Thiết kế mô hình hệ thống khoan tự động - Đồ án tốt nghiệp BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH KHOAN TỰ ĐỘNG Trưởng môn : TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : Ths Phan Thị Huyền Châu Sinh viên thực : Phạm Văn Chí Lớp : CN ĐK & TĐH 02- K57 MSSV : 20125416 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 06-2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: thiết kế xây dựng mơ hình khoan tự động em tự thiết kế hướng dẫn Ths Phan Thị Huyền Châu Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Phạm Văn Chí Mục lục Mục lục Mục lục DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG BIỂU iii LỜI NÓI ĐẦU iv Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG PLC 1.1 Giới thiệu PLC 1.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC 1.2.1 Vị trí PLC hệ thống điều khiển 1.2.2 Khả PLC 1.2.3 Các ưu điểm ứng dụng PLC .3 1.3 Kết luận .5 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH KHOAN TỰ ĐỘNG .6 2.1 Đặc điểm công nghệ số ứng dụng 2.1.1 Một số phương pháp khoan 2.1.2 Một số mơ hình hệ thống máy khoan tự động thực tế 2.2 Mô tả công nghệ hệ thống khoan tự động đồ án .10 Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GRAFCET 11 3.1 Phương pháp GRAFCET 11 3.1.1 Nội dung phương pháp GRAFCET 11 3.1.2 Một số trường hợp đặc biệt .13 3.2 Phân tích cơng nghệ mơ hình khoan tự động 15 3.2.1 Xác định tín hiệu điều khiển cấu chấp hành 15 3.2.2 Phân tích mơ hình cơng nghệ máy khoan tự động 16 3.3 Sử dụng GRAFCET để thiết kế hệ điều khiển cho mơ hình khoan tự động 17 3.3.1 Liệt kê tín hiệu vào .17 3.3.2 GRAFCET I 19 3.3.3 GRAFCET II .20 Mục lục 3.3.4 Xác định hàm điều khiển 21 Chương TÌM HIỂU PLC MITSUBISHI FX3G-24MR VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO PLC GX DEVELOPER .22 4.1 PLC Mitsubishi FX3GA-24MT .22 4.2 Phần mềm lập trình cho PLC GX Developer 23 4.3 Lập trình GX developer 26 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC TẾ 30 5.1 Các yêu cầu thiết kế hệ điều khiển cho mơ hình khoan tự động .30 5.2 Thiết kế mạch lực 30 5.3 Chọn PLC thiết kế mạch điều khiển 32 5.4 Tính tốn chọn thiết bị mạch lực 32 5.4.2 Xy lanh khí nén 33 5.4.3 Van phân phối khí nén .35 5.4.4 Van tiết lưu chiều .36 5.4.5 Relay trung gian 38 5.4.6 Động 40 5.4.7 Nguồn .41 5.4.8 Aptomat 42 5.4.9 Nút ấn .43 5.4.10 Cảm biến 44 5.4.11 Dây dẫn khí .46 5.5 Hoàn thiện mơ hình 47 Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢN Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Cấu trúc PLC .1 Hình 1.2 Hệ điều khiển dung PLC Hình 1.3 Bãi đỗ xe tự động Hình 1.4 Dây chuyền sản xuất ô tô .4 Hình 1.5 Dây chuyền sản xuất nước đóng chai Hình 2.1 Khoan tay điện .7 Hình 2.2 Máy khoan bàn .7 Hình 2.3 Máy khoan CNC Hình 2.4 Mơ hình khoan tự động ứng dụng thí nghiệm .9 Hình 2.5 Mơ hình khoan tự động Hình 2.6 Mơ hình khoan tự động 10 Hình 3.1 Lưu đồ tổng quan GRAFCET 11 Hình 3.2 Lưu đồ tổng quan GRAFCET II 12 Hình 3.3 Mạch relay tiếp điểm 12 Hình 3.4 Mạch phân kì .13 Hình 3.5 Mạch hội tụ 13 Hình 3.6 Mạch phân kì 14 Hình 3.7 Mạch hội tụ 14 Hình 3.8 Mơ hình khoan tự động 15 Hình 3.9 Grafcet 19 Hình 3.10 Grafcet II 20 Hình 4.1 Sơ đồ cổng PLC Misubishi FX3GA-24MT .22 Hình 4.2 PLC Misubishi FX3GA-24MT 22 Hình 4.3 Phần mềm GX Developer 23 Hình 4.4 Giao diện lập trình .24 Hình 4.5 Hộp thoại tạo Project 25 Hình 4.6 Hộp thoại thiết lập thông số .26 Danh mục hình ảnh Hình 4.7 Chương trình điều khiển 29 Hình 5.1 Sơ đồ đấu nối động 30 Hình 5.2 Sơ đồ đấu nối cảm biến 31 Hình 5.3 Sơ đồ đấu nối xy lanh 31 Hình 5.4 Sơ đồ đấu nối PLC .32 Hình 5.5 Xy lanh khí nén 33 Hình 5.6 Sơ đồ đấu nối xy lanh 34 Hình 5.7 Van phân phối AIRTAC 4V210-08 .35 Hình 5.8 Sơ đồ van phân phối 36 Hình 5.9 Van tiết lưu chiều 37 Hình 5.10 Ký hiệu van tiết lưu chiều 37 Hình 5.11 Cấu tạo relay 38 Hình 5.12 Động chiều 24V 40 Hình 5.13 Bộ nguồn 24V 41 Hình 5.14 Aptomat 42 Hình 5.15 Nguyên lý Aptomat 43 Hình 5.16 Nút ấn .44 Hình 5.17 Sơ đồ đấu nối nút ấn 44 Hình 5.18 Thơng số cảm biến 45 Hình 5.19 Cảm biến LJ8A3-2-Z/BY (PNP) 45 Hình 5.20 Cảm biến CS1-S .46 Hình 5.21 Dây dẫn khí 46 Hình 5.22 Mơ hình hồn thiện 47 Hình 5.23 Bộ điều khiển nút ấn 47 Hình 5.24 Xy lanh điều khiển khoan khoan 48 Hình 5.25 Van phân phối 48 Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Phân cổng đầu vào .17 Bảng 3.2 Phân cổng đầu .18 Bảng 5.2 Lựa chọn sơ thiết bị 33 Bảng 5.3 Thông số xy lanh .34 Bảng 5.4 Thông số van phân phối 35 Bảng 5.5 Thông số relay 39 Bảng 5.6 Thông số động 40 Bảng 5.7 Thông số nguồn 42 Bảng 5.8 Thông số Aptomat 42 Bảng 5.9 Thông số nút ấn .43 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Khi nhà máy cơng nghiệp hình thành, thời điểm mà ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa thể rõ vai trị quan trọng Một sản phẩm muốn tồn chiếm lĩnh thị trường địi hỏi phải có chất lượng, mẫu mã giá thành cạnh tranh so với đối thủ Để đạt yếu tố tự động hóa sản xuất giải pháp tối ưu Nó giúp tăng suất, chất lượng sản phẩm ổn định, đồng nhất, chi phí sản xuất giảm, góp phần làm giảm giá thành sản phẩm Nhờ có phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, mức độ tự động hóa hệ thống sản xuất ngày tăng, hệ thống điều khiển giám sát thực công việc phức tạp thao tác vận hành máy tính điều khiển Các hệ thống điều khiển đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành lập trình hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Từ điều khiển đời với khả ghép nối cao hơn, khắc phục hạn chế điều khiển trước Ngày hệ thống điều khiển dùng PLC ngày phổ biến không ngừng phát triển nhiểu lĩnh vực Để hiểu rõ cấu tạo thiết kế chương trình cho PLC, đồ án hướng đến thiết kế xây dựng mơ hình khoan tự động Em xin cảm ơn nhà trường, môn tự động hóa cơng nghiệp tạo điều kiện cho em học tập nghiên cứu phịng thí nghiệm Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ths Phan Thị Huyền Châu tận tình hướng dẫn giúp đỡ để em hoàn thành đề tài Chương Xây dựng mơ hình thực tế b) Nguyên lý hoạt động A B Solenoid R P S Hình 5.4.3.b.1 Sơ đồ van phân phối Van phân phối 5/2 dùng để điều khiển xy lanh tác động kép số loại xy lanh khác Van có cửa A, B, R, S, P Trong đó:  Của A B nối với của xy lanh  Của S R hai xả khí  Của P nối với nguồn cấp khí nén  Y1 cuộn hút điều khiển van Ở trạng thái bình thường, A nối với cửa S, P nối với B, Xy lanh thu Khi tác động vào đầu Y1, van mở, P nối với A, cấp khí lên cho xy lanh ra, B nối với R giúp cho khí xả bên Khi ngừng tác động vào đầu Y1, van tự động đóng trở lại trạng thái ban đầu 5.4.4 Van tiết lưu chiều a) Yêu cầu Van tiết lưu chiều giúp điều chỉnh dịng khí vào xy lanh từ điều chỉnh tốc độ xy lanh Do mơ hình cần tốc độ xy lanh mức chậm để đẩy hộp cách xác, khơng bị lệch vật ngồi 41 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Hình 5.4.4.a.1 Van tiết lưu chiều Khi chọn khối điều chỉnh tốc độ cần phải đảm bảo lưu lượng khí lớn qua không nhỏ lưu lượng lớn qua van phân phối Ta phải chọn điều chỉnh tốc độ cho cho phép lưu lượng khí cần thiết đủ để điều chỉnh xung quanh mức lưu lượng khí u cầu Mơ hình ta dùng van tiết lưu lắp trực tiếp vào đầu van khí xilanh b) Nguyên lý hoạt động Hình 5.4.4.b.1 Ký hiệu van tiết lưu chiều Van tiết lưu chiều gồm van tiết lưu van chiều:  Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng khí qua ống  Van chiều cho khí qua chiều (từ sang 2), chiều ngược lại bị chặn Van tiết lưu chiều sử dụng mơ hình loại tiết lưu đường xả khí Cửa nối với A B xy lanh Cửa nối với cửa A B van phân phối 42 Chương Xây dựng mơ hình thực tế 5.4.5 Relay trung gian a) Yêu cầu Relay loại khí cụ điện, thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch điện động lực Các phận (các khối) relay:  Khối tiếp thu (cuộn dây): Có tác dụng tiếp nhận tín hiệu đầu vào biến đổi thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian  Khối trung gian (mạch từ nam châm điện): Làm nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu biến đổi thành đại lượng cần thiết cho relay tác động  Khối chấp hành (hệ thống tiếp điểm): Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển b) Nguyên lý hoạt động Hình 5.4.5.b.1 Cấu tạo relay Khi cuộn dây relay cấp điện áp định mức, sức từ động dòng điện cuộn dây sinh tạo mạch từ thơng, hút nắp tiếp điểm thường mở đóng lại tiếp điểm thường đóng mở Khi ngắt điện cuộn dây, lò xo kéo lắp tiếp điểm đưa tiếp điểm vị trí ban đầu 43 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Để điều khiển van động cơ, ta phải sử dụng rơ le để tác rời mạc lực với mạch điều khiển Do van công suất tiêu thụ van 2,5W điện áp hai đầu cuộn dây 24V Do dịng qua tiếp điểm relay là: Ivan== = 0,1 A Do công suất tiêu thụ động 2W điện áp 12 V Do dịng qua tiếp điểm relay là: IDC = = = 0,17A Dòng điện làm việc relay trung gian phải lớn dòng điện định mức động cơ.=> Ilv > 0,17 A Điện áp định mức cung cấp cho cuộn hút relay mức điện áp mà relay hoạt động Điện áp phải phù hợp với điều khiển PLC nên điện áp cuộn hút 24VDC Ta sử dụng relay kiểu loại MY4N có thơng số kĩ thuật sau: Bảng 5.4.5.b.1.1 Thông số relay Hãng sản xuất OMRON Dòng định mức 10A Điện áp hoạt động lớn AC125/250 Đế cắm PYF08A-N Tải định mức 3-5A Công suất 0,9W Tiếp điểm Bạc Điện áp 24V Điện trở cuộn dây 650Ω Dòng điện định mức qua cuộn dây 37,7 mA 44 Chương Xây dựng mơ hình thực tế 5.4.6 Động Hình 5.4.6.a.1 Động chiều 24V a) Yêu cầu Động chọn cần đảm bảo thông số: - phù hợp với làm việc Khi chọn máy động điện cần thỏa mãn yêu cầu sau: - Giá thành chi phí vận hành phù hợp - Điều khiển đơn giản - Trọng lượng, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt - Độ tin cậy cao vận hành - Có cấu trúc phù hợp với mơi trường, động có điện áp tần số định mức trùng với điện áp tần số lưới điện b) Lựa chọn động Sử dụng làm động khoan chi tiết, không cần