Lựa chọn và thông số thiết bị

Chương 4 Nội Dung Thực Hiện

4.3.3 Lựa chọn và thông số thiết bị

Trong hệ thống tự động, có thể sử dụng nhiều loại PLC khác nhau để điều khiển các hoạt động. Tuy nhiên, các PLC thường được sử dụng phổ biến trong các hệ thống tự động bao gồm:

 Siemens S7-1200

 Mitsubishi FX3U

 Omron CP1E

 Allen-Bradley MicroLogix 1100

Trong hệ thống này, sinh viên sử dụng PLC S7-1200 vì với những ưu điểm mà nó mang lại như sau:

 Độ tin cậy cao: S7-1200 được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp và đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong các môi trường khắc nghiệt.

 Hiệu suất cao: có tốc độ xử lý nhanh và khả năng xử lý các tác vụ phức tạp, đồng thời còn có khả năng kết nối mạng cho phép truyền thông dữ liệu và giám sát từ xa.

 Dễ dàng sử dụng: S7-1200 có giao diện người dùng thân thiện và phần mềm lập trình dễ sử dụng, giúp người dùng có thể nhanh chóng tìm hiểu và lập trình.

 Khả năng mở rộng: có khả năng mở rộng với các module đầu vào/đầu ra và các module chức năng khác, cho phép người dùng mở rộng hệ thống và thêm các tính năng mới khi cần thiết.

 Tính năng bảo mật: có các tính năng bảo mật để bảo vệ dữ liệu và hệ thống khỏi các mối đe dọa bảo mật.

26

 Giá thành phù hợp: giá thành phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nhỏ và vừa, giúp tiết kiệm chi phí cho người dùng.

Cụ thể sinh viên sử dụng PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AG40- 0XB0) như hình 4.5.

Hình 4.5 PLC 1214C DC/DC/DC Các thông số kỹ thuật chính:

 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số.

 4 chân xung PTO/PWM

 2 ngõ vào tương tự.

 Bộ nhớ trong: 100KB.

 Dòng đầu ra: 0.5A.

 Phạm vi điện áp cho phép: 20.4 – 28.8V DC.

 Bộ điều khiển CPU được mở rộng linh hoạt với: 1 bo mạch tín hiệu SB, 1 bo mạch truyền thông C, 8 module tín hiệu SM, 3 module truyền thông CM.

 Tích hợp cổng truyền thông ethernet để kết hợp với màn hình HMI, máy tính hay truyền thông PLC.

27 Vì thiếu chân phát xung PWM để điều khiển PID cho băng tải và 3 ngõ ra cho 3 đèn báo nên lựa chọn truyền thông với PLC 1211C DC/DC/DC là lựa chọn phù hợp. Nhưng vì hạn chế về kinh phí nên sinh viên lựa chọn truyền thông với Arduino mega 2560 (như hình 4.6) thay cho PLC 1211C DC/DC/DC để hỗ trợ cho đề tài này.

Hình 4.6 Arduino Mega 2560 Các thông số kỹ thuật chính:

 Vi điều khiển chính: ATmega2560

 IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC

 Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

 Số chân Analog Input: 16

 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA

 Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50mA

 Kích thước: 101.52 x 53.3 mm

4.3.3.2 Thiết bị hỗ trợ truyền thông PLC với Arduino

Trên thị trường hiện nay, để kết nối PLC với Arduino thì có ít nhất hai cách:

Modbus RTU và Modbus TCP/IP. Hai cách này có các điểm khác nhau như sau:

 Modbus RTU:

 Sử dụng giao tiếp nối tiếp

 Chỉ hỗ trợ một thiết bị tại một thời điểm

 Yêu cầu kết nối vật lý giữa các thiết bị

 Có khoảng cách truyền tối đa là 1200m (tùy thuộc vào tốc độ truyền)

28

 Có tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 115200 bit mỗi giây

 Sử dụng CRC (Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ) kiểm tra lỗi

 Modbus TCP / IP:

 Sử dụng giao tiếp Ethernet

 Hỗ trợ nhiều thiết bị cùng một lúc

 Không yêu cầu kết nối vật lý giữa các thiết bị

 Có khoảng cách truyền không giới hạn

 Có tốc độ truyền dữ liệu tối đa từ 100 Mbit / s trở lên

 Sử dụng kiểm tra lỗi TCP/IP

Trong đề tài này, Chi phí là tiêu chí rất quan trọng, do đó điểm khác nhau quan trọng nhất là yêu cầu kết nối vật lý giữa các thiết bị. Nếu như ta sử dụng phương thức Modbus RTU thì ta phải mua thêm module truyền thông để gắn vào PLC, còn nếu ta sử dụng phương thức Modbus TCP/IP thì ta có thể tiết kiệm chi phí rất đáng kể vì ta chỉ cần sử dụng module Arduino Ethernet Shield (như hình 4.7) với chi phí rẻ hơn khoảng 7 lần so với sử dụng module truyền thông của PLC.

