đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử 1

LỜI MỞ ĐẦUCùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông tinvà truyền thông trong thời gian gần đây, lĩnh vực điều khiển và tự động hóa đã pháttriển ngày càng đ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 5

1.1.Khái niệm và ứng dụng 5

1.1.1 Thế nào là hệ thống phân loại sản phẩm 5

1.1.2 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm 5

1.1.3 Ứng dụng trong thực tế 7

1.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống 8

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI 10

2.1 Động cơ 10

2.2 Hệ thống khí nén 12

2.2.1 Van điện từ khí nén 13

2.2.2 Xi lanh khí nén 15

2.3 Cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4 (NPN) 16

2.3.1 Kết nối cảm biến NPN với PLC 17

2.4 Nút nhấn điều khiển 18

2.4.1 Nút nhấn tự giữ 19

2.4.2 Nút nhấn nhả 20

2.4.3 Đèn báo 21

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC 23

3.1 Giới thiệu chung về PLC 23

3.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC 24

3.3 u, nhƯược đi m khi l p trình h thốống điềều khi n PLCểậệể 27

4.2.1 Iuput (I) 38

4.2.2 Output (Q) 39

4.2.3 Sơ đồ đấu dây 40

5.1 Giới thiệu về phần mềm lập trình và mô phỏng PLC S7-1200 TIA PORTAL 42

5.2 Lựa chọn và chỉnh sửa thiết bị 45

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông tinvà truyền thông trong thời gian gần đây, lĩnh vực điều khiển và tự động hóa đã pháttriển ngày càng đa dạng đáp ứng được các yêu cầu trong lĩnh vực công nghiệp.Chính vì vậy, các công ty, doanh nghiệp sản xuất phải lựa chọn một hệ thống điềukhiển tự động sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho sản phẩm, đảm bảođiều kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quảsản xuất, dễ dàng bảo trì và sửa chữa hệ thống khi gặp sự cố Trước thời cơ vàthách thức của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các doanh nghiệp cần phải nhậnbiết, nắm bắt và vận dụng một cách hiệu quả các thành tựu khoa học kỹ thuật trênthế giới nhằm ứng dụng rộng rãi trong sản xuất một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Nhận thức được tầm quan trọng này, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đãđưa môn “Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí hệ thống phân loại sản phẩm” và “Đồ ánthiết kế hệ thống cơ điện tử” vào chương trình giảng dạy nhằm củng cố kiến thứccho sinh viên Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực phân loại, vậnchuyển sản phẩm một cách tự động Trong quá trình thực hiện đồ án, do kiến thứccòn hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót Kính mong được sự chỉ bảo và góp ýtừ các thầy cô.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Hiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM1.1 Khái niệm và ứng dụng

1.1.1 Thế nào là hệ thống phân loại sản phẩm

Một hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống có thể phân loại các sản phẩmvới độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống.Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn,nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Điều đó ảnhhưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệthống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấpbách này.

1.1.2 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm

Các hình thức phân loại:

Để phân loại hệ thống tự động hóa sản xuất nói chung và hệ thống phân loạisản phẩm nói riêng tư dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau như: hình thức, cấp độ, vàmức độ tự động, phương pháp điều khiển tự động, cách thức nhận biết sản phẩm….

- Dựa vào hình thức: Hệ thống tự động một phần hoặc toàn phần

+) Tự động một phần: là tự động quá trình công nghệ hoặc hệ thống, trong đómột phần năng lượng của con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật trừviệc điều khiển khi tự động hóa.

+) Tự động hóa toàn phần là tự động quá trình, trong đó toàn bộ năng lượngcủa con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật kể quá quá trình điềukhiển tự động hóa.

- Dựa vào cấp độ:

Quá trình tự động diễn ra trong 1 công đoạn hay trong nhiều công đoạn, trongmột phân xưởng hay trong nhiều công xưởng hay toàn bộ nhà máy…

- Dựa vào mức độ tự động hóa:

Mức độ tự động được chia làm 7 mức: thấp, nhỏ, vừa, lớn, nâng cao, cao vàtoàn bộ.

Hệ số tự động tính theo công thức sau:

K==

Trong đó:

TM – thời gian thực hiện bằng máyTT – Thời gian thực hiện bằng tayTch - Thời gian chiếc

Căn cứ vào các yếu tố như: như kích thước, màu sắc, chiều cao, khối lượng,chiều dài, hình ảnh …

+) Phân loại sản phẩm theo kích thước (to – nhỏ) sử dụng cảm biển quang dựavào mức độ cản trở cảm biển do vật thẻ to nhỏ, cao thấp …

+) Phân loại sản phẩm theo mầu sắc: sử dụng cảm biển màu sắc Cám biểnmáu sắc phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố và tỷ lệ phản chiều củacác màu khác nhau.

+) Phân loại sản phẩm sử dụng webcam: sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩmkhi chạy qua và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc Nếu giống thì sản phẩm đi qua,còn nếu không thì loại sản phẩm đó.

- Ngoài ra còn một số cách phân loại dựa vào bộ phân điều khiển quá trình tựđộng như: điều khiển bằng rơle, điều khiển bằng bộ vi xử lý, điều khển bằng PLC,điều khiển có sử dụng máy tính v.v…

1.1.3 Ứng dụng trong thực tế

- Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc: thường ứng dụng rất nhiều trongcác dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loạicác sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽgiúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nângcao năng suất lao động.

- Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao: thường ứng dụng trong các ngànhcông nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả ho c trong ặ công nghiệp sản xuấtbia hay nước giải khát.

- Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng: thường ứng dụng trong kiểm travà phân loại nông sản và kết hợp với Robot thông minh.

Từ đây ta có thể thấy hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rấtlớn, cụ thể như: Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cảithiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiếnbộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minhhơn Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm,cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng Giúp cho việc quản lý và giámsát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc củacông nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa…

1.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống

Chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệthống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này Để truyềnđộng quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộtruyền ngoài như xích hoăc đai Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băngchuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩysản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén Chuyển động của piston, xilanh đượcđiều khiển bởi hệ thống khí nén.

- Chức năng cấp phôi tự động: sử dụng piston đẩy phôi vào băng tải với lực phùhợp.

- Chức năng vận chuyển sản phẩm: chọn băng tải phù hợp từ các thông số đầuvào như hình dáng, khối lượng phôi để vận chuyển liên tục với vận tốc mongmuốn Từ đó chọn công suất động cơ phù hợp cho hệ thống.

- Chức năng phân loại: sử dụng hai cảm biến tiệm cận để phân loại 3 sản phẩmkhác nhau Dưới mỗi cảm biến sẽ có 1 piston để đẩy sản phẩm, đồng thời đếm sốlượng sản phẩm mỗi loại.

Hình 1-1 Ví dụ về thành phần của hệ thống phân loại sản phẩmtheo chiều cao

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆTHỐNG PHÂN LOẠI

2.1 Động cơ

- Qua quá trình tìm hiểu về động cơ đã thực hiện trong môn học “Đồ án thiết kếhệ thống cơ khí”, cần chọn động cơ có công suất là 25W, tốc độ quay là 37,24vòng/phút.

- Từ đây em chọn động cơ 25W 24V DC4GN25-24 với tỉ số truyền 1: 120

Hình 2-1 Động cơ DC4GN25-24

- Thông số động cơ điện 25W :▪ Công suất của động cơ 25W.▪ Điện áp cho động cơ 24V.

▪ Tốc độ quay của động cơ 3000 vòng/phút.▪ Dòng điện 1 chiều 0,7 ampe.

▪ Kích thước của động cơ phi 80mm Mặt bích vuông 80x80mm ▪ Chiều dài động cơ 120mm Đường kính trục phi mm.

▪ Trọng lượng 1,7kg▪ Model: DC4GN25-24

- Thông số của hộp giảm tốc (đi kèm động cơ):

▪ Hộp giảm tốc có kích thước dài 46mm Thân vuông 80x80mm Trục hộp số phi 10mm.

▪ Tỷ số truyền tải 3:200

▪ Tốc độ đầu ra của trục hộp số 15-1000 vòng/phút.▪ Mô men xoắn 0,3-8 N.m

▪ Lực kéo 3.15-80 kgf.cm▪ Trọng lượng 0,4-0,6kg▪ Model:4GN-K

▪ Ta có số vòng quay động cơ là 3000 v/ph, qua hộp giảm tốc thì tốc độ còn lạilà 50 v/ph Số vòng quay lô chủ động (tang chủ động) là 37,24 v/ph

▪ Tỉ số truyền xích cần là ux = 50/37,24 = 1,34.

2.2 Hệ thống khí nén

Hình 2-2 Hệ thống khí nén cơ bản

3 Van điều chỉnh áp suất 6 Van tiết lưu

- Ưu điểm của hệ thống khí nén:

+ Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trongbình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng.

+ Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nénsau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường.+ Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác.+ Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.

- Nhược điểm của hệ thống khí nén:

+ Công suất truyền động không lớn Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phícho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng côngsuất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện.+ Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khảnăng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đềuhoặc quay đều thường khó thực hiện.

+ Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.

2.2.1 Van điện từ khí nén

Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống khí nén đã thực hiện trong môn học “Đồ án

thiết kế hệ thống cơ khí”, ta chọn van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08

Tên van Van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08

Kích thước cổng 13 mm

Áp suất hoạt động 0.15 – 0.18 Mpa

Số đầu coil điện 1

Nhiệt độ hoạt động -20 đến 70 CoĐiện áp đầu vào 24V

Bảng 2-1 Thông số van AIRTAC 5/2 4V210-08

- Điều khiển van:

Hình 2-3 Cấu tạo bên trong của van điện từ 5/2

+) Van 5/2 được thiết kế và hoạt động bằng cách cấp nguồn điện 220V hoặc 24V.

Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực từ trường Lực này sẽ hút trục van chuyển độngdọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa Hoạt độngnày giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiếtbị cần hoạt động.

+) Khi van nằm ở trạng thái bình thường hay còn gọi là ở trạng thái van đóng thìcửa số 1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2 Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ đượcthông với cửa số 5 Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van nằm trong tìnhtrạng được mơ hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu từ cửa số 1 và số 4 Ở đây sẽxảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4 Trong khi đóthì cửa số 2 thông với cửa số 3 Riêng cửa số 5 sẽ bị chặn lại.

- Ở mạch điện một chiều, điện áp đến 440V và mạch điện xoay chiều điện áp500V, tần số 50Hz, 60Hz, nút nhấn thông dụng để khởi động, đảo chiều quay độngcơ điện bằng cách đóng và ngắt các cuộn dây của Contactor nối cho động cơ.

- Ở mạch điều khiển, nút nhấn cung cấp tín hiệu điều khiển cho PLC, các bộ xửlí để máy hoạt động theo yêu cầu tác động của người vận hành.

- Nút nhấn thường được nghiên cứu, chế tạo làm việc trong môi trường khôngẩm ướt, không có hơi hoá chất và bụi bẩn.

2.4.1 Nút nhấn tự giữ

- Thường được sử dụng như một nút nguồn, công tắc chức năng trong các thiết bịnhư các hệ thống tủ điện điều khiển trong công nghiệp như hệ thống chiếu sáng,bơm, quạt, máy nén,

- Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn vào đầu nút nhấn tiếp điểm điểm đóng lại hoặcmở ra tùy vào loại thường mở hay thường đóng, khi tay thả tay ra thì cơ cấu tự giữcủa nút nhấn được gài lại nhờ vào đó mà tiếp điểm giữ được trạng thái khi buôngtay Khi muốn thay đổi trạng thái nút nhấn ta tiếp tục nhấn vào nút nhấn thêm lầnnữa lúc này cơ cấu gài được mở ra lò xo bên trong bung ra làm nút nhấn ra trở về vịtrí ban đầu.

⇒ Nút nhấn kiểu này đơn giản là một công tắc với nhấn lần 1 thì đóng công tắcvà nhấn lần 2 thì công tắc mở ra với loại tiếp tiếp điểm thường mở (NO), và ngượclại với loại tiếp điểm thường đóng (NC).

Ứng dụng: Tắt mở máy, đường dây

Hình 2-8 Nút nhấn tự giữ Schneider XA2EH031, 22mm- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.

- Hành trình: 5.8mm.- Cách điện: 660VAC/DC.- Tiếp điểm: Đồng.

- Nhiệt độ: -25-70 độ C.

- Dòng định mức: 24V 10A, 110V 8A, 220V 6A, 380V 4A, 500V2.5A.

2.4.2 Nút nhấn nhả

Nguyên lý hoạt động: Khác với loại tự giữ khi nhấn vào đầu nút nhấn nhả thìtiếp điểm đóng lại loại NO hoặc mở ra loại NC, bởi vì không có cơ cấu tự giữ nênkhi ta buông tay thì lò xo sẽ bung ra nút nhấn trở về trạng thái ban đầu.

Nút nhấn nhả chỉ có dụng trong một khoảng thời gian ngắn khi chúng ta nhấnvào và kết thúc tác dụng khi ta thả ra.

Ứng dụng: Dùng làm nút đề động cơ, vì vậy nút này còn có tên là nút nhấn đề.

Kết luận: Trong đồ án ta sẽ sử dụng nút nhấn nhả để START, STOP và RESETchương trình

Hình 2-9 Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31, 22mm- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.

- Hành trình: 5.8mm.- Cách điện: 660VAC/DC.

- Tiếp điểm: Đồng.- Nhiệt độ: -25-70 độ C.

- Dòng định mức: 24V 10A, 110V 8A, 220V 6A, 380V 4A, 500V 2.5A.

2.4.3 Đèn báo

- Là một thiết bị có chức năng thông báo cho người lao động biết được sự cốhoặc những tín hiệu cần thông báo trong quá trình hoạt động của các dây chuyềnsản xuất, hệ thống tự động hóa xảy ra vấn đề bất thường Khi đó, đèn báo sẽ sángvà nháy cùng với tiếng chuông báo động, người lao động sẽ biết và tìm cách khắcphục, lường trước được vụ việc.

- Ngoài ra, còn báo pha điện, báo tín hiệu ON, OFF của nguồn thiết bị (trạngthái hoạt động của thiết bị màu xanh chạy, màu đỏ dừng ).

Trong chương trình ta sẽ dùng đèn báo để thể hiện việc chạy dừng và phânbiệt chế độ AUTO hoặc MANUAL.

Hình 2-10 Đèn báo Schneider XA2EVFD4LC

- Điện áp: 220VAC, 24VDC

- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA - Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục - Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ - Kích thước: 5cm * 2,8cm

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC3.1 Giới thiệu chung về PLC

- Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được thiết kế lần đầu tiên cho ra đờinăm 1968 (Công ty General Motor -Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơngiản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống.Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vậnhành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn gặp nhiều khó khăn, lúc này không cócác thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình.

- Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiến lập trình cầm tay đầu tiênđược ra đời năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuậtđiều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình PLC chỉđơn giản nhằm thay thế hệ thống rơ-le và dây nối trong hệ thống cổ điển Qua quátrình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới chohệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong nhữngnăm đầu tiên của thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vậnhành với những thuật toán hỗ trợ, “vận hành với các dữ liệu cập nhật” Do sự pháttriển của loại màn hình dùng cho máy tính, nên việc giao tiếp giữa người điềukhiển và lập trình cho hệ thống ngày càng trở nên thuận tiện hơn.

- Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nayđã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệthống ngõ vào/ra có thể tăng thêm 800 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chươngtrình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ Ngoài ra còn có kỹ thuật kết nối với các hệthống PLC riêng lẻ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét nhanhhơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt hơn với những chức năng phức tạp, số lượng

cổng vào/ ra lớn.

- Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khácthông qua CIM để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam và các loại PLCvới các chức năng điều khiển “thông minh” còn gọi là các siêu PLC.

3.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC

- Khái niệm về PLC: PLC là các chữ được viết tắt từ “Programmable LogicController” Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiếtbị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian,đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý.Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình.Khái niệm ngắn gọn hơn, PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãyquá trình.

- Giới thiệu về PLC: PLC được sử dụng để điều khiển dây chuyền, thiết bị côngnghiệp riêng lẻ (Rơ-le, timer, contactor ) hoặc kết hợp với nhau tuỳ theo mức độyêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng được bài toán công nghệ đặtra.

+) Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếutrong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vìmột thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởivậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thayđối quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việctìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt.

+) Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực đểtìm ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành côngnghiệp hiện đại đó là tự động hoá quá trình sản xuất làm tăng sức lao động, giúp

người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại mà năngsuất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần.

+) Một hệ thống điều khiển ưu việt mà phải chọn để điều khiển cho ngànhcông nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kíchthước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làmviệc ổn định linh hoạt

+) Từ đó, hệ thống PLC ra đời đầu tiên năm 1968 Tuy nhiên hệ thống cònkhá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hànhhệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phụcnhững nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay Từ đóđã giải quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:

+ Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.+ Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết.

+ Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình.+ Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểmkhác.

+ Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xungquanh như với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển

- Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển như hãngOmron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemens, đều có chung một nguyên lý cơ bản,tuy nhiên có vài điểm khác biệt phù hợp với từng ngành.

- Lợi ích của việc sử dụng PLC: Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phầnmềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích trong hoạt độngcông nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượngI/O nhiều hơn, các ứng dụng của PLC mạnh hơn nâng cao khả năng giải quyếtđược nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.

+) Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần

(đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà khôngphải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổilắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển rơ-le ) khả năngchuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để luôn truyền dữliệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.

+) Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm mộtkhoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thốngkhác Điều này thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, vàquá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác Có thể nhậnbiết các vấn đề trong hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính(một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết và thông báo trực tiếp cho người sửdụng).

- Tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển gồm:+) Điều khiển chuyên gia giám sát:

+ Thay thế cho điều khiển rơ-le.

+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in.

+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình.+ Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm).

+) Điều khiển dãy:+ Các phép toán số học.+ Cung cấp thông tin.

+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất ).+ Điều khiển động cơ chấp hành.

+ Điều khiển động cơ bước.

+) Điều khiển mềm dẻo:

+ Điều hành quá trình báo động.+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình.+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS485).

+ Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp.+ Mạng cục bộ.

+ Mạng mở rộng.

- Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC: Hiện nay PLC đã được ứng dụng thànhcông trong nhiều lĩnh vực sản xuất trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứngdụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF)thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xáccao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLChiện nay bao gồm:

+) Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiến hệ thống dẫn+) Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, đo đạc, quá trìnhlắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại

+) Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phấm, đếm sản phẩm, kiểmtra sản phẩm.

+) Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểmtra chất lượng.

+) Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý cáctuabin ) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than,gỗ, dầu mỏ).

3.3 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC

- Ưu điểm của PLC: Từ thực tế sử dụng thấy rằng PLC có những điểm mạnh nhưsau:

+) Chương trình PLC dễ thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bêntrong bộ PLC có thể được lập trình thay đổi bằng xem xét việc thực hiện và giảiquyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất Người lập trình PLC đượctrang bị các công cụ phần mềm hỗ trợ để tìm ra lỗi, từ đó sửa chữa thay thế haytheo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn Chỉ cần thay đổi phầnmềm sẽ có thể tạo nên hệ thống tối ưu mà các hệ điều chỉnh trước không có được.

+) Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: Với chi phí rất lớn cho việc hànmạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơ-le, thì ở PLC những công việc đó đơngiản được thực hiện bởi chương trình.

+) Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệuđược cấp từ bộ điều khiển bằng rơ-le.

+) Với hệ thống điều khiển dùng PLC vừa có thể tiến hành hiệu chỉnh sửachữa mà hệ thống vẫn làm việc, tức là vẫn đảm bảo dây chuyền công nghệ khôngbị dừng, vì vậy cho phép hiệu chỉnh để đạt được kết quả hiệu chỉnh là tối ưu.

- Nhược điểm của PLC:

+) Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra cácngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất về hợp thức hoá.

+) Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơnkhi sử dụng bằng phương pháp rơ-le.

+) Dòng đầu ra của PLC thường nhỏ hơn 500 mA Nên khi đấu nối với cácthiết bị công suất lớn thường phải sử dụng thiết bị trung gian là rơ-le.

+) Để thực hiện lập trình được chương trình điều khiển bắt buộc phải có máytính hoặc máy lập trình đi kèm với cáp chuẩn hóa.

3.4 Cấu trúc PLC

Hình 3-1 Cấu tạo của PLC

- Hệ thống PLC thông dụng có 5 bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộnguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình.

+) Bộ xử lý của PLC: Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linhkiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều

khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyếtđịnh dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.

+) Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện ápthấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giaodiện nhập và xuất.

+) Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt độngđiều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý.Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộnhớ: Bộ nhớ chỉ để đọc ROM cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữliệu cố định được CPU sử dụng, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành chochương trình của người dùng Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được là cácROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trongROM Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạngcác khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét Như vậy, PLC thựcchất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điềuhành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra đế giaotiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Timer đểphục vụ bài toán điều khiển.

- Đầu vào của PLC gồm:

+) Tín hiệu từ các loại cảm biến: Số và tương tự.

+) Cảm biến tiệm cận: cảm biến điện cảm, điện dung, quang, …+) Khóa chuyển mạch (Switchs): đóng mở cơ khí.

+) Potentionmeter: đo vị trí góc dùng điện trở.- Đầu ra của PLC gồm 2 loại:

+) Relay: DC và AC Thời gian đáp ứng >=10 ms Dùng khi yêu cầu dòng lớnhoặc điện trở tải rất nhỏ.

+) Solid state: Gồm tranzitor (DC) và triac (AC)

3.5 Bộ nhớ của PLC

Hình 3-2 Cấu trúc vùng nhớ của PLC

- Vùng nhớ của PLC được chia thành 3 vùng: vùng chứa chương trình ứng dụng vàvùng chứa tham số của hệ điều hành và vùng chứa các khối dữ liệu.

+) Vùng chứa chương trình ứng dụng: Gồm 3 miền:

- OB1 (Organisation Block): Chứa chương trình tổ chức, chương trình chính.- Subrountine: Chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có biếnhình thức để trao đổi dữ liệu Chương trình được thực hiện khi có lệnh gọi trongOB1.