3 Xác nhận bằng "OK" Một bảng cấu hình xuất hiện, biểu diễn thành phần I/O của compact Slaves cũng như giá đỡ modul của modular Slaves

4 Bây giờ hãy chèn các modul mong muốn của modular Slave từ "Hardware Catalog" vào bảng cấu hình

DP-Sau đó đặt các địa chỉ và thông số của các modul tương tự như cho CPU

Hình 2.5 Cách thiết lập một hệ thống DP-slave với phần mềm STEP

7

Chương 3: TỔNG HỢP BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ

TRÌNH, VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, KHẢO SÁT THỰC

NGHIỆM 3.1 Giải pháp phần cứng

Bàn thí nghiệm điều khiển được ghép nối các trạm với nhau đểtổng thành cho một quá trình sản xuất Khối tự động linh hoạt đượccấu thành từ sự kết nối giữa các nhóm ngành khác nhau như điện,điện tử và bảo trì bảo dưỡng như:

- Lắp đặt, bảo trì điện cơ khí và băng chuyền

- Bảo trì thiết bị công nghiệp

- Các hệ thống điều chỉnh và điều khiển tự động

Hệ thống cho phép phát triển các kỹ năng khác nhau kết hợpgiữa khí nén, điện - khí nén, điện, robot và điều khiển tự động, côngnghệ PLC và lập trình, truyền thông công nghiệp, giám sát, điều khiểnđặc tính và chuẩn đoán và sửa chữa lỗi

Hệ thống bao gồm các khối tự động linh hoạt có thể thực hiện xử

lý lắp đặt với các thiết bị có sẵn với tổng số 24 các khả năng khác nhau.Các linh kiện được di chuyển giữa các trạm khác nhau nhờ 8mbăng chuyền với các điểm dừng tương ứng và khay nâng định vịchính xác Linh kiện được đặt trên khay nâng

Các trạm xử lý hoạt động không phụ thuộc vào hệ thống băngchuyền hay các bộ phận tích hợp bên trong nó Các trạm được sắpxếp quanh băng chuyền và có thể thu hồi, tái định vị, di chuyển chocác phần lắp đặt sau hay có thể làm việc ở chế độ hoàn toàn độc lập

và ổn định

Mỗi trạm có các bảng điện điều khiển riêng, ở đó hệ thống dâydẫn và PLC cho khả năng quan sát toàn diện phục vụ nghiên cứu,trong khi các thành phần mới cũng có thể được gắn trên bảng nếu cần

Bảng điều khiển điện này cũng có thể làm hoàn toàn độc lập tại mỗitrạm dùng cho đào tạo lập trình Ngoài ra, học viên có thể thiết kế vàxây dựng hệ thống điều khiển riêng của họ với các PLC khác nhau vàsau đó tích hợp chúng vào trạm, qua đó phát triển các kỹ năng mớitrong các kỳ đào tạo.

Quá trình lắp đặt thực hiện tuần tự như sau:

Trạm 1: Cấp phôi để lắp đặt các linh kiện khác

Trạm 2: Lựa chọn và định vị ổ bi

3.2 Trạm cấp phôi để lắp đặt các linh kiện khác

3.2.1 Yêu cầu bài toán truyền thông

Viết chương trình điều khiển ghép nối mạng hai trạm cấp và định vị phối với trạm cấp và định vị ổ bi sử dụng mạng truyền thông công nghiệp profibus

* Yêu cầu công nghệ của các trạm cấp và định vị phối

Hình 3.1

tục bị chặn lại, nó được kích nâng bởi xilanh và định tâm tại 4 chốtgiống nhau (4 chốt này ăn khớp vào các lỗ ở mặt dưới tấm nâng) 3.4 Thiết lập bảng Symbol:

- Trạm kiểm tra:

Hình 3.4

- Viết chương trình cho trạm kiểm tra:

3.5 Viết chương trình điều khiển trạm:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài “Điều kiển

hệ thống xi lanh khí nén trong phòng thí nghiệm bằng PLC S7-300 của hãng Siemens”, học viên đã thực hiện được các kết quả cơ bản sau

đây:

- Tìm hiểu các thiết bị quá trình của một hệ thống thủy lực khí nén

- Tìm hiểu mạng truyền thông công nghiệp do hãng Siemens cung cấp

- Mô hình hóa hệ thống tích hợp linh hoạt FMS 300 của hãng

SMC “ Công đoạn lắp ghép gia công phôi đóng ổ” trong phòng thí

nghiệm của trường Cao đẳng Nghề Cơ Điện Hà Nội bằng phươngpháp thực nghiệm

- Lập trình gói phần mềm điều khiển hệ thống xi lanh khí nénbằng phần mềm STEP 7

- Cài đặt phần mềm, chạy thử và kiểm tra thống điều khiển tựđộng bàn thí nghiệm xi lanh khí nén bằng hệ PLC Siemens

- Kết quả nghiên cứu này góp phần vào việc chế tạo các thiết bị

tự động trong các nhà máy gia công lắp ráp ô tô, xe máy, đóng góisản phẩm, dây chuyền sản xuất xi măng

2 Kiến nghị và hướng phát triển

Để đề tài có tính ứng dụng cao hơn và sản phẩm thực sự đemlại giá trị sử dụng thì cần phải thực hiện các công việc tiếp theo sau:Đầu tư thêm thời gian và kinh phí để hoàn thiện các chương trìnhđiều khiển cho các modul có thể giám sát SCANDA truyền thông trongcông nghiệp;

Để có thời gian và điều kiện nghiên cứu học viên mong muốnứng dụng để thực thi cho hệ thống gia công được nhiều chất liệukhác nhau, có màn hình giám sát hệ thống và có thể kết nối truyềnthông qua mạng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hoàng Minh Sơn: Hệ thống điều khiển quá trình NXBĐHBK HN

[2] Nguyễn Doãn Phước: Hệ thống điều khiển tuyến tính.NXB KH & KT

[3] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp NXB