đảo chiều Ta sử dụng động chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu, điện áp 24V 45 Chương Xây dựng mô hình thực tế Bảng 5.4.6.b.1.1 Thơng số động Chiều dài 110mm Đường kính thân 30,5mm Trọng lượng 300g Đường kính kẹp tối thiểu 0,6mm Đường kính kẹp tối đa 6,5mm Điện áp 24V Dòng điện 2A 5.4.7 Nguồn Hình 5.4.7.a.1 Bộ nguồn 24V Trong mơ hình, thiết bị hệ thống cần cung cấp nguồn 24V ổn định Do đó, khối nguồn hệ thống có nhiệm vụ biến đổi dịng điện xoay chiều 220V/50HZ thành dòng chiều 24V Một số yêu cầu chọn nguồn sau: - Điện áp đầu vào=220VAC - Điện áp đầu ra=24VDC, 12VDC - Công suất > Cơng suất mạch lực=9,5W - Dịng làm việc > Dịng làm việc max mạch lực =0,5A Do ta chọn nguồn Trung Quốc sản xuất có thông số sau: 46 Chương Xây dựng mô hình thực tế Bảng 5.4.7.a.1.1 Thơng số nguồn Sản phẩm Lighting Transformers Thương hiệu IMC Điện áp đầu vào 110V-220V Điện áp đầu 24V Dòng định mức 3A 5.4.8 Aptomat a) Lựa chọn Aptomat Ta chọn aptomat có thơng số sau: Bảng 5.4.8.a.1.1 Thơng số Aptomat Hãng sản xuất LS Mã sản phẩm BKN 2P, 10A(6KA) Xuất xứ Hàn quốc Số cực Dòng định mức 10A Dòng cắt 6KA 47 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Hình 5.4.8.a.2 Aptomat b) Nguyên lý hoạt động Hình 5.4.8.b.1 Nguyên lý Aptomat Bật CB trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện phần ứng không hút Khi mạch điện tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ nam châm điện lớn lực lò xo làm cho nam châm điện hút phần ứng xuống làm bật nhả móc 3, móc thả tự do, lị xo thả lỏng, kết tiếp điểm CB mở ra, mạch điện bị ngắt 5.4.9 Nút ấn a) Lựa chọn nút ấn Lựa chọn nút nhấn IDEC có thơng số sau: Bảng 5.4.9.a.1.1 Thơng số nút ấn Hãng sản xuất IDEC Mã sản phẩm AL6M – M24G Kiểu tiếp điểm Không trì Dịng tối đa 10A Điện áp làm việc 24VDC 48 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Nhiệt độ hoạt động -25 – 50 độ C Hình 5.4.9.a.2 Nút ấn b) Sơ đồ đấu nối 24V DC PLC SW I nput Hình 5.4.9.b.1 Sơ đồ đấu nối nút ấn 5.4.10 Cảm biến a) Lựa chọn thiết bị Trong mơ hình, xylanh có cảm biến để xác định hành trình xylanh Cảm biến tác động đưa tín hiệu báo điều khiển để lệnh điều khiển 49 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Ta sử dụng cảm biến tiệm cận LJ8A3-2-Z/BY cho vị trí: 50 Chương Xây dựng mơ hình thực tế • Cảm biến phát có vật • Cảm biến đầu xylanh C • Cảm biến cuối xylanh B Và cảm biến cảm biến từ Airtac CS1-S cho vị trí: • • Cảm biến cuối xylanh A Cảm biến đầu xylanh B Hình 5.4.10.a.1 Thơng số cảm biến Model LJ8A3-2-Z/BY Điện áp hoạt động – 36 VDC Dịng tiêu thụ khơng tải 10mA Khoảng cách phát – 2mm (Max) Phát đối tượng Kim loại Chiều dài dây 30cm 51 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Hình 5.4.10.a.2 Cảm biến LJ8A3-2-Z/BY (PNP) Hình 5.4.10.a.3 Cảm biến CS1-S 5.4.11 Dây dẫn khí Hình 5.4.11.a.1 Dây dẫn khí Ống dây TOYORK, gia cường hai lớp bó sợi polyester tang độ bền, chịu áp lực làm việc cao Kích thước: 6.5mm Suất xứ: Korea 52 Chương Xây dựng mơ hình thực tế 5.5 Hồn thiện mơ hình Hình 5.5.1.a.1 Mơ hình hồn thiện 53 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Hình 5.5.1.a.2 Bộ điều khiển nút ấn Hình 5.5.1.a.3 Xy lanh điều khiển khoan khoan 54 Chương Xây dựng mơ hình thực tế Hình 5.5.1.a.4 Van phân phối 55