CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.2. Thiết kế phần cứng
a. Thiết kế khối khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm bao gồm PLC và máy tính giao tiếp với nhau qua cổng Enthernet.
Với đề tài này thì nhóm sử dụng 2 cảm biến quang để xác định tọa độ của từng vị trí để xe, 5 công tắc hành trình để giới hạn chuyển động ra vào, lên xuống, quay của cơ cấu nâng hạ, 6 rơ le tương ứng với 3 động cơ DC để xử lý đảo chiều quay của động cơ. Như vậy, có tổng tất cả 7 ngõ vào và 6 ngõ ra. Nhóm chọn PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm thiết bị cho khối xử lý trung tâm.
Hình 3.2. Kết nối PLC với máy tính.
Hình 3.3. PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 Bảng 3.1. Thông số cơ bản của PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Tên SIMATIC S7-1200, CPU 1214C
DC/DC/DC Kích thước
- Chiều rô ̣ng - Chiều cao - Chiều sâu
- 110 mm - 100 mm - 75 mm
Khối lượng 415 g
Nguồn cung cấp
Giới hạn dưới cho phếp Giới hạn trên cho phếp
24 VDC 20.4V DC 28.8V DC Số lượng ngõ vào ra
- DI - D0 - AI
- 14 (24V DC) - 10 (24V DC) - 2 (0-10V DC)
Bộ nhớ 100KB
Dòng điện
- Dòng điện tiêu thụ - Dòng điện tiêu thụ tối đa
- Dòng điện khởi động
- 500 mA cho duy nhất CPU.
- 1500 mA cho CPU và tất cả các mô đun mở rộng.
- 12 A tại 28.8 VDC.
Công suất tổn thất 12W
Thời gian xử lý của CPU - Cho toán hạng bit - Cho toán hạng Word
- Cho phép toán với dấu phảy động
- 0.085 às/lờ ̣nh - 1.7 às/lờ ̣nh - 2.3 às/lờ ̣nh
Tổng số lượng block DBs, FCs, FBs, bộ đếm và bộ định thời. tầm địa chỉ của các blocks từ 1 đến 65535. Chúng không bị giới hạn, toàn bộ bộ nhớ thực thi có thể được sử dụng
Kiểu truyền thông PROFINET
Ngôn ngữ la ̣p trình - LAD - FBD - SCL
b. Thiết kế khối đọc thẻ RFID
Sử dụng Arduino Uno R3 và mạch đọc thẻ RFID RC522 để đọc mã thẻ từ các thẻ Tag, kết nối với máy tính qua cổng USB.
❖ Arduino Uno R3
▪ Giới thiệu chung
Hình 3.4. Arduino Uno R3 chip cắm Hình 3.5. Arduino Uno R3 chip dán
Arduino Uno R3 là một mạch vi xử lý phát triển sử dụng vi điều khiển Atmega328P nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Arduino sử dụng mã nguồn mở, có thể giao tiếp với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các mạch điện tử, mạch công suất, động cơ... Arduino Uno R3 nói riêng và các loại Arduino khác nói chung đều có thể chạy độc lập hoặc có thể
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
▪ Thông số kỹ thuật
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3.
Vi điều khiển Atmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (Atmega328)
EEPROM 1 KB (Atmega328)
▪ Cấu tạo và chức năng các chân điều khiển – Các chân nguồn trên Arduino Uno R3
+ Vin: Có thể cấp nguồn cho UNO thông qua chân này. Cách cấp nguồn này ít được sử dụng.
+ 5V: Chân này có thể cấp nguồn 5VDC từ mạch Arduino Uno R3 ra môi trường ngoài.
+ 3.3V: Chân này cho nguồn 3.3VDC và dòng điện tối đa là 50mA.
+ GND: Chân nối đất.
– Các chân I/O trên Arduino Uno R3
+ Chân giao tiếp nối tiếp: 0 – RX , 1 – TX , truyền nhận dữ liệu nối tiếp theo chuẩn UART.
+ Chân cho phép ngắt ngoài: 2 và 3.
+ Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, và 11 xuất xung PWM với độ phân giải 8 – bit.
+ Chân giao tiếp SPI: 10 – SS, 11 – MOSI, 12 – MISO, 13 – SCK.
+ Chân giao tiếp I2C: A4 – SDA và A5 – SCL.
+ Chân reset: cho phép thiết lập lại vi điều khiển.
+ Chân Analog: Có 6 chân analog (A0 – A5) được dùng để đọc giá trị điện áp đưa vào với dải điện áp từ 0 – 5VDC và có độ phân giải 10 – bit.
Hình 3.6. Bố trí linh kiện trên Arduino Uno R3
❖ Mạch đọc thẻ RFID RC522
▪ Giới thiệu
Mạch đọc thẻ RFID RC522 dùng để đọc các loại thẻ RFID, móc khóa RFID tần số 13,56 Mhz. Giao tiếp dễ dàng với các Board Auduino và các vi điều khiển. Mạch đọc thẻ RFID RC522 được ứng dụng rộng rãi trong các mô hình như bảo mật xe máy, đóng mở cửa bằng thẻ RFID, các hệ thống quản lý, chấm công dựa trên mã thẻ RFID,…
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 Hình 3.7. Mạch đọc thẻ RFID RC522
▪ Thông số kỹ thuật
– Điện áp hoạt động: 3.3VDC.
– Dòng: 13 - 26mA, dòng ở chế độ chờ: 10 - 13mA, dòng ở chế độ nghỉ: < 80uA.
– Tần số sóng mang: 13.56MHz.
– Khoảng cách hoạt động: 0 - 60mm.
– Giao tiếp: SPI.
– Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s.
– Kích thước: 40mm × 60mm.
– Nhiệt độ hoạt động: - 20⁰C ~ 80⁰C.
– Độ ẩm hoạt động: 5% ~ 95%.
– Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire.
▪ Cấu tạo và chức năng các chân
– 1: SDA(CS) - Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI( Kích hoạt ở mức thấp).
– 2: SCK - Chân xung trong chế độ SPI.
– 3: MOSI (SDI) - Master Data Out - Slave In trong chế độ giao tiếp SPI.
– 4: MISO (SDO) - Master Data In - Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI.
– 5:IRQ - Chân ngắt.
– 6:GND - Chân mass.
– 7:RST - Chân reset.
– 8: 3.3V.
Hình 3.8. Sơ đồ chân Mạch đọc thẻ RFID RC522
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 và Mạch đọc thẻ RFID RC522
c. Thiết kế khối thu nhận hình ảnh
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 Sử dụng Webcam Colorvis ND60 để chụp ảnh, kết nối với máy tính qua cổng USB.
▪ Thông số kỹ thuật
– Hỗ trợ tất cả các hệ điều hành Windows, Mac OS, Linux,...
– Cảm biến 500.000.000 pixels CMOS.
– Hỗ trợ 2 chuẩn ảnh phổ biến:
RGB24, YUY2.
– Độ phân giải 1.3M – Kết nối qua cổng USB.
Hình 3.10. Webcam Colorvis ND60 d. Thiết kế khối công tắc hành trình và khối cảm biến
❖ Khối công tắc hành trình
Với đề tài này thì nhóm quyết định chọn công tắc hành trình Omron V- 5F932DN.
Hình 3.11. Công tắc hành trình Omrom V- 5F932DN
▪ Thông số kỹ thuật:
– Điện áp hoạt động: 12 – 30 VDC.
– Dòng điện: 3A.
– Loại tác động: Chốt đòn bẩy.
– Tiếp điểm: 1NO, 1NC (SPDT).
– Tần suất hoạt động:
– + Cơ: 600 lần/phút.
– + Điện: 60 lần/phút.
– Tuổi thọ
– + Cơ: 50.000.000 lần tác động (60 lần / phút).
– + Điện: 100.000; 300.000 lần tác động (30 lần / phút).
– Cấp bảo vệ: IEC IP40.
❖ Khối cảm biến: sử dụng cảm biến quang Panasonic Panadac 914
Hình 3.12. Cảm biến quang Panasonic Panadac 914
▪ Thông số kỹ thuật
– Loại cảm biến: ngõ ra NPN collector hở.
– Loại phát hiện: loại thu phát – Điện áp hoạt động: 5 - 24VDC.
– Tần số đáp ứng tốc độ cao : 2kHz.
– Dòng điện tiêu thụ tối đa: 30mA.
– Khoảng cách hoạt động: 3.5mm.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 – Nhiệt độ hoạt động: - 25°C ~ 55°C.
– Nguồn sáng: LED hồng ngoại (940nm).
– Chỉ thị hoạt động bằng LED đỏ.
– Cấu trúc chống thấm nước IP66.
Hình 3.13. Sơ đồ kết nối cảm biến, công tắc hành trình với PLC.
e. Thiết kế khối động cơ và rơ le
Mô hình này nhóm dùng 3 động cơ và 6 rơ le. Tương ứng mỗi động cơ sẽ có 2 ngõ ra của PLC để điều khiển 2 rơ le kích dẫn cho động cơ hoạt động.
❖ Rơ le trung gian
Với đề tài này nhóm quyết định chọn rơ le trung gian Omron 8 chân MY2N 24VDC.
▪ Thông số kỹ thuật
– Loại rơ le 8 chân nhỏ, có đèn.
– Điện áp cuộn định mức:24VDC.
– Dòng điện đinh mức: 5A.
– Số cặp tiếp điểm: DPDT(2).
– Kích thước: 36x28x21,5 mm.
– Công suất tiêu thụ: 900mW
Hình 3.14. Rơ le trung gian Omron
MY2N
Hình 3.15. Sơ đồ kết nối ngõ ra PLC với 2 rơ-le 13_1 và 13_2.
Chú thích: 13_1,13_2 là chân kết nối với cuộn dây kích dẫn của rơ le
❖ Động cơ: sử dụng động cơ giảm tốc có hộp số Tsukasa TG-85E-CH-77-D919.
Hình 3.16. Động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919
▪ Thông số kỹ thuật
– Điện áp định mức: 24VDC.
– Điện áp làm việc: 12V - 24VDC.
– Dòng điện khi không tải: 100mA.
– Dòng điện khi có tải là: 500mA.
– Tốc độ khi không tải: 134 Vòng/phút.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 – Tỉ lệ giảm tốc: 1/40.
– Momen định mức: 7,5 kgf.cm.
– Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm.
– Công suất tiêu thụ: 12W.
Hình 3.17. Cấu tạo động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919
Chú thích: 13_1,13_2 là tín hiệu kết nối với ngõ ra PLC
Hình 3.18. Sơ đồ mạch điều khiển và đảo chiều động cơ DC.
f. Thiết kế khối nguồn
– Camera và bộ đọc thẻ RFID (gồm Arduino Uno R3 và mạch đọc thẻ RFID RC522) sử dụng nguồn trực tiếp từ máy tính qua cổng USB.
– PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 1500mA
– Cảm biến quang Panadac 914A sử dụng điện áp từ 5VDC đến 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 35mA.
– Công tắc hành trình Omron V-5F932DN sử dụng điện áp từ 12VDC đến 24VDC, dòng tiêu thụ 3A.
– Động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919 sử dụng điện áp 12VDC đến 24VDC, dòng điện tiêu thụ tối đa 500mA.
Với những thông số kỹ thuật, điện áp sử dụng và dòng điện tiêu thụ đã phân tích trên, nhóm quyết định chọn nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống là nguồn tổ ong 24VDC – 3A.
Hình 3.19. Nguồn tổ ong 24VDC – 3A.
▪ Thông số kỹ thuật
– Đầu vào: AC110V / 220V.
– Đầu ra: DC 24V 3A.
– Công suất đầu ra: 72W.
– Tần số: 50 / 60Hz.
– Nhiệt độ làm việc: - 40°C ~ 65°C.
– Nhiệt độ lưu trữ: 20°C ~ 60°C
– Chất liệu: kim loại, linh kiện điện tử.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44
▪ Các kí hiệu đầu kết nối – L-N : Đầu vào AC.
– V+ : Đầu ra DC dương.
– V- : Đầu ra DC âm.
– GND : Đầu dây nối đất.
– V / ADJ: Điều chỉnh điện áp đầu ra (15%).