Những năm đầu của thế kỉ 20 các bộ PLC thƣờng rất đắt, không những thế khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình rất phức tạp. Vì những lý do đó mà các PLC chỉ đƣợc dùng trong những nhà máy và sử dụng trong các thiết bị đặc biệt. Ngày nay do các PLC đƣợc giảm giá, kèm theo tăng khả năng hiệu quả của PLC dẫn đến kết quả là PLC ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi cho các thiết bị máy móc công nghiệp. Các bộ PLC đơn khối với 24 đầu vào và 16 đầu ra thích hợp với các máy tiêu chuẩn, các trang thiết bị liên hợp. Còn các bộ PLC với nhiều khả năng ứng dụng và lựa chọn đƣợc dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn trong quá trình làm việc.
Có thể đƣa ra các ƣu điểm của PLC nhƣ sau:
Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh với mọi chức năng điều khiển đã đƣợc lập trình trƣớc. Khi đã đƣợc lắp ghép thì PLC sẵn sàng làm việc ngay lập tức. Không những thế nó còn đƣợc sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ dàng.
Độ tin cậy tƣơng đối cao: thƣờng thì các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ-điện tử. Do đó độ tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dƣỡng định kỳ thƣờng không cần thiết, với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dƣỡng định kỳ là rất cần thiết.
Thay đổi chƣơng trình một cách linh hoạt và dễ dàng: Những thay đổi chƣơng trình đƣợc tiến hành đơn giản hơn. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang đƣợc sử dụng, ngƣời vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác vào hệ thống, hầu nhƣ không cần thiết phải mắc nối lại dây (tuy nhiên, có thể vẫn phải nối lại nếu cần thiết). Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả hơn rất nhiều.
Việc đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và các đầu ra thì có thể đánh giá đƣợc kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chƣơng trình tƣơng đối đơn giản. Do đó, có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ đặt ra từ trƣớc để đáp ứng nhanh nhu cầu.
Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều PLC với quy cách kỹ thuật giống nhau thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển rơle, nguyên nhân là do giảm phần lớn lao động lắp ráp.
Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển rơle tƣơng đƣơng.
Có nhiều chức năng: PLC có ƣu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Ngƣời ta thƣờng dùng PLC cho các quá trình tự động vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tƣơng quan, thay đổi chƣơng trình và thay đổi các thông số một cách linh hoạt.
Về giá trị kinh tế: Khi nhận xét về giá trị kinh tế của PLC phải đề cập đến số lƣợng đầu ra và đầu vào là nhiều hay ít. Quan hệ về giá thành với số lƣợng đầu vào/ra có dạng nhƣ hình 2.13. Trên hình 2.13 thể hiện, nếu số lƣợng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle tỏ ra kinh tế hơn, mặc khác khi số lƣợng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn.
Hình 2.13 Số lƣợng vào/ ra
Khi chúng ta đề cập đến giá cả của một PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận phụ không thể thiếu nhƣ thiết bị lập trình, máy in, băng ghi... tính cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật. Nói chung các phần mềm đáp ứng nhu cầu thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt. Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp chọn bộ đóng gói phần mềm đã đƣợc thử nghiệm, nhƣng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là vấn đề và cũng là nhu cầu không thể tránh khỏi, do đó vẫn rất cần thiết phải có kỹ năng phần mềm.
Giá cả để lắp đặt một PLC thƣờng nhƣ sau:
- 50% cho phần cứng của PLC.
- 10% cho thiết kế khuân khổ chƣơng trình.
- 20% cho soạn thảo và lập trình.
- 15% cho chạy thử nghiệm.
- 5% cho tài liệu.
Việc lắp đặt một PLC thứ hai chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ PLC đầu tiên, nghĩa là hầu nhƣ chỉ còn chi phí phần cứng.
Hệ rơle:
- Chuẩn hóa đƣợc nhiều bộ phận.
- Ít nhạy cảm và nhiễu khi vận hành.
- Kinh tế với các hệ thống nhỏ.
- Thời gian lắp đặt lâu.
- Thay đổi khó khăn
- Cần phải bảo quản thƣờng xuyên
- Các hệ thống lớn thì thƣờng khó có thể theo dõi
- Kích thƣớc lớn.
