Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển chuyển động sử dụng bộ điều khiển servo mitsubishi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== NGUYỄN TUẤN DƯƠNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO MITSUBISHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== NGUYỄN TUẤN DƯƠNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO MITSUBISHI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn luận văn: Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển chuyển động sử dụng điều khiển servo Mitsubishi tự nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Nếu sai với lời cam đoan tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Tuấn Dương i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành điều khiển tự động hóa với đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển chuyển động sử dụng điều khiển servo Mitsubishi” kết q trình cố gắng khơng ngừng thân giúp đỡ, động viên khích lệ thầy, bạn bè đồng nghiệp người thân Qua trang viết tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua Tơi xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc thầy giáo TS.Đỗ Mạnh Cường trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác giúp đỡ tơi q trình học tập thực Luận văn TÁC GIẢ Nguyễn Tuấn Dương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ix LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển chuyển động 1.1.1 Kiến trúc hệ thống điều khiển chuyển động bao gồm: 1.1.2 Các chức điều khiển chung bao gồm 1.1.3 Ứng dụng hệ điều khiển chuyển động 1.2 Vai trò hệ điều khiển servo hệ thống điều khiển chuyển động 1.2.1 Giới thiệu hệ servo 1.2.2 Công nghệ điều khiển servo 1.2.3 Động PMSM cảm biến hệ thống điều khiển vị trí servo Chương XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SERVO 2.1 Mở đầu 2.2 Lựa chọn thiết bị xây dựng cấu trúc phần cứng 2.2.1 Các thiết bị xây dựng lên hệ điều khiển servo 2.2.2 Ghép nối thiết bị 2.3 Đặc điểm động đồng servo Mitsubishi HG-KR053B 10 2.3.1 Đặc điểm chung 10 2.3.2 Thông số kỹ thuật động HG-KR053B 11 2.4 Tìm hiểu Biến tần servo Mitsubishi MR-J4-10B 12 2.4.1 Giới thiệu chung biến tần servo 12 2.4.2 Giới thiệu biến tần servo MR-J4-10B Mitsubishi 13 2.4.3 Các thơng số kỹ thuật sơ đồ đấu nối 14 2.5 Đặc điểm dòng PLC iQ-R hãng Mitsubishi 17 2.5.1 Giới thiệu chung 17 2.5.2 Đặc điểm số module PLC dòng iQ-R 19 2.5.3 Tìm hiểu Module điều khiển chuyển động RD77MS2 22 2.6 Giới thiệu phần mềm lập trình dịng PLC iQ-R 26 iii 2.6.1 Giới thiệu chung phần mềm GX Works3 26 2.6.2 Các lệnh 26 2.6.3 Cài đặt cấu hình module RD77MS2 biến tần MR-J4 GX Works 27 Chương THIẾT KẾ, LẮP RÁP HỆ ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT KÍNH TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN SERVO CỦA MITSHUBISHI 30 3.1 Yêu cầu chung tính tốn chọn hệ điều khiển 30 3.1.1 Yêu cầu chung 30 3.1.2 Tính tốn chọn hệ điều khiển 31 3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển 31 3.3 Chế tạo lắp ráp 34 3.3.1 Ghép nối hệ thống khí máy cắt kính 34 3.3.2 Lắp đặt cấu dị vị trí kính cảm biến sợi quang 36 3.3.3 Thiết kế hệ thống thiết bị điện 38 Chương THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN VẬN HÀNH CHO MÁY CẮT KÍNH 44 4.1 Thiết kế chương trình điều khiển 44 4.1.1 Mô tả phương thức thực hệ điều khiển 44 4.1.2 Lưu đồ chương trình điều khiển PLC lập trình điều khiển 53 4.1.2.1 Chương trình 53 4.1.2.2 Chương trình bật servo 54 4.1.2.3 Chương trình Reset lỗi 54 4.1.2.4 Chương trình dị điểm 55 4.1.2.5 Chương trình xử lý liệu dò điểm 56 4.1.2.6 Chương trình cắt kính 56 4.1.3 Cài đặt RD77MS2, MR-J4 nhớ chương trình 58 4.1.4 Cài đặt RD77MS2 58 4.1.5 Cài đặt MR-J4 59 4.1.6 Cài đặt nhớ chương trình 59 4.2 Thiết kế giao diện giám sát điều khiển 62 4.2.1 Giới thiệu phần mềm sử dụng để thiết kế giao diện 62 4.2.1.1 Giới thiệu phần mềm MX Component 63 4.2.1.2 Giới thiệu phần mềm Visual Studio 65 4.2.2 Thiết kế giao diện 66 4.2.3 Thực nghiệm đánh giá 70 4.2.3.1 Thực nghiệm 70 iv 4.2.3.2 Đánh giá 71 4.2.4 Đề xuất hướng phát triển 74 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PLC Programable Logic Controller Bộ điều khiển logic khả trình PC Personal Computer Máy tính cá nhân BFM Buffer Memory Bộ nhớ đệm vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Bộ điều khiển chuyển động tâm điểm hệ thống điều khiển chuyển động Hình 1.2 Hệ chuyển động servo Hình 1.3 Mơ hình động đồng servo Hình 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động servo Mitshubishi 10 Hình 2.2 Động đồng servo HG-KR053B 11 Hình 2.3 Bản vẽ chi tiết cấu trúc động HG-KR053B 11 Hình 2.4 Sơ đồ khối cấu trúc biến tần servo 12 Hình 2.5 Biến tần servo MR-J4-10B 14 Hình 2.6 Các thành phần nắp che biến tần MR-J4-10B 15 Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây hệ thống biến tần động servo dòng MR-J4 17 Hình 2.8 Dịng PLC iQ-R 18 Hình 2.9 Các tính bật dịng plc MELSEC iQ-R [6] 19 Hình 2.10 Module nguồn R61P module R04ENCPU 19 Hình 2.11 Module đầu vào số RX42C4 sơ đồ đấu nối 20 Hình 2.12 Module RY42NT2P sơ đồ đấu nối 21 Hình 2.13 Base R38B 21 Hình 2.14 Module RD77MS2 chi tiết bên 22 Hình 2.15 Cài đặt tham số cho module RD77MS2 28 Hình 2.16 Cửa sổ cài đặt tham số cho biến tần servo 29 Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình máy cắt kính 33 Hình 3.2 Động servo nối với vít me thơng qua khớp nối mềm 34 Hình 3.3 Một số thiết bị khí mơ hình máy cắt kính 35 Hình 3.4 Hình ảnh tổng thể thiết bị khí lắp ráp 36 Hình 3.5 Bộ khuếch đại sợi quang FS-V31 đầu dò phản quang sợi quang FU-35FA 37 Hình 3.6 Giá lắp thiết bị thí nghiệm servo Mitsubishi 38 Hình 3.7 Hệ thiết bị điều khiển mơ hình máy cắt kính 39 Hình 3.8 Sơ đồ cấp nguồn AC cho module nguồn cấp PLC 40 vii Hình 3.9 Sơ đồ dây cấp nguồn cho biến tần servo, kết nối servo với động 41 Hình 3.10 Sơ đồ đấu dây phân phối nguồn 24VDC 42 Hình 3.11 Sơ đồ đấu dây điều khiển cho biến tần servo 43 Hình 4.1 Minh họa đường cắt từ chuỗi liệu nhập vào 46 Hình 4.2 Đường thuật tốn dị điểm 48 Hình 4.3 Phép tịnh tiến theo vecto u phép quay tâm O góc φ 51 Hình 4.4 Kết hợp phép tịnh tiến phép quay vào tốn máy cắt kính 52 Hình 4.5 Lưu đồ tổng quan chương trình 53 Hình 4.6 Lưu đồ chương trình bật servo chương trình Reset lỗi 54 Hình 4.7 Lưu đồ chương trình dị điểm 55 Hình 4.8 Lưu đồ thuật tốn chương trình xử lý liệu dị điểm 56 Hình 4.9 Lưu đồ chương trình nộp cắt 57 Hình 4.10 Màn hình khởi động MX Communication Setup Utility 64 Hình 4.11 Chọn trạm PLC số muốn kết nối 64 Hình 4.12 Giao diện khởi động Visual Studio 2013 66 Hình 4.13 Giao diện chương trình điều khiển giám sát máy cắt kính 67 Hình 4.14 Giao diện Tab chương trình chạy JOG 68 Hình 4.15 Giao diện Tab chương trình Cắt Kính 69 Hình 4.16 Giao diện Tab đồ thị giám sát đường đầu cắt 70 Hình 4.17 Đường cắt mong muốn ví dụ (trái) ví dụ (phải) 71 Hình 4.18 Đường cắt yêu cầu đồ thị đường đầu cắt ví dụ 72 Hình 4.19 Đường cắt yêu cầu đồ thị đường đầu cắt ví dụ 72 Hình 4.20 Cảm biến quang phát kính lưỡi cắt 73 Hình 4.21 Máy thực cắt kính 73 Hình 4.22 Hình ảnh tồn thiết bị mơ hình máy cắt kính 74 viii 100 100 100 200 200 200 200 Hình 4.18 Đường cắt yêu cầu đồ thị đường đầu cắt ví dụ 200 200 300 200 300 200 200 200 100 100 300 300 Hình 4.19 Đường cắt yêu cầu đồ thị đường đầu cắt ví dụ Nhận xét: Ở ví dụ: • Cảm biến quang nhận biết vị trí kính hoạt động xác Thay đổi trạng thái tới vị trí mép kính • Đường đầu cắt đồ thị đường cắt ta mong muốn Góc quay α α+90º xác yêu cầu quay cho đường cắt dọc cắt ngang Vị trí đổi góc quay α+90º sang góc α xác • Độ dài đường cắt đạt độ xác cao Hạn chế: Do điều kiện thiết bị chưa cho phép nên nhóm chưa thể lắp hệ thống đường khí nén vào bàn trượt Quá trình cắt dừng lại việc di chuyển đầu cắt theo 72 đường cắt mong muốn, góc quay xác, cịn việc nâng hạ dao chưa thực Một số hình ảnh máy cắt kính q trình hoạt động: Hình 4.20 Cảm biến quang phát kính lưỡi cắt Hình 4.21 Máy thực cắt kính 73 Hình 4.22 Hình ảnh tồn thiết bị mơ hình máy cắt kính 4.2.4 Đề xuất hướng phát triển • Lắp thêm dao cắt dạng bánh xe quay tròn đường khí nén để nâng hạ dao cắt • Dùng loại cảm biến quang vừa phát có kính, vừa đo bề dày kính từ điều chỉnh van khí nén để tạo áp suất phù hợp với bề dày kính • Nghiên cứu thêm thuật tốn cắt kính tự động theo thuật tốn tối ưu, cho lượng dư thừa kính nhỏ Phát triển thêm kiểu cắt theo đường trịn cung trịn • Nghiên cứu, tìm cách thêm chức tải liệu từ file CAD để tạo liệu cho máy cắt kính 74 KẾT LUẬN Qua trình thực luận văn “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển chuyển động dùng điều khiển servo Mitsubishi”, tơi có hội tổng hợp kiểm nghiệm lại nhiều kiến thức thầy, cô trang bị suốt năm học vừa qua Các nội dung thực luận văn này: - Tổng quan hệ thống điều khiển chuyển động - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển động servo - Thiết kế, xây dựng cấu trúc phần cứng - Tìm hiểu tổng quan kính an tồn - Nghiên cứu, tìm hiểu hệ chuyển động servo dòng PLC iQ-R hãng Mitsubishi - Thiết kế láp ráp hệ điều khiển máy cắt kính - Thiết kế chương trình điều khiển PLC - Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Visual Studio 2013 Do kiến thức thân hạn chế nên chắn khơng thể tránh khỏi sai sót luận văn Bởi vậy, mong nhận ý kiến đóng góp, dạy thầy Những đóng góp tơi tiếp thu cách cẩn thận để luận văn trở nên hồn thiện Qua tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường, nhờ giúp đỡ, dạy chân thành thầy mà tơi hồn thành đồ án Tôi xin cảm ơn thầy, cô viện kiến thức dạy suốt năm học vừa qua Những kiến thức hành trang vững cho tương lai sau thân Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2018 Tác giả Nguyễn Tuấn Dương 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mitsubishi Electric (03/2016); MELSEC iQ-R Simple Motion Module User's Manual (Startup) (Revision IB(NA)-0300247-D) [2] Mitsubishi Electric (03/2016); MELSEC iQ-R Simple Motion Module User's Manual (Application) (Revision SH-081084ENG-L) [3] Mitsubishi Electric (07/2016); MX Component Version Operating Manual (Revision SH-081084ENG-L) [4] Mitsubishi Electric (7/2016), MX Component Version Programing Manual (Revision SH-081085ENG-K) [5] http://www.bottero.com/en/products-and-solutions/2015-11-04-20-03 41/cutting/float-glass/340-lmt-evo-en.html, truy cập lần cuối ngày 25/03/2018 [6] http://www.mitsubishielectric.com/fa/vn_vi/susv/elearn/index.html, truy cập lần cuối ngày 25/03/2018 [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Motion_control truy cập lần cuối ngày 25/03/2018 76 PHỤ LỤC Chương trình Ladder cho PLC iQ-R viết GX Works điều khiển máy cắt kính 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 ... Ứng dụng hệ điều khiển chuyển động 1.2 Vai trò hệ điều khiển servo hệ thống điều khiển chuyển động 1.2.1 Giới thiệu hệ servo 1.2.2 Công nghệ điều khiển servo 1.2.3 Động. .. nghệ điều khiển servo Động servo thành phần quan trọng hệ thống điều khiển chuyển động Để hoạt động được, phải nối động servo với phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động Động servo sử. .. chuyên ngành điều khiển tự động hóa với đề tài ? ?Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển chuyển động sử dụng điều khiển servo Mitsubishi? ?? kết q trình cố gắng khơng ngừng thân giúp đỡ, động viên khích