Nội dung của tài liệu giới thiệu hệ thống; thiết kế điều khiển; lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây; lập trình PLCl. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung.
LỜI NĨI ĐẦU Trong sự nghiệp cơng nghiệp hố hiện đại hố đất nước, có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế kỹ thuật của nước đó là mức độ tự động hố các q trình sản xuất của nền kinh tế và kỹ thuật, được thể hiện qua năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm tạo ra. Nhờ sự phát triển như vũ bão của máy tính điện tử, cơng nghệ thơng tin và những thành tựu của lí thuyết điều khiển tự động đã làm nền tảng và hỗ trợ tương xứng cho sự phát triển trong lĩnh vực tự động hố Mặc dù Việt Nam là một trong những nước chậm phát triển , nhưng những năm gần đây cùng với sự đòi hỏi của q trình sản xuất cũng như sự hội nhập và xu thế tồn cầu hố nền kinh tế đã kéo theo việc ứng dụng hàng loạt các thành tựu khoa học kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất. Đặc biệt trong lĩnh vực tự động hố có những bước nhảy vọt tạo ra sản phẩm có sản phẩm chất lượng cao và độ chính xác tuyệt đối đạt được hình thành một nền kinh tế tri thức và khoa học kĩ thuật cao. Ngày nay, tự động hố đi sâu vào từng ngõ ngách của trong tất cả các khâu của q trình sản xuất và tạo ra sản phẩm. Một trong những ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển cơng nghệ khoan bán tự động . Tự động hố điều khiển cơng nghệ khoan sản phẩm là q trình tạo ra lỗ trên bề mặt vật thể với kích thước và chiều sâu đặt trước. Cơng việc này gồm ba q trình chính như sau: * Đặt phơi vào vị trí cần khoan * Kẹp chặt chi tiết cần khoan tại vị trí cần khoan * Tự động khoan chi tiết theo kích thước và chiều sâu đã định Chất lượng và năng suất của q trình khoan phụ thuộc rất nhiều vào cơng nghệ điều khiển. Q trình này làm việc theo một trình tự logic và trình tự thời gian xác định. Do đó để điều khiển được cần tổng hợp hàm cho hệ thống. Có rất nhiều phương án để tổng hợp hàm, trong trường hợp này sử dụng phương pháp Grafcet. So với các phương pháp khác hàm Grafcet có nhiều ưu điểm là đơn giản đảm bảo sự làm việc tuần tự và chính xác Đồ án mơn học này hồn thành trong thời gian ngắn và vốn kiến thức của em chưa có nhiều và chưa chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những sai sót trong bài . Kính mong các thầy cơ chỉ dẫn thêm cho đồ án này của em hồn thiện tốt hơn nữa. Em xin trân thành cảm ơn !!! Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên Trần Anh Tùng Chương I: Giới thiệu hệ thống CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG Ngun lý hoạt động của hệ thống 1.1.1 Sơ đồ ngun lý : 1.1 Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý Ngun lý hoạt động: Sau khi phơi đã được gá kẹp vào máy, ta nhấn nút start để cho Motor khoan chạy và bắt đầu chu trình làm việc. Sau khi motor khoan chạy thì xylanh 2A1 bắt đầu đầu hạ xuống và khoan lỗ đầu tiên, sau khi tới cuối hành trình thì xylanh 2A1 thu về vị trí ban đầu. Tiếp sau đó xylanh 1A1 từ từ đẩy sang phải đưa motor khoan tới vị trí lỗ cần khoan thứ 2. Sau khi tới vị trí lỗ thứ 2 thì xylanh 2A1 từ từ đẩy motor khoan xuống và khoang lỗ thứ 2 tới cuối hành trình thì xylanh 2A1 lại thu về vị trí ban đầu. Và xylanh 1A1 từ từ thu lại về vị trí ban đầu của nó. Kết thúc 1 chu trình Chương I: Giới thiệu hệ thống 1.1.2 Giới thiệu về hệ thống Giới thiệu : Hình 1.2. Sơ đồ cơng nghệ Cơng nghệ trên đòi hỏi thực hiện đòi hỏi theo đúng tuần tự theo sơ đồ ngun lý, có 4 q trình lên xuống được lặp đi lặp lại, cơng nghệ này được ứng dụng trong thiết kế là các : Mũi khoan 2 lỗ hoặc cơng nghệ tra cấp liệu Q trình này là một q trình tương đối đơn giản, độ lặp lại nhiều, nếu chúng ta thực hiện đơn thuần thì cơng việc khá đơn giản và chỉ cần con người thao tác kẹp phơi bằng tay. Nhưng cơng nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí, nhà máy sửa chữa, chế tạo máy móc, có vai trò khá quan trọng trong các ngành cơng nghiệp hiện nay Máy khoan bàn hoạt động bằng động cơ hoặc có thể hoạt động bằng khí nén, thủy lực. Trong đồ án này các thiết kế mạch lực và mạch điều khiển em được giao là thiết bị điện khí nén, nên sử dụng điều khiển mũi khoan dùng 2 xylanh khí nén, một xylanh điều khiển q trình lênxuống, còn một xylanh điều khiển q trình tráiphải Chương I: Giới thiệu hệ thống 1.1.3 Khái niệm, cấu tạo của xylanh khí nén Khái niệm : Xylanh khí nén là thiết bị cơ học, vận hành bằng khí nén, xylanh khí nén có vai trò tạo ra lực để chuyển đổi năng lượng có trong khí nén thành động năng để cung cấp cho các chuyển động Hình 1.3. Sơ đồ Xylanh khí nén Giải thích : Các lỗ cấp thốt khí Pittong Thân trụ Thanh buộc Trụ pitting Ưu, nhược điểm của xylanh khí nén : + Khơng gây ơ nhiễm mơi trường + Khả năng vận tốc nhanh hơn so với thiết bị khác + Việc lắp đặt khá đơn giản và linh hoạt + Khơng có sự giới hạn và khoảng cách + Giá thành sản phẩm khơng cao + Khơng có khả năng tạo lực lớn + Khơng đạt độ chính xác cao + Trong q trình vận hành khá ồn ào và âm thanh lớn Chương I: Giới thiệu hệ thống 1.1.4 Khái niệm về khoan và mũi khoan Khoan là kỹ thuật tạo 1 lỗ tròn trên các loại vật liệu khác nhau. Khoan được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành cơng nghiệp như chế tạo máy, cơ khí, Mũi khoan là vật được gắn chặt vào đầu máy khoan nhờ cặp mâm và được siết chặt một lần nữa để chống xoay. Đầu của mũi khoan cắt sâu vào vật liệu tạo ra nhưng lớp phơi mỏng ( gỗ, kim loại, ) hay nhưng lớp bụi ( bụi kim loại, bụi gỗ, ) Trong gia cơng cơ khí, thường sử dụng lười đơn Hình 1.4. Sơ đồ bàn khoan Cấu tạo của máy khoan bàn : 1. Mũi khoan 7. Chi tiết gia cơng 2. Bạc trục chính 8. Trụ đứng 3. Ổ bi đỡ chặn 9. Cần gạt chạy máy 4. Ổ bi đỡ 5. Motor 6. Bàn máy Chương I: Giới thiệu hệ thống Ưu điểm : Cấu tạo đơn giản Sử dụng dễ dàng Hoạt động êm do sử dụng motor lồng sóc Khơng u cầu về tay nghề cao để sử dụng Nhược điểm : Máy to, cồng kềnh, khó di chuyển cho người sử dụng Chỉ sử dụng trong xưởng, khó mang ra ngồi Khoan 1 lỗ trên kim loại cứng mất khá nhiều thời gian Chỉ khoan được lỗ tròn Khoan tạo ra được các hình khác nhau Chi phí mua máy khá cao Chương I: Giới thiệu hệ thống Lưu đồ cơng nghệ 1.2 Với lưu đồ cơng nghệ như hình vẽ em đã sắp xếp vị trí cho motor khoan và xylanh ở trạng thái hoạt động được mơ tả theo như sơ đồ dưới đây : Hình 1.5. Lưu đồ cơng nghệ Chương I: Giới thiệu hệ thống Giải thích lưu đồ : Chương trình bắt đầu : Kẹp chặt phơi vào đúng vị trí sẵn sàng, đóng khóa kẹp Nhấn nút START để máy chạy và motor khoan hoạt động. Nếu motor khoan khơng chạy ta kiểm tra lại nút bấm Nếu motor khoan chạy thì xylanh 2A1 từ từ đẩy motor khoan xuống vị trí khoan thứ 1, sau khi khoan xong xylanh 2A1 lại từ từ thu lên về vị trí ban đầu Sau khi xylanh 2A1 thu về vị trí ban đầu thì xylanh 1A1 bắt đầu đẩy motor khoan sang bên phải để khoan vị trí thứ 2, kịch vị trí bên phải Sau đó motor 2A1 lại tiếp từ từ đẩy motor khoan xuống vị trí khoan thứ 2, và bắt đầu khoan, sau khi khoan xong xylanh 2A1 lại từ từ thu lên về vị trí ban đầu Xylanh 1A1 lại từ từ thu về vị trí ban đầu của nó Kết thúc 1 chu trình khi ta muốn dừng ta ấn nút STOP để cả máy ngừng hoạt động Nếu muốn tiếp tục chi trình ta lại kẹp phơi vào vị trí rồi khóa kẹp chặt lại và nhấn nút START để chương trình của máy lại tiếp tục 1 chu trình mới Kết thúc Chương II: Thiết kế điều khiển CHƯƠNG II : THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Liệt kê đầu vào/ ra cho hệ thống Đầu vào : Nút STAR Nút STOP Đầu ra : Xylanh 1A1 Xylanh 2A1 Motor Phôi 2.2 Viết hàm Grapfcet Phương pháp Grapfcet : Là biểu diễn các q trình cơng nghệ dưới dạng lưu đồ Grapfcet các trạng thái làm việc Xây dựng các hàm logic điều khiển và sơ đồ điều khiển từ lưu đồ các trạng thái làm việc Các kí hiệu : Trạng thái ( Si ) Chuyển tiếp ( Ti ) Cung định hướng ( Ai ) T = {t1, t2, t3, ,tn} là tập hợp hữu hạn các chuyển tiếp hàm Book gắn với một chuyển tiếp được gọi là một một nối tiếp nhận M = (m1, m2, m3, ,mn) là tập hợp các giá trị 0 và 1 nếu mi = 1 thì trạng thái i hoạt động, nếu mi = thì trạng thái i khơng hoạt động Một trạng thái được biểu diễn bằng một hình chữ nhật có đánh số, gắn liền với biểu tượng, trạng thái là một hình chữ nhật bên cạnh, trong hình chữ nhật có ghi tác động của trạng thái đó Chương II: Thiết kế điều khiển 10 Trạng thái đang hoạt động có thêm dấu chấm ở bên trong hình chữ nhật trạng thái: Một chuyển tiếp được biểu diễn bằng đường gạch lên cạnh ghi các nhân kích thích liên quan đến chuyển tiếp đó : Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây CHƯƠNG III: LỰA CHỌN PLC VÀ SƠ ĐỒ GHÉP NỐI DÂY 3.1 Khái niệm về PLC, cấu trúc, ngun lý hoạt động của PLC 3.1.1 Khái niệm về PLC : Hình 3.1. PLC S7200 Siemens Bộ điều khiển logic lập trình PLC ( Programmable Logic Controller ) còn được gọi là bộ điều khiển khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình, là tên được đặt cho loại máy tính thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển thương mại và cơng nghiệp. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt ởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm 17 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây 3.1.2 Cấu trúc PLC : Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc PLC Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau: + Bộ nhớ trường trình RAM, ROM + Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật tốn + Các modul vào /ra tín hiệu Chức năng chính của mạch đầu vào của PLC là chuyển đổi các tín hiệu được cung cấp bởi các cơng tắc và cảm biến khác nhau này thành tín hiệu logic có thể được CPU sử dụng. CPU đánh giá trạng thái của các đầu vào, đầu ra và các biến khác khi nó thực hiện một chương trình được lưu trữ. CPU sau đó gửi tín hiệu để cập nhật trạng thái của đầu ra Các mơđun đầu ra chuyển đổi các tín hiệu điều khiển từ CPU thành các giá trị số hoặc tương tự có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị đầu ra khác nhau Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hồn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC . Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, … 18 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây 3.1.3 Ngun lý hoạt động : Hình 3.3. Sơ đồ ngun lý hoạt động PLC CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và tồn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ Các dòng PLC thơng dụng Việt Nam: OMRON (Nhật Bản), Siemens (CHLB Đức), Delta (Đài Loan), Mitsubishi (Nhật Bản), Keyence (Nhật Bản) … 19 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây 3.2 Ưu Nhược điểm của PLC và Phương án lựa chọn PLC 3.2.1 Ưu Nhược điểm : Ưu điểm : + Kích thước vật lý nhỏ hơn so với các giải pháp dây cứng + Thay đổi dễ dàng và nhanh hơn + PLC có chức năng chẩn đốn tích hợp và ghi đè + Chẩn đốn có sẵn ở trung tâm + Các ứng dụng có thể được ghi lại ngay lập tức + Các ứng dụng có thể được sao chép nhanh hơn và ít tốn kém hơn + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp + Hồn tồn tin cậy môi trường cơng nghiệp + Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như : máy tính , nối mạng , các mơi Module mở rộng Nhược điểm : + Đòi hỏi người dùng phải có trình độ chun mơn cao + Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình thêm 20 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây 3.2.2 21 Phương án lựa chọn PLC Dụa vào quy mơ của hệ thống, nếu hệ thống sản xuất theo dây chuyền thì có thể phân dây chuyền ra làm nhiều cụm dựa trên đặc điểm cơng nghệ + u cầu cổng vào/ra cần thiết + Loại cổng vào ra + Dung lượng bộ nhớ + Tốc độ và khả năng của CPU và tập lệnh Tất cả cá yếu tố trên phụ thuộc lẫn nhau : dung lượng bộ nhớ có buộc trực tiếp đến số lượng cổng vào/ hay dung lượng bộ nhớ lớn thì tốc độ xử lý nhiều hơn, phức tạp hơn Số lượng đầu vào/ ra của một hệ thống phải có khả năng đáp ứng đủ số đường tin hiệu cảm biến cũng như điều khiển phần cơng suất cho cơ cấu tác động + Số lượng đầu vào/ ra trên mỗi mơdun + Sự cách ly giữa phần điều khiển và phần cơng suất điều khiển cơ cấu tác động + Nhu cầu mở rộng thêm khả năng điều khiển và lắp đặt thêm đầu vào/ ra Dung lượng bộ nhớ đối với những loại bộ lập trình có khỏ năng mở rộng bộ nhớ thì dung lượng bộ nhớ được tăng lên bằng cách gắn thêm khối mở rộng Yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng nhớ dung lượng chương trình điều khiển. Dung lượng chính xác của chương trình khơng thể xác định trước khi chương trình đó được viết xong và thật sự được sử dụng để điều khiển hệ thống Tuy nhiên có thể ước trùng dung lượng dựa trên mức độ phức tạp của chương trình Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây Chọn PLC S7200 Siemens Bộ điều khiển lập trình S7200 của Siemens thích hợp cho các ứng dụng điều khiển từ đơn giản đến phức tạp. Có tích hợp thời gian thực. Có thể mở rộng vào / ra số, vào / ra tương tự. Dễ dàng kết nối tới các cấu hình phong phú phù hợp với nhiều ứng dụng CPU S7200 của SIEMENS thuộc dòng Micro Programmable Logic Controler, với đặc điểm: + Kích thước nhỏ giá thành thiết bị giao diện như PC, HMI, Số lượng modul đa dạng tạo nên các nhỏ sức mạnh lớn + Đáp ứng được những ứng dụng điều khiển tự động từ cho các máy đơn lẻ đến các dây chuyền sản xuất + Có thể hoạt động độc lập hay kết nối mạng trong một hệ thống lớn + Dễ dàng kết nối tới các thiết bị giao diện như PC, HMI Số lượng modul đa dạng tạo nên các cấu hình phong phú phù hợp với nhiều ứng dụng Giao tiếp PLC với máy tính Hình 3.4. Kết nối PLC với máy tính 22 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây Các bước để PLC kết nối với máy tính : B1: Kết nối cáp USB PPI giữa máy tính và S7 200 B2: Kiểm tra xem máy tính đã nhận driver cáp chưa: Chuột phải vào Computer (This PC)> Manage B3: Trong cửa sổ Computer Management chọn Device Manager: Kiểm tra có cổng Port và SIMATIC NET là đã nhận driver B4: Mở phần mềm lập trình V4.0 STEP 7 MicroWin SP9 B5: Chọn Communications,chọn Set PG/PC Interface B6: Bạn kéo xuống chọn P.C/PPI cable(PPI), chọn tiếp Properties để kiểm tra cổng kết nối B7: Chọn cổng kết nối tương tự như của sổ Device Manager trước đó B8: Bấm OK > OK > OK đến khi hiện như hình bên dưới và bấm Double Click to Refesh để thử kết nối B9: Bạn chờ đợi q trình Searching at 9.6 kbps B10: Kết nối thành cơng! 23 Chương III: Lựa chọn PLC và sơ đồ ghép nối dây 3.3 Sơ đồ ghép nối dây Hình 3.5. Sơ đồ ghép nối dây PLC 24 Chương IV: Lập trình PLC CHƯƠNG IV : LẬP TRÌNH PLC 4.1 Phân cổng vào/ ra Cổng vào : I0.0 Máy bắt đầu hoạt động I0.1 STAR I0.2 Cả 2 xylanh cùng chạy I0.3 Xylanh 2A1 đẩy I0.4 Xylanh 1A1 đẩy I0.5 Motor khoan chạy Cổng ra : Q0.0 Motor khoan Q0.1 Q0.2 Xylanh 2A1 thu Q0.3 Xylanh 1A1 thu Q0.4 25 Chương IV: Lập trình PLC 4.2 Giản đồ thang LAD 26 Chương IV: Lập trình PLC 27 Chương IV: Lập trình PLC Hình 4.1. Giản đồ thang LAD 28 Chương IV: Lập trình PLC 4.3 Ngơn ngữ STL, giải thích từng network * Ngơn ngữ lập trình STL (Statement List) Là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh. Để tạo ra một chương trình bằng STL, người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức sử dụng 9 bit trong ngăn xếp (stack) logic của S7 200 29 Chương IV: Lập trình PLC Giải thích từng network : Network 1 : Hệ thống hoạt động Network 2 : Xylanh 2A1 đẩy xong thu lại và trạng thái 1,2,3,9 hoạt động Network 3 : Đặt bộ đếm thời thời gian khoan chạy Network 4 : Trạng thái Xylanh 1A1 đẩy sang và thu về Network 5 : Network 6 : Network 7 : Network 8 : Network 9 : Network 10 : Network 11 : Motor chạy, trạng thái 1 và 2 hoạt động Network 12 : Network 13 : Network 14 : Network 15 : Các trạng thái : 1 : Xylanh 2A1 đẩy sang bên phải 2 : Xylanh 1A1 đẩy xuống dưới cùng 3 : Motor khoan chạy 4 : Xylanh 1A1 kéo lên vị trí cũ 5 : Xylanh 2A1 thu lại về bên trái 6 : Xylanh 1A1 đẩy xuống dưới cùng 7 : Motor khoan chạy 8 : Xylanh 1A1 kéo lên vị trí cũ 9 : Xylanh 2A1 đẩ 10 : 30 Chương IV: Lập trình PLC 4.4 Kết luận Để chế tạo thành cơng máy khoan bán tự động với nhiều ưu điểm so với các loại máy có cùng chức năng. Ngồi ra máy còn góp phần làm giảm thời gian gia cơng trong cơng nghệ cơ khí Ưu điểm của hệ thống điều khiển cơ khí sử dụng PLC : + Do có khả năng lập trình được nên do đó cơ cấu cơ khí sẽ đơn giản hơn, và hiệu quả hơn + PLC có ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học và gần giống ngơn ngữ cơng nghệ nên dễ dàng viết cấu trúc lệnh cho máy cơ khí + Thay đổi linh hoạt sản phẩm gia cơng chỉ bằng cách thay đổi cấu trúc phần cứng của cơ khí + Khơng cần kỹ năng lập trình cao mà chỉ cần hiểu về cơng nghệ là có thể tạo ra câu lệnh thích hợp 31 ... trọng trong các ngành cơng nghiệp hiện nay Máy khoan bàn hoạt động bằng động cơ hoặc có thể hoạt động bằng khí nén, thủy lực. Trong đồ án này các thiết kế mạch lực và mạch điều khiển em được giao là thiết bị điện khí nén, nên sử... nhân kích thích liên quan đến chuyển tiếp đó : Chương II: Thiết kế điều khiển Sơ đồ cơng nghệ : Lập Grapfcet I : Hình 2.1. Sơ đồ cơng nghệ Hình 2.2. Sơ đồ Grafcet I Chọn sơ bộ thiết bị : 11 Chương II: Thiết kế điều khiển Chọn cơ cấu chấp hành là các xylanh A,B có trạng thái như sau :... S6+ = a0.S5 S6 = S0 14 Chương II: Thiết kế điều khiển 2.4 Sơ đồ rơle tiếp điểm Hình 2.4. Sơ đồ rơle tiếp điểm 15 Chương II: Thiết kế điều khiển Giải thích: Khi tác động lên nút g lúc đó cơng tắc a0,b0 sẽ mở