Báo cáo Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG AC SERVO PANASONIC S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014 – 18 SKC0 0 5 2 3 Tp. Hồ Chí Minh, 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG AC SERVO PANASONIC Mã số: T2014-18 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lê Thanh Lâm TP. HCM, 11/2014
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG AC SERVO PANASONIC Mã số: T2014-18 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lê Thanh Lâm TP. HCM, 11/2014
4. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG AC SERVO PANASONIC Mã số: T2014-18 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lê Thanh Lâm TP. HCM, 11/2014
5. i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG BIỂU iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU v Chương 1 1 MỞ ĐẦU 1 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 1 2. Tính cấp thiết 1 3. Mục tiêu 1 4. Cách tiếp cận 1 5. Phương pháp nghiên cứu 1 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 7. Nội dung nghiên cứu. 2 Chương 2 3 BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO DRIVER MINAS A5 3 2.1. Giới thiệu 3 2.2. Bộ điều khiển Servo Driver MINAS A5 (Panasonic) 4 2.3. Kết nối với Driver Servo Minas A5 8 2.4. Hướng dẫn sử dụng panel điều khiển MINAS 13 2.5. Phần mềm PANATERM 17 2.5.1. Chế độ Trial Run 17 2.5.2. Điều khiển tốc độ động cơ 20 Chương 3 25 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SIMATIC S7 25 3.1. Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC 25 3.1.1. Tổng quan về nguồn gốc PLC 25 3.1.2. Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay 25 3.2. Tổng quan về họ PLC S7-1200 26 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
6. ii 3.2.1 Giới thiệu 26 3.2.2. Các dòng CPU của họ S7-1200 28 3.2.3. Kết nối I/O cho S7-1200 (CPU 1214 DC/DC/DC) 30 3.3. Truy xuất vùng nhớ 32 3.4. Các kiểu dữ liệu 34 3.5. Tập lệnh cơ bản trong S7-1200 35 3.5.1. Tập lệnh tiếp điểm (Bit logic) 35 3.5.2. Các bộ Timer 36 3.5.3. Counter 38 3.5.4. Lệnh so sánh 40 3.5.5. Lệnh toán học 41 3.5.6. Lệnh di chuyển 41 3.5.7. Lệnh phát xung 42 3.5.8. Lệnh điều khiển chuyển động 42 3.6. Phần mềm lập trình TIA PORTAL V11 44 3.6.1. Giới thiệu 44 3.6.2. Lập trình trong TIA Portal V11 44 3.6.3. Tạo giao diện HMI 49 Chương 4 54 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ SERVO AC – BĂNG TẢI 54 4.1. Mô hình thí nghiệm 54 4.1.1. Khối PLC 55 4.1.2. Mạch cách ly 55 4.1.3. Khối nguồn 56 4.1.4. Khối cảm biến sản phẩm 56 4.1.5. Xi lanh tác động hai chiều 57 4.1.6. Van khí nén 57 4.1.7. Van tiết lưu 58 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
7. iii 4.1.8. Động cơ Servo 58 4.1.9. Encorder 59 4.1.10. Băng tải 61 4.2. Bài tập thực hành trên bộ thí nghiệm 61 Chương 5 76 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
8. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Chức năng các chân của bộ điều khiển MINAS A5 6 Bảng 2.2. Chức năng của các chân cổng X1 8 Bảng 2.3. Chức năng các chân cổng X2 9 Bảng 2.4. Chức năng các chân cổng X3 9 Bảng 2.5. Chức năng các chân cổng X4 10 Bảng 2.6. Chức năng các chân cổng X7 11 Bảng 2.7. Chức năng các chân cổng kết nối X7 13 Bảng 2.8. Bảng thông số hiển thị 15 Bảng 2.9. Trạng thái các bit điều khiển các cấp tốc độ động cơ. 21 Bảng 3.1. Các module mở rộng của S7-1200. 28 Bảng 3.2. Đặc điểm các dòng CPU. 29 Bảng 3.3. Sơ đồ chân của CPU 1214 DC/DC/DC. 31 Bảng 3.4. Các vùng nhớ PLC S7-1200. 32 Bảng 3.5. Các kiểu dữ liệu. 34 Bảng 3.6. Các lệnh tiếp điểm. 35 Bảng 3.7. Thông số của các bộ Timer. 37 Bảng 3.8. Thông số các bộ Counter. 39 Bảng 3.9. Các phép so sánh. 40 Bảng 3.10. Thông số của phép so sánh. 41 Bảng 3.11. Phân nhiệm ngõ ra phát xung. 42 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
9. v TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa Điện-Điện tử Tp. HCM, ngày tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic - Mã số: T2014-18 - Chủ nhiệm: Lê Thanh Lâm - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: Ứng dụng điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic vào việc giảng dạy môn học Thực tập Truyền động điện. 3. Tính mới và sáng tạo: Việc nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic rất cần thiết cho việc phục vụ công tác giảng dạy môn học Thực tập Truyền động điện. 4. Kết quả nghiên cứu: -Nghiên cứu ứng dụng phần mềm điều khiển lập trình PLC S7-1200. -Nghiên cứu điều khiển hệ AC Servo Panasonic. 5. Sản phẩm: - Tài liệu tham khảo về điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic. - Tài liệu hướng dẫn thực tập điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Sinh viên ngành Điện công nghiệp có tài liệu thực tập được cập nhật mới cho môn học: Thực tập Truyền động điện và tài liệu để đào tạo cho các doanh nghiệp. Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
10. vi - Chương trình và các tài liệu báo cáo sẽ được chuyển giao trực tiếp cho phòng NCKH-QHQT, khoa Điện-điện tử và bộ môn Điện công nghiệp. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Lê Thanh Lâm Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
11. 1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ AC servo và bộ Servo Driver là hệ thống điều khiển định vị thay thế cho hệ thống điều khiển vị trí bằng động cơ STEP truyền thống. Ưu điểm của hệ thống là dùng động cơ AC Servo sẽ có momen lớn thời gian đáp ứng nhanh, độ tin cậy cao, chính xác lớn, điều khiển vị trí với độ chính xác cao, mô men lớn, thời gian đáp ứng nhanh. Ngoài ra hệ thống còn được hỗ trợ rất tốt khi kết nối với PLC và màn hình giao diện . 2. Tính cấp thiết Việc nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic rất cần thiết cho việc phục vụ công tác giảng dạy môn học Thực tập Truyền động điện. 3. Mục tiêu Ứng dụng điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic vào việc giảng dạy môn học Thực tập Truyền động điện. 4. Cách tiếp cận Nghiên cứu bài báo khoa học, các tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị. Dựa vào phần cứng và phần mềm có sẵn để điều khiển hệ thống. 5. Phương pháp nghiên cứu Phân tích lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình. 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Hệ thống AC Servo Panasonic. Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
12. 2 - Nghiên cứu điều khiển hệ AC Servo Panasonic kết hợp điều khiển lập trình sử dụng PLC S7-1200. 7. Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm điều khiển lập trình PLC S7-1200. - Nghiên cứu điều khiển hệ AC Servo Panasonic. Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
13. 3 Chương 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO DRIVER MINAS A5 2.1. Giới thiệu SERVOMOTOR và bộ Servo Driver là hệ thống điều khiển định vị thay thế cho hệ thống điều khiển vị trí bằng động cơ STEP truyền thống. Ưu điểm của hệ thống SERVOMOTOR là dùng động cơ AC Servo sẽ có momen lớn thời gian đáp ứng nhanh, độ tin cậy cao, chính xác lớn. Điều khiển vị trí với độ chính xác cao, mô men lớn, thời gian đáp ứng nhanh. Hỗ trợ rất tốt khi kết nối với PLC và màn hình giao diện . Dải công suất từ 30W đến 37KW với đầy đủ các tính năng, điều khiển tối đa tới 15 trục. Động cơ hoạt động êm, nhiều kiểu dáng. Hình 2.1. Động cơ Servo và Driver Servo MINAS A5-series Panasonic. Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
14. 4 Hình 2.2: động cơ MSME5AZS1S hãng PANASONIC - Động cơ AC Servo loại MSME Hình 2.3. Hình ảnh động cơ quán tính chậm (MSME, 50W) - Các thông số kỹ thuật cần chú ý cho động cơ sử dụng trong mô hình thí nghiệm: Công suất: 50W Điện áp: 200V Dạng encoder tuyệt đối, 17bit, độ phân giải 131.072, loại 7 dây Kiểu thiết kế: theo tiêu chuẩn (Standard) 2.2. Bộ điều khiển Servo Driver MINAS A5 (Panasonic) Các thông số kỹ thuật ghi trên nhãn thiết bị của bộ DRIVER AC SERVO được cho trong hình 2.4 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
15. 5 Hình 2.4. Các thông số ghi trên nhãn thiết bị Hình 2.5. Sơ đồ các chân trên bộ điều khiển MINAS A5 Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
16. 6 Bảng 2.1. Chức năng các chân của bộ điều khiển MINAS A5 Chân Kí hiệu Chức năng 3 PULS1 Xung 1 Xung lệnh ngõ vào A (sử 4 PULS2 Xung 2 dụng với 500kpps hoặc thấp 5 SGN1 Tín hiệu 1 hơn) 6 SGN2 Tín hiệu 2 7 COM+ Cổng COM+ 8 NOT Ngõ vào ngăn chuyển động theo chiều âm 9 POT Ngõ vào ngăn chuyển động theo chiều dương 10 BAKOFF- Ngõ ra ngắt ngoài âm 11 BAKOFF+ Ngõ ra ngắt ngoài dương 12 ZSP Ngõ ra dò tốc độ 0 13 GND Chân nối đất 14 SPR/TRQ/SPL 15 GND Chân nối đất 16 P-ATL/TRQR Ngõ vào giới hạn moment 17 GND Chân nối đất theo chiều dương (0-10V) 18 N-ATL Ngõ vào giới hạn moment theo chiều âm 19 CZ Ngõ ra pha Z (đầu thu hở) 21 OA+ Ngõ ra pha A 22 OA- 23 OZ+ Ngõ ra pha Z 24 OZ- 25 GND Chân nối đất 26 VS-SEL1 Công tắc điều khiển tắt dần ngõ vào 1 27 GAIN Công tắc độ lợi ngõ vào 28 DIV1 Công tắc ngõ vào thiết bị điện 1 29 SRV-ON Ngõ vào Servo - ON 30 CL Xóa sai lệch bộ đếm ngõ vào 31 A-CLR Ngõ vào báo động 32 C-MODE Công tắc chọn chế độ điều khiển ngõ vào 33 INH Ngõ vào chặn lệnh xung 34 S-RDY- Ngõ ra Servo – Ready Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
17. 7 35 S-RDY+ ( sẵn sang) 36 ALM- Ngõ ra Servo – Alarm 37 ALM+ (báo động) 38 INP- Hoàn thành chuyển động ngõ ra 39 INP+ 40 TLC Giới hạn moment ngõ ra 41 COM- Cổng COM- 42 IM Giám sát moment ngõ ra 43 SP Giám sát moment ngõ vào 44 PULSH1 Xung lệnh ngõ vào B 45 PULSH2 (Dùng với 4Mpps hoặc nhỏ hơn) 46 SIGNH1 47 SIGNH2 48 OB+ Ngõ ra pha B 49 OB- Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
18. 8 2.3. Kết nối với Driver Servo Minas A5 Hình 2.6. Vị trí các cổng kết nối tới bộ điều khiển MINAS A5 - Cổng kết nối X1: Bảng 2.2. Chức năng của các chân cổng X1 Ứng dụng Kí hiệu Chân Nội dung Cổng USB V-BUS 1 Sử dụng cho truyền thông với Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
19. 9 kết nối tín D+ 2 máy tính cá nhân hiệu D- 3 - 4 Do not connect GND 5 Nối mass mạch điều khiển - Cổng kết nối X2: Được sử dụng cho kết nối với máy chủ khi 2 hoặc nhiều hơn đơn vị được sử dụng. Cáp RS-232 hoặc RS-485 được sử dụng. Bảng 2.3. Chức năng các chân cổng X2 Ứng dụng Kí hiệu Chân Nội dung Tín hiệu nối đất GND 1 Kết nối mạch điều khiển tới mass NC - 2 Do not connect Tín hiệu RS232 TXD 3 RS232 RXD 4 Phương pháp truyền/nhận Tín hiệu RS485 485- 5 RS485 485+ 6 Phương pháp truyền nhận 485- 7 485+ 8 Khung nối đất FG Shell Kết nối tới dây bảo vệ chống chạm đất trên động cơ Servo - Cổng kết nối X3: Thực hiện các chức năng kết nối an toàn Bảng 2.4. Chức năng các chân cổng X3 Ứng dụng Kí hiệu Chân Nội dung NC - 1 Do not connect - 2 Safety input 1 SF1- 3 Chúng là 2 mạch đôc lập ngắt các tín Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
20. 10 4 hiệu vận hành tới mô đun nguồn để tắt SF1+ động cơ hiện tại Safety input 2 SF2- 5 SF2+ 6 EDM output EDM- Đây là ngõ ra theo dõi sự ngừng của EDM+ các chức năng an toàn Frame ground FG Shell Kết nối với thiết bị bảo vệ chống chạm đất trong bộ điều khiển Servo - Cổng kết nối X4: Kết nối ngõ vào/ra (I/O) song song Bảng 2.5. Chức năng các chân cổng X4 Kết nối cạnh bên Kết nối được thực hiện bởi khách Nhà sản xuất cộ điều khiển Phần tên Phần số Tương đương Kết nối(loại hàn) Tương đương Molex Inc 52986-5079 54306-5019 Kết nối nắp Tương đương 54331-0501 Hoặc Tương đương Kết nối (loại hàn) Tương đương Sumiomo 3M 10250-52A2 10150-3000 PE Kết nối nắp Tương đương 10350-52A0-008 - Cổng kết nối X5: Kết nối hồi tiếp các tín hiệu về driver để xử lí. Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
21. 11 Bảng 2.6. Chức năng các chân cổng X7 Ứng dụng Kí hiệu Chân Nội dung Ngõ ra nguồn EX5V 1 Cấp nguồn ngoài hoặc cấp cho 3 pha cung cấp A,B,Z EX0V 2 Nối đất mạch điều khiển I/F của tín hiệu EXPS 3 Tín hiệu nối tiếp ngoài /EXPS 4 Phương pháp truyền/nhận Tín hiệu ngõ EXA 5 Tín hiệu song song vào 3 pha / EXA 6 Nhận tốc độ tương ứng 4Mpps ( sau khi A,B,Z của EXB 7 tăng lên 4 lần) encoder / EXB 8 EXZ 9 / EXZ 10 Khung nối FG shell Kết nối tới thiết bị bảo vệ chạm đất trong mass bộ điều khiển Servo - Cổng kết nối X6: Kết nối tới Encoder nhận tín hiệu. Chỉ sử dụng cho điều khiển vị trí - Cổng kết nối X7: Cổng kết nối X7 trên Panel để giám sát ngõ ra Ngõ ra tương tự : 2 hệ thống Ngõ ra số : 1 hệ thống Nghiên cứu điều khiển hệ thống AC Servo Panasonic
22. S K L 0 0 2 1 5 4