CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƯỜNG HỌC
CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG TRƯỜNG HỌC
Trong suốt những năm tháng học trò từ cấp 1 đến cấp 3, tiếng trống tựu trường và tiếng trống báo tiết học đã trở thành một phần không thể thiếu trong ký ức của mỗi người Việt Nam Những âm thanh này không chỉ gắn liền với thời gian học tập mà còn phản ánh nét văn hóa đặc trưng của người Việt Ở cấp phổ thông, quy mô trường học thường nhỏ với diện tích khoảng 3000m² và các phòng học được bố trí gần nhau, do đó việc sử dụng trống để thông báo tiết học là một giải pháp hợp lý và hiệu quả.
Đối với cấp học đại học và cao đẳng, việc sử dụng tiếng trống và tiếng kẻng để thông báo tiết học không còn phù hợp Sự không hợp lý này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau.
Khuôn viên trường thương rất lớn( thường từ vài Ha trở lên)
Số lƣợng sinh viên là rất lớn
Cách bố chí phòng học, phòng thí nghiệm chia theo từng khu, từng khoa riêng biểt
Khu giảng đường thường xây kến trúc nhà tầng thường từ 5 tầng trở nên
Từ những nguyên do trên mà ta không thể sƣ dụng trống, kẻng để báo tiết học Thay vào đó người ta sư dụng hệ thống chuông bấm
Hệ thống chuông điện giải quyết đƣợc các vấn đề:
Lắp đặt dễ dàng, hệ thống bao gồm nhiều chuông đươc bố trí được ở nhiều địa điểm cần thiết
Việc điều khiển rất đơn giản, chỉ cần một người bảo vệ ngồi trong phòng ấn nút điều khiển
Hệ thống chuông bấm hiện tại gặp phải nhược điểm lớn nhất là phụ thuộc vào con người, khi cần có người trực để bấm chuông báo giờ Việc này có thể dẫn đến sai sót do người trực ngủ quên, nhầm giờ hoặc các nguyên nhân khách quan khác, gây ảnh hưởng đến thời gian tiết học Thêm vào đó, việc phân biệt tiếng chuông vào lớp, ra chơi hay tan học cũng gặp khó khăn Do đó, cần thiết phải thiết kế một hệ thống chuông báo tự động cho trường học để khắc phục những vấn đề này.
Hệ thống chuông tự động có ƣu điểm:
Thuật toán lập trình đơn giản
Độ chính xác, độ tin cậy rất cao
Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động mà không cần người điều khiển Chỉ cần nhấn nút khởi động một lần, nó sẽ tiếp tục chạy liên tục trong nhiều năm mà không cần can thiệp.
Phân biệt rõ tiếng chuông vào lớp và ra chơi.
PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU DỒ ÁN
Hệ thống báo chuông tại các thời điểm vào, ra của tiết học của trường
Hệ thống có khả năng chỉnh lại giờ
Thời gian kéo dài chuông vào tiết và nghỉ giải lao là khác nhau
Hệ thống chuông đƣợc dùng đi dây điện đồng bộ 220V
Hệ thống làm việc ổn định
Có khả năng đƣa mô hình vào ứng dụng trong thực tế
1.2.3 Thời gian các tiết học
Trong quá trình học tập và tìm hiểu thực tế thì thời điểm ra, vào các tiết học của trường ĐH dân lập Hải Phòng như sau:
Có 2 buổi học một ngày, mỗi ca có 6 tiết học mỗi tiết kéo dài 45 phút, ra chơi giữa các tiết là 5 phút, riêng thời gian ra chơi ở tiết 3 của mỗi buổi là 10 phút Thời gian bắt đầu các buổi học đƣợc chia theo mùa trong năm, để phù hợp với thời tiết và khoảng thời gian ngày đêm
Ta chia làm hai mùa:
Mùa hè kéo dài từ đầu tháng 3 đến giữa tháng 11 hàng năm, với ca sáng bắt đầu lúc 6h30 và kết thúc vào 11h30, trong khi ca chiều bắt đầu từ 13h00 và kết thúc lúc 18h00.
Mùa đông bắt đầu từ trong khoảng giữa tháng 11 đến đầu tháng 3 hàng năm Ca sáng bắt đầu từ 6h45 kết thúc vào 11h45 Ca chiều bắt đầu từ 12h30 kết thúc 17h30
Tiết Vào tiết học Hết tiết Thời gian ra chơi
Tiết Vào tiết học Hết tiết Thời gian ra chơi(phút)
Tiết Vào tiết học Hết tiết Thời gian ra chơi
Tiết Vào tiết học Hết tiết Thời gian ra chơi(phút)
CẤU TẠO VÀ NGHUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUÔNG ĐIỆN
Hình 1.1: cấu tạo chuông điện
Chuông điện có cấu tạo gồm các phần chính:
1 Cuộn giây ( nam châm điện)
4 Miếng sắt (tác dụng để nam châm điện hút, và kéo búa gõ gõ vào chuông)
Nam châm điện là bộ phận chính trong mọi chuông điện, được cấu tạo từ một cuộn dây điện quấn quanh lõi kim loại từ tính như sắt hoặc thép.
Nam châm điện hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản: khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường trong lõi kim loại Cuộn dây khuếch đại từ trường này, cho phép nam châm điện hút các vật liệu bằng sắt thép xung quanh, tương tự như nam châm vĩnh cửu.
Khi nhấn công tắc, dòng điện 220V được khép kín và đi qua máy biến áp để giảm điện áp xuống vài vôn Sau đó, dòng điện đã giảm áp này sẽ vào hệ thống mạch của chuông điện để hoạt động.
Mạch chuông điện là một mạch tự gián đoạn, với cấu tạo đơn giản bao gồm các thành phần cơ bản Mạch điện được mắc nối tiếp với một lá sắt qua một tiếp điểm, trong đó một đầu của lá sắt gắn với đầu gõ chuông và đầu kia nối với một lá thép đàn hồi cố định bằng chốt kẹp Nam châm điện được lắp đặt ở hai đầu dây dẫn, cho phép hút lá sắt, tạo thành một mạch khép kín.
Khi ấn nút chuông điện, dòng điện tạo thành mạch kín, kích hoạt nam châm điện và tạo ra từ tính để hút lá sắt, gây ra tiếng kêu khi lá sắt va vào chuông Khi lá sắt tiếp xúc với tiếp điểm, mạch điện bị ngắt, làm mất tác dụng của nam châm và thả lá sắt ra Quá trình này lặp đi lặp lại, tạo ra âm thanh liên tục miễn là nút chuông vẫn được giữ.
Theo nguyên tắc này, có thể thiết kế nhiều loại chuông điện với âm thanh đa dạng, bao gồm tiếng chuông rè để báo hiệu giờ học, tiếng còi cứu hỏa và âm thanh “kính coong” quen thuộc trong gia đình.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN 10 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG ĐIỆN
Phương pháp dùng vi điều khiển
Bộ điều khiển cơ bản bao gồm một vi điều khiển được lập trình để kiểm soát các thiết bị bên ngoài như động cơ, cảm biến, rơle và công tắc Mỗi khi thực hiện lệnh, vi điều khiển sẽ kiểm tra và khống chế các thiết bị này, sau đó thực hiện theo lệnh đã lập trình để đưa ra các quyết định điều khiển chính xác.
Vi điều khiển nhận tín hiệu từ các thiết bị đầu vào như cảm biến, công tắc hành trình, nút điều khiển và bàn phím Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc gửi lệnh điều khiển, do đó, yêu cầu về độ tin cậy cao là cần thiết để đảm bảo lệnh điều khiển được thực hiện chính xác.
Tín hiệu đầu ra của vi điều khiển thực hiện chức năng điều khiển cuộn hút của chuông điện Khi lập trình đọc thời gian thực (RTC), nếu thời gian thực trùng khớp với các khoảng thời gian đã được cài đặt trước cho giờ ra chơi và vào lớp, vi điều khiển sẽ thiết lập chân điều khiển lên 1, kích hoạt chuông kêu.
Vi điều khiển gồm 4 khối con:
RTC khối tạo đồng hồ gian thực Giao tiếp hai chiều với vi điều khiển
Khối chuông báo là một chương trình lập trình được tích hợp để vi điều khiển, nhằm so sánh thời gian với khối RTC và các chế độ cài đặt.
