Step angle Steps per revolution 0.9 400 1.8 200 3.6 100 3.75 96 7.5 48 15 24
➢ Nguyên tắc điều khiển động cơ bước đơn cực:
Động cơ bước đơn cực, (có thể là động cơ vĩnh cửu hoặc động cơ hỗn hợp) có 5,6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ dưới. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi quận đó.
Hình 3.11 Cuộn dây động cơ bước
➢ Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:
Tạo các xung với những tần số khác nhau.
Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ. Làm giảm các dao động cơ học.
Đầu vào của mạch điều khiển là các xung. Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi mạch. Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do
các transistor công suất T1 đến T4 thực hiện.Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại. Điện áp được cấp qua các khố chuyển để ni các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor. Các khố ở đây khơng cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor cơng suất… Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính.
Hình 3.12 Sơ đồ mạch điện động cơ bước
Các loại động cơ bước thông dụng và các cách điều khiển động cơ bước.
• Động cơ bước có nhiều loại như động cơ biến trở từ, động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực.
• Về step thì có loại là 0.36 độ/ 1step, loại 0.72/1step. Và thông dụng nhất là loại 1.8 độ/ 1 step. Tức là 200 step sẽ được 1 vịng
• Trên thị trường chúng ta hay gặp nhất là động cơ đơn cực và lưỡng cực. Khi đi mua thì hay gặp động cơ 4 dây, 5 dây, 6 dây, 8 dây. Trong đó 4 dây là 6 dây là gặp thường xuyên nhất. Dưới đây là sơ đồ dây của hãng Oriental
Hình 3.13 Sơ đồ cuộn dây của các loại động cơ bước
➢ Động cơ bước có nhiều cách điều khiển. Có thể điều khiển các dây trực tiếp qua 4 cổng qua MCU thông qua Driver đệm công suất. Cách này hơi phức tạp một chút, cần phải hiểu rõ bên trong động cơ và thường chỉ điều khiển được full bước.
➢ Cách thông dụng nhất là dùng các IC chuyên dụng điều khiển động cơ bước. Các IC hay gặp nhất làTB6560, TB6600, L297, A4988, DRV8825, MA860H… Việc lựa chọn dùng loại Driver nào phụ thuộc vào loại động cơ và công suất động cơ định điều khiển. Ví dụ như A4988, DRV8825 dùng để điều khiển các loại động cơ nhỏ có cơng suất bé ví dụ như trong máy photo hoặc máy in 3d, TB6560 hoặc TB6600 thì lại dùng để điều khiển các loại động cơ lớn hơn một chút ví dụ như trong các loại máy cnc mini. Các loại động cơ to thì người ta hay dùng MA860H hoặc các Driver khủng hơn nữa.
➢ Nhìn chung cách giao tiếp với các module Driver này tương đối giống nhau. Chúng đều có 3 port cơ bản là DIR ( để điểu khiển hướng quay động cơ), EN
Một số loại module như tb6560 tb6600 hoặc MA860H thì mỗi port đều có 2 pin. Ví dụ như EN+ EN- CW+ CW- CLK+ CLK-. vì thế người dùng có thể tùy chọn điều khiển theo mức 0 hoặc mức 1.
➢ Điều quan trọng nhất là các module này là chúng có thể điều khiển được vi bước như 1/16 step, 1/8 step, 1/2 step và full step. Nếu full step thì cần 200 step để quay hết 1 vòng đối với loại 1.8 độ 1step. Còn nếu dùng chế độ vi bước 1/16 step thì một xung động cơ chỉ dịch chuyển 1,8/16 độ. Tức là phải cần 200*16=3200 xung để quay hết một vòng, điều này làm tăng độ phân giải và tăng độ chính xác cho step.
➢ Cách kết nối: với động cơ 4 dây thì tìm các dây xem dây nào là kênh A- A+ B- B+ và nối vào Driver. với động cơ 5 dây 6 dây hoặc 8 dây thì cắt bỏ hết những dây chung đi và chỉ sử dụng 4 dây ở 2 đầu cuộn dây để điều khiển.
3.1.5.2 Động cơ bước và mạch điều khiển được sử dụng trong mơ hình
Thơng số kỹ thuật động cơ bước được sử dụng trong hệ thống:
• Loại động cơ bước: 2 pha
• Điện áp định mức: 4.5-5VDC
• Độ phân giải: 1.8 độ/bước
• Số dây: 6 dây
• Kích thước: 42x42x50
Mạch điều khiển là Driver TB6600:
Hình 3.15 Driver TB 6600
Driver Điều Khiển Động Cơ Bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 pha hoặc 4 dây có dịng tải là 4A/42VDC. Ứng dụng của mạch điều khiển động cơ bước TB6600 trong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự động khác.
Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn đầu vào là 9V – 42V. + Dòng cấp tối đa là 4A.
+ Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao. + Có tích hợp đo q dịng q áp. + Cân nặng: 200G.
Hình 3.16 Đấu dây TB6600
Cách đấu dây:
DC+: Nối với nguồn điện từ 9 – 40VDC DC- : Điện áp (-) âm của nguồn
A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước B+ và B- : Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ
PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600 PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600 DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600 DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600
ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ khơng có lực momen giữ và quay nữa
3.2.6 Mơ hình tổng thể
➢ Dưới đây là bảng liệt kê các thiết bị phần cứng được sử dụng trong mơ hình: Bảng 3.2 Liệt kê các thiết bị
Thiết bị Ký hiệu trên mơ hình
Động cơ bước 1 Băng tải 2 Cảm biến hồng ngoại 3 Cơng tắc hành trình 4 Khung kệ và sản phẩm 5 Vitme 6 Tay nâng 7 CB nguồn 8 Nguồn 9 PLC S7-1200 10 Driver TB6600 11 Đèn nguồn 12 Nút khẩn cấp 13 ➢ Chức năng của các bộ phận:
• Băng tải đưa sản phẩm đến vị trí trục nâng
• Cảm biến xác định vị trí của sản phẩm trên băng tải
• Các Vitme tạo thành 3 trục XYZ đưa sản phẩm đến vị trí cần đặt
• Cơng tắc hành trình giới hạn hành trình trục Vitme đề phịng sự cố hư hỏng
• PLC lập trình điều khiển hệ thống
• Driver TB 6600 cấp xung điều khiển động cơ bước
• Nguồn tổ ong cấp nguồn cho hệ thống
Dưới đây là hình ảnh chụp từ mơ hình đã hồn thành:
Hình 3.18 Mơ hình tổng thể
3.2.7 Tủ điện
Các thiết bị trong tủ điện:
- CP cấp nguồn cho tủ.
- Nguồn tổ ong 24V.
- PLC S7-1200 DC/DC/DC.
- Dirver TB 6600 điều khiển động cơ bước.
- Cầu đấu dây điện
➢ Ta chọn kích thước tủ là 40*30*20 (cm), sử dụng phần mềm autucad để bố trí các 3 1 6 5 7 4 2
Hình 3.19 Sơ đồ bố trí tủ điện Hình 3.20 Tủ điện 12 8 11 10 0 9 13
3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Quá trình đưa sản phẩm từ băng tải về vị trí kệ hàng chia làm 6 bước:
➢ Bước 1: Khi bắt đầu hoạt động ba trục XYZ về vị trí tọa độ O và sản phẩm được đặt lên băng tải như trong hình.
Hình 3.22 Hoạt động_B1
Vị trí O
➢ Bước 2: Băng tải đưa sản phẩm đến vị trí tay nâng, khi sản phẩm gặp cảm biến băng tải dừng lại, tay nâng đưa vào vị trí sản phẩm nhờ trục Vitme Y.
Hình 3. 23 Hoạt động_B2 Tr ục V it me Y Cảm biến BT
➢ Bước 3: Tay nâng nâng sản phẩm lên nhờ chuyển động của trục Vitme Z.
➢ Bước 4: Tay nâng quay đưa sản phẩm sang vị trí kệ để hàng nhờ cơ cấu trục quay được kéo bởi động cơ bước.
Hình 3. 25 Hoạt động_B4
Trục Xoay Kệ hàng
➢ Bước 5: Sản phẩm được đặt vào đúng vị trí mong muốn nhờ sự kết hợp của 3 trục Vitme XYZ.
➢ Bước 6: Sau khi đặt sản phẩm vào vị trí, trục Y đưa tay nâng ra kết thúc qua trình chuyển một sản phẩm từ băng tải vào kệ hàng.
Hình 3. 27 Hoạt động_B6
3.5 Thiết kế giao diện HMI và lập trình hệ thống 3.5.1 Lưu đồ thuật tốn 3.5.1 Lưu đồ thuật toán
3.5.2 Thiết lập địa chỉ IP
Để kết nối PLC với máy tính ta cần thiết lập địa chỉ IP cho máy tính Bước 1: Vào Network and Sharing Center chọn Change adapter settings
Hình 3. 30 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_1
Bước 2: Click phải vào Ethernet, chọn Ethernet Properties. Sau đó chọn Internet Protocol Version 4 và nhập địa chỉ IP vào như hình.
Hình 3. 31 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_2
➢ Địa chỉ IP có dạng 192. 168. xx. yy, trong đó yy chọn giống với PLC, xx chọn khác với PLC.
➢ Để xem địa chỉ IP của PLC, trong giao diện chính click chuột phải vào PLC chọn Properties, xem trong phần Ethernet addresses.
Hình 3. 32 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_3
3.5.3 Tạo Project mới
Bước 1: Từ màn hình chính máy tính chọn vào biểu tượng TIA Portal V15.1
Bước 2: Nhập tên dự án và địa chỉ lưu su đó chọn Create
Hình 3. 34 Tạo Project mới_2
3.5.4 Thiết kế giao diện HMI
Bước 1: Chọn Devices and Network, add new device, chọn CPU 1214 DC/DC/DC, chọn đúng mã ghi trên nhãn PLC, sau đó chọn Add.
Bước 2: Sau khi add được PLC, tiếp theo là add PC_System , chọn Add new device.
Hình 3. 36 Thiết kế HMI_1
Bước 3: Chọn khối WinCc Runtime, chọn version
Bước 4: Thiết lập WinCC và kết nối với PLC
Hình 3. 38 Kết nối giữa WinCC và PlC
Hình 3. 39 Màn hình thiết kế giao diện HMI trên WinC
Hình 3.40 Tạo Background
Hình 3. 42 Setbit cho nút Start
➢ HMI Symbol:
• IMPORT: Nhấn để bắt đầu chế độ nhập kho
• EXPORT: Nhấn để bắt đầu chế độ xuất kho
• AUTO: Chế độ tự động nhập kho hoặc xuất kho
• MANUAL: Chế độ điều khiển bằng tay bằng cách chọn vị trí
• START: Nút nhấn bắt đầu một chế độ
• STOP: Nút nhấn dừng tạm thời
• E-STOP: Nút nhấn dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống
3.5.5 Lập trình điều khiển hệ thống
Trước khi bắt đầu lập trình ta cần kí hiệu các địa chỉ đầu vào ra cho PLC:
Bảng 3. 3 Địa chỉ vào ra
Input Output
I0.0 EMERGENCY Q0.0 PUL_X
I0.1 LS_X1 Q0.1 DIR_X
I0.2 LS_X2 Q0.2 PUL_Z
I0.3 LS_Y1 Q0.3 DIR_Z
I0.4 LS_Y2 Q0.4 PUL_Y
I0.5 LS_Z1 Q0.5 DIR_Y
I0.6 LS_Z2 Q0.6 PUL_XOAY
I0.7 CB_Y Q0.7 DIR_XOAY
I1.0 LS_XOAY 1 Q1.0 PUL_BT
I1.1 LS_XOAY 2 Q1.1 DIR_BT
I1.2 CB_BT1
I1.3 CB_BT2
➢ Chương trình được viết trên ngôn ngữ Ladder (các hàm chức năng và các
lệnh cơ bản đã được giới thiệu ở chương 2)
Hình 3. 45 Giao diện viết chương trìnhCác lệnh nâng cao Các lệnh nâng cao Các lệnh cơ bản
➢ Hàm Main: Chứa chương trình chính của tồn bộ hệ thống, bao gồm 2 quá
trình lưu kho và nhập kho, trong mỗi quá trình có 2 chế độ autu và manual
Hình 3.46 Chương trình điều khiển
➢ Khối băm xung PWM: xuất xung tốc độ cao thông qua các chân PLC đưa ra các
step để điều khiển các động cơ bước
Hình 3.47 Chương trình điều khiển
➢ Thơng qua lưu đồ thuật tốn mà ta sắp xếp các khối và các lệnh để lập trình hồn thiện chương trình (chương trình hồn thiện sẽ được bổ sung ở phần
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận
❖ Kết quả đạt được:
Sau quá trình nghiên cứu và hồn thành đề tài, nhóm đã thiết kế và thi cơng “Mơ hình lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200”; đã đạt được những mục tiêu lúc đầu đề ra:
➢ Sử dụng phần mềm TIA Portal V15.1 để lập trình điều khiển hệ thống cũng như mô phỏng giám sát trên giao diện màn hình HMI.
