Báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống tự động hóa( công nghệ máy kiểm tra rãnh trên sản phẩm)

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA
( Công nghệ: máy kiểm tra rãnh trên sản phẩm )
I/ Nội dung
•
•
•
•

Thiết kế sơ đồ nguyên lí
Tính chọn mạch lực, mạch điều khiển
Thiết kế sơ đồ đấu dây
Mô phỏng sử dụng phần mềm Automation Studio bằng 3 phương pháp:
 Lưu đồ
 Ma trận trạng thái
 GRAFCET

1. Yêu cầu công nghệ
 Hệ thống trên được dùng để kiểm tra rãnh của sản phẩm đồng thời tiến hành doa lỗ cắt ba

via. Hệ thống hoạt động như sau: Ban đầu cả 4 xi lanh đang thu về. Khi có vật cần kiểm
tra được đưa lên bàn trượt thì cảm biến P phát hiện đc vật. Ấn nút START xi lanh A đẩy
vật ra đến vị trí gờ sau đó thu về. Sau khi xi lanh A thu về thì xi lanh D đẩy M đi xuống.
Khi chạm cảm biến vị trí d1 thì xi lanh B đẩy bàn ra tiến hành kiểm tra và qua doa lỗ lần
thứ nhất. Khi đẩy hết hành trình thì xi lanh B dừng. Thời gian đẩy của xi lanh là 3 giây.
Trong 3 giây mà xi lanh B chưa đẩy hết hành trình hoặc xảy ra lỗi đầu doa bị kẹt vào lỗ
thì xi lanh tự động thu về và dừng lại. Ấn nút SỬA CHỮA thì hệ thống tiếp tục hoạt
động. Xi lanh B đẩy hết hành trình thì xi lanh C đẩy. Khi chạm cảm biến c1 thì xi lanh B
thu về doa lỗ lần thứ hai. Quá trình thu về cũng diễn ra trong 3 giây. Nếu gặp sự cố như
doa lỗ lần 1 thì xi lanh B lại đẩy ra và dừng lại. Ấn nút SỬA CHỮA thì xi lanh B thu về.
Xi lanh B thu về hết hành trình thì xi lanh C thu về. Xi lanh D đẩy M đi lên. Kết thúc 1

chu trình.
 Sơ đồ nguyên lí công nghệ ( Bản vẽ ở trang sau )
1


2. Tính toán chọn mạch lực và mạch điều khiển
2.1. Tính toán chọn mạch lực
2.1.1. Máy nén khí







Dựa vào yêu cầu công nghệ của hệ thống như khối lượng của bàn máy, lực đẩy
của các xi lanh, khả năng chịu đựng tối đa cho phép của các van khí nén điều
khiển…ta tiến hành lựa chọn các loại máy nén khí phù hợp.
Theo áp suất làm việc, máy nén khí được phân loại thành:
• Máy nén khí áp suất thấp: p ≤ 15 Bar
• Máy nén khí áp suất cao: p ≥ 15 Bar
• Máy nén khí áp suất rất cao: p ≥ 300 Bar
Theo nguyên lí hoạt động, máy nén khí được phân loại thành:
• Máy nén khí pittong, cánh gạt, trục vít, li tâm….
Đối với bài tập lớn này em chọn loại máy nén khí áp suất thấp p ≤ 15 Bar kiểu
Pittong.

Hình 2.1. Máy nén khí pittong

2.1.2. Bộ chuẩn bị nguồn khí nén

• Để nguồn khí cấp cho hệ thống đảm bảo sạch sẽ, chống được bụi bẩn và lọc khí
ẩm ảnh hưởng đến tuổi thọ của các cơ cấu chấp hành ta sử dụng bộ chuẩn bị

2


nguồn khí nén bao gồm 3 phần tử bộ lọc tách ẩm, van điều áp và bộ phun dầu
bôi trơn.

Hình 2.2. Bộ chuẩn bị nguồn

3


Bộ lọc và tách ẩm: Giúp lọc chất bẩn và
ngưng tụ hơi nước

Van điều áp: giữ cho áp suất điều chỉnh
không đổi mặc cho có sự dao động bất
thường của áp suất đầu vào hoặc có sự
thay đổi của tải trọng đáp ứng

Cung cấp dầu bôi trơn cho khí nén ở
dạng sương làm các thiết bị chấp hành
hoạt động trơn chu và chống gỉ.

