Đang tải... (xem toàn văn)
• Tìm hiểu tính năng và cách sử dụng vi điều khiển họ 8051, cụ thể là vi điều khiển AT89S52. • Tìm hiểu tính năng, cách sử dụng của PLC S7200 CPU 224 ACDCRELAY. • Nghiên cứu hoạt động của hệ thống khí nén, các phần tử trong hệ thống và các phương pháp điều khiển hệ thống khí nén. • Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén theo từng modul rời nhằm phục vụ cho môn học khí nén, PLC, Vi điều khiển. • Thiết kế và chế tạo mạch nạp cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi RS232RS485 sử dụng cho cổng truyền thông PLC kết nối máy tính. • Viết chương trình điều khiển hệ thống khí nén dùng PLC và Vi điều khiển bằng các ngôn ngữ Ladder và Assembly.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN DÙNG PLC S7-200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN Họ tên sinh viên: LÊ VĂN NHANH NGUYỄN THÁI DƯƠNG Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2006-2010 Tháng 7/2010 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN DÙNG PLC S7-200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN Tác giả LÊ VĂN NHANH NGUYỄN THÁI DƯƠNG Khóa luận đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ điện tử Giáo viên hướng dẫn: Kỹ sư Tưởng Phước Thọ Tháng năm 2010 ii LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông lâm TP.HCM, ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ trường Đại học Nông lâm TP.HCM tạo điều khiện thuận lợi cho chúng em suốt thời gian theo học trường hồn thành khóa luận Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Tưởng Phước Thọ nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ để khóa luận chúng em hoàn thành thời gian quy định Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể q thầy mơn Cơ Điện Tử tồn thể q thầy khoa Cơ khí – Cơng nghệ tạo điều khiện hỗ trợ chúng em suốt trình học tập rèn luyện trường Sau chúng em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ chúng em suốt trình học tập thực đề tài Một lần chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất người SV thực đề tài Lê Văn Nhanh Nguyễn Thái Dương iii TÓM TẮT Cùng với phát triển không ngừng lĩnh vực tự động hóa,ngày thiết bị truyền dẫn,điều khiển khí nén thủy lực sử dụng máy móc trở nên rộng rãi hầu hết lĩnh vực công nghiệp thiết bị làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo xác, cơng suất lớn với kích thước nhỏ gọn lắp đặt dễ dàng không gian chật hẹp Với tầm quan trọng sản xuất ứng dụng lĩnh vực cơng nghệ cao vậy, thủy lực, khí nén đưa vào giảng dạy trường kỹ thuật đặc biệt sinh viên ngành tự động hóa, điện tử Xuất phát từ nguyên nhân để góp phần cố kiến thức học, sinh viên thực đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thí nghiệm khí nén dùng PLC Vi điều khiển” với nội dung sau: • Tìm hiểu tính cách sử dụng vi điều khiển họ 8051, cụ thể vi điều khiển AT89S52 • Tìm hiểu tính năng, cách sử dụng PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY • Nghiên cứu hoạt động hệ thống khí nén, phần tử hệ thống phương pháp điều khiển hệ thống khí nén • Thiết kế chế tạo thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén theo modul rời nhằm phục vụ cho mơn học khí nén, PLC, Vi điều khiển • Thiết kế chế tạo mạch nạp cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi RS232/RS485 sử dụng cho cổng truyền thông PLC kết nối máy tính • Viết chương trình điều khiển hệ thống khí nén dùng PLC Vi điều khiển ngôn ngữ Ladder Assembly Kết đạt q trình thực đề tài: • Đã chế tạo thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén gồm modul rời có modul chứa phần tử khí nén cấu chấp hành, modul PLC Vi điều khiển dùng để điều khiển hệ thống khí nén kết nối với modul khí nén thơng qua jack cắm iv • Thiết kế chế tạo mạch trung tâm modul vi điều khiển, mạch nạp chương trình cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi RS232/RS485 dùng kết nối PLC máy tính • Viết chương trình điều khiển mơ hệ thống sử dụng khí nén sản xuất ngôn ngữ ladder assembly sử dụng cho PLC vi điều khiển v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC .vi DANH SÁCH HÌNH .ix DANH SÁCH BẢNG .xii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii Chương I MỞ ĐẦU 1.1.Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài Chương TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu khí nén hệ thống truyền động khí nén 2.1.1 Lịch sử phát triển khả ứng dụng hệ thống truyền động khí nén 2.1.1.1 Lịch sử phát triển 2.1.1.2 Khả ứng dụng khí nén 2.1.2 Những ưu - nhược điểm hệ thống truyền động khí nén 2.1.2.1 Ưu điểm 2.1.2.2 Nhược điểm 2.1.3 Nguyên lý truyền động khí nén .5 2.1.4 Đơn vị đo đại lượng 2.1.4.1 Áp suất 2.1.4.2 Lực .5 2.1.4.3 Công suất 2.1.5 Các phần tử hệ thống khí nén 2.1.5.1 Máy nén khí 2.1.5.2 Bình trích chứa khí nén 2.1.5.3 Mạng đường ống dẫn khí nén 2.1.5.4 Các phần tử hệ thống điều khiển 2.1.6 Hệ thống điều khiển khí nén 10 2.1.6.1 Biểu đồ trạng thái .10 2.1.6.2 Các phương pháp điều khiển 10 2.2 Giới thiệu chung vi điều khiển họ 8051 .11 2.2.1 Giới thiệu .11 2.2.2 Lịch sử phát triển vi điều khiển 11 2.2.3 Khảo sát họ vi điều khiển 8051 .12 2.2.3.1 Cấu trúc bên vi điều khiển họ 8051 13 2.2.3.2 Chức chân vi điểu khiển .15 2.2.3.3 Tập lệnh vi điều khiển 8051 17 2.2.3.4 Mạch nạp cho vi điều khiển .18 2.2.3.5 Phần mềm soạn thảo nạp chương trình cho vi điều khiển .21 vi 2.3 Tổng quan PLC 22 2.3.1 Giới thiệu .22 2.3.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động PLC 24 2.3.3 Các hoạt động xảy bên PLC 26 2.3.4 PLC SYMATIC S7-200 CPU 224 27 2.3.5 Ngôn ngữ lập trình PLC S7-200 34 2.3.6 Mạch chuyển đồi RS232/RS485 cho kết nối PC/PLC 34 2.3.7 Phần mềm soạn thảo giao tiếp PC/PLC 35 Chương 37 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .37 3.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu đề tài .37 3.1.1 Địa điểm tiến hành đề tài 37 3.1.2 Phân bố thời gian tiến hành đề tài 37 3.2 Đối tượng thiết bị nghiên cứu 37 3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 37 3.2.2 Thiết bị nghiên cứu .38 3.3 Phương pháp thực đề tài 38 3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển khí nén .38 3.3.2 Phương pháp thực đề tài 39 3.3.3 Phương pháp thực phần điện – điện tử 39 3.3.4 Phương pháp thực phần mềm 39 3.4 Phương tiện thực đề tài 39 Chương 40 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 4.1 Thiết kế mơ hình thí nghiệm 40 4.1.1 Tham khảo số mơ hình thí nghiệm 40 4.1.1 Chọn mơ hình chung .41 4.1.2 Nguyên lý hoạt động .43 4.2 Thực phần khí 44 4.2.1 Thiết kế modul thí nghiệm 44 4.2.2 Chế tạo mơ hình modul thí nghiệm .45 4.3 Thực phần điện – điện tử .47 4.3.2 Mạch điều khiển trung tâm 49 4.3.2.1 Khối trung tâm 49 4.3.2.2 Khối ngõ vào ( Input) 49 4.3.2.3 Khối ngõ (Output) 50 4.4 Thi công, hiệu chỉnh chạy thử nghiệm .51 4.4.1 Thi công 51 4.4.1.1 Thi cơng phần khí 51 4.4.1.2 Thi công phần điện tử 53 4.5 Một số tốn mơ hệ thống khí nén thực tế sản xuất – kết thảo luận 57 4.5.1 Máy dập tự động 57 4.5.2 Máy khoan bàn 61 4.5.3 Máy cán ren tự động .66 4.5.4 Máy đóng hộp block .72 4.5.5 Máy mài phẳng SIMPLEX 77 4.5.6 Kết thảo luận 83 vii Chương 84 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .84 5.1 Kết luận 85 5.2 Đề nghị 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .86 PHỤ LỤC 87 viii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén Hình 2.2 Máy nén khí .6 Hình 2.3 Van đảo chiều 5/3 Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều Hình 2.5 Van chặn Hình 2.6 Van tiết lưu Hình 2.7 Xylanh khí nén .10 Hình 2.8 Vi điều khiển AT89S52 12 Hình 2.9 Cấu trúc bên vi điều khiển 8051 13 Hình 2.10 Chức chân vi điều khiển 8051 15 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cổng USB 19 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn mạch nạp USB .19 Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý đế gắn vi điều khiển cần nạp chương trình 20 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phần mạch điều khiển trình nạp 21 Hình 2.15 Giao diện chương trình MIDE-51 22 Hình 2.16 Giao diện chương trình WILLAR 22 Hình 2.17 PLC S7 200 CPU 224 DC/DC/DC .24 Hình 2.18 Mơ hình tổng qt PLC 25 Hình 2.19 CPU S7-200 Module 28 Hình 2.20 Cổng truyền thơng PLC 30 Hình 2.21 Kết nối PLC máy tính qua cáp nối PC/PPI .30 Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc nhớ PLC 30 Hình 2.23 Nguyên lý thực chương trình PLC S7-200 .33 Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý phần mạch giao tiếp PC/PLC 35 Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch giao tiếp PC/PLC 35 Hình 2.26 giao diện chương trình STEP – Micro/WIN 36 Hình 2.27 Quản lý kết nối PC/PLC phần mềm STEP – Micro/WIN 36 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén PLC Vi Điều khiển 38 Hình 4.1 Một số thí nghiệm khí nén hãng SMC FESTO 41 ix Hình 4.2 Mơ hình thí nghiệm – Modul khí nén 41 Hình 4.3 Mơ hình thí nghiệm – Modul PLC .42 Hình 4.4 Mơ hình thí nghiệm – Modul Vi Điều Khiển .43 Hình 4.5 Bản vẽ thiết kế modul khí nén 44 Hình 4.6 Bản vẽ thiết kế modul PLC .45 Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế modul Vi Điều Khiển .45 Hình 4.8 sơ đồ bố trí linh kiện modul khí nén 46 Hình 4.9 Sơ đồ bố trí linh kiện modul PLC 46 Hình 4.10 Sơ đồ bố trí linh kiện modul Vi điều khiển 47 Hình 4.11 Sơ đồ mạch tổng thể khối vi điều khiển trung tâm 48 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp cho vi điều khiển .48 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển .49 Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý ngõ vào tín hiệu cảm biến cơng nghiệp 50 Hình 4.15 Sơ đồ ngun lý ngõ vào tín hiệu dạng cơng tắc 50 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyết đại tín hiệu ngõ vi điều khiển 50 Hình 4.17 Modul khí nén sau chế tạo .51 Hình 4.18 Modul PLC sau chế tạo 52 Hình 4.19 Modul vi điều khiển sau chế tạo 52 Hình 4.20 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch vi điều khiển trung tâm 53 Hình 4.21 Mạch in bo mạch vi điều khiển trung tâm 53 Hình 4.22 Mạch vi điều khiển trung tâm sau chế tạo 54 Hình 4.23 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nạp vi điều khiển 54 Hình 4.24 Mạch in bo mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB 55 Hình 4.25 Mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB sau chế tạo .55 Hình 4.26 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch chuyển đổi RS232/RS485 56 Hình 4.27 Mạch in mạch chuyển đổi RS232/RS485 .56 Hình 4.28 Mạch chuyển đổi RS232/RS485 sau hoàn thành 56 Hình 4.29 Mơ hình máy dập tự động dùng xylanh khí nén 57 Hình 4.30 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển xylanh khí máy dập tự động 58 Hình 4.31 Mơ hình máy khoan bàn dùng xylanh khí nén 62 Hình 4.32 Sơ đồ phác thảo mạch khí nén máy khoan bàn .63 x ORG 000H ;Khai báo địa bắt đầu chương trình MOV P3,#0FFH ;Set giá trị Port P1 =0ffH làm ngõ nhận tín hiệu mức thấp MOV P2,#0FFH ;Set giá trị Port P0 =0ffH làm ngõ xuất tín hiệu mức thấp MAIN:JNB START,$ JNB S1,$ LOOP:CLR XLA ;Kiểm tra nút nhấn START có bị tác động hay chưa ;Kiểm tra cơng tắc hành trình S1 có bị tác động hay chưa ;Xuất tín hiệu tích cực mức thấp điều khiển xylanhA JNB S2,$ ;Kiểm tra cơng tắc hành trình S2 có bị tác động hay chưa CLR XLB ;Xuất tín hiệu tích cực mức thấp điều khiển xylanhB JNB S4,$ ;Kiểm tra công tắc hành trình S4 có bị tác động hay chưa SETB XLB ;Xuất tín hiệu tích cực mức cao điều khiển xylanhB JNB S3,$ ;Kiểm tra công tắc hành trình S3 có bị tác động hay chưa SETB XLA ;Xuất tín hiệu tích cực mức cao điều khiển xylanhA JNB S1,$ ;Kiểm tra công tắc hành trình S1 có bị tác động hay chưa CLR XLB ;Xuất tín hiệu tích cực mức thấp điều khiển xylanhB JNB S4,$ ;Kiểm tra cơng tắc hành trình S4 có bị tác động hay chưa SETB XLB ;Xuất tín hiệu tích cực mức cao điều khiển xylanhB JMP LOOP ;Nhảy nhãn LOOP để thực lại chương trình END ;kết thúc chương trình 4.5.6 Kết thảo luận Qua q trình chế tạo mơ hình tốn mơ hệ thống khí nén sản xuất thu số kết nhận xét sau: • Hệ thống chạy ổn định, tập mô gần với thực tế giúp sinh viên thực tập mơ hình dễ dàng hình dung hoạt động hệ thống khí nén thực tế sản xuất • Các modul thí nghiệm thiết kế nhỏ gọn, linh kiện bố trí hợp lý khoa học, giúp sinh viên thực tập dễ dàng thao tác, kết nối thiết bị thí nghiệm qua sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động hệ thống khí nén 83 • Các modul hoạt động ổn định, có tính linh hoạt cao, khơng sử dụng cho thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén mà sử dụng để thí nghiệm cho môn học khác Vi điều khiển, PLC… • Bộ thí nghiệm thiết kế có tính thẩm mỹ cao, giá thành sản xuất thấp nhiều so với thí nghiệm hãng SMC, FESTO… Có thể dễ dàng chế tạo để trang bị để phục vụ cho sinh viên thực tập môn học liên quan Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 84 5.1 Kết luận Sau 10 tuần thực đề tài với hướng dẫn tận tình thầy KS.Tưởng Phước Thọ Đề tài “Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Thí Nghiệm Điều Khiển Hệ Thống Khí Nén Dùng PLC Và Vi Điều Khiển” hoàn thành thời gian quy định Đây đề tài mang tính tổng hợp, kết hợp khí nén, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật lập trình Đề tài giúp sinh viên bước đầu làm quen với đề tài khoa học tích lũy số kiến thức hệ thống khí nén, vi điều khiển, PLC, ngơn ngữ lập trình Assembly, Ladder Đề tài giúp sinh viên thực làm quen với việc hệ thống, tổng hợp kiến thức học trình làm việc thực tế Trong trình thực đề tài, sinh viên thực làm quen với việc tự tìm hiểu kiến thức thơng qua việc sử dụng hệ thống khí nén, vi điều khiển họ 8051, PLC, lập trình Assembly cho vi điều khiển, lập trình Ladder cho PLC thơng qua tốn mô hệ thống sản xuất giúp sinh viên phần hình dung ứng dụng kiến thức giảng dạy trường vào thực tế sản xuất Qua giúp sinh viên dễ dàng hòa nhập với cơng việc thực tế sau rời ghế nhà trường Trong trình thực hiện, đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót định hạn chế thời gian, kiến thức kinh phí Vì sinh viên thực đề tài mong nhận đóng góp quý thầy cô bạn sinh viên để đề tài hoàn thiện 5.2 Đề nghị Sau thời gian thực hoàn thành đề tài, sinh viên thực nhận thấy đề tài tồn nhiều hạn chế Để đề tài phong phú sinh động hơn, sinh viên thực đề tài đề nghị phát triển số nội dung sau: • Cần bố trí thêm loại cảm biến để đề tài mang tính tổng quát loại cảm biến quang, cảm biến lực…giúp cho việc mơ hình hóa máy móc cơng nghiệp đa dạng hơn, gần gũi với thực tế sản xuất • Cần có modul mở rộng cho PLC để sinh viên thực tập thí nghiệm hiểu rõ cấu tạo hoạt động PLC 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO • Trần Xuân Tùy, 2005 Giáo trình hệ thống truyền động thủy khí Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 121 trang • Nguyễn Ngọc Phương , Huỳnh Nguyễn Hồng, 2000 Hệ thống điều khiển thủy lực NXB Giáo dục, 275 trang 86 • Đào Duy Vinh, 2008 Giáo trình cơng nghệ thủy lực khí nén Đại học Nơng lâm TP.HCM, 121 trang • Kiều Xuân Thực, 2008 Vi Điều Khiển cấu trúc – lập trình ứng dụng NXB Giáo dục, 199 trang • Tống Văn On, Hồng Đức Hải, 2005 Họ vi điều khiển 8051 NXB Lao động – Xã hội • Ngơ Diên Tập, Vũ Trung Kiên, Phạm Xuân Khánh, Kiều Xuân Thực, 2007.Giáo trình vi xử lý cấu trúc máy tính NXB Giáo dục • Lâm Tăng Đức, Nguyễn Kim Ánh, 2005 Giáo trình môn học điều khiển logic Đh Bách khoa Đà Nẵng • Hugh Jack, 2003 Automating manufacturing systems with PLCs Free Software Foundation, Inc 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 021111307 USA • SEIMENS, 2003 S7-200 programmable controller system manual PHỤ LỤC PHỤ LỤC Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén 87 PHỤ LỤC Các phần tử thường gặp hệ thống khí nén - Cơ cấu chấp hành: 88 Xy lanh tác dụng đơn: Xy lanh tác dụng chiều ( tác dụng kép): Xylanh tác dụng hai chiều có cấu giảm chấn điều chỉnh được: Xylanh quay răng: Động khí nén chiều, chiều: - Một số van đảo chiều thường gặp: 89 - Các tín hiệu tác động: • Tín hiệu tác động tay • Tín hiệu tác động 90 • Tín hiệu tác động khí nén • Tín hiệu tác động nam châm điện 91 - Van chiều - Van tiết lưu - Bình trích chứa khí nén Ký hiệu : - Một số ký hiệu biểu diễn ký hiệu biểu đồ trạng thái 92 PHỤ LỤC Bảng tóm tắt đồ vùng nhớ chip data 8051 93 PHỤ LỤC Các loại CPU S7 – 200 So sánh đặc điểm thông số kỹ thuật series 2xx 94 PHỤ LỤC Mã số thông số điện áp nguồn I/O Các thông số cơng suất tiêu thụ dòng điện I/O 95 PHỤ LỤC Đặc điểm giới hạn vùng nhớ CPU S7 2XX 96 PHỤ LỤC Sơ đồ mạch giao tiếp CPU 224 với sensor cấu chấp hành 97 ... kế, chế tạo thí nghiệm khí nén dùng PLC Vi điều khiển với nội dung sau: • Tìm hiểu tính cách sử dụng vi điều khiển họ 8051, cụ thể vi điều khiển AT89S52 • Tìm hiểu tính năng, cách sử dụng PLC S7-200... khiển hệ thống khí nén dùng PLC Vi điều khiển ngôn ngữ Ladder Assembly Kết đạt trình thực đề tài: • Đã chế tạo thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén gồm modul rời có modul chứa phần tử khí nén. .. modul PLC Vi điều khiển dùng để điều khiển hệ thống khí nén kết nối với modul khí nén thơng qua jack cắm iv • Thiết kế chế tạo mạch trung tâm modul vi điều khiển, mạch nạp chương trình cho vi điều