Thiết kế môn học : Điều khiển Logic

Mục lục : Trang Lời nói đầu. 2 Đề bài. 3 A. TỔNG HỢP HÀM LOGIC. 1. Mô tả công nghệ. 4 2. Mô hình trạng thái. 5 3. Tổng hợp hàm logic cho các biến đầu ra. 6 4. Sơ đồ tiếp điểm và nguyên lý làm việc. 10 5. Thiết lập các trạng thái ban đầu. 12 6. Sơ đồ role tiếp điểm. 13 B. LỰA CHỌN THIẾT BỊ. 1. Lựa chọn PLC và phân cổng vào ra. 16 2. Piston khí nén. 18 3. Van phân phối. 19 4. Role trung gian. 20 5. Công tắc hành trình. 20 6. Đèn báo hiệu. 22 6. Cầu chì bảo vệ đầu ra. 22 C. LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG 1. Viết chương trình PLC với ngôn ngữ LADDER. 24 D. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ GHÉP NỐI THIẾT BỊ. 26 Tài liệu tham khảo. 27 LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất, hiệu quả sản xuất chính là chìa khóa của thành công. Nó thể hiện ở các yếu tố như : Tốc độ sản xuất một sản phẩm phải nhanh. Giá nhân công và vật liệu phải hạ. Chất lượng sản phẩm phải cao và ít phế phẩm. Thời gian chết của máy móc là tối thiểu. Với sự ra đời của các bộ điều khiển chương trình lập trình được PLC đã đáp ứng được hầu hết các yêu cầu trên và dần trở thành yếu tố chính trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất. Trước đây, việc tự động hóa chỉ được áp dụng trong các dây sản xuất hàng loạt năng suất cao. Ngày nay cần thiết phải tự động hóa cả trong sản xuất các loại hàng hóa khác nhau nhằm nâng cao năng suất, tăng cường độ linh hoạt và giảm vốn đầu tư cho thiết bị và xí nghiệp.Việc sử dụng các bộ PLC trong tự động hóa các quá trình sản xuất đã và đang là lựa chọn hàng đầu của các nhà máy, xí nghiệp. Lập trình và sử dụng PLC cũng đã được đưa vào giảng dạy tại các trường đại học để cung cấp nguồn nhân lực phục vụ cho quá trình đất nước. Hòa chung với xu thế đó, trong phạm vi môn học Đồ án 2, Dưới sự hướng dẫn của thầy Dương Minh Đức, em đã được tiếp cận và làm quen với các bộ PLC Mishubishi. Đây là cơ hội để em có thể được làm quen với một số đối tượng làm việc trong thực tế. Với lượng kiến thức còn hạn hẹp nên trong bài làm sẽ có những sai sót, em rất mong sẽ nhận được những góp ý, đánh giá của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn và giải đáp cho em những vướng mắc trong quá trình thực hiện để có thể hoàn thành bài báo cáo này. Sinh viên Nguyễn Văn Nhân Thiết kế môn học : Điều khiển Logic I. Nhiệm vụ: thiết kế hệ thống điều khiển cho công nghệ ở hình vẽ dưới đây: II. Nội dung: 1. Thiết kế sơ đồ nguyên lí. 2. Tính chọn thiết bị điều khiển và PLC Mitsubishi. 3. Ghép nối PLC và viết chương trình cho PLC. III. Thuyết minh và bản vẽ. 1. Một quyển thuyết minh. 2. Hai bản vẽ A3 cho sơ đồ nguyên lí và sơ đồ lắp ráp. TT Họ tên sinh viên Phương pháp thiết kế Phương án mạch lực, điều khiển 1 Nguyễn Văn Nhân Ma trận trạng thái Nguyễn Thành Độ GRAFCET TỔNG HỢP HÀM LOGIC Sơ đồ công nghệ Mô tả công nghệ. Trụ luôn chứa sản phẩm cần đóng dấu. Pitton A sẽ đẩy sản phẩm qua vị trí góc như trên hình, sau đó pitton thu về. Pitton B sẽ thực hiện đóng dấu lên bề mặt của sản phẩm. Tiếp theo pitton C đẩy sản phẩm ra khỏi vị trí đóng dấu rồi piton C rút về, kết thúc một chu trình đóng dấu của cơ cấu. Có sự kiểm tra cung cấp sản phẩm trước khi chạy Piton A. Phương pháp tổng hợp hàm logic : Ma trận trạng thái Ưu điểm : tối ưu được hàm logic cho hệ thống Nhược điểm : yêu cầu tính toán nhiều, không thích hợp cho những bào toán phức tạp. Mô hình trạng thái. Với sơ đồ công nghệ như trên, em đã sắp xếp vị trí cho các cảm biến hành trình và trạng thái chuyển động được mô tả theo sơ đồ dưới đây : Đặt : a=(a+a1). b=(b+b1). c=(c+c1). Tên các quá trình piston như sơ đồ công nghệ trên đây. Như vậy ta có quan hệ vào/ra của mô hình là : Mô hình Graph trạng thái cho sơ đồ công nghệ : Tổng hợp hàm logic cho các biến đầu ra. Bảng trạng thái M1: Trạng thái 000 001 011 010 110 111 101 100 A+ A- B+ B- C+ C- 1 1 2 1 0 0 0 0 0 2 3 2 0 1 0 0 0 0 3 3 4 0 0 1 0 0 0 4 5 4 0 0 0 1 0 0 5 5 6 0 0 0 0 1 0 6 1 6 0 0 0 0 0 1 Bảng trạng thái M2 rút gọn : Trạng thái 000 001 011 010 110 111 101 100 X|Y 1 +6 1 6 2 0|0 2+3 3 4 2 0|1 4+5 5 6 4 1|1 1|0 Chọn 2 biến trung gian X,Y như trên. Ta lập bảng Các-nô cho hai biến trung gian ( các ô để trống là giá trị không quan tâm ): Biến trung gian X= b +X Biến trung gian Y = a + Bảng các nô cho các biến đầu ra : A+ = = a B+ = . = b C+ =.X = c Sơ đồ tiếp điểm và nguyên lý làm việc. Nguyên lý làm việc : Ban đầu, các piston tại vị trí a0, b0, c0. Các biến trung gian a,b,c,X,Y không đóng điện nên role A+ đóng điện cho phép piston A di chuyển sang phải. Khi piston A chạm công tắc hành trình a1 dẫn đến biến trung gian a, Y đóng điện cấp điện cho role A- điều khiển van phân phối làm cho piston A di chuyển qua trái. Khi piston A chạm công tắc a0, biến trung gian a mất điện, biến Y vẫn có điện làm role B+ có điện điều khiển van phân phối làm cho Piston B thực hiện quá trình đẩy xuống. Khi piston B chạm công tắc b1, biến trung gian b, X có điện, làm ngắt role B+, đồng thời cấp điện cho role B- điều khiển van phân phối thực hiện quá trình kéo piston B về. Khi piston B kéo về chạm công tắc b0, biến b bị ngắt điện làm ngắt role B-, tiếp điểm thường đóng b đóng lại cấp điện cho role C+ điều khiển van phân phối làm piston C thực hiện quá trình đẩy sản phẩm ra. Khi piston C chạm công tắc c1, biến c có điện làm ngắt biến X,Y đồng thời role C- được cấp điện điều khiển van phân phối làm piston C thực hiện quá trình kéo về thực hiện xong một chu trình đóng dấu sản phẩm. Khi piston C kéo về chạm công tắc c0, biến c bị ngắt điện, các biến a, b, X, Y không có điện, cơ cấu trở về trạng thái ban đầu và thực hiện chu trình hoạt động tiếp theo. Thiết kế các nút trạng thái ban đầu. a, Start. Yêu cầu đề ra : Khi bấm nút STA thì cơ cấu bắt đầu hoạt động. Giải quyết : thực hiện phép AND các biến đầu ra với một biến đầu ra STA và biến kiểm tra. b, Stop. Yêu cầu đề ra : Khi bấm stop thì cơ cấu dùng ngay mọi quá trình lại. Giải quyết : Vì mọi biến đầu ra đều AND với biến STA nên khi muốn STOP thì chỉ cần ngắt STA. Vì vậy, thực hiện AND biến đầu ra STA với . c, Reset. Yêu cầu đề ra: Khi bấm RESET thì các quá trình trở về trạng thái ban đầu và tự động ngắt RESET. Giải quyết : Vì khi RESET, ta chỉ cần cho dừng các quá trình đẩy piton và cho phép thực hiện các quá trình kéo piton, vì vậy ta thực hiện AND các biến quá trình X+ với biến , or hàm logic của các quá trình X+ với RST. Sử dụng một biến phụ để kiểm tra quá trình RESET và ngắt RESET khi quá trình đã trở về vị trí ban đầu . d, Kiểm tra sản phẩm cung cấp. Sử dụng thêm một công tắc hành trình gắn trên thân ống để kiểm tra sản phẩm có trong ống cung cấp hay không. Khi có sản phẩm trong ống, công tắc sẽ bị tác động.Nếu không có sản phẩm cung cấp trong 10s thì sẽ có còi báo hiệu, cơ cấu sẽ dừng hoạt động cho đến khi có sản phẩm. Sơ đồ ghép nối tiếp điểm. Với các trạng thái ban đầu được thiết kế như trên, sơ đồ role tiếp điểm cho sơ đồ công nghệ đã được em thiết kế như sau : Trước khi ấn nút START, ta có thể ấn Reset để điều khiển cơ cấu trở về trạng thái ban đầu( các piston chạm công tắc a0,b0,c0 ). Khi đó, các biến đầu ra của quá trình kéo piston sẽ được cấp điện, điều khiển van phân phối cấp khí cho piston thực hiện quá trình kéo về. Khi các piston đã trở về vị trí ban đầu ( chạm công tắc a0, b0, c0), biến trung gian RS được set làm ngắt quá trình Reset cơ cấu. Khi ấn nút start, biến STA được cấp điện, nối mạch cho các đầu ra, cơ cấu hoạt động từ trạng thái ban đầu. Khi ấn nút STOP, biến STO được set làm ngắt điện cho biến STA, từ đó làm ngắt toàn bộ các quá trình của cơ cấu. Biến “kiểm tra” thực hiện kiểm tra ống cung cấp sản phẩm. Nếu không có sản phẩm ( công tắc mở ) bộ Timer T1 sẽ được khởi động đếm trong vòng 10s, nếu sau 10s mà vẫn không có sản phẩm cung cấp thì role T1 được cấp điện làm ngắt biến STA làm cho toàn cơ cấu ngừng hoạt động, đồng thời sẽ cấp điện cho còi báo hiệu là đã hết sản phẩm trong ống cung cấp cho người vận hành biết. Khi trong ống có sản phẩm, người vận hành ấn START và cơ cấu lại trở về trạng thái hoạt động trước đó. Lựa chọn thiết bị. Lựa chọn PLC CPU. Sử dụng PLC CPU dòng FX của hãng Misubishi. Các dòng PLC FX hiện nay của PLC gồm có : FX0S : dòng PLC loại nhỏ, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu số lượng I/O nhỏ hơn 30. FX0N : tương tự như dòng FX0S nhưng số lượng I/O lớn hơn (10-128 I/O), và có khả năng tham gia nối mạng. FX1S : có số I/O tương tự dòng FX0S nhưng được nâng cấp khả năng tính toán, có thể kết nối mạng thông thông qua các card thuyền thông hay giao tiếp với HMI. FX1N : có khả năng mở rộng lên tới 128 I/O, bổ sung thêm nhiều khả năng truyền thông nối mạng như Ethernet, Profilebus, CC-link, CanOpen… FX2N : là dòng PLC được trang bị tất cả các tính năng của dòng PLC FX1N, nhưng tốc độ xử lý được tăng cường, thời gian thi hành lệnh giảm xuống còn 0.08us. Số lượng các I/O từ 16-128 và có khả năng mở rộng lên 256 I/O. Nó còn được trang bị thêm các hàm xử lý PID với tính năng tự chỉnh các hàm xử lý số thực cùng đồng hồ thời gian thực tích hợp sẵn bên trong. FX2NC : có tính năng tương tự như dòng FX2N nhưng tiết kiệm đến 27% không gian lắp đặt. FX3G : FX3 là dòng PLC mới nhất của hãng MISUBISHI, dòng FX3G có 14-256 I/O, với các khả năng tính toán và kết nối mạng. Thời gian thực hiện lệnh khoảng 0.21us. FX3U : có hệ thống bus kép, tốc độ cao, thời gian thực hiện lệnh chỉ 0.065 us. FX3UC : là dòng PLC siêu nhỏ gọn, có từ 16-384 I/O, kích thước nhỏ gọn, đáp ứng mọi nhu cầu kết nối và mở rộng. Ứng dụng cơ cấu đóng dấu của em cần khoảng 10 Input và khoảng 8 output. Thời gian thực hiện quá trình là không giới hạn nên dòng FX0S là có thể đủ điều kiện để thực hiện ứng dụng này. Tuy nhiên, hiện tại dưới phòng bộ môn chỉ có dòng FX3U của MISUBISHI. Vì thế , em sử dụng dòng PLC FX3U 32MR/ES : Nguồn cấp : 220VAC, role output Công suất : 35 W Kích thước : 150 x90 mm. Khối lượng : 0.65 kg. Dòng điện Input : >=5mA Dòng Output : 2mA - 2A Thông số PLC FX3U series : Tên thiết bị Mô tả Số điểm Rơ le I/O Input relay X000 – X367 248 ngõ vào Output relay Y000 – Y367 248 ngõ ra Rơ le trung gian Loại chung M0 – M499 520 điểm Loại chốt động M500 – M1024 524 điểm Loại chốt tĩnh M1024 – M7679 6556 Loại đặc biệt M8000 – M8511 512 Rơ le trạng thái Trạng thái bắt đầu S0 –S9 10 Loại chung S10 – S499 490 Báo hiệu S500 – S999 400 Loại chốt S1000 – S4095 100 Timer 100ms T0 – T191 192 100ms cho ngắt T192 – T199 8 10ms T200 – T245 46 Timer tự giữ 1ms T246 – T249 4 Timer tự giữ 100ms T250 – T255 6 1ms T256 – T551 256 Hằng số Thập phân K 16 bits Thập lục phân H 16 bits 32 bits Số thực 32 bits Chuỗi kí tự “ ” ……………….. Phân cổng vào ra cho PLC. Stt Tên biến Input Output Phân cổng PLC Số Tương tự Số Tương tự 1 Công tắc kiểm tra sản phẩm 1 X000 2 Công tắc hành trình a0 1 X001 3 Công tắc hành trình a1 1 X002 4 Công tắc hành trình b0 1 X003 5 Công tắc hành trình b1 1 X004 6 Công tắc hành trình c0 1 X005 7 Công tắc hành trình c1 1 X006 8 Nút bấm STOP 1 X007 9 Nút bấm START 1 X010 10 Nút bấm RESET 1 X011 11 Còi báo sản phẩm 1 Y000 12 Điều khiển quá trình A+ 1 Y001 13 Điều khiển quá trình A- 1 Y002 14 Điều khiển quá trình B+ 1 Y003 15 Điều khiển quá trình B- 1 Y004 16 Điều khiển quá trình C+ 1 Y005 17 Điều khiển quá trình C- 1 Y006 Piston. Số piton sử dụng : 3 piston. Độ dài hành trình : Piston A : 50 cm Piston B :10 cm Piston C : 10 cm Thông số Piston : Độ dài hành trình : 10,10,50 cm Nhiệt độ làm việc : 20-80 oC Áp suất : 0.6-10bar. Tốc độ :30-800mm/s Đường kính piston :32mm Van phân phối Van MAC có thông số kĩ thuật : Kích thước : 10-32 UNF Trạng thái van : NC Trạng thái cuộn hút : thường đóng. Nguồn : 24 VDC Công suất :1.8 W Chiều dài dây nối : 18 inch Áp suất tối đa : 120 PSI( 8.2bar) Nhiệt độ hoạt động : -18 đến 50 oC Thời gian đáp ứng : 3-8 ms. Role trung gian. Với van phân phối như trên, ta chọn role trung gian có thông số như sau: Số cặp tiếp điểm : 2. Nguồn cấp : 24VDC. Dòng định mức : 3A. Công suất cắt dòng : 36 W. Kích thước : 36x28x21.5 mm. Rơ le loại MY của hãng Omron. Công tắc hành trình. Vị trí đặt công tắc hành trình : Điểm đầu và điểm cuối của hành trình của các piston. Sát trong bề mặt ống cấp sản phẩm. Chức năng : Phát hiện có sản phẩm cung cấp cho cơ cấu. Xác định vị trí của piston. Đặc điểm : Chọn loại có ký hiệu SS-10L. 4 công tắc hành trình thường mở. 3 công tắc hành trình thường đóng. Dòng tối đa : 2A Số lần đóng cắt : 30x106 lần. Nút nhấn. Vị trí : Đặt tại bảng điều khiển. Chức năng : Thực hiện các hoạt động điều khiển quá trình, khởi động, reset, dừng cơ cấu. Đặc điểm : Sử dụng loại nút nhấn có đèn báo để đảm bảo cho các thao tác điều khiển đúng. Dòng tối đa : 5A Còi (đèn) báo hiệu. Vị trí : Đặt tại bảng điều khiển cơ cấu. Chức năng : Báo hiệu cho người vận hành biết quá trình vận hành của cơ cấu, cảnh báo các điều kiện không được đáp ứng. Cầu chì bảo vệ đầu ra. Sử dụng loại cầu chì ống, dòng tối đa phụ thuộc vào dòng đầu ra chịu được. Ở đây ta chọn loại cầu chì 24VDC - 2A hạ áp. Lập trình và mô phỏng. Sử dụng phần mềm GX Deverloper của hãng MISUBISHI để lập trình và mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống với ngôn ngữ lập trình Ladder. Chương trình lập trình trên GX Deverloper như sau : Sơ đồ ghép nối (source input, role ouput). Tài liệu tham khảo : TS. Dương Minh Đức - Bài giảng “ Điều khiển logic và PLC ”. Mishubishi User’s Manual - FX3U Hardware Edition. Misubishi User’s Manual - FX3U Programming manual. Thầy Hà Tất Thắng – bài giảng PLC. Các tài liệu tham khảo khác từ Internet.