Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại trường cao đẳng công nghiệp sao đỏ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.59 MB, 64 trang )
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Mục lục
1. Lý do lựa chọn đề tài. .................................................................................. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu. ................................................................................... 3
3. Nội dung nghiên cứu. .................................................................................. 3
4. Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................... 4
5. Đối t-ợng nghiên cứu. ................................................................................. 4
6. Ph-ơng pháp nghiên cứu. ............................................................................ 4
7. Cấu trúc của đề tài. ...................................................................................... 5
Ch-ơng 1: module phân loại và gia công vật liệu trong đào tạo tại tr-ờng
CĐCN Sao đỏ ........................................................................................... 6
1.1. hệ thống điều khiển tự động ................................................................ 6
1.2. module phân loại và gia công vật liệu ................................................. 7
1.3. Giới thiệu về các module..................................................................... 9
1.3.1. Module vận chuyển sản phẩm. .................................................. 9
1.3.2. Module kiểm tra kích th-ớc. ................................................... 11
1.3.3. Module gia công cơ khí dạng khoan. ...................................... 12
Ch-ơng 2: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển Module phân loại và gia công
vật liệu.................................................................................................... 15
2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển cho module phân loại và gia công vật liệu.15
2.2 Thiết kế mạch điện. ............................................................................ 16
2.2.1. Khảo sát mạch điện trong các module. ................................... 16
2.2.2. Linh kiện đc sử dụng trong các module thí nghiệm ................ 19
2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển. ............................................................ 24
-1-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Ch-ơng 3: Thiết kế ch-ơng trình ............................................................ 38
3.1. L-u đồ thuật toán .............................................................................. 38
3.1.1. L-u đồ điều khiển hệ thống vận chuyển dạng tay quay .......... 38
3.1.2. L-u đồ điều khiển hệ thống đo, phân loại theo chiều cao...... 38
3.1.3. L-u đồ điều khiển hệ thống khoan .......................................... 39
3.2. Ch-ơng trình điều khiển. ................................................................... 40
3.2.1. Ch-ơng trình trên vi điều khiển............................................... 40
3.2.2. Ch-ơng trình điều khiển trên Visual Basic 6.0. ...................... 41
3.3. Thực nghiệm, hiệu chỉnh hệ thống. ................................................... 41
3.3.1. Thực nghiệm............................................................................ 41
3.3.2. Hiệu chỉnh hệ thống. ............................................................... 41
Kết luận và H-ớng phát triển .................................................................. 44
Tài liệu tham khảo .................................................................................. 44
Phụ lục ................................................................................................... 45
1. Ch-ơng trình điều khiển. ............................................................... 45
2. Ch-ơng trình hiển thị trên Visual Basic. ....................................... 61
Mở đầu
1. Lý do lựa chọn đề tài.
-2-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Trong xu thế phát triển và hội nhập, đứng tr-ớc thách thức chung của nền giáo
dục và đào tạo n-ớc nhà, tr-ờng Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ trong những năm
qua đã có những nỗ lực trong việc nâng cao chất l-ợng đào tạo với ph-ơng châm
đo tạo những gì xã hội cần. Một trong những biện pháp để nâng cao chất l-ợng
đo tạo để Đo tạo những gì xã hội cần đó l tăng cường cơ sở vật chất theo
h-ớng sát với thực tế sản xuất: Các mô hình, các thiết bị thí nghiệm, thực hành đ-ợc
đầu t- mua sắm, sản xuất mô phỏng các dây chuyền sản xuất tự động trong thực tế,
các thiết bị, mô hình này mô phỏng các dây chuyền sản xuất tự động điều khiển
bằng PLC.
Là một giáo viên của Tr-ờng Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ sau 2 năm tham
gia nghiên cứu học tập cao học chuyên ngành Đo l-ờng và tin học công nghiệp
Tr-ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, nhận thấy những mặt mạnh, tính linh hoạt của
vi điều khiển ứng dụng trong tự động hoá, nhất là ở những phạm vi ứng dụng nhỏ và
vừa nên tôi lựa chọn đề ti Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại
và gia công vật liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại
tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ. để làm luận văn tốt nghiệp cao học của mình.
Đề tài sẽ giúp cho việc xây dựng các bộ điều khiển bằng vi điều khiển để linh hoạt
thay thế các bộ PLC điều khiển các mô hình, thiết bị mô phỏng các dây chuyền sản
xuất trong thực tế phục vụ công tác giảng dạy.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
- Nghiên cứu xây dựng mạch điện điều khiển bộ điều khiển cho thiết bị phân
loại và gia công vật liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại
tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ.
