3.5. Nguyên lý hoạt động hệ thống
Hệ thống được thiết kế hoạt động theo kiểu tuần tự, hoạt động này chạy xong thì hoạt động khác mới làm việc. Khi hệ thống đang chạy quá trình Đưa xe vào/Lấy xe ra thì khơng thực hiện q trình Đưa xe vào/Lấy xe ra kế tiếp cho tới khi hoạt động hiện tại đã xong để tránh tình trạng xung đột hệ thống. Q trình Đưa xe vào/Lấy xe ra có thể được thực hiện tự động bằng cách quét thẻ từ hoặc điều khiển bằng tay thông qua WinCC.
− Đưa xe vào: Hành khách muốn đỗ xe, lái xe vào vị trí “Ơ chờ đỗ”, tắt máy, ra ngồi.
Lúc này, thông qua “Cảm biến vào” hệ thống kiểm tra xem đã có xe vào “Ơ chờ đỗ” hay chưa. Nếu đã có xe ở tại vị trí “Ơ chờ đỗ”, thao tác quét thẻ từ mới có hiệu lực. Bây giờ, người quản lý quét thẻ từ và giao lại cho khách. Sau khi quét thẻ xong, hệ thống thực hiện:
+ So sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ đang có trong hệ thống xem để biết đã có xe
trong bãi hay chưa, nếu chưa thì tự động di chuyển tay nâng đến vị trí “Ơ chờ đỗ”, thực hiện thao tác lấy xe. Sau khi đã lấy xe lên khỏi “Ô chờ đỗ”, hệ thống rút tay nâng về để tránh trường hợp tay nâng va vào xe khác hay va vào phần cơ khí của mơ hình rồi mới thực hiện việc di chuyển xe tới ô đỗ. Lúc này, tuỳ thuộc vào mã thẻ đã quét, hệ thống tự động xác định vị trí ơ đỗ theo mã thẻ và thực hiện đưa xe vào vị trí ơ đỗ tương ứng. Khi xe đã vào vị trí của ơ đỗ, hệ thống hiển thị trạng thái xe đã vào trên WinCC và hoàn thành việc đưa xe vào.
+ Trong quá trình thực hiện “Đưa xe vào” cho xe hiện tại, có tín hiệu u cầu “Đưa
xe vào” cho xe tiếp theo (lúc này xe tiếp theo đã vào vị trí “Ơ chờ đỗ” và đã qt thẻ) thì việc qt thẻ sẽ khơng có hiệu lực cho đến khi hệ thống hoàn thành “Đưa xe vào” cho xe hiện tại. Sau khi đã hoàn thành “Đưa xe vào” cho xe hiện tại, nếu tiếp tục có tín hiệu yêu cầu “Đưa xe vào” từ xe tiếp theo thì mới thực hiện việc “Đưa xe vào”.
− Lấy xe ra: Hành khách muốn lấy xe, đưa thẻ cho nhân viên quản lý bãi đỗ xe để quét.
Quét thẻ xong, hệ thống thực hiện:
+ So sánh mã thẻ vừa quét với mã thẻ đang có trong hệ thống để biết đã có xe trong
bãi hay chưa, nếu rồi thì tự động xác định vị trí đang đỗ của xe tương ứng với mã thẻ đã qt, sau đó di chuyển tay nâng đến vị trí mà xe đang đỗ và thực hiện thao tác lấy xe. Sau khi đã lấy xe lên khỏi ô đang đỗ, hệ thống lập tức xố xe tại vị trí ơ tương ứng trên WinCC, đồng thời rút tay nâng về để tránh trường hợp tay nâng va vào xe khác hay va vào phần cơ khí của mơ hình rồi mới thực hiện việc mang xe ra “Ô trả xe”. Tại vị trí “Ơ trả xe” có gắn “Cảm biến ra” để hệ thống xác định đã nhận được xe tại “Ơ trả xe”. Q trình “Lấy xe ra” hồn tất.
+ Trong lúc đang thực hiện “Lấy xe ra” cho xe hiện tại và tiếp tục nhận được tín hiệu
yêu cầu lấy xe tiếp theo thì thao tác quét thẻ sẽ khơng có hiệu lực cho đến khi hệ thống hoàn tất việc “Lấy xe ra” cho xe hiện tại. Khi đã hoàn tất việc “Lấy xe ra” cho xe hiện tại, nếu vẫn tiếp tục có tín hiệu u cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo thì lúc này sẽ có 2 trường hợp có thể xảy ra:
• Trường hợp 1: Hệ thống sẽ khơng thực hiệu yêu cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo nếu
xe hiện tại chưa rời khỏi “Ô trả xe”
• Trường hợp 2: Hệ thống sẽ thực hiện yêu cầu lấy xe ra cho xe tiếp theo nếu xe
hiện tại đã rời khỏi “Ô trả xe” từ trước khi được quét thẻ.
Ở chế độ bằng tay: Thao tác quét thẻ cũng sẽ khơng có hiệu lực trong chế độ này
− Khi có sự cố trong lúc thực hiện Đưa xe vào/Lấy xe ra và người quản lý nhấn EMG,
lúc này việc Đưa xe vào/Lấy xe ra bằng cách quét thẻ ở chế độ tự động không thể thực hiện được nữa. Như vậy để tiếp tục Đưa xe vào/Lấy xe ra, phải sử dụng chế độ điều khiển bằng tay để Đưa xe vào/Lấy xe ra, sau đó tiến hành Hiển thị xe/xố xe tại vị trí ơ tương ứng trên màn hình WinCC. Việc di chuyển tay nâng qua lại, lên xuống hay vào ra sẽ phụ thuộc vào việc người điều khiển thông qua việc điều khiển qua WinCC với 2 tuỳ chọn điều khiển:
+ Tuỳ chọn điều khiển tự do: ở tuỳ chọn điều khiển tự do, người điều khiển có thể di
chuyển tay nâng đến bất cứ vị trí nào trong bãi đỗ, miến là nằm trong tầm hoạt động mà tay nâng có thể đi được.
+ Tuỳ chọn điều khiển an toàn: ở tuỳ chọn điều khiển an toàn, khoảng cách di chuyển
của tay nâng sẽ bị giới hạn, đủ để đảm bảo an toàn cho tay nâng cũng như phương tiện trong bãi đỗ, giúp người điều khiển tránh việc điều khiển quá đà có thể va vào xe đã đỗ ở trong bãi hay va vào các phần cơ khí khác của mơ hình, đảm bảo an tồn tuyệt đối trong quá trình điều khiển ở chế độ bằng tay.
3.6. Tính tốn
3.6.1. Tính chọn bộ nguồn
− Đầu tiên, ta cần phải xác định bộ nguồn mong muốn cần phải cung cấp được điện áp
là U1 = 24VDC vì các thiết bị sử dụng chủ yếu là nguồn 24VDC và ta cần xác định các thiết bị nào sẽ sử dụng năng lượng từ nguồn này, sau đó tính tốn lượng năng lượng mà các thiết bị này tiêu thụ, từ đó chọn bộ nguồn cho hợp lý:
+ Ta có: 3 Động cơ bước có dịng định mức mỗi động cơ là 2A được điều khiển thơng
qua 3 driver có dịng cấp tối đa là 3A. Vì mỗi động cơ bước chỉ có dịng định mức là 2A nên ta chỉ cài đặt cho driver cấp dòng tối đa là 2A. Vậy sẽ lấy một mức chung cho cả 3 driver với dòng tiêu thụ là: I1 = 2A
⟺ công suất tiêu thụ P1 = U1 . I1 = 24 . (3. 2) = 144 (W)
+ 2 cảm biến hồng ngoại: dòng tiêu thụ là 15mA/24VDC, nhưng dịng để kích ngõ ra
của cảm biến lại là 300mA. Ta chọn mức dòng cao nhất là: I2 = 300mA = 0,3 A
+ 1 relay trung gian: dòng định mức I3 = 36,3mA = 0,0363 A
⟺ công suất tiêu thụ P3 = U1 . I3 = 24 . 0,0363 ≈ 0,9 (W)
+ PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC: dòng tiêu thụ tối đa: I4 = 1500mA = 1,5A
⟺ công suất tiêu thụ P4 = U1 . I4 = 24 . 1,5 = 36 (W)
⟹Tổng công suất tiêu thụ nếu các thiết bị này hoạt động cùng một lúc: P = P1 + P2 + P3 + P4 = 144 + 14,4 + 0,9 + 36 = 195,3 (W)
Như vậy ta cần chuẩn bị một bộ nguồn như sau:
Hình 3.7. Nguồn tổ ong 24VDC – 10A
− Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp đầu vào (AC): 110V/220V 50/60hz (Chân L và N) + Điện áp đầu ra (DC): 24V (Chân V+, V- hoặc COM) + Dịng ra: 10A
+ Cơng suất: 240W
+ Bảo vệ: quá áp, ngắn mạch
+ Tiêu chuẩn: loại tốt, giá rẻ, đủ ampe + Đường kính ốc vặn :2,5mm
+ Số lượng ốc vào ra: 9
+ Kích thước (L x W x D): 159 x 100 x 43 mm
3.6.2. Các tính tốn liên quan đến việc lập trình điều khiển động cơ bước
để điều khiển động cơ đi hết 1 vịng, và 1 vịng thì động cơ đi được bao nhiêu mm trước khi đi vào lập trình. Việc tính tốn cho các động cơ cịn lại được thực hiện tương tự như tính tốn cho ĐCX.
− Từ nhãn của động cơ ta có thể truy xuất được các thơng số cơ bản ban đầu sau: + Số pha: 2 pha
+ Góc bước: Gb = 1,80
+ Dòng định mức: Ixđm = 2 (A)
Từ các thông số cơ bản ban đầu của ĐCX ta tính được:
3.6.2.1. Số cực rotor Scrx Ta có cơng thức tính góc bước [6]: Gb = 360 Ta có cơng thức tính góc bước [6]: Gb = 360 𝑆𝐶𝑟𝑥 . 𝑆ố 𝑝ℎ𝑎 (3.1) ⟹ 𝑆𝐶𝑟𝑥 = 360 𝐺𝑏 . 𝑆ố 𝑝ℎ𝑎 = 1,8. 2360 = 100 (Cực từ) Trong đó: Gb : Góc bước
SCrx : số cực rotor của động cơ X
3.6.2.2. Tính số xung cần có để động cơ thực hiện quay hết 1 vòng (ở chế độ full step)
Ta có: Góc bước Gb = 1,80 : là góc dịch chuyển của trục động cơ / 1 bước ⟺ mỗi 1 bước của động cơ dịch chuyển được một góc là 1,80 tương ứng với 1 xung ở chế độ full step
⟺ Với 1 xung: ĐCX dịch chuyển 1,80 . Vậy để động cơ quay hết 1 vòng 3600 ta cần cấp số xung tương ứng Pul360x là:
1,8 . 𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 360 ⟹ 𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 360
1,8 = 200 (xung/vịng)
Trong đó: Pul360x : số xung để ĐCX quay hết 1 vòng 3600
⟹ Vậy với Pul360x = 200 (xung) thì động cơ quay hết 1 vịng 3600
3.6.2.3. Tính quãng đường mà động cơ đi được nếu cấp 1 xung
Ta có: Kích thước trục ĐCX là 5mm. Và trục ĐCX được gắn vào một Puly có thơng số như sau:
− Số răng: 20 răng
− Đường kính bánh răng: Dx = 12mm − Bước răng: 2mm.
Với trục động cơ được gắn vào Puly bánh răng có đường kính Dx =12mm, ta cần tính được chu vi của Puly trước (chu vi của Puly gắn lên trục động cơ cũng chính là quãng đường mà trục động cơ đi được khi quay hết 1 vòng) bằng cách sau:
Cách 1: Áp dụng cơng thức tính chu vi hình trịn:
Cx = Dx.𝜋 = 12.𝜋 ≈ 38 (mm)
Trong đó: Cx : chu vi hình trịn của Puly gắn trục ĐCX Dx: đường kính của Puly
𝜋 là 3,14
Cách 2: Dựa vào các thông số như số răng, bước răng của Puly Cx = Số răng . Bước răng = 20 . 2 = 40 (mm) Trong đó: Cx : chu vi hình trịn của Puly gắn trục động cơ X
Số răng: 20 răng Bước răng: 2mm.
⟹ với kết quả của 2 cách tính trên, ta chọn kết quả của cách 2 vì cách tính đơn
giản. Vậy chu vi của Puly là Cx = 40 (mm)
Với chu vi Cx = 40 (mm), mà cứ 200 xung thì động cơ X quay hết 1 vòng 3600. Vậy cứ 1 vòng 3600 như thế thì động cơ đi được quãng đường là: S360x = Cx = 40 (mm)
Vậy: Quãng đường mà ĐCX dịch chuyển được khi được cấp 1 xung là: S1x = S360𝑥
𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 40
200 = 0,2 (mm/xung)
Trong đó: S1x : Quãng đường ĐCX dịch chuyển được khi được cấp 1 xung
3.6.2.4. Tính số xung phát ra để ĐCX truyền động đưa cơ cấu khớp tịnh tiến di chuyển qua lại chính xác giữa các cột trong mơ hình qua lại chính xác giữa các cột trong mơ hình
Sử dụng hình chiếu bằng như hình dưới để tả lại kích thước giữa các cột trong mơ hình.
Hình 3.8. Hình chiếu bằng khung cơ khí mơ tả kích thước giữa các cột trong mơ hình Với vị trí gốc = 0. Ta định nghĩa về vị trí của các cột trên Hình 3.6 như sau:
Cột 1: tại vị trí chính giữa của cột 1, ta gọi vị trí này là vị trí gốc (hay vị trí xuất phát) = 0.
Cột 2: từ vị trí gốc của cột 1 đến vị trí chính giữa cột 2, ta gọi vị trí này là cột 2 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 175 (mm)
Cột 3: từ vị trí chính giữa của cột 2 đến vị trí chính giữa cột 3, ta gọi vị trí này là cột 3 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 350 (mm)
Cột 4: từ vị trí chính giữa của cột 3 đến vị trí chính giữa cột 4, ta gọi vị trí này là cột 4 và có khoảng cách so với vị trí gốc là 525 (mm)
⟹Ta thấy rằng khoảng cách di chuyển qua lại giữa 2 cột liền kề nhau đều có sự
tương đồng, đều bằng 175 (mm).
− Vậy bài toán đặt ra để điều khiển ĐCX như sau:
Cho ĐCX 2 pha có góc bước là 1,80 / 1 bước, hoạt động ở chế độ Full step đang điều khiển một khớp trượt tịnh tiến đứng yên tại vị trí gốc (vị trí = 0). Trên trục ĐCX được gắn một Puly bánh răng có đường kính Dx =12mm, bánh răng là loại 20 răng, với bước răng là 2mm. Hỏi số xung Pul12 cần phải phát ra là bao nhiêu để ĐCX đưa khớp
trượt từ vị trí gốc đến vị trí kế tiếp là vị trí cột 2. Biết khoảng cách từ vị trí gốc đến vị trí cột 2 là K12 = 175 mm.
Cách giải quyết: Áp dụng cách tính tốn từ Tiểu mục 3.6.2.2 ; Tiểu mục 3.6.2.3 đã thực hiện từ trước là đã có thể giải quyết bài tốn này.
Ta có: ĐCX hoạt động ở chế độ Full Step có góc bước Gb = 1,80 K12 = 175 mm
Dx =12mm
− Áp dụng cách tính từ Tiểu mục 3.6.2.2 ta có:
+ Số xung Pulx cần cấp để động cơ quay hết 1 vòng 3600 là:
1,8 . 𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 360 ⟹ 𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 360
1,8 = 200 (xung/vịng)
− Áp dụng cách tính từ Tiểu mục 3.6.2.3 ta có: + Chu vi hình trịn của Puly gắn trục ĐCX:
Cx = Số răng . Bước răng = 20 . 2 = 40 (mm)
+ Quãng đường mà động cơ dịch chuyển được khi được cấp 1 xung 1,80 là: S1x = S360𝑥
𝑃𝑢𝑙360𝑥 = 40
200 = 0,2 (mm/xung)
⟹ số xung Pul12 cần phải phát ra để ĐCX đưa khớp trượt từ vị trí gốc đến vị trí cột
2 với K12 = 175mm là:
𝑃𝑢𝑙12 . 𝑆1𝑥 = 𝑆12 (3.2)
⟺ 𝑃𝑢𝑙12 = 𝑆12
𝑆1𝑥 = 175
0,2 = 875 (xung)
Trong đó: 𝑃𝑢𝑙12 : số xung để ĐCX đưa khớp trượt từ cột 1 sang cột 2
𝑆1𝑥 : Quãng đường ĐCX dịch chuyển được khi được cấp 1 xung
𝑆12 : khoảng cách từ vị trí gốc đến vị trí cột 2
Các phép tính tốn trong phần này chỉ mang tính chất tham khảo, giúp giải đáp những thắc mắc về cách hoạt động dịch chuyển động cơ tới vị trí mong muốn bằng cách phát xung cho các động cơ. Vì trong lập trình để điều khiểu động cơ bước, ta sử dụng phần mềm TIA Portal nên với tính năng có sẵn trong phần mềm này, hỗ trợ chúng ta tính tốn các thơng số như trên mà khơng cần phải lập trình phức tạp, chỉ cần cấu hình, nhập vị trí muốn đến, phần mềm sẽ tự điều chỉnh số xung phát ra để động cơ dịch chuyển đến đúng vị trí mà ta mong muốn dựa vào cấu hình mà người lập trình đã thiết lập.
Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ LẬP TRÌNH
4.1. Giới thiệu
Sau khi tính tốn, thiết kế, chương này tiến hành thực hiện thi cơng và lập trình cho hệ thống. Điểm qua một số nội dung sẽ thực hiện ở chương này:
− Thi công hệ thống:
+ Về phần cứng: Tiến hành lắp ráp các thiết bị (đã được giới thiệu ở Chương 2 đề tài
này) vào mơ hình.
+ Về phần điện: Thực hiện vẽ sơ đồ đấu nối giữa PLC với các thiết bị trước, sau đó
tiến hành đấu nối PLC và các thiết bị trong mơ hình theo sơ đồ đấu nối đã vẽ.
− Lập trình hệ thống: Trước khi đi vào lập trình, dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ
thống đã được đề ra ở Chương 3 ta sẽ diễn giải nguyên lý dưới dạng lưu đồ để người lập trình hình dung rõ ràng các bước xử lý trong chương trình. Qua đó, người lập trình sẽ dễ dàng phát hiện ra chổ nào chưa hợp lý thì sẽ tinh chỉnh lại cho phù hợp.
Chương trình được lập trình sẽ dựa vào nguyên lý hoạt động cũng như lưu đồ giải