THIẾT KẾ CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC SIEMENS S7200

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC SIEMENS S7-200 Tác giả ĐINH TRUNG CHÍNH Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng K

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

******

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI

TỰ ĐỘNG CHO MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN

BẰNG PLC SIEMENS S7-200

Họ và tên sinh viên: ĐINH TRUNG CHÍNH

Niên khóa: 2005 – 2009

Tháng 07/2009

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO

MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC SIEMENS S7-200

Tác giả

ĐINH TRUNG CHÍNH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:

Ths LÊ VĂN BẠN

Tháng 7 năm 2009

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths.Lê Văn Bạn, trưởng bộ môn “Điều Khiển Tự Động” đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Cuối cùng mình xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp DH05TD và bạn bè thân hữu đã tận tình giúp đỡ mình trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả mọi người!

TÓM TẮT

Ngày nay, tự động hóa quá trình sản xuất ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nông nghiệp Việc ứng dụng công nghệ tự động vào các loại máy móc

cơ khí sẵn có nhằm mục đích nâng cao sự chính xác, năng suất làm việc và tiết kiệm năng

lượng Với khuôn khổ đề tài “Thiết kế - chế tạo hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC Siemens S7-200”, bộ điều khiển khả lập trình PLC S7-200 được

ứng dụng để thực hiện 03 nhiệm vụ chính :

1 Điều khiển chiều dài phôi cắt thông qua việc kiểm soát số vòng quay của động cơ

DC kéo vít me và đai ốc

2 PLC nhận tín hiệu phản hồi là chiều dài cắt từ Encoder của động cơ DC kéo vít me

3 PLC điều khiển xy lanh khí nén qua van điện Xy lanh khí nén tác động lên bàn đạp máy cắt trong chu trình cắt

Sau mười tuần nghiên cứu, khảo nghiệm và xây dựng mô hình điều khiển, đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra bao gồm:

1 Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí cho việc cung cấp phôi

2 Thiết kế phần giao tiếp giữa phần cơ khí và PLC S7-200

3 Viết chương trình điều khiển hệ thống bằng ngôn ngữ Simatic S7-200

4 Khảo nghiệm hệ thống hoàn thành để đánh giá kết quả của hệ thống điều cấp phôi

tự động điều khiển bằng PLC So sánh với điều khiển bằng vi xử lý

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.2.1 Mục đích cụ thể 1

1.2.1 Mục đích chung 2

1.3 Giới hạn đề tài 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Giới thiệu máy cắt tole 3

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole 3

2.1.2 Một số loại máy cắt tole trên thị trường 3

2.1.2.1 Máy cắt tole bằng cơ cấu cơ khí 3

2.1.2.2 Máy cắt bằng xy lanh thủy lực 4

2.2 Các thao tác trên máy cắt tole 5

2.2.1 Các thao tác thực hiện 5

2.2.4 Ưu và nhược điểm khi cắt trên máy cắt tole bằng phương pháp cấp phôi thủ công 5

