Thiết kế, chế tạo máy ép cắt thép phế liệu điều khiển bằng PLC với giao diện màn hình cảm ứng

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 23 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ÉP CẮT THÉP PHẾ LIỆU ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC VỚI GIAO DIỆN MÀN HÌNH CẢM ỨNG DESIGNING, MANUFACTURING A MODEL OF AUTOMATIC WASTED STEEL CUTTING - SQUEEZING MACHINE, CONTROLLED BY PLC WITH INTERFACE TOUCH SCREEN SVTH: NGUYỄN HỮU GIÁP Lớp: 03CĐT, Trường Đại học Bách khoa GVHD: THS. NGUYỄN ĐẮC LỰC Khoa Cơ khí , Trường Đại học Bách khoa Tóm tắt: Cơ điện tử là lĩnh vực công nghệ cao cần được phát triển để đáp ứng yêu cầu cấp thiết của đất nước trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Mô hình “Máy ép cắt thép phế liệu điều khiển PLC với giao diện bằng màn hình cảm ứng ”, là mô hình đặc trưng của một hệ thống Cơ điện tử, đó là sự kết hợp của các cơ cấu cơ khí, hệ truyền động khí nén, ngôn ngữ lập trình PLC với HMI là màn hình cảm ứng. Mục đích của đề tài nhằm: - Nghiên cứu, tìm hiểu, ứng dụng các thiết bị thực tế thường hay sử dụng trong công nghiệp (Màn hình cảm ứng, PLC) vào việc học tập để khi sinh viên tốt nghiệp ra trường đi làm có thêm kinh nghiệm và có thể tiếp cận ngay với các thiết bị tiên tiến, hiện đại. - Mô hình có thể ứng dụng để là mô hình học tập cho sinh viên các nghành : Cơ điện tử, Tự động hóa …ở các trường Đại học và Cao đẳng… Abstract: The Mechatronics is a high technology field, that needs to be developed aimed at satisfying the pressing and necessary requirements of the country in industrialization and modernization period. Model “Model of automatic wasted steel cutting -squeezing machine, controlled by PLC with human machine interface by touch screen” is a specific for a Mechatronics system. This is the association of mechanical Mechanism , compressed air system, programable logic controller with HMI by Touch control panel. The thesis serves to: - Research, study, application equipments in fact alway use in industrial (PLC, HMI ) for studying, It is very usefull for me have many experience when i was graduate and go to work, i can approach advance and modern equipment - The Control principle of designed model can apply in productive practice, this model can also be used for researching, studying of Mechatronics, Automation students... 1. Mở đầu: 1.1. Giới thiệu chung: Ngày nay nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp luyện thép ngày một lớn cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. Để góp phần ổn định nguồn nguyên liệu, giảm giá thành cho sản phẩm làm ra thì việc sử dụng lại nguồn phế liệu là rất cần thiết Điều này cũng góp phần làm cho môi truờng tránh được lượng phế thải không cần thiết. Máy ép cắt phế liệu được thiết kế và chế tạo dựa trên yêu cầu trên đây cũng là một máy đặc trưng cho quá trình tái sử dụng nguồn phế liệu. Hiện nay máy ép cắt phế liệu đã được đưa vào sử dụng ở một số cơ sở sản xuất, chủ yếu là ở các nhà máy thép, chúng được được điều khiển bằng PLC, hệ thống các nút bấm, chủ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 24 7 9 8 6 10 3 2 1 45 11 yếu giám sát hoạt động bằng hệ thống đèn, đôi khi còn thiếu chính xác và không trực quan. Cho nên việc ứng dụng HMI bằng màn hình cảm ứng cho máy sẽ khắc phục được điều đó. Mô hình “ Máy ép cắt phế liệu điều khiển bằng PLC với giao diện màn hình cảm ứng ( Touch screen ) ”, là mô hình đã ứng dụng giao diện người máy HMI và hệ điều khiển bằng PLC để điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của máy. Chương trình điều khiển linh hoạt, có chế độ điều khiển bằng tay và điều khiển tự động, Khi có giao diện HMI là màn hình cảm ứng thì chúng ta có thể thể giám sát trang thái hoạt động của máy, cũng như thông báo lỗi lên màn hình để cho người vận hành có thể biết để tìm cách khắc phục nhanh. Ngoài ra còn có thể tự động xử lý khi quá tải và tạm dừng hoạt động khi có yêu cầu 1.2. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết về tính toán thiết kế, điều khiển máy thật sử dụng hệ thủy lực để thực hiện quá trình ép và cắt. - Chế tạo mô hình, thiết kế hệ thống điều khiển tự động chu trình hoạt động của máy bằng PLC. - Nghiên cứu về lập trình giao diện giữa màn hình cảm ứng ( Touch screen ) với PLC. 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Việc nghiên cứu, ứng dụng giao diện người máy (HMI) bằng màn hình cảm ứng không những chỉ áp dụng “Máy cắt ép thép phế liệu ” mà có thể áp dụng cho bất kỳ một máy điều khiển tự động khác.Vì nó có khả năng điều khiển, giám sát và thu thập thông tin … - Là một sinh viên, việc nghiên cứu đề tài này mang lại cho em thêm những kinh nghiệm quý báu trước khi rời ghế nhà trường. 2. Nội dung: 2.1. Lựa chọn phương án thiết kế: Để tạo một sản phẩm từ máy ép thì ta có nhiều phương án. Nhưng với phương án nào phù hợp với yêu cầu làm việc của máy cho có hiệu quả và năng suất cao thì mới là tối ưu. Có nhiều phương án như:  Máy ép ma sát kiểu trục vít  Máy ép sử dụng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.  Máy ép sử dụng cơ cấu cam con lăn, máy ép lệch tâm...  Máy ép thuỷ lực. Phân tích các nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của một số phương án sử dụng trong các loại máy cắt và máy ép hiện hành, cũng như phân tích các phương án sử dụng máy thuỷ lực. Ta thấy việc lựa chọn máy cắt ép thép phế liệu là loại máy thuỷ lực là hoàn toàn thích hợp. Máy này phù hợp với sự phát triển của ngành sản xuất tự động nói riêng cũng như trong lĩnh vực công nghiệp nói chung. a. Lựa chọn phương án động học cho máy ép đứng. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của máy ép đứng thuỷ lực. Trong đó: 1. Mô tơ. 2. Bơm dầu. 3. Van tràn. 4. Van tiết lưu. 5. Van phân phối 6. Xy lanh thủy lực. 7 Máng trượt. 8 Đầu trượt. 9 Giá đỡ khuôn dưới. 10. Bể dầu. 11. Đồng hồ áp lực Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 25 b. Lựa chọn phương án động học cho máy ép ngang. Đối với máy ép ngang cũng có nhiều phương án bố trí các xilanh thuỷ lực khác nhau, nhưng để đảm bảo cho phế liệu được ép đều trong quá trình ép, ta chọn phương án máy ép thuỷ lực sử dụng 2 xilanh được bố trí như sau: c. Lựa chọn phương án động học cho máy cắt Đối với máy cắt phôi liệu, cũng với phương pháp phân tích như trên, ta nhận thấy việc lựa chọn máy cắt phôi liệu là loại máy ép thuỷ lực là thích hợp hơn cả. Tuy nhiên, do chu kỳ cắt phôi liệu phức tạp hơn nhiều, phải luôn tạo được góc nghiêng của dao trong quá trình cắt. Do đó để đảm bảo yêu cầu của máy, ta chọn phương án máy ép thuỷ lực với 2 xilanh được bố trí như sau: 2.2. Thiết kế mô hình thực tế: Tiêu chí của mô hình thiết kế: + Có chu kỳ hoạt động giống máy thật. + Điều khiển băng PLC, có giao diện HMI màn hình cảm ứng. + Mang tính thực tế ứng dụng cao. + Kết cấu gọn, đẹp, mang tính mỹ thuật công nghiệp... Như đã nói ở trên do điều kiên chế tạo nên em quyết định thiết kế 5 4 8 10 9 6 3 12 6 7 8 6 8 9 Hìinh2 : Sơ đồ nguyên lý của máy ép ngang thuỷ lực Trong đó: 1.Mô tơ. 6.Xilanh lực. 2.Bơm dầu 7.Máng trượt. 3.Van tràn. 8.Đầu trượt. 4.Van tiết lưu. 9.Đồng hồ áp lực. 5. Van phân phối. 10.Bể dầu. 7 9 10 3 8 6 5 11 2 1 4 Hình 3 : Sơ đồ nguyên lý của máy cắt thuỷ lực. Trong đó: 1.Mô tơ. 6.Xilanh lực. 2.Bơm dầu 7.Máng trượt. 3. Van tràn. 8.Đầu trượt. 4. Van tiết lưu. 9.Đồng hồ áp lực. 5. Van phân phối. 10.Bể dầu. 11. Đồng hồ áp lực Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 26 Naûp liãûu GH_2 GH_1 Dao càõt Baìn eïp âæïng EÏp ngang Dao càõt GH_6 GH_7 GH_8 GH_9 GH10 GH_11 GH_5 GH_4 GH_3 Xy lanh càõt traïi Xylanh càõt phaíi Baìn eïp âæïng GH_12 GH_13 EÏp ngang - L + L + R - R - V +V + H - H  Quá trình ép ngang bằng khí nén  Quá trình cắt kéo bằng 2 động cơ sử dụng cơ cấu vít me đai ốc MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ MÔ HÌNH THIẾT KẾ: 2.3. Thiết kế hệ điều khiển : Quá trình thiết kế phần điều khiển gồm các bước sau :  Chọn hệ điều khiển bằng PLC,Giao diện HMI là màn hình cảm ứng GD17- BST Của hãng Cermate.  Cảm biến được dùng là các công tắc hành trình  Nghiên cứu chu trình công tác của máy, lập sơ đồ thuật toán.  Thiết kế sơ đồ điện cho mô hình Cách bố trí các cảm biến và hoạt động của các cơ cấu chấp hành: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 27 Chåì báún Nuït START ? Yes No Caìi âàût thåìi gian naûp liãûu,Thåìi gian eïp ngang,Khoaíng caïch càõt trãn maìn hçnh K.Tra Vãö Vë trê gäúc? Start Hiãøn thë trãn HMI yãu cáöu âæa vãö vë trê gäúc bàòng chãú âäü Manual Læûa choün chãú âäü hoaût âäüng Auto/Manaul Chaûy_Auto =1 Chaûy_Tay = 1 CTC_DK Tæìng bæåïc No No YesYes No Yes CTC_NAÛP LIÃÛU CTC_EÏP ÂÆÏNG LÁÖN1 CTC_EÏP NGANG CTC_EÏP ÂÆÏNG LÁÖN2 CTC_HAÛ DAO CÀÕT CTC_CÀÕT KEÏO CTC_NÁNG BAÌN EÏP ÂÆÏNG HÃÚT LIÃÛU ? Yes Tiãúp thãm liãûu No 2.3.1. Sơ đồ thuật toán : Chương trình chính Trong chương trình ngoài các chương trình con còn có các đoạn chương trình đi kèm để giao tiếp với màn hình để hiển thị trạng thái làm việc của máy. Ngoài ra máy còn có thể Dừng khẩn cấp khi gặp sự cố bằng Nút Emergency, điều khiển cấp nguồn bằng nút Reset Nguồn. Giao diện cho màn hình được lập trình trên phần mền ADPV3.1 . 2.3.2. Giao diện điều khiển của chương trình: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 28 3. Kết luận và hướng phát triển:  kết luận:  Mô hình hoạt động tốt, phần điều khiển linh hoạt.  Đây là một tiền đề rất quan trọng cho các công trình nghiên cứu khác phức tạp hơn, có thể ứng dụng màn hình để làm giao diện HMI cho nhiều máy điều khiển phức tạp.  Hướng phát triển :  Nếu có thể được thi công theo chính trong yêu cầu thiết kế là thay quá trình ép và cắt bằng hệ truyền động thủy lực thì hệ thống sẽ ổn định và đảm bảo hơn  Đề tài này cũng có thể được nhân rộng ra cho hoạt động thí nghiệm và học tập ở các trường ĐH, CĐ có đào tạo về điều khiển tự động và các môn học liên quan đến điện khí nén, PLC, HMI . . ..  Hiện nay nhiều nhà máy có thể được điều khiển qua một mạng công nghiệp theo giao thức SCADA hay DCS. Đề tài có thể phát triển theo hướng điều khiển qua mạng LAN hoặc Internet giữa các máy thông qua màn hình cảm ứng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS. TS Phạm Đắp, PGS-TS Trần Xuân Tuỳ, Điều khiển tự động trong các lĩnh vực cơ khí, NXB GD. [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy, Nhà xuất bản giáo dục. [3] PTS.Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXBGiáo Dục - 1999 [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Tự động hóa với SIMATIC S7-200, Trung tâm hợp tác đào tạo Bách khoa Hà Nội – SIEMENS. [5] Phần mền lập trinh ADP V3.2, Hitech ADP. [6] Tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất màn hình GD17- BST cung cấp.