Hình 4.7 Module Arduino Ethernet Shield Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 5V

 Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16KB

 Tốc độ kết nối: 10/100Mb

 Kết nối: với mạch Arduino qua cổng SPI

29 4.3.3.3 HMI

Để người vận hành có thể giám sát và vận hành hệ thống một cách dễ dàng thì việc trang bị màn hình HMI là vô cùng cần thiết.

Với PLC của hãng Siemens đã chọn, các dòng màn hình HMI của Siemens gồm có:

 SIMATIC Basic Pannel.

 SIMATIC Comfort Pannel.

 SIMATIC Mobile Pannel.

Trong ba dòng này, màn hình SIMATIC Comfort Pannel có rất nhiều ưu điểm vượt trội để chọn:

 Màn hình được thiết kế tối ưu và toàn diện.

 Kiểu dáng nhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt.

 Màn hình Siemens Simatic HMI Comfort Panels được tích hợp nhiều chức năng khác nhau.

 Có thể thay đổi 32 ngôn ngữ trực tuyến, 32 ngôn ngữ cấu hình bao gồm bộ ký tự châu Á và Cyrillic.

 Màn hình LCD hiển thị rõ ràng, chi tiết, trực quan, độ phân giải tốt.

 Tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp.

Hình 4.8 là hình ảnh màn hình HMI TP1200 Comfort Panels.

Hình 4.8 Màn hình HMI TP1200 Comfort Panels

30 Các thông số kỹ thuật chính:

 Mã sản phẩm: 6AV2124-0MC01-0AX0.

 Dòng sản phẩm: SIMATIC HMI TP1200 Comfort.

 Màn hình: Màn hình cảm ứng inch.

 Độ phân giải: 1280 x 800 pixel.

 Nguồn cung cấp: 24 V DC (19.2-28.8 V DC).

 Kích thước: 330 x 241 x 65 mm.

 Trọng lượng : 2800 g.

4.3.3.4 Động cơ cho cánh tay Robot Tổng khối lượng vật trên khâu 1: 2.2kg Lực tác dụng của tải:

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 = 2.2 ∗ 9.8 = 21.56 (𝑁) Đường kính đai ốc di chuyển:

𝑑𝑚 = 𝑑 −𝑃

2 = 0.008 −0.002

2 = 0.007 (𝑚) Khoảng cách thẳng đai ốc di chuyển trong một vòng:

𝑙 = 𝑝 = 0.002 (𝑚) Moment nâng tải:

𝑇𝑅 = 𝐹 ∗ 𝑑𝑚(𝑙 + 𝐹 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑𝑚)

2 ∗ (𝜋 ∗ 𝑑𝑚 − 𝐹 ∗ 𝑙) =21.56 ∗ 0.007(0.002 + 21.56 ∗ 𝜋 ∗ 0.007) 2 ∗ (𝜋 ∗ 0.007 − 21.56 ∗ 0.002) = 0.156 (𝑁. 𝑚)

Moment hạ tải:

𝑇𝐿 = 𝐹 ∗ 𝑑𝑚(𝐹 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑𝑚 − 𝑙)

2 ∗ (𝜋 ∗ 𝑑𝑚 + 𝐹 ∗ 𝑙) = 21.56 ∗ 0.007(21.56 ∗ 𝜋 ∗ 0.007 − 0.002) 2 ∗ (𝜋 ∗ 0.007 + 21.56 ∗ 0.002) = 0.135 (𝑁. 𝑚)

Với:

 TR: Moment nâng tải (N.m)

 TL: Moment hạ tải (N.m)

 F: Lực tác dụng của tải (N)

31

 a: gia tốc trọng trường (= 9.8m/s2)

 dm: đường kính đai ốc di chuyển (m)

 d: đường kính trục vitme

 p: bước răng

 l: khoảng cách thẳng đai ốc di chuyển trong một vòng (m)

Dựa theo thiết kế cơ cấu cánh tay robot, động cơ khớp tịnh tiến bằng trục vitme khâu 1 là thiết bị chịu tải lớn nhất trong cả ba với trọng lượng của hai động cơ bước khâu 2, khâu 3, cơ cấu nâng hạ, cơ cấu khâu 2 và 3. Sinh viên tính toán được moment nâng tải là 0.156 N.m và moment hạ tải là 0.135 N.m. Vì vậy, sinh viên lựa chọn step mã NEMA17 với moment xoắn cực đại là 0.45 N.m, Ở các động cơ khác thì khối lượng các khâu sẽ nhỏ hơn nên có thể đảm bảo toàn bộ động cơ sinh viên chọn là đủ khả năng để toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định.

