BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Trần Ngọc Sơn
Võ Thu Hà, Nguyễn Đức Điển, Đặng Thị Tuyết Minh
TÀI LIỆU HỌC TẬP
ĐỒ ÁN 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG
(Lưu hành nội bộ)
Hà Nội – 2022
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... 3
DANH MỤC CHỮ BẢNG ................................................................................................. 3
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... 11
CHƯƠNG 1: QUY ĐỊNH TRÌNH BÀY ĐỒ ÁN ............................................................. 12
1.1. Quy định trình bày văn bản cho đồ án ............................................................ ………12
1.2. Quy định về nội dung, cấu trúc của đồ án: ................................................................. 12
CHƯƠNG 2: CÁC BÀI TOÁN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC PLC
........................................................................................................................................... 16
2.1. Giao nhiệm vụ đề tài đồ án môn học .......................................................................... 16
2.2. Các bước thực hiện xây dựng nội dung đồ án ............................................................ 28
2.3. Cơ sở lý thuyết các phương pháp tổng hợp mạch điều khiển .................................... 33
2.3.1.Tổng hợp bằng phương pháp bảng trạng thái ........................................................... 33
2.3.1.1. Biểu diễn mạch trình tự bằng bảng chuyển trạng thái .......................................... 33
2.3.1.2. Các bước tổng hợp mạch trình tự bằng phương pháp bảng trạng thái ................. 34
2.3.1.3. Ví dụ áp dụng ....................................................................................................... 34
2.3.2. Phương pháp hàm tác động ..................................................................................... 40
2.3.2.1. Khái niệm ............................................................................................................. 40
2.3.2.2. Các bước tổng hợp bằng phương pháp hàm tác động .......................................... 41
2.3.2.3. Ví dụ áp dụng ....................................................................................................... 43
2.3.3. Phương pháp Grafcet ............................................................................................... 45
2.3.3.1. Khái niệm và các thành phần của Grafcet ............................................................ 45
2.3.3.2. Các kiểu kết cấu của Grafcet ................................................................................ 48
2.3.3.3. Lập các phương trình điều khiển logic từ Grafcet ................................................ 50
2.3.3.4. Các bước thực hiện khi tổng hợp mạch trình tự bằng phương pháp Grafcet ....... 54
2.3.3.5. Ví dụ áp dụng ....................................................................................................... 54
2.4. Ứng dụng các phần mềm chuyên dụng lập trình điều khiển PLC, thiết kế giao diện
điều khiển giám sát ............................................................................................................ 57
2.4.1. Ứng dụng phần mềm TIA Portal lập trình điều khiển PLC và thiết kế giao diện điều
khiển giám sát .................................................................................................................... 57
2.4.1.1. Yêu cầu bài toán công nghệ .................................................................................. 57
2.4.1.2. Lập trình chương trình điều khiển sử dụng PLC S7 – 1200 trên TIA Portal ....... 57
2.4.1.3. Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trên TIA Portal ...................................... 60
2
2.4.2.3. Xây dựng mạch điều khiển ................................................................................... 74
2.4.2.4. Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng PLC S7 1200 trên Automation Studio
........................................................................................................................................... 78
2.4.2.5. Thiết kế giao diện điều khiển giám sát và mô phỏng trên Automation Studio .... 81
2.5. Ứng dụng xây dựng nội dung đồ án ........................................................................... 85
2.5.1. Phân tích yêu cầu công nghệ, xác định tín hiệu vào ra cho bài toán công nghệ ..... 86
2.5.2. Xây dựng các hàm điều khiển cho các đối tượng chấp hành theo phương pháp hàm
tác động .............................................................................................................................. 87
2.5. 3: Xây dựng mạch động lực, mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC 94
2.5.4. Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC .............. 96
2.5.4.1. Cấu hình phần cứng cho PLC trên TIA Portal ..................................................... 96
2.5.4.2. Chương trình điều khiển ....................................................................................... 98
2.6. Thiết kế giao diện điều khiển giám sát ..................................................................... 109
2.6.1. Khởi tạo một hệ thống SCADA với WinCC Advanced ........................................ 109
2.6.2. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát ............................................................. 112
2.7. Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả chương trình điều khiển và giao diện giám sát điều
khiển ................................................................................................................................ 116
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT 3D VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
ROBOT TRÊN MATLAB/ SIMULINK ......................................................................... 123
3.1. Xây dựng cấu trúc mô hình 3D cho robot ................................................................ 123
3.1.1. Giới thiệu về Simscape/Mutibody trên Matlab/Simulink ..................................... 123
3.1.2. Thiết kế xây dựng mô hình robot 3D trực tiếp trên Simscape/Mutibody trên
Matlab/Simulink .............................................................................................................. 147
3.1.3. Ví dụ Mô phỏng cơ cấu cơ khí 3D cho robot 2 bậc thông qua lập trình Simscape
Mutibody trên Matlab Simulink ...................................................................................... 150
3.2. Mô phỏng các phương pháp điều khiển trên Matlab Simulink ................................ 172
3.2.1. Mô phỏng phương pháp điều khiển PD bù trọng trường ...................................... 173
3.2.2. Mô phỏng phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine .................................... 183
3.2.3. Mô phỏng phương pháp điều khiển trong không gian làm việc Jacobian nghịch đảo
......................................................................................................................................... 189
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 198
3
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mạch động lực sử dụng phần mềm Automation Studio .................................... 29