2.3 Sơ lược về sự phát triển của bộ khả lập trình PLC 5

2.3.1 Cấu trúc phần cứng của PLC 6

2.3.1.1 Bộ xử lý trung tâm 7

2.3.1.2 Bộ nhớ 7

2.3.1.3 Khối vào/ ra ( Input/ Output) 8

2.3.1.4 Thiết bị lập trình 9

2.3.2 Cấu trúc của PLC S7-200 9

2.3.2.1 Các tính năng của PLC S7-200 9

2.3.2.2 Các loại PLC S7_200 (Siemens) 10

2.3.2.3 Cấu tạo 10

2.3.2.4 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC 11

2.3.2.5 Các ứng dụng quan trọng trong S7_200 13

2.4 Các linh kiện cơ khí, điện - tự động phục vụ công tác điều khiển 17

2.4.1 Vít me – Vít me bi 17

2.4.2 Động cơ điện DC 18

2.4.3 Mạch công suất Relay – FET 19

2.4.4 Encoder 20

2.4.5 Công tắc hành trình 21

2.4.6 Tra cứu LM7805 21

2.4.7 Tra cứu Opto P321 22

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 23

3.1 Phương pháp 23

3.1.1 Chọn phương pháp thiết kế hệ thống 23

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí 23

3.1.3 Phương pháp thực hiện phần điện – điện tử 23

3.1.4 Bố trí khảo nghiệm 24

3.2 Phương tiện 24

3.2.1 Các thiết bị dùng để chế tạo mô hình 24

3.2.2 Các thiết bị cơ khí phục vụ cho việc chế tạo mô hình 24

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 25

4.1 Khảo nghiệm hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole bằng vi xử lý 25

4.1.1 Sơ đồ chung của hệ thống 25

4.1.2 Nguyên lý làm việc của máy 26

4.1.3 Khảo nghiệm - đánh giá quá trình cắt cấp liệu tự động bằng vi xử lý 26

4.2 Chọn sơ đồ chung của hệ thống điều khiển điện và cơ khí sử dụng bộ khả lập trình PLC 29

4.2.1 Sơ đồ điều khiển cơ khí cơ cấu cấp phôi 29

4.2.1.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống máy điều khiển bằng PLC 30

4.2.1.2.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn vít me 30

4.2.1.3.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn động cơ 31

4.2.1.2.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn xy lanh khí nén 32

4.2.2 Sơ đồ điều khiển điện 32

4.2.2.1 Giới thiệu linh kiện - thiết bị đầu vào 33

4.2.2.2 Giới thiệu linh kiện – thiết bị đầu ra 34

4.3 Địa chỉ ngõ vào và ngõ ra của PLC Lưu đồ và chương trình điều khiển 35

4.3.1 Địa chỉ ngõ vào và ngõ ra của PLC 35

4.3.2 Lưu đồ điều khiển 36

4.3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 37

4.3.3.1 Phương pháp 40

4.3.3.2 Chương trình điều khiển 42

4.4 Mô phỏng chương trình điều khiển bằng phần mềm S7-200 simulation 45

4.5 Kết nối PLC với phần cứng mô hình và tải chương trình PLC 46

4.5.1 Kết nối PLC với phần cứng mô hình 46

4.5.2 Tải chương trình vào PLC 46

4.6 Khảo nghiệm hệ thống hoàn chỉnh 46

4.6.1 Kiểm tra máy 46

4.6.2 Thử nghiệm hệ thống hoàn chỉnh 47

4.7 Kết quả 47

4.8 Thảo luận chung 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 53

6.1 Kết luận 53

6.2 Đề nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

HSC : High Speed Counter

HDEF : High speed counter Definition

RAM : Random Access Memory

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 4.1 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 25 mm khi cắt bằng vi xử lý 26

Bảng 4.2 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 40 mm khi cắt bằng vi xử lý 27

Bảng 4.3 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 85 mm khi cắt bằng vi xử lý 28

Bảng 4.4 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 25 mm khi cắt bằng PLC 48

Bảng 4.5 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 40 mm khi cắt bằng PLC 49

Bảng 4.6 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 85 mm khi cắt bằng PLC 50

Bảng 4.7 Bảng số liệu số xung và kích thước sai lệch của PLC 51

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole 3

Hình 2.2 Máy cắt AIZAMA 4.5X2060 (Japan) 4

Hình 2.3 Máy cắt TOYOKOKI 2545 (Japan) 4

Hình 2.4 Máy cắt KOMATSU SHSX255 (Japan) 5

Hình 2.5 Cấu trúc phần cứng của PLC 7

Hình 2.6 Vít me thường và các loại răng của vít me 17

Hình 2.7 Các kiểu vít me bi của hãng SKF 18

Hình 2.8 Cấu tạo chung của Relay 19

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder 20

Hình 2.10 Các loại công tắc hành trình 21

Hình 2.11 IC ổn định điện áp LM7805 22

Hình 2.12 Opto TLP321 22

Hình 4.1 Hệ thống cấp phôi tự động bằng vi xử lý 25

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển cơ khí 29

Hình 4.3 Bản vẽ chi tiết vít me phục vụ công tác lắp ráp 30

Hình 4.4 Bộ truyền đai răng 31

Hình 4.5 Động cơ DC HITACHI D06D401E 31

Hình 4.6 xy lanh khí nén và van điện từ 32

Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển hệ thống 32

Hình 4.8 Các dây ra của Encoder từ động cơ 33

Hình 4.9 Mạch khuếch đại điện áp tín hiệu của Encoder đưa vào PLC 34

Hình 4.10 Mạch đảo chiều động cơ DC có tự hãm 35

Hình 4.11 Solenoid và mạch điều khiển Solenoid 35

Hình 4.12 Sơ đồ mạch kết nối PLC với phần cứng điện –cơ khí 37

Hình 4.13 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển 49

Hình 4.14 Màn hình soạn thảo chương trình 41

Hình 4.15 Giao diện chương trình mô phỏng 45

Hình 4.16 Sơ đồ kết nối dây giữa các phần tử điện – cơ khí với PLC S7-200 46

Hình 4.17 Hệ thống cấp phôi tự động điều khiển bằng PLC hoàn chỉnh 47

Được sự chấp nhận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ, Trường Đại Học

Nông Lâm TpHCM và sự hướng dẫn của thầy: Ths Lê Văn Bạn, tôi tiến hành thử nghiệm:

“Thiết kế - chế tạo thiết bị cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC Siemens S7-200”

1.2 Mục đích của đề tài

1.2.1 Mục đích chung

™ Khảo sát nguyên lý hoạt động của máy cắt tole

™ Khảo sát các mạch điện điều khiển động cơ

™ Trên cơ sở tiến hành tính toán, thiết kế - chế tạo thiết bị cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC Siemens S7-200

™ Khảo nghiệm hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC So sánh độ chính xác với hệ thống được điều khiển bằng vi xử lý

™ Khảo nghiêm mô hình hoàn chỉnh

™ So sánh với mô hình điều khiển bằng vi xử lý

1.3 Giới hạn đề tài

™ Thiết bị cấp phôi tự động được thiết kế lắp đặt trên máy cắt tole bằng cơ cấu cơ khí sẵn có

™ Máy chỉ cắt được khổ tole có chiều dài ≤ 1600 mm

™ Máy chỉ cắt được khổ tole có chiều rộng ≤ 800 mm

Chương 2

TỒNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Giới thiệu máy cắt tole

Trong một xưởng cơ khí, máy cắt tole là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc gia công kim loại dạng tấm Khi sử dụng máy cắt tole, việc gia công định hình kim loại tấm trở nên dễ dàng, năng suất được nâng cao và tiết kiệm sức lao động

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole

Máy cắt tole hoạt động theo nguyên tắc bào dọc Khe hở δ là khe hở giữa cạnh sắc

và tấm kê Khe hở δ càng bé thì hiệu quả cắt càng cao

Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole

2.1.2 Một số loại máy cắt tole trên thị trường

Trên thị trường, có rất nhiều hãng sản xuất máy cắt tole nhưng phổ biến hiện nay có hai loại cho năng suất cao và chất lượng tốt: máy cắt bằng cơ cấu cơ khí, máy cắt bằng xy lanh thủy lực

2.1.2.1 Máy cắt tole bằng cơ cấu ly hợp:

Động cơ điện truyền động cho bánh đà Khi cắt thì người vận hành tác động lên bàn đạp đóng ly hợp vấu hoạt động Ly hợp vấu liên kết với trục bánh đà mang cơ cấu lệch tâm tịnh tiến thực hiện quá trình cắt

¾ Ưu điểm:

- Máy cắt tole bằng cơ cấu ly hợp có giá thành thấp hơn các loại máy cắt cùng loại

- Máy có năng suất cắt khá cao phù hợp với việc sản xuất hàng loạt

¾ Nhược điểm:

- Tuy nhiên, máy có kết cấu to, chiếm nhiều diện tích

- Hao phí năng lượng cao do mang bánh đà nặng để tạo động năng cho cơ cấu cắt

- Máy hoạt động khá ồn

Hình 2.2 Máy cắt AIZAMA 4.5X2060 (Japan)

2.1.2.2 Máy cắt tole bằng xy lanh thủy lực:

Trên máy cắt tole thủy lực, các xy lanh thủy lực lên xuống mang theo dao thực hiện quá trình cắt

¾ Ưu điểm:

- Máy có kết cấu nhỏ gọn hơn máy cắt tole bằng điện

- Hiệu suất cắt rất cao

- Hệ số hao phí năng lượng thấp

- Máy hoạt động ít gây tiếng ồn

¾ Nhược điểm:

- Giá thành máy rất cao

Hình 2.3 Máy cắt TOYOKOKI 2545 (Japan)

Hình 2.4 Máy cắt KOMATSU SHSX255 (Japan)

2.2 Các thao tác trên máy cắt tole

2.2.1 Các thao tác thực hiện

¾ Cấp tole lên máy cắt

¾ Canh vị trí đầu tấm tole trên thớt cắt

- Chi phí đầu tư ban đầu thấp

- Công nhân không đòi hỏi tay nghề cao

- Rất thích hợp cho việc gia công cắt với số lượng ít

¾ Nhược điểm:

- Kích thước phôi sau khi cắt có độ sai lệch cao

- Không phù hợp cho việc gia công hàng loạt với số lượng nhiều

2.3 Sơ lược về sự phát triển của bộ khả lập trình PLC

PLC (Program Logic Controller) là bộ điều khiển logic khả trình, được sáng tạo ra từ một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 Với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các nhu cầu sau:

- Dễ dàng lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

- Dễ dàng sửa chữa, thay thế với cấu trúc dạng module

- Ổn định trong môi trường công nghiệp

- Dùng linh kiện bán dẫn nên kích thước nhỏ gọn hơn mạch Rơ-le chức năng tương đương

- Giá thành cạnh tranh

Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu suất PLC có cấu trúc module nhằm dễ dàng mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng:

- Xử lý tín hiệu tương tự (analog)

- Điều khiển động cơ servo, động cơ bước

2.3.1 Cấu trúc phần cứng của PLC

Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời gian (Timer),…và những khối hàm nguyên chuyên dụng

Hình 2.5 Cấu trúc phần cứng của PLC

2.3.1.1 Bộ xử lý trung tâm:

Bộ xử lý trung tâm CPU ( Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong của PLC Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ ra được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU Một mạch dao động thạch anh cung cấp clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MHz, tuỳ thuộc vào bộ xử lý

sử dụng Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và được dùng để thực hiện

- Bộ đệm để lưu trạng thái các ngõ vào và ngõ ra

- Bộ nhớ tạm cho tác dụng định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ

¾ Dung lượng bộ nhớ

Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dung lượng cố định, thường là 2kByte Dung lượng này là vừa đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công nghiệp Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ

2.3.1.3 Khối vào/ ra ( Input/ Output)

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC (điện

áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển có thể lớn hơn nhiều, thường từ 24VDC đến 240VDC với dòng lớn

Khối vào/ ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài, kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly Tuy nhiên khối vào/ ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần các mạch công suầt trung gian

Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ ra thích hợp với các yêu cầu điều khiển cụ thể, ví dụ:

- Ngõ vào: 24VDC, 110 VAC, 220 VAC

- Ngõ ra: dạng Rơle, transistor, triac

Loại ngõ ra dùng rơle:

- Có thể nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp AC hoặc DC

- Cách ly dạng cơ ( rơle) nên đáp ứng chậm

- Tuổi thọ phụ thuộc vào dòng tải đi qua rơle và tần số dòng tiếp điểm

Loại ngõ ra dùng transistor:

- Chỉ nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp 5VDC đến 30VDC

- Tuổi thọ cao, tần số đóng mở nhanh

nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn Nó có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến 1500V

Đối với các PLC loại nhỏ, các ngõ vào/ ra vật lý được bố trí cùng với CPU, tất cả các ngõ vào và ra là cùng loại Những PLC lớn có cấu trúc module cho phép sự lựa chọn linh hoạt hơn cho các ngõ vào/ ra, vì có thể chọn các ngõ vào ra có nhiều loại khác nhau ( ví dụ: kết hợp ngõ ra loại rơle và loại transistor)

Các module vào/ ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành

và cảm biến vào PLC Tất cả ngõ vào/ra của PLC đều được thiết kế có các đầu đinh ốc cho phép nhanh chóng gỡ bỏ và thay thế các module bị hỏng tại mỗi đầu nối vào/ ra đều đánh

số địa chỉ để nhận dạng ngõ vào/ra cụ thể trong khi lập trình hay khi thực hiện chức năng giám sát trạng thái của chúng trạng thái của từng ngõ vào/ra được thể hiện bằng đèn LED chỉ báo ngay trên PLC, có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động nối kệt với PLC tiện lợi hơn

2.3.2 Cấu trúc của PLC S7-200

PLC S7-200 là loại nhỏ nhất trong các họ PLC của hãng Siemens (Đức) PLC S7-200

có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp nhưng có nhiều tính năng trong điều khiển tự động nên sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển

2.3.2.1 Các tính năng của PLC S7-200

- Hệ thống điều khiển Module nhỏ gọn

- Có nhiều loại CPU khác nhau

- Có nhiều Module mở rộng

- Hỗ trợ mở rộng đến 7 Module

- Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau

- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus

- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module

- Không quy định rãnh cắm

- Phần mền điều khiển riêng

- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module

- Micro PLC với nhiều tính năng tích hợp

2.3.2.2 Các loại PLC S7_200 (Siemens)

Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU226 (có 2 cổng giao tiếp), CPU226XM

Thông thường S7_200 được phân ra 2 loại chính:

™ Loại cấp điện áp 220VAC:

2.3.2.3 Cấu tạo

Các khối trong S7_200 Siemens

™ Khối Program Block: có 3 khối chính

- Khối OB1: là khối chứa chương trình chính, và luôn được quét trong mỗi chu kì quét, là khối chính trong việc thiết kế chương trình

- Khối chương trình con: là khối chứa chương trình con, khối này sẽ được thực thi khi nó được gọi trong chương trình chính

- Khối chương trình ngắt: là khối chứa chương trình ngắt, khối này sẽ được thực thi khi có sự kiện ngắt xảy ra

™ Khối Data Block:

Khối chứa dữ liệu của một chương trình, ta có thể định dạng trước dữ liệu cho khối này và khi do Download xuống PLC thì toàn bộ dữ liệu này sẽ được lưu trong bộ nhớ

™ Khối Sysem Block: Có 10 khối chính:

2.3.2.4 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC:

Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện Download hoặc Upload cho PLC, ta phải thực hiện các bước sau:

Chọn cổng giao tiếp:

- Trường hợp cáp giao tiếp là cáp USB thù cổng giao tiếp phải chọn USB

- Trường hợp cáp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy tính

Để có thể chọn cổng giao tiếp, vào mục Communication, chọn Set PG/PC Interface Sau đó chọn Properties của PC/PPI cable (PPI)

Trong Tab PPI: chọn đúng tốc độ Bauds ở phần Transmission Rate:

Tốc độ để mặc định là 9600, tốc độ Baud mặc định ở cáp cũng là 9600 (tốc độ Baud này chỉ áp dụng đối cáp cổng COM), trên cáp COM cho phép ta chọn nhiều mức tốc độ Baud khác nhau

Trong phần Local Connection: cho phép ta chọn cổng COM

Sau khi chọn cổng COM, bước kế tiếp là phải chọn địa chỉ PLC, thông thường địa chỉ mặc định của PLC là 2, nếu địa chỉ PLC khác 2 thì ta phải chọn địa chỉ đúng trước khi thực hiện việc Communication

Trường hợp nếu không biết địa chỉ PLC ta có thể thực hiện như sau:

Vào phần Communication, chọn Search all baud rate sau đó double click vào phần

“double click to refresh” khi đó chương trình sẽ tự nhận địa chỉ PLC

Sau khi chọn xong cổng COM cũng như địa chỉ PLC, ta thực hiện việc Download cũng như Upload

Chọn mũi tên xuống cho việc Download, mũi tên lên cho việc Upload Ngoài ra việc Communication còn có thể thực hiện bằng cách:

Vào CPU click chuột phải, chọn Type

Chọn Read PLC, nếu liên thông được thì chương trình có thể đọc được loại PLC, còn không thì nó sẽ báo, ta phải chọn lại cổng COM cng như địa chỉ PLC trong phần Communications

2.3.2.5 Các ứng dụng quan trọng trong S7_200:

Xuất xung tốc độ cao:

CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0, Q0.1),dùng cho việc điều rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài

Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard

Có 2 cách điều rộng xung:

- Điều rộng xung 50% (PTO)

- Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM)

Đọc xung tốc độ cao:

Để đọc xung tốc độ cao ,ta thực hiện các bước sau cho việc định dạng Wizard:

- Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter

Căn cứ vào bảng trên để có thể chọn loại HSC cho từng ứng dụng phù hợp

Một số Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:

Bit chọn: Reset mức cao hay Reset mức thấp

Bit chọn: Start mức cao hay mức thấp

Bit chọn : Chế độ đếm 1x hay 4x

Bit chọn: chọn hướng đếm tăng hoặc hướng đếm giảm

Bit chọn: chọn cho phép Update hướng hay không Update

Bit chọn: chọn cho phép Update giá trị Preset hay không cho phép

Bit chọn: chọn cho phép Update giá trị hiện tại hay không cho phép

Bit chọn: Cho phép HSC họat động hay ngừng họat động

Nạp giá trị hiện tại cho việc Update

Nạp giá trị đặt cho việc Update

Các bit trạng thái mô tả:

- Hướng đếm

- Khi giá trị hiện tại bằng giá trị đặt

- Khi giá trị hiện tại lớn hơn hay bé hơn hoặc bằng giá trị đặt

Ngoài ra ta còn có thể định dạng cho HSC với những chế độ ngắt khác nhau như:

- Chương trình ngắt sẽ được thực thi khi giá trị HSC bằng với giá trị đặt

- Chương trình ngắt sẽ được thực thi khi hướng đếm thay đổi ( thay đổi từ chiều đếm thuận sang đếm ngược, đếm tăng , đếm giảm)

- Chương trình ngắt được thực thi khi Bit Reset được thực thi

Sử dụng chương trình ngắt :

Việc sử dụng chương trình ngắt là hết sức cần thiết trong việc lập trình S7_200 Trong S7_200 có một số loại ngắt như sau:

Mỗi loại ngắt trong S7_200 tương ứng với một sự kiện ngắt tương ứng

Ngắt thời gian Timer_0, ngắt thời gian Timer_1:

Để định dạng cho việc ngắt thời gian Timer_0 cũng như Timer_1, thì ngoài việc thiết lập sự kiện ngắt cho việc định dạng ngắt Timer_0 hay Timer_1, ta còn phải chọn thời gian ngắt

Thời gian ngắt sẽ được chọn như sau:

Ô nhớ SMB 34 dùng cho việc định dạng thời gian ngắt cho Timer_0

Ô nhớ SMB 35 dùng cho việc định dạng thời gian ngắt cho Timer_1

Ví dụ : định dạng cho SMB 35=100 thì 100 ms chương trình ngắt sẽ được thực thi một lần và chỉ dừng khi tín hiệu không cho phép ngắt được thực thi

2.4 Các linh kiện cơ khí, điện - tự động phục vụ công tác điều khiển

2.4.1 Vít me – Vít me bi

Vít me:

Bộ truyền động vít me là bộ truyền động có độ chính xác khá cao Nó được ứng dụng rất nhiều trong các loại máy gia công cơ học Vít me giải quyết được bài toán xác định vị trí trong truyền động

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại vít me có biên dạng răng như hình a, c, d (hình 2.6)

Hình 2.6 Vít me và các loại răng của vít me Ghi chú:

Hình a : ren tam giác Hình b : ren tam giác ăn khớp với đai ốc Hình c : ren tròn

Hình 2.7 Các kiểu vít me bi của hãng SKF

2.4.2 Động cơ điện DC

Động cơ điện là máy dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

Nguyên tắc hoạt động

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

ƒ Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

I = (V Nguồn − VPhanDienDong) / RPhanUng

ƒ Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

P = I * (V PhanDienDong)

Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ điện DC:

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào

nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử

Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công tắc tơ hay các mạch relay công suất

2.4.3 Mạch Relay công suất

Relay là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Relay là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực

Cấu tạo của relay gồm:

- Cuộn dây

- Hệ thống tiếp điểm

Hình 2.8 Cấu tạo chung của Relay

Encoder được chia làm 2 loại:

♦ Absolute encoder (encoder tuyệt đối): tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder Chúng ta không cần xử lý gì thêm cũng biết chính xác vị trí của encoder

♦ Incremental encoder (encoder tương đối): là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ, tín hiệu ra chỉ là tín hiệu Bit Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có

lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

Ghi chú:

DISK: Đĩa quay đục lỗ LED: Diod phát quang phát tín hiệu PHOTO SENSOR: Cảm biến quang thu tín hiệu SQUARING CIRCUIT: Mạch nắn xung cho ra xung vuông Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder

Hoạt động ổn định điện thế đầu ra ở mức 5VDC

Nguyên lý hoạt động của LM7805: nếu ta cung cấp hiệu điện thế dương khoảng 5V 25VDC vào chân 1 và chân 3 một hiệu điện thế âm, thì giữa chân 2 và chân 1 sẽ có một hiệu điện thế ổn định là 5VDC

-Ghi chú:

Chân 1: Chân cấp điện thế dương

Chân 2: Chân điện thế ổn định ra 5VDC

Chân 3: Chân cấp điện thế âm

Hình 2.11 IC ổn định điện áp LM7805

2.4.7 Tra cứu Opto:

Trong PLC, tín hiệu vào có điện áp tối thiểu là 24 VDC nhưng tín hiệu ra của Encoder chỉ có 5 VDC Ta phải làm mạch khuếch đại điện áp từ 5 lên 24 VDC Do điện áp đầu vào 5VDC và đầu ra là 24VDC nên để tránh hiện tượng dòng điện ngược ta dùng opto

để cách ly

Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot (hay 1 photo transitor) Được sử dụng để các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất

Chân 1 : ANODE Chân 2 : CATHODE Chân 3 : EMITTER Chân 4 : COLLECTOR Hình 2.12 Opto TLP321 Khi có dòng nhỏ di qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led phát sáng Khi led phát sáng làm thông 2 cực của photo diot, mở cho dòng điện chạy qua

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí

- Từ thiết bị dẫn hướng sẵn có tham khảo chọn mô hình máy

- Từ yêu cầu sản xuất thực tế và thiết bị sẵn có tính toán sơ bộ kích thước máy

- Chọn loại vít me có đường kính nhỏ, bước vít nhỏ có trên thị trường

- Thành lập bản vẽ chi tiết và lắp đặt

- Chạy thử nghiệm và tinh chỉnh hệ thống

3.1.3 Phương pháp thực hiện phần điện – điện tử

- Thiết kế mạch khuếch đại diện áp từ 5VDC lên 24 VDC cho Encoder đưa vào PLC

- Khảo sát hoạt động của mạch khuếch đại

- Thiết kế mạch đảo chiều động cơ có khả năng tự hãm bằng Relay

- Thiết kế mạch điều khiển Solenoid

- Lắp đặt phần tử điện vào tủ điều khiển

- Chạy thử mạch giao tiếp giữa PLC và máy tính

- Viết chương trình điều khiển cho PLC

- Mô phỏng trên S7-200 Simulations

- Đổ chương trình vào PLC cho chạy thử và hiệu chỉnh cho phù hợp với kích thước thực tế cần sử dụng

- Hiệu chỉnh phần cứng hệ thống điện - điện tử

- Hiệu chỉnh chương trình điều khiển

- Hoàn thiện lắp đặt hệ thống máy

- Chạy thử nghiệm và kiểm tra lấy số liệu

3.1.4 Bố trí khảo nghiệm

Hệ thống máy được thiết kế - chế tạo và khảo nghiệm vào sản xuất tại:

- Địa điểm : Cơ sở Phúc Hoa

• Cư xá Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

• Phường Linh Trung, quận Thủ Đức - Tp Hồ Chí Minh

- Thời gian:từ 15/06 đến 15/07 năm 2009

3.2.2 Các thiết bị cơ khí phục vụ cho việc chế tạo mô hình

- Máy phay, máy cắt, máy tiện

- Máy khoan bàn – khoan tay

- Bàn Taro ren trong

- Eto – Búa tạ

- Thước lá – Thước kẹp – Thước Panme

Chương 4

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 Khảo nghiệm hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole bằng vi xửlý

Trước khi thiết kế mô hình hệ thống cấp phôi tự động bằng PLC trên máy cắt đang

sử dụng hệ thống cấp phôi tự động bằng vi xử lý Trong đó, vi xử lý đóng vai trò điều khiển cho động cơ DC và solenoid trên xy lanh khí nén Đồng thời, vi xử lý nhận tín hiệu phản hồi của encoder gắn trên động cơ DC và công tắc hành trình

4.1.1 Mô hình và sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống cấp phôi tự động bằng vi xử lý trên máy cắt tole bằng cơ khí hiện tại có mô hình và sơ đồ khối như hình 4.1

Hình 4.1 Hệ thống cấp phôi tự động bằng vi xử lý Ghi chú:

1.Dây cáp 6.Chốt kết nối bàn kẹp phôi với cơ cấu truyền động

2.Công tắc hành trình trên 7 Motor DC

4.Công tắc hành trình dưới 9 Bàn kẹp tole ban đầu

5 Dây xích 10 Bàn cắt và cơ cấu dao cắt

4.1.2 Nguyên lý làm việc của máy:

Hệ thống máy được điều khiển bằng vi xử lý Atmega32 Trước tiên đặt giá trị chiều dài cắt cho Atmega 32, vi xử lý hiểu thành giá trị xung Khi chương trình chạy, động cơ quay làm Encoder quay(30 xung/ vòng) truyền tín hiệu về vi xử lý điều khiển động cơ DC dừng đúng chiều dài cắt và Solenoid đóng ngắt xy lanh khí nén thực hiện quá trình cắt

4.1.3 Khảo nghiệm - đánh giá quá trình cắt cấp liệu tự động bằng vi xử lý

¾ Khảo nghiệm 1:

Ngày khảo nghiệm: 16 - 06 - 2009

Thời gian tiến hành khảo nghiệm: 13:30:00

Dụng cụ đo lường: Thước lá (độ chính xác : ± 0,5 mm ), thước kẹp (độ chính xác : ± 0,2 mm)

Bố trí khảo nghiệm:

- Cài đặt kích thước phôi cắt là: 25,00 mm

- Sau một chu trình cắt thì tiến hành đo ngẫu nhiên 10 phôi cắt

Bảng 4.1 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 25 mm khi cắt bằng vi xử lý

Số lần đo

Độ sai lệch (mm)

25,00 27,00 25,00 26,00 25,00 25,50 25,70 25,00 25,00 26,00

25,00 25,50 25,00 25,00 26,50 25,00 25,00 25,00 30,00 25,00

+1,00 +0,50 ÷ 2,00

0 +1,00 +1,50 ÷ 3,00 +0,50 +0,70 +0,50 +10,00 +1,00

ƒ Tổng số phôi đo là : 30

ƒ Tổng số phôi sai lệch kích thước là: 13

ƒ Tỉ lệ: 43,33 %

ƒ Độ sai lệch trung bình: ± 1,0 mm

Thảo luận kết quả 1:

Hệ thống cấp phôi hoạt động tự động, năng suất cao Tuy nhiên, độ chính xác của phôi cắt chưa cao Nguyên nhân là do vi xử lý còn bị nhiễu ở tỉ lệ khá cao, Encoder có số xung / vòng còn cao khiến xảy ra sự sai lệch xung cao

Đề nghị có biện pháp chống nhiễu trong điều khiển Đồng thời, hệ thống cần có Encoder có độ mịn hơn

¾ Khảo nghiệm 2:

Ngày khảo nghiệm: 16 - 06 - 2009

Thời gian tiến hành khảo nghiệm: 15:30:00

Dụng cụ đo lường: Thước lá (độ chính xác : ± 0,5 mm ), thước kẹp (độ chính xác : ± 0,2 mm)

Bố trí khảo nghiệm:

- Cài đặt kích thước phôi cắt là: 40,00 mm

- Sau một chu trình cắt thì tiến hành đo ngẫu nhiên 10 phôi cắt

Bảng 4.2 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 40 mm khi cắt bằng vi xử lý

Số lần đo

Độ sai lệch (mm)

38,00 38,50 40,00 40,00 41,50 42,00 40,00 42,00 40,00 40,00

39,50 40,00 40,00 40,00 40,00 40,00 41,50 40,00 40,00 40,00

±0,50 ÷ 2,00 -1,50÷1,00 +1,00 0,00 +1,50 +2,00 +1,50 +0,2÷2,00 +0,50 0,00

ƒ Tổng số phôi đo là: 30

ƒ Tổng số phôi sai lệch kích thước là: 12

ƒ Tỉ lệ sai lệch: 40 %

ƒ Độ sai lệch trung bình: ± 1,0 mm

Thảo luận kết quả 2:

Hệ thống cấp phôi hoạt động tự động, năng suất cao Tuy nhiên, độ chính xác của phôi cắt chưa cao Nguyên nhân là do vi xử lý còn bị nhiễu ở tỉ lệ khá cao, Encoder có số xung / vòng còn cao khiến xảy ra sự sai lệch xung cao

Đề nghị có biện pháp chống nhiễu trong điều khiển Đồng thời, hệ thống cần có Encoder có độ mịn hơn

¾ Khảo nghiệm 3:

Ngày khảo nghiệm: 16 - 06 - 2009

Thời gian tiến hành khảo nghiệm: 16:30:00

Dụng cụ đo lường: Thước lá (độ chính xác : ± 0,5 mm ), thước kẹp (độ chính xác : ± 0,2 mm)

Bố trí khảo nghiệm:

- Cài đặt kích thước phôi cắt là: 85,00 mm

- Sau một chu trình cắt thì tiến hành đo ngẫu nhiên 10 phôi cắt

Bảng 4.3 Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 85 mm khi cắt bằng vi xử lý

Số lần đo

Số tấm đo Lần 1 Lần 2 Lần 3

Độ sai lệch (mm)

85,00 85,00 85,00 85,20 86,00 85,00 95,00 85,00 85,20 85,00

85,00 85,00 85,50 85,00 85,00 85,00 85,00 85,50 85,00 85,00

- 0,50 +25,50 +0,50 +0,20 +1,00 0,00 +10,00 +0,50 +0,20 0,00

ƒ Tổng số phôi đo là : 30

ƒ Tổng số phôi sai lệch kích thước là: 7

ƒ Tỉ lệ: 23,33 %

ƒ Độ sai lệch trung bình: ± 1,0 mm