Động cơ cho khớp 1 như hình 4.9.

Hình 4.9 Động cơ cho khớp 1 Các thông số kỹ thuật:

 Chiều dài: 40 mm

 Dòng chịu tải: 1.6A

 Moment xoắn: 0.45 N.m

 Góc bước: 1.8 độ/bước

Động cơ cho khớp 2 như hình 4.10.

32 Hình 4.10 Động cơ cho khớp 2

Các thông số kỹ thuật:

 Chiều dài: 40 mm

 Dòng chịu tải: 1.7A

 Moment xoắn: 0.55 N.m

 Góc bước: 1.8 độ/bước

Động cơ cho khớp 3 như hình 4.11.

Hình 4.11 Động cơ cho khớp 3 Các thông số kỹ thuật:

 Chiều dài: 40 mm

 Dòng chịu tải: 1.6A

 Moment xoắn: 0.45 N.m

33

 Góc bước: 1.8 độ/bước

Động cơ cho khớp 4 như hình 4.12.

Hình 4.12 Động cơ cho khớp 4 Các thông số kỹ thuật:

 Chiều dài: 40 mm

 Dòng chịu tải: 1.3A

 Moment xoắn: 0.25 N.m

 Góc bước: 1.8 độ/bước 4.3.3.5 Động cơ cho băng tải

Với:

 Khối lượng hàng tối đa trên băng tải: 0.8kg

 Khối lượng trục và dây belt: 0.5kg

 Tổng khối lượng: W = 1.3kg

 Chiều dài: 80cm

 Bán kính trục: r = 1.5cm

 Hiệu suất: 𝜇 = 0.75

 Tốc độ băng tải tối đa mong muốn: V = 8000 mm/min Moment đầu trục băng tải:

𝑇2 = 𝑊 ∗ 𝑟 = 1.3 ∗ 1.5 = 1.95 (𝑘𝑔. 𝑐𝑚) = 0.191 (𝑁. 𝑚) Moment đầu trục động cơ:

34 𝑇1 = 𝑇2

0.5 ∗ 𝜇 = 0.191

0.5 ∗ 0.75 = 0.509 (𝑁. 𝑚) Tốc độ động cơ:

𝑁 = 𝑉

2 ∗ 𝑟 ∗ 𝜋 = 8000

2 ∗ 15 ∗ 𝜋 = 84.88 (𝑟𝑝𝑚)

Do phần cơ khí băng tải chưa được tốt nên sinh viên quyết định sử dụng thuật toán PID cho động cơ băng tải để băng tải hoạt động được ổn định hơn. cùng với các thông số đã tính như trên thì động cơ giảm tốc Encoder 111 rpm JGB37-520 (như hình 4.13) là lựa chọn thích hợp.

Hình 4.13 Động cơ giảm tốc Encoder 111 rpm JGB37-520 Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động : 12V

 Tỉ số xung encode : 11 xung

 Tỉ số truyền : 90:1

 Tỉ số xung mỗi kênh trên 1 vòng quay : 11x90 = 990 xung

 Tốc độ không tải : 111 rpm

 Tốc độ có tải : 85 rpm

 Lực kéo định mức : 10kg

 Lực kéo tối đa : 15kg 4.3.3.6 Giác hút chân không

Với chiều dài sản phẩm lớn nhất là 9cm nên sinh viên lựa chọn giác hút có đường kính là 2.5cm với lực hút được tính bên dưới.

Lực nâng tối đa hệ thống cần để nâng bánh nặng nhất theo phương thẳng đứng:

35 𝐹𝑡ℎ = 𝑚(𝑔 + 𝑎)𝑆 = 0.1 ∗ (9.8 + 0.03) = 0.983 (𝑁)

Trong đó:

 Fth : Lực nâng lý thuyết cần có để nâng vật (N)

 m: Khối lượng vật cần nâng (kg)

 g: Gia tốc trọng trường (m/s2)

 a: Gia tốc nâng vật (m/s2)

 S: Hệ số an toàn

 R: đường kính giác hút (m)

Áp suất đầu vào là 3 bar (bao gồm áp suất khí quyển) Áp suất sau khi trừ áp suất khí quyển: p = 3 – 1 = 2 (bar)

