Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế, thi công và mô phỏng Chương 4: Mô tả và xử lý bài toán Chương 5: Kết quả nghiên cứu và đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1.4 Phạm vi đề tài Đề tài xoay quanh tập trung việc điều khiển cánh tay robot chạy đúng vị trí, kết hợp với camera để nhận biết được vật và đuổi theo. Bên cạnh đó còn mở rộng thêm điều khiển cánh tay robot xếp vật trên băng tải chuyển động và dạy robot chạy theo được quỹ đạo cho trước. Giới hạn đề tài: không gian làm việc hạn chế, phạm vi nhận biết vật nhỏ, cơ khí không ổn định nên bị giới hạn tốc độ. 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Tổng quan về PLC 2.1 Giới thiệu về PLC PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình nào đó.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự, sự kiện. Ngôn ngữ lập trình có thể là Ladder hay State logic. PLC ra đời để thay thế những hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút nhấn để thực hiện nhiệm vụ, trong khi đó PLC sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiệu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thực tế. Cùng với sự phát triển của máy móc tự động hóa thì PLC dần dần được tích hợp thêm nhiều tính năng khác nhằm giúp nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị cũng như khả năng kết nối nhiều hệ thống với nhau.
Những tính năng mở rộng phổ biến hiện nay của PLC như khả năng đọc và xuất tín hiệu analog. Tích hợp khả năng đọc xung tốc độ cao từ cảm biến đo vòng quay encoder. Kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi bằng truyền thông như màn hình cảm ứng HMI, máy tính, camera, … 2.2 Cấu trúc của PLC PLC hoạt động theo nguyên lý nhận biết tín hiệu đầu vào, mạch điều khiển sẽ hoạt động liên tục tuần hoàn theo chương trình mà người dùng lập trình sẵn và xuất các kết quả hay các tín hiệu ngõ ra đến ngõ ra của PLC.1 Cấu trúc PLC Tất cả các PLC đều có các thành phần chính là: - Bộ xử lý trung tâm: được gọi là CPU (Central Procesing Unit) chứa các chương trình ứng dụng và các tín hiệu nhập xuất. Nó được kết nối trực tiếp đến các thiết bị I/O và các thiết bị truyền thông.
Khi có tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu vào), 3 CPU sẽ xử lý và gửi tín hiệu đầu ra (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu ra) đến thiết bị xuất tương ứng. - Bộ nhớ chương trình: có nhiều loại bộ nhớ khác nhau dùng để lưu trữ trạng thái hoạt động của hệ thống và dữ liệu của người dùng. Tùy vào yêu cầu của người dùng có thể chọn các loại bộ nhớ khác nhau: + Bộ nhớ chỉ đọc ROM: là một bộ nhớ không khả biến (không bị mất dữ liệu khi mất nguồn điện), nó chỉ có thể lập trình một lần. Do đó không thích hợp cho việc điều khiển liên tục thay đổi.
ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ ghi đọc RAM: là một bộ nhớ được sử dụng phổ biến trong việc lưu trữ dữ liệu và chương trình người sử dụng. Tuy nhiên, số lần nạp chương trình vào RAM bị hạn chế và RAM sẽ bị mất dữ liệu khi nguồn điện bị mất. Điều này có thể giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM nguồn điện dự phòng bằng cách dùng pin.
Ngày nay, trong kỹ thuật phát triển PLC, người ta dùng CMOSRAM nhờ vào sự tiêu tốn năng lượng khá thấp nên tuổi thọ pin được kéo dài. Ngoài ra, pin dự phòng có thể chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ được nạp sạc khi cấp nguồn cho PLC. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được EPROM: là một nhớ lưu trữ dữ liệu giống như ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xóa đi bằng cách phóng tia tử ngoại vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó người dùng mới có thể viết lại chương trình trong bộ nhớ. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện EEPROM: là một bộ nhớ kết hợp cả 2 ưu điểm linh động của RAM và tính khả biến của EPROM.
Nội dung trên EEPROM có thể lập trình và bị xóa bằng điện, tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định. Để đảm bảo cho PLC hoạt động thì phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương trình, đôi khi cần phải mở rộng thêm bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như: + Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/ nhập được gọi là RAM xuất nhập. + Vùng đệm tạm thời lưu trữ các trạng thái của các chức năng bên trong như timer, counter, relay nội, … - Hệ thống các ngõ vào/ ra: mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc vào khả năng của PLC có thể đọc được nhiều loại dữ liệu khác nhau từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến hay các thiết bị nhập bằng tay. Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút nhấn, bàn phím, công tắc chuyển mạch, ….
Mặt khác, để đo hay kiểm tra được chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng, khoảng cách, …PLC phải nhận biết được các tín hiệu trả về từ cảm biến như cảm biến chuyển động, cảm biến áp suất, cảm biến mực nước, cảm biến khoảng cách, … Các tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Một số loại PLC tích hợp 4 ngõ vào/ ra nhận và xuất cả tín hiệu số hoặc tương tự nhưng một số loại cần phải kết nối mở rộng với các module vào/ ra. - Các cổng truyền thông: có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối PLC với các module, thiết bị ngoại vi hay PLC khác. Chúng được mô tả dựa trên các giao thức nhất định.
Dựa trên các giao thức này, các mạng truyền thông trong công nghiệp được phân thành nhiều loại phổ biến được như giao thức nối tiếp, HART, DeviceNet, ControlNet, Modbus, Profibus, … - Đèn báo trạng thái: trên mỗi PLC thường được thiết kế đèn báo nguồn, báo trạng thái CPU, báo lỗi, báo trạng thái tín hiệu ngõ vào/ ra, … 2.3 Ưu nhược điểm của PLC Sự ra đời của hệ thống PLC đã làm thay đổi hệ thống điều khiển dùng relay cũng như các khái niệm thiết kế về chúng. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC có những ưu điểm vượt trội sau: - Giảm số lượng dây nối. - Công suất tiêu thụ thấp. - Khả năng lập trình mở, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống. - Số lượng tiếp điểm nội trong chương trình sử dụng không hạn chế. - Thời gian xử lý chương trình nhanh, tăng cao tốc độ sản xuất. - Được thiết kế tương thích với chuẩn công nghiệp, có khả năng kết nối với các thiết bị khác như: máy tính, module mở rộng, … tạo thành mạng công nghiệp hoặc kết nối với Internet dễ dàng.
- Được thiết kế để làm việc trong môi trường công nghiệp, có khả năng chống nhiễu, chịu ẩm, … - Các phần mềm hỗ trợ lập trình, giám sát được thiết kế trực quan, chuyên nghiệp, dễ tiếp cận. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển sử dụng PLC còn tồn tại một số nhược điểm sau: - Giá thành cao, một số hãng chiếm độc quyền về bản quyền phần mềm, không hỗ trợ miễn phí cho người dùng. - Việc sử dụng PLC đòi hỏi người dùng phải có trình độ chuyên môn nhất định. - Các mạch điện được tích hợp với nhau, gây khó khăn cho việc sửa chữa.4 Ứng dụng của PLC - PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: dây chuyền sản xuất, dây chuyền lắp ráp, kiểm tra quá trình sản suất, giám sát năng lượng, điều khiển hệ thống tự động, … - Trong hệ thống quản lý từ xa Scada, đặc biệt là hệ thống điều khiển phân tán DCS, PLC được sử dụng để thu thập khác tín hiệu I/O điều khiển từ xa.1 Giới thiệu chung Động cơ là một bộ phận quan trọng, chiếm hơn 80% năng lượng trên thế giới.
Tùy vào nhu cầu sử dụng mà động cơ được chế tạo và phân thành rất nhiều loại. Trong kỹ thuật điều khiển, khi các yêu cầu về độ chính xác vị trí, tốc độ hay moment được đề cao, các động cơ thông thường không thể đáp ứng nên cơ cấu servo (hay động cơ servo) đã được nghiên cứu và phát triển. Cũng như các loại động cơ điện khác, động cơ servo cũng là một máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Nhưng sự khác biệt lớn nhất là độ chính xác và thời gian đáp ứng nhanh.
Ngoài ra, động cơ servo ngày nay được cải tiến để có thể vận hành trong các chế độ tốc độ chậm với moment cao hay tốc độ cao và dừng đột ngột, … 2.2 Phân loại và cấu tạo Động cơ servo được phân loại dựa trên các đặc đính sau: - Dựa vào kiểu chuyển động: + Động cơ servo quay theo vị trí: Các servo quay theo vị trí có thể xoay trục trong khoảng một nửa vòng tròn. Ngoài ra, nó có tính năng bảo vệ cảm biến quay khỏi vượt quá vòng quay. Động cơ vị trí chủ yếu được sử dụng ở tay chân, cánh tay robot, … + Động cơ servo quay liên tục: Các servo liên tục có cấu tạo tương tự như servo vị trí. Nhưng, nó có thể di chuyển theo cả chiều thuận và chiều ngược kim đồng hồ.
Những loại servo này được sử dụng trong các hệ thống radar và robot, … + Động cơ servo quay tuyến tính: Động cơ servo tuyến tính cũng giống như servo vị trí, nhưng có thêm các bánh răng để điều chỉnh đầu ra từ quay vòng tròn sang quay qua lại (trái phải). Những loại servo này được sử dụng trong các máy bay mô hình cao cấp và rất hiếm thấy trên thị trường. - Dựa vào tín hiệu hoạt động: + Động cơ servo tín hiệu tương tự: được xem là một dạng động cơ servo tiêu chuẩn, nó điều chỉnh tốc độ thông qua việc gửi và ngắt xung hay còn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Phạm vi của tín hiệu từ 4,8V đến 6V.
Tốc độ nhận xung khoảng 50 xung/ giây.