thiết kế hệ điều khiển cho mô hình máy khoan tự động ppsx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hà nội, 6-2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY
KHOAN TỰ ĐỘNG
Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : GVC. Phan Cung
Sinh viên thực hiện : Hà Thế Tài
Lớp : CĐ TĐH2 – K53
MSSV : C0710135
Hà nội, 6-2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Khóa Khoa/Viện Ngành
1. Đầu đề thiết kế:




2. Các số liệu ban đầu:






3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:












4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:


6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
7. Ngày hoàn thành đồ án:
Ngày tháng năm ….
Trưởng bộ môn
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Cán bộ hướng dẫn
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2011
Người duyệt
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Sinh viên
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Hà Thế Tài
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………………… 1
Chương 1. MÔ TẢ CÔNG NGHỆ KHOAN VÀ MÔ HÌNH MÁY KHOAN TỰ
ĐỘNG ……………………………………………………………………………………2
1.1. Mô tả công nghệ khoan …………………………………………………… 2
1.1.1. Đặc điểm công nghệ ………………………………………………… 2
1.1.2. Khoan bằng phương pháp thủ công ……………………………………2
1.1.3. Khoan cỡ nhỏ ( khoan tay sử dụng điện ) …………………………… 3
1.1.4. Khoan CNC ……………………………………………………………4
1.2. Mô hình khoan tự động …………………………………………………… 5
Chương 2 . TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN CÔNG NGHỆ …………………………………………………………………7
2.1. Phương pháp GRAFCET …………………………………………………… 7

2.1.1. Nội dung phương pháp GRAFCET ……………………………………7
2.1.2. Ví dụ cho phương pháp GRAFCET ………………………………… 11
2.2. Phương pháp ma trận trạng thái …………………………………………… 16
2.2.1. Nội dung phương pháp ma trận trạng thái …………………………….16
2.2.2. Ví dụ cho phương pháp ma trận trạng thái ……………………………18
2.3. Phương pháp phân tầng ………………………………………………………24
2.3.1. Nội dung phương pháp phân tầng …………………………………….24
2.3.2. Ví dụ cho phương pháp phân tầng ……………………………………25
2.4. Phương pháp hàm tác động ………………………………………………… 28
2.4.1. Nội dung phương pháp hàm tác động …………………………… …28
2.4.2. Ví dụ cho phương pháp hàm tác động ……………………………… 29
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY KHOAN TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GRAFCET ……………………………………34
3.1. Mô tả và phân tích công nghệ mô hình máy khoan tự động …………………34
3.1.1. Mô tả công nghệ mô hình máy khoan tự động ……………………….34
3.1.2. Xác định tín hiệu điều khiển và cơ cấu chấp hành ………………… 35
3.1.3. Phân tích công nghệ mô hình máy khoan tự động ………………… 36
3.2. Sử dụng phương pháp GRAFCET để thiết kế hệ điều khiển cho mô hình máy
khoan tự động ………………………………………………………………………… 37
3.2.1. Lập GRAFCET I (GI) …….…………………………………….……37
3.2.2 . Lập GRAFCET II (GII) ……………………………………….… ….38
3.2.3. Xác định các hàm điều khiển cho mô hình máy khoan tự động ….
… 39
3.2.4. Xây dựng mạch nguyên lý điều khiển cho mô hình máy khoan tự
động…………………………………………………………………………….….…….40
3.2.5. Xây dựng sơ đồ mạch lực cho mô hình máy khoan tự động ………….41
3.2.6. Giải thích nguyên lý hoạt động ……………………………………….43
Chương 4. TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC VÀ CQM1……………………………… 46
4.1. Tìm hiểu chung về PLC ………………………………………………………46
4.1.1. Các định nghĩa về PLC ……………………………………………… 46

4.1.2. Sơ đồ cấu trúc PLC ……………………………………………………46
4.2. Ngôn ngữ lập trình cho PLC ………………………………………………….55
4.2.1. Lập trình dạng giản đồ thang LAD ( Ladder diagram )……………….55
4.2.2. Lập trình dạng mã lệnh STL ( Statement List ) ……………………….56
4.2.3. Lập trình dạng khối hàm FBD ( Function Block Diagram ) ………….56
4.3. PLC – CQM1 –CPU 11 –E……………………………………………………56
4.3.1. Phần cứng …………………………………………………………… 56
4.3.2. Ngôn ngữ lập trình và phần mềm sử dụng PLC – CQM1 –CPU11-E 57
Chương 5 . SỬ DỤNG PLC – CQM1- CPU11-E ĐỂ THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHO MÔ HÌNH MÁY KHOAN TỰ ĐỘNG ………………………….…………… 59
5.1. Trình tự thiết kế và lập trình cho PLC ……………………………………… 59
5.2. Chương trình điều khiển mô hình công nghệ máy khoan tự động lập trình cho
PLC ………………………………………………………………………………… …60
5.2.1. Tìm hiểu công nghệ mô hình máy khoan tự động ……….……………60
5.2.2. Liệt kê cổng vào – ra và chọn PLC ……………………….………… 60
5.2.3. Phân cổng vào ra cho PLC ……………………………….………… 60
5.2.4. Dựng lưu đồ cho chương trình …………………………….………….62
5.2.5. Lập trình cho PLC dưới dạng giản đồ thang ……………….…………63
5.2.6. Lập trình cho PLC dưới dạng mã lệnh ……………………………… 64
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………… 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………… 69
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ điều khiển cho mô hình máy
khoan tự động do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo GVC.Phan Cung. Các
số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài
liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có
sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 22 tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Hà Thế Tài
Lời mở đầu
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công nghiệp
đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá. Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo
nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ở nhiều nước đã xuất hiện những nhà máy không có
người, văn phòng không có giấy Khắp nơi đã bắt gặp những thuật ngữ như Thương mại
điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh, Thiết bị thông minh
Nội quyển đồ án “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY
KHOAN TỰ ĐỘNG” gồm có 5 chương sau :
Chương 1.Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Chương 3 . Thiết kế hệ điều khiển công nghệ cho mô hình máy khoan tự động
Chương 4 . Tìm hiểu chung về PLC và CQM1
Chương 5. Sử dụng PLC – CQM1 –CPU11-E để thiết kế hệ điều khiển cho mô hình
máy khoan tự động
Trong thời gian làm đồ án em xin chân thành cảm ơn thầy GVC. PHAN CUNG đã
tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ án.
Hà Nội, ngày 22 tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Hà Thế Tài
1
Chương 1. Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
Chương 1
MÔ TẢ CÔNG NGHỆ KHOAN
VÀ MÔ HÌNH MÁY KHOAN TỰ ĐỘNG
1.1. Mô tả công nghệ khoan
1.1.1. Đặc điểm công nghệ
Máy khoan được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí, dùng để khoan các bo
mạch điện tử, các công xưởng ra công kim loại, hoặc các xưởng chế biến gỗ Máy khoan

được dùng để gia công các chi tiết với nguyên công khoan lỗ tròn hoặc trong chế biến gỗ
thì khoét các lỗ tròn hoặc dài.Cũng như các loại máy móc cơ khí khác như máy tiện,
phay, bào,máy doa được dần dần tự động hóa thì máy khoan cũng được tự động
hóa.Ngày nay với công nghệ phát triển vượt bậc người ta còn chế tạo ra các loại máy làm
việc tự động gần như hoàn toàn và đạt độ chính xác cao như máy CNC cũng có thể dùng
để khoan các chi tiết như các máy khoan thông thường.Các máy khoan cũng được tự
động hóa theo dây chuyền nhằm nâng cao năng suất và giảm lao động cho con người.
Máy khoan làm việc trong môi trường khác nghiệt như độ ẩm , bụi bẩn, dung động
lớn, tiếng ồn , và có nhiệt độ môi trường cao. Bởi vậy mà vấn đề trang bị điện ,cũng như
các chi tiết dùng cho máy khoan phải đảm bảo độ bền cơ học cao, chịu được nhiệt độ môi
trường cao, động cơ truyền động phải chịu được quá tải. Do máy khoan được tự động hóa
nên tần số làm việc lớn nên yếu tố đảm bảo độ tin cậy cũng phải cao
Bên cạnh việc máy khoan được sử dụng trong các nhà máy công xưởng thì còn rất
nhiều loại khoan lớn được sử dụng để thăm dò địa chất, khoan thăm dò và khai thác dầu
khí, khoan nhồi cọc bê tông trong xây dựng , khoan trong các hầm mỏ, và trong dân dụng
như chế biến gỗ, khoan giêng…
1.1.2. Khoan bằng phương pháp thủ công
Bằng cách sử dụng các thiết bị khoan bằng tay người ta có thể tạo nên các lỗ tròn
trên chi tiết cần gia công. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản dễ chế tạo,
giá thành thấp,việc sử dụng đơn giản không cần đào tạo. nhược điểm là 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.
2
Chương 1. Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
Hình 1.1. khoan thủ công
1.1.3. Khoan cỡ nhỏ ( khoan tay sử dụng điện )
Bằng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và máy móc con người đã chế tạo được
những thiết bị khoan nhỏ gọn năng suất cao hơn các thiết bị khoan thủ công. Tính linh
động của loại khoan này cũng rất cao có thể thi công trong những vị trí hẹp và có thể di
chuyển được. nhược điểm của loại khoan này là không thế gia công được những lỗ khoan

lớn, năng suất không cao, không thể công nghiệp hóa được.
Hình 1.2. Khoan tay sử dụng điện
3
Chương 1. Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
1.1.4. Máy khoan CNC
Bằng sự phát triển của công nghệ ứng dụng.con người đã đưa máy tính vào để thay
con người tính toán và thực hiện các công việc đã được lập trình sẵn một các nhanh
chóng và chính xác. Do sự phát triển và tính công nghiệp ngày càng cao nên việc đưa
máy tính vào kết hợp với các máy khoan là sự cần thiết bởi vậy mà máy khoan CNC đã
ra đời. Khoan CNC ưu điểm là tính công nghiệp cao, là một khâu quan trọng trong các
xưởng gia công các nhà máy gia công chế tạo,máy khoan CNC tính tự động hóa cao nên
sử dụng ít nhân công giảm thiểu sức lao động cho công nhân, năng suất lớn tính chính
xác cao. Nhược điểm chế tạo khó khăn, giá thành cao , người công nhân vận hành máy
cần phải đào tạo.
Hình 1.3. Máy khoan CNC
4
Chương 1. Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
1.2. Mô hình máy khoan tự động
Hình 1.4. Mô hình máy khoan tự động
Ở hình 1.4. là mô hình về máy khoan tự động với các bộ phận chính là :
• Xi lanh A thực hiện truyền động nâng - hạ mũi khoan để thực hiện gia công chi
tiết khi đủ các điều kiện cần thiết.
• Xi lanh B thực hiện đẩy bàn gá, giữ cố định chi tiết cần gia công trước khi Piton A
hạ mũi khoan xuống và thực khoan.
• Xi lanh E thực hiện đẩy chi tiết cần gia công vào vị trị cần thiết để gia công.
• Xi lanh D thực hiện kẹp chặt chi tiết để cho xi lanh E đưa chi tiết vào vị trí cần
khoan.
• Cảm biến p dùng để xác định xem đã có chi tiết cần gia công đã đặt vào vị trí xác
định chưa.
• Động cơ M thực hiện việc khoan chi tiết khi các điều kiện cần thiết đã được đáp

ứng.
5
Chương 1. Mô tả công nghệ khoan và mô hình máy khoan tự động
Hình 1.5. Mô hình vị trí các xi lanh và cảm biến trên máy khoan tự động
6
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Chương 2
TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ
2.1. Phương pháp GRAFCET
2.1.1. Nội dung phương pháp GRAFCET
Phương pháp GRAFCET biểu diễn các quá trình dưới dạng lưu đồ ( GRAF ) các
trạng thái làm việc. Xây dựng các hàm logic điều khiển và sơ đồ điều khiển từ lưu đồ
trạng thái làm việc .Các bước thực hiện phương pháp GRAFCET.
a. Xây dựng lưu đồ GRAF 1 ( GI)
Hình 2.1. Lưu đồ tổng quát GRAF I
7
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
b. Xây dựng lưu đồ GRAF 2 ( GII)
Hình 2.2. Lưu đồ tổng quát của GRAF II
c. Xây dựng hàm logic
Để xây dựng được hàm logic thì ta có công thức sau : S
i-1
S
i
= (S
i
+
+ S
i

-
)S
i
-
a
i
S
i
+
=a
i
S
i-1
(hàm đóng) S
i
S
i
-
= S
i+I
( hàm cắt ) a
i+1
S
i+1
8
i-1
i
i+1
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
d. Một số trường hợp đặc biệt

d.1. Mạch phân kỳ “ HOẶC”
Quá trình mà một đường rẽ nhánh thành nhiều đường nhưng không xảy ra đồng thời
gọi là mạch phân kỳ “HOẶC”
a
i+1
a
i+2
a
i+3


S
i
-
= S
i+1
+ S
i+2
+ S
i+3
;
S
+
i+1
= a
i+1
S
i
; S
+

i+2
= a
i+2
S
i
;
S
+
i+3
= a
i+3
S
i
d.2. Mạch hội tụ “HOẶC”
Quá trình mà nhiều đường hội tụ thành một đường nhưng không xảy ra đồng thời gọi
là mạch hội tụ “HOẶC”
a
i+1
a
i+2
a
i+3
S
-
i+1
=S
-
i+2
=S
-

i+3
=S
-
i+4

S
+
i+4
= a
i+1
S
i+1
+ a
i+2
S
i+2
+ a
i+3
S
i+3
d.3. Mạch phân kỳ “VÀ”
9
i+1
i+4
i+3i+2
i+2i+1
i
i+2
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Quá trình mà một đường rẽ nhánh thành nhiều đường nhưng xảy ra đồng thời gọi là

mạch phân kỳ “VÀ”
S
-
i
= S
i+1
S
i+2
S
i+3
S
+
i+1
=S
+
i+2
=S
+
i+3
= a
i+1
a
i+2
a
i+3
S
i
d.4. Mạch hội tụ “VÀ”
Quá trình mà nhiều đường hội tụ thành một đường nhưng chỉ xảy ra đồng được gọi
là mạch hội tụ “VÀ”.

a
i+1
a
i+2
a
i+3
S
-
i+1
=S
-
i+2
=S
-
i+3
=S
i+4
S
+
i+4
= a
i+1
S
i+1
a
i+2
S
i+2
a
i+3

S
i+3
2.1.2. Ví dụ cho phương pháp GRAFCET
10
i+4
i+1 i+3i+2
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ theo phương pháp GRAFCET
Hình 2.3. lưu đồ thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ bằng phương pháp GRAFCET
*/ xét công nghệ sau : m B
-
a
0
b
0
B
+
b
1
A
+
A
-
a
1
Yêu cầu công nghệ : ấn m thì xi lanh sẽ chuyển động xuống dưới ( A
+
) chạm cảm
biến a
1

thì xi lanh sẽ chuyển động lên (A
-
) và gặp cảm biến b
0
và a
0
thì sẽ chuyển động
sang phải (B
+
) và gặp cảm biến b
1
thì chuyển động sang trái và trở về vị trí ban đầu. gặp
cảm biến a
0
thì xi lanh sẽ chuyển động xuống dưới lặp lại như ban đầu.
a. Xây dựng lưu đồ GRAF I
11
Lập GI
Lập GII
Xác định hàm điều khiển
Xây dựng sơ đồ điều khiển
Xây dựng sơ đồ mạch lực
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 2.4. Lưu đồ GRAF I
b. Xây dựng GRAF II
12
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 2.5. Lưu đồ GRAF II
c. Xác định hàm điều khiển
Với nhưng công thức đã nêu ở phần 2.1.1. ta có hàm điều khiển của công nghệ như

sau :
S
+
0
= g + a
0
S
4
S
0
= ( g + a
0
S
4
+ S
0
)S
1
S
-
0
= S
1

S
+
1
= ( m +a
0
)S

0
S
1
=( ( m+ a
0
)S
0
+ S
1
)S
2
S
1
-
= S
2
S
+
2
= a
1
S
1
S
2
= ( a
1
S
1
+ S

2
)S
3
S
-
2
= S
3
S
+
3
= b
0
S
2
S
3
= ( b
0
S
2
+ S
3
)S
4
S
-
3
= S
4

S
+
4
= b
1
S
3
13
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
S
4
= ( b
1
S
3
+ S
4
)S
0
S
-
4
= S
0
d. Xây dựng sơ đồ điều khiển và mạch lực cho hệ
- Chọn cảm biến a
0
và a
1

là cảm biến tác động cho xi lanh A thực hiện quá trình đi
xuống A
+
và quá trình đi lên A
-
.
- Chọn cảm biến b
0
và b
1
là cảm biến tác động cho xi lanh B thực hiện quá trình
sang phải B
+
và quá trình sang trái B
-
.
- Sử dụng hệ điều khiển điện khí nén rơle – tiếp điểm.
- Phần mạch lực sử dụng xi lanh và van điện khí nén 7/5/2.
d.1. sơ đồ mạch lực
Hình 2.6. sơ đồ mạch lực cho xi lanh A
14
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 2.7. sơ đồ mạch lực cho xi lanh B
d.2. sơ đồ mạch điều khiển
15
Chương 2. Tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 2.8. sơ đồ mạch điều khiển công nghệ
2.2. Phương pháp ma trận trạng thái
2.2.1. Nội dung phương pháp ma trận trạng thái
16

Rút gọn bảng chuyển trạng thái
Mã hóa biến trung gian
Xác định hàm Logic
Lập bảng chuyển trạng thái
Yêu cầu công nghệ
Mã hóa bài toán
Lập graph chuyển trạng thái