Mô tả công nghệ khoan
Máy khoan là thiết bị quan trọng trong các ngành công nghiệp và đời sống, được sử dụng để khoan bo mạch điện tử, gia công kim loại và chế biến gỗ Chúng phục vụ cho việc khoan lỗ tròn hoặc khoét các lỗ dài trong quá trình sản xuất Với sự phát triển công nghệ, máy khoan tự động như máy CNC đã ra đời, mang lại độ chính xác cao và khả năng khoan tương tự như máy khoan truyền thống Ngoài ra, việc tự động hóa quy trình sản xuất cũng giúp nâng cao năng suất và giảm bớt sức lao động của con người.
Máy khoan hoạt động trong môi trường khắc nghiệt với độ ẩm, bụi bẩn, rung động lớn và tiếng ồn, do đó, các bộ phận điện và chi tiết máy cần phải có độ bền cơ học cao và khả năng chịu đựng điều kiện môi trường Động cơ truyền động cũng phải đảm bảo khả năng chịu quá tải Với việc tự động hóa máy khoan, tần suất làm việc lớn yêu cầu yếu tố độ tin cậy phải được nâng cao.
Máy khoan không chỉ được sử dụng trong các nhà máy và công xưởng, mà còn có nhiều loại khoan lớn phục vụ cho các mục đích khác nhau như thăm dò địa chất, khai thác dầu khí, khoan thăm dò, khoan nhồi cọc bê tông trong xây dựng và khoan trong các hầm mỏ.
Khoan bằng phương pháp thủ công
Sử dụng thiết bị khoan bằng tay cho phép tạo ra các lỗ tròn trên chi tiết gia công một cách hiệu quả Ưu điểm của phương pháp này bao gồm thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp và khả năng sử dụng dễ dàng mà không cần đào tạo chuyên sâu.
Nhược điểm: năng suất thấp, tốn nhiều nhân công và khả năng công nghiệp không có, chỉ sử dụng trong mục đích dân dụng quy mô nhỏ
Khoan cỡ nhỏ a) Máy khoan sử dụng điện
Con người đã phát triển các thiết bị khoan điện nhỏ gọn với năng suất cao hơn so với khoan thủ công Loại khoan này có tính linh động cao, cho phép thi công ở những vị trí hẹp và dễ dàng di chuyển Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không thể gia công lỗ khoan lớn, năng suất không cao và khó có thể áp dụng công nghiệp hóa.
Hình 1.2 Máy khoan sử dụng điện
4 b) Máy khoan sử dụng pin
Khoan pin là loại khoan sử dụng điện áp một chiều từ cục PIN 12V, có thiết kế nhỏ gọn và tiện lợi Mặc dù công suất yếu hơn so với khoan điện, khoan pin hỗ trợ các đầu mũi vặn vít và mũi khoan, đồng thời có chế độ động lực để khoan bề mặt gỗ hoặc sắt mỏng Với chức năng đảo chiều và nút tăng giảm tốc độ, người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh các mối khoan Loại khoan này thường được thợ mộc và các hộ gia đình ưa chuộng.
Hình 1.3 Khoan tay sử dụng Pin
Khoan cỡ trung (Máy khoan bàn)
Máy khoan được ưa chuộng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ nhờ kích thước vừa phải, dễ dàng bố trí và sử dụng Mặc dù năng suất thấp, máy vẫn đảm bảo độ chính xác cao với nhiều kích thước mũi khoan đa dạng, phục vụ hiệu quả cho ngành công nghiệp.
Sự phát triển của công nghệ thông tin đã cho phép con người sử dụng máy tính để thực hiện các phép tính và công việc lập trình một cách nhanh chóng và chính xác.
Sự phát triển công nghiệp đòi hỏi việc kết hợp máy tính với máy khoan, dẫn đến sự ra đời của máy khoan CNC.
Máy khoan CNC mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt trong môi trường công nghiệp Đây là một khâu thiết yếu trong các xưởng gia công và nhà máy chế tạo, giúp tự động hóa quy trình sản xuất Nhờ vào tính tự động hóa cao, máy khoan CNC giảm thiểu số lượng nhân công cần thiết, giảm bớt sức lao động cho công nhân Hơn nữa, thiết bị này còn nâng cao năng suất và đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công.
- Nhược điểm: chế tạo khó khăn, giá thành cao, người công nhân vận hành máy cần phải được đào tạo
Một số mô hình hệ thống máy khoan tự động thực tế
Hình 1.6 Mô hình hệ thống máy khoan thực tế
Mô hình công nghệ khoan tự động
Hình 1.7 Mô hình công nghệ
Hình 1.8 Mô hình thí nghiệm thực tế Ở hình 1.8 là mô hình về máy khoan tự động với các bộ phận chính là:
- Xylanh A thực hiện truyền động đẩy vật cần khoan vào vị trí và kẹp vật cố định vào một vị trí
Xylanh B có nhiệm vụ hạ động cơ khoan xuống vị trí làm việc, sau đó động cơ sẽ hoạt động để khoan vật liệu Khi quá trình khoan hoàn tất, Xylanh B sẽ nâng động cơ khoan trở lại vị trí ban đầu.
- Xylanh C thực hiện truyền động đẩy vật ra khỏi vị trí vừa khoan
- Động cơ M thực hiện việc khoan vật
- Các cảm biến 𝑎 1 , 𝑏 0 , 𝑏 1 , 𝑐 0 xác định vị trí của xylanh tương ứng
THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHOAN SỬ DỤNG
Dây chuyền sản xuất hoạt động theo trình tự logic chặt chẽ, đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn cho người vận hành Để đạt được yêu cầu này, cần có hệ thống điều khiển phù hợp và tối ưu, điều này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu rõ các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình công nghệ Việc tổng hợp hàm điều khiển chỉ dựa trên hiểu biết về công nghệ là chưa đủ; người thiết kế cần vận dụng các phương pháp thích hợp để xây dựng hệ thống điều khiển tối ưu.
Hiện nay, có nhiều phương pháp tổng hợp hàm điều khiển giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế, bao gồm phương pháp "ma trận trạng thái", phương pháp "GRAFCET" và phương pháp "phân tầng".
Phương pháp Grafcet
Grafcet, viết tắt của "Graphe fonctionnel de commande étape transition," là một biểu đồ chức năng dùng để mô tả các trạng thái hoạt động của hệ thống Nó thể hiện quá trình điều khiển bằng cách diễn tả sự chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau.
Grafcet là một công cụ hữu ích cho việc mô hình hóa quá trình, thể hiện một đồ hình khép kín từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối và ngược lại Ưu điểm của Grafcet bao gồm khả năng dễ dàng bổ sung các biến trung gian, các bước tiến hành rõ ràng, và lưu đồ trực quan, giúp thuận tiện trong việc thiết kế mạch điều khiển Điều này hỗ trợ người thiết kế trong việc quản lý chương trình một cách tối ưu và hệ thống hóa thông tin cần trình bày trong quá trình thiết kế.
9 chạy thử hoặc vận hành, nếu xảy ra sự cố thì người vận hành, người thiết kế có thể tìm ra lỗi một cách dễ dàng
Nhược điểm: Phải lập được đồ hình thỏa mãn yêu cầu công nghệ đã cho
Một số ký hiệu dùng trong Grafcet
Một trạng thái được thể hiện qua hình chữ nhật có đánh số, và biểu tượng trạng thái đi kèm ghi rõ các tác động liên quan đến trạng thái đó.
Trạng thái khởi đầu được thể hiện bằng hai hình chữ nhật lồng vào nhau
Trạng thái đang hoạt động có thêm dấu “ “ ở trong hình chữ nhật trạng thái
Một chuyển tiếp được biểu diễn bằng đường gạch “ – “ bên cạnh ghi các tác nhân kích thích (biến vào) liên quan đến chuyển tiếp đó
Trạng thái ban đầu Tác nhân kích thích Trạng thái thứ nhất
Trạng thái thứ i - 1 Tác nhân kích thích thứ i Trạng thái thứ i
Xác định trạng thái ban đầu
Tác nhân kích thích thứ i + 1
Hình 2.1 Lưu đồ trạng thái làm việc
Quy tắc hoạt động của Grafcet
Một chuyển tiếp được coi là hợp cách khi tất cả các trạng thái đầu vào của nó đều hoạt động Để vượt qua một chuyển tiếp, nó phải đạt tiêu chuẩn và việc tiếp nhận gắn với chuyển tiếp phải chính xác.
Việc vượt qua một chuyển tiếp sẽ kích hoạt trạng thái kế tiếp và đồng thời loại bỏ hoạt động của trạng thái đầu vào của chuyển tiếp đó.
Xây dựng lưu đồ GRAFCET I (GI)
Trạng thái ban đầu Tác nhân kích thích Trạng thái làm việc 1
Tác nhân kích thích 2 Trạng thái làm việc 2 Tác nhân kích thích 3
Tác nhân kích thích i Trạng thái làm việc i Tác nhân kích thích i + 1 g
Hình 2.2 Lưu đồ tổng quát Grafcet I
Xây dựng lưu đồ GRAFCET II (GII)
Hình 2.3 Lưu đồ tổng quát của Grafcet II
Grafcet và hàm logic tương ứng
Sau khi hoàn thành việc xây dựng lưu đồ Grafcet, bước tiếp theo là chuyển đổi nó thành các hàm logic Việc này giúp thực hiện các yêu cầu công nghệ thông qua các phần tử logic cơ bản.
Mỗi trạng thái 𝑆 𝑖 trong hệ thống đều có hai hàm: hàm đóng 𝑆 + 𝑖, giúp khởi động trạng thái và loại bỏ hoạt động của 𝑆 𝑖 Điều này dẫn đến sự xuất hiện của hàm cắt trong quá trình hoạt động của hệ thống.
𝑆 𝑖 − = 𝑆 𝑖+1 Như vậy ta có thể thành lập được hàm logic của trạng thái 𝑆 𝑖 như sau :
Từ công thức của hàm logic điều khiển, chúng ta có thể xây dựng thiết bị thực hiện sơ đồ điều khiển bằng phương pháp Grafcet Mạch rơ le tiếp điểm được thiết kế như sau:
Hình 2.4 Mạch rơ le tiếp điểm
Các dạng mạch đặc biệt
Hình 2.5 Mạch phân kỳ “Hoặc”
Nếu trạng thái 𝑆 𝑖 hoạt động và chuyển tiếp 𝑎 𝑖+1 (hoặc 𝑎 𝑖+1 hoặc 𝑎 𝑖+3 đúng thì hệ chuyển sang trạng thái 𝑠 𝑖+1 (hoặc 𝑠 𝑖+2 hoặc 𝑠 𝑖+3 )
Hình 2.6 Mạch hội tụ “Hoặc”
Nếu trạng thái 𝑠 𝑖+1 hoạt động và chuyển tiếp 𝑎 𝑖+1 đúng, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái 𝑠 𝑖+4 Tương tự, nếu trạng thái 𝑠 𝑖+2 hoặc 𝑠 𝑖+3 hoạt động và chuyển tiếp 𝑎 𝑖+2 hoặc 𝑎 𝑖+3 đúng, hệ thống cũng sẽ chuyển sang trạng thái 𝑠 𝑖+4.
Hình 2.7 Mạch phân kỳ “Và”
Nếu trạng thái 𝑠 𝑖 hoạt động và chuyển tiếp 𝑎 𝑖+1 Đúng thì tất cả các trạng thái 𝑠 𝑖+1 , 𝑠 𝑖+2 , 𝑠 𝑖+3 đồng thời hoạt động
Hình 2.8 Mạch hội tụ “Và”
Nếu trạng thái 𝑠 𝑖+1 , 𝑠 𝑖+2 , 𝑠 𝑖+3 cùng hoạt động và chuyển tiếp 𝑎 𝑖+1 đúng thì trạng thái 𝑠 𝑖+4 sẽ hoạt động, đồng thời trạng thái trên cũng ngừng hoạt động
Trình tự thiết kế của phương pháp Grafcet
Lập Grafcet I Xác định hàm điều khiển
Xác định hàm điều khiển
Chọn sơ bộ các thiết bị
Chọn sơ bộ các thiết bị Xác định sơ đồ điều khiển
Xác định sơ đồ điều khiển
Hình 2.9 Trình tự thiết kế theo phương pháp Grafcet.
Thiết kế mô hình khoan bằng phương pháp Grafcet
Mô tả công nghệ mô hình máy khoan tự động
Hình 2.10 Mô hình máy khoan tự động
Bảng 2.1 Lựa chọn sơ bộ thiết bị
STT Thiết bị Số lượng
Trên hình 2.10 là mô hình máy khoan tự động với chu trình công nghệ như sau:
Cảm biến d xác định được có vật ở vị trí ban đầu, Xylanh A thực hiện truyền động đẩy đồng thời kẹp vật vào vị trí xác định
Sau khi xylanh A tác động vào cảm biến a1 và kẹp vật ở vị trí xác định, xylanh B sẽ hạ động cơ khoan xuống khi cảm biến b0 nhận tín hiệu Quá trình khoan sẽ diễn ra và khi hoàn tất, cảm biến b1 sẽ được kích hoạt.
Xylanh C thực hiện truyền động đẩy vật ra khỏi vị trí vừa khoan khoảng thời gian 2s sau khi cảm biến 𝑐 0 không có tín hiệu
Xylanh A và xylanh C đồng thời thu về vị trí ban đầu
Với công nghệ và chọn sơ bộ thiết bị cho công nghệ như trên ở đây ta sử dụng phương pháp GRAFCET để thiết kế cho công nghệ khoan
Xác định tín hiệu điều khiển và cơ cấu chấp hành
Chọn Xylanh A thực hiện thực hiện quá trình đẩy vật vào vị trí cần khoan (𝐴 + ) và Xylanh trở lại vị trí ban đầu (𝐴 − ) với tín hiệu điều khiển 𝑎 1
Chọn Xylanh B thực hiện quá trình hạ động cơ khoan (𝐵 + ) và quá trình nâng mũi khoan lên trở lại vị trí ban đầu (𝐵 − ) với tín hiệu điều khiến 𝑏 1 và 𝑏 0
Chọn Xylanh C để thực hiện quá trình đẩy vật ra khỏi vị trí vừa khoan (𝐶 +) và quay trở lại vị trí ban đầu (𝐶 −) thông qua tín hiệu điều khiển 𝐶 0.
Chọn cảm biến d dùng để xác định đã có vật để thực hiện
Công nghệ máy khoan tự động bắt đầu hoạt động khi cảm biến phát hiện vật cần khoan đã vào đúng vị trí Quá trình khoan được thực hiện một cách tự động, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả cao.
Xy lanh A thực hiện A + đẩy vật vào vị trí cẩn khoan Cảm biến 𝑎 1 được tác động
Khi cảm biến 𝑎 1 được kích hoạt, động cơ M bắt đầu hoạt động và tiến hành khoan Tiếp theo, Xylanh B hạ động cơ khoan xuống vị trí cần thiết, đồng thời cảm biến đầu Xylanh B cũng được tác động (𝑏 1).
Khi đã thực hiện xong quá trình khoan vật thì Xylanh B thực hiện quá trình
𝐵 − nâng động cơ khoan về vị trí ban đầu, lúc này cảm biến cuối Xylanh B được tác động 𝑏 0 và động cơ M dừng
Xy lanh C thực hiện quá trình C + đẩy vật ra khỏi vị trí vừa thực hiện quá trình khoan 1 khoảng thời gian 2s cảm biến 𝑐 0 không có tín hiệu
Sau khi hoàn tất quá trình đẩy vật ra khỏi vị trí sau khi khoan, Xylanh A sẽ thu về vị trí ban đầu (𝐴) trong khi Xylanh C cũng thực hiện việc thu về vị trí ban đầu (𝐶).
Sử dụng phương pháp GRAFCET để thiết kế mô hình khoan tự động a) Liệt kê tín hiệu đầu vào
Bảng 2.2 Tín hiệu đầu vào
STT Tín hiệu đầu vào Ký hiệu
3 Cảm biến có xác định có vật d
20 b) Liệt kê tín hiệu đầu ra
Bảng 2.3 Tín hiệu đầu ra
STT Tín hiệu đầu ra Ký hiệu
1 Trạng thái làm việc Lv
3 Trạng thái Xylanh A đi ra 𝑆 1 (𝐴 + )
4 Trạng thái động cơ chạy 𝑆 2 (𝑀 + )
5 Trạng thái Xylanh B đi ra 𝑆 3 (𝐵 + )
6 Trạng thái Xylanh B đi về 𝑆 4 (𝐵 − )
7 Trạng thái động cơ M dừng 𝑆 5 (𝑀 − )
Trạng thái ban đầu Đã ở trạng thái ban đầu Xylanh A đi ra
Xylanh A đã đi ra Động cơ M chạy Xylanh B đi ra
Xylanh B đi về Xylanh B đã đi về Động cơ M dừng Xylanh C đi ra Động cơ M đã dừng, xylanh C đã đi ra
Xylanh A đi về Xylanh C đi về
Xylanh A đã đi về, xylanh C đã đi về Động cơ M đã chạy, xylanh B đã đi ra
Hình 2.12 Sơ đồ Grafcet II
Xác định các hàm điều khiển cho mô hình máy khoan tự động
=> 𝑆 8 = ( 𝑆 8 + + 𝑆 8 ) 𝑆̅̅̅̅̅ 8 − = (𝑡 1 𝑐̅ 𝑆 0 5 𝑆 6 + 𝑆 8 ) 𝑆̅ 0 Vậy ta có hàm điều khiển cho mô hình khoan tự động:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PLC
Tổng quan về hệ điều khiển
Hệ thống điều khiển trong các nhà máy cần đảm bảo độ tin cậy cao và hoạt động ổn định, giúp giảm thiểu hư hỏng và nhân công Để đạt được điều này, hệ thống cần có khả năng xử lý và kiểm soát hiệu quả các sự cố và sai sót trong quá trình vận hành.
Cấu trúc của một hệ thống điều khiển
Một hệ thống điều khiển bao giờ cũng được tạo thành từ các khối cơ bản sau:
Khối vào: Chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện, các tín hiệu đầu vào thường là nút nhấn, công tắc, cảm biến…
Khối xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc nhận tín hiệu và thực hiện các thao tác cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống Dựa vào thông tin từ tín hiệu đầu vào, hệ thống điều khiển sẽ tạo ra các tín hiệu cần thiết nhằm điều khiển thiết bị, đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất.
Khối đầu ra trong hệ thống điều khiển là tín hiệu ra, phản ánh kết quả cuối cùng của quá trình xử lý Những tín hiệu này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các cơ cấu của hệ thống, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Tổng quan về PLC
Giới thiệu về PLC a) Định nghĩa
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, có cấu trúc giống như một máy tính Thiết bị này bao gồm đầy đủ các thành phần như CPU, ROM, RAM và BUS, cho phép thực hiện các tác vụ điều khiển một cách linh hoạt và hiệu quả.
Các thuật toán điều khiển logic cho phép người dùng lập trình để thực hiện một chuỗi sự kiện được kích hoạt bởi các ngõ vào hoặc các hoạt động có độ trễ như thời gian định thời và sự kiện đếm PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng để thay thế các mạch relay truyền thống Ngôn ngữ lập trình cho PLC có thể là Ladder hoặc State Logic, giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp.
Trong hệ thống điều khiển tự động, PLC đóng vai trò là trái tim, liên tục kiểm tra trạng thái hệ thống thông qua các chương trình ứng dụng được lưu trữ trong bộ nhớ Nó thực hiện việc kiểm tra tín hiệu phản hồi, xử lý tín hiệu dựa trên chương trình logic và gửi tín hiệu điều khiển đến thiết bị xuất Cấu trúc của PLC bao gồm các thành phần chính giúp thực hiện các chức năng này một cách hiệu quả.
PLC là thiết bị máy tính bao gồm CPU, bộ nhớ ROM và RAM, được sử dụng để lưu trữ chương trình ứng dụng cùng với các cổng vào/ra (INPUT/OUTPUT).
Bộ đếm vào Bộ đếm ra Bộ đếm ra
Hình 3.1 Cấu trúc của PLC
Vị trí của PLC trong hệ thống điều khiển a) Hệ điều khiển truyền thông
Hình 3.2 Các khối của hệ điều khiển truyền thông
Các nút nhấn điều khiển
Các cảm biến đo lường đặt tại dây truyền sản xuất
Khối điều khiển gồm các phần tử:
Các bộ đếm thời gian
Các bản mạch điện tử
Các thiết bị gia nhiệt
Các thiết bị chỉ thị
…… b) Hệ thống điều khiển dùng PLC
Hình 3.3 Các khối của hệ điều khiển dùng PLC
Các khối đầu vào và khối đầu ra tương tự như của hệ điều khiển truyền thống
Bộ điều khiển PLC đã được sử dụng để thay thế khối điều khiển, đi kèm với chương trình ứng dụng được lập trình phù hợp với ngôn ngữ của PLC.
Khả năng của PLC a) Điều khiển logic
Điều khiển tự động, bán tự động các máy, các quá trình b) Điều khiển liên tục
Thực hiện các phép toán số học và logic
Điều khiển liên tục nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…
Điều khiển biến tần… c) Điều khiển tổng thể
Điều khiển quá trình và báo động
Ghép nối mạng tự động hóa
Các ưu điểm và ứng dụng của PLC a) Các ưu điểm của PLC
Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã cách mạng hóa hệ thống điều khiển và khái niệm thiết kế liên quan Hệ điều khiển sử dụng PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
Giảm đến 80% số lượng dây nối
Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp
Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng
Chức năng điều khiển có thể thay đổi dễ dàng thông qua thiết bị lập trình, giúp tiết kiệm chi phí nâng cấp phần cứng khi không cần thay đổi các đầu vào và ra.
Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển
Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình
Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms
Chương trình điều khiển có thể in ra giấy giúp thuận tiện trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa
Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học
Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, modun mở rộng
Giá cả cạnh tranh b) Ứng dụng của PLC trong công nghiệp
Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:
Dây truyền sản xuất nước đóng chai
Hình 3.4 Dây truyền sản xuất nước đóng chai
Quản lý bãi đỗ xe tự động
Hình 3.5 Bãi đỗ xe tự động
Dây truyền sản xuất giấy
Hình 3.6 Dây truyền sản xuất giấy
Hệ thống nâng vận chuyển.
Dây chuyền sản xuất xi măng
Công nghệ chế biến thực phẩm
Dây chuyền sản xuất ôtô
Hệ thống cân đóng bao tự động
PLC MITSUBISHI FX3GA-24MT
PLC MITSUBISHI FX3GA – 24MT PLC MITSUBISHI FX3GA – 24MT
24V 24V 0V 0V COM0 COM0 COM1 COM1 COM2 COM2 COM3 COM3 COM4 COM4 Y000 Y000 Y001 Y001 Y002 Y002 Y003 Y003 Y004 Y004 Y005 Y005 Y006 Y006 Y007 Y007 Y010 Y010 Y011 Y011
Hình 3.7 PLC FX3GA – 24MT
Phân cổng vào ra PLC
Bảng 3.1 Tín hiệu vào PLC
STT Tín hiệu vào PLC Địa chỉ
3 Nút chuyển chế độ Auto/ Manual X002
Bảng 3.2 Tín hiệu ra PLC
STT Tín hiệu ra PLC Địa chỉ
Sơ đồ đấu dây PLC
Hình 3.8 Sơ đồ đấu nối với PLC
Hình 3.9 Sơ đồ đấu nối xylanh
Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển động cơ khoan
Sơ đồ mạch điều khiển
Hình 3.11 Sơ đồ mạch điều khiển.
Chương trình điều khiển cho PLC
Phần mềm lập trình GX Developer Để lập trình cho PLC FX 3G ta sử dụng phầm mềm lập trình GX Developer phiên bản 8.1 trở lên
Sau khi hoàn thiện chương trình, chúng ta có thể tải chương trình từ máy tính xuống PLC qua cổng USB Để thực hiện việc này sau khi viết trên phần mềm GX Developer, cần cài đặt trong GX Developer Đối với phiên bản 8.22Y trở đi, cần thực hiện các bước cụ thể để hoàn tất quá trình.
Chọn [ Online] -> [Transfer setup…] để mở mục [Transfer setup ]
Kích đúp vào mục [Serial] trong [PC side I/F] để mở [PC side I/F Serial setting]
Chọn USB (GOT Transparent mode
Hình 3.12 Cài đặt trong GX Developer
Kích vào nút [OK] để kết thúc cài đặt.
42 Hình 3.13 Chương trình điều khiển
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ THIẾT KẾ GIAO
Các yêu cầu trong thiết kế hệ điều khiển cho mô hình khoan tự động
Với mô hình có các cơ cấu như trong chương 1 đã trình bày thì mô hình cần đáp ứng các yêu cầu sau:
Hệ thống khí nén cần được xây dựng để cung cấp khí nén cho xy lanh một cách hiệu quả, đồng thời đảm bảo tốc độ hoạt động của xy lanh luôn ở mức ổn định.
Hệ thống cảm biến yêu cầu phải xác định chính xác sự hiện diện của vật thể tại vị trí mong muốn Cảm biến tiệm cận sẽ kiểm tra xem xylanh đã được đặt đúng vị trí cần thiết hay chưa.
Hệ thống điều khiển cần được xây dựng tối ưu để đáp ứng nhu cầu của hệ thống, đảm bảo an toàn, phản hồi nhanh chóng và có khả năng nâng cấp, phát triển trong tương lai.
Lựa chọn các thiết bị mạch lực
Khi lựa chọn xi lanh ta cần chú ý một số vấn đề sau:
Loại xy lanh tác động đơn hay kép
Chiều dài hành trình của xy lanh
Kích thước lòng của xy lanh
Diện tích tiết diện của xy lanh
Với yêu cầu của mô hình thí nghiệm ta lựa chọn 3 xylanh có thông số cơ bản sau:
Bảng 4.1 Thông số cơ bản của xylanh STNC
Nguồn Khí nén Đường kính trục 20mm
Chất liệu Nhôm Độ dài trục 50mm Độ dài trục di chuyển 100mm
Nguyên lý hoạt động của xy lanh:
Xy lanh tác động kép có 2 cửa cấp khí
Khi cấp khí vào cửa A, khí vào khoang bên trái làm xy lanh đi ra, đồng thời khí sẽ thoát ra theo cửa B
Khi cấp khí vào cửa B của xy lanh, khí vào khoang bên phải làm xy lanh thu về, đồng thời khí sẽ thoát qua của A
Do đó, xy lanh tác động kép được điểu khiển bởi van 4/2, 4/3, 5/2 hoặc 5/3
Hình 4.2 Ký hiệu xy lanh kép
Van tiết lưu là thiết bị quan trọng dùng để điều chỉnh tốc độ hoạt động của xi lanh Mỗi xi lanh cần hai van tiết lưu để kiểm soát tốc độ di chuyển theo cả hai hướng.
Do trong mô hình cần tốc độ của xy lanh ở mức chậm để đẩy hộp một cách chính xác, không bị lệch vật ra ngoài
Khi lựa chọn bộ điều chỉnh tốc độ, cần đảm bảo lưu lượng khí tối đa qua bộ điều chỉnh không thấp hơn lưu lượng tối đa qua van phân phối Điều này giúp bộ điều chỉnh cho phép lưu lượng khí cần thiết để duy trì mức lưu lượng yêu cầu.
Mô hình ta dùng 4 van tiết lưu lắp trực tiếp vào đầu van khí của 3 xilanh
Hình 4.3 Van tiết lưu một chiều
Nguyên lý hoạt động của van tiết lưu một chiều:
Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng khí qua ống
Van một chiều chỉ cho khí đi qua một chiều (từ 1 sang 2), chiều ngược lại bị chặn
Hình 4.4 Ký hiệu của van tiết lưu một chiều
Trong mô hình, các thiết bị trong hệ thống cần cung cấp nguồn 24V ổn định
Do đó, khối nguồn trong hệ thống sẽ có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều 220V/50HZ thành dòng điện một chiều 24V
Do đó ta chọn bộ nguồn do Trung Quốc sản xuất có thông số như sau:
Bảng 4.2 Thông số cơ bản của bộ nguồn
Thương hiệu IMC Điện áp đầu vào 110V-220V Điện áp đầu ra 24V
Ta chọn aptomat có thông số như sau:
Bảng 4.3 Thông số cơ bản của aptomat
Mã sản phẩm BKN 2P, 10A(6KA)
Hình 4.6 Aptomat LS BKN 2P, 10A (6KA) Nguyên lý hoạt động của aptomat:
Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện
Khi lực lò xo 5 lớn hơn lực lò xo 6, nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống, làm bật nhả móc 3 Móc 5 được thả tự do và lò xo 1 được thả lỏng, dẫn đến việc các tiếp điểm của CB được mở ra và mạch điện bị ngắt.
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý Aptomat Động cơ
Khi chọn các máy động cơ điện cần lưu ý yêu cầu sau:
Giá thành và chi phí vận hành phù hợp
Trọng lượng, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt
Độ tin cậy cao trong vận hành
Có cấu trúc phù hợp với môi trường, động cơ có điện áp và tần số định mức trùng với điện áp và tần số của lưới điện
Với yêu cầu của mô hình thí nghiệm, trong mô hình ta lựa chọn động cơ một chiều 12V để làm động cơ khoan
Hình 4.8 Động cơ một chiều
Hình 4.9 Sơ đồ đấu nối động cơ
Dây dẫn khí TOYORK màu đỏ, với thiết kế ống dây hơi có độ bền cao nhờ vào 02 lớp bố sợi polyester, chịu được áp lực làm việc lớn, kích thước 6,5mm.
Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển
Van phân phối khí nén
Mô hình yêu cầu sử dụng 3 xy lanh tác động kép, trong đó có 2 xy lanh để đẩy hộp vào và ra, và 1 xy lanh để đẩy động cơ khoan Để đảm bảo cơ cấu hoạt động nhanh chóng và chính xác, chúng ta chọn 3 van phân phối 5/2 điều khiển 1 phía bằng điện.
Ta lựa chọn van phân phối có dải áp suất cho phép từ 1,5 – 8 bar phù hợp với áp suất của máy nén khí có trong phòng thí nghiệm
Bảng 4.4 Thông số cơ bản của van phân phối AIRTAC 4V210-08
Loại van 5 cửa 2 vị trí
Nguồn 24V Áp suất làm việc 0,15-0,8MPa Nhiệt độ làm việc -20-70 0 C Công suất tiêu thụ 2,5W Điện áp chịu đựng +/- 10%
Tần số hoạt động 5 cycle/sec
Hình 4.11 Van phân phối 5/2 Airtac
Sơ đồ đấu nối của van phân phối 5/2 một đầu điện:
Cổng (P) là cổng đưa khí vào
Cổng (A) và (B) là cổng khí thoát ra đến kích hoạt xylanh
Cổng (R) và (S) là cổng xả của (A) và (B)
Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý van phân phối
Trong mô hình, mỗi xylanh được trang bị cảm biến để xác định hành trình của nó Cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển, từ đó thực hiện lệnh điều khiển cần thiết.
Ta sử dụng 3 cảm biến tiệm cận LJ8A3-2-Z/BY lần lượt cho các vị trí:
- Cảm biến phát hiện có vật
Và 2 cảm biến cảm biến từ Airtac CS1-S lần lượt cho các vị trí:
Bảng 4.5 Thông số cơ bản của cảm biến LJ8A3-2-Z/BY
Model LJ8A3-2-Z/BY Điện áp hoạt động 6 – 36 VDC
Dòng tiêu thụ không tải 10mA
Khoảng cách phát hiện 0 – 2mm (Max)
Phát hiện đối tượng Kim loại
Hình 4.13 Cảm biến LJ8A3-2-Z/BY
Sơ đồ đấu dây cảm biến LJ8A3-2-Z/BY:
Hình 4.14 Sơ đồ đấu dây cảm biến LJ8A3-2-Z/BY
Hình 4.15 Cảm biến Airtac CS1-S
Sơ đồ đấu dây cảm biến CS1-S:
Hình 4.16 Sơ đồ đấu dây cảm biến CS1-S
Lựa chọn nút nhấn IDEC có thông số sau:
Bảng 4.6 Thông số cơ bản của nút nhấn
Kiểu tiếp điểm Không duy trì
Dòng tối đa 10A Điện áp làm việc 24VDC
Nhiệt độ hoạt động -25 – 50 độ C
Hình 4.17 Nút nhấn sử dụng trong mô hình
Hình 4.18 Sơ đồ đấu nối nút nhấn
Rơ le Để điều khiển các van điện từ, động cơ và để cách ly PLC với các thiết bị chấp hành ta sử dụng rơ le trung gian
Từ đó ta chọn rơ le trung gian để điều khiển có thông số như sau:
Bảng 4.7 Thông số cơ bản của rơ le
Dòng định mức 3A Điện áp cuộn dây 24VDC
Dòng định mức qua cuộn dây 37,7 mA Đế cắm PYF14A
Nhiệt độ hoạt động -55 – 70 độ C Điện trở cuộn dây 650Ω
Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý của rơ le
PLC FX3GA – 24MT là sản phẩm thuộc dòng PLX FX3G, được cải tiến từ dòng FX1N Thiết bị này kế thừa tất cả các tính năng của dòng PLX FX, đồng thời kết hợp những tiến bộ vượt bậc của thế hệ PLC FX3 Nhờ đó, PLC FX3GA mang đến sự đổi mới công nghệ, đảm bảo tính ổn định và linh hoạt cao cho người dùng.
FX3GA – 24 MT được trang bị bộ nhớ trong 32kb cho dòng tiêu chuẩn, với tốc độ xử lý lệnh logic chỉ 0.21𝜇𝑠 Nó hỗ trợ xử lý số thực và ngắt, cùng với lập trình dễ dàng thông qua hai cổng truyền thông RS422 và USB Dòng FX3G cũng có ngõ ra transistor cho phép phát xung độc lập lên đến 100kHz, kèm theo nhiều tập lệnh điều khiển vị trí được cải tiến Ngoài ra, thiết bị cho phép cài đặt mật khẩu truy cập và phân quyền người dùng.
PLC MITSUBISHI FX3GA – 24MT PLC MITSUBISHI FX3GA – 24MT
24V 24V 0V 0V COM0 COM0 COM1 COM1 COM2 COM2 COM3 COM3 COM4 COM4 Y000 Y000 Y001 Y001 Y002 Y002 Y003 Y003 Y004 Y004 Y005 Y005 Y006 Y006 Y007 Y007 Y010 Y010 Y011 Y011
Hình 4.21 PLC FX3GA – 24MT
Bảng 4.8 Thông số cơ bản của PLC FX3GA – 24MT
Số ngõ ra 10, kiểu relay
Nguồn cung cấp 100-240 VAC, 50/60 Hz
Truyền thông USB, RS232, RS485
Bộ đếm tốc độ cao 60Hz* 4 kênh và 10Hz* 2 kênh
Có thể mở rộng 16-128 ngõ ra/vào
Tích hợp đồng hồ thời gian thực
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Các bộ phận cụ thể của mô hình
Hình 4.22 Bộ van vân phối 5/2
Xylanh A thực hiện đẩy vật vào trí khoan
Xylanh B thực hiện nâng hạ động cơ
Xylanh C thực hiện đẩy vật khỏi vị trí vừa khoan
Hình 4.27 PLC và rơ le
Hình 4.28 Mô hình tổng thể.
Thiết kế giao diện điều khiển
The Graphic Operation Terminal (GOT) serves as an electronic operation panel that integrates a monitoring screen, control buttons, indicator lights, and data display areas, along with various functions.
GOT là một bảng điều khiển hệ thống điện tử linh hoạt, cho phép dễ dàng lắp đặt, thay đổi và sửa chữa So với các bảng điều khiển truyền thống, GOT mang lại hiệu quả tiết kiệm hơn trong việc vận hành.
Màn hình hiển thị trên GOT được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng GT-Designer
Sử dụng GT-Designer, người dùng có thể tạo ra các chức năng cho GOT bằng cách thêm các phần tử như công tắc, đèn và hiển thị số lên màn hình Sau đó, cần thực hiện cài đặt các thuộc tính và chức năng hoạt động để kết nối với CPU và PLC.
GT-Designer
GT-Designer là phần mềm hỗ trợ lập trình viên thiết kế giao diện màn hình GOT trên máy tính, cho phép chuyển chương trình đã thiết kế từ PC vào GOT để vận hành Phần mềm cũng hỗ trợ việc nhập dữ liệu có sẵn từ GOT vào máy tính để chỉnh sửa hoặc nhập từ một dự án khác.
GT-Designer có rất nhiều phiên bản Ở đây ta dùng phiên bản GT-Designer 3 chuyên dùng cho các dòng: GOT 1000, GOT 2000…
Sử dụng GT-Designer để thiết kế chương trình cho GOT, ta cần xem xét các tính năng và công cụ chính mà GT-Designer cung cấp.
Chứa các chức năng cơ bản của chương trình
Hình 4.29 Thanh toolbar + 1, 2, 3: Các lệnh tạo mới, mở, lưu project
+ 4, 5: Các lệnh tạo mới, mở 1 màn hình
+ 6, 7, 8: Các lệnh cut, copy, paste
+ 9, 10, 11, 12, 13, 14: Các lệnh undo, redo, xem màn hình thiết kế trước, sau
+ 15: Hiển thị danh sách các object đã dùng trong project
+ 16: Hiển thị danh sách các object đã dùng trong project và còn cho biết ngõ vào/ ra có định dạng gì
+ 17, 18: Công cụ thêm các ghi chú và con trỏ
Trong quá trình thiết kế cho GOT, chúng ta tạo ra nhiều màn hình, mỗi màn hình đảm nhận một chức năng riêng biệt Màn hình chính sẽ hiển thị đầu tiên, kèm theo nhiều màn hình con Mỗi màn hình được trang bị các phím liên kết để người dùng dễ dàng di chuyển giữa các màn hình khác nhau.
Thanh hiển thị trạng thái (toolbar view)
Thanh này hiển thị trạng thái và giá trị của các đường nét mà người dùng đang sử dụng, tương tự như thanh định dạng trong Word hoặc thanh trạng thái trong AutoCAD.
Thanh công cụ này chứa các bit swich, bit lamp, các numerical, numerical imput, đồng hồ thời gian thực, đồ thị, biểu đồ…
Hình 4.30 Thanh công cụ object
Thanh công cụ này cho phép ta thực hiện vẽ các hình cơ bản cũng như chèn hình từ bên ngoài vào screen
Hình 4.31 Thanh công cụ figule
Thanh này giúp người thiết kế chỉnh sửa các đường nét, nhóm đối tượng…
Thanh menu của GT-Designer cũng gồm rất nhiều các lệnh như trong các lệnh như trong các chương trình ứng dụng khác.
Thiết kế giao diện điều khiển cho mô hình khoan tự động
Hình 4.32 Giao diện điều khiển mô hình khoan tự động
4: Phím test xylanh A (chế độ manual)
5: Phím test xylanh B (chế độ manual)
6: Phím test xylanh C (chế độ manual)
8: Tín hiệu cảm biển đầu xylanh B
10: Tín hiệu cảm biến đầu xylanh C
13: Tín hiệu cảm biến cuối xylanh A
14: Tín hiệu cảm biến cuối xylanh B
Sau thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, tôi đã tiếp thu nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu, giúp áp dụng lý thuyết vào thực tiễn Qua quá trình này, tôi không chỉ nâng cao khả năng học tập mà còn rèn luyện kỹ năng làm việc độc lập và làm việc nhóm Đặc biệt, dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của Th.s Phan Thị Huyền Châu, chúng tôi đã thành công trong việc chế tạo mô hình thí nghiệm khoan tự động.
Trong nội dung nghiên cứu của đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau:
+ Tìm hiểu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm khoan tự động
Tìm hiểu về PLC, đặc biệt là PLC FX3G của Mitsubishi, là bước đầu tiên trong việc lập trình tự động hóa
+ Thiết kế sơ đồ đi dây và sơ đồ lắp ráp cho hệ thống
Trong quá trình nghiên cứu, mặc dù đã thiết kế thành công mô hình thí nghiệm khoan tự động, nhưng mô hình hiện tại chỉ phục vụ cho mục đích thí nghiệm và cần nhiều nâng cấp để ứng dụng thực tế Trong thời gian thực hiện đồ án, tôi đã nỗ lực tìm hiểu và khắc phục các vấn đề trong xây dựng mô hình thực tế Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thiếu sót và tôi rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy giáo để hoàn thiện đồ án và đưa mô hình vào ứng dụng thực tiễn.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phan Thị Huyền Châu vì sự hỗ trợ tận tình, giúp em hoàn thiện đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018
[1] Bộ môn Tự động hóa công nghiệp – Đại học Bách khoa Hà Nội, Bài giảng Điều khiển Logic và PLC
[2] Nguyễn Văn Khang, Bộ điều khiển logic khả trình PLC và ứng dụng, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2009
[3] Thầy Hà Tất Thắng, Bài giảng PLC cho tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, 2007
[4] TS Phạm Văn Khảo, Truyền động – Tự động và điều khiển khí nén, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2012
