Đồ Án Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Điều Khiển Chuyển Động Bằng PLC Mitsubishi

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế thi công mô hình điều khiển chuyển động bằng plc mitsubishi và module q173h, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Khánh Duy
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Văn Sỹ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế, Thi Công Mô Hình Điều Khiển Chuyển Động Bằng PLC Mitsubishi và Module Q173H
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu chung về PLC
• 2.2. Tổng quan về PLC
• 2.3. Đặc điểm và vai trò của PLC
• 2.4. PLC dòng Q của hãng Mitsubishi
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Yêu cầu thiết kế phần cứng
• 3.2. Sơ đồ khối phần cơ khí
• 3.3. Thông số kích thước các phần
• 3.4. Yêu cầu thiết kế phần điện
• 3.5. Chọn thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng
• 4.2. Thi công các phần cơ khí
• 4.3. Cố định các thiết bị lên mô hình
• 4.4. Mô hình phần cứng hoàn chỉnh
• 4.5. Giải thuật và chương trình điều khiển
• 4.5.1. Mô tả hoạt động của mô hình
• 4.5.2. Giải thuật điều khiển
• 4.6. Phần mềm cài đặt
• 4.6.1. Phần mềm GX Works2
• 4.6.2. Thiết kế giao diện HMI
• 4.6.3. Chương trình nạp vào PLC và Module Position
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Về PLC Mitsubishi bộ điều khiển vị trí Q173H
• 5.2. Về kỹ thuật điện
• 5.3. Về động cơ Servo
• 5.4. Về cách làm việc
• 5.5. Những lỗi đã gặp
• 5.6. Nhận xét và đánh giá
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về PLC Mitsubishi và Module Q173H

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế và thi công một mô hình điều khiển chuyển động sử dụng PLC Mitsubishi và Module Q173H. PLC Mitsubishi, nổi tiếng với độ tin cậy cao và khả năng mở rộng, được chọn làm nền tảng điều khiển chính. Module Q173H, một module điều khiển chuyển động chuyên dụng của Mitsubishi, cung cấp khả năng điều khiển chính xác các động cơ servo và stepper. Việc kết hợp này cho phép xây dựng một hệ thống điều khiển chuyển động mạnh mẽ và linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng. Programming PLC Mitsubishi và cấu hình PLC Mitsubishi đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa chức năng của hệ thống. Ứng dụng PLC Mitsubishi trong điều khiển chuyển động ngày càng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.

1.1 Tổng quan về PLC Mitsubishi

PLC Mitsubishi được biết đến với khả năng lập trình linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng. Hệ thống module cho phép cấu hình linh hoạt, đáp ứng nhiều yêu cầu điều khiển khác nhau. PLC Mitsubishi tích hợp nhiều tính năng, bao gồm bộ đếm, timer, và các hàm toán học. Cấu hình PLC Mitsubishi bao gồm việc chọn CPU, module I/O, và các module chuyên dụng khác. Lập trình PLC Mitsubishi sử dụng phần mềm chuyên dụng, cho phép lập trình dễ dàng và hiệu quả. Ứng dụng PLC Mitsubishi trải rộng nhiều lĩnh vực, từ tự động hóa công nghiệp đến điều khiển máy móc chính xác. Nó được đánh giá cao về khả năng hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Giải pháp điều khiển chuyển động bằng PLC Mitsubishi mang lại hiệu quả cao và tính chính xác cần thiết. Khả năng kết nối mạng và tích hợp với các hệ thống khác cũng là một ưu điểm đáng kể. An toàn trong điều khiển chuyển động được đảm bảo nhờ các tính năng an toàn tích hợp sẵn trong PLC Mitsubishi.

1.2 Giới thiệu về Module Q173H

Module Q173H là một Q173H servo module chuyên dụng cho điều khiển chuyển động. Nó cung cấp khả năng điều khiển chính xác các động cơ servo. Cấu hình module Q173H đòi hỏi hiểu biết về các thông số kỹ thuật và cài đặt. Lập trình module Q173H cần sử dụng phần mềm chuyên dụng và kiến thức về ngôn ngữ lập trình. Thông số kỹ thuật Q173H bao gồm tốc độ xử lý, số lượng trục điều khiển và giao diện kết nối. Hướng dẫn sử dụng Q173H thường được cung cấp bởi nhà sản xuất. Ứng dụng module Q173H phù hợp với các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, ví dụ như trong các hệ thống robot hoặc máy móc tự động. Ví dụ lập trình điều khiển chuyển động bằng Q173H có thể được tìm thấy trong tài liệu hướng dẫn của nhà sản xuất. Việc hiểu rõ về cơ chế điều khiển chuyển động là rất quan trọng để sử dụng hiệu quả module Q173H.

II. Thiết kế mô hình điều khiển chuyển động

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động. Mô hình điều khiển chuyển động được thiết kế dựa trên cấu trúc module, gồm PLC Mitsubishi, Module Q173H, động cơ servo, và các thiết bị ngoại vi khác. Yêu cầu thiết kế phần cứng được xác định dựa trên thông số kỹ thuật của các thiết bị và yêu cầu hoạt động của hệ thống. Sơ đồ khối phần cơ khí thể hiện cấu trúc cơ khí của hệ thống, bao gồm các bộ phận cơ khí, cơ cấu truyền động, và các cảm biến. Sơ đồ khối phần điện minh họa cách kết nối các thiết bị điện, bao gồm PLC Mitsubishi, Module Q173H, nguồn điện, và các thiết bị chấp hành. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

2.1 Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn các thành phần như PLC Mitsubishi, module Q173H, động cơ servo, cảm biến, và các thiết bị ngoại vi khác. Việc lựa chọn các thiết bị này dựa trên các yêu cầu về độ chính xác, tốc độ, và khả năng chịu tải. Sơ đồ khối phần cứng thể hiện cách kết nối các thành phần với nhau, đảm bảo sự tương thích và hoạt động ổn định của hệ thống. Các thông số kỹ thuật của từng thiết bị được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống. Yêu cầu thiết kế phần cứng bao gồm độ bền, khả năng chịu nhiệt, độ chống nhiễu, và khả năng tương thích với môi trường hoạt động. Việc thiết kế phần cứng phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và độ tin cậy cao. Chọn thiết bị cần cân nhắc đến các yếu tố như giá cả, hiệu suất, và khả năng hỗ trợ kỹ thuật.

2.2 Thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm tập trung vào việc lập trình PLC Mitsubishi và module Q173H. Giải thuật điều khiển được xây dựng dựa trên các yêu cầu vận hành của hệ thống. Phần mềm cài đặt là GX Works2 của Mitsubishi. Thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) giúp người dùng dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống. Việc lập trình phải đảm bảo tính chính xác, hiệu quả và dễ bảo trì. Chương trình nạp vào PLC và Module Position cần được kiểm tra kỹ lưỡng để tránh lỗi và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Lập trình PLC Mitsubishi cho motion control là một phần quan trọng của thiết kế phần mềm. Việc sử dụng các hàm thư viện giúp tiết kiệm thời gian và đảm bảo tính chính xác của chương trình. Điều khiển servo motor bằng PLC Mitsubishi và điều khiển stepper motor bằng PLC Mitsubishi được thực hiện thông qua các lệnh chuyên dụng trong chương trình.

III. Kết quả và phân tích

Phần này trình bày kết quả thực nghiệm của mô hình điều khiển chuyển động. Các kết quả được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác mong muốn. Tuy nhiên, một số hạn chế của hệ thống cũng được chỉ ra. Khắc phục sự cố điều khiển chuyển động là một phần quan trọng trong quá trình thực nghiệm. Việc tối ưu hệ thống để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cũng được đề cập.

3.1 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình điều khiển chuyển động hoạt động ổn định trong điều kiện vận hành bình thường. Hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và tốc độ. Điều khiển vị trí và điều khiển tốc độ được thực hiện chính xác. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các thông số như thời gian phản hồi, độ chính xác vị trí, và mức độ ổn định được đánh giá chi tiết. Ứng dụng điều khiển chuyển động trong công nghiệp được minh chứng qua kết quả thực nghiệm này. So sánh các module điều khiển chuyển động khác có thể được thực hiện để đánh giá hiệu quả của module Q173H. Tối ưu hóa điều khiển chuyển động là một hướng nghiên cứu tiếp theo để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.2 Phân tích và đánh giá

Phân tích kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống đạt được các mục tiêu đề ra. Mô hình điều khiển chuyển động hoạt động ổn định và chính xác. Mitsubishi Motion Control được chứng minh là hiệu quả trong ứng dụng này. Tuy nhiên, một số hạn chế về độ ổn định ở tốc độ cao và độ ồn của cơ cấu truyền động cần được cải thiện. Các loại mô hình điều khiển chuyển động khác có thể được nghiên cứu để so sánh và cải tiến hệ thống. Motion Control là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ. PLC programming for motion control đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kinh nghiệm thực tiễn. High-speed motion control và precision motion control là các hướng phát triển trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài. Chương II: Cơ sở lý thuyết: Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống và một số lý thuyết liên quan. Chương III: Tính toán và thiết kế: Trình bày về thiết kế và lựa chọn thiết bị phần cứng cho hệ thống. Chương IV: Thi công hệ thống: Tiến hành thi công theo mô hình đã được thiết kế và kết quả đạt được.

Chương V: Kết quả - nhận xét – đánh giá: Trình bày kết quả và nhận xét đánh giá kết quả đạt được. Chương VI: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển. 2 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chung về PLC 2.

Tổng quan về PLC 2. Định nghĩa PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng. PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển. PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp.

Cấu tạo  Bộ xử lý ( CPU) Để đáp ứng được yêu cầu đã nêu thì PLC cần phải có CPU như một máy tính thực thụ. CPU được xem là bộ não của PLC, nó quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC. CPU là nơi đọc tín hiệu ngõ vào từ khối vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối ra. CPU còn chứa các khối chứa năng phổ biến như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu… và các hàm chuyên dụng.

Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng nhị phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận,… Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm,… Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được. Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở,… Một thông số quan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC. 3 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ,… Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính,… Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của PLC [1] 2. Đặc điểm và vai trò của PLC 2.

Đặc điểm  Ưu điểm - Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt. Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình. - Số lượng Timer, Counter, Relay trung gian,… rất lớn. PLC còn hỗ trợ nhiều khối hàm có chức năng chuyên dụng: phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao, bộ điều khiển PID,… - Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC.

- Cấu trúc dạng Module giúp PLC có tính năng mềm dẻo, không bị cứng hóa về phần cứng. Người dùng dễ dàng lựa chọn những module nào cần thiết với yêu cầu điều khiển hiện tại giúp tiết kiệm chi phí. Cấu trúc dạng module của PLC giúp việc mở rộng 4 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an quy mô điều khiển đơn giản, tiết kiệm, không cần phải trang bị CPU mới. Tuy nhiên khi mở rộng cần chú ý tới khả năng kết nối tối đa của CPU.

- Khả năng truyền thông, nối mạng với máy tính hay với PLC khác. Khả năng này đáp ứng yêu cầu điều khiển, giám sát từ xa, xây dựng hệ thống SCADA. - Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.  Nhược điểm - Phạm vi ứng dụng hạn chế do giá thành cao nên không đáp ứng các yêu cầu điều khiển đơn giản.

Với những yêu cầu này thì bộ điều khiển tiếp điểm sẽ hiệu quả kinh tế hơn. - Yêu cầu người lắp đặt ban đầu, lập trình phải có hiểu biết chuyên môn về PLC. Vai trò Với những ưu nhược điểm như đã nêu trên, PLC thể hiện ưu điểm vượt trội và hiện nay đã thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy, dây chuyền công nghệ. Việc thay thế này giúp hệ thống hoạt động tin cậy và hiệu quả hơn, tiết kiệm nhân công và tránh những thao tác sai của người vận hành.

PLC dòng Q của hãng Mitsubishi 2. Tổng quan về PLC dòng Q  Dạng module Phát triển lên từ dòng sản phẩm trước đó, họ AnSH, họ Q PLC Mitsubishi cho phép người dùng phối hợp và lựa chọn sự kết hợp tốt nhất giữa CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền tảng. Điều này cho phép người dùng cấu hình hệ thống theo những gì mình cần, khi nào mình cần, nơi mình cần triển khai.  Khả năng đa dạng Có thể phối hợp PLC CPU (cơ bản & nâng cao), Motion, Process Controllers và ngay cả PC vào trong một hệ thống duy nhất lên đến 4 CPU khác nhau.

Điều này tạo cho người sử dụng sự chọn lựa hướng điều khiển, ngôn ngữ lập trình – tất cả cùng chung trên một nền tảng duy nhất. Linh động và phân cấp là đặc tính thiết kế chủ chốt làm cho dòng Q thực sự là một nền tảng tự động hóa duy nhất. Người dùng có thể sử dụng trong điều khiển đơn 5 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an giản các loại máy móc riêng lẻ hoặc quản lý toàn bộ thiết bị tất cả cùng trên một nền tảng phần cứng. Những tính năng chính - Tốc độ xử lý lên đến 34ns/LD.

- Bộ A/D-D/A có độ chính xác cao, ứng dụng điều khiển nhiệt độ, điều khiển vị trí. - Ngõ vào CIP (Chanel Isolated Pulse), tích hợp bộ đếm xung tốc độ cao. - Điều khiển tiến trình, lập trình online. - Hỗ trợ hoàn toàn trong các ứng dụng phần mềm MELSOFT - Đầy đủ các ứng dụng mạng như: CC-link, MELSECNET-H,… - Khả năng mở rộng đến 4096 I/O (max 8192 I/O ).

- Bước lập trình đến 252K steps. Dãy sản phẩm Bảng 2.1: Các Module CPU [4] Kiểu CPU Bộ nhớ CT Số điểm vào/ra CPU cơ bản Q00J 8k Steps 256 points Q00C 8k steps 1024 points Q01 14k steps 1024 points CPU tính năng mạnh Q02 28k steps 4096 points Q02H 28k steps 4096 points Q06H 60k steps 4096 points Q12H 124k steps 4096 points Q25H 252k steps 4096 points CPU dùng cho xử lý quá trình Q12PH 124k steps 4096 points Q25PH 252k steps 4096 points Q12PRH 124k steps 4096 points 6 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an Q25PRH 252k steps 4096 points CPU điều khiển chuyển động Tên CPU Số trục Q172H (-T) 8 Q173H (-T) 32 Q172 N(-T) 8 Q172 N(-T) 32  Các module nguồn cung cấp: Bảng 2.2: Các Module nguồn cung cấp [4] Tên module Đầu vào Đầu ra Q61P 100V - 240VAC 5VDC 6A 5VDC 3A/24VDC Q62P 100V - 240VAC 0.6A Q63P 24VDC 5VDC 6A Q64P(N) 100V -120VAC; 200 - 240VAC 5VDC 8.5A Q61P-D 100V to 240VAC 5VDC 6A  Các module ngõ vào: Bảng 2.3: Các module ngõ vào [4] 100 đến 100 đến Số ngõ vào 24V DC 5/12V DC 24V DC 120V AC 220V AC QX48Y57 8 QX28 *1 QX40 16 QX10 QX70 QX80 QX40-S1 QX40 32 QX40-S1 QX71 QX81 QH42P *1 64 QX42 QX72 QX82 7 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an QX42-S1 QX82-S1 *1: thông số kỹ thuật ngõ vào cho các module tích hợp I/O.4: Các module ngõ ra [4] Transisto Relay Transistor Transistor Transistor Số Triac 100 r 24VDC, 12 đến 12 đến 5 đến ngõ đến 12 đến 240VA 24VDC 24VDC 12VDC ra 240VAC 24VDC C (Sink) (Sink/source) (Sink) (Source) QX48Y57 7 *2 QY18A QY22 QY68A 8 QY40P QY70 QY80 16 QY10 QY50 QY41P QY71 QY81 32 QY42P *2 QY42P 64 *2: Thông số kỹ thuật ngõ ra cho các module tích hợp I/O.4 Các loại bộ nhớ Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ lưu chương trình và tham số cho một module CPU hoạt động, một chương trình hoạt động được thực thi bằng việc đưa chương trình được lưu trong bộ nhớ chương trình đến bộ nhớ cache chương trình. Bộ nhớ cache: Một bộ nhớ cho chương trình hoạt động. Một chương trình hoạt động được thực thi bằng việc đưa chương trình được lưu trong bộ nhớ chương trình đến bộ nhớ cache chương trình.

8 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an RAM tiêu chuẩn: Một bộ nhớ dùng để sử dụng thanh ghi tệp, biến cục bộ, lấy mẫu truy dấu mà không cần thẻ nhớ. Sử dụng RAM tiêu chuẩn như là một thanh ghi tệp tạo khả năng truy nhập tốc độ cao như ghi dữ liệu. RAM tiêu chuẩn còn được sử dụng để lưu trữ cho module thu thập lịch sử lỗi. Standard ROM: Một bộ nhớ dùng để lưu trữ dữ liệu như các tham số và chương trình.

Thẻ nhớ (RAM): Dùng để lưu trữ trên biến cục bộ, gỡ lỗi dữ liệu, dữ liệu truy dấu SFC, và dữ liệu lịch sử lỗi với các tham số và chương trình. Thẻ nhớ (ROM): Card flash dùng để lưu trữ tham số, chương trình và thanh ghi tệp. Một card ATA lưu trữ các tham số, chương trình, và dữ liệu người dùng của bộ điều khiển khả trình (tệp bình thường). Giới thiệu về bộ điều khiển Q173HCPU 2.

Các chức năng của Q173H 2.1 Motion CPU 173H có thể sử dụng lên tới 32 trục Motion CPU 173H điều khiển được số trục lên tới 32 trục. Chuyển động tốc độ không đổi,điều khiển dao động tốc độ cao. Nhiều chức năng điều khiển chuyển động Một loạt các chức năng điều khiển chuyển động cần thiết cho bất kỳ hệ thống chuyển động nào đều được hỗ trợ: chuyển động đến một vị trí tùy ý, điều khiển nguồn cấp dữ liệu cố định, điều khiển tốc độ bằng nhau,… - Điều khiển độc lập từng trục có thể đạt được trong chế độ điều khiển tuyến tính (có thể thực hiện đồng thời trên bốn trục). Điều khiển như vậy có thể là điều khiển chuyển động độc lập bằng cách sử dụng một dữ liệu định vị duy nhất hoặc điều khiển chuyển động liên tục được kích hoạt bằng cách xử lý bội liên tục định vị dữ liệu.