➢ Hiểu được cấu tạo, các ngõ vào ra, nguyên lý hoạt động cũng như các modun, các thiết bị phần cứng liên quan đến PLC S7-1200.
➢ Tìm được các giải thuật giúp việc lập trình PLC S7-1200 trở nên dễ dàng và logic hơn.
➢ Biết được các loại động cơ bước, nguyên lý hoạt động của động cơ bước, cách sử dụng động cơ bước, cách đấu dây cũng như cách điều khiển động cơ bước.
➢ Biết được Driver TB6600 điều khiển động cơ bước, đặc biệt là cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thiết lập các thông số, cách đấu dây giữa Driver với PLC và động cơ bước.
➢ Có thể thiết kế được các kết cấu cơ khí nhỏ mang tính chính xác tương đối trong mơ hình, làm tiền đề cho các hệ thống lớn sau này.
➢ Thiết kế và thi cơng tủ điện với tính thẩm mỹ và kỹ thuật cao phù hợp với các tiêu chuẩn tủ điện thực tế.
❖ Đánh giá:
- Mô hình hoạt hoạt động ổn định và chính xác, đúng yêu cầu công nghệ đã đề ra.
- Tồn bộ q trình từ khâu lên bản vẽ, tính tốn cho đến khi hồn thiện mơ hình mơ phỏng 3D sát với thực tế nhất nhóm đã mất khoảng 1,5 tháng và kinh phí chế tạo dự kiến dưới 6 triệu đồng cho tồn bộ trang thiết bị. Nhìn chung nhóm chúng em hồn tồn hài lịng với mơ hình mơ phỏng tạo ra.
đây là một kĩ năng vô cùng quan trọng cho chúng em trong thời gian sắp tới. - Đây cũng là nguồn tài liệu cho sinh viên nghiên cứu, cho các kỹ sư điện tham
khảo để thiết kế hệ thống lưu kho tiết kiệm chi phí.
❖ Hạn chế: Vì khơng hiểu biết nhiều trong phần cơ khí và kinh phí cịn hạn
chế nên chúng em còn những vấn đề như sau: - Chưa phát huy tối đa được việc giám sát.
- Mơ hình chỉ có một loại sản phẩm nhất định.
- Phần cơ khí chưa được chỉnh chu và chắc chắn do gia công chưa đúng cách. - Khi chạy mơ hình lâu dài động cơ nóng và vẫn xảy ra một số lỗi.
4.2 Hướng phát triển
Mơ hình có thể cái tiến theo nhiều hướng như: phân loại sản phẩm bằng cơng nghệ xử lý ảnh sau đó đưa vào đúng vị trí mong muốn, sử dụng quét mã QR hoặc mã vạch tăng độ chính xác và dễ dàng giám sát củng như quản lý kho hàng.
Có thể thay thế tay nâng bằng tay gắp để tăng độ chính xác, thay thế động cơ bước bằng động cơ servo có bộ hồi tiếp encoder tăng độ chính xác cho hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] SIMATIC S7-1200 System Manual, Update to edition 05/2009
[2] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2003), Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM.
[3] Phạm Quang Huy, Ngơ Văn Thun (2017), Lập Trình Với PLC S7-1200 Và S7- 1500, Nhà Xuất Bản Thanh Niên, STK.
[4] Một số trang web: – https://tuhocplc.com/
– https://plctech.com.vn/lo-trinh-tu-hoc-lap-trinh-plc/ – https://www.docmienphi365.com/
PHỤ LỤC CODE ĐIỀU KHIỂN: