2.3.5. Các tính năng nổi bật của PLC S7 – 1200
Cổng truyền thơng Profinet (Ethernet) được tích h ợp sẵn:
- Dùng để kết nối máy tính, v ới màn hình HMI hay truy ền thơng PLC -PLC. - Kết nối với các thi ết bị khác có h ỗ trợ chuẩn Ethernet mở.
- Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.
- Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s.
- Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet.
- TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển qtrình:
- 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 b ộ đếm 30kHz.
- ngõ ra PT O 100kHz để điều khiển tốc độ và v ị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)
- Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trívalve, hay điều khiển nhiệt độ…
- 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thơng s ố điểu khiển (auto-tune functionality).
Thiết kế linh hoạt:
- Mở rộng tín hi ệu vào/ra b ằng board tín hi ệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp m ở rộng tín hi ệu vào/ra mà khơng thay đổi kích thước hệ điều khiển.
- Mỗi CPU có th ể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hi ệu vào/ra. - Ngõ vào analog 0 -10V được tích h ợp trên CPU.
- module truyền thơng có th ể kết nối vào CPU m ở rộng khả năng truyền
thông, vd module RS232 hay RS485.
- Card nhớ SIMATIC, dùng khi c ần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương
trình ứng dụng hay cập nhật firmware chuẩn đoán lỗi online/offline.
2.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ2.4.1. TIA portal V13 2.4.1. TIA portal V13
TIA Portal – phần mềm cơ sở tích h ợp tất cả các ph ần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa vàtruy ền động điện. Phần mềm lập trình m ới này giú p mọi người
sử dụng phát tri ển, tích h ợp các h ệ thơng t ự động hóa m ột cách nhanh chóng, do đó giảm nhiều thời gian trong việc tích h ợp, xây d ựng tất cả các b ộ điều khiển PLC, màn hình HMI, các b ộ truyền động của Siemens đều được lập trình, c ấu hình trên TI A portal. Việc này giúp gi ảm thời gian, công s ức trong việc thiết lập truyền thơng gi ữa các thi ết bị này. Víd ụ người sử dụng có th ể sử dụng tính năng “kéo và thả” một biến trong chương trình điều khiển PLC vàm ột màn hình c ủa chương trình HMI. Biến này s ẽ được gán vào chương trình HMI và sự kế nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, khơng c ần bất cứ sự cấu hình nào thêm.
Phần mềm mới Simatic Step 7 V13 tích h ợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1500, S7-1200, S7-300 vàh ệ thống tự động PC-based Simatic WinAC. Simatic Step 7 V13 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu c ầu của người sử dụng. Simatic Step 7 V13 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang phương trình mới trên TIA Portal.
Phần mềm mới Simatic WinCC V13, cũng được tích h ợp trên TIA Portal, dùng để làm c ấu hình cho các màn hình TP và MP hi ện tại, màn hình m ới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA).
2.4.2. WinCC professional
Phần mềm WinCC của Siemens làm ột phần mềm chuyên d ụng để xây d ựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành t ự động hóa.
WinCC là ch ữ viết tắt của Windowns Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên n ền Windows), nói cách khác nócung c ấp các cơng c ụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các h ệ điều hành c ủa Microsoft như Windowns NT hay Windowns 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1).
Phần mềm giao diện người máy v ới Simatic WinCC V13 bao gồm các phiên bản khác nhau:
WinCC Basic lập trình cho Basic Panels.
WinCC Comfort lập trình cho t ất cả các dịng Simatic Panels.
WinCC Advanced kết hợp WinCC Runtime Advanced hỗ trợ giám sát
các h ệ thống chạy trên n ền máy tính c ấp thiết bị như các Panel PC. WinCC Professional làph ần mềm bao gồm tất cả các tính năng trên và
sử dụng để lập trình SCADA.
2.5 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SERVO2.5.1 Động cơ servo là gì ? 2.5.1 Động cơ servo là gì ?
Hình 2. 14 Servo AC
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 thông s ố căn chỉnh của mạch vòng, 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 mô 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,