Điều khiển động cơ bước dùng PLC

Điều khiển động cơ bước dùng PLC. Động cơ bước là một loại động cơ mà ở đó bạn sẽ có thể quy định chính xác số góc quay mà động cơ bước sẽ phải quay. Chúng thực chất là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.

BỘ CÔNG THƯƠNG KHOA: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - ĐỀ TÀI 16: ĐIỀU KHIỂN GÓC QUAY ĐỘNG CƠ BƯỚC DÙNG PLC TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2021 BỘ CƠNG THƯƠNG KHOA: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ - ĐỀ TÀI 16: ĐIỀU KHIỂN GÓC QUAY ĐỘNG CƠ BƯỚC DÙNG PLC TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2021 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy … tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập hoàn thành tập lớn Đặc biệt dày công truyền đạt kiến thức hướng dẫn chúng em trình làm Em cố gắng vận dụng kiến thức học học kỳ qua để hoàn thành báo cáo Nhưng kiến thức hạn chế khơng có nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh khỏi thiếu sót trình nghiên cứu trình bày Rất kính mong góp ý quý thầy để báo cáo em hoàn thiện Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn quan tâm giúp đỡ thầy … giúp đỡ em trình thực báo cáo Xin trân trọng cảm ơn! Mục Lục Danh mục hình ảnh Phần 1: LÝ THUYẾT VỀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 1.1 Lý thuyết cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành loại động dùng để di chuyển điều khiển cấu hay hệ thống Nó vận hành nguồn lượng, điển hình dịng điện, áp lực thủy lực, áp lực khí nén, chuyển lượng thành chuyển động Một cấu chấp hành cấu mà hệ thống điều khiển tác động theo môi trường Hệ thống điều khiển đơn giản (một cấu khí cố định hệ thống điện tử cố định), dựa phần mềm, người, đầu vào khác • Thủy lực Thiết bị truyền động thủy lực bao gồm xi lanh hay động chất lỏng sử dụng lượng thủy lực để đơn giản hóa hoạt động khí Chuyển động khí tạo chuyển động thẳng, xoay dao động Bởi chất lỏng gần khơng thể nén lạ được, thiết bị truyền động thủy lực tạo lực lớn Nhược điểm phương pháp giới hạn trình tăng tốc Xi lanh thủy lực bao gồm ống hình trụ rỗng kèm piston trượt dọc theo Thuật ngữ chiều (single acting) sử dụng áp lực chất lỏng theo bên piston Piston di chuyển theo hướng, lò xo thường sử dụng để tạo cho piston di chuyển ngược lại Thuật ngữ tác động hai chiều (double acting) sử dụng áp lực tác động bên piston; có chênh lệch áp lực hai bên piston, piston dịch chuyển phía hay phía (phía có áp lực nhỏ hơn) • Khí nén Thiết bị truyền động khí nén chuyển đổi lượng hình thành chân khơng khí nén áp suất cao thành chuyển động thẳng chuyển động quay Năng lượng khí nén lượng lý tưởng cho điều khiển động chính, đáp ứng khởi động dừng lại cách nhanh chóng nguồn lượng không cần phải dự trữ để hệ thống làm việc Các chấp hành khí nén cho phép lực đáng kể tạo từ thay đổi áp suất tương đối nhỏ Các lực thường sử dụng với van để di chuyển vách ngăn để tác động đến dịng chảy chất lỏng thơng qua van • Điện Một thiết bị truyền động điện bao gồm động điện chuyển đổi lượng điện thành mô-men xoắn học Điện sử dụng cho thiết bị chấp hành van nhiều cấp Đó chấp hành dễ kiếm khơng cần phải dùng dầu PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Bộ điều khiển PLC PLC S7 - 1200 dòng PLC SIEMENS, thiết bị tự động hóa đơn giản có độ xác cao Thiết bị PLC Siemens S7 - 1200 thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho loạt ứng dụng PLC S7 – 1200 Siemens có giao diện truyền thơng đáp ứng tiêu chuẩn cao truyền thông công nghiệp đầy đủ tính cơng nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho trở thành giải pháp tự động hóa hồn chỉnh tồn diện Với thiết kế theo dạng module, tính cao, dịng sản phẩm SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm bật PLC S7-1200 tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung phần mềm Simatic Step Basic cho việc lập trình PLC hình HMI Điều giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi cơng hệ thống điều khiển nhanh chóng, đơn giản 2.2 Phương pháp chọn động Đầu tiên xác định mô-men xoắn cần thiết cho stepper motor kéo tải Cách dễ để thêm đòn bẩy trục tải, kéo đòn bẩy với quy mô mùa xuân, kéo quân nhân chiều dài cánh tay tải mơ-men xoắn Hoặc tính tốn lý thuyết theo đặc điểm tải Do bước Motor động kiểm sốt, nayMơ-men xoắn tối đa động stepper thường sử dụng không vượt q 45Nm, mơ-men xoắn cao hơn, chi phí cao Nếu chọn mơ-men động lớn hơnhoặc ngồi phạm vi này, cân nhắc việc thêm thiết bị giảm Xác định tối đa hoạt động tốc độ động stepper Tốc độ số quan trọng chọn stepper motor, đặc điểm stepper motortăng tốc độ động cơ, mô-men xoắn giảm, suy giảm tốc độ có họ hàng với nhiều thông số, chẳng hạn như: lái xe điện áp, động giai đoạn nay, cácgiai đoạn cảm động cơ, kích thước động cơ, vv Nguyên tắc chung điện áp lái xe cao, chậm mô-men xoắn giảm; lớn động cơgiai đoạn nay, chậm mô-men xoắn giảm Chương trình thiết kế, tốc độ động phải kiểm sốt 1500 r/min 1000 r/min Theo hai số quan trọng: tải trọng tối đa mô-men xoắn tốc độ tối đa, tham khảo, lựa chọn phù hợp stepper motor Nếu suy nghĩ chọn động lớn, bạn xem xét thêm giảm, mà tiết kiệm chi phí làm cho thiết kế bạn linh hoạt Để chọn tỷ lệ xác giảm, xem xét mối quan hệ mô-men xoắn tốc độ 10 xung cực Rotor động bước có m vị trí ổn định trùng với trục cuộn dây hình a) Để tăng cường lực điện từ tổng Startor tăng từ thơng moment đồng bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba nhiều cuộn dây Lúc Rotor động bước có vị trí ổn định trùng với vector lực điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F có giá trị lớn lực điện từ cuộn dây Stator 3.1.4 Các loại động bước Động bước chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu biến từ trở, ngồi cịn có loại động hỗn hợp khơng có khác biệt với động nam châm vĩnh cửu Nếu khơng có nhãn để phân biệt động cơ, bạn phân biệt hai loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Hình 3.5 Động bước nhiều pha Động nam châm vĩnh cửu dường có nấc bạn dùng tay xoay nhẹ Rotor chúng , động biến từ trở dường xoay tự do, sử dụng 0hm kế ta phân biệt hai loại động Hình 3.6 Động bước cực 14 Động biến từ trở thường có mấu với dây chung, động nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có khơng có nút trung tâm Động bước có góc quay phong phú, động quay 90 độ bước, động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ bước Hầu hết loại động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp chạy chế độ nửa bước vài điều khiển điều khiển phân bước nhỏ hay cịn gọi vi bước Hình 3.7 Động bước đơn cực 3.1.5 Cách điều khiển động bước Điều khiển dạng sóng (Wave Drive) • Đây cách để điều khiển động bước khơng sử dụng nhiều đáng để hiểu việc điều khiển động bước Trong phương pháp này, pha stato cạnh kích hoạt cách sử dụng mạch đặc biệt Điều từ hóa khử từ hóa stato dẫn đến chuyển động rôto bước 15 Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive) Trong phương pháp thay kích hoạt stator lần, hai stator • kích hoạt với khoảng thời gian ngắn chúng Trong chế độ này, hai stator kích hoạt Điều có nghĩa stator thứ bật ON stator thứ hai ON sau khoảng thời gian ngắn stator thứ ON Phương pháp dẫn đến mô-men xoắn cao cho phép điều khiển động tải cao • • Điều khiển chạy nửa bước (Haft-Stepping Drive) Phương pháp giống với ổ đĩa Full bước Ở đây, hai stator đặt cạnh kích hoạt trước stator thứ ba kích hoạt tiếp theo; hai stator bị vơ hiệu hóa Chu kỳ kích hoạt hai stator trước sau stator lặp lại để điều khiển động bước Phương pháp dẫn đến tăng độ phân giải động giảm mô-men xoắn 16 Điều khiển chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive) Đây phương pháp điều khiển sử dụng phổ biến tính • xác Mạch điều khiển cung cấp dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato dạng sóng hình sin Những bước nhỏ xíu giúp tăng cường độ xác bước Phương pháp sử dụng rộng rãi cung cấp độ xác cao giảm tiếng ồn hoạt động mức độ lớn 3.2 PLC 3.2.1 PLC Plc viết tắt cụm từ program logic controller, tạm dịch có nghĩa thiết bị điều khiển logic có khả lập trình Plc đời để thay hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút nhấn để thực nhiệm vụ, plc sử dụng tiếp điểm ảo giúp người thiết kế dễ dàng thay đổi, lập trình hiểu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác thực tế Hiện thị trường có nhiều loại plc với cách thức viết nạp chương trình khác Chính cần đáp ứng theo tiêu chí từ viết tắt PLC gọi chúng plc Cùng với phát triển máy móc tự động hóa plc tích hợp thêm nhiều tính khác nhằm giúp điều khiển nhiều thiết bị khả kết nối nhiều hệ thống với Những tính mở rộng phổ biến 17 plc khả đọc xuất tín hiệu analog Tích hợp khả đọc xung tốc độ cao từ cảm biến đo vòng quay encoder Kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi truyền thơng hình cảm ứng hmi, máy tính 3.2.2 Cấu tạo PLC PLC thường cấu tạo thành phần phần nguồn thường 220v 24v( có số loại plc phổ biến sử dụng nguồn 5v 3.7v) Tiếp theo CPU, loại plc tùy theo ứng dụng có tốc độ xử lý nhớ lưu trữ chương trình, khả mở rộng khác Phần lại khối ngoại vi bao gồm: in/out, truyền thông, module phát xung, analog Hình 3.8 cấu tạo PLC 3.2.3 Cấu trúc PLC Tùy theo ứng dụng giá thành mà plc thiết kế theo nhiều hình dạng khác chủ yếu có hình dạng dạng nguyên khối dạng module Đối với số loại u cầu nhỏ gọn có số loại plc dạng slim( mỏng), loại thường dạng khối gắn ray để bắt lên lắp thiết bị tủ điện 18 Hiện có loại plc thiết kế theo dạng tối ưu chi phí nên làm theo số dịng board mạch, nên giới thường hay gọi với tên board plc hay plc dạng board Các bạn tìm hiểu về plc dạng để sử dụng nhằm tiết kiệm tài 3.2.4 Ứng dụng PLC thực tế Ứng dụng plc phổ biến công nghiệp đời sống Những loại máy móc nhỏ đóng gói, băng tải sử dụng số dịng plc kinh tế có in/out ít, thiết kế nhỏ gọn với giá thành cạnh tranh Đặc điểm loại plc tích hợp đầy đủ tính cần thiết để linh hoạt sử dụng cho nhiều ứng dụng Đối với hệ thống lớn, điều khiển phức tạp dây chuyền xử lý nước thải, nhà máy xi măng có dòng plc thiết kế dạng module tùy theo nhu cầu mà sử dụng nhiều loại module khác Khi sử dụng loại phải tính tốn loại CPU số lượng in/out, module analog, truyền thơng để đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật dự án Trong đời sống plc ứng dụng cho nhiều hệ thống đèn giao thông, nhà thông minh Đặc biệt phát triển nơng nghiệp plc ứng dụng nhiều để giúp đại hóa q trình sản xuất nơng nghiệp nước ta 3.2.5 Một số dịng PLC thơng dụng Một số hãng plc thông dụng 19 Hình 3.9 số loại PLC Đầu tiên phải kể