đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển quy trình chiết rót và đóng nắp chai tự động

Khóa :2018 - 2023

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

Ngành : Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Chuyên ngành: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp Lớp: D13 TDH&DKTBCN2

Khóa: 2018 - 2023

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA ĐK&TĐH

2 Lý do chọn đề tài (nếu có và không quá ½ trang)

3 Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu (không quá 1 trang, không quá chi tiết)

4 Tài liệu tham khảo dự kiến

5 Ngày giao đề tài: Ngày……… tháng………năm 2022

Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023

TRƯƠNG NAM HƯNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA ĐK&TĐH

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN I Thông tin chung

Họ và tên người hướng dẫn: GV Đoàn diễm vương Đơn vị công tác: Khoa Điều khiển và Tự động hóa Học hàm, học vị: Tiến sĩ

Họ và tên sinh viên :………Ngàysinh: Mã sinh viên:……….Lớp: Tên đề tài: ………

IV Đề nghị

Không được báo cáo: 

Hà Nội, ngày….tháng…năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Kết quả thực hiện và báo cáo trước hội đồng của sinh viên:

Giáo viên hướng dẫn Thư ký hội đồng Chủ tịch hội đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA ĐK&TĐH

LỜI CẢM ƠN

chai tự động ” là nội dung mà em đã nghiên cứu và làm đồ án tốt nghiệp sau thời

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ Quý thầy cô, gia đình và bạn bè Để đồ án thành công nhất, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến với:

học tập và rèn luyện rất tốt, cung cấp cho em những kiến thức và kỹ năng bổ ích giúp em có thể áp dụng và thuận lợi thực hiện đồ án

Giảng viên hướng dẫn cô Đoàn Diễm Vương là người thầy tâm huyết, đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ em em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Cô đã có những trao đổi và góp ý để em có thể hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này.

Em cũng xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và đội ngũ giáo viên Trường Đại học Điện Lực đã tạo cơ hội cho em được học tập tại trường để có những kiến thức, kinh nghiệm trong thực tế để có thông tin hữu ích cho đồ án.

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất để em có thể nỗ lực hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN Lê Anh Nam

1.6 Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp 10

1.6.1 Kiểm tra khuyết tật chai 10

1.6.2 Quy trình chiết rót tự động 11

1.6.3 Quy trình đóng nắp 12

1.6.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót 13

1.6.5 Dây chuyền đóng thùng 15

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC FX3U, MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ PHẦN MỀM HỆ THỐNG 16

2.1 PLC FX3U 16

2.1.1 Giới thiệu PLC FX3U 16

2.1.2 Cấu trúc và hoạt động 17

2.1.3 Thông số kỹ thuật 19

2.2 Mạng truyền thông trong công nghiệp 20

2.2.1 Giới thiệu chung mạng truyền thông công nghiệp 20

2.2.2 Chuẩn truyền thông RS232 21

2.2.3 Chuẩn truyền thông RS485 25

2.2.4 Giao thức Modbus 28

3.5 Lưu đồ thuật toán 41

3.6 Sơ đồ đấu nối 42

3.7 Các bước cấu hình và tải chương trình xuống PLC 43

Chương 4:TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ VÀ MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 454.1.Nguồn tổ ong 45

4.2.Aptomat 46

4.3 Rơ le trung gian 8 chân 24V omron MY2N-J 46

4.4 van điện từ airitac 47

4.5 Xi lanh khí nén 2ty loại TN10x30-S 48

4.6.Băng tải 49

4.7.Dộng cơ bơm nước Water Pump 385 12vdc 49

4.8.Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 51

4.8 Mô hình hệ thống 53

3

4.9 Xây dựng giao diện hệ thống điều khiển trên C# 53

4.9.1 Các bước xây dựng giao diện 53

4.9.2 Thêm thư viện vào Project 57

4.9.3 Lập trình truyền thông Modbus RTU 59

4.9.4 Lập trình Button, đọc trạng thái ngõ ra 59

4.9.5 Xây dựng đồ thị 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Máy chiết rót đóng nắp 7

Hình 1.2 Máy chiết rót chai PET 3 trong 1 8

Hình 1.3 Máy kiểm tra khuyết tật chai 10

Hình 1.4 Máy chiết rót BigStar 12

Hình 2.2 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp 20

Hình 2.3 Các chân truyền thông RS232 23

Hình 2.4 Truyền thông RS485 25

Hình 2.5 Cách thức hoạt động của RS485 26

Hình 2.6 Vị trí mạng Modbus trong mô hình ISO 29

Hình 2.7 Chu trình yêu cầu-đáp ứng 31

Hình 2.8 Địa chỉ thanh ghi dữ liệu 33

Hình 2.9 Module chuyển đổi USB sang RS485 35

Hình 2.10 Giao diện GX Works2 35

Hình 2.11 Giao diện lập trình 36

Hình 2.12 Đọc, viết dữ liệu 37

Hình 2.13 Chuẩn đoán trạng thái khối điều khiển 38

Hình 2.14 Phần mềm Visual Studio 38

5

Hình 2.15 Giao diện phần mềm Visual Studio 38

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống PLC 39

Hình 3.2 Sơ đồ khối công nghệ 40

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán 41

Hình 3.4 Cấp nguồn 24 cho Bộ điều khiển PLC 42

Hình 3.5 Đấu nối tín hiệu input 42

Hình 3.6 Đấu nối tín hiệu output 42

HÌnh 4.3.Cấu tạo cua rơ le 47

Hình 4.4.Van điện từ Aritac 47

Hinh 4.5.Van 2 ty 49

Hinh 4.6.Băng tải 4x50x10 49

Hinh 4.7.Mô tơ bơm nước 50

Hinh 4.8.Hình ảnh cảm biến hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 51

Hình 4.9 Mô hình hệ thống 53

Hình 4.15 Tạo sự kiện cho Button 56

Hình 4.16 Thư viện giao tiếp với PLC 57

Hình 4.17 Giao diện hoàn chỉnh 57

Hình 4.18 Add Reference 57

Hình 4.19 Chọn thư viện 58

Hình 4.20 Chọn đường dẫn thư viện 58

Hình 4.21 Khai báo thư viện 58

Hình 4.22 Hiển thị trạng thái ngõ ra PLC 61

Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn số lượng sản phẩm 62

7

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM

1.1 Tổng quan về dây chuyền

Chiết rót và đóng nắp chai là hệ thống máy sản xuất nước đang rất được nhiều người sản xuất lựa chọn vì nhu cầu của người tiêu dùng đang hướng tới dòng sản phẩm nước đóng chai để đảm bảo đủ độ vệ sinh và an toàn, tiện lợi khi sử dụng Các cơ sở sản xuất sữa, sữa tươi, sữa chua và các loại nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng hoặc các loại nước uống không có ga khác Dây chuyền được dùng để chiết rót và đóng nắp cho các loại chai PET có nhiều hình dạng và dung tích khác nhau

Hình 1.1 Máy chiết rót đóng nắp

1.2 Phạm vi áp dụng

- Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng, hoặc các loại nước uống không gaz khác

- Chai nước sử dụng : Loại chai PET có dung tích từ 250ml đến 2250ml

1.3 Yêu cầu thiết kế

- Nguồn nước tinh khiết: có chất lượng nước đạt chuẩn nước uống tinh khiết TCVN 6096:2004

8

- Áp suất nước trong hệ thống: hệ thống được thiết kế với áp suất trung bình không quá 10kg/cm2 Vì vậy cần phải dùng công tác áp suất hoặc dùng biến tần để điều chỉnh áp lực nước phù hợp trong quá trình vận hành

- Điện áp sử dụng:1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz

- Dòng tải: tùy theo công suất bơm sử dụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông thường không nhỏ hơn 5A

- Các biện pháp an toàn điện: hệ thống được thiết kế ELCB chống giật trên toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE Nút tắt khẩn cấp khi có sự cố xảy ra

- Khung sườn thiết bị: được thiết kế bằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316, chịu được lực rung lớn

- Ồng dẫn nước: ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ 304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh

- Các thiết bị lọc nước: vật tư, thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF

1.4 Các chức năng chính của hệ thống

Hình 1.2 Máy chiết rót chai PET 3 trong 1

- Hệ thống kết hợp 3 máy xúc rửa, chiết rót và đóng nắp thành 1 dây chuyền thống nhất

- Hệ thống tiêu chuẩn: hệ thống bao gổm 3 máy rời rạc: xúc rửa, chiết rót, đóng nắp, nối liền với nhau thành 1 hệ thống xuyên suốt

9

- Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens: điều khiển xuyên suốt hệ thống xúc rửa, chiết rót, đóng nắp Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên các đèn led (màu xanh) Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện hoàn toàn tự động, tín hiệu âm thanh bíp bíp sẽ được phát ra Ngoài ra chương trình trong PLC này nhiều chức năng hơn hệ thống tiêu chuẩn

- Khung sườn: được làm bằng thép không gỉ

- Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức: các chai PET được vận chuyển tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót, xúc rửa

- Ống dẫn nước: bằng Inox

- 2 chế độ hoạt động auto / manual: giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng

1.5 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây:

- Vỏ chai PET được đặt trên băng chuyền trước khi vào hệ thống xúc rửa chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC)

- Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC

- Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống xúc rửa.Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa Lưu ý nước rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trong máy phun lên

-Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vị trí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ giữ chặt cổc hai để tránh đổc hai trong qua trình rót Các chai được xoay vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót Máy bơm nước được thiết kế sẵn trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình (Lưu ý: thể tích nước có thể điều chỉnh được)

-Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp Nắp bình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai PET

- Các tay đòn sẽ siết nắp chặt

- Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài

