Thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình khoan tự động - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (20)

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình khoan tự động” em tự thiết kế hướng dẫn giảng viên cô Th.s 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 hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Trường Xuân MỤC LỤC 1.1 Mô tả công nghệ khoan Đặc điểm công nghệ Khoan phương pháp thủ công Khoan cỡ nhỏ Khoan cỡ trung (Máy khoan bàn) Máy khoan CNC Một số mơ hình hệ thống máy khoan tự động thực tế 1.2 Mơ hình công nghệ khoan tự động Kết cấu khí 2.1 Phương pháp Grafcet Định nghĩa Một số ký hiệu dùng Grafcet Quy tắc hoạt động Grafcet 10 Xây dựng lưu đồ GRAFCET I (GI) 11 Xây dựng lưu đồ GRAFCET II (GII) 12 Grafcet hàm logic tương ứng 12 Các dạng mạch đặc biệt 13 Trình tự thiết kế phương pháp Grafcet 16 2.2 Thiết kế mơ hình khoan phương pháp Grafcet 16 Mơ tả cơng nghệ mơ hình máy khoan tự động 16 Xác định tín hiệu điều khiển cấu chấp hành 18 Phân tích cơng nghệ máy khoan tự động 18 Sử dụng phương pháp GRAFCET để thiết kế mơ hình khoan tự động 19 Grafcet I (GI) 21 Grafcet II (GII) 22 Xác định hàm điều khiển cho mơ hình máy khoan tự động 23 3.1 Tổng quan hệ điều khiển 25 Khái quát chung 25 Cấu trúc hệ thống điều khiển 25 3.2 Tổng quan PLC 25 Giới thiệu PLC 25 Vị trí PLC hệ thống điều khiển 26 Khả PLC 28 Các ưu điểm ứng dụng PLC 29 3.3 Kết luận 32 3.4 PLC MITSUBISHI FX3GA-24MT 32 3.5 Phân cổng vào PLC 33 Phân cổng vào PLC 33 Phân cổng PLC 34 3.6 Sơ đồ đấu dây 35 Sơ đồ đấu dây PLC 35 Sơ đồ mạch lực 36 Sơ đồ mạch điều khiển 37 3.7 Chương trình điều khiển cho PLC 37 Phần mềm lập trình GX Developer 37 Chương trình điều khiển 38 4.1 Các yêu cầu thiết kế hệ điều khiển cho mơ hình khoan tự động 43 4.2 Lựa chọn thiết bị mạch lực 43 Xy lanh khí nén 43 Van tiết lưu 45 Nguồn 24VDC 46 Aptomat 47 Động 48 Dây dẫn khí 49 4.3 Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển 50 Van phân phối khí nén 50 Cảm biến 51 Nút nhấn 53 Rơ le 54 Tính chọn PLC 56 4.4 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 58 Các phận cụ thể mô hình 58 Mơ hình tổng thể 60 4.5 Thiết kế giao diện điều khiển 60 4.6 GT-Designer 61 Định nghĩa 61 Dùng GT-Designer để thiết kế chương trình 61 4.7 Thiết kế giao diện điều khiển cho mơ hình khoan tự động 63 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Khoan thủ cơng Hình 1.2 Máy khoan sử dụng điện Hình 1.3 Khoan tay sử dụng Pin Hình 1.4 Máy khoan bàn Hình 1.5 Máy khoan CNC Hình 1.6 Mơ hình hệ thống máy khoan thực tế Hình 1.7 Mơ hình cơng nghệ Hình 1.8 Mơ hình thí nghiệm thực tế Hình 2.1 Lưu đồ trạng thái làm việc 10 Hình 2.2 Lưu đồ tổng quát Grafcet I 11 Hình 2.3 Lưu đồ tổng quát Grafcet II 12 Hình 2.4 Mạch rơ le tiếp điểm 13 Hình 2.5 Mạch phân kỳ “Hoặc” 13 Hình 2.6 Mạch hội tụ “Hoặc” 14 Hình 2.7 Mạch phân kỳ “Và” 15 Hình 2.8 Mạch hội tụ “Và” 15 Hình 2.9 Trình tự thiết kế theo phương pháp Grafcet 16 Hình 2.10 Mơ hình máy khoan tự động 16 Hình 2.11 Sơ đồ Grafcet I 21 Hình 2.12 Sơ đồ Grafcet II 22 Hình 3.1 Cấu trúc PLC 26 Hình 3.2 Các khối hệ điều khiển truyền thông 27 i Danh mục hình vẽ Hình 3.3 Các khối hệ điều khiển dùng PLC 28 Hình 3.4 Dây truyền sản xuất nước đóng chai 30 Hình 3.5 Bãi đỗ xe tự động 31 Hình 3.6 Dây truyền sản xuất giấy 31 Hình 3.7 PLC FX3GA – 24MT 32 Hình 3.8 Sơ đồ đấu nối với PLC 35 Hình 3.9 Sơ đồ đấu nối xylanh 36 Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển động khoan 36 Hình 3.11 Sơ đồ mạch điều khiển 37 Hình 3.12 Cài đặt GX Developer 38 Hình 3.13 Chương trình điều khiển 42 Hình 4.1 Xylanh STNC 20*100 44 Hình 4.2 Ký hiệu xy lanh kép 45 Hình 4.3 Van tiết lưu chiều 45 Hình 4.4 Ký hiệu van tiết lưu chiều 46 Hình 4.5 Nguồn 24VDC 47 Hình 4.6 Aptomat LS BKN 2P, 10A (6KA) 47 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Aptomat 48 Hình 4.8 Động chiều 49 Hình 4.9 Sơ đồ đấu nối động 49 Hình 4.10 Dây dẫn khí 49 Hình 4.11 Van phân phối 5/2 Airtac 51 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý van phân phối 51 Hình 4.13 Cảm biến LJ8A3-2-Z/BY 52 Hình 4.14 Sơ đồ đấu dây cảm biến LJ8A3-2-Z/BY 52 ii Danh mục hình vẽ Hình 4.15 Cảm biến Airtac CS1-S 53 Hình 4.16 Sơ đồ đấu dây cảm biến CS1-S 53 Hình 4.17 Nút nhấn sử dụng mơ hình 54 Hình 4.18 Sơ đồ đấu nối nút nhấn 54 Hình 4.19 Rơ le 55 Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý rơ le 56 Hình 4.21 PLC FX3GA – 24MT 57 Hình 4.22 Bộ van vân phối 5/2 58 Hình 4.23 Nguồn 24VDC 58 Hình 4.24 Nút nhấn 58 Hình 4.25 Động 59 Hình 4.26 Xylanh khí nén 59 Hình 4.27 PLC rơ le 60 Hình 4.28 Mơ hình tổng thể 60 Hình 4.29 Thanh toolbar 61 Hình 4.30 Thanh cơng cụ object 62 Hình 4.31 Thanh cơng cụ figule 63 Hình 4.32 Giao diện điều khiển mơ hình khoan tự động 63 iii Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Lựa chọn sơ thiết bị 17 Bảng 2.2 Tín hiệu đầu vào 19 Bảng 2.3 Tín hiệu đầu 20 Bảng 3.1 Tín hiệu vào PLC 33 Bảng 3.2 Tín hiệu PLC 34 Bảng 4.1 Thông số xylanh STNC 44 Bảng 4.2 Thông số nguồn 46 Bảng 4.3 Thông số aptomat 47 Bảng 4.4 Thông số van phân phối AIRTAC 4V210-08 50 Bảng 4.5 Thông số cảm biến LJ8A3-2-Z/BY 52 Bảng 4.6 Thông số nút nhấn 53 Bảng 4.7 Thông số rơ le 55 Bảng 4.8 Thông số PLC FX3GA – 24MT 57 iv Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GRAFCET Graphe fonctionnel de Com-mande Etape transition PLC Programmable Logic Controller CPU Central Processing Unit v Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Hình 4.17 Nút nhấn sử dụng mơ hình Hình 4.18 Sơ đồ đấu nối nút nhấn Rơ le Để điều khiển van điện từ, động để cách ly PLC với thiết bị chấp hành ta sử dụng rơ le trung gian Từ ta chọn rơ le trung gian để điều khiển có thông số sau: 54 Chương Xây dựng mô hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Bảng 4.7 Thông số rơ le Hãng sản xuất Omron Dòng định mức 3A Điện áp cuộn dây 24VDC Dòng định mức qua cuộn dây 37,7 mA Đế cắm PYF14A Nhiệt độ hoạt động -55 – 70 độ C Điện trở cuộn dây 650Ω Model LY2N Tiếp điểm Bạc Hình 4.19 Rơ le 55 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý rơ le Tính chọn PLC PLC FX3GA – 24MT thuộc dòng PLX FX3Gm dòng PLX cải tiến từ dòng FX1N, kế thừa tất tính dòng PLX FX kết hợp với tiến vượt bậc dòng PLC hệ FX3 nhắm đến đổi công nghệ mang đến cho người dung ổn định tính linh hoạt cao FX3GA – 24 MT tích hợp nhớ lên đến 32kb bước lệnh cho dòng tiêu chuẩn, tốc độ xử lý lệnh đơn logic thời gian 0.21𝜇𝑠 Thêm vào cho phép xử lý số thực ngắt Việc lập trình FX3G dễ hết nhờ vào thực thi thông qua đồng thời cổng truyền thông tốc độ cao RS422 USB, với dòng FX3G ngõ kiểu transistor cho phép phát xung độc lập ngõ lên đến 100kHz, nhà sản xuất tích hợp cải tiến nhiều tập lệnh điều khiển vị trí Chức cho phép cài đặt mật truy