Thiết kế mạch cảnh báo khí gas

MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………………………………….3 Kế hoạch thực đồ án……………………………………………………… CHƯƠNG 1.Giới thiệu chung………………………………………………… 1.1.Khái quát đề tài…………… ……………………………………………6 1.2 Giới thiệu PLC Simatic S7-1200…… …………………………………7 1.2.1.Tổng quan PLC S7-1200……………………………………… 1.2.2 Hình dạng bên ngoài…………………………………………… 1.2.3 Cấu trúc bên trong……………………………………………… 10 1.2.4 Sơ đồ đấu dây…………………………………………………… 11 1.2.5 Modul mở rộng……………………………………………………12 1.2.6 Nguyên lý hoạt động PLC……………………………………… 14 1.3 Giới thiệu động điện chiều……………………………………… 14 1.3.1.Khái niệm………………………………………………………….14 1.3.2.Cấu tạo chung…………………………………………………… 15 1.3.3.ứng dụng………………………………………………………… 19 1.4.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều, chọn phương pháp điều chỉnh……………………………………………………………………….20 1.4.1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ…………………… 20 1.4.2.Giới thiệu phương pháp PWM……………………………………21 1.4.3.Nguyên lý hoạt động PWM……………………………………….22 1.4.4.Cách tạo PWM………………………………………………….24 1.4.5.Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ……………………26 CHƯƠNG 2.Thiết kế mạch…………………………………………………….27 2.1.Tìm hiểu vè linh kiện sử dụng mạch…………………………27 2.1.1.Điện trở…………………………………………………………….27 2.1.2.Tụ điện…………………………………………………………… 28 2.1.3.IC nguồn LM7805…………………………………………… … 28 2.1.4.IC cách ly quang PC817………………………………………… 29 2.1.5.Diode 1N4007…………………………………………………… 29 2.1.6.IC L298…………………………………………………………….30 2.1.7.Động điện encoder 334 xung mini…………………………….32 2.2.Thiết kế, chế tạo sản phẩm…………………………………………………36 2.2.1.Modul điều khiển động DC L298…………………………… 37 2.2.2.Sơ đồ kết nối………………………………………………………38 2.2.3.Sản phẩm thực tế………………………………………………….39 2.2.4.Tính thực tế, phương hướng phát triển đề tài…………………….39 KẾT LUẬN…………………………………………………………………… 41 LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam ta ngày phát triển giàu mạnh.Một thay đổi đáng kể Việt Nam gia nhập “WTO”, bước ngoặt quan trọng để đất nước thay đổi mặt mình, để người Việt có hội nắm bắt nhiểu thành tựu vĩ đại giới, đặc biệt lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung ngành Cơ Điện Tử nói riêng Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật,cơ điện tử ngày sử dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực đời sống mang lại hiệu kinh tế cao Đặc biệt từ đời linh kiện bán dẫn với độ tích hợp cao điện tử ngày khẳng định vị đời sống Thế hệ trẻ khơng tự phấn đấu học hỏi khơng ngừng sớm lạc hậu nhanh chóng thụt lùi Nhìn điều Trường ĐH SPKT HƯNG YÊN sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Để tăng chất lượng học tập sinh viên nhà trường nói chung ngành Cơ Điện Tử nói riêng tổ chức cho sinh viên làm đồ án môn học nhằm tạo nên tảng vững cho sinh viên trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm Chính nhóm chúng em chọn đề tài: “Mơ hình điều khiển động chiều” Trong trình thực đề tài này, chúng em nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy PHẠM THANH TÙNG thầy giáo khoa Nhóm sinh viên chúng em xin chân thành cám ơn thầy cô giúp đỡ chúng em thực đề tài STT Tuần Công việc thực Người thực -Nhận đồ án Tìm hiểu PLC S7-1200: 1 - Tìm hiều cấu tạo - Nguyên lý hoạt động cảu PLC S7-1200 Cả nhóm Tìm hiểu modul mơ Báo cáo kết vào cuối tuần -Tìm hiểu động điện chiều sơ đồ mạch lực mạch điều khiển 2 -Giới thiệu phương án điều khiển tốc độ Cả nhóm động điện chiều -Lựa chọn phương án -Thiết kế mạch: + Tìm hiểu linh kiện sử dụng 3+4 mạch: hình dáng, nguyên lý hoạt động Cả nhóm + Thiết kế mạch mơ phần mềm Báo cáo kết vào cuối tuần Chế tạo mạch: -Tìm kiếm linh kiện thị trường 5+6 -Lắp ráp chạy thử panel Cả nhóm -Đo, kiểm tra tín hiệu Tiến hành hoàn thiện sản phẩm: -in mạch nhựa mica Cả nhóm -hàn giắc cắm với mạch Làm lý thuyết, đóng Cả nhóm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng yên , ngày…tháng…năm 2021 Giáo viên hướng dẫn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.Khái quát đề tài Trong ngành công nghiệp, công tác điều khiển vận hành thiết bị theo quy trình nhằm nâng cao hiệu sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ vị trí quan trọng Với ưu điểm điều khiển tốc độ động dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động chiều sử dụng phổ biến như: truyền động cho số máy máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển robot… Trong trình làm việc, tốc độ động thường bị thay đổi biến thiên tải, nguồn gây sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm suất máy sản xuất Như ta biết hầu hết máy sản xuất địi hỏi có nhiều tốc độ, tuỳ theo công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn tốc độ khác Muốn có tốc độ khác máy, ta thay đổi cấu trúc học máy tỉ số truyền thay đổi tốc độ động truyền động chính… Nhưng khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động truyền động Ở động chiều, việc điều chỉnh tốc độ động có nhiều ưu việt so với loại động khác Động điện chiều khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản loại động khác đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng Chính việc điều khiển tốc độ động yêu cầu cần thiết tất yếu máy sản xuất ngành công nghiệp 1.2 Giới thiệu PLC Simatic S7 – 1200 1.2.1 Tổng quan PLC Simatic s7-1200 PLC ( Programmable Logic Controller ) thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực linh hoạt thực tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định kì hay thời gian đếm Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục lặp chương trình người sử dụng lập chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình Để khắc phục nhược điểm điều khiển dung dây nối, người ta chế tao điều khiển plc nhẳm thoả mãn u cẩu sau: + Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học + Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa + Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp + Hồn tồn tin cậy mơi trường cơng nghiệp + Giao tiếp với thiết bị thông minh khác máy tính, nối mạng, module mở rộng Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng Relay dây nối logic thời gian Tuy nhiên bên canh việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dễ dàng cho PLC mà đảm bảo tốc độ xử lí giá cả… Chính điều tạo quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC công nghiệp, tập lệnh nhanh chống từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch…Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều Trong PLC phần cứng CPU chương trình đơn vị cho q trình điều khiển sử lí hệ thống, chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức cửa quy trình cơng nghệ Ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lí so với dây nối hay Relay Năm 2009, Siemens dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay dần cho S7-200 So với S7-200 S7-1200 có tính trội: - S7-1200 dòng điều khiển logic lập trình (PLC) kiểm sốt nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, tập lệnh mạnh làm cho có giải pháp hồn hảo cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 - S7-1200 bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp tích hợp sẵn, đầu vào/ra (DI/DO) - Một số tính bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU chương trình điều khiển: +Tất CPU cung cấp bảo vệ password chống truy cập vào PLC +Tính “know-how protection” để bảo vệ block đặc biệt - S7-1200 cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet TCP/IP Ngồi bạn dùng module truyền thong mở rộng kết nối RS485 RS232 - Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngơn ngữ lập trình FBD, LAD SCL Phần mềm tích hợp TIA Portal 11 Siemens - Vậy để làm dự án với S7-1200 cần cài TIA Portal phần mềm bao gồm mơi trường lập trình cho PLC thiết kế giao diện HMI 1.2.2 Hình dạng bên 1.2.3 Cấu trúc bên Cũng giống PLC họ khác, PLC S7-1200 gồm phận : Bộ xử lý , nhớ , nguồn , giao tiếp nhập / xuất - Bộ xử lý gọi xử lý trung tâm ( CPU ), chứa xử lý , biên dịch tín hiệu nhập thực hoạt động điều khiển theo chương trình lưu nhớ PLC Truyền định dạng tín hiệu hoạt động đến thiết bị xuất - Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành điện áp DC ( 24V ) cần thiết cho xử lý mạch điện module giao tiếp nhập xuất hoạt động - Bộ nhớ nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho hoạt động điều khiển kiếm soát vi xử lý - Các thành phần nhập xuất ( input/output ) nơi nhớ nhận thông tin từ thiết bị ngoại vi truyền thông tin đến thiết bị điều khiển.Tín hiệu nhập từ công tắc, cảm biến…Các thiết bị xuất cuộn dây cơng tắc, cảm biến…Các thiết bị xuất cuộn dây khởi động động cơ, van - Chương trình điều khiển nạp vào nhớ nhờ trợ giúp lập trình hay máy vi tính 1.2.4 Sơ đồ đấu dây 10 c.Tạo xung vuông phần mềm Đây cách tối ưu cách để tạo xung vuông Với tạo phần mềm cho độ xác cao tần số PWM Với lại mạch đơn giản nhiều Xung tạo dựa xung nhịp CPU 1.4.5.Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động Với loai động công suất nhỏ chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển PWM , tạo xung vuông phần mềm, mạch đơn giản dễ thiết kế điều khiển , độ xác cao tần số xung CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH 25 2.1 Tìm hiểu linh kiện sử dụng mạch 2.1.1 Điện trở Ở em giới thiệu số điện trở thường gặp có vòng màu Vòng thứ vòng hàng chục Vòng thứ hai vòng hàng đơn vị Vòng ba vòng hệ số nhân Vòng tư vòng sai số 2.1.2 Tụ điện 26 Sau em nêu số loại tụ thường gặp : Tụ gốm , tụ hóa Tụ chia làm loại : tụ phân cực không phân cực Một số tụ phân cực giá trị ghi trực tiếp vỏ linh kiện dễ thấy Còn tụ khơng phân cực khó đọc giá trị Tụ dùng hầu hiết mạch Tụ đươc dùng vào nhiều việt khác nhau, tụ dùng phổ biến để chống nhiễu, tạo xung phẳn, cách ly nguồn… 2.1.3 IC Nguồn Lm7805 IC7805 có tác dụng gim điện áp 5v đầu đầu vào >=5v 2.1.4.IC Cách ly quang PC817 27 Hình : Hình ảnh PC817 Sơ đồ ngun lí - Ngun lí hoạt động : cấp tín hiệu vào chân số 1, led phía opto nối chân chân phát sáng , xảy hiệu ứng quang điện dẫn đến  thông - Tác dụng : cách li điều khiển tầng mạch điện khác - Mục đích : có cố từ tầng ứng dụng cháy ,chập , tăng áp khơng làm ảnh hưởng tới tầng điều khiển 2.1.5 Diode 1N4007 Diode 1N4007 loại diode bán dẫn với điện áp rơi phân cực thuận thấp ngắt nhanh Khi phân cực thuận diode bán dẫn có điện áp rơi, diode silic 0.6-0.7V Trong điện áp rơi thuận cửa Schottky 0.15-0.45V Điện áp rơi thấp cho phép tốc độ chuyển mạch cao tổn hao lượng thấp 28 2.1.6 IC L298 3A IC L298 IC tích hợp nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất đầu từ 5V– 45V, dòng lên đến 4A, L298 thích hợp ứng dụng cơng suất nhỏ động DC loại vừa… Chức chân L298: - chân INPUT : IN1, IN2, IN3, IN4 tương ứng chân 5, 7, 10, 12 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển - chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 tương ứng chân 2, 3,13, 14 Đây chân xuất tín hiệu nối với động - Hai chân ENA, ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu ởmức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động,nếu mức logic “0” mạch cầu H không hoạt động Điều khiển chiều quay với L298: - Khi ENA = 0: động không quay với đầu vào 29 - Khi ENA = 1: + INT1 = 1; INT2 = 0: động quay thuận + INT1 = 0; INT2 = 1: động quay nghịch + INT1 = 1; INT2 = 1: động dừng tức (tương tự với chân ENB, INT3, INT4) Sơ đồ chân IC L298 2.1.7 Động encoder 334 xung mini 30 Động encoder động dùng để đo tốc độ động sử dụng nhiều lĩnh vực điện tử, đặc biệt ứng dụng việc làm mơ hình điện tử Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động thiết phải đọc góc quay motor Một số phương pháp dùng để xác định góc quay motor bao gồm Tachometer (thật Tachometer đo vận tốc quay dùng biến trở xoay, dùng encoder) Trong phương pháp phương pháp Analovà dùng Optiacal encoder (Encoder quang thuộc nhóm phương pháp digital) Hệ thống Optical encoder bao gồm nguồn phát quang (thường hồng ngoại –infrared), cảm biến quang đọc tín hiệu từ đầu phát đĩa có chia rãnh để cắt đường tín hiệu quang phát từ mắt phát quang Optical encoder lại chia thành loại: Encoder tuyệt đối (Absolute Optical Encoder) Encoder tương đối (Incremental Optical Encoder) Trong đa số DC 31 Motor, Incremental Optical Encoder dùng mơ hình động servo khơng ngoại lệ Encoder thường có kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B kênh I (Index) Trong hình bạn thấy ý lỗ nhỏ bên phía đĩa quay cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ Đó kênh I encoder Cữ lần motor quay vòng, lỗ nhỏ xuất vị trí cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, tín hiệu x cảm biến 32 Như kênh I xuất “xung” vòng quay motor Bên đĩa quay chia thành rãnh nhỏ cặp thu-phát khác dành cho rãnh Đây kênh A encoder, hoạt động kênh A tương tự kênh I, điểm khác vịng quay motor, có N “xung” xuất kênh A N số rãnh đĩa gọi độ phân giải (resolution) encoder Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có đĩa chĩ có vài rãnh có trường hợp đến hàng nghìn rãnh chia Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải encoder dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ xác điều khiển phương pháp điều khiển Khơng vẽ hình 2, nhiên encoder cịn có cặp thu phát khác đặt đường tròn với kênh A lệch chút (lệch M+0,5 rãnh), kênh B encoder Tín hiệu xung từ kênh B có tần số với kênh A lệch pha 90o Bằng cách phối hợp kênh A B người đọc biết chiều quay động Hình thể trí cảm biến kênh A B lệch pha Khi cảm biến A bắt đầu bị che cảm biến B hồn tồn nhận hồng ngoại xuyên qua, ngược lại Hình thấp dạng xung ngõ kênh 33 Xét trường hợp motor quay chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức xuống thấp (cạnh xuống) kênh B mức thấp Ngược lại, động quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, cạnh xuống kênh A kênh B mức cao Như vậy, cách phối hợp kênh A B xác định góc quay (thơng qua số xung) mà cịn biết chiều quay động (thông qua mức kênh B cạnh xuống kênh A) 2.2 Thiết kế chế tạo sản phẩm 2.2.1 Modul điều khiển động DC L298 34 Mạch thực tế 2.2.2 Sơ đồ kết nối 35 Nguyên lý hoạt động: - Khi chưa nhấn nút, chân ENA mức động không quay với đầu vào, điện áp động 0V => động không hoạt động - Khi nhấn nút Start có nguồn 5v cấp vào chân ENA, ENA chuyển sang mức cho phép động quay Tín hiệu phản hồi từ encoder đưa chân I0.0 PLC Tín hiệu từ chân Q0.0 băm xung điều khiển tốc độ qua opto 817(cách ly quang) chuyển xung 24v thành xung 5v đưa vào chân INA L298 Tín hiệu chân OUTC, OUTD điều khiển tốc độ quay động - Khi ấn nút lần ngắt nguồn 5v cấp cho chân ENA => động dừng hoạt động 2.2.3 Sản phẩm thực tế 36 2.2.4.Tính thực tế, phương hướng phát triển đề tài - Tính thực tế chưa cao - Với thiết kế điều khiển tốc độ động điện chiều Cho hiểu thêm mơn học PLC nói chung kỹ thiết kế mạch tính dịng cho mạch, động cơ… - Tuy đồ án chúng em hoàn thành song cịn nhiều thiếu sót hạn chế mặt thời gian,kiến thức kinh nghiệm.Chúng em mong nhận đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn chỉnh Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn thầy khoa nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đồ án 37 Chúng em xin chân thành cảm ơn! 38 KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài này, với nhiều cố gắng nỗ lực chúng em với hướng dẫn, bảo tận tình thầy "Phạm Thanh Tùng" chúng em hồn thành đề tài này.Tuy nhiên số hạn chế khâu thiết kế Qua trình thực đề tài chúng em học hỏi nhiều vấn đề bổ ích phương pháp điều khiển động phương pháp điều chế xung với PWM chúng em nâng cao khả thực hành làm mạch,tra cứu linh kiện Đặc biệt trình trực tiếp bắt tay vào làm sản phẩm cụ thể chúng em nhận thức rõ lý thuyết thực hành có khoảng cách khơng nhỏ, vấn đề đặt cho em phải tìm hiểu khắc phục khúc mắc trình thực hiện.Đây hành trang quý báu cho sinh viên bước vào sống nghề nghiệp sau Mặc dù có nhiều cố gắng trình làm đồ án,song hạn chế mặt thời gian khả nên tránh khỏi có sai sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! 39 ... modul mơ Báo cáo kết vào cuối tuần -Tìm hiểu động điện chiều sơ đồ mạch lực mạch điều khiển 2 -Giới thiệu phương án điều khiển tốc độ Cả nhóm động điện chiều -Lựa chọn phương án -Thiết kế mạch: ... -Thiết kế mạch: + Tìm hiểu linh kiện sử dụng 3+4 mạch: hình dáng, ngun lý hoạt động Cả nhóm + Thiết kế mạch mô phần mềm Báo cáo kết vào cuối tuần Chế tạo mạch: -Tìm kiếm linh kiện thị trường 5+6 -Lắp... khiển PWM , tạo xung vuông phần mềm, mạch đơn giản dễ thiết kế điều khiển , độ xác cao tần số xung CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH 25 2.1 Tìm hiểu linh kiện sử dụng mạch 2.1.1 Điện trở Ở em giới thiệu