- Nghiên cứu xây dựng phần mềm điều khiển thiết bị phân loại và gia công vật
liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công
nghiệp Sao Đỏ.
- Thực nghiệm và hoàn thiện bộ điều khiển thiết bị phân loại và gia công vật
liệu bằng vi điều khiển.
3. Nội dung nghiên cứu.
-3-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị phân loại và gia công vật
liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công
nghiệp Sao Đỏ.
- Thiết kế mạch điện phần cứng, xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát
thiết thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho phòng thí nghiệm điện tử
công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ.
- Lắp đặt, thực nghiệm, đánh giá hiệu quả và chất l-ợng hệ thống.
4. Phạm vi nghiên cứu.
- Nghiên cứu thiết bị phân loại và gia công vật liệu tại khoa ĐT-TH tr-ờng CĐ
CN Sao Đỏ.
- Thiết kế, hoàn thiện bộ điều khiển thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng
dụng cho phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp
Sao Đỏ.
5. Đối t-ợng nghiên cứu.
- Lý thuyết về vi điều khiển.
- Ph-ơng án thiết kế và lắp đặt, thực nghiệm và kiểm tra mô hình hệ thống phân
loại và gia công vật liệu của tr-ờng CĐCN Sao đỏ.
6. Ph-ơng pháp nghiên cứu.
6.1. Ph-ơng pháp nghiên cứu tài liệu.
- Nghiên cứu tài liệu viết về quá trình tự động hóa và điều khiển bằng vi điều
khiển để đ-a ra cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển phân loại và gia công vật liệu.
- Nghiên cứu các đề tài, các công trình khoa học về bộ điều khiển bằng vi điều
khiển để rút kinh nghiệm và làm cơ sở phát triển đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết về cách thiết kế, lập trình, lắp đặt bộ điều khiển bằng vi
điều khiển...
6.2. Ph-ơng pháp thực nghiệm.
-4-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
- Lắp đặt thực nghiệm hoàn chỉnh bộ điều khiển phân loại và gia công vật liệu.
- Thực nghiệm kết nối, vận hành hệ thống, theo dõi và ghi lại thông tin, số liệu
khi quan sát hệ thống điều khiển phân loại, gia công, đếm sản phẩm tự động, khi
thay đổi các thông số kỹ thuật. Kiểm tra, điều chỉnh các cơ sở dữ liệu lý thuyết rút
ra các kết luận về thông số kỹ thuật điều khiển hệ thống, đảm bảo nguyên tắc mang
tính phổ biến để cho kết quả thực nghiệm đ-ợc khách quan.
7. Cấu trúc của đề tài.
Mở đầu
Ch-ơng 1: Module phân loại và gia công vật liệu trong đào tạo tại tr-ờng cao
đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Ch-ơng 2: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển Module phân loại và gia công vật
liệu
Ch-ơng 3: Thiết kế ch-ơng trình.
Kết luận và khuyến nghị.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục
-5-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Ch-ơng 1: module
phân loại và gia công vật liệu
trong đào tạo tại tr-ờng CĐCN Sao đỏ
1.1. hệ thống điều khiển tự động
Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển tự động đ-ợc mô tả hình 1.1.
Hệ thống điều khiển
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển tự động
- Thông số môi tr-ờng: Bao gồm thông số điện và thông số phi điện. Là các
thông tin từ các tác động điều khiển gửi tới trung tâm điều khiển.
- Thiết bị vào: Công tắc, nút bấm, cảm biến, bộ chuyển mức, mạch biến đổi
v.v...
- Hệ thống điều khiển: Trung tâm điều khiển các thiết bị điều khiển có thể là
mạch điều khiển Rơle, hệ vi điều khiển, hệ vi xử lý hoặc PLC. Chúng có chức năng
nhận tín hiệu điều khiển từ các thiết bị vào, thực hiện các logic điều khiển và cấp tín
hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành:
+ Tín hiệu đầu vào: Là các đại l-ợng vật lý qua các sensor tiếp điểm, sensor từ,
sensor quang cho ta mức logic. Ngoài ra còn có sensor cho ta tín hiệu t-ơng tự, tín
hiệu ra là một dải điện áp.
+ Xử lý tín hiệu vào là bộ phận phối hợp mức tín hiệu sao cho tín hiệu đa về có
tính an toàn cao cho các khối xử lý tiếp theo.
-6-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
+ Thực hiện các thuật toán logic hay bộ điều khiển: Thực hiện quá trình thu thập
và xử lý tín hiệu, điều chỉnh tham số và công nghệ đa tín hiệu điều khiển khối công
suất.
+ Khối công suất: Để điều khiển cơ cấu chấp hành, đáp ứng đ-ợc yêu cầu đã đề
ra. Hiện nay các hệ thống giao tiếp với cơ cấu chấp hành th-ờng sử dụng rơle,
transistor công suất, IC công suất chuyên dụng trong giới hạn của đề tài đã sử dụng
Transistor công suất kết hợp với rơle vừ có tính chất cách ly về điện và cung cấp đủ
công suất cho cơ cấu chấp hành
- Cơ cấu chấp hành: Là các hệ thống truyền động, biến đổi tín hiệu điều khiển
thành tác động điều khiển.
- Tác nhân điều khiển: Là những yếu tố tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến các
thông số môi tr-ờng.
1.2. module phân loại và gia công vật liệu
Hiện tại trong phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của khoa Điện tử- Tin học
tr-ờng Cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ đ-ợc trang bị các module rời nh-: vận chuyển,
phân loại, gia công, kiểm tra kích th-ớc... để phục vụ cho công tác đào tạo ngành
Điện tử công nghiệp.
Các module này có chuẩn điện áp phù hợp với các bộ điều khiển sử dụng vi điều
khiển. Mức logic 0=0V, mức logic 1=5V, trong các module đã có mạch chuyển
ng-ỡng để có các mức logic đó. Khi thực hiện thí nghiệm bài nào thì sử dụng các
module đó.
Với nội dung tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho 2 module phân
loại và gia công vật liệu theo sơ đồ sau:
Phôi
Module
kiểm tra
kích th-ớc
Module
vận
chuyển
sản phẩm
Hệ thống
điều khiển
Module gia
công cơ khí
dạng khoan
Sản
phẩm
Máy tính
Hình 1.2. Sơ đồ tổng quan mô hình phân loại và gia công vật liệu
-7-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: phôi đ-a đến module kiểm tra kích th-ớc,
nếu kích th-ớc của phôi đem kiểm tra lớn hơn hoặc nhỏ hơn kích th-ớc chuẩn 2mm
thì phôi đó đ-ợc coi là phế phẩm và đ-ợc loại bỏ ở module kiểm tra kích th-ớc. Nếu
kích th-ớc chuẩn, phôi đó đ-ợc module vận chuyển đ-a tới module gia công cơ khí
dạng khoan để gia công. Sau khi gia công sản phẩm đ-ợc đ-a vào kho. Tất cả các
quá trình trên đ-ợc giám sát và điều khiển thông qua máy tính.
Với quá trình hoạt động trên, học sinh, sinh viên sẽ hình dung đ-ợc quá trình
hoạt động của một dây truyền sản xuất tự động. Biết cách viết giải thuật, ch-ơng
trình điều khiển cho một dây truyền sản xuất tự động trong thực tế.
- Phôi: Module phân loại và gia công sản phẩm sử dụng mẫu chi tiết hình trụ
tròn đ-ờng kính 20mm, chiều cao h= 20mm, sản phẩm có chiều cao v-ợt hoặc
không đạt độ cao h = 20mm thì đ-ợc coi là phế phẩm.
- Module vận chuyển sản phẩm: Sử dụng xi lanh khí và công tắc hành trình.
- Module kiểm tra kích th-ớc: Sử dụng xi lanh khí và sensor cảm biến chiều cao.
- Module gia công cơ khí dạng khoan: Là một thiết bị mô hình của hệ thống gia
công cơ khí, module này sử dụng khí nén để điều khiển, các dẫn động là những
xilanh, pittông, nhằm tạo ra những tác động đ-ợc cài đặt tr-ớc thông qua những van
điện và các van điện này đ-ợc điều khiển bởi tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển.
Module gồm có các phần tử điều khiển nh-: van điện, khoan điện và sensor để thu
tín hiệu từ module gia công về module điều khiển.
- Hệ thống điều khiển: Có rất nhiều ph-ơng pháp để thực hiện điều khiển cho
dây chuyền phân loại, đóng gói sản phẩm nh-: Sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, điều
khiển thông qua ghép nối máy tính và điều khiển bằng PLC. Trong đề tài này lựa
chọn điều khiển bằng vi điều khiển.
- Máy tính: Giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống. Giao tiếp
sử dụng chuẩn nối tiếp RS232, hiển thị quá trình kiểm tra đóng gói bằng Visual
Basic.
-8-
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
1.3. Giới thiệu về các module
1.3.1. Module vận chuyển sản phẩm.
Là module kiểu tay gắp sử dụng khí nén để hút nhả vật, để vận chuyển vật từ vị
trí này đến vị trí khác.
Module gồm có các phần tử điều khiển nh-: van điện và sensor để thu tín hiệu
từ module vận chuyển về module điều khiển.
5
4
1
3
2
Hình 1.3: Module vận chuyển sản phẩm
Module vận chuyển sản phẩm bao gồm:
1. Hộp điều khiển đầu vào và ra của module
2. Hạn vị bên phải
3. Hạn vị bên trái
4. Tay gắp
5. Cơ cấu hút nhả vật
6. Cơ cấu tay quay bằng khí nén
-9-
6
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
1.3.1.1. Bảng địa chỉ vào ra của module vận chuyển sản phẩm.
Tín hiệu của
sensor
1. Hạn vị quay
phải (2B00)
2. Hạn vị quay
trái (2B01)
Địa chỉ
I0
I1
Tín hiệu điều khiển
1. Điều khiển quá trình
quay phải (van 2Y00)
2. Điều khiển quá trình
quay trái (van 2Y01)
3. Điều khiển quá trình
hút nhả vật (van 2Y02).
Địa chỉ
O0
O1
O2
1.3.1.2. Nguyên lý làm việc của module.
Khi có tín hiệu điều khiển đ-a vào O0 tay gắp của module sẽ quay về phía phải,
tại đây hạn vị quay phải sẽ báo, ở đầu ra I0 sẽ có tín hiệu. Lúc đó ta cấp tín hiệu hút
vật vào đầu vào O2, khi vật đã đ-ợc hút cấp tín hiệu điều khiển vào đầu vào điều
khiển O1 để tay gắp vận chuyển sản phẩm sang trái, khi sang đến nơi hạn vị quay
trái sẽ báo ở đầu ra I1.
- 10 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
1.3.2. Module kiểm tra kích th-ớc.
Khi sản phôi đ-a vào module này, module sẽ thực hiện kiểm tra kích th-ớc.
Phôi đem vào đo kích th-ớc nếu có chiều cao sai lệch trong khoảng 2mm sẽ đ-ợc
coi là phế phẩm
6
5
4
1
3
2
Hình 1.4 : Module kiểm tra kích th-ớc
Module kiểm tra kích th-ớc gồm:
1. Hộp điều khiển đầu vào và đầu ra của module
2. Hạn vị kho phế phẩm
3. Hạn vị kho thành phẩm
4. Hạn vị trên khi đo
5. Đầu đo chiều cao
6. Cơ cấu nâng hạ bằng khí nén
- 11 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
1.3.2.1. Bảng địa chỉ vào ra của module kiểm tra kích th-ớc.
Tín hiệu của sensor
1. Hạn vị phôi phế
phẩm (3B00)
2. Hạn vị nâng để
đo phôi (3B01)
Địa chỉ
Tín hiệu điều khiển
1. Điều khiển nâng
I0
phôi (3Y00)
2. Điều khiển hạ
I1
phôi (3Y01)
3. Hạn vị phôi
thành phẩm
3. Điều khiển đẩy
I2
phôi (3Y02)
(3BO2)
4. Hạn vị đẩy phôi
(3BO3)
5. Cảm biến chiều
cao
Địa chỉ
O0
O1
O2
I3
AL
1.3.2.2. Nguyên lý làm việc của module.
Khi có sản phẩm đặt vào khay để sản phẩm, cấp tín hiệu nâng phôi vào O0. Khi
đó sản phẩm sẽ đ-ợc nâng lên và đ-a vào đầu đo, trong quá trình nâng lên để đo
phôi sẽ qua hạn vị báo vị trí phôi thành phẩm, phôi phế phẩm. Khi quá trình đo thực
hiện hạn vị báo đo sẽ đ-a tín hiệu ra ở đầu ra I1, kết quả của quá trình đo sẽ đ-ợc
đ-a ra ở đầu ra AL. Sau đó ngừng tín hiệu nâng phôi và cấp tín hiệu hạ phôi vào
chân O1, phôi đúng kích th-ớc sẽ đ-ợc dừng ở vị trí phôi thành phẩm, khi đó I1 báo,
phôi sai kích th-ớc sẽ đ-ợc dừng ở ví trí phôi phê phẩm lúc đó I2 báo. Với phôi phế
phẩm sẽ có cơ cấu đẩy phôi vào kho phế phẩm nhờ tín hiệu điều khiển O2.
1.3.3. Module gia công cơ khí dạng khoan.
- 12 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Khi đ-a phôi vào khay, module sẽ kẹp phôi và gia công d-ới dạng khoan. Khi
phôi đ-ợc gia công sẽ đ-ợc vận chuyển tới vị trí mới.
7
6
3
2
5
1
4
Hình 1.5 : Module gia công cơ khí dạng khoan
Module gia công cơ khí dạng khoan bao gồm:
1. Hộp điều khiển
2. Hạn vị bên trong của khay kẹp phôi
3. Hạn vị bên ngoài của khay kẹp phôi
4. Pitong kẹp phôi
5. Giá kẹp phôi
6. Động cơ khoan
7. Cơ cấu khí nén nâng hạ khoan
1.3.3.1. Địa chỉ vào/ra của module gia công vật liệu.
- 13 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Tín hiệu của sensor
Địa chỉ
Tín hiệu điều khiển
van điện, khoan
1.Sensor hạn vị
trong của khay
1. Điều khiển van
đẩy khay ra ngoài
I0
(8B00)
(8Y00)
2. Sensor hạn vị
2. Điều khiển van
ngoài của khay
Địa chỉ
I1
kéo khay vào trong
O0
O1
(8Y01)
(8B01)
3.Sensor hạn vị trên
của khoan
I2
3. Điều khiển hạ
khoan xuống (8Y02)
O2
(8B02)
4. Sensor hạn vị
d-ới của khoan
I3
4. Điều khiển khoan
vật
O3
(8B03)
1.3.3.2. Nguyên lý làm việc của module.
Khi bắt đầu làm việc module điều khiển sẽ cấp tín hiệu điều khiển vào O0 đẩy
khay ra ngoài, hạn vị ngoài của khay I1 sẽ báo. Phôi đ-ợc đặt vào khay thì dừng tín
hiệu đẩy khay O0 và cấp tín hiệu kéo khay vào trong ở đầu vào O1. Khi khay vào
đến bên trong I0 sẽ báo, quá trình gia công bắt đầu thực hiện. Khoan đang ở vị trí
hạn vị trên lúc này I2 báo, cấp tín hiệu điều khiển hạ khoan ở đầu vào O2 và khoan
ở O3. Khi khoan xong hạn vị d-ới I3 của khoan sẽ báo, quá trình khoan kết thúc.
Phôi lúc này đã đ-ợc gia công thành sản phẩm.
- 14 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
Ch-ơng 2: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển Module
phân loại và gia công vật liệu
2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển cho module phân loại và
gia công vật liệu.
Các module trên đã thiết kế để có chuẩn điện áp đầu vào và đầu ra phù hợp với
bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển. Ngoài ra, bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển
còn tỏ ra linh động, mềm dẻo, rẻ tiền.
Khi thiết kế bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển, sẽ giúp cho học sinh sinh viên
hiểu về cấu trúc phần cứng của mạch điện tử, mạch ghép nối
Sơ đồ khối bộ điều khiển:
Máy
tính
Bộ
điều
khiển
Module
thí
nghiệm
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển.
+) Máy tính: Thực hiện quản lý toàn bộ các hoạt động của hệ thống thông qua
phần mềm điều khiển. Truyền tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển thông qua
cổng COM và đồng thời cũng nhân các tín hiệu từ mạch điều khiển thông qua cổng
COM.
+) Bộ điều khiển: Gồm khối nguồn và khối điều khiển trung tâm.
- Khối nguồn: Biến đổi điện áp xoay chiều 220v thành điện áp một chiều 5v và
12v cung cấp cho mạch điều khiển.
- Khối điều khiển trung tâm: Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính để điều khiển
trực tiếp các động cơ trong hệ thống, đồng thời nó truyền tín hiệu từ các sensor lên
máy tính. Quá trình truyền- nhận giữa máy tính và khối điều khiển đ-ợc thực hiện
thông qua cổng COM của máy tính.
+) Module thí nghiệm: gồm module gia công, vận chuyển, kiểm tra kích th-ớc
để thực hiện một số yêu cầu từ bộ điều khiển đ-a tới.
- 15 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
2.2 Thiết kế mạch điện.
2.2.1. Khảo sát mạch điện trong các module.
2.2.1.1. Mạch cảm biến.
R1
D2
1
2
3
4
5
0
D3
D4
0
C
D5
RESISTOR SIP 5
+24V
U3
+5v
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
R3
D6
8.2K
D7
8B00
R4
8.2K
D8
8B01
R5
8B02
R6
8.2K
D9
8.2K
PA2 VCC
PD0 PB7
PD1 PB6
PA1 PB5
PA0 PB4
PD2 PB3
PD3 PB2
PD4 PB1
PD5 PB0
GND PD6
+5v
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
1
J6
I0
1
J7
I1
1
J8
I2
1
J9
I3
1
J10 I4
0
8B03
Hình 2.2: Sơ đồ mạch cảm biến van điện, động cơ.
- Các cảm biến 8B00, 8B01, 8B02, 8B03, đ-ợc mắc với nguồn +24v.
- D2, D3, D4, D5, là các diode zenner có nhiệm vụ ổn áp +5v mức tín hiệu từ
cảm biến đ-a về.
*Nguyên lý làm việc.
Khi có cảm biến nhận tín hiệu thì nó sẽ dẫn cho dòng điện qua nó, qua điện trở
8.2k sau đó đ-ợc ổn áp trên diode zenner đ-ợc điện áp +5v để cấp ra cho module
điều khiển.
2.2.1.2. Mạch công suất điều khiển van điện, động cơ khoan.
- O0, O1, O2, O3 đ-ợc nối với các chân đầu ra của Ic Atmega16l tại mạch vi
điều khiển.
- 8Y01, 8Y02, 8Y03 đ-ợc nối với các cuộn hút của van điện.
- Motor là động cơ khoan.
- Q1, Q2, Q3, Q4 là các transistor loại PNP.
- 16 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
- LS1 là rơ le 24v dùng để đóng cắt dòng điện cấp cho động cơ khoan.
- ULN 2803 là Ic đệm, tín hiệu ngõ ra là đảo của tín hiệu ngõ vào. Ic unl 2803
có tác dụng tăng dòng và ổn định dòng đầu ra.
+24v
R11
C
5
4
3
2
RESISTOR SIP 5
U4
O1
O2
O3
1
J12
1
J13
1
J14
1
+24v
10
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7
OUT8
COM
GND
18
17
16
15
14
13
12
11
R7
12K
Q1
A1013
R8
8Y01
Q2
A1013
12K
R9
1
J11
8Y03
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
IN8
VCC
8Y02
+
4
9
3
R10
Q4
A1013
12K
ULN2803
A
LS1
Q3
A1013
12K
0
6
2
O0
1
2
3
4
5
6
7
8
1
5
MOTOR
1
2
D11
RELAY DPST
0
0
Hình 2.3. Sơ đồ mạch công suất điều khiển van điện, động cơ.
*Nguyên lý làm việc.
Khi có tín hiệu từ vi điều khiển (mức 1) cấp vào các đầu vào O0, O1, O2 hay O3
thì tín hiệu này đ-ợc dẫn vào ngõ vào của ic unl2803 và tại đầu ra t-ơng ứng của
đầu vào đó thì thu đ-ợc tín hiệu(mức 0) đảo của tín hiệu ngõ vào sau đó tín hiệu này
đ-ợc dẫn tới kích mở transistor A1013 khi transistor mở thì nó cho dòng điện +24v
cấp vào cuộn hút hay động cơ khoan.
2.2.1.3. Mạch nguồn.
* Tác dụng linh kiện trong mạch.
- TR2 là biến áp có 2 cuộn sơ cấp. Điện áp vào là 220V~, điện áp ra là
URa1=24V~, URa2= 5V~
- D1, D2 là các diode chỉnh l-u tạo nguồn một chiều.
- 17 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
- IC lm7824 dùng để ổn áp lấy nguồn +24v cấp cho mạch công suất, mạch
cảm biến.
U1
D1
7824
VI
220V~
3
+24V
C1
C3
4n7
2000u
C2
C4
4n7
2000u
3
+5V
2
1N4001
24V~
VO
GND
1
TRSAT2P3S
U2
D2
1
7805
GND
TR2
2
9V~
VI
VO
1N4001
D3
R1
750R
DIODE-LED
Hình 2.4. Sơ đồ mạch nguồn
- IC lm7805 dùng để ổn áp lấy nguồn +5v cấp cho mạch vi điều khiển, mạch
hiển thị.
- Tụ 1 chiều C3, C4 là tụ lọc nguồn.
- Tụ xoay chiều C1, C2 dùng để cắt xung nhọn của nguồn sau khi chỉnh l-u.
- D1 là led báo nguồn.
* Nguyên lý làm việc.
Khi cấp nguồn ~220 v thì diode D1, D2 sẽ chỉnh l-u và thu đ-ợc nguồn điện 1
chiều. Do dòng điện 1 chiều này không bằng phẳng do đó đ-ợc lọc nguồn tại C3, C4
để lọc và cắt bỏ xung nhọn tại tụ xoay chiều C1, C2. Dòng điện 1 chiều đ-ợc ổn áp
trên ic lm7824 để lấy ra nguồn +24v và dòng điện còn đ-ợc ổn áp trên ic lm7805 để
lấy nguồn +5v cấp cho vi điều khiển.
- 18 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
2.2.2. Linh kiện đ-ợc sử dụng trong các module thí nghiệm
2.2.2.1. Van điện
Trên module sử dụng van điện loại 5/2 (van 5 trạm và 2 trạng thái).
Hình 2.5. Van 5/2 có 2 cuộn hút
Hình 2.6. Van 5/2 có 1 cuộn hút
Van có nhiệm vụ điều khiển l-ợng khí nén,h-ớng đi của khí nén để tác động vào
các dẫn động xi lanh pittong d-ới sự điều khiển của module điều khiển.
* Nguyên tắc điều khiển:
Khi có tín hiệu điều khiển từ module điều khiển vào cuộn hút của van thì van tác
động đóng hoặc mở đ-ờng khí nén chảy vào hay ra pittong xilanh nhằm tạo ra các
tác động đ-ợc thiết lập tr-ớc. Ví dụ: điều khiển pittông đẩy khay ra ngoài, đẩy khay
vào trong, nâng hoặc hạ khoan.
- 19 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
a. Loại van 5/2 có 2 cuộn hút.
+) Cấu tạo:
W2
W1
Hình 2.7. Van 5/2 có 2 cuộn hút
*Ký hiệu
+). Nguyên lí làm việc:
Khi ch-a có tín hiệu tác động thì nguồn khí đ-ợc nối với cửa (5). Khi có tín
hiệu tác động vào cuộn dây W1 mà ch-a có tín hiệu tác động vào cuộn W2 thì cuộn
W1 hút pittông chuyển động về bên phải, khi đó nguồn khí đ-ợc cấp cho cửa(4) khí
sẽ đ-ợc dịch chuyển từ (2)(4), (5)(1) ra ngoài. Khi có tín hiệu tác động vào
cuộn dây W2 mà ch-a có tác động vào cuộn dây W1 thì khí sẽ đ-ợc di chuyển từ
(2)(5),(4)(3) ra ngoài.
b. Van 5/2 có 1 cuộn hút.
+) Cấu tạo.
Hình 2.8. Van 5/2 có 1 cuộn hút
- 20 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
+) Nguyên lý làm việc.
Trạng thái bình th-ờng khi ch-a có điện cấp vào cuộn hút thì nguồn khí đ-ợc
nối với cửa 5 và khí xả sẽ xả từ cửa 4 qua cửa 3 ra ngoài. Khi có điện cấp vào cuộn
hút thì nguồn khí đ-ợc nối vào cửa 4. Khí xả sẽ qua cửa 5 tới 1 ra ngoài.
2.2.2.2. Động cơ một chiều công suất nhỏ.
a. Cấu tạo.
- Cấu tạo của động cơ một chiều dùng nam châm vĩnh cửu đ-ợc mô tả trong
(Hình 2.9).
1
2
4
3
Hình 2.9. Cấu tạo của động cơ một chiều dùng nam châm vĩnh cửu
1: Stato (phần phần tĩnh) là một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu vĩnh cửu
đ-ợc gắn trên vỏ động cơ.
2: Roto (phần động): Là các cuộn dây quấn quanh một lõi từ (lõi thép non),
trong lõi từ có gắn trục quay.
3. Cổ góp: Bằng đồng hoặc hợp kim đồng đ-ợc gắn trên trục quay của Roto, có
nhiệm vụ chỉnh lu, đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của Roto là liên
tục.
4: Chổi than: Làm nhiệm vụ cung cấp điện áp một chiều cho cuộn dây Roto
làm việc.
- 21 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
b. Nguyên lý làm việc.
- Động cơ điện một chiều để chuyển động đúng cần tính góc quay của động cơ,
tốc độ thông qua các pha tác động theo (Hình 2.10)
Hình 2.10. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
Pha 1: Từ tr-ờng của rotor cùng cực với Stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động
quay của Stator (hình 2.10a).
Pha 2: Rotor tiếp tục quay (hình 2.10b).
Pha 3: B phn chnh in s i cc sao cho t trng gia stator và rotor cùng
du, tr li pha 1 (hình 2.10c)
Khi có một dòng điện chạy qua dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía
bên cực d-ơng sẽ bị tác động bởi một lực h-ớng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị
tác động bằng một lực h-ớng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các
lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor
quay liên tục và đúng chiều, một bộ cỏ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau
mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Khi mặt của cuộn day song song với các đ-ờng sức từ
tr-ờng. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 900 so với ph-ơng
ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, ng-ời ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều
phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay đ-ợc hầu nh- liên
tục và không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
- 22 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
2.2.2.3. Cảm biến.
Hình 2.11. Cảm biến
Chức năng: Cảm biến từ sử dụng dể thu tín hiệu từ module gia công về module
điều khiển để vi điều khiển thu tín hiệu, xử lý thông tin từ đó đ-a ra các tín hiệu
điều khiển ở đầu ra nhằm điều khiển hệ thống hoạt động một cách chính xác.
a. Vị trí cảm biến trên Module.
Để module hoạt động một cách chính xác, nhanh thì ng-ời ta đã đặt các sensor
tại các vị trí: hạn vị trong của khay lấy vật, hạn vị ngoài của khay, hạn vị trên của
khoan hạn vị d-ới của khoan.
b. Cấu tạo.
Sensor đ-ợc sử dụng trên Module là loại sensor từ hai chân.Một chân màu xám
là chân nguồn đ-ợc nối với +24vdc, một chân màu xanh là chân tín hiệu đ-ợc nối
với mạch chuyển đổi tín hiệu để đ-a về vi điều khiển.
c. Nguyên tắc hoạt động của sensor.
Bình th-ờng sensor không tác động và tín hiệu điện áp ra đo đ-ợc trên chân tín
hiệu của sensor là 0V. Nh-ng khi có vật bằng kim loại ở khoảng cách đủ để sensor
tác động thì sensor sẽ dẫn điện áp 24V và tín hiệu điện áp đo đ-ợc trên chân tín hiệu
lúc này là 24V.
- 23 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển.
2.2.3.1. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển.
Hiển
thị
Nhận tín
hiệu từ
cảm biến
Máy
tính
Tín hiệu
giao tiếp
với máy
tính
Điều
khiển
Tín hiệu
điều
khiển
Vi điều khiển
Cảm
biến
Cơ cấu
chấp hành
Module thí nghiệm
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển
2.2.2.2. Lựa chọn linh kiện.
Việc lựa chọn linh kiện và thiết bị phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển đóng
vai trò hết sức quan trọng. Nó quyết định đến các chỉ tiêu kỹ thuật, độ ổn định và giá
thành của bộ điều khiển. Việc lựa chọn các thiết bị nh- thế nào để nó vùa đáp ứng
đ-ợc yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo giá thành mua, đó là bài toán mà ta cần phải
giải quyết.
a. Vi điều khiển Atmega16.
AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất
mạnh đ-ợc tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh
ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác nh- PIC, Psoc. Do ra đời muộn hơn
nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của ng-ời
sử dụng, so với họ 8051 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo
trong việc lập trình và rất tiện lợi.
- 24 -
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị phân loại và gia công vật liệu ứng dụng cho
phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp tại tr-ờng cao đẳng công nghiệp Sao Đỏ
+) Tính năng mới của họ AVR.
- Giao diện SPI đồng bộ.
- Các đ-ờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đ-ợc.
- Giao tiếp I2C.
- Bộ biến đổi ADC 10 bit.
- Các kênh băm xung PWM.
- Các chế độ tiết kiệm năng l-ợng nh- sleep, stand by..vv.
- Một bộ định thời Watchdog.
- 3 bộ Timer/Counter 8 bit.
- 1 bộ Timer/Counter 16 bit.
- 1 bộ so sánh analog.
- Bộ nhớ EEPROM.
- Giao tiếp USART..vv.
Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác
thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều
khiển. Tính năng:
- Bộ nhớ 16K(flash) . - 512 byte (EEPROM). - 1 K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT
A,B,C,D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.
- Giao tiếp SPI. - Giao diện I2C. - Có 8 kênh ADC 10 bit.
- 1 bộ so sánh analog. - 4 kênh PWM.
- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit.
- 1 bộ định thời Watchdog.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình đ-ợc.
- 25 -
