Phân tích ứng suất,chuyển vị và độ an toàn của thanh giữ đỡ tấm nâng bìa trong Solidwork
Ngàm và lực tác động đặt nhƣ hình vẽ. Với ngàm ứng màu xanh và lực ứng màu tím Với tải trọng bìa đặt vào là P = 600 N (lực tĩnh đặt lên thanh đỡ)
Hình 2.29 Phân tích ứng suất của thanh giữ đỡ tấm nâng bìa
Dựa vào sự phân tích của phần mềm (Hình 2.29) ta thấy giới hạn ứng suất chảy của vật liệu là Yield strength = 6.204.e +8 (N/mm^2). Ta thấy ứng suất thực tế sinh ra trên chi tiết thể hiện trên cột biểu diễn ứng suẩt đều nhỏ hơn giá trị ứng suất giới hạn
33
Hình 2.30 Phân tích chuyển vị của thanh giữ đỡ tấm nâng bìa
Dựa vào biểu đồ phân bố chuyển vị (Hình 2.30) ta thấy vị trí có sự dịch chuyển lớn nhất đó là phần giữa của thanh giữ tấm đỡ bìa đƣợc thể hiện bằng màu đỏ, chuyển vị của đoạn này vào khoảng 1.e -30 mm. Nơi có chuyển vị bé nhất đó chính là vị trí lắp khớp nối để liên kết với xích nâng đƣợc thể hiện bằng màu xanh nƣớc biển.
Mức an toàn
Sử dụng phần mềm SolidWorks để đánh giá thanh giữ tấm đỡ có an toàn không. Nếu không an toàn kết quả phân tích sẽ hiện đỏ trên thanh giữ tấm đỡ.
Hình 2.31 Độ an toàn của thanh giữ tấm đỡ bìa Mô phỏng ta thấy vật liệu đƣợc chọn an toàn (Hình 2.31)
34
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phƣơng án điều khiển
Hình 3.1Sơ đồ điểu khiển tổng quát
Với các đối tƣợng ngõ vào nhƣ công tắc gạt, công tắc hành trình giới hạn, cảm biến,…Và điều khiển ngõ ra là các đối tƣợng nhƣ van điện từ để xylanh hoạt động, động cơ quay thuận hoặc nghịch và một động cơ có thể thay đổi tốc độ khi làm việc.
Đối với điều khiển các van điện từ các tín hiệu đầu vào nhƣ trên thì có những phƣơng án nhƣ sau:
- Phƣơng án 1: Điều khiển bằng rơle + Ƣu điểm:
Dễ điều khiển. Chi phí không cao. + Nhƣợc điểm:
Đáp ứng chậm. Hoạt động ít ổn định.
Khó khăn trong thay đổi nhiệm vụ điều khiển và kiểm tra khi có lỗi xảy ra. Công suất tiêu thụ lớn và tốn nhiều thời gian cho việc sửa chữa.
35 Tuổi thọ làm việc thấp.
- Phƣơng án 2: Dùng PLC để điều khiển + Ƣu điểm:
Công suất tiêu thụ thấp, lập trình đƣợc và có khả năng chuẩn đoán bên sửa chữa rất nhanh.
Hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh, độ tin cậy cao. Thay đổi nhiệm vụ điều khiển dễ dàng.
Diện tích làm việc nhỏ, dễ bảo quản hay thay thế. Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh.
Tuổi thọ làm việc cao. + Nhƣợc điểm:
Đòi hỏi ngƣời dùng phải có kiến thức khoa học kỹ thuật. Giá thành hơi cao so với điều khiển bằng rơle.
Đối với điều khiển động cơ 3 pha AC 220V thì có những phƣơng án phù hợp nhƣ: - Phƣơng án 1: Điều khiển bằng vi điều khiển
+ Ƣu điểm:
Chi phí thấp.
Điều khiển đƣợc tốc độ và vị trí của động cơ + Nhƣợc điểm:
Hoạt động thiếu ổn định và thiếu độ tin cậy dễ bị nhiễu trong công nghiệp. Cần có kiến thức sâu về điều khiển.
Tuổi thọ làm việc thấp.
Khó thay đổi tốc độ khi động cơ làm việc. - Phƣơng án 2: Điều khiển bằng PLC
+ Ƣu điểm:
Dễ dàng điều khiển.
Hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh, độ tin cậy cao. Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh.
Điều khiển đƣợc tốc độ và vị trí của động cơ. Tuổi thọ làm việc cao.
36
Khó thay đổi tốc độ khi động cơ làm việc. Chi phí cao hơn dùng vi điều khiển. - Phƣơng án 3: Điều khiển bằng biến tần
+ Ƣu điểm:
Dễ dàng điều khiển thông qua thiết lập thông số. Tự động nhận dạng động cơ.
Thay đổi đƣợc tốc độ khi động cơ đang làm việc. Độ tin cậy cao, hoạt động ổn định.
Điều khiển đƣợc tốc độ và vị trí của động cơ. Tuổi thọ làm việc cao.
+ Nhƣợc điểm:
Khó thay đổi tốc độ khi động cơ làm việc.
Nhạy cảm với điều kiện môi trƣờng nhƣ nơi làm việc phải thông gió, khô ráo, ít bụi bẩn, khí ga,…
- Từ những ƣu và nhƣợc điểm của các phƣơng án đƣợc đƣa ra thì cho thấy phƣơng án thích hợp để cơ cấu làm việc ổn định, độ tin cậy và tuổi thọ cao theo yêu cầu là:
+ Sử dụng PLC để điều khiển các van điện từ với các ngõ vào số nhƣ trên và điều khiển một động cơ 3 pha AC 220V quay thuận hoặc nghịch.
+ Sử dụng biến tần để điều khiển một động cơ 3 pha 220V yêu cầu thay đổi đƣợc tốc trong quá trình làm việc.
- Sau khi xác định đƣợc các phƣơng án điều khiển thì xác định tổng quan về điều khiển của cơ cấu, những đối tƣợng cần điều khiển thông qua PLC và Biến tần đƣợc tiếp nhận tín hiệu xử lý, tác động và thực hiện sự thay đổi.
- PLC tiếp nhận những tín hiệu gửi về từ những công tắc gạt, công tắc giới hạn, cảm biến. Sau quá trình xử lý tín hiệu thì PLC sẽ xuất ra tín hiệu tác động tới những thiết bị khác nhƣ đèn để báo hiệu ba pha, van điện từ để xylanh thực hiện chu trình làm việc, contactor tác động đến động cơ ba pha quay thuận hoặc nghịch chiều.
- Biến tần nhận tín hiệu từ biến trở ngoài để thay đổi tốc độ theo yêu cầu kết hợp với tín hiệu từ PLC kích hoạt động cơ quay.
37
3.2 Tổng quan về PLC 3.2.1 Giới thiệu về PLC 3.2.1 Giới thiệu về PLC
Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhƣng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC.
Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã đƣợc những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :
Dễ lập trình và thay đổi chƣơng trình.
Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa. Đảm bảo độ tin cậy trong môi trƣờng sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, ngƣời sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bƣớc cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên đƣợc ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bƣớc tạo ra đƣợc một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :
Số lƣợng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
Bộ nhớ lớn hơn.
Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.
Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực..
Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ của hệ thống
38
đƣợc cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh đó, PLC đƣợc chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC đƣợc mở rộng hơn.
3.2.2 Phân loại PLC
- Theo hãng sản xuất: các nhãn hiệu nhƣ Siemens, Ormon, Mitsubishi, LS, Alenbratlay,… - Theo version:
+ PLC Siemens có các họ nhƣ S7-200, S7-300, S7-400,…
39
Hình 3.3PLC S7-300 của hãng Siemens
40
+ Mitsubishi có các họ nhƣ Alpha, Fx, Fx0, Fx0N,Fx1N, Fx2N,…
Hình 3.5PLC loại ALPHA của hãng Mitsubishi
Đây là loại PLC có kích thƣớc thật nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng với số lƣợng I/O nhỏ hơn 30 cổng. Dòng ALPHA có màn hình LCD và các phím nhấn cho phép thao tác, lập trình, sửa đổi… chƣơng trình đƣợc tích hợp bên trong bộ đếm tốc độ cao và bộ ngắt (role trung gian), cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp…
Hình 3.6PLC loại Fx1N của hãng Mitsubishi
PLC FX1N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lƣợng đầu vào ra trong khoảng 14-60 I/O. Tuy nhiên khi sử dụng các module vào ra mở rộng lên tới 128 I/O
41 Chu kỳ lệnh 0.55us/lệnh
6 bộ đếm tốc độ cao(60KHz), hai bộ phát xung đầu ra với tần số điều khiển tối đa là 100KHz.
Nguốn cung cấp:12-24VDC, 120-240VAC
Nhìn chung, dòng FX1N PLC thích hợp cho các ứng dụng dùng trong công nghiệp chế biến gỗ, trong các hệ thống điều khiển cửa, hệ thống máy nâng, thang máy, sản xuất xe hơi, hệ thống điều hòa không khí trong các nhà kính, hệ thống xử lý nƣớc thải, hệ thống điều khiển máy dệt,…
- Theo số lƣợng các đầu vào/ra:
+ Micro PLC là loại có dƣới 32 kênh vào/ra. + PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra.
+ PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra. + PLC lớn có đến trên 1024 kênh vào/ra.
3.2.3 Cấu trúc và hoạt động của PLC
PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình. Toàn bộ chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu nhớ trong bộ nhớ của PLC. Điều này có thể nói PLC giống nhƣ một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tƣợng điều khiển…Nhƣ vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau: mô đun nguồn, mô đun xử lý tín hiệu, mô đun vào, mô đun ra, mô đun nhớ, thiết bị lập trình.
Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản đƣợc biểu diễn ở hình bên dƣới. Ngoài các mô đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ nhƣ mô đun kết nối mạng, mô đun truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu nhƣ mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bƣớc, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào…
42
Hình 3.7Các thành phần cơ bản của PLC
Trạng thái ngõ vào của PLC đƣợc phát hiện và lƣu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chƣơng trình trạng thái, ngõ ra đƣợc cập nhật và lƣu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm đƣợc dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tƣơng ứng. Nhƣ vậy, sự hoạt động của các thiết bị đƣợc điều khiển hoàn toàn tự động theo chƣơng trình trong bộ nhớ. Chƣơng trình đƣợc nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng.
Bộ vi xử lý sẽ lần lƣợt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển đƣợc đặt ra bởi chƣơng trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tƣơng ứng của PLC.
Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ,…Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chƣơng trình. Chu kỳ này đƣợc gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chƣơng trình điều khiển. Chu kỳ quét đƣợc minh họa ở hình sau :
43
Hình 3.8Chu kỳ quét của PLC
Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nhƣ công tấc, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào đƣợc lƣu tạm thời váo một mảng nhớ. Trong thời gian quét chƣơng trình, bộ xử lý quét lần lƣợt các lệnh của chƣơng trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra đƣợc ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25 mili giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thƣờng ngắn so với chu kỳ quét của PLC.
3.3 Giới thiệu chung về PLC LS XBC-DR30E
3.3.1 Tại sao lựa chọn PLC LS XBC-DR30E để điều khiển?
- PLC LS hiện nay rất phổ biến trong công nghiệp và việc sử dụng loại PLC này vì ba nguyên nhân:
+ Đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển một cách ổn định. + Dễ sử dụng, bảo trì hoặc thay thế.
44
Hình 3.9PLC LS XBC-DR30E
Hình 3.10Cấu tạo của PLC LS XBC-DR30E - Các phần chính của PLC này bao gồm theo thứ tự lần lƣợt nhƣ sau:
+ Đèn chỉ thị ngõ vào.
+ Cổng kết nối RS-232C để kết nối PLC với máy tính thông qua cáp chuyên dụng. + Khối ngõ vào.
+ Khối ngõ ra.
45
+ Đèn chỉ thị trạng thái nhƣ có nguồn, hoạt động, có lỗi hay không. + Khối kết nối RS-232C/485.
+ Khối nguồn.
3.3.2 Khối nguồn
Nguồn cung cấp để PLC hoạt động có hiệu điện thế trong phạm vi AC 100~240V. Dòng cung cấp là 0.5A hoặc nhỏ hơn với nguồn 220V và 1A hoặc nhỏ hơn với nguồn 110V. Trong PLC này còn có sẵn một nguồn ra DC 24V, dòng là 0.2A. Khi nguồn đƣợc cung cấp thì đèn PWR báo hiệu có nguồn sáng lên – khối 7 hình 3.10 và tiết diện dây nối nguồn trong khoảng 0.75~2 mm2 .
3.3.3 Khối ngõ vào
Hình 3.11Cấu tạo khối ngõ vào
- Khối ngõ vào có tới 18 cổng và đƣợc cách ly bởi photo coupler, điện áp cung cấp cho ngõ vào là DC24V và dòng khoảng 4mA.
- Mức điện áp/dòng để ngõ vào có trạng thái ON là DC 19V hoặc cao hơn / 3mA hoặc cao hơn. Còn trạng thái OFF thì DC 6V hoặc thấp hơn / 1mA hoặc thấp hơn.
- Trở kháng ngõ vào khoảng 5,6 kΩ, thời gian đáp ứng là 1/3/5/10/20/70/100ms và đƣợc chọn mặc định là 3ms. Khi tiếp điểm ngõ vào ở trạng thái ON thì đèn sẽ hiển thị tại khối 1 nhƣ hình 3.10.
46
3.3.4 Khối ngõ ra
Hình 3.12Cấu tạo khối ngõ ra
PLC này có tới 12 cổng ngõ ra, các cổng này đƣợc cách ly theo kiểu role.Điện áp và dòng cung cấp cho ngõ ra hoạt động có thể là DC 24V 2A hoặc AC 220V 2A, 5A. Điện áp/dòng tối thiểu có thể là DC5V/1mA, điện áp là AC 250V hoặc DC 125V. Tần số đóng