cập phân quyền theo người sử dụng 56 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển L N S/S X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 X015 PLC MITSUBISHI FX3GA – 24MT 24V 0V COM0 COM1 COM2 COM3 COM4 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011 Hình 4.21 PLC FX3GA – 24MT Bảng 4.8 Thông số PLC FX3GA – 24MT Số ngõ vào 14 Số ngõ 10, kiểu relay Nguồn cung cấp 100-240 VAC, 50/60 Hz Công suất tiêu thụ 32W Truyền thông USB, RS232, RS485 Bộ đếm tốc độ cao 60Hz* kênh 10Hz* kênh Bộ nhớ 32Kb Có thể mở rộng 16-128 ngõ ra/vào Tích hợp đồng hồ thời gian thực Xuất xứ Nhật Bản Số lượng 57 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển 4.4 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Các phận cụ thể mơ hình Hình 4.22 Bộ van vân phối 5/2 Hình 4.23 Nguồn 24VDC Hình 4.24 Nút nhấn 58 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Hình 4.25 Động Hình 4.26 Xylanh khí nén Trong đó:  Xylanh A thực đẩy vật vào trí khoan  Xylanh B thực nâng hạ động  Xylanh C thực đẩy vật khỏi vị trí vừa khoan 59 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Hình 4.27 PLC rơ le Mơ hình tổng thể Hình 4.28 Mơ hình tổng thể 4.5 Thiết kế giao diện điều khiển GOT (Graphic Operation Terminal) xem bảng vận hành điện tử (electronic) mà đặt lên hình giám sát, nút vận hành, đèn báo, vùng hiển thị liệu chức 60 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển GOT panel vận hành hệ thống điện tử mà đặt lên thứ cần thiết cho việc vận hành cách linh hoạt, dễ thay đổi, dễ sửa chữa tiết kiệm so với panel truyền thơng Màn hình hiển thị GOT tạo máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng GT-Designer Sử dụng GT-Designer ta tạo chức cho GOT cách đặt vào hình hiển thị phần có chức tương ứng như: Cơng tắc, đèn, hiển thị số…Sau đó, ta thực cài đặt thuộc tính, chức hoạt động kết nối với CPU, PLC 4.6 GT-Designer Định nghĩa GT-Designer phần mềm hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện hình GOT máy tính Sau đó, thực việc đổ chương trình thiết kế từ PC vào GOT để vận hành Ngoài ra, GT-Designer cịn cho phép import liệu có sẵn GOT vào máy tính để chỉnh sửa import từ project khác GT-Designer có nhiều phiên Ở ta dùng phiên GT-Designer chuyên dùng cho dòng: GOT 1000, GOT 2000… Dùng GT-Designer để thiết kế chương trình Để thiết kế chương trình cho GOT, ta xem xét tính cơng cụ chủ yếu sử dụng GT-Designer  Thanh toolbar (Main) Chứa chức chương trình Hình 4.29 Thanh toolbar + 1, 2, 3: Các lệnh tạo mới, mở, lưu project 61 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển + 4, 5: Các lệnh tạo mới, mở hình + 6, 7, 8: Các lệnh cut, copy, paste + 9, 10, 11, 12, 13, 14: Các lệnh undo, redo, xem hình thiết kế trước, sau + 15: Hiển thị danh sách object dùng project + 16: Hiển thị danh sách object dùng project cho biết ngõ vào/ có định dạng + 17, 18: Cơng cụ thêm ghi trỏ Trong trình design cho GOT, thiết kế nhiều hình hình chức riêng Trong có hình hiển thị nhiều hình Trên hình thiết kế phím liên kết di chuyển đến hình khác  Thanh hiển thị trạng thái (toolbar view) Thanh cho biết trạng thái giá trị số đường nét mà ta dùng Nói cách khác, tương tự format word hay status autocad  Thanh công cụ object Thanh công cụ chứa bit swich, bit lamp, numerical, numerical imput, đồng hồ thời gian thực, đồ thị, biểu đồ… Hình 4.30 Thanh công cụ object  Thanh công cụ figule Thanh công cụ cho phép ta thực vẽ chèn hình từ bên ngồi vào screen 62 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển Hình 4.31 Thanh công cụ figule  Thanh chức edit Thanh giúp người thiết kế chỉnh sửa đường nét, nhóm đối tượng…  Thanh menu Thanh menu GT-Designer gồm nhiều lệnh lệnh chương trình ứng dụng khác 4.7 Thiết kế giao diện điều khiển cho mơ hình khoan tự động Hình 4.32 Giao diện điều khiển mơ hình khoan tự động  1: Chế độ Auto/ Manual  2: Nút ấn Start  3: Nút ấn Stop 63 Chương Xây dựng mơ hình thực tế thiết kế giao diện điều khiển  4: Phím test xylanh A (chế độ manual)  5: Phím test xylanh B (chế độ manual)  6: Phím test xylanh C (chế độ manual)  7: Tín hiệu xylanh A  8: Tín hiệu cảm biển đầu xylanh B  9: Tín hiệu xylanh B  10: Tín hiệu cảm biến đầu xylanh C  11: Tín hiệu xylanh C  12: Tín hiệu khoan M  13: Tín hiệu cảm biến cuối xylanh A  14: Tín hiệu cảm biến cuối xylanh B 64 Kết luận KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em tìm hiểu tiếp thu nhiều kiến thức, kinh nghiệm bổ ích, giúp em vận dụng kiến thức thầy cô giảng dạy lớp vào thực tế Không riêng học tập, chúng em rèn luyện khả làm việc độc lập, làm việc nhóm để chế tạo thành cơng mơ hình thí nghiệm khoan tự động với bảo hướng dẫn nhiệt tình Th.s Phan Thị Huyền Châu Trong nội dung nghiên cứu đồ án này, em thực nhiệm vụ sau: + Tìm hiểu, thiết kế chế tạo thành cơng mơ hình thí nghiệm khoan tự động + Tìm hiểu PLC nói chung PLC FX3G Mitshubishi nói riêng + Dùng phương pháp GRAFCET để viết chương trình lập trình cho PLC + Tìm hiểu thiết bị điện sử dụng mơ hình + Thiết kế sơ đồ dây sơ đồ lắp ráp cho hệ thống Trong trình nghiên cứu làm việc, thiết kế thành cơng mơ hình thí nghiệm khoan tự động mơ hình dừng lại mục đích phục vụ thí nghiệm nên để ứng dụng mơ hình vào thực tế cịn nhiều vấn đề phát sinh cần phần nâng cấp khắc phục Trong thời gian làm đồ án, em cố gắng tìm hiều, khắc phục vấn đề trình xây dựng mơ hình thực tế Tuy nhiên khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý thầy giáo để đồ án em hồn thiện mơ hình ứng dụng thực tế Một lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Phan Thị Huyền Châu tận tình giúp đỡ để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Trường Xuân 65 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp – Đại học Bách khoa Hà Nội, Bài giảng Điều khiển Logic PLC [2] Nguyễn Văn Khang, Bộ điều khiển logic khả trình PLC ứng dụng, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2009 [3] Thầy Hà Tất Thắng, Bài giảng PLC cho tự động hóa, Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp, 2007 [4] TS Phạm Văn Khảo, Truyền động – Tự động điều khiển khí nén, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2012 66 Tài liệu tham khảo 67 68 ... tranh cao thị trường Quy trình cơng nghệ khoan tự động mà em thực sau ứng dụng phần nhỏ cơng nghiệp đại hóa ngày Trong trình thực đồ án, em cố gắng nhiều hiểu biết lực cịn yếu nên chắn khơng tránh... máy làm việc tự động gần hoàn toàn đạt độ xác cao máy CNC dùng để khoan chi tiết máy khoan thông thường Các máy khoan tự động hóa theo dây chuyền nhằm nâng cao suất giảm sức lao động người Máy... môn tự động hóa cơng nghiệp tạo điều kiện cho em học tập, nghiên cứu phịng thí nghiệm em chân thành gửi lời cảm ơn tới cô Th.s Phan Thị Huyền Châu hướng dẫn giúp đỡ để em hoàn thành đồ án cách tốt