1 k d δ
với bộ truyền tự căng, lực căng không đổi: σ o = 2,0 MPa ⇒ k1 = 2,7
k2 = 11,0 ⇒[σF]0 = 2,425 MPa
Cα- Hệ số ảnh hưởng của góc ôm α1, bảng 4.10 [1]
57 : Cα = 0,955
Cv - Hệ số ảnh hưởng của lực li tâm đến độ bám của đai trên bánh đai, Cv = 0,98 cho đai vải cao su, v = 13,62 m/s
Co - Hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền đai và phương pháp căng đai Co = 1
Từ đó có [σF] = 2,425. 0,955. 0,98. 1 = 2,27 MPa g) Chiều rộng đai và bánh đai:
- Chiều rộng đai b = F [ ] t d F K σ δ Kđ = 1 ⇒b = 357,6.1 2,27.4,5 = 35,0 mm
Lấy b theo tiêu chuẩn: b = 32 mm - Chiều rộng bánh đai (B):
B = 40 mm, tra bảng 21.16 [2] 164
h) Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục: Fo = σ δo. .b = 2. 4,5. 32 = 288 N Fr = 2Fo sin 1 2 α = 2.288.sin166 2 = 571,7 N * Kết quả: d1 = 180 mm b = 32 mm
d2 = 450 mm δ = 4,5 mm
l = 3206 mm Fr = 571,7 N: Lực tác dụng trên trục.
2.4 Lựa chọn linh kiện sử dụng trong mô hình
2.4.1 Bộ điều khiển
2.4.1.1 Điều khiển bằng plc
a) Định nghĩa PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được). Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình. Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật Bản), Mitsubishi (Nhật Bản), Delta (Đài Loan) ...
Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List - Liệt kê lệnh) và Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất
Hình 2. 6 Bộ điều khiển PLC
Ngày nay các hệ thống điều khiển hiện đại không thể thiếu PLC, nó được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tự động hóa, phục vụ cho nhiều ngành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, dây chuyền băng tải…vv
b) Cấu trúc bên trong PLC
Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau:
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM
- Các module tín hiệu vào / ra
Hình 2. 7 Cấu trúc PLC
c ) Nguyên lí hoạt động PLC
Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (như các sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn.
Hình 2. 8 Nguyên lí hoạt động
Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle).
Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms- 100ms). Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
d) Ưu và nhược điểm của PLC
- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.
- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị ngoại vi.
Nhược điểm:
- Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình.
- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao.
2.4.1.2 Điều khiển bằng vi điều khiển
a) Vi điều khiển là gì ?
Là một máy tính được tích hợp trên một con chip (single chip microcomputer) được tạo ra qua VLSI. Vi điều khiển cũng được gọi là bộ điều khiển nhúng bởi vì vi điều khiển và các mạch điện hỗ trợ được tích hợp hoặc nhúng vào thiết bị mà nó kiểm soát. Vi điều khiển có nhiều bit khác nhau giống như vi xử lý (cho đến nay thì có các loại vi điều khiển 4bit, 8bit, 16bit, 32bit, 64bit và 128 bit)
Bên trong vi điều khiển chứa đầy đủ tất cả các tính năng cần thiết cho một hệ thống máy tính và các chức năng như một máy tính mà không cần thêm các bộ phận kỹ thuật số bên ngoài.
Hầu hết các chân trong chip vi điều khiển có thể được lập trình bởi người dùng.
b) Cấu tạo vi điều khiển
Hình 2. 9 Cấu tạo vi điều khiển
CPU
CPU là bộ não của vi điều khiển. CPU chịu trách nhiệm tìm nạp lệnh, giải mã và thực thi. CPU kết nối tất cả bộ phận của vi điều khiển vào một hệ thống duy nhất. Chức năng chính của CPU là tìm nạp và giải mã lệnh. Lệnh được lấy từ bộ nhớ chương trình sau đó được CPU giải mã.
Bộ nhớ
Chức năng bộ nhớ trong vi điều khiển giống như bộ vi xử lý. Nó được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình. Vi điều khiển thường có một lượng RAM và ROM nhất định (EEPROM, EPROM…) hoặc bộ nhớ flash để lưu trữ mã nguồn chương trình.
Cổng đầu vào / đầu ra
Cổng đầu vào / đầu ra được sử dụng chủ yếu điều khiển hoặc giao tiếp các thiết bị như màn hình LCD, đèn LED, máy in, bộ nhớ…cho vi điều khiển.
Cổng nối tiếp
Cổng nối tiếp tạo ra giao diện nối tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác như cổng song song.
Bộ đếm thời gian / bộ đếm
Đây là một trong những chức năng hữu ích của vi điều khiển. Một vi điều khiển có thể có nhiều bộ đếm thời gian và bộ đếm. Bộ đếm thời gian và bộ đếm có chức năng đếm thời gian và đếm bên trong vi điều khiển. Hoạt động chính của bộ phận này là làm chức năng đồng hồ, phát xung, đo tần số, tạo ra dao động… Nó cũng được sử dụng để đếm xung bên ngoài.
Bộ chuyển đổi ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng digital. Tín hiệu đầu vào trong bộ chuyển đổi này phải ở dạng analog (ví dụ: đầu ra cảm biến) và đầu ra từ thiết bị này ở dạng digital. Đầu ra digital có thể được sử dụng cho các ứng dụng kỹ thuật số (ví dụ: các thiết bị đo lường).
Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC)
Hoạt động của DAC là đảo ngược của ADC. DAC chuyển đổi tín hiệu digital thành định dạng analog. Nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị analog như động cơ DC, các ổ đĩa…
Điều khiển ngắt
Điều khiển ngắt được sử dụng để ngắt (trễ) một chương trình làm việc. Việc ngắt có thể ở bên ngoài (được kích hoạt bằng cách sử dụng chân ngắt) hoặc bên trong (bằng cách sử dụng lệnh ngắt trong khi lập trình).
Khối chức năng đặc biệt
Một số vi điều khiển chỉ được sử dụng cho một số ứng dụng đặc biệt (ví dụ: hệ thống không gian và rô bốt) các bộ điều khiển này có chứa các cổng bổ sung để thực hiện các hoạt động đặc biệt đó. Đây được coi là khối chức năng đặc biệt.
c) Ưu và nhược điểm :
Ưu điểm:
- Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính không có bất kỳ bộ phận kỹ thuật số nào.
- Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và kích thước của hệ thống.
- Việc sử dụng vi điều khiển rất đơn giản, dễ khắc phục sự cố và bảo trì hệ thống.
- Hầu hết các chân được lập trình bởi người dùng để thực hiện các chức năng khác nhau.
- Dễ dàng kết nối thêm các cổng RAM, ROM, I / O.
- Cần ít thời gian để thực hiện các hoạt động.
Nhược điểm:
- Vi điều khiển có kiến trúc phức tạp hơn so với vi xử lý.
- Chỉ thực hiện đồng thời một số lệnh thực thi giới hạn.
- Chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị vi mô.
- Không thể trực tiếp giao tiếp các thiết bị công suất cao.
Hình 2.10: PLC Siemens S7-1200
S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200. So với S7-200 thì S7- 1200 có những tính năng nổi trội hơn, được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200. Cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. (Tìm hiểu tại tài liệu tham khảo [2])
Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:
- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.
- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển module trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm.
- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP. - Bổ sung 4 cổng Ethernet.
- Module nguồn PS1207 ổn định, dòng điện áp 115/230VAC và điện áp 24VDC.
Hình 2.11: Các loại PLC S7-1200
Trong đề tài này, để đảm bảo số lượng đầu vào và đầu ra, chúng em sử dụng 1 PLC S7-1200, CPU 1215C DC/DC/DC với 14 đầu vào và 10 đầu ra.
Thông số kỹ thuật:
- SIMATIC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC. - 2 PROFINET PORT.
- ONBOARD I/O: 14 DI 24V DC; 10 DO 24V DC 0.5A; 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0- 20mA DC.
- PROGRAM/DATA MEMORY: 125 KB (6ES7215-1AG40-0XB0).
2.4.2 Chọn các thiết bị đầu ra
2.4.2.1 Động cơ giảm tốc
Hình 2.4: Động cơ giảm tốc
Động cơ giảm tốc là bộ phận rất quan trọng được sử dụng trong các thiết bị liên quan đến việc giảm tốc độ. Động cơ giảm tốc bao gồm động cơ điện và hộp giảm tốc. Động cơ điện cấu tạo gồm 2 phần chính là Stator và Rotor. Còn hộp giảm tốc bên trong chứa đựng bộ truyền động dùng bánh răng, trục vít… để làm giảm tốc độ vòng quay.
Chức năng của động cơ giảm tốc là hãm, giảm tốc độ của vòng quay. Việc hãm và giảm tốc độ của vòng quay là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi. Và còn được dùng để kìm hãm vận tốc góc, tăng moment xoắn và là bộ máy trung gian giữa motor và bộ phận làm việc của máy công tác.
Được hoạt động theo nguyên lý sau: khi chúng ta muốn số vòng quay của trục ra hộp số giảm tốc nhỏ, thì chúng ta chỉ tốn ít chi phí khi lắp thêm hộp số giảm tốc lên động cơ điện, mà có thể thay đổi số vòng quay trục ra một cách linh hoạt hơn nhiều. Ngoài ra còn một yếu tố nữa là: moment xoắn, bạn khó chế tạo 1 động cơ điện có số vòng quay và moment xoắn theo ý muốn. Và người ta gọi đây là tỉ số truyền, số vòng quay và moment xoắn tỉ lệ nghịch với nhau.
Với những tính năng như vậy, động cơ giảm tốc được em lựa chọn để sử dụng trong mô hình vì những lý do sau:
- Mô hình sử dụng hệ thống băng tải và hệ thống trượt với yêu cầu tốc độ di chuyển chậm.
- Động cơ với giá thành phù hợp, dễ dàng điều khiển và lắp đặt. (Tìm hiểu tại tài liệu tham khảo [3])
Lựa chọn động cơ:
- 2 động cơ giảm tốc loại: LK0226
- LK0226 là động cơ giảm tốc rất được ưa chuộng khi chế tạo hệ thống băng tải và các loại máy truyền động tự động khác.
- Đặc điểm nổi bật:
+ Hoạt động êm ái. + Ít tỏa nhiệt. + Chuyển động êm.
+ Công suất phù hợp cho băng tải, và các hệ thống trượt.
Thông số kỹ thuật: - Điện áp định mức: 24 VDC - Dòng không tải: 120 mA - Tốc độ không tải: 60 vòng/ phút - Điện áp 12V: tốc độ 30 vòng/ phút - Điện áp 24V: tốc độ 60 vòng/ phút - Trọng lượng: 245g
- Đường kính trục 5mm. Đầu trục vát phẳng, giúp puli/ khớp nối không bị lỏng khi hoạt động.
2.4.2.2 Động cơ bơm áp suất
Với việc rửa xe cần một áp suất nước lớn để có thể tẩy và đánh bay các vết bẩn bám trên xe, để áp ứng với yêu cầu mà đề tài đặt ra nên em chọn động cơ bơm DP-521. Với các đặc điểm sau:
- Động cơ bơm này có kích thước nhỏ gọn. - Sử dụng điện DC.
- Có khả năng tự mồi.
- Máy bơm nước này có khả năng kháng axit, kháng kiềm, chống ăn mòn…
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp định mức: 12 VDC - Dòng điện định mức: 2 A - Lưu lượng: 3,5 L/min - Áp suất: 0,48 MPA - Đầu ống: 8 mm
- Kích thước: 65x125 mm
2.4.2.3 Động cơ bơm 365
Hình 2.6: Động cơ bơm 365
Công đoạn phun dung dịch rửa xe tuy cần một áp lực lớn khi phun dung dịch ra, tuy nhiên nó không lớn như phun áp lực nước. Và để tiết kiệm chi phí khi xây dựng mô hình em chọn động cơ bơm 365 này để bơm dung dịch rửa xe. Với các đặc điểm sau: - Bơm 365 cho phép chạy không tải trong thời gian dài.
- Sử dụng điện DC. - Có khả năng tự mồi.
- Nó có thể được sử dụng như một máy bơm nước, trao đổi nước trong bể cá, mô hình thử nghiệm, nước làm mát bộ phận máy.
Thông số kỹ thuật: - Điện áp định mức: 12 VDC - Dòng không tải: 230 mA - Đầu ống: 5 mm - Chiều dài: 69 mm - Đường kính: 28 mm - Lưu lượng: 3 L/min
2.4.2.4 Van nước điện từ
Hình 2.7: Van nước điện từ
Các công đoạn rửa xe, ở các khâu khác nhau lượng nước cấp ra từ bơm nước được phân chia bởi các van, để đóng cắt một cách tự động ta sử dụng van nước điện từ. Ta chọn 2 van điện từ với các đặc điểm sau:
- Được sử dụng phổ biến trong hệ thống máy lọc nước RO, hệ thống làm mát phun sương, hệ thống cấp nước tự động,…
- Dễ dàng điều khiển, sử dụng điện DC.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp định mức: 12 VDC - Dòng không tải: 200 mA
2.4.2.5 Quạt làm khô
Hình 2.8: Quạt làm khô
Các công đoạn rửa xe sau khi hoàn thành, để làm khô bề mặt xe, hệ thống sử dụng quạt thổi hơi làm khô. Để thuận tiện trong việc lắp đặt, tiết kiệm chi phí em sử dụng quạt này trong mô hình. Với các đặc điểm sau:
- Được sử dụng phổ biến để làm mát trong các máy tính để bàn. - Sử dụng điện DC, dễ dàng lắp đặt, giá thành rẻ.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp định mức: 12 VDC - Dòng không tải: 200 mA
2.4.3 Chọn nguồn cấp cho thiết bị đầu ra
Hình 2.9: Nguổn tổ ong 12V/5A
Với các đầu ra, phụ tải sử dụng trong mô hình được chọn, với thông số kỹ thuật đã được trình bày ở trên ta tính chọn nguồn cấp cho nó.
Ta có:
- Uđm = 12 VDC