Lựa chọn các phần tử của hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.2 Lựa chọn các phần tử của hệ thống điều khiển

a) Xy lanh

Tính chọn y lanh:

Thông số đầu vào:

Lực p y u cầu F 2kg ( tính phần có khối lượng lớn nhất).

Chọn chiều dài xy lanh:

ựa vào các thông số hình học của áy chọn sơ bộ chiều dài y lanh 150 Tính chọn đường kính xy lanh:

Điều kiện làm việc:

Chọn sơ bộ áp suất là việc 1 5 bar Lực ép yêu cầu F = 2 (kg) (F>Fms+ Fyc).

Đường kính xy lanh cần thiết:

√((4∙A)/π) √((4∙F/p)/π) √((4∙2/1 5)/π) 1 35(c ) 13 5 ( ) Theo tiêu chuẩn: đường kính y lanh được chọn là 20 (mm).

Áp suất là việc của y lanh:

Hình 59: Xy lanh CDM2E20-150Z Các đặc tính của y lanh C M2E20-150Z

Xy lanh khí nén hoạt động 2 vị trí.

Áp suất làm việc: 0.1-1 MPa (1-10 bar) Áp suất chịu được: 1.5 MPa (15 bar) Nhiệt độ làm việc: 20 đến 70℃

Tốc độ làm việc: 30 đến 800 (mm/s)

Hình 60: Các thông số h nh học của y lanh

Tính chọn bơ : u cầu:

• Áp suất là việc của y lanh p 1bar

• Tốc độ của y lanh v 300 /s (30c /s) Lưu lượng cần thiết của bơ là:

Áp suất cần thiết của bơ : pb p ylanh 1 bar Kết quả chọn bơ :

Bơ thỏa n y u cầu với pb 8 bar và Q 110 (l/ph)

b) V n hí n n

ới các thông số đ chọn như tr n kết hợp với các đặc tính y u cầu như van điện đảo chiều điều khiển y lanh chúng ta chọn loại van điện t đảo chiều 5/2

Trên các xy lanh sẽ gắn 2 cảm biến (tại A và B) để ác định khi nào xy lanh trạng thái A hoặc B.

V n 2 cấu t o v ngu ên í ho t động

Hình 62: Trạng thái đư c cấp khí n n – an

• Cửa số 1 là cửa có vai trò cấp khí. (vào)

• Cửa số 2 và 4 đóng vai trò là việc bình thường. (ra)

• Cửa số 3 và 5 là cửa đóng vai trò ả khí.

S dĩ van được lấy tên 5/2 là có 5 cổng làm việc( vào(1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái.

S dĩ van được lấy tên 5/2 là có 5 cổng làm việc( vào(1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái.

Cấu tạo:

an điện t khí nén 5/2 có cấu tạo gồm 2 phần chính đó là phần coil điện và phần thân van:

- Phần coil điện: nơi tiếp nhận nguồn điện t b n ngoài để cho phép van hoạt động, tùy vào nguồn điện cung cấp mà các bạn có thể chọn loại coid điện như thế nào cho hợp lí đó có thể là nguồn AC hoặc DC24V, 220V.

- Phần thân van: Có cấu tạo bao gồm 5 cửa và 2 vị trí, trên thân có lỗ bắt vít vào bộ truyền động khí nén. Một lỗ đầu vào có chức năng tiếp nhận khí nén của hệ thống và một đầu ra để chuyển hóa khí nén quay vòng.

Nguy n lí hoạt động:

Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực t trường. Lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được m ra để cho khí nén thông cửa. Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí n n cho thiết bị cần hoạt động.

Khi van n m trạng thái bình thường hay còn gọi là trạng thái van đóng thì cửa số 1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2 cửa số 4 thông với cửa số 5 và cửa 3

h Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van n m trong tình trạng được hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu t cửa số 1 và số 4. Ở đây sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4 Trong khi đó thì cửa số 2 thông với cửa số 3. Riêng cửa số 5 sẽ bị chặn lại.

Kết quả chọn van:

Chọn loại van điện t khí n n 5 cổng S 5120-5LZD-C6

Hình 63: an điện t cổng S 2 -5LZD-C6 Technical Figures:

• Series: SY5000

• Type of actuation: 2 position single

• Rated voltage: 24VDC

• Electrical entry: plug connector – with lead wire (length 300mm)

• Light/Surge voltage suppressor:

• Type: one-touch fitting for Cả biến cho y lanh khí n n

Để thuận tiện hơn trong quá trình điều khiển hệ thống y lanh b ng PLC chúng ta sử dụng các cả biến gắn 2 đầu y lanh các vị trí A (trạng thái ban đầu) và B ( y lanh đ được đẩy ra) u cầu của cả biến là khi y lanh di chuyển đến vị trí B hoặc quay lại vị trí A thì phát được tín hiệu có thể sử dụng là tín hiệu input của PLC

ì lí do này chúng ta chọn loại y lanh cả biến t dùng cho y lanh khí n n Loại cả biến -M9B.

Hình 64: Cả biến t -M9B Các thông số kĩ thuật:

- Lối vào điện kiểu In-line (bên trong cảm biến) - Loại dây điện (Wirring type): 2 dây

- Tín hiệu đầu ra (Output type): không có - Tải áp dụng: 24 VDC relay, PLC

- Nguồn cấp điện: không có - Điện năng ti u hao: không có

- Điện năng: 24 C (10 tới 28 VDC) - òng điện: t 2.5 tới 40mA

- Điện năng sụt giảm: 4V hoặc ít hơn - òng điện tiêu hao: 0.8 mA hoặc ít hơn

- Đèn báo hiệu: đèn l d đỏ sẽ sáng lên khi nhận tín hiệu

- Tiêu chuẩn: CE marking (dấu CE), tiêu chuẩn về ôi trường RoHS Nguy n lí hoạt động:

Trong y lanh khí n n thường được lắp đặt s n na châ vĩnh cửu để tạo ra t trường. Khi quả piston này đến gần cảm biến được lắp đặt bên ngoài, t trường sẽ nối thông mạch cảm biến. Tín hiệu này sẽ được gửi về bộ điều khiển PLC và dựa vào chương trình lập trình s n, PLC sẽ xuất tín hiệu để thay đổi trạng thái van t đó điều khiển được trạng thái của các piston. Cảm biến xy lanh 24 V dùng ngay chính nguồn của bộ điều khiển lập trình logic PLC.

Hệ thống y lanh khí n n của áy gấp áo gồ

 13 y lanh loại C M2E20-150 kí hiệu là Ci

 Mỗi y lanh có gắn 2 cả biến t -M9B đầu A của y lanh Ci được gắn cả biến SiA và đầu B của y lanh Ci được gắn cả biến SiB Các tín

hiệu t SiA và SiB được truyền đến input của PLC Ban đầu ặc định tất cả các cả biến đều chưa có tín hiệu (SiA 0 và SiB 0)

 Các đầu van điều khiển của y lanh Ci được kí hiệu tương ứng là i các chân i được kết nối với output của PLC để điều khiển được hệ thống y lanh khí n n thông qua input là tín hiệu của các cả biến Ban đầu ặc định tất cả các van Vi đều trạng thái đóng (Vi = 0).

 Ngoài ra để rành ạch hơn về các bước hoạt động của áy chúng tôi th vào sơ đồ 2 động cơ 4K71-4 phục vụ cho việc điều khiển băng tải 3.2.2 Bộ điều khiển

a) Các giải pháp điều khiển

Mạch điều khiển dùng ơl Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng 1960 và 1970, yêu cầu tự động hóa của hệ thống điều khiển được thực hiện b ng các ơl điện t nối với nhau b ng dây dẫn điện trong bảng điều khiển trong trường hợp bảng điều khiển có kích thước quá lớn đến nỗi không thể gắn tàn bô l n tr n tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế thường xảy ra trục trặc trong hệ thống. Một điểm quan trọng nữa là do thời gian làm việc của các ơl có giới hạn nên khi thay thế cần phải ngưng toàn bộ hệ thống và dây nối cũng phải thay thế cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác à phải lắp ráp lại toàn bộ và trong trường hợp bảo trì cũng như sữa chữa cần đòi hỏi thợ cuyên nghiệp Nói chung h điều khiền dùng ơl có những nhược điểm sau:

 Tốn kém rất nhiều dây dẫn.

 Thay thế phức tạp

 Cần công nhân sữa chữa tay nghề cao

 Công suất tiêu thụ lớn

 Thời gian sữa chữa lâu



Mạch dùng vi điều khiển (Micro Controller)

Ngoài những ưu điểm của 2 phương pháp tr n phương pháp này còn có những ưu điểm sau:

 Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có qui mô nhỏ, rất tiện lợi mà vi xử lý không thực hiện được.

 Nó có thể giao tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý cũng giao tiếp được nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển đổi dữ liệu t song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính.

Điều khiển b ng PLC (Programable Logic Control)

Với phương pháp điều khiển b ng PLC có những ưu điểm sau:

 Giảm 80% số lượng dây nối.

 Công suất tiêu thụ của PLC là rất thấp.

 Độ tin cậy cao.

 Khả năng chống nhiễu tốt.

Có chức năng tự chẩn đoán do đó giúp cho công tác sữa chữa được nhanh chóng và dễ dàng. Chức năng điều khiển nhanh chóng dễ dàng b ng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các yêu cầu xuất nhập. Số lượng ơl và Ti r ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển. Số lượng tiếp điể trong chương trình sử dụng không hạn chế. Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất. Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng thay thế tăng khả năng nối thêm modul m rộng vào/ra và thêm chức năng (các modul chuyên dùng)

Chương trình điều khiển có thể in ra giấy trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sữa chữa hệ thống. Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hơp là có thể lập trình được.

Nhưng nhược điểm của nó là nếu áp dụng để điều khiển trong những khâu nhỏ hay đơn giản thì giá thành cao hơn

Kết luận: Với các phương pháp đ n u trên ta thấy r ng phương pháp thích họp nhất là dùng PLC vì giảm số lượng ơl điều khiển, không quá phức tạp về mạch

điện tử, PLC có tích hợp s n chuẩn truyền S485 để giao tiếp với biến tần, có khả năng chẩn đoán giúp cho công tác sữa chữa có các thư viện đặc biệt chuyên dùng để giao tiếp với biến tần do đó chương trình viết đỡ phức tạp hơn

Tuy giá thành cao hơn so với các giải pháp khác nhưng có tính ổn định hơn ì những lý do trên nên trong phạ vi đề tài này ta lựa chọn giải pháp điều khiển b ng PLC.

b) PLC (Programable Logic Control)

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programable Logic Control, viết tắt là PLC) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình. Thay cho việc thực hiện thuật toán đó b ng mạch số như vậy với chương trình điều khiển PLC tr thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC và được thiết lập theo chu kỳ vòng quét.

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC có tính năng như ột áy tính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (PLC), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với ôi trường xung quanh. Bên cạnh đó PLC còn có th các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và các khối chuyên dụng khác.

Thiết bị điều khiển Logic lập trình PLC là thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng: ph p logic lập chuỗi định giờ đếm, thuật toán để điề khiển máy và các quá trình.

Hình 65: Sơ đồ cấu trúc của PLC PLC gồm ba khối chức năng cơ bản:

 Bộ xử lý trung tâm.

 Bộ nhớ.

 Khối vào ra.

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm. PLC thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua trạng thái ngõ ra và cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệ Sau đó trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị công tắc. Như vậy, sự hoạt động các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động h o chương trình trong bộ nhớ Chương trình được nạp vào PLC qua thiết bị lập trình chuyên dụng.

Bộ xử lý trung tâ điều khiển và quản lý hoạt động bên trong PLC.Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào ra được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU thường là 1 hay 8 MKz, tùy thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock ác định tốc độ hoạt động của PLC và thực sự đồng bộ cho tất các phần tử trong hệ thống.

Bộ nhớ

Bộ nhớ có nhiệm vụ lưu chương trình điều khiển được lập b i người dùng và các dữ liệu khác như cờ, thanh ghi tạm, trạng thái đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra.

Nội dung của bộ nhớ được hóa dưới dạng mã nhị phân.

Tất cả PLC đều thường dùng các loại bộ nhớ sau: bộ nhớ EEPROM, nó kết hợp 2 ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp b ng tín hiệu điện.

Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.

Các loại vùng nhớ:

 Load memory

 Work memory

 Retentive memory

Vùng nhớ Load ory để lưu toàn bộ một dự án do người dùng download xuống CPU (nó sẽ không bị mất đi cho đến khi người dùng download xuống một dự án khác). Khi thực hiện Chương trình thì CPU sẽ sao ch p chương trình lập trình sang vùng nhớ ork ory để thực hiện chương trình à khi chương trình được thực hiện thì những giá trị nào được lựa chọn là Retentive sẽ được nhớ cho dù CPU bị mất nguồn.

Khối vào ra

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC (điện áp cho TTL và CMOS) trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn nhiều thường là 24 C đến 240VDC với dòng lớn.

Khối vào, ra có vai trò mạch giao tiếp giữa vi điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động. Nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly, tuy nhiên khối vào ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất cỡ nhỏ cỡ 2A tr xuống, không cần các mạch công suất trung gian hay ơl trung gian

c) Thiết bị điều khiển PLC S7-1200[5]

Nă 2009 Si ns ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7- 200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp s n,

Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ b ng password chống truy cập vào PLC Tính năng “know-how prot ction” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong m rộng kết nối b ng RS485 hoặc RS232.

- Phần mề dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mề này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens.

- Bộ nhớ:

 Load memory 2Mb

 Work memory 50Kb

 Retentive memory 2Kb - Ngõ vào ra số: 14 In/10 Out - Ngõ vào ra tương tự: 2 in

- Vùng nhớ Truy suất bit (M): 4096Byte - Module tín hiệu m rộng: 8

- Board tín hiệu/truyền thông:1 - Module truyền thông: 3 - 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 - Truyền thông: Ethernet

- Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10 ngày - Thực thi lệnh nhị phân: 0.1 micro giây/lệnh

Hình 66: PLC S7 1200 3.2.3 Động cơ không đồng bộ ba pha

a) Đặc tính cơ củ động cơ hông đồng bộ (KĐB)

Về nguy n lý áy điện không đồng bộ có thể làm việc như áy phát điện hoặc động cơ không đồng bộ. Ở chế độ làm việc động cơ năng lượng điện được

cung cấp t lưới điện và chuyển sang rotor b ng t trường quay òng năng lượng được biểu diễn như sau : Công suất nhận t lưới điện: P1= m1U1I1cosφ

Ở stato năng lượng bị mất một phần do tổn hao điện tr cuộn dây (∆PCu1) và trong lõi th p (∆PFe1). Vậy công suất điện t chuyển t stato sang rotor như sau: Pđt=P1-ΔPcu1- ΔPFe1

Trong đó ∆PCu1 1I1 ∆PF 1 1I2F F Tổn hao thép phụ thuộc vào tần số. Tổn hao lõi thép phía rotor bỏ qua, vì khi làm việc định mức tần số f2 = (1 - 3)Hz. Công suất điện t chuyển sang rotor sẽ ứng với công suất tác dụng sinh ra điện tr R2/s vậy: Công suất cơ được chuyển sang công suất hữu ích ∆P2 và tổn hao cơ các loại (∆PCơ) như: a sát ổ bi, quạt gió, ma sát rotor với

Hình 67: Sơ đồ năng lư ng của áy điện KĐB b) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ hông đồng bộ Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

 Điều chỉnh b ng cách thay đổi điện áp stato

 Điều chỉnh b ng cách thay đổi số đôi cực t .

 Điều chỉnh b ng cuộn kháng bão hòa.

 Điều chỉnh b ng phương pháp nối tầng.

 Điều chỉnh b ng cách thay đổi tần số nguồn f1.

 Điều chỉnh b ng cách thay đổi điện tr phụ trong mạch rotor Rf .

Trong các phuơng pháp tr n thì phương pháp điều chỉnh b ng cách thay đổi tần số cho ph p điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều b ng cách thay đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Phương pháp này cũng sẽ được lựa chọn sử dụng thay đổi tốc độ động cơ băng tải cho hệ thống máy gấp áo phông tự động.

c) Động cơ không đồng bộ 3 pha HEM

Sau khi tham khảo các loại động cơ tr n thị trường với các ti u chí như Hình 40, ta quyết định lựa chọn động cơ không đồng bộ 3 pha HEM (Hình 68) với đặc tính kỹ thuật như Bảng 4.