Khối xử lý (vi điều khiển) Là khối xử lí tính toán các thuật toán của hệ thống, cũng nhƣ điều khiển các khối khác
Hình 2.2: Mạch điều khiển cuộn hút chuông bằng Transistor và rơle
Chuông điện hoạt động với cuộn hút sử dụng nguồn điện xoay chiều 220VAC Để điều khiển cuộn hút, ta có thể sử dụng Transistor, rơle hoặc công tắc tơ Những thiết bị này không chỉ giúp cách ly điện với mạch động lực mà còn điều khiển quá trình đóng ngắt chuông điện hiệu quả.
Transistor Q1 đƣợc điều khiển bởi chân P3.2 của vi điều khiển
Hinh 2.3: Mạch tạo xung nhịp cho vi điều khiển
Sử dụng thạch anh 12MHz để tạo ra dao động cho vi điều khiển, kết nối vào hai chân XTAL1 và XTAL2 Thời gian thực được lập trình dựa trên tần số dao động này Chúng ta lập trình một đồng hồ thời gian dựa trên bộ ngắt bộ định thời, cung cấp xung nhịp hoạt động cho vi điều khiển.
Hình 2.4: Mạch tạo thời gian thực
DS1307 là một IC thời gian thực tiết kiệm năng lượng, có khả năng cập nhật thời gian và ngày tháng với 56 bytes SRAM Thiết bị này lưu trữ địa chỉ và dữ liệu như giây, thứ, ngày, tháng và năm, đồng thời tự động điều chỉnh ngày cuối tháng cho các tháng có ít hơn 31 ngày, bao gồm cả việc nhảy năm Đồng hồ hoạt động ở chế độ 24h hoặc 12h với chỉ thị AM/PM Ngoài ra, DS1307 còn trang bị mạch cảm biến điện áp để phát hiện lỗi điện áp và tự động ngắt nguồn khi cần thiết.
DS 1307 hoạt động như một thiết bị slave trên bus nối tiếp, cho phép truy cập thông qua tín hiệu START và mã thiết bị cụ thể từ địa chỉ các thanh ghi Quá trình truy cập các thanh ghi diễn ra liên tục cho đến khi nhận được chỉ thị STOP.
Vi điều khiển 80C51 đọc thời gian từ DS1307 và kiểm tra xem có ngắt nào được tác động hay không Nếu có, nó sẽ điều chỉnh thời gian và hiển thị lên LCD Hệ thống tiếp tục kiểm tra xem giờ hiện tại có trùng với giờ báo chuông hay không, nếu đúng, sẽ gọi chương trình điều khiển chuông kêu.
5 nút để điều khiển hệ thống (nhƣ hình vẽ P3.0, P3.1, P3.2, P3.3, RST) :
Nút "START/STOP" (P3.0) cho phép khởi động hoặc dừng mà không phát chuông vào những ngày không có lớp học như lễ tết hay thi học kỳ, tuy nhiên đồng hồ thời gian thực vẫn tiếp tục hoạt động.
Để cài đặt đồng hồ số, bạn sử dụng nút “SET” (P3.1) để chọn chế độ điều chỉnh Có 4 trạng thái cài đặt thời gian bao gồm: “0” - Normal, “1” - giờ, “2” - phút, “4” - ngày, “5” - tháng, “6” - năm, và “7” - thứ trong tuần.
Nút “UP”(p3.2), “DOWN”(P3.3) là nút tăng hoặc giảm thời gian cho đồng hồ trong các chế độ điều chỉnh time
Nút “RESET”(RST) khôi phục lại toàn bộ hệ thống chở về trạng thái ban đầu khi xảy ra lỗi
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiểu chuông điện
Khi khởi động, hệ thống sẽ đọc dữ liệu từ DS1307 và hiển thị giờ hiện tại trên màn hình LCD Nếu có ngắt gọi đến, người dùng có thể nhấn phím SET để điều chỉnh thời gian cho RTC bằng cách sử dụng phím Tăng (UP) và Giảm (DOWN) Vi điều khiển sẽ thực hiện việc thay đổi thời gian (ngày, tháng, năm, thứ, giờ, phút) theo ý muốn của người sử dụng Sau khi cài đặt xong, màn hình LCD sẽ trở về trạng thái ban đầu và hiển thị thời gian đã được cài đặt.