𝑃 = 2(𝑏𝑎𝑟) = 0.2(𝑀𝑝𝑎) = 0.2 ∗ 106 𝑃𝑎 = 0.2 ∗ 106 𝑁/𝑚2 Tiết diện giác hút:

𝑆 = 𝜋 ∗ 𝑅2 = 𝜋 ∗0.0252

22 = 4.9 ∗ 10−4(𝑚2) Lực nâng thực tế:

𝐹 = 𝑝𝑆 = 0.2 ∗ 106 ∗ 4.9 ∗ 10−4 = 98 (𝑁)

Dựa vào kết quả cho thấy chọn giác hút đường kính 2.5cm (như hình 4.14) là phù hợp.

Hình 4.14 Giác hút chân không 4.3.3.7 Bơm hút chân không và van xả

Vì đầu ra của PLC là tín hiệu dạng 24V DC, nên sinh viên chọn bơm hút chân không 24V DC như hình 4.15.

36 Hình 4.15 Bơm hút chân không

Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp định mức: 24V DC

 Dòng định mức: 900 mA

 Hút tối đa: -50Kpa

 Lưu lượng: 13-15 L/phút

 Tiếng ồn: < 60 dB

Để nhả vật một cách dứt khoát thì không thể thiếu van xả, với điện áp của van xả cũng là 24V DC như hình 4.16.

Hình 4.16 Van xả điện từ Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp định mức: 24V DC

 Dòng định mức: 80 mA

37

 Tốc độ không khí: < 3s (thời gian cần thiết để áp suất không khí thoát ra từ 300mmHg đến 15mmHg trong bình 500cc)

 Phạm vi áp suất: 0-350 mmhg 4.3.3.8 Driver điều khiển động cơ bước

Vì điều khiển các động cơ bước của cánh tay Robot nên cần độ chính xác cao nên cần driver có chế độ vi bước và dòng điện định mức của các động cơ không vượt quá 4A nên driver TB6600 là lựa chọn phù hợp. Hình 4.17 là hình ảnh Driver TB6600.

Hình 4.17 Driver TB6600 Các thông số kỹ thuật:

 Nguồn đầu vào là 9V - 42V.

 Dòng cấp tối đa là 4A.

 Chế độ vi bước: 1

1, 1

2, 1

4, 1

8, 1

16

 Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.

 Có tích hợp đo quá dòng quá áp.

 Cân nặng : 200G.

 Kích thước : 96 * 71 * 37mm.

4.3.3.9 Driver điều khiển động cơ băng tải

Động cơ băng tải có dòng hoạt động nhỏ hơn 2A và điện áp hoạt động là 12V nên L298N (như hình 4.18) là thiết bị phù hợp.

38 Hình 4.18 Mạch cầu L298N

Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 12V

 Số lượng kênh điều khiển: 02 kênh

 Dòng điều khiển tối đa mỗi kênh: 2A

 Công suất tối đa mỗi kênh: 25W 4.3.3.10 Đèn báo

Nhằm giúp vận hành một cách dễ dàng thì đèn báo là thiết bị không thể thiếu mặc dù đã có HMI, hình ảnh đèn báo như hình 4.19.

Hình 4.19 Đèn báo Các thông số kỹ thuật:

 Đường kính: 22mm

 Thương hiệu : APT

 Dòng tiêu thụ : <=20mA

 Màu sắc: đỏ, vàng , xanh

 Kích thước : 50mm

39 4.3.3.11 Nút nhấn

Nhằm giúp vận hành một cách dễ dàng thì nút nhấn là thiết bị không thể thiếu mặc dù đã có HMI, đặc biệt là nút dừng khẩn cấp. Với dòng chịu đựng lên tới 10A, như hình 4.20.

Hình 4.20 Các nút nhấn 4.3.3.12 Relay trung gian

Arduino điều khiển trạng thái hoạt động của đèn báo, mà đèn báo có điện áp hoạt động là 24V DC nên ta chọn relay trung gian 5V DC để Arduino có thể điều khiển trạng thái hoạt động của các đèn này. Hình 4.21 là hình ảnh của relay trung gian 5V.

Hình 4.21 Relay trung gian 5V Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp nuôi mạch: 5VDC.

 Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay

 Tín hiệu kích: High (5VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper.

40

 Nguồn nuôi: 5VDC.

 Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A

 Kích thước: 72 (L) * 55 (W) * 19 (H) mm.

