a. Thiết kế khối xử lý trung tâm
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho hệ thống xử lý trung tâm, cùng với sự tư vấn và hỗ trợ thiết bị từ giáo viên hướng dẫn nên nhóm thực hiện đã quyết định chọn PLC S7-1200 của hãng Siemens để làm bộ xử lý chính cho đề tài này [4]. Với đặc điểm có cấu hình xử lý nhanh và việc tích hợp sẵn việc truyền thông dữ liệu qua Ethernet. Nhóm thực hiện đã chọn được CPU 1214C DC/DC/DC với mã sản phẩm là 6ES7214- 1AG40-0XB0. Sau đây là một vài thông số cơ bản của loại CPU này:
Nguồn cấp: 20.4 ~ 28.8VDC .
Dung lượng bộ nhớ trong: 100 KB.
Tích hợp thẻ nhớ 4MB.
Số ngõ vào: 14 DI 24 VDC.
Số ngõ ra 10 DO transistor 0.5A tích hợp ngõ vào analog 2 AI (0 ~ 10VDC) 10 bit.
Công suất: 12W.
Truyền thông máy tính cổng Ethernet.
Nhiệt độ làm việc: -20oC ~ 70oC.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 40
Kích thước: 110 (w) x 75 (d) x 100 (h).
Sử dụng phần mềm lập trình Simatic Step 7 (Tia Portal) V13 SP1.
Hình 3. 2: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Ưu điểm lựa chọn
Đã được trang bị kiến thức cơ bản về PLC S7-1200 ở trường lớp.
Số input trong mô hình sử dụng 9 ngõ, output 9 ngõ phù hợp với số ngõ input/out trên PLC.
Có tích hợp bộ đếm xung tốc độ cao, thích hợp cho việc điều khiển step motor trong mô hình.
PLC đơn giản, dễ sử dụng, độ bền cao.
Phần mềm lập trình trực quan, giúp dễ dàng trong việc viết chương tình điều khiển.
b. Thiết kế khối cảm biến
Trong đề tài này khối cảm biến sẽ đưa tín hiệu nhận biết được từ bên ngoài vào CPU để xử lý. Sau khi tìm hiểu nhiều loại cảm biến quang nhóm quyết định chọn dùng 2 cảm biến quang E3C-DS10T với bộ điều khiển Omron E3C-JC4P để phát hiện cuộn dây tại vị trí được xoắn và tại vị trí hàn dây tự động với lý do dễ dàng lắp đặt, phát hiện được vật trong môi trường nhiều bụi, khả năng phát hiện vị trí chính xác của vật thể, độ tin cậy cao.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 41 Cảm biến quang E3C-DS10T
Thông số kỹ thuật:
Kiểu cảm biến: khối.
Loại phát hiện: khuếch tán.
Phạm vi phát hiện: 100mm.
Khối kết nối: cáp có dây.
Công nghệ quang học: Led.
Dãy nhiệt độ hoạt động: -25oC đến 75oC.
Hình 3. 3: Cảm biến quang E3C-DS10T
Bộ khuếch đại quang điện E3C-JC4P
Đặc điểm chung
Bộ khuếch đại quang điện Omron E3C-JC4P cài đặt cảm biến đơn giản, dễ sử dụng, dễ thay thế.
Ứng dụng của bộ khuếch đại quang điện Omron E3C-JC4P kết hợp với cảm biến quang: Phát hiện buồng thang nâng, phát hiện gói hàng nằm ngoài giá để hàng, phát hiện khay cho dây chuyền chế biến rau quả, phát hiện phôi trong máy chế biến gỗ.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 42
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật Bộ khuếch đại quang điện E3C-JC4P
Loại Thu - phát, phản xạ khuếch tán
Nguồn cấp 12 to 24 VDC±10%, ripple (p-p): 1 V max. Nguồn sáng Led đỏ
Chế độ hoạt động Light-ON/Dark-ON
Ngõ ra Ngõ ra collector hở NPN/PNP: điện áp lớn nhất 24VDC, dòng tải 100mA
Chỉ thị hoạt động Đèn led xanh (chỉ thị nguồn, sự ổn định) Thời gian đáp ứng 1ms max
Điều chỉnh độ nhạy Vít chỉnh
Chức năng bảo vệ Nối ngược cực, ngắn mạch ngõ ra, ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau
Kiểu đấu nối Cáp chuẩn dài 2m
Phụ kiện Giá đỡ, tuốc nơ vít điều chỉnh, nhãn cảnh báo, hướng dẫn sử dụng
Cấp bảo vệ IP60 Tiêu chuẩn IEC
Cảm biến từ
Trong mô hình sử dụng 2 loại cảm biến từ là Mindman RCE và SMC D-A80 để nhận biết hành trình xy lanh khí nén. Hai loại cảm biến từ có thể hoạt động ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 43
Hình 3. 5: Cảm biến SMC D-A80
Hình 3. 6: Cảm biến Mindman RCE
BLUE (BLACK) NGÕ VÀO PLC BROWN (WHITE) 24VDC +
Hình 3. 7: Sơ đồ đấu nối cảm biến từ
Với cảm biến từ cấp nguồn 24VDC vào dây nâu hoặc đôi khi là dây trắng của cảm biến. Đầu còn lại kết nối với ngõ vào của PLC
Loại này là công tắc có 2 cực thường mở hoặc thường đóng.
Khi có từ tính nó sẽ thông nhau đối với loại thường mở.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 44
Thông số kỹ thuật:
Nguồn cấp 24VDC.
Dòng tối đa 50mA.
Chuẩn CE marking đối với SMC D-A80. Mindman RCE hoạt động ở nhiệt độ -10°C => 70°C.
Ưu điểm lựa chọn:
Cảm biến sử dụng phổ biến, dễ tìm kiếm trên thị trường.
Đơn giản dễ sử dụng, giá thành khá hợp lý.
Độ bền cao trong môi trường công nghiệp.
Độ phát hiện đáng tin cậy, ít chập chờ mất tín hiệu, phát hiện vật chính xác.
Với cảm cảm biến quang có bộ điều khiển đi kèm, rất thuận tiện cho nhiều ứng dụng khác nhau, mà ta có thể điều chỉnh.
c. Thiết kế khối điều khiển
Kết nối với ngõ vào PLC.
Ở phần kết nối phần cứng cần lưu ý một số điểm sau:
Ngõ vào đấu kiểu cấp dòng (Sourcing) thì chân M của INPUT sẽ được nối với nguồn dương +24VDC. Khi nhấn nút, dòng sẽ chạy từ nguồn +24VDC vào chân COM, chạy vào PLC, chạy ra INPUT rồi qua nút nhấn đi xuống GND. Như vậy, đối với ngõ vào loại cấp dòng, dòng sẽ chạy từ PLC ra thiết bị.
Sensor quang ta sẽ chọn loại NPN, còn sensor từ hai dây ta sẽ nối chân dương vào 0V nguồn, chân còn lại đi vào INPUT của PLC
Đối với ngõ ra cấp dòng cũng tương tự, chân M sẽ được nối với nguồn dương, dòng sẽ chạy từ chân cực dương nguồn vào chân COM của PLC, rồi từ PLC chạy ra thiết bị ngõ ra (relay, contactor, đèn…) rồi xuống chân âm nguồn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 45
Sơ đồ mạch điều khiển
24VDC
M
PLC S7 - 1200 CPU 1214C DC/DC/DC
DI14,DQ10,AI2
L M M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 24VDC L M ON OFF RS LS 3 LS4 LS5 LS6 Đ1 Đ2 Đ3 V1 V2 V3
Hình 3. 8: Sơ đồ đấu nối phần cứng cho toàn mô hình.
SENSOR S1 NPN Omron E3C-JC4P 24VDC BLACK I0.3 BLUE BROWN+ - SENSOR S2 NPN Omron E3C-JC4P 24VDC BLACK I0.4 BLUE BROWN+ -
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 46
Q0.0 24 VDC TB 6560 EN- EN+ CW- CW+ CLK- CLK+ 24VDC+ GND A+ A- B+ B- step Motor Q0.2 24 VDC TB 6560 EN- EN+ CW- CW+ CLK- CLK+ 24VDC+ GND A+ A- B+ B- step Motor Q0.1 24 VDC TB 6560 EN- EN+ CW- CW+ CLK- CLK+ 24VDC+ GND A+ A- B+ B- step Motor
Hình 3. 10: Sơ đồ đấu nối Step motor với Driver TB6560
Cảm biến Omron E3C-JC4P với tín hiệu ngõ ra 100mA. Cấp nguồn 24VDC, trong đó dây màu nâu (brown) sẽ là dây cấp nguồn +24 VDC, dây màu xanh (blue) kết nối với 0V, và dây màu đen (black) là dây tín hiệu được kết nối vào ngõ vào của PLC để đọc về tín hiệu xử lý. LS3 LS4 1 3 5 2 4 V3 1 3 5 2 4 V2 1 3 5 LS1 LS2 2 4 V1
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 47
Bảng 3. 2: Địa chỉ Input/Output kết nối phần cứng mô hình
STT Địa chỉ Kí Hiệu Mô Tả
1 I0.0 ON Nút nhấn khởi động hệ thống 2 I0.1 OFF Nút nhần ngừng hệ thống 3 I0.2 RS Nút nhấn Reset hệ thống 4 I0.3 SENSOR S1 NPN Omron E3C-JC4P Cảm biến quang 1 5 I0.4 SENSOR S2 NPN Omron E3C-JC4P Cảm biến quang 2
6 I0.5 LS3 Cảm biến từ Mindman RCE1
7 I0.6 LS4 Cảm biến từ Mindman RCE2
8 I0.7 LS5 Cảm biến từ SMC D-A80 thứ 1
9 I1.0 LS6 Cảm biến từ SMC D-A80 thứ 2
10 Q0.3 V1 Van điều khiển xy lanh tịnh tiến tới lùi cụm xoắn dây
11 Q0.4 V2 Van điều khiển xy lanh kẹp giữ dây để xoắn
12 Q0.5 V3 Van điều khiển xy lanh nâng hạ thanh hàn
13 Q0.6 Đ1 Đèn báo chế độ hoạt động ON 14 Q0.7 Đ2 Đèn báo chế độ hoạt động OFF 15 Q1.0 Đ3 Đèn báo chế độ hoạt động RESET
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 48
Thiết kế giao diện Scada
Từ màn hình thiết kế giao diện Scada ta chọn các công cụ phù hợp cho đề tài
Hình 3. 12: Các công cụ hỗ trợ thiết kế giao diện Scada
Bảng 3. 3: Chức năng một số công cụ cơ bản sử dụng trong đề tài
Số thứ tự Hình ảnh Tính năng cơ bản
1 Đèn báo cho các trạng thái hoạt động hệ thống 2 Đèn báo hoạt động cho trạng thái Sesnor 3 Nhập, hiển thị giá trị cài đặt cho hệ thống
4 Nút nhấn
5 Dùng để ghi chữ, chú thích bằng chữ cho các thiết bị 6 Dùng để chọn chế độ cài đặt hoặc chạy theo mặc định 7 Hình ảnh có sẵn từ thư viện: motor, sensor,…
Sau khi thiết kế xong màn hình điều khiển cho Scada. Tiếp theo là gắng Tag cho các công cụ đã thiết kế, cuối cùng là kết nối với PLC và Scada.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 49
d. Thiết kế khối cơ cấu chấp hành
Tính toán thiết kế phần điện
Nguồn cung cấp cho PLC S7-1200 24V với dòng điện tiêu thụ của CPU 1214 DC/DC/DC là 1,5A.
Hệ thống đèn báo 24VDC với 3 bóng đèn công suất mỗi đèn là 0,48W nên dòng qua mỗi bóng là: 𝐼 = P U= 0.48 24 = 0.02(𝐴) (3.1)
Như vậy với 3 đèn báo sẽ có dòng tổng cộng là:
3 × 0.02 = 0.06(𝐴) (3.2)
Van điện từ khí nén sử dụng cuộn dây 24VDC với công suất 3W khi đó dòng điện chạy qua cuộn dây có giá trị là:
𝐼 = 𝑃 𝑈 =
3
24= 0.125(𝐴)
(3.3)
Trong hệ thống sử dụng 3 van nên tống dòng chạy qua các van là:
3 × 0.125 = 0.375(A) (3.4)
Tính toán, thiết kế phần cơ khí
Với kích thước mô hình 90cm x 55 cm x 60 cm.
Tất cả các thiết bị được bố trí trên một mặt phẳng, gọn gàng và hợp lý được sử dụng với:
- Hơn 8m inox loại 20cm x 20cm. - Thép dạng tấm 1.8𝑚2 dày 2mm. - Máng nhựa 1,5m loại 25cm x 25cm. - Tấm nhựa lót mặt trên 1,6𝑚2.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 50
Khung mô hình
Hình 3. 13: Khung mô hình 2D (đơn vị cm)
Hình 3. 14: Khung mô hình 3D
Tấm đế đặt sản phẩm
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 51
Hình 3. 16: Tấm đế đặt sản phẩm 2D
Băng tải xích
Được thiết kế với chiều dài 80cm, rộng 10cm kích thước chiều rộng đủ để ta đặt giá đỡ của cuộn dây lên dễ dàng. Chiều dài đủ thời gian để hành trình chạy từ xoắn dây sang hàn dây một cách linh hoạt và ổn định.
Băng tải xích được ứng dụng rất rộng trong công nghiệp.
Ứng dụng trong ngành công nghiệp lắp ráp thiết bị điện tử như ti vi, tủ lạnh, điều hoà, máy khâu, xe đạp điện, xe máy, ôtô ...
Trong mô hình hệ thống nhóm thiết kế băng tải xích bằng sắt để: chịu được sự mài mòn cao, độ bền cao nên có thể hoạt động trong nhiều môi trường khắc nghiệt, giá thành hợp lý.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 52
Ưu điểm lựa chọn:
Là một loại băng tải phổ biến trong môi trường công nghiệp, với độ bền và độ chính xác cao.
Với các chốt định vị cố định trên xích, có độ định vị trí chính xác cao, chống bị trượt và sai lệch, giúp vật được đặt đúng vị trí để xoắn dây và hàn dây dễ dàng hơn.
Vật không bị trượt trên băng tải khi di chuyển.
Xy lanh
Có hai loại xy lanh khí nén thường dùng là xy lanh tác động đơn và xy lanh tác động kép. Xy lanh tác động đơn là dòng khí nén chuyển động theo một hướng duy nhất. Xy lanh tác động kép là loại xy lanh đẩy khí theo hai hướng, hai đầu xy lanh có cơ cấu dẫn động thanh đẩy.
Xy lanh khí nén gồm bộ phận thân tru, xy lanh, trục xy lanh và các lỗ cấp thoát khí.
Hình 3. 18: Xy lanh tác động 2 đầu khí nén
Là loại xy lanh hoạt động hai chiều sử dụng lực không khí để di chuyển đẩy ra và rút lại. Chúng có hai cổng để cho phép cấp khí, một cho hành trình đi ra và một cho hành trình lùi về. Xy lanh khí nén hai chiều được dùng để sinh ra lực đẩy xy lanh từ 2 phía.
Được dùng với ống khí nén Ø4.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 53
Hình 3. 19: Ống khí nén
Ưu điểm lựa chọn:
Do mô hình nhỏ, nên sử dụng ống khí loại nhỏ, tiết kiệm khí, chi phí, nhưng vẫn đảm bảo mô hình hoạt động ổn định.
Sử dụng xy lanh tác động khí 2 chiều, thuận tiện cho việc điều khiển khi dùng van đảo chiều 5/2.
Là loại xy lanh phổ biến, tốc độ đáp ứng cao, dễ sử dụng, dễ tìm kiếm thay thế khi bị sự cố.
Step Motor
Động cơ bước là một 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 rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết.
Dùng động cơ bước trong hệ thống điều khiển chuyển động, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu. Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 54
Ưu điểm lựa chọn:
Duy trì mômen tốt.
Định vị chính xác.
Mômen xoắn cao ở tốc độ thấp.
Động cơ nhỏ gọn, dễ lắp đặt.
Đơn giản, dễ sử dụng, điều khiển đơn giản ở mức độ mô hình.
Chi phí đầu tư thấp.
Độ bền cao.
Module TB6560 - Driver Step Motor
Module TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển động cơ bước lưỡng cực.
Hình 3. 21: Module TB6560 - Driver Step Motor
Thông số kỹ thuật Driver TB6560:
Điện áp hoạt động: 24V.
Module TB6560 điều khiển ở chế độ : 1/8 step.
Dòng sử dụng 2A.
Decay (Hạn dòng cho motor): 0%.
Tích hợp tản nhiệt nhôm lớn giúp tản nhiệt cho TB6560.
Ưu điểm lựa chọn:
Sau khi tìm hiểu các chức năng của Driver TB6560 có đủ các chức năng phù hợp để điều khiển cho step motor nhóm đã quyết định chọn loại driver này.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 55
Van điện từ khí nén
Van điện từ khí nén hay còn gọi là van đảo chiều là loại van dùng để đóng hoặc mở