Ứng dụng PLC trong điều khiển servo khí nén trên các thiết bị công nghiệp

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - LUN VN THC S KHOA HC NGNH C KH NG DNG PLC TRONG IU KHIN SERVO KH NẫN TRấN CC THIT B CễNG NGHIP NGUYN THY DNG Ngi hng dn Lun vn: PHM VN HNG H Ni, 2010 Lun thc s khoa hc LI CAM OAN Tụi xin cam oan nhng nghiờn cu v kt qu t c lun l bn thõn tụi thc hin di s hng dn ca giỏo viờn hng dn khoa hc v cỏc ti liu tham kho trớch dn Hc viờn Nguyn Thựy Dng Lun thc s khoa hc MC LC LI CAM OAN LI CM N DANH SCH HèNH V DANH SCH BNG BIU .7 LI NểI U CHNG I:TNG QUAN KH NẫN 10 1.1 S phỏt trin ca khớ nộn 10 1.2 c trng ca khớ nộn 10 1.3 H truyn ng khớ nộn 11 1.3.1 u nhc im ca h thng 11 1.3.2 Cu trỳc ca h truyn ng khớ nộn 12 1.3.3 ng hc v nhit ng hc cỏc h truyn ng khớ nộn 18 1.3.4 Tn tht h thng khớ nộn 29 1.3.5 ng dng ca h truyn ng khớ nộn 34 CHNG II: H THNG SERVO KH NẫN 36 2.1 Gii thiu h thng servo 36 2.1.2 H thng servo in 38 2.1.3 H thng servo thy lc 40 2.1.4 H thng servo khớ nộn .43 2.2 Xõy dng mụ hỡnh h thng khoan servo khớ nộn ng dng khai thỏc m Viờt nam .54 2.2.1 Phõn tớch v la chn 54 2.2 Xõy dng mụ hỡnh h thng khoan servo khớ nộn .59 2.2.3 Cỏc phn t iu khin .62 2.2.4 Phn t x lý tớn hiu 64 CHNG III: NG DNG PLC IU KHIN SERVO KHOAN KH NẫN TRONG KHAI THC M 66 3.1 iu khin PLC .66 3.1.1 PLC 66 Lun thc s khoa hc 3.1.2 Cu trỳc c bn ca PLC 66 3.2 B iu khin PLC S7 200 70 3.2.1 Cu trỳc chung 71 3.2.3 Cu trỳc b nh S7-200 72 3.3 iu khin h thng .74 3.3.1 Nguyờn lý lm vic ca h thng .75 3.3.2 S thut toỏn 75 3.3.3 Bng tớn hiu I/O 79 KT LUN 81 TI LIU THAM KHO 82 PH LC .84 Lun thc s khoa hc LI CM N Tỏc gi xin trõn trng cm n PGS.TS Phm Vn Hựng ó tn tỡnh hng dn quỏ trỡnh nghiờn cu v lm lun PGS ó dnh nhiu thi gian, cụng sc giỳp v to iu kin thun li tỏc gi hon thnh lun ny Tỏc gi xin chõn thnh cm n cỏc Thy Cụ giỏo B mụn Mỏy v Ma sỏt hc, Vin C khớ, Trng HBK H ni cựng bn bố v cỏc ng nghip ó to iu kin thun li v giỳp tỏc gi hon thnh lun cng nh ton b khúa hc Hc viờn Nguyn Thựy Dng Lun thc s khoa hc DANH SCH HèNH V CHNG I Hỡnh1.1 Cu trỳc mch iu khin v cỏc phn t Hỡnh 1.2 H thng cung cp khớ nộn Hỡnh 1.3 Xy lanh tỏc dng n Hỡnh 1.4 Xy lanh mng Hỡnh 1.5 Xy lanh tỏc dng kộp Hỡnh 1.6 Xy lanh quay thy lc v xy lanh quay khớ Hỡnh 1.7 Xy lanh khụng trc Hỡnh 1.8 S tớnh lp phng trỡnh tc lan truyn súng khớ nộn Hỡnh 1.9 S lp phng trỡnh chuyn ng Hỡnh 1.10 th quan h - n Hỡnh 1.11 Tit din thay i Hỡnh 1.12 Tit din gy khỳc Hỡnh 1.13 Tit din un cong Hỡnh 1.14 Mt s ng dng khớ nộn cụng nghip CHNG II Hỡnh 2.1 H thng servo n gin Hỡnh 2.2 C ch bự sai s v trớ ca h thng servo Hỡnh 2.3 Cỏc h thng iu khin v trớ Hỡnh 2.4 S h thng servo Hỡnh 2.5 Cu to v nguyờn lý b mó húa gúc quay h thng servo in Hỡnh 2.6 Mch iu khin h thng servo Hỡnh 2.7 S h thng servo thy lc Hỡnh 2.8 Mt ct ngang van servo kiu Nozzle-flapper Hỡnh 2.9 S b iu khin servo thy lc Hỡnh 2.10 H thng servo khớ nộn Hỡnh 2.11 Van t l Hỡnh 2.12 S hnh ca van t l Lun thc s khoa hc Hỡnh 2.13 Xy lanh Hỡnh 2.14 Thut toỏn ca h thng servo khớ nộn Hỡnh 2.15 Graph tớn hiu ca h thng servo v trớ khớ nộn Hỡnh 2.16 Mt s ng dng h thng servo khớ nộn cụng nghip Hỡnh 2.17 S nguyờn lý ca van phõn phi in t 5/3 Hỡnh 2.18 Mt ct ca van tit lu Hỡnh 2.19 Van tit lu chớnh xỏc Hỡnh 2.20 Quan h lu lng trung bỡnh v gúc quay ca trc tit lu Hỡnh 2.21 S tng ng ca loi van Hỡnh 2.22 S nguyờn lý ca h thng Hỡnh 2.23 Hỡnh 2.24 Quan h gia nng lng danh ngha tng i vi gúc quay ca van tit lu Quan h gia lu lng danh ngha tng i vi in ỏp u vo van t l Hỡnh 2.25 Mụ hỡnh h thng Hènh 2.26 Xy lanh tỏc dng n Hỡnh 2.27 Tuc bin khớ nộn Hỡnh 2.28 Van in t 5/3 dựng h thng Hènh 2.29 Van in t 3/2 Hỡnh 2.30 Van tit lu Hỡnh 2.31 Thc kớnh o dch chuyn di v b mó húa Hènh 2.32 Mch in mó húa Hỡnh 2.33 a xung rónh v u c CHNG III Hỡnh 3.1 S nguyờn lý ca b PLC Hỡnh 3.2 Vũng quột Hỡnh 3.3 Giao din vo/ra Hỡnh 3.4 Cỏch ly tớn hiu vo Hỡnh 3.5 Cỏch ly tớn hiu Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.6 B iu khin lp trỡnh PLC- 214 Hỡnh 3.7 B nh v ngoi ca S7-200 Hỡnh 3.8 S nguyờn lý iu khin h thng servo khớ nộn Hỡnh 3.9 S thut toỏn Hỡnh 3.10 Biu quan h tc theo thi gian Hỡnh 3.11 S mch iu khin PLC ca h thng DANH SCH BNG BIU Bng 1.1 Gii thiu mt s loi van Bng 1.2 Tra h s Bng 2.1 So sỏnh mt s loi ng c Bng 2.2 Thuc tớnh ng c Bng 3.1 Tớn hiu iu khin u vo PLC Bng 3.2 Tớn hiu iu khin u PLC Bng 3.3 Bng trng thỏi ca h thng Lun thc s khoa hc LI NểI U I Lý chn ti: H thng truyn ng khớ nộn ngy cng c ng dng rng rói cụng nghip nh tớnh u vit ca nú nh: sch, truyn dn vụ cp v tc , kh nng quỏ ti rt cao, lm vic tt mụi trng khc nghit, khụng gõy nguy c chỏy nTuy nhiờn h thng truyn ng khớ nộn cú hn ch l khú iu khin chớnh xỏc v trớ v tc dch chuyn khc phc nhc im ny cỏc nh khoa hc ó nghiờn cu ng dng iu khin servo vo h thng khớ nộn Tuy nhiờn, Vit Nam, nghiờn cu iu khin servo khớ nộn cũn khỏ mi m Chớnh vỡ vy, tỏc gi chn ti: ng dng PLC iu khin servo khớ nộn trờn cỏc thit b cụng nghip nhm nghiờn cu iu khin servo khớ nộn trờn cỏc thit b cụng nghip trờn c s mt mụ hỡnh h thng servo khớ nộn c th iu khin bng PLC II Tớnh cp thit ca ti iu khin servo khớ nộn c cp ti t nhng nm u ca th k XXI vi nhiu cụng trỡnh nghiờn cu ca nhúm tỏc gi cỏc nc trờn th gii Ti Vit Nam vic ng dng cỏc h thng khớ nộn l rt ph bin Vi yờu cu ngy cng cao v tớnh chớnh xỏc v n nh tc quỏ trỡnh hot ng ca h thng, iu khin servo cỏc h thng khớ nộn tr nờn cp thit Vỡ vy ti ny mong úng gúp nhng nghiờn cu bc u vic nghiờn cu iu khin servo cỏc h thng khớ nộn cụng nghip cng nh ging dy III Mc ớch, i tng, phm vi nghiờn cu ti Mc ớch: Xõy dng mụ hỡnh h thng servo khớ nộn iu khin bng PLC cụng nghip Phm vi nghiờn cu phn: - Nghiờn cu cỏc h thng khớ nộn - Nghiờn cu h thng servo khớ nộn trờn c s ú xõy dng mụ hỡnh servo khớ nộn ng dng cụng nghip - ng dng PLC iu khin h thng servo khớ nộn trờn Lun thc s khoa hc IV í ngha Vic nghiờn cu, thit k ch to thnh cụng h thng iu khin servo khớ nộn s gúp phn tip cn c cụng ngh thit k v ch to cỏc h thng servo cụng nghip ngy H thng servo ny cú th ng dng vo cụng nghip hoc lm thit b dy hc cỏc trng i hc cụng ngh vi giỏ thnh chp nhn c Lun thc s khoa hc C cu chp hnh: Xy lanh v tuc bin khớ nộn mang mi khoan H thng phn hi tớn hiu: Bao gm cỏc a xung v thc kớnh, cú nhim v kim soỏt hnh trỡnh v tc c cu chp hnh v a tớn hiu phn hi v b iu khin 3.3.1 Nguyờn lý lm vic ca h thng Vi mi chu trỡnh khoan ta cú cỏc thụng s X, S v V khỏc X sõu cn khoan S- Lng tin dao ca mi khoan V- Tc mi khoan Mt chu trỡnh khoan cú hnh trỡnh: hnh trỡnh xung v hnh trỡnh lờn Hnh trỡnh xung: Mi khoan va quay va i xung n sõu c ci t trc Hnh trỡnh lờn: Mi khoan quay v xy lanh i lờn v v trớ ban u Kt thỳc hnh trỡnh khoan Hnh trỡnh xung ca khoan Giỏ tr cho trc X0, S0 v V0 Khi ng h thng, M van in t 3/2 ng thi m K3 ng c quay thun chiu kim ng h, m van tit lu, mi khoan chuyn ng quay Tớn hiu t encoder trờn trc mi khoan phn hi v Vt = V0 thỡ dng ng c M K1 ng c quay thun chiu kim ng h, van tit lu m ng thi m cun hỳt van in t 5/3 Tớn hiu t encoder phn hi v St=S0 thỡ dng ng c Lỳc ny mi khoan va tnh tin va quay thc hin quỏ trỡnh khoan Khi cú tớn hiu t encoder thng Xt = X0 phn hi v PLC thỡ úng cun hỳt van in t 5/3 Hnh trỡnh lờn ca khoan: Khi cú tớn hiu t encoder thng X0 =Xt úng cun hỳt van in t ng thi m cun x ca van in t 5/3 Mi khoan i lờn H thng dng li cú tớn hiu t encoder Xt = 3.3.2 S thut toỏn 75 Lun thc s khoa hc Start Xt=0; V53=0; V32=0; DC1=0;DC2=0; KT=0 Reset Nhập giá trị Xo,Vo,So V53=1; V32=1 N ổn định tốc độ tiến dao ổn định tốc độ khoan N Vt > Vo St > So Y DC2 giảm N Mở khí nén (nhng cha mở van tiết lu) Y DC2 tăng DC1 giảm Vt = Vo DC1 tăng N St = So Y Y Tiến dao = Y N N Xt = Xt Xo Y Y N Stop = Y Reset End Hỡnh 3.9: S thut toỏn 76 Tiến dao = 0; V53=2 (xả) Lùi dao N Lun thc s khoa hc Thut toỏn thc hin Kim tra v trớ, nu h thng khụng v trớ ban u, reset h thng a h thng v v trớ ban u PLC nhn cỏc giỏ tr yờu cu v chiu sõu, lng tin dao, võn tc khoan t mỏy tớnh thụng qua giao din phn mm PLC tớnh toỏn cỏc yờu cn v tc Vt, St v v trớ Xt cỏc giỏ tr s xung ca Encoder tng ng Khi ng chng trỡnh, M van 3/2 ng thi m K3 ng c quay thun chiu kim ng h, van tit lu c m v lm mi khoan quay PLC nhn tớn hiu t Encoder gn trờn trc khoan, nu Vt > V0 thỡ m K4 o chiu ng c gim tit din van hay gim tc ca mi khoan, cho n Vt = V0 thỡ dng ng c Nu Vt < V0 ng c tip tc quay thun chiu kim ng h ti Vt = V0 dng ng c Lỳc ny tc khoan n nh giỏ tr Vt = V0 M cun hỳt van o chiu 5/3 ng thi m K1 iu khin ng c gn cm tit lu xy lanh quay thun m van tit lu lm xy lanh dch chuyn thng PLC nhn tớn hiu phn hi v t encoder nu St > S0 thỡ m K2 ng c quay ngc chiu gim tit din van tit lu lm St gim cho ti St = S0 dng ng c Nu St < S0 ng c tip tc quay thun chiu kim ng h cho ti St = S0 dng ng c Xy lanh trỡ chuyn ng vi tc St = S0 PLC nhn tớn hiu t encoder thng nu Xt = X0 thỡ úng cun hỳt v m cun x ca van 5/3 v h thng thc hin bc 4, cho ti Xt = dng h thng hon thnh hnh trỡnh khoan v (q) v1 v0 t Hỡnh 3.10: Biu quan h tc theo thi gian 77 COMPRESSOR AIR Contact Con tact MOTOR 04 S 200 PLC 78 P ORT R S232C S EXP mm/phut m/phut V: mm mm/phut S: X mm X: V m/p hut +24v +5v 0v S TOP -12v 220 VAC P aus e/R eset computer (POWER SOURCE) ELECTRIC BOX +12v S TART Lun thc s khoa hc Brake Brake MOTOR Hỡnh 3.11: S mch iu khin h thng Relay 00 01 02 03 05 06 Lun thc s khoa hc 3.3.3 Bng tớn hiu I/O Bng 3.1 Tớn hiu vo STT symbol Address comment STA I0.0 Khi ng h thng EDCT I0.1 Encoder tuocbin FAS1 I0.2 Tng tc SLO1 I0.3 Gim tc EDCX I0.4 Encoder xy lanh ENX I0.5 Encorder thc thng FAS2 I0.6 Tng S SLO2 I0.7 Gim S STO I1.0 Dng h thng 10 RE I1.1 Reset h thng Bng 3.2 Tớn hiu STT Symbol Address Comment K3 Q0.0 C2 quay thun SOL3 Q0.2 M van 3/2 K1 Q0.3 C1 quay thun SOL1 Q0.4 M cun hỳt 5/3 SOL2 Q0.5 M cun x 5/3 K4 Q0.7 C2 quay ngc chiu K2 Q1.0 C1 quay ngc chiu 79 Lun thc s khoa hc BNG TRNG THI CA H THNG 80 Lun thc s khoa hc KT LUN Nhng phn ó thc hin - ti ó bc u a phng phỏp n nh tc v dng chớnh xỏc v trớ ca h thng khớ nộn - ti ó xõy dng c mt mụ hỡnh servo khớ nộn thc nghim iu khin v xỏc nh cỏc thụng s iu khin - ti ó kt ni iu khin PLC v h thng servo khớ nộn, iu ny m kh nng ng dng kt qu ti vo thc tin sn xut Hng phỏt trin ca lun - Tip tc hon thin h thng ó xõy dng, tin hnh kho sỏt h thng thc t xỏc nh c tr ca chu trỡnhặ a phng phỏp bự sai s nhm to h thng cú chớnh xỏc hn v ng dng h thng cụng nghip - S dng cỏc module m rng Position Module EM253 (s u I/O =14/10) ca PLC CPU-224 h thng cú th iu khin servo tc v gia tc cho xy lanh khớ nộn vi chớnh xỏc cao hn - S dng PLC S7-300 cú b nh ln hn, x lý nhanh hn S7-200 s lm cho h thng t c chớnh xỏc v trớ cao hn v n nh hn - S dng mt s phn mm mụ phng khớ nộn chuyờn dng tng hiu qu nghiờn cu, nh phn mm Fessto Fluidsim ca hóng FESTO - S dng ng c bc tng chớnh xỏc h thng 81 Lun thc s khoa hc TI LIU THAM KHO Phm p Trn Xuõn Tựy; iu khin t ng lnh vc c khớ; Tp H ni 1998 PTS Phm Vn Kho; Truyn ng t ng khớ nộn; NXB Khoa hc k thut, H Ni 1999 Nguyn Ngc Phng ; H thng iu khin bng khớ nộn, NXB giỏo dc, 1999 Nguyn Tin Lng ; Cỏc phn t khớ nộn t ng húa ; Giỏo trỡnh cao hc H ni 1997 ThS Chõu Chớ c; K thut iu khin lp trỡnh PLC Simatic S7 200; H Chớ Minh 2008 Thiu An; Gii thiu b PLC ca Simatic S7 200; 2010 Nguyn Doón Phc; T ng húa vi Simatic S7-200; Giỏo trỡnh cao hc , HBK H ni 1997 Phm p Trn Xuõn Tựy; iu khin t ng lnh vc c khớ; Tp H ni 1998 J Gerhartz, D Scholz; Closedloop Pneumatics Workbook; Festo Didactic GmbH & Co; Germany 2001 10 G Prede, D Scholz; Electro Pneumatics Textbook; Festo Didactic GmbH & Co; Germany 2002 11 D Scholz; Proportional Hydraulics Textbook; Festo Didactic KG; Germany 1996 12 H J Eberhardt, D Scholz; Servo Pneumatic Positioning Workbook; Festo Didactic GmbH & Co; Germany 2001 13 Roland Ackermann; Pneumatic Positioning; Festo; Germany 2003 14 Prakash Rao; Rotary Encoder; Pepperl+Fuchs; Germany 2006 15 Simatic S7 200 Programmable Controller System Manual, Siemens; Germany 2005 16 Raul Guenther, Eduardo A Perondi, Edson R DePieri, Antonio C Valdiero; Cascade controlled pneumatic positioning system with LuGre model based 82 Lun thc s khoa hc friction compensation; Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering; Rio de Janeiro 2006 17 Eric J Barth, Michael Goldfarb; A control design method for switching systems with application to pneumatic servo systems; ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition; Louisiana 2002 18 Mario Roland Sobczyk S., Eduardo A Perondi; Variable structure cascade control of a pneumatic positioning system; ABCM Symposium Series in Mechatronics; 2006 19 Pedro Luis Andrighetto, Antonio Carlos Valdiero, Cesar Nowaczyk Vincensi; Experimental comparisons of the control solutions for pneumatic servo actuators; ABCM Symposium Series in Mechatronics; 2004 20 Michael Brian Thomas; Advanced servo control of a pneumatic actuator; Ohio State University; 2003 83 Lun thc s khoa hc PH LC Chng trỡnh PLC S7-200 vit di dng LAD 84 Lun thc s khoa hc 85 Lun thc s khoa hc 86 Lun thc s khoa hc 87 Lun thc s khoa hc Chng trỡnh PLC S7 200 vit di dng STL Network LD I0.0 O Q0.0 AN I1.0 AN C3 = Q0.0 Network LD I0.1 LD C3 CTU C3, 192 Network LD C3 O Q0.2 AN I1.0 = Q0.2 Network LD Q0.0 O Q0.3 AW