4


2.1.3. Đường ống cấp khí nén

 Chức năng: truyền tải dòng khí nén đến nơi tiêu thụ.

Hình 2.3

Hình 2.4

2.1.4. Xi lanh kép

5


Hình 2.5. Xi lanh kép có cảm biến tiệm cận
 Trong cơ cấu truyền động ta sử dụng thiết bị chấp hành là xi lanh khí nén
 Các thông số của xi lanh ta chọn theo như bảng sau:

Số xi lanh cần chọn
Kiểu tác động
Môi chất
Chiều dài hành trình
Đường kính tiết diện
Cảm biến tiệm cận

4
2 chiều
Khí
Tùy thuộc công nghệ
Tùy thuộc công nghệ
2 đầu mỗi xi lanh

 Tính toán đường kính tiết diện xi lanh và chiều dài hành trình:

• Trước hết để tính được tiết diện xi lanh ta cần quy đổi đơn vị
•

1 Bar = 1Kg/cm2
Diện tích tiết diện của xi lanh được tính theo công thức:
S = = * R2 => D = 2R = 2*
– S : Diện tích tiết diện của xi lanh ( cm2 )
– M : Tải trọng đáp ứng ( KG )
– P : Áp suất khí nén (KGf/cm2)
– R : Bán kính tiết diện của xi lanh ( cm )
– D : Đường kính tiết diện của xi lanh ( cm )

6


 Đối với yêu cầu về thông số của hệ thống thực tế, áp dụng công thức trên ta có

thể tính toán được tiết diện xi lanh cho phù hợp. Do áp suất khí nén chỉ đạt 95%
nên khi tính toán ta cần cộng thêm 10% tải trọng đáp ứng để thỏa mãn yêu cầu.
2.1.5. Van điều khiển điện – khí nén 5/2
 Xi lanh được điều khiển bởi van điện khí nén 5/2 điều khiển hai phía có nhớ.

Hình 2.6. Cấu tạo cơ khí van điện khí nén 5/2

Hình 2.7. Van điện khí nén 5/2
 Bảng thông số kĩ thuật của van lựa chọn

7

THÔNG SỐ KĨ THUẬT VAN 5/2 ĐIỆN KHÍ NÉN
Kiểu van
Loại van
Vùng tác động hiệu quả
Áp suất làm việc (MPa)
Áp suất tối đa chịu được (MPa)
Nhiệt độ thích hợp (oC)
Điện áp hoạt động của cuộn dây
Tầm hoạt động của điện thế
Thời gian tác động

4V220-08
5 cửa hai trạng thái, có nhớ
16 mm2
0.15 – 0.8 MPa
1.2 MPa
-5 - 50
24 VDC
± 10%
0.05s

 Áp suất máy nén khí ta chọn trước đó nhỏ hơn 15 Bar nên chọn van điều khiển

trên là hợp lí.

2.1.6. Van tiết lưu 1 chiều cho xi lanh

Hình 2.8. Van tiết lưu 1 chiều
8

2.2. Tính toán chọn mạch điều khiển
2.2.1. Chọn bộ điều khiển PLC
 Đối với hệ thống như trên có tổng cộng 12 đầu vào và 14 đầu ra em lựa chọn
PLC Rockwell Compact Logix L32E để điều khiển hoạt động của công nghệ.
 Cấu tạo của PLC Compact Logix L32E bao gồm 4 phần: khối CPU, khối nguồn
cấp, khối truyền thông và khối vào ra IO

Hình 2.9. PLC Rockwell 1769 L32E
 Module CPU

9


Hình 2.10. Module CPU
 Module nguồn

Hình 2.11. Module nguồn
Module nguồn có tên 1769-PA2 seri A rev 3.
Thông số kĩ thuật:
10


•
•
•

Điện áp vận hành: 85-265 VAC, 47-63 Hz.
Công suất tiêu thụ: 110 VA ở điện áp 110 VAC và 130VA ở 240 VAC.
Dòng tối đa: 2.0A ở điện áp 5V, 0.8A ở 24V.