Trong quá trình hiển thị thời gian hiện tại trên LCD, vi điều khiển liên tục kiểm tra xem thời gian này có trùng với mốc thời gian bắt đầu hoặc kết thúc tiết học hay không Nếu trùng khớp, chương trình sẽ kích hoạt chuông báo, với thời gian chuông có thể điều chỉnh theo mã lập trình Điều này cho phép người lập trình thiết lập thời gian chuông theo ý muốn, đảm bảo chuông reo khi thời gian hiện tại đạt đến mốc đã hẹn trước.
Phương pháp dùng Modul LOGO!
LOGO!230RC có 8 ngõ vào và 4 ngõ ra, phù hợp cho các ứng dụng cơ cấu chấp hành cơ bản Tuy nhiên, nếu yêu cầu sử dụng trên 8 ngõ vào hoặc 4 ngõ ra, cần lắp thêm các mô-đun mở rộng tương ứng để đáp ứng nhu cầu.
0 No1) Để đặt đồng hồ khoá định giờ, cần tiến hành thiết lập thời gian chuyển mạch như sau:
Định vị con trỏ tới vị trí của đồng hồ (ví dụ No1)
Bấm phím “OK” LOGO! mở cửa sổ thông số cho vòng Cam Con trỏ vị trí ngày của tuần
Sử dụng phím để lựa chọn một hay nhiều ngày của tuần
Sử dụng phím để di chuyên con trỏ tới đầu của thời gian dóng
Để thay đổi giá trị, sử dụng phím ; để di chuyển con trỏ đến vị trí khác, nhấn phím Tại vị trí đầu tiên, bạn có thể chọn giá trị : , nghĩa là công tắc không hoạt động.
Đặt thời gian tắt quá trình tương tự như bước trên
Kết thúc quá tình nhập bằng việc ấn phím “OK” c Bộ định ngày trong năm
Kí hiệu LOGO! Kết nối Mô tả
Thông số No Định gian thời điểm On và Off vào hai ngày khác nhau trong năm
Ngõ ra đƣợc Set lên khi ngày hiện tại rơi vào vùng ngày định trước
Thời điểm On và Off được xác định vào một ngày cụ thể trong năm Khi ngày hiện tại rơi vào khoảng thời gian này, ngõ ra sẽ được thiết lập thành 1.
Việc thiết lập No tương tự như việc cài đặt các No của bộ định thời gian theo tuần đã đề cập trước đó Hãy đặt thời gian trong chế độ thiết lập thông số để đảm bảo hoạt động chính xác.
Chuyển sang chế độ đặt thông số bằng cách ấn đồng thời hai phím “OK” và
Chọn “ Set clock” và bấm “OK” Menu sau xuất hiện:
Để chọn ngày trong tuần, hãy sử dụng các phím chức năng và đặt thời gian chính xác Cuối cùng, xác nhận lựa chọn của bạn bằng cách nhấn phím “OK”.
Phương pháp dùng PLC S7-200
Chuông tự động hoạt động dựa trên một chương trình đã được lập trình sẵn và nạp vào PLC Bộ điều khiển này chịu trách nhiệm kiểm soát hoạt động của chuông điện, với PLC là thành phần chính Mỗi khi thực hiện lệnh, PLC sẽ kiểm tra và điều khiển các thiết bị bên ngoài như động cơ, cảm biến và công tắc Sau khi xác nhận tình trạng của các thiết bị, PLC sẽ thực hiện các lệnh đã được lập trình và đưa ra quyết định điều khiển phù hợp.
PLC nhận tín hiệu điều khiển từ các thiết bị đầu vào như nút ấn, công tắc, và tín hiệu từ bàn phím Đồng hồ thời gian thực trong PLC cũng có thể được sử dụng như một đầu vào Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc đưa lệnh điều khiển, do đó, yêu cầu cho các thiết bị này cần được đảm bảo.
PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các đối tượng, như chuông báo tiết học Khi cài đặt thời gian, ví dụ như 10:00 vào ngày thứ Hai, PLC sẽ thực hiện các thuật toán và hàm để tự động điều khiển chuông Trong các thời gian trường không tổ chức học như nghỉ lễ, quốc khánh, kỳ thi học kỳ hoặc nghỉ hè, PLC sẽ ngắt chuông để không phát ra âm thanh.
Hình2.8: Sơ đồ khối hệ thống chuông báo tiết học
Hình 2.9: Sơ đồ đấu nối PLC Đọc thời gian thực của hệ thống
Bài viết phân tích và so sánh thời gian điều khiển cơ cấu chấp hành, với hai công tắc điều khiển là công tắc on/off (I0.0) và công tắc reset (I0.1) Công tắc on/off ngắt quá trình đọc thời gian thực của CPU và đầu ra của PLC (Q0.0), trong khi công tắc reset được sử dụng để khôi phục hệ thống khi xảy ra sự cố như mất điện dài hạn dẫn đến hết pin dự phòng của PLC Việc reset hệ thống thực chất là đặt lại thời gian thực cho PLC, nhưng chỉ mang tính tạm thời do đồng hồ thời gian trong PLC có thể sai lệch Để khôi phục thời gian chính xác, cần kết nối PLC với máy tính và cập nhật lại thời gian, giúp hệ thống hoạt động bình thường trở lại.
2.1.3.1 Đ ồng hồ thời gian thực
Trong thiết bị điều khiển lập trình PLC S7-200 từ CPU 214 trở đi, có một đồng hồ ghi giá trị thời gian thực với các thông số như năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây và ngày trong tuần Đồng hồ này được cấp điện liên tục bởi nguồn pin 3V Để cập nhật giá trị đồng hồ thời gian thực khi lập trình cho các hệ thống tự động điều khiển, ta sử dụng hai lệnh, trong đó có lệnh đọc thời gian thực.
Lệnh này thực hiện việc đọc nội dung từ đồng hồ thời gian thực, chuyển đổi nó sang mã BCD và lưu trữ vào bộ đệm gồm 8 byte liên tiếp theo thứ tự.
Byte 6 Byte 7 Ngày trong tuần (17) ) ;1: Sunday
Trong câu lệnh, byte đầu tiên được xác định bởi toán hạng T, trong khi byte thứ bảy chỉ sử dụng 4 bit thấp để lưu trữ giá trị các ngày trong tuần Bên cạnh đó, lệnh đặt thời gian thực cũng được đề cập.
Lệnh này ghi nội dung bộ đệm 8 byte vào đồng hồ thời gian thực, với byte đầu tiên được chỉ định trong toán hạng T, thuộc các vùng nhớ VB, IB, QB, MB, hoặc SMB Để điều chỉnh các thông số như năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây và ngày trong tuần, cần điều chỉnh các byte tương ứng.
Byte 6 Byte 7 Ngày trong tuần (17) ; 1: Sunday
Lưu ý rằng không nên sử dụng lệnh TODR và TODW trong cả chương trình chính lẫn chương trình xử lý ngắt Nếu đã thực hiện lệnh TODR hoặc TODW, khi gọi chương trình ngắt, các lệnh đồng hồ trong chương trình xử lý ngắt sẽ không được thực hiện Khi đó, Bít SM4.5 sẽ có giá trị logic 1.
SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1 Phương pháp dùng vi điều khiển
Chi phí phần cứng tương đối thấp, linh kiện phổ biến dễ dàng tìm thấy và mua trên thị trường
Tiêu thụ điện năng thấp
Mô phỏng và thử nghiệm đơn giản
Có thể thiết kế từng khối riêng rẽ đặc biệt có thể thay đổi linh hoạt thời điểm vào/ra nhờ thay đổi khối giải mã
Mỗi lần muốn thay đổi chương trình phải lắp đặt lại toàn bộ
Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế lắp đặt
Quy trình lập trình, thuật toán tương đối phức tạp
Độ bền và tin cậy không cao
Sau một thời gian dùng sẽ bị sai lệch về thời gian thực do hệ thống bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, do chương trình lập trình
Khi xảy ra mất điện nhiều lần, hệ thống sẽ gặp phải sai số do các thông số hiện tại không được lưu trữ và bị reset về giá trị 0 ban đầu.
Cống suất tiêu thụ ít
Ngôn ngữ lập trình đơn giản
Tính hộp là một modul nhỏ gon, dễ dàng đấu nối
Giao tiếp người – máy đơn giản dễ thao tác
Có độ bền và độ tin cậy vận hành khá cao
Dễ dành thay đổi chương trình khi cần
Bảo trì sửa chữa dễ dàng
khó sửa chữa thay thế các khối bị hỏng
Sau khi dùng đƣợc một thời gian(2 năm) xuất hiện sai lệch về thời gian Chạy không chính xác nữa, nguyên nhân là do pin của LOGO! không bền
Pin dự trữ khi mất điện thấp (từ 10 tiếng đến 30 tiếng)
Những dây kết nối trong hệ thống giảm đƣợc 80% nên nhỏ gọn hơn
Công suất tiêu thụ ít
Thời gian lắp đặt nhanh hơn
Dễ dàng thay đổi chương trình
Bảo trì và sửa chữa dễ dàng
Độ bền và tin cậy vận hành cao
Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng
Thích ứng với môi trường khắc nghiệt ở nước ta, nơi có độ ẩm cao, nhiệt độ thay đổi, điện áp không ổn định, tiếng ồn lớn và tình trạng oxi hóa, là một thách thức lớn.
Chuẩn bị hoạt động nhanh
Chuẩn hóa đƣợc phần cứng điều khiển
Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng
Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó
Có thiết bị chống nhiễu
Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng
2.2.4 Nhận xét và lựa chọn phương án
Phương pháp sử dụng vi điều khiển có nhược điểm về độ tin cậy thấp, dễ bị nhiễu và sai lệch thời gian thực, cùng với ngôn ngữ lập trình phức tạp, do đó không được ưu tiên sử dụng Trong khi đó, phương pháp dùng Modul LOGO! cũng gặp phải vấn đề khi sau một thời gian hoạt động, thời gian thực trong máy bị sai lệch do chất lượng pin nuôi không đảm bảo.
Phương án dùng PLC là hợp lý nhất Chỉ có một nhược điểm là giá thành mua thiết bị cao, nhƣng gần đây giá thành giảm dần rất nhiều
PLC nổi bật với nhiều ưu điểm so với các thiết bị điều khiển thông thường, bao gồm khả năng linh hoạt trong việc thêm hoặc thay đổi lệnh theo yêu cầu công nghệ Việc chỉ cần điều chỉnh chương trình của PLC cho thấy tính năng điều khiển linh động và thích ứng cao của nó.
ỨNG DỤNG PLC VÀO ĐIỀU KHIỂN CHUÔNG BÁO TIẾT HỌC TỰ ĐỘNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ VÀ PLC
3.1.1 Sự phát triển của tự động hoá
Công nghệ tự động hóa (TĐH) đang phát triển mạnh mẽ và có mặt trong mọi lĩnh vực của đời sống, từ dây chuyền sản xuất tự động trong nhà máy đến các thiết bị như thang máy và cửa tự động trong văn phòng Những thành tựu của TĐH mang lại cho nhân loại là vô cùng to lớn, đặc biệt quan trọng đối với các nước đang phát triển như Việt Nam cũng như các quốc gia phát triển hàng đầu như Mỹ, Nhật, và Đức Do đó, nghiên cứu và ứng dụng TĐH trong sự phát triển của xã hội là điều cần thiết cho sinh viên ngành này Việc tìm tòi và sáng tạo trong lĩnh vực TĐH sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển của nền công nghiệp và sự tiến bộ chung của xã hội, khẳng định rằng một xã hội phát triển và văn minh gắn liền với tự động hóa.
3.1.2 Sự phát triển của PLC
Trong lĩnh vực tự động hóa, công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng trong việc lập trình và điều khiển các chương trình hoạt động tự động Kết hợp với máy vi tính, PLC tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của ngành tự động hóa Trong bối cảnh cạnh tranh công nghiệp, hiệu quả sản xuất trở thành yếu tố quyết định thành công, bao trùm nhiều lĩnh vực khác nhau.
1 Tốc độ sản suất ra một sản phẩm của thiệt bị và của dây truyền phải nhanh
2 Giá nhân công và vật liệu làm ra sản phẩm phải hạ
3 Chất lƣợng cao và phế phẩm
4 Thời gian chết chóc của máy móc là tối thiểu
5 Máy sản xuất có giá trị rẻ
Các bộ điều khiển chương trình đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp Trước đây, tự động hóa chủ yếu được áp dụng trong sản xuất hàng loạt với năng suất cao, nhưng hiện nay, việc tự động hóa cần được mở rộng sang sản xuất nhiều loại hàng hóa khác nhau Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn đạt được năng suất cao hơn và giảm vốn đầu tư cho thiết bị và doanh nghiệp.
Các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) đáp ứng đƣợc các nhu cầu này
Hệ thống sản xuất tự động bao gồm các thiết bị như máy điều khiển số, rôbốt công nghiệp, dây chuyền tự động và máy tính hóa quy trình điều khiển sản xuất Nhiều ứng dụng của bộ điều khiển chương trình được sử dụng trong các thiết bị này để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
Trước khi có bộ điều khiển chương trình trong sản xuất, đã tồn tại nhiều phần tử điều khiển như trục cam và bộ không chế hình trống Sự xuất hiện của rơle điện tử đã làm cho panel rơle trở thành công cụ chính trong điều khiển Khi transistors được phát minh, chúng ngay lập tức được áp dụng vào những vị trí mà rơle điện tử không đáp ứng được yêu cầu điều khiển cao.
Ngày nay, lĩnh vực điều khiển đã phát triển mạnh mẽ, bao gồm cả quy trình sản xuất phức tạp và các hệ thống điều khiển tổng thể với mạch vòng kín Ngoài ra, còn có các hệ thống xử lý dữ liệu và điều khiển kiểm tra được tập trung hóa, tạo ra sự hiệu quả và chính xác trong quản lý và vận hành.
Hệ thống điều khiển logic thông thường không đủ khả năng thực hiện điều khiển tổng thể, do đó, việc sử dụng các bộ điều khiển chương trình hóa hoặc điều khiển bằng máy vi tính trở nên cần thiết.
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC S7-200
3.2.1 Giới thiệu chung về các họ của PLC S7-200
PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình nhỏ gọn của SIEMENS, với cấu trúc modul và CPU có khả năng mở rộng Các modul này phục vụ cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần chính của S7-200 bao gồm các khối vi xử lý CPU 212, CPU 214 và CPU 216, với sự khác biệt giữa các loại CPU này được nhận diện qua đầu vào, đầu ra và nguồn cung cấp Thông số kỹ thuật và đặc điểm của từng loại PLC S7-200 được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây.
Bảng 3.1: Thông số của các loại PLC S7-200 Đặc trƣng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
Bộ nhớ chương trình 2048 words 2048 words 4096 words 4096 words
Bộ nhớ dữ liệu 1024 words 1024 words 2560 words 2560 words
Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128 Analog I/O cực đại None 16In/16Out 32In/32Out 32In/32Out
Bộ đếm (Counter) 256 256 256 256 Đặc trƣng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
Tốc độ thực thi lệnh 0.37 às 0.37 às 0.37 às 0.37 às
Khả năng lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ
3.2.2 Cấu trúc chung họ PLC S7-200
3.2.2.1 Cấu trúc phần cứng Để thực hiện được 1 chương trình điều khiển, PLC có khả năng như một máy tính , nghĩa là nó có một bộ vi xử lý ( CPU : Center Processing Unit), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu giữ chương trình, dữ liệu và các cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn có thêm các chức năng đặc biệt nhƣ bộ đếm, bộ thời gian và các khối hàm chuyên dụng Phần cứng có 1 bộ điều khiển khả trình PLC đƣợc cấu tạo thành các modul Một bộ PLC thường có các modul sau :
Nguồn cung cấp (Power Supply) tạo ra nguồn 5 VDC hoặc 24 VDC tuỳ theo các họ PLC, thường là 24 VDC ( 120mA max)
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần chính thực hiện các nhiệm vụ điều khiển trong máy tính, bao gồm cả việc xử lý lập trình ứng dụng.
Modul vào/ra (I/O) của PLC có sự đa dạng về số lượng đầu ra tùy thuộc vào từng loại PLC Giao tiếp với modul I/O có thể được thực hiện qua các dạng Digital, Analog hoặc các giao thức giao tiếp đặc biệt khác.
Modul giao diện: ghép nối thêm với PLC
Các modul mở rộng: Tuỳ theo các hệ điều khiển yêu cầu mà ta ghép thêm các modul mở rộng ( modul vào/ra, EPROM modul )
Tất cả các hệ thống được lắp đặt trên các giá đỡ để kết nối các modul với hệ thống BUS địa chỉ, BUS số liệu, BUS điều khiển và BUS nguồn cung cấp.
Mỗi modul được thiết kế như một đơn vị độc lập, với phích cắm nhiều chân giúp dễ dàng kết nối và ngắt kết nối trên một panel cơ khí dạng hộp hoặc bảng Trên panel, có các đường ray nguồn để dẫn nguồn một chiều từ đầu ra của modul nguồn PSCN (thường là 24 V) đến cung cấp cho các modul khác, cùng với bus liên lạc để trao đổi thông tin giữa các modul và thế giới bên ngoài.
Hình 3.1: Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC
S7-200 sử dụng cổng RS485 với đầu nối 9 chân để kết nối với thiết bị lập trình và các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình PPI đạt 9600 bauds, trong khi tốc độ truyền của PLC theo kiểu tự do dao động từ 300 đến 38.400 bauds Sơ đồ chân cổng truyền thông được trình bày dưới đây.
3 Tín hiệu A của RS485 (RxD/TxD+)
7 Nguồn cấp 24 VDC 120mA max
8 Tín hiệu B RS485 (RxD/TxD+ )
9 Chọn lựa cách giao tiếp
Để kết nối S7-200 với máy lập trình PG 702 hoặc các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx, bạn có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI.
Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC thông qua cổng RS 232 cần có cáp nối PC/PCI với bộ chuyển đổi RS 232/RS 485
Hình 3.3: Hai cách ghép nối PLC S7-200 với máy tính
3.2.2.3 Cấu trúc bộ nhớ PLC S7-200
Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng và có một tụ điện để duy trì dữ liệu khi mất nguồn Với tính năng động cao, bộ nhớ S7-200 cho phép đọc và ghi trên toàn bộ vùng, ngoại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy cập để đọc Hình 3.4 mô tả bộ nhớ trong và ngoài của PLC.
Vùng nhớ chương trình: Là miền bộ nhớ được dùng để lưu giữ các lệnh chương trình Vùng này thuộc kiểu non-valatie đọc/ghi được
Vùng nhớ tham số là khu vực lưu trữ các tham số quan trọng như từ khóa và địa chỉ trạm Tương tự như vùng chương trình, vùng này thuộc kiểu không bay hơi (non-volatile) và có khả năng đọc/ghi.
Vùng dữ liệu là nơi lưu trữ các dữ liệu của chương trình, bao gồm kết quả của các phép tính, các hằng số được định nghĩa trong chương trình, và bộ đệm truyền thông.
Vùng đối tượng bao gồm Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự, được lưu trữ trong vùng nhớ cuối cùng Vùng nhớ này không thuộc kiểu non-volatile nhưng cho phép thực hiện các thao tác đọc và ghi.
Vùng nhớ dữ liệu và vùng nhớ đối tƣợng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình
Hình 3.4: Phân chia bộ nhớ của PLC S7-200 3.2.3 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới bộ nhớ đệm ảo ngõ vào (I), sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm ảo được chuyển ra (Q) tới các cổng ra số, và kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian vòng quét (Scan time) của PLC không cố định, mà thay đổi tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu cần xử lý Một số vòng quét có thể thực hiện nhanh chóng, trong khi những vòng khác có thể mất nhiều thời gian hơn.
Hình 3.5: Chu kỳ quét trong PLC
Thời gian vòng quét trong PLC ảnh hưởng trực tiếp đến tính thời gian thực của chương trình điều khiển Cụ thể, khoảng thời gian trễ giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng xử lý và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng là bằng thời gian vòng quét Do đó, thời gian quét càng ngắn, tính thời gian thực hiện của chương trình càng cao.