đến Siemens Đức với dòng s7-1200 s71500 thay cho số dịng cũ s7-200 s7-300 Nói đến plc siemens phải nói đến giá thành cao phần mềm lập trình nặng, nhiên bù lại độ ổn định cao hỗ trợ hãng cộng đồng người sử dụng nhiều, hàng Siemens thường ứng dụng nhiều cho máy móc cao cấp hệ thống tự động hóa lớn Nguyên nhân quan trọng khiến Việt Nam nhiều người dùng Siemens hãng xâm nhập vào thị trường Việt Nam tương đối sớm Một hãng plc khác phổ biến Mitsubishi Nhật Bản Một số dòng phổ biến mitsu fx-3u fx-5u hay fx-3g thay cho số dòng cũ fx-1n fx2n Plc Mitsu có giá thành mềm ứng dụng cho số loại máy móc cơng cụ hoạt động độc lập Sự phổ biến plc mitsu Việt Nam theo máy nhập từ Nhật nhiều Ngồi thị trường cịn có số hãng plc khác Omron, Delta, Panasonic, Keyence hướng dẫn số ứng dụng cho máy móc dây chuyền 20 3.3 Driver DM 542 Driver điều khiển động bước Leadshine DM542 (M542 Upgrade) phiên nâng cấp M542 với IC thuật toán xử lý DSP vượt trội cho khả chống nhiễu, độ ổn định độ ồn thấp (thử nghiệm thực tế cho thấy tiếng ồn độ rung động so với M542 giảm nhiều lần, động chạy êm, mượt), hình dạng, kích thước, cách sử dụng DM542 hồn tồn tương tích với phiên cũ M542 Driver điều khiển động bước Leadshine DM542 (M542 Upgrade) hàng hãng Leadshine sử dụng để điều khiển động bước phase Phase, Driver có chất lượng tốt, độ bền độ ổn định cao, loại thường sử dụng máy Cắt Laser, máy CNC cỡ trung Hình 3.10 Driver DM 542 3.3.1 Thơng số điện áp: • • • Điện áp sử dụng: 20 ~ 50VDC Dòng điện ngõ tối đa: Max 4.2A Các tùy chỉnh vi bước: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128; or 1/5, 1/10, 1/20, 1/25, 1/40, 1/50, 1/100, 1/125 • Các tùy chỉnh dòng điện: 1.0A, 1.46A, 1.91A, 2.37A, 2.84A, 3.31A, 3.76A, 4.20A 21 • Giảm độ nóng motor cơng nghệ implementation of 3-state current • • • • control Xung điều khiển: PULSE/DIRECTION & CW/CCW Tích hợp công nghệ tự động chỉnh phù hợp với động Tần số xung tối đa: 300 KHz Tương thích mức tín hiệu TTL 5VDC tích hợp Opto cách ly giao tiếp với • • • • • • mạch điều khiển Automatic idle-current reduction 15 selectable resolutions, up to 25,000 steps/rev Sử dụng cho động Phase Phase Bảo vệ Ngắn mạch, Quá áp, dòng, nhiệt độ tích hợp Kích thước: 4.65 X 2.97 X 1.30 inches; 10 oz CE, ROHS certified 3.3.2 Thiết lập vi bước driver DM542 22 3.3.3 Thiết lập dòng tải DM542 23 3.4 Nguồn 24V DC Hầu hết thiết bị tự động hoạt động điện áp nguồn 24V-10A phổ biến sống, tủ điện có đổi nguồn 220V sang nguồn 24V-10A để cấp cho thiết bị Hình 3.11 Bộ nguồn tổng 24V-10A Bộ nguồn 24V-10A nguồn 220VAC/ 24VDC với công suất 240W đáp ứng cho hệ thống vừa nhỏ Một số dòng PLC cấp nguồn 24V nhiên chúng đủ cho Relay nội PLC Ngoài số dịng PLC cịn sử dụng nguồn 24V từ bên ngồi để cấp nguồn Do thơng thường hệ thống tủ điện cần có nguồn riêng 3.4.1 Đặc Điểm • • • • Bảo vệ ngắn mạch Điện áp đầu vào: 220V Điện áp đầu ra: 24V Nguồn nuôi chiều DC 24V dùng cho thiết bị điện, điện tử Tùy vào số lượng cơng suất mà người sử dụng chọn nguồn 24VDC từ 1,2 đến 5, 10, 20A Tuy nhiên thơng thường ta nên chọn nguồn 24V-10A có cơng suất cao so với thực tế sau muốn mở rộng thêm hệ thống 24 khơng cần phải lãng phí để mua thêm nguồn khác thay thêm vào Ngoài số vị trí có mơi trường hoạt động khắc nghiệt nhiệt độ an toàn địi hỏi cao hầu hết thiết bị hoạt động sử dụng nguồn 24V 25 PHẦN CƠ SỞ THỰC HIỆN 4.1 Sơ đồ khối Hình 4.1 sơ đồ khối hệ thống 26 4.2 Sơ đồ nối dây Hình 4.2 sơ đồ nối dây 27 4.3 Code điều khiển động Hình 4.3 code điều khiển động 28