4.3.3.13 Cảm biến và công tắc hành trình

Để dừng vật trên băng tải tại khoảng vị trí đặt trước thì việc sử dụng cảm biến để phát hiện vật là vô cùng cần thiết. Vì đầu vào digital của PLC là tín hiệu 24V DC nên cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 (như hình 4.22) có thể đáp ứng được yêu cầu.

Hình 4.22 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 Các thông số kỹ thuật:

 Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC.

 Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.

 Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.

 Dòng kích ngõ ra: 300mA.

 Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.

 Chất liệu sản phẩm: nhựa.

 Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.

 Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L).

Cánh tay Robot không thể thiếu những thiết bị để giúp cho quá trình đưa về vị trí ban đầu của Robot (Set home). Việc lựa chọn thiết bị Set home cho mỗi khớp quay còn phụ thuộc vào phần cơ khí của cánh tay. Với mô hình cơ khí hiện có thì sinh viên lựa chọn cảm biến có dạng hình chữ U (như hình 4.23) cho các khớp 2 và 3, công tắc hành trình (như hình 4.24) cho khớp tịnh tiến và 4.

41 Hình 4.23 Cảm biến hình chữ U

Các thông số kỹ thuật:

 Độ rộng rãnh: 5mm

 Led hiển thị trạng thái đọc

 Mức cao khi bị chắn, thấp khi không bị chắn

 Dòng đầu ra: 15mA

 Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

 Kích thước: 3.2cm x 1.4cm

Hình 4.24 Công tắc hành trình 4.3.3.14 Camera

Xử lý ảnh thì không thể thiếu camera, trong đề tài này thì không cần camera có độ phân giải và tốc độ khung hình quá cao. Vì vậy, camera được chọn như hình 4.25.

42 Hình 4.25 Camera

Các thông số kỹ thuật:

 Độ phân giải: 640x480

 Tốc độ khung hình: 30 fps

 Kết nối: USB 2.0

 Hỗ trợ hệ điều hành: Windows 10, Windows 8.1, Windows 8, Windows 7 4.3.3.15 Bộ chia mạng

Có ba thiết bị truyền thông Modbus TCP/IP là PLC, Arduino, Laptop, do đó phải có bộ chia mạng để kết nối với nhau một cách dễ dàng. Trong đề tài này sinh viên chọn Bộ chia mạng Switch Gigabit 5 cổng Tenda SG105 như hình 4.26.

Hình 4.26 Bộ chia mạng Switch Gigabit 5 cổng Tenda SG105 Các thông số kỹ thuật:

 Số cổng: 5 x LAN

43

 Kích thước: 9.3 x 6.6 x 2.3 cm

 Khối lượng: 200 g 4.3.3.16 Nguồn

Dòng tiêu thụ của các thiết bị 24VDC như sau:

 4 động cơ bước: 4.5A

 Bơm hút: 0.9A

 Van xả + đèn báo: 0.14A

 Cảm biến: 0.3A

 Tổng: 5.84A. Do đó nguồn tổ ong 24VDC – 10A (như hình 4.27) là lựa chọn phù hợp.

Hình 4.27 Nguồn tổ ong 24VDC - 10A Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp vào: AC110-240V

 Điện áp ra: DC24V

 Dòng Out Max: 10A

 Kích thước : 200mm*110mm*50mm Dòng tiêu thụ của các thiết bị 5VDC như sau:

 6 module relay 5VDC: 1.2A

 Cảm biến: 0.3A

 Tổng: 1.5A, Do đó sinh viên chọn nguồn tổ ong 5VDC – 5A như hình 4.28.

44 Hình 4.28 Nguồn tổ ong 5VDC - 5A

Các thông số kỹ thuật:

 Điện Áp Vào: AC110-220V

 Điện Áp Ra: 5V DC

 Dòng out Max: 5A

 Kích thước: 86x58x33mm

Với dòng tiêu thụ của động cơ băng tải là 1.5 – 2A nên sinh viên chọn nguồn 12VDC – 5A như hình 4.29.

Hình 4.29 Nguồn tổ ong 12VDC - 5A Các thông số kỹ thuật:

 Điện áp ngõ vào: 185V-260VAC

 Điện áp ngõ ra: DC12V

45

 Dòng ngõ ra: 5A

 Nhiệt độ làm việc: 0 - 60 độ

Để Arduino hoạt động ổn định thì đùng thêm nguồn 9V – 2A (như hình 4.30) là phù hợp.

Hình 4.30 Nguồn 9V - 2A Các thông số kỹ thuật:

 Nguồn điện đầu vào: 100 - 240VAC

 Nguồn điện đầu ra: 9VDC

 Dòng ra max: 2A

 Kích thước chân cắm: 5.5*2.5mm

 Trọng lượng: 100g