Hình 2.2: Mạch điều khiển sử dụng phần mềm Automation Studio ................................. 30
Hình 2.3: Chương trình điều khiển sử dụng phần mềm TIA Portal .................................. 31
Hình 2.4: Giao diện giám sát điều khiển sử dụng phần mềm TIA Portal ......................... 32
Hình 2.5: Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả chương trình điều khiển và giao diện giám sát
điều khiển sử dụng phần mềm TIA Portal ......................................................................... 32
Hình 2.6: Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả mạch động lực, mạch điều khiển, chương trình
điều khiển và giao diện giám sát điều khiển sử dụng phần mềm Automation Studio ...... 33
Hình 2.7: Công nghệ máy phay đơn giản ........................................................................ 35
Hình 2.8: Mô tả công nghệ máy phay đơn giản ................................................................ 35
Hình 2.9. Mạch lực và mạch điều khiển công nghệ máy phay đơn giản .......................... 39
Hình 2.10: Sơ đồ công nghệ ví dụ 1 .................................................................................. 43
Hình 2.11: Mạch lực và mạch điều khiển công nghệ máy phay đơn giản ........................ 45
Hình 2.12: Các thành phần của Grafcet ............................................................................. 46
Hình 2.13: Các loại biến cố ............................................................................................... 47
Hình 2.14: Các loại hành động có thể xảy ra của các giai đoạn ........................................ 48
Hình 2.15: Các trường hợp phân phối và hội tụ ................................................................ 49
Hình 2.16: Các trường hợp quay vòng và rẽ nhánh .......................................................... 50
Hình 2.17: Phương trình logic cho giai đoạn các trong trường hợp phân phối ................. 52
Hình 2.18: Phương trình logic cho các giai đoạn trong trường hợp hội tụ ....................... 52
Hình 2.19: Phương trình logic cho các giai đoạn trong trường hợp quay vòng và nhảy qua
các giai đoạn ...................................................................................................................... 53
Hình 2.20: Sơ đồ công nghệ ví dụ 1 phương pháp Grafcet ............................................... 54
Bảng 2.9. Tín hiệu vào ra cho công nghệ .......................................................................... 54
Hình 2.21: Sơ đồ Grafcet 1 ................................................................................................ 55
Hình 2.22: Sơ đồ Grafcet 2 ............................................................................................... 56
Hình 2.23: Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển ............................................................... 56
Hình 2.24: Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển động cơ quay thuận nghịch .................. 57
Hình 2.25: Sơ đồ công nghệ ............................................................................................. 87
Hình 2.26: Sơ đồ mạch động lực ...................................................................................... 92
Hình 2.27: Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng role .............................................................. 93
Hình 2.28: Sơ đồ mạch động lực ....................................................................................... 95
4
Hình 2.29: Mạch điều khiển sử dụng PLC kết nối thiết bị ngoại vi .................................. 96
Hình 2.30: Mở TIA Portal vào tạo projects ....................................................................... 97
Hình 2.31: Chọn PLC trên phần mềm TIA ....................................................................... 97
Hình 2.32: Cấu hình địa chỉ IP và địa chỉ ngõ vào ra cho PLC ........................................ 98
Hình 2.33: Khai báo các biến tín hiệu vào vật lý .............................................................. 98
Hình 2.34: Khai báo các biến tín hiệu ra vật lý ................................................................. 98
Hình 2.36: Tạo chương trình con Auto ........................................................................... 100
Hình 2.37: Tạo chương trình con Manual ....................................................................... 103
Hình 2.38: Tạo chương trình con Simulation .................................................................. 104
Hình 2.39. Chọn version của WinCC RT Advanced ...................................................... 110
Hình 2.40: Chọn card máy tính truyền thông giao tiếp với PLC ................................... 110
Hình 2.41: Kết nối truyền thông giao tiếp giữa WinCC RT Advance với PLC .............. 111
Hình 2.42: Các biến giá trị sử dụng trong HMI ............................................................. 111
Hình 2.43: Bảng điều khiển ............................................................................................. 112
Hình 2.44: Giao diện hệ thống điều khiển và giám sát ................................................... 114
Hình 2.45: Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi xuống ( chế độ Auto ) ............................ 117
Hình 2.46: Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi lên ( Chế độ tự động ) ............................ 118
Hình 2.48: Mô phỏng hệ thống ở trạng thái sang trái ( Chế độ tự động ) ....................... 119
Hình 2.49: Điều khiển động cơ một quay theo chiều đi xuống ( Chế độ bằng tay ) ...... 119
Hình 2.50: Điều khiển động cơ một quay theo chiều đi lên ( Chế độ bằng tay ) ........... 120
Hình 2.51: Điều khiển động cơ hai quay theo chiều sang phải ( Chế độ bằng tay ) ...... 120
Hình 2.52: Điều khiển động cơ hai quay theo chiều sang trái ( Chế độ bằng tay ) ......... 121
Hình 2.53: Mô phỏng động cơ một gặp sự cố quá tải .................................................... 121
Hình 2.54: Mô phỏng động cơ hai gặp sự cố quá tải....................................................... 122
Hình 3.1: Khối lệnh Body Elements trong thư viện ........................................................ 123
Hình 3.2: Khối Solid ........................................................................................................ 123
Hình 3.3: Khối Inertial..................................................................................................... 124
Hình 3.4: Khối Graphic ................................................................................................... 124
Hình 3.5: Khối lệnh Body Constraints trong thư viện ..................................................... 125
Hình 3.6: Khối Angle Constraints ................................................................................... 125
Hình 3.7: Khối Distance Constraints ............................................................................... 125
Hình 3.8: Khối Point on Cuver Constraints..................................................................... 126
Hình 3.9: Khối lệnh Spline trong thư viện ...................................................................... 126
Hình 3.11: Khối External Force and Torque ................................................................... 127