Hệ PLC
- Thay đổi một cách đơn giản qua công nghệ phích cắm.
- Lắp đặt đơn giản hơn rất nhiều.
- Có thể thay đổi nhanh quy trình điều khiển.
- Kích thƣớc nhỏ.
- Có thể nối với mạng máy tính.
- Giá thành cao
CHƢƠNG 3. THI CÔNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng của hệ thống
3.1.1Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các phần nhƣ sau:
- Phần PLC : là phần đầu não, là trung tâm của hệ thống, là nơi điều khiển
toàn bộ hệ thống.
- Phần máy tính : Phần giám sát hệ thống trong quá trình hoạt động, đồng thời
cũng là nơi điều khiển đƣa hàng đến các ô nhƣ ý muốn.
- Phần cảm biến : Nhận biết hàng đã đƣợc đặt lên băng tải để làm băng tải hoạt
động đồng thời cũng kích hoạt các cơ cấu chấp hành.
- Phần Nguồn : Cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống trong suốt quá trình hoạt động.
- Phần Driver : Điều khiển các động cơ bƣớc hoạt động.
- Phần cơ cấu chấp hành : Xử lý tín hiệu nhận đƣợc và thực hiện các công việc đã đƣợc lập trình sẵn.
3.1.2Mô tả công nghệ của hệ thống
Mô hình lƣu kho gồm có hai chế độ: “chế độ auto” và “chế độ manual” Khi hoạt động hệ thống, ta chọn trƣớc 1 trong 2 chế độ
- Ở chế độ auto
Khi khởi động hệ thống, đặt 1 sản phẩm lên băng tải, cảm biến 1 sẽ nhận ra
sản phẩm đã ở trên băng tải và kích hoạt băng tải hoạt động đƣa sản phẩm đến cảm biến 2.
Khi cảm biến 2 nhận biết đƣợc sản phẩm thì lúc đó cánh tay robot sẽ hoạt
động, cánh tay robot sẽ gắp và đƣa sản phẩm lần lƣớt tới các ô trong kho theo thứ tự từ 1 đến 9.
Khi xuất hàng ra khỏi kho thì hệ thống sẽ mặc định xuất hàng theo thứ từ 1
đến 9.
- Ở chế dộ manual
Ở chế độ này ta điều khiển hoàn toàn bằng tay, ta có thể xuất hoặc nhập hàng vào kho theo ý mình muốn, hệ thống có chế độ chọn ô trên màn hình HMI để xuất hàng ra khỏi kho hoặc nhập hàng vào trong kho.
Ví dụ: khi ở ô thứ 1 còn trống nhƣng ta vẫn có thể đƣa hàng đến ô thứ 2
Khi thoát khỏi chế độ điều khiển bằng tay, trở về chế độ tự động thì sẽ tiếp
tục đƣa sản phẩm đến các ô còn trống theo thứ tự từ bé đến lớn. Quá trình nhập kho và xuất kho diễn ra nhƣ sau:
Nhập kho : Khi cảm biến thứ 2 nhận biết đƣợc vật đã đến vị trí thì bộ điều khiển sẽ tính toán tìm ô còn trống, sau đó điều khiển cánh tay robot đến, đƣa hàng đến ô còn trống. Và còn tùy vào “chế độ auto” và “chế độ manual” mà thứ tự nhập kho khác nhau. “Ở chế độ auto” thì hệ thống sẽ nhập kho từ ô 1 đến ô 9 sau đó cánh tay robot sẽ trở về trạng thái ban đầu. “Ở chế độ manual” thì có thể tùy chọn ô muốn nhập hàng vào kho, sau khi nhập kho xong thì cánh tay robot trở lại trạng thái ban đầu.
Xuất kho : Bộ điều khiển sẽ tính toán xác định ô nào trên kệ có hàng (khi không có hàng trên kệ thì hệ thống sẽ không hoạt động và báo lên trên màn hình HMI), cánh tay robot sẽ di chuyển đến ô có hàng trên kệ và đƣa hàng ra khỏi kho, Và còn tùy vào “chế độ auto” và “chế độ manual” mà thứ tự xuất kho khác nhau. “Ở chế độ auto” thì hệ thống sẽ xuất hàng ra khỏi kho từ ô 1 đến ô 9 sau đó cánh tay robot sẽ trở về trạng thái
ban đầu. “Ở chế độ manual” thì có thể tùy chọn ô muốn xuất hàng ra khỏi kho, sau khi xuất kho xong thì cánh tay robot trở lại trạng thái ban đầu.
3.2 Mạch động lực và điều khiển
3.2.1Mạch động lực
Gồm 4 Driver TB 6600 và 4 động cơ bƣớc
Chân Dir + đƣợc nối với role trung gian và nối với nguồn 24V Chân Dir – đƣợc nối với nguồn DC0V
Chân Pul – đƣợc nối với nguồn DC 0V
Chân Pul + của 4 Driver nối lần lƣợt với đầu ra Q0.0, Q0.2, Q0.4, Q0.6
Các chân A+ A- B+ B- đƣợc nối lần lƣợt với chân A+ A- B+ B- của động cơ step
3.2.2Mạch điều khiển
Hình 3.3 Mạch điều khiển
Cảm biến gồm 3 dây, 1 dây nối vào 0V, 1 dây nối vào 1 dây nối vào các đầu vào của PLC- I0.0 VÀ I0.1
Đầu vào của PLC từ I0.2 đến 2M đƣợc nối vào các CTHT từ CTHT 1 đến CTHT 13 3L+ của PLC đƣợc nối vào nguồn 24V, 3M nối vào nguồn 0V
Các đầu ra của PLC Q0.1, Q0.3, Q0.5, Q0.7,Q1.0 và Q1.1 nối với các role trung gian
3.3 Thi công mô hình
3.3.1Mô hình đã làm
Hình 3.5 Mô hình tổng thể (2) 1 2 3 4 5 6 7 8
Hình 3.7 Mô Hình tổng thể (4)
Bảng liệt kê các thiết bị của mô hình:
Tên thiết bị Số trên mô hình
PLC S7-1200 1
Role trung gian 2
Driver TB6600 3 Cảm biến 4 Băng tải 5 Động cơ bƣớc 6 Công tắc hành trình 7 Vitme 8 Nguồn tổ ong 9
Bảng 3.1 Bảng liệt kê các thiết bị trong mô hình
Chức năng của từng thiết bị trong mô hình
- PLC S7-1200 : Bộ điều khiển của toàn bộ hệ thống, là nơi xử lý mọi thông
tin và đƣa tín hiệu đến các cơ cấu chấp hành.
- Role trung gian : Gồm có tất cả 3 cặp, mỗi cặp dùng để điều khiển các Driver
và băng tải
- Cảm biến : Dùng để phát hiện hàng hóa
- Băng tải : Vận chuyển hàng
- Driver Tb6600 : Cấp xung điều khiển động cơ bƣớc_step
3.3.2Khái quát về các thiết bị của mô hình 3.3.2.1 PLC S7-1200 CPU 1214C DCDCDC 3.3.2.1 PLC S7-1200 CPU 1214C DCDCDC Hình 3.8 PLC S7-1200 CPU 1214C DCDCDC - Kích thƣớc: 110 x 100 x 75 - Bộ nhớ ngƣời dùng: Bộ nhớ làm việc: 50Kb Bộ nhớ Retentive: 2Kb Bộ nhớ lƣu trữ: 2Mb
- Số ngõ vào và ngõ ra: 14 In/10 Out
- Board tín hiệu/truyền thông:1
- Ngõ vào ra tƣơng tự: 2 in
- Vùng nhớ Truy suất bit (M): 4096Byte
- Module tín hiệu mở rộng: 8
- Bộ đếm tốc độ cao:
1 Pha 3 x 100KHZ/3 x 30KHZ
2 Pha 3 x 80KHZ/3 x 20KHZ
- Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2
- Thực thi lệnh nhị phân: 0.1 micro giây/lệnh
- Truyền thông: Ethernet
- Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10 ngày
3.3.2.2 Driver Tb6600
Hình 3.9 Driver Tb6600
Driver TB6600 dùng để điều khiển động cơ bƣớc sử dụng IC Driver là TB6600HQ/HG chính hãng Toshiba cho phép khả năng điều khiển động cơ bƣớc 2 pha với công suất tối đa lên đến 4A 40V. Driver có thiết kế vỏ hộp bằng kim loại chắc chắn, bền bỉ, chống nhiễu cùng với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định cao nhất.
Chân DIR+ dùng để điều khiển chiều quay motor+, chân DIR- dùng dể điều khiển chiều quay motor-
Chân PUL- và PUL+ dùng để tiếp nhận xung.
Chân A+ A- B+ B- lần lƣợt nối theo thứ tự vào động cơ bƣớc. Thông số kỹ thuật của Driver TB6600:
- Nguồn cấp tối đa : DC 40V
- Dòng ra tối đa : 4A
- Độ phân giải: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, & 1/16.
- Driver: TB6600HQ/HG Single-chip bipolar sinusoidal micro-step stepping
motor driver, công nghệ mới nhất BiCD 0.13nm
- Có thể điều khiển đảo chiều quay ON resistance (upper + lower) = 0.4Ohm
- Tích hợp chân Reset và Enable
- Tích hợp tính năng Standby
- Tích hợp bảo vệ quá nhiệt TSD
- Tích hợp bảo vệ quá áp UVLO
- Kích thƣớc: 96 x 57 x 35mm
3.3.2.3 Động cơ bước
Hình 3.10 Động cơ bƣớc
Động cơ bƣớc là gì?
Động cơ bƣớc (Step Motor) là loại motor điện đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chẳng hạn nhƣ: sử dụng để cấu thành nên hệ thống di chuyển của các loại máy CNC (máy cắt CNC,máy khắc cắt laser hay máy cắt plasma CNC,…)
Nói chung, động cơ bƣớc (motor bƣớc) là một loại động cơ mà chúng ta có thể quy định đƣợc tần số góc quay của nó. Nếu góc bƣớc của nó càng nhỏ thì đồng nghĩa với số bƣớc trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn qua đó độ chính xác của vị trí chúng ta thu lại đƣợc càng lớn.
Các góc bƣớc của động cơ có thể đạt lớn nhất là 90 độ và bé nhất là 0,72 độ. Tuy nhiên, hiện nay các góc bƣớc của động cơ thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc 2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ.
Ví dụ: Một động cơ bƣớc có góc là 1,8 độ/ bƣớc nếu quay 1 vòng hết khoảng 360 độ thì mất 200 bƣớc. Khi quay càng nhiều xung thì khi đó động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ngƣời ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 step.
Cấu tạo của động cơ bƣớc gồm: Rotor và stato.
- Rotor thực ra chính là các lá nam châm vĩnh cửu xếp thành 1 dãy, chúng đƣợc sắp xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận. Trên các lá nam châm thì các cặp cực đƣợc sắp xếp đối xứng với nhau
- Stato đƣợc cấu tạo bằng sắt từ, chúng đƣợc chia thành các rãnh nhỏ để đặt
cuộn dây.
Thông số kỹ thuật:
Theo nhƣ thông tin từ nhà sản xuất, động cơ bƣớc trên thị trƣờng Việt Nam hiện nay đang đƣợc tin dùng có số step là 200.
Ngoài ra, động cơ bƣớc còn có các thông số khác, cụ thể nhƣ:
- Dòng điện tiêu thụ tối đa của mỗi pha: 2A
- Điện trở của từng pha: 1.4 Ω
- Hiệu điện thế dòng điện: 2.8V
Trong đó, tham số Rated Current/ phase sẽ thể hiện cho bạn biết dòng điện tối đa mà mỗi pha của động cơ có thể nhận đƣợc. Nếu driver điều khiển nào có dòng điện mỗi pha cao hơn thông số nêu trên thì sẽ hỏng. Do đó, bạn nên lựa loại driver cho dòng điện chạy ra xấp xỉ 80 - 90% thông số trên đây.
Điện trở mỗi pha đƣợc xem là hằng số (các bạn có thể xem trong datasheet của động cơ bƣớc mà mình đã mua). Còn con số voltage đƣợc xem là hiệu điện thế tối ƣu để làm cho các stepper có thể hoạt động ổn định (2.0 * 1.4 = 2.8V)
Nguyên lý hoạt động động cơ bƣớc
Nguyên lý hoạt động động cơ bƣớc không quay theo các cơ chế thông thƣờng, bởi vì Step motor quay theo từng bƣớc một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt