CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống điều khiển PLC
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số để thể hiện các thuật toán đó.
PLC là bộ điều khiển số nhỏ gọn, cho phép thay đổi thuật toán dễ dàng và giao tiếp hiệu quả với môi trường xung quanh, bao gồm các PLC khác và máy tính Tất cả chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình.
Để thực hiện chương trình điều khiển, PLC cần có các tính năng tương tự như máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng với các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh Ngoài ra, để đáp ứng các yêu cầu điều khiển số, PLC còn cần các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm.
(Counter), bộ định thì (Timer) và những khối hàm chuyên dụng
PLC được phân loại theo 2 cách:
- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi,
Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo
PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon
1.1.3 Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng
Ta có các bộ điều khiển: Vi xử lý, PLC và máy tính
1.1.3.2 Phạm vi ứng dụng a Máy tính
- Dùng trong những chương trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao
- Có giao diện thân thiện
- Tốc độ xử lý cao
- Có thể lưu trữ với dung lượng lớn b Vi xử lý
- Dùng trong những chương trình có độ phức tạp không cao (vì chỉ xử lý 8 bit)
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Tốc độ tính toán không cao
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít c PLC
- Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít
- Môi trường làm việc khắc nghiệt
Các lĩnh vực ứng dụng PLC
PLC được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy công nghiệp, thiết bị y tế, ôtô (xe hơi, cần cẩu)
1.1.5 Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le
- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển
- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống
- Nhiều chức năng điều khiển
- Công suất tiêu thụ nhỏ
- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt
- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng
PLC được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động nhờ vào những ưu điểm vượt trội, giúp nâng cao năng suất sản xuất và chất lượng sản phẩm Việc sử dụng PLC không chỉ tăng hiệu suất và giảm tiêu tốn năng lượng, mà còn cải thiện mức độ an toàn và tiện nghi trong lao động Hơn nữa, PLC còn góp phần nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
2.1.2 Cấu trúc bộ nhớ của PLC
Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau để lưu trữ chương trình hệ thống, bao gồm phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống Sơ đồ LAD, giá trị của Timer và Counter được lưu trong vùng nhớ ứng dụng Người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau tùy theo yêu cầu của mình.
1 Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác
2 Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dử liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất điện Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin
3 Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp
4 Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn
Một PLC (Bộ điều khiển lập trình) có chức năng đa dạng như bộ đếm, bộ định thời, và các thanh ghi, cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp Hoạt động của PLC phụ thuộc vào chương trình trong bộ nhớ, liên tục cập nhật và xử lý tín hiệu đầu vào để điều khiển đầu ra Để đánh giá một bộ PLC, hai tiêu chí chính được xem xét là dung lượng bộ nhớ và số lượng tiếp điểm vào/ra Ngoài ra, các yếu tố như bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, và khả năng mở rộng số cổng vào/ra cũng rất quan trọng.
Một bộ PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc máy tính Các đơn vị lập trình đơn giản thường được trang bị đủ RAM để lưu trữ chương trình hoàn thiện hoặc bổ sung Đối với đơn vị lập trình xách tay, RAM thường là loại CMOS với pin dự phòng, chương trình chỉ được truyền sang bộ nhớ PLC khi đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng Các PLC lớn thường được lập trình trên máy tính để hỗ trợ việc viết, đọc và kiểm tra chương trình, và các đơn vị lập trình kết nối với PLC qua các cổng như RS232, RS422, RS485.
Trong hệ thống điều khiển PLC, các phần tử nhập tín hiệu như chuyển mạch, nút ấn và cảm biến được kết nối với đầu vào của thiết bị PLC Đồng thời, các phần tử chấp hành như đèn báo, rơ le và công tắc tơ được nối với lối ra của PLC thông qua các đầu nối.
Chương trình điều khiển PLC được biên soạn dưới các dạng cơ bản sẽ được nạp vào bộ nhớ nội bộ của PLC Sau đó, PLC sẽ tự động thực hiện tuần tự theo chuỗi lệnh điều khiển đã được xác định trước.
Hệ thống cho phép công nhân thao tác bằng tay các tiếp điểm và nút dừng khẩn cấp, nhằm đảm bảo an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố.
PLC là trái tim của hệ thống điều khiển tự động, nơi chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ Nó liên tục kiểm tra trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị vào, từ đó phát tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị ra.
Các loại động cơ
2.2.1 Động cơ bước (step) Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết
Step Motor có cấu tạo như sau:
Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu được sắp xếp cẩn thận, với mỗi lá được chia thành các cặp cực đối xứng nhau.
Stato của động cơ bước được cấu tạo từ sắt từ và được chia thành các rãnh để lắp đặt cuộn dây Khác với các động cơ truyền thống, động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển.
Các bộ chuyển mạch điện tử thực hiện công việc bằng cách truyền tải các tín hiệu lệnh điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rotor liên quan trực tiếp đến số lần chuyển mạch, trong khi chiều quay và tốc độ của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.
2.2.2 Động cơ Servo Động cơ servo là một bộ phận truyền động của hệ thống điều khiển chuyển động của các thiết bị máy móc Nó còn được biết đến với công nghệ Driver Servo tương tự với driver máy tính Đây cũng là một thiết bị không thể thiếu và quyết định đến chất lượng của một chiếc máy cắt cnc Động cơ servo có 2 loại chính là: Động cơ DC Servo và động cơ AC Servo
AC servo là động cơ chuyên dụng cho xử lý dòng điện cao, thường được ứng dụng trong máy móc công nghiệp, đặc biệt là máy CNC Ngược lại, DC servo không phù hợp cho dòng điện cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ hơn Động cơ DC được phân thành hai loại: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than.
Nhờ sự phát triển vượt bậc công nghệ điều khiển điện nên hiện nay hầu hết người ta đều sử dụng động cơ AC Servo
Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu với từ trường mạnh, trong khi stator được cấu tạo từ các cuộn dây riêng biệt Các cuộn dây này được cấp nguồn theo trình tự thích hợp nhằm tạo ra chuyển động quay cho rotor.
Nếu thời điểm và dòng điện cung cấp cho cuộn dây chính xác, chuyển động quay của rotor sẽ phụ thuộc vào tần số, pha và dòng điện trong cuộn dây stator Động cơ servo, được hình thành từ các hệ thống hồi tiếp vòng kín, cho phép tín hiệu ra của động cơ kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ hoạt động, tốc độ và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển, giúp điều chỉnh sai lệch để đạt được vị trí mong muốn Trong ngành điện - điện tử, động cơ servo được ứng dụng trong máy lắp ráp linh kiện điện tử với yêu cầu cao về tốc độ và độ chính xác Trong ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống, động cơ servo cũng được sử dụng để đáp ứng nhu cầu về quy trình chất lượng cao và an toàn Động cơ điện xoay chiều một pha, dựa trên nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, được chế tạo với stato gồm hai cuộn dây lệch nhau, trong đó một dây nối trực tiếp với mạng điện và dây kia nối qua tụ điện, tạo ra từ trường quay Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ một pha chỉ đạt công suất nhỏ và chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị gia đình như quạt điện, máy hút bụi và máy bơm nước.
Hai loại động cơ AC chính là động cơ cảm ứng điện từ và động cơ đồng bộ Động cơ cảm ứng điện từ, còn gọi là động cơ không đồng bộ, hoạt động dựa vào sự khác biệt nhỏ về tốc độ giữa từ trường quay của stator và tốc độ trục rotor, hiện tượng này được gọi là sự trượt Sự trượt này tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor, điều này dẫn đến việc động cơ cảm ứng điện từ không thể tạo ra mô-men xoắn bằng với tốc độ đồng bộ khi hiện tượng cảm ứng không còn tồn tại.
Động cơ đồng bộ hoạt động không phụ thuộc vào cảm ứng điện từ và sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây rôto độc lập Nó tạo ra mô-men xoắn danh định chính xác với tốc độ đồng bộ Đặc biệt, hệ thống động cơ đồng bộ nguồn đôi rô-to dây quấn không chổi than có cuộn dây rôto độc lập được kích thích mà không cần dựa vào nguyên tắc cảm ứng - trượt Động cơ này có khả năng hoạt động với tần số nguồn cấp hoặc bội số của tần số cung cấp.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Thông số đầu vào
Thông số đầu vào của bộ điều khiển thiết bị hàn gồm có
Hình 41: Thông số hàn của bộ điều khiển
- Vị trí hàn (Degree) :Vị trí cuối cùng để kết thúc mối hàn
- Cường độ dòng hàn (%) :Cường độ dòng hàn được điều chỉnh bằng số % dòng hiển thị trên máy hàn
Chọn động cơ
Gọi Pt: công suất trên trục máy công tác η: hiệu suất chung
Pct : công suất làm việc ( công suất cần thiết trên trục động cơ)
br =0.98 : hiệu suất của bộ truyền bánh răng
nt =1 : hiệu suất của khớp nối
Theo nguyên lý hoạt động, công suất của động cơ cần phải lớn hơn công suất làm việc tương ứng với hiệu suất của nó Do đó, việc lựa chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất thực tế là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Ta chọn động cơ có công suất động cơ PdceW ,số vòng quay của động cơ 60 ( vòng /phút) và hiệu suất 85% Động cơ Xoay chiều 1 pha
Số vòng quay 60 vòng/phút
Thiết kế động cơ thiết bị hàn
Hình 42: Các hình chiếu của động cơ
Hình 43: Các kích thước của động cơ
Hình 45: Vị trí của động cơ trong thiết bị hàn ống theo quỹ đạo
Thiết kế mạch điều khiển
Bộ điều khiển gồm có:
Hầu hết các thiết bị sử dụng điện 220V đều được trang bị bộ biến đổi điện áp, giúp chuyển đổi từ điện xoay chiều sang điện một chiều hoặc giảm xuống các điện áp thấp hơn, như 3V.
Nguồn điện một chiều (DC) với điện áp từ 1.8V đến 12V là rất quan trọng cho các linh kiện điện tử và linh kiện bán dẫn bên trong máy Việc sử dụng nguồn điện một chiều là yếu tố thiết yếu trong thiết kế, sửa chữa và nghiên cứu mạch điện tử cũng như vi mạch.
Thiết bị hàn ống theo quỹ đạo yêu cầu nguồn điện 220V với dòng và điện áp ổn định Do đó, nguồn tổ ong là lựa chọn phù hợp để đáp ứng các điều kiện này.
-1 nút nhấn STOP dùng để dừng khẩn cấp khi có vấn đề trong quá trình hàn
-1 nút nhấn START để bắt đầu quá trình hàn theo quỹ đạo
-1 Tiếp điểm thường hở dùng để thử mồi hồ quang nhằm kiểm tra xem điện đã truyền đến điện cực thiết bị hàn
- Màn hình cảm ứng hiển thị thông số hàn
Thiết kế sơ đồ mạch của PLC
Hình 46: Thiết kế phần mềm của PLC Phần cứng
LẮP RÁP THỬ NGHIỆM
Hình 47: Lắp ráp bên trong bộ điều khiển
Hình 49: Lắp ráp nguồn điện và relay trong bộ điều khiển
Hình 50: Bề mặt trên bộ điều khiển
Hình 53: Mặt bên của bộ điều khiển để kết nối nguồn
Hình 54: Thiết bị điều chỉnh dòng điện
Hình 55: Kết nối bộ điều khiển với máy hàn và thiết bị hàn ống theo quỹ đạo
Hình 56: Kết nối máy hàn với bộ điều khiển
Hình 57: Kết nối bộ điều khiển với động cơ thiết bị hàn ống theo quỹ đạo
Hình 58: Khởi động nguồn bộ điều khiển
Hình 59: Màn hình home của bộ điều khiển
Hình 60: Màn hình điều khiển thông số hàn
Hình 61: Màn hình cài đặt tốc độ hàn
Hình 62: Vị trí kết nối của bộ điều khiển trong quá trình hàn
Hình 63: Vận hành kết hợp bộ điều khiển với thiết bị hàn ống theo quỹ đạo
