Xây dựng mô hình điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt ứng dụng làm phương tiện dạy học

Bài viết trình bày các bước thiết kế thực nghiệm cho hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt. Mục tiêu của việc thiết kế hướng đến việc cung cấp thiết bị giảng dạy cho chương trình đào tạo thực hành ngành Điện - Điện tử. Qua đó tạo đà thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ứng dụng cho giảng dạy thực hành trong nhà trường.

ISSN 2354-0575 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG XI LANH TRƯỢT ỨNG DỤNG LÀM PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC Bùi Văn Dân, Lê Thành Sơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 10/03/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 05/05/2020 Ngày báo duyệt đăng: 10/06/2020 Tóm tắt: Bài báo trình bày bước thiết kế thực nghiệm cho hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt Mục tiêu việc thiết kế hướng đến việc cung cấp thiết bị giảng dạy cho chương trình đào tạo thực hành ngành Điện - Điện tử Qua tạo đà thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo thiết bị ứng dụng cho giảng dạy thực hành nhà trường Từ khóa: Điều khiển vị trí, Điều khiển PID, AC servo, DC servo Giới thiệu Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa đại hố đất nước, khái niệm tự động hóa khơng cịn mẻ trước, nhu cầu ứng dụng tự động hoá ngày cao vào đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ…) Do nhu cầu xã hội: Các nhà máy xí nghiệp khâu tự động điều khiển vị trí quan trọng địi hỏi xác cao, công đoạn sử dụng tay gắp, vận chuyển sản phẩm, gia công chi tiết… Do sản phẩm thị trường: Hiện sản phẩm hàng hóa đa dạng phong phú để người tiêu dùng ưa chuộng sử dụng sản phẩm địi hỏi phải sản phẩm tốt, giá thành hạ đảm bảo nhu cầu tiêu thụ thị trường Ứng dụng làm thiết bị giảng dạy: Hiện nay, có nhiều sinh viên theo lối mòn “Học theo giáo trình” nghĩa giáo trình có nội dung sinh viên học nội dung mà quên việc hướng sinh viên vào thực nghiệm sản phẩm thực tế công nghiệp Chúng ta có nhiều thực hành thay áp kiến thức giáo trình lồng ghép kiến thức việc điều khiển mơ hình thực tiễn công nghiệp để giúp sinh viên dễ dàng hiểu phải làm tương lai, tránh trường hợp sinh viên tốt nghiệp trường cầm khá, giỏi tay lại hồn tồn bỡ ngỡ 58 cơng việc phải làm Vì việc đưa mơ hình sản xuất cơng nghiệp vào phục vụ cho việc học cần thiết nên đẩy mạnh thực thi thời gian sớm giúp tạo nối tư công việc cho sinh viên ngồi ghế nhà trường - Sản phẩm của đề tài được ứng dụng làm phương tiện trực quan giảng dạy cho các môn học Điều khiển với PLC, Điều khiển điện - Khí nén, Trang bị điện, với đáp ứng đầy đủ cho mục tiêu đào tạo kiến thức, kĩ năng, thái độ - Sản phẩm của đề tài cũng là một mô hình mẫu gần giống với một khâu nhỏ dây chuyền công nghiệp, giúp cho sinh viên trường được tiếp cận nhanh chóng với sản phẩm thực tế Sản xuất công nghiệp nơng nghiệp: Điều khiển vị trí hệ thống có vai trị quan trọng dây truyền sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Kết mô cho thấy chất lượng điều khiển tốt, tín hiệu y(t) bám tín hiệu đặt u(t) với sai số đạt yêu cầu cho hệ thống Xây dựng mơ hình điều khiển 2.1 u cầu công nghệ - Thiết kế phần khung gá mô hình phù hợp giảng dạy thực hành - Sử dụng xi lanh trượt để điều khiển vị trí [3] - Sử dụng cảm biến O1D100 đo giá trị khoảng Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 cách [2] - Sử dụng PLC để điều khiển xử lý tín hiệu [1] - Hiển thị số khoảng cách đo HMI - Với yêu cầu đề đề điều khiển vị trí chúng em chọn thiết kế khung bàn 50 cm - 150 cm [7] - Điều khiển lần nhập vị trí Mơ hình hệ thống xây dựng Hình đưa chức khối sau: - Khối nguồn: Cung cấp nguồn +24VDC cho PLC, mạch cơng suất - Bảng điều khiển: có nhiệm vụ xuất tín hiệu vào PLC để nhập giá trị lựa chọn vị trí theo yêu cầu; - Khối xử lý trung tâm CPU: Là điều khiển logic lập trình PLC S7-300 hãng SIEMENS Có vai trị quan trọng tồn hệ thống, có nhiệm vụ điều khiển, giám sát hoạt động chương trình PLC giao tiếp hai chiều với khối vào/ để điều khiển, hiển thị; - Khối đầu ra: sử dụng xi lanh trượt SRT-LB40B800 van điều khiển 5/3; - Khối điều khiển hiển thị: HMI hình hiển thị, lựa chọn chương trình thực giao tiếp người với máy; - Máy tính, phần mềm: Nhận lệnh điều khiển từ PLC (phím bấm, cảm biến) thơng qua mạch truyền thơng, đồng thời tính tốn nội suy xử lý thuật toán đưa lệnh điều khiển, qua truyền thông thực bước tiếp theo, hiển thị kết Các vẽ thiết kế phần cứng giao diện điều khiển ngoại vi Hình Sơ đồ cấu trúc khí hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt [1,7] Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology 59 ISSN 2354-0575 Hình Mơ hình bàn thực nghiệm Hình Các bước hướng dẫn cài đặt thơng số cảm biến O1D100 Kết thực nghiệm Hình Giao diện điều khiển tín hiệu ngoại vi Kết thực nghiệm nạp chương trình điều khiển vào PLC HMI đọc tín hiệu trực tiếp từ máy tính, hình HMI thơng qua giao tiếp truyền thông lên phần mềm vẽ dạng đồ thị Osillocoper trường hợp khảo sát sau [4],[5],[6]: Hình Mơ hình thực tế hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt [7] 60 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575  Xây dựng thuật toán điều khiển: Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển vị trí cố định Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống  Kết khảo sát: Tiến hành khảo sát thực nghiệm nhập khoảng cách hình HMI theo Bảng cho hệ thống chạy, dùng thước cặp điện tử 500-181-30 để đo khoảng cách thực tế, kết hợp với phần mềm mô Matlab vẽ biểu đồ so sánh kiểm chứng kết thực nghiệm Bảng Bảng giá trị khảo sát thực tế Khoảng cách (cm) Số lần đo Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển tuyến tính Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 10 30 5.2 4.9 4.8 5.1 5.2 10.4 9.6 9.7 10.6 10.5 30.9 29.2 30.8 29.1 31 Kết khảo sát cho thấy Hình 10: Với khoảng cách dịch chuyển cm sai số 3,2 % Với khoảng cách dịch chuyển 10 cm sai số 3,8% Với khoảng cách dịch chuyển 30 cm sai số 2,9% Chất lượng sản phẩm đã đáp ứng yêu cầu đề ra, phương tiện hữu ích cho q trình giảng dạy học tập Journal of Science and Technology 61 ISSN 2354-0575 Hình Biểu đồ khảo lần đo khoảng cách khác Kết luận Bài báo trình bày tổng quan cách thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển vị trí dùng xilanh trượt, tìm hiểu nguyên lý cách lắp sử dụng cảm biến quang O1D100, viết chương trình điều khiển mơ hình điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt sử dụng lập trình PLC siemen S7-300, viết chương trình giao diện điều khiển giám sát thông qua phần mềm hình HMI Weintek Sản phẩm giảng dạy cho sinh viên khóa k14 thực hành trải nghiệm Hướng nghiên cứu khắc phục số nhược điểm: Tiến đến thiết kế, chế tạo cho máy nâng hạ, vận chuyển hàng hóa dùng xi lanh trượt ứng dụng sản xuất công nghiệp Mở rộng tương tác điều khiển hình HMI nhập lưu chọn nhiều vị trí chuyển động lúc Tài liệu tham khảo [1] Bùi Trung Thành, Bùi Văn Dân, Điều Khiển Lập Trình PLC, NXB Khoa học kỹ thuật, 2014 [2] Nguyễn Ngọc Minh, Đề cương Đo lường cảm biến, Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, 2008 [3] Nguyễn Viết Ngư, Nguyễn Phúc Đáo, Điều khiển hệ thống khí nén thủy lực, Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên [3] Bui Van Dan, Bui Trung Thanh, Do Anh Tuan, Nguyen Quoc Cuong, Non-linear Model and Design Of PID Controller For Nano - Material Delivery System Applying High Technology to Practical FEE2015, at Thai Nguyen University of Technology, 07/137, pp 161 – 166, 2015 [4] Bui Van Dan, Bui Trung Thanh, Do Anh Tuan, Nguyen Quoc,Output Feedback Model Predictive Control for Nano-material Distribution System Journal of Science and Technology, 113, pp 35–40, 2016 [5] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2005 [6] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, NXB Giáo dục, 2007 AN IMPLEMENTATION OF POSITIONAL-CONTROLLED SYSTEM USING SLIDING CYLINDER FOR TRAINING EQUIPMENTS Abstract: This paper presents the steps of experimental design for positional-controlled systems using sliding cylinders The objective of design process is to provide training equipments for experimental training program of electrical and electronics engineering industry As a result, this method helps encourage research/implementation process of appliances in experimental training in school Keywords: positional-control, PID control, AC servo, DC servo 62 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ... thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển vị trí dùng xilanh trượt, tìm hiểu nguyên lý cách lắp sử dụng cảm biến quang O1D100, viết chương trình điều khiển mơ hình điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt. .. [4],[5],[6]: Hình Mơ hình thực tế hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt [7] 60 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575  Xây dựng thuật tốn điều. .. lệnh điều khiển, qua truyền thông thực bước tiếp theo, hiển thị kết Các vẽ thiết kế phần cứng giao diện điều khiển ngoại vi Hình Sơ đồ cấu trúc khí hệ thống điều khiển vị trí dùng xi lanh trượt