 Module truyền thông

Module này có tên DeviceNet Scanner 1769-SDN/B seri B rev
Thông số kĩ thuật:
-

Tốc độ truyền thông: 125 Kbps với khoảng cách tối đa 500m, 250 Kbps
khoảng cách tối đa 250m, 500 Kbps với khoảng cách tối đa 100m.
Dòng yêu cầu tối đa: 90 mA ở điện áp 110 VDC, 110 mA ở điện áp
25VDC.
Số node kết nối tối đa: 64.

Hình 2.12. Module truyền thông
 Module vào ra

11


Hình 2.13. Module vào số

Hình 2.14. Module ra số

12


2.2.2. Lựa chọn Aptomat ( MCB ) bảo vệ PLC
 Theo thông số kĩ thuật của nguồn cấp cho PLC, Công suất tiêu thụ của PLC ở

240VAC là 130 VA nên ta tính được dòng tiêu thụ khi đó là xấp xỉ 0.8A. Vậy

ta sẽ lựa chọn loại Aptomat 1 pha có dòng làm việc gấp 1.5 lần dòng làm việc
của PLC => ta chọn aptomat có dòng làm việc 1.2A.
2.2.3. Lựa chọn rơ le trung gian
 Ta lựa chọn rơ le trung gian đóng cắt cho các van điều khiển dựa vào các
thông số sau:
• Dòng điện định mức của rơ le: là dòng điện lớn nhất cho phép rơ le làm
việc trong thời gian dài mà không bị hư hỏng. Khi chọn rơ le trung gian
thì dòng điện định mức của nó không được nhỏ hơn dòng định mức của
phụ tải ( ở đây là dòng định mức của van khí nén )
Iđm = (1.2 ÷ 1.5 ) Itt
• Điện áp cung cấp cho cuộn hút của rơ le là mức điện áp khi đó rơ le hoạt
động. Điện áp này phải phù hợp với bộ điều khiển PLC nên điện áp cuộn
hút là 24VDC.
• Qua đó em chọn rơ le trung gian OMRON – MY4N để điều khiển hệ
thống.

•

Hình 2.15. Cấu tạo rơ le trung gian
Các thông số của rơ le MY4N
- Điện áp cuộn dây: 24 VDC có LED hiển thị
- Thông số tiếp điểm: dòng chịu được tối đa 5A ở 28 VDC
dòng chịu được tối đa 5A ở 250 VAC
13


Hình 2.16. Sơ đồ đấu dây trong rơ le trung gian
2.2.4. Lựa chọn cảm biến quang
 Lựa chọn điện áp cấp cho cảm biến phải phù hợp với điện áp của mạch điều
khiển. Do mạch điều khiển kết nối với PLC nên điện áp của cảm biến là

24VDC.

Hình 2.17. Cảm biến quang

14


Hình 2.18. Sơ đồ đấu dây cảm biến quang

 Các thông số của cảm biến quang được lựa chọn
• Khoảng cách phát hiện được vật: 0 – 30 cm
• Loại đầu ra NPN thường hở, 3 dây ( xanh, nâu, đen )
• Điện áp hoạt động 6 – 36 VDC
• Dòng điện đầu ra 300mA
• Môi trường làm việc: -40oC – 70oC
• Chiều dài dây: 1m
• Phát hiện các đối tượng: mờ đục….

2.2.5. Nút ấn, công tắc

15


Hình 2.19. Nút ấn
 Các thông số của nút ấn
• Dòng điện định mức 5A
• Điện áp định mức 400V
• Tuổi thọ rất cao.

2.2.6. Đèn báo

Hình 2.20. Đèn báo
 Lựa chọn loại đèn báo AD16-22DS với các thông số kĩ thuật:
• Điện áp cấp 24VDC, 24VAC
• Dòng điện < 20 mA

2.2.7. Tính toán lựa chọn dây dẫn cho PLC và mạch điều khiển
 Tiêu chuẩn IEC 60439 được cho trong bảng sau
Bảng tiêu chuẩn chọn dây IEC 60439

Conductor cross-sectional area

Range of rate current
Ampe

mm2
16

AWG/MCM


0

8

1,0

18

8

12

1,5

16

12

15

2,5

14

15

20

2,5

12

20

25

4

10

25

32

6

10

 Dựa theo bảng tiêu chuẩn trên, với hệ thống các rơ le trung gian có dòng tải

định mức của tiếp điểm là 5A, dòng tối đa chịu được là 5A và dòng qua cuộn
hút van điện từ là 9mA nên ta chọn dây dẫn mạch điều khiển cho rơ le và van có
tiết diện 1 mm2.
 Bộ nguồn của PLC rockwell có công suất 110VA ở 240VAC, chịu được dòng
tối đa là 2A ở 5V và 0,8A ở 24V nên chọn dây dẫn cấp nguồn nuôi cho plc qua
ap to mat là 2 x 1.5 mm2.
 Chọn dây dẫn đấu đầu vào ra PLC tương tự như chọn dây cho rơ le trung gian.
3. Thiết kế sơ đồ nguyên lí
3.1. Sơ đồ nguyên lí tủ điện điều khiển ( Bản vẽ ở trang tiếp theo )
3.2. Sơ đồ đấu dây cho PLC ( Bản vẽ ở trang tiếp theo )

17


4.1. Mô phỏng sử dụng phần mềm Automation Studio
4.1.1. Phương pháp lưu đồ
a. Yêu cầu công nghệ ( đã nêu ở phần đầu tiên )
b. Thiết kế lưu đồ trạng thái làm việc của hệ thống
( Bản vẽ ở trang tiếp theo )

c.

Liệt kê các đầu vào ra cho PLC
Bảng liệt kê các đầu vào PLC
CÁC ĐẦU VÀO
STT

Địa chỉ

Kí hiệu
18

Chức năng


1

Local:2:I.Data0

start

Khởi động hệ thống

2

Local:2:I.Data1

stop

Dừng hệ thống tiến

3

Local:2:I.Data2

a0

CHT đầu hành trình Xilanh A

4

Local:2:I.Data3

a1

CHT cuối hành trình Xilanh A

5

Local:2:I.Data4

b0

CHT đầu hành trình Xilanh B

6

Local:2:I.Data5

b1

CHT cuối hành trình Xilanh B

7

Local:2:I.Data6

c0

CHT đầu hành trình Xilanh C

8

Local:2:I.Data7

c1

CHT cuối hành trình Xilanh C

9

Local:2:I.Data8

P

Phát hiện vật trên bàn máy

10

Local:2:I.Data9

d0

CHT đầu hành trình Xilanh D

11

Local:2:I.Data10

d1

CHT cuối hành trình Xilanh D

12

Local:2:I.Data11

Sua chua

Sửa chữa khi hệ thống gặp lỗi

Bảng liệt kê các đầu ra PLC
CÁC ĐẦU RA
STT

Địa chỉ

Kí hiệu

Chức năng

1

Local:3:O.Data0

Đèn xanh

Bật khi hệ hoạt động

2

Local:3:O.Data1

XLAday

Xi lanh A đẩy

3

Local:3:O.Data2

XLAthu

Xi lanh A thu

4

Local:3:O.Data3

XLDday

Xi lanh D đẩy

5

Local:3:O.Data4

XLDthu

Xi lanh D thu

6

Local:3:O.Data5

XLBday

Xi lanh B đẩy

19


7

Local:3:O.Data6

XLBthu

Xi lanh B thu

8

Local:3:O.Data7

XLCday

Xi lanh C đẩy

9

Local:3:O.Data8

XLCthu

Xi lanh C thu

10

Local:3:O.Data9

Đèn đỏ 1

Bật khi hệ gặp sự cố 1

11

Local:3:O.Data10

Đèn đỏ 2

Bật khi hệ gặp sự cố 2

12

Local:3:O.Data11

Đèn flash 1

Biến trung gian

13

Local:3:O.Data12

Đèn flash 2

Biến trung gian

14

Local:3:O.Data13

Đèn flash 3

Biến trung gian

d. Chạy mô phỏng hệ thống trên Automation Studio

( Bản vẽ ở trang sau )

( File chạy đã gửi cho thày giáo )

20


4.1.2. Phương pháp Ma trận trạng thái
4.1.2.1. Yêu cầu công nghệ : Như phần a mục 4.1.2
4.1.2.2. Quá trình thiết kế theo phương pháp ma trận trạng thái
a, Liệt kê biến vào ra
 Tín hiệu vào điều khiển:
 Tín hiệu khởi động hệ thống START
 Tín hiệu dừng hệ thống khẩn cấp STOP
 a0,a1,b0,b1,c0,c1,d0,d1 là các tín hiệu từ các công tắc hành trình
 Tín hiệu phát hiện vật Sensor_P
 Tín hiệu ra:
 A0, A1, B0 ,B1 ,D0, D1 là các tín hiệu ra điều khiển các xi-lanh A,B,C
và D.
 Tín hiệu điều khiển các đèn báo đang RUN hoặc cảnh báo.
b, Sơ đồ trang thái của các biến vào ra trong quá trình
 Để quá trình tìm các phương trình trạng thái dễ dàng hơn chúng em chỉ tìm

phương trình trạng thái mô tả chuyển động chính của cơ cấu khi sản phầm
không lỗi sau đó mới bổng sung thêm các hoạt động khi phát hiện lỗi.
 Các biến sau khi đã tối giản:
 Biến vào: a0,a1,b0,b1,c0,c1,d0,d1
 A0,A1,B0,B1,C0,C1,D0,D1
 Sau khi đã tối giản các biến để tiện cho việc tìm phương trình trạng thái ta có sơ đồ sau:

21

(2)

(1)

(3)

(4)

(6)

(7)

Biến vào
d

TT

Biến ra

d

d

d

c

c
b

a
1

2

2

(2)

1

0

0

0

0

0

3

0

1

0

0

0

0

(3)

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

(1)

3

4

4

(4)

5

5

(5)

6

6

(6)

 Lập bảng chuyển dịch 1:

22

1


 Lập bảng chuyển dịch 2:

Từ bảng chuyển dịch 1, nếu ta đem ra xác định hàm điều khiển thì hàm điều khiển thu được là
không tối giản, vì thế ta phải tối thiểu hàm chuyển dịch qua hai bước:
+ Nhập hàng

+ Nhập trạng thái tương đượng
Nhập hàng:
Tiêu chuẩn nhập hàng theo điều kiện sau: các trạng thái có thể nhập lại được với nhau
nếu số trạng thái trong cột cùng tên và giống nhau.
Nếu một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định thì ta ưu tiên trạng thái
ổn định.
Nếu một trạng thái ổn định và một ô trống thì ta ưu tiên trạng thái ổn định.
Nếu một trạng thái không ổn định và một ô trống thì ta ưu tiên trạng thái không ổn
định.
 Nhập trạng thái tương đương:
Sau khi đã nhập được các trạng thái theo các điều kiện ở trên, chúng ta có thể tiếp tục
nhập các trạng thái còn lại cho những trạng thái tương đương, trạng thái tương đương
là trạng thái có tính chất sau:
• có cùng tín hiệu ra.
• Khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác kéo theo cùng thứ tự chuyển
giá trị đầu ra.


-

-

⇒ Bảng truyển trạng thái 2:

d

d

d

c

d
c

b
a

(2
)

(4
)
23

(5
)

(6
)

(3
)

(1)


Nhìn bảng trạng thái ta sẽ thấy trong bài toán này không cần biến trung gian.

 Hàm điều khiển cho các biến ra:

 Ma trận trạng thái cacno cho biến ra A0:

d

d

d

c

d
c

b
a

0

0 0

0

1

0

0

1

0

⇒ Hàm điều khiển biến ra A0: A0=
 Ma trận trạng thái cacno cho biến ra B0:

d

d

d

c

d
c

b
a

0

0

0 0

0

⇒ Hàm điều khiển biến ra B0: B0 =
 Ma trận trạng thái cacno cho biến ra C0:

d

d

d

c

d
c

b
a

24


0

1 0

0

0

0

⇒ Hàm điều khiển biến ra C0: C0 = b.



Ma trận trạng thái cacno cho biến ra D0:
d

d

d

d

c

c
b

a

1

0 0

⇒ Hàm điều khiển biến ra D0:


0

0

0

0

D0 = A1

Ma trận trạng thái cacno cho biến ra A1:
d

d

d

c

d
c

b
a

1

⇒ Hàm điều khiển biến ra A1:


0 0

A1 = a

Ma trận trạng thái cacno cho biến ra B1:

25

0

0