Động cơ Servo AC là dạng động cơ đồng bộ 3 pha dùng nam châm vĩnh cửu, được tích h ợp encoder độ phân giải lớn để giúp q trình điều khiển chính xác. Để điều khiển motor này thìm ỗi hãng s ẽ tích h ợp riêng driver cho động cơ của mình. Tùy m ỗi ứng dụng thì động cơ AC servo thường có 3 ch ế độ điều khiển chính làt ốc độ, vị trívà momen, ở mỗi chế độ khác nha u thìchúng ta c ần cài đặt tùy theo thông s ố của ứng dụng và t ải. Lưu ý trong một thời điểm thìAC servo ch ỉ chạy được một chế độ, một số loại servo mới hiện nay thìcó th ể chuyển đổi giữa các mode điều khiển.
Ở ngành công nghi ệp động cơ Servo sử dụng động cơ một chiều không ch ổi than. Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có t ừ trường mạnh và Stator c ủa động cơ được cuốn các cu ộn dây riêng bi ệt, được cấp nguồn theo một trình t ự thích h ợp để quay rotor.
Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cu ộn dây l à chu ẩn xác thìchuy ển động quay của rotor phụ thuộc vào t ần số vàpha, phân c ực và dòng điện chạy trong cuộn dây. Động cơ servo được hình thành b ởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hi ệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ vận hành thìv ận tốc và vị trís ẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hi ệu ra chưa đạt được vị trí
mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nh ất.
2.5.2 Cơ cấu hoạt động
Thiết bị tự động có s ử dụng lỗi cảm biến phản hồi âm để điều chỉnh hành động của một cơ cấu. Nó thường bao gồm một bộ mã hóa (encoder) đi kèm bên trong hoặc cơ cấu phản hồi vị trí khác để đảm bảo đầu ra đạt được hiệu quả mong muốn.
Thuật ngữ này ch ỉ áp d ụng một cách chính xác đối với những hệ thống mà các thơng tin ph ản hồi hoặc các tín hi ệu điều chỉnh sai số giúp điều khiển vị trí cơ khí, tốc độ hay các thơng s ố khác.
2.5.3 Sơ đồ hồi thiếp vịng kín
Hồi tiếp vịng kín (hồi tiếp âm) của động cơ servo có thể hiểu là tín hiệu từ encoder gửi về servo drive từ đó biết được sai số giữa vị trí đặt vàv ị tríth ực tế của động cơ, từ đó servo drive phát điện áp cũng như tần số để điều khiển động cơ.
Hình 2. 15 Sơ đồ hồi tiếp vịng kín Servo
2.5.4 Phương pháp điều khiển hệ servo2.5.4.1 Điều khiển vị trí 2.5.4.1 Điều khiển vị trí
Vị trí được hiểu là v ị trígóc tuy ệt đối của trục động cơ servo hoặc vài trường hợp làv ị tríc ủa thiết bị truyền động bởi động cơ sero.
Khi động cơ servo thay đổi vị trí, b ộ mã hóa xung vịng động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị tríth ực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có th ể gửi tín hi ệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động.
Mạch vòng v ị trís ẽ tiến hành so sá nh vị trí đặt và v ị tríth ực tế; từ sai số nhận được vàcác thơng s ố căn chỉnh của mạch vịng, b ộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai l ệch vị trí.
Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác t heo thơng s ố đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Víd ụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động
cơ servo trở nên khódi chuy ển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/ho ặc điều khiển động cơ vận hành trong kho ảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trímong mu ốn bất chấp ma sát c ủa cơ cấu truyền động.
2.5.4.2 Điều khiển tốc độ
Tốc độ hay còn g ọi làv ận tốc vàchi ều quay của động cơ servo.
Khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ mãhóa xung vịng quay s ẽ gửi vận tốc vàchi ều quay thực tế tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động.
Mạch vòng t ốc độ sẽ so sánh t ốc độ cài đặt với tốc độ hiện tại, dựa vào sai s ố tốc độ và các thơng s ố căn chỉnh của mạch vịng, b ộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu c ầu của ứng dụng.
Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Víd ụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu có tr ọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc. Trong trường hợp này, động cơ có thể tăng mơ men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian vàkho ảng cách theo yêu c ầu của ứng dụng.
2.5.4.3 Điều khiển Mômen
Mômen c ủa động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ. Mômen t ạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Dịng hiệu dụng càng cao, mơmen sinh ra càng l ớn.
Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hi ệu dụng chạy trong cuộn dây sta tor và dùng ph ản hồi giá tr ị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian thực nhằm đáp ứng được yêu c ầu mô men c ủa ứng dụng.
Mạch vịng dịng điện đơi khi được hiểu làm ạch vịng mơmen.
Trong víd ụ sau, bộ điều khiển gửi đi 32 xung để điều khiển vị trí động cơ. Bộ mãhóa xung vịng quay g ửi tín hi ệu phản hồi vị tríc ủa động cơ. Sai số nhận được sẽ được sử dụng để điều chỉnh động cơ đến vị trí đúng.
Do quán tính nên động cơ chuyển động vượt quáv ị tríchu ẩn một chút, sai s ố vị trínày s ẽ được dùng để điều chỉnh động cơ về vị trí đúng.
2.5.5 Các l ệnh điều khiển trong khối motion
Ưu điểm của các hàm Motion Control đó là khi ta đã khai báo các thông số phần cứng, phần mềm đầy đủ và chính xác thì khi ta điều khiển động cơ Servo ta chỉ cần đưa vào các thông tin c ần thiết như vị trí, kho ảng cách, t ốc độ là điều khiển được màkhơng cần phải tính tốn s ố xung cần phát ra cũng như tần số phát xung.
MC_Power
MC_Power: cho phép vàvô hi ệu một trục điều khiển chuyển động. MC_Reset
MC_Reset: đặt lại tất cả các l ỗi điều khiển chuyển động.
MC_Home
MC_Home: thành l ập mối quan hệ giữa chương trình điều khiển trục và h ệ thống định vị cơ học trục.
MC_Halt
MC_Halt: hủy bỏ tất cả việc xử lý chuyển động và làm chuy ển động theo trục dừng lại. Vị tríd ừng khơng được định rõ.
MC_MoveJog
MC_MoveJog: thực thi chế độ chạy chậm dành cho các m ục đích kiểm tra và khởi động.
MC_MoveAbsolute
MC_MoveAbsolute: khởi động chuyển động đến một vị trítuy ệt đối. Chức năng kết thúc khi v ị trí đích được đạt đến.
MC_MoveRelative
MC_MoveRelative: khởi động một chuyển động định vị có liên quan đến vị trí khởi đầu.
MC_MoveVelocity
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ
Đề tài “ Điều khiển vàgiám sát dây chuy ền chiết rót s ử dụng PLC S7 – 1200” có các yêu c ầu sau:
- Hệ thống có ph ần cứng chắc chắn, vận hành ổn định. - Năng suất tối thiểu 60 chai 1 giờ.
- Kích thước băng tải, mâm xoay ph ải phùh ợp với chai nước có kích thước 60*120mm.
- Chiết rót nước có sai s ố thấp.
- Cơ cấu mâm xoay phải vào đúng vị trívà quay đúng 90o. - Gạt và đóng nắp chai chính xác.
- Nhãn dán chai chính xác.
Với những yêu c ầu trên, nhóm sẽ thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống và tính tốn lựa chọn thuật tốn ph ù hợp.
3.2 MƠ TẢ HỆ THỐNG
Kích thước hệ thống: dài x r ộng x cao(cm)= 100x100x70(cm).
Khung phần cứng có 2 băng tải đặt vng góc v ới nhau, tại đó có cơ cấu mâm xoay, với 4 góc được đặt cách đều nhau 900 thực hiện các nhi ệm vụ riêng bi ệt. Bảng điện điều khiển đặt nghiêng 1 góc 50 0 so với mặt phẳng ngang.
3.3 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 3.3.1 Chọn băng tải
Hình 3. 2 Băng tải
- Mơ hình được thực hiện với mục đích nghiên cứu nên nhóm chọn băng tải có kích thước nhỏ: dài 50cm, r ộng 6cm,cao 10cm vừa đúng cho chai chạy được trên m ột hàng thẳng.
- Động cơ băng tải được sử dụng là động cơ giảm tốc 24VDC, sức kéo t ối đa 15kg, tốc độ quay 50 vòng/phút.
- Số lượng băng tải: 2 băng tải.
3.3.2 Chọn khung sườn
Hình 3. 3 Sắt V ( 3x3 )
Khung phần cứng được nhóm s ử dụng vật liệu là s ắt V 3x3(cm). Với kích thước nhỏ gọn, kết cấu tương đối chắc chắn, dễ dàng tháo l ắp vàv ận chuyển đồng thời giáthành h ợp lý nên đây sẽ làl ựa chọn tốt cho mơ hình c ủa nhóm.
- Kích thước sắt: 2m/thanh.
3.3.3 Chọn mâm xoay
Hình 3. 4 Mâm dưới
Hình 3. 5 Mâm trên
Để mâm xoay th ực hiện được 3 nhiệm vụ cùng m ột lúc: bơm nước, gạt nắp chai, đóng nắp chai thì nhóm phải thiết kế mâm sao cho có thể bố trí các cơ cấu chấp hành đó một cách h ợp lý.
Kích thước mâm:
- Đường kính mâm dưới 32cm.
- Đường kính mâm trên 29 cm.
Chất liệu
- Mâm dưới Mica đen dày 5mm.
- Mâm trên Mica đen dày 3mm.
- Mâm trên được cắt 4 lỗ (d=5mm) cách nhau 90o. Với việc cắt 4 lỗ như vậy thìvi ệc thiết kế phần cơ khí theo góc 90o làh ợp lý.
3.3 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN
Để phần cơ khí hoạt động thìph ần điện điều khiển đóng vai trị quyết định cho tồn b ộ hệ thống. Từ mơ hình cơ khí như đã thiết kế, lên phương án thiết kế tổng thể các ph ần trong khâu điều khiển. Xác định các kh ối gồm: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm, kh ối băng tải, khối nút nh ấn, khối cảm biến, khối chiết rót, kh ối cấp nắp, khối đóng nắp, khối dán nhãn, khối mâm xoay , khối phân lo ại.
3.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng các khối:
Khối nguồn: Có ch ức năng cung cấp nguồn cho hệ thống.
Khối nút nhấn: có ch ức năng điều khiển hệ thống.
Khối cảm biến: Có ch ức năng xác định vị tríchai vàki ểm tra phân lo ại.
Khối băng tải: Có ch ức năng di chuyển chai đến vị tríx ử lý khác
Khối chiết rót: Có ch ức năng cung cấp nước cho chai.
Khối cấp nắp: Có ch ức năng cấp nắp cho chai nước.
Khối đóng nắp: Có ch ức năng đóng nắp chai.
Khối dán nhãn: Có ch ức năng dán nhãn cho chai.
Khối mâm xoay : Có ch ức năng giữ vàdi chuy ển chai một góc 90 0 . Khối phân lo ại: Có ch ức năng phân lo ại chai đạt và không đạt.
Khối xử lýtrung tâm: Cóch ức năng nhận, xử lý thơng tin và điều
khiển các kh ối khác.
3.3.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống3.3.2.1 Khối điều khiển PLC S7 - 1200 3.3.2.1 Khối điều khiển PLC S7 - 1200
Nhóm ch ọn PLC S7-1215C DC/DC/DC của hãng Siemen. H ệ thống của nhóm có t ất cả 11 ngõ vào DI, 10 ngã ra DO. Trong khi đó S7-1215C DC/DC/DC có 14DI,10DO có th ể nói là đáp ứng được với yêu c ầu của nhóm, đồng thời với thiết kế nhỏ gọn, phần mềm lập trình Tia Portal d ễ sử dụng cùng v ới khả năng mở rộng IO, giao diện thiết kế SCADA với kho thư viện phong phú nên đây sẽ làl ựa chọn thích hợp nhất.
Bảng 3. 1 Catalog PLC S7-1200Chức năng CPU 1215C DC/DC/DC Chức năng CPU 1215C DC/DC/DC I/O tích h ợp cục bộ: Kiểu số Kiểu tương tự 14 ngõ vào/10 ngõ ra. 2 ngõ vào/2 ngõ ra. Bộ nhớ bit (M) 8192 byte. Độ mở rộng các module tín hi ệu 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các b ộ đếm tốc độ cao: Đơn pha Vuông pha 6 3 tại 100 kHz, 3 tại 30 kHz 3 tại 80 kHz, 3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2
PROFINET 2 cổng truyền thông Ethernet.
Tốc độ thực thi tính tốn th ực 2.3 μs/lệnh.
Tốc độ thực thi Boolean 0,08 μs/lệnh.
3.3.2.2 Khối nguồn
Động cơ băng tải, động cơ nắp sử dụng nguồn 24VDC, dòng điện tiêu th ụ lên đến 2A.
Động cơ dán nhãn sử dụng nguồn 24VDC, dòng tiêu th ụ 0.5A.
Cảm biến tiệm cận sử dụng điện áp từ 6VDC đến 36VDC, dòng tiêu th ụ tối đa 300mA.
Cảm biến sợi quang sử dụng điện áp từ 12VDC đến 24VDC, dòng tiêu th ụ tối đa 35mA trở xuống.
Cảm biến nhãn sử dụng điện áp từ 10VDC đến 30VDC, dòng tiêu th ụ tối đa 200mA.
PLC S7 – 1200 CPU 1215C DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 1500mA.
Hệ thống điều khiển khínén, relay trung gian s ử dụng điện áp 24VDC.
Với những thông s ố kỹ thuật, điện áp sử dụng và dịng điện tiêu th ụ đã phân tích trên, nhóm quy ết định chọn nguồn cung cấp cho tồn b ộ hệ thống là ngu ồn tổ ong 24VDC – 5A.
Thông s ố kỹ thuật
Điện áp đầu vào AC 220V ( Chân L và N )
Điện áp đầu ra DC 24V 5A
Công suất 120W
Điện áp ra điều chỉnh +/-10%
Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC
Dòng vào 2.6a / 115V 1.3a / 230V
Rò rỉ <1mA / 240VAC
Kích thước 199 * 98 * 38mm Trọng lượng: 0.52Kgs
Hình 3. 8 Nguồn tổ ong trong thực tế
3.3.2.3 Khối nút nhấn
Cấu tạo
Gồm nút điều khiển, một cặp tiếp điểm thường kín, m ột cặp tiếp điểm thương hở và loxo đẩy.
Công d ụng
Nút nh ấn dùng để đóng cắt mạch điện ở mạch hạ áp. Nút nh ấn thường được dùng để điều khiển các rơle, công tắc tơ, chuyển đổi mạch tín hi ệu, bảo vệ phổ biến là dùng nút nh ấn trong mạch điều khiển động cơ để khởi động hay thay đổi chiều quay. Nút nh ấn có hai lo ại: Nút nh ấn thường hở vànút nh ấn thường kín.
Thơng s ố kỹ thuật
Nút nhấn nhựa không đèn (Nhấn nhả)
Số tiếp điểm 1NO + 1 NC
Điện áp hoạt động AC/DC 230, 380
Điện trở tiếp xúc ≤50mΩ
Hình 3. 9 nút nhấn
3.3.2.4 Đèn báo
Thơng s ố kỹ thuật
Loại Có / Khơng đèn
Hình dáng Trịn, vng, hình chữ nhật
Nguồn cấp đèn 24VDC
Hiển thị Đèn Led, sợi đốt
Màu Đỏ, vàng, xanh lá
Ngõ ra SPDT, DPDT
Cấp bảo vệ IP40, IP66
Thiết bị đóng ngắt Relay
Cấu tạo
Module 1 Relay với opto cách ly nh ỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an tồn v ới board mạch chính. M ạch được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện cơng su ất cao AC hoặc DC, có th ể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper.
Nguyên lý làm vi ệc
Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM(chân chung) được cách ly hồn tồn v ới board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có tr ạng thái kích COM s ẽ chuyển sang nối với NO vàm ất kết nối với NC.
Thông s ố kỹ thuật
Điện áp cuộn Coil 24 VDC
Dòng điện 5A
Số cặp tiếp điểm 4 cặp
3.3.2.5 Khối đóng nắp
a. Động cơ vặn nắp chai
Nhóm đã thử nghiệm rằng: Với việc dùng động cơ 24VDC thì thời gian màn ắp chai được vặn chặt chỉ bằng một nửa thời gian nước được bơm vào chai mới. Vừa nhanh màl ại rẻ tiền nên nhóm đã chọn động cơ này cho cơ cấu vặn nắp.
Hình 3. 13 Động cơ vặn nắp chai
Thơng s ố kỹ thuật
Điện áp 24VDC
Dịng điện khơng tải 0.25A
Dịng điện định mức 2A
Mơ men xoắn đầu ra 9-130kg
Trọng lượng 650g
Tốc độ 295RPM
b. Xi-lanh TN20x150
Yêu c ầu đặt ra là ph ải đóng nắp thật chính xác, tránh trường hợp nắp trật rãnh của chai, đồng thời hành trình của xi - lanh phải ngắn để q trình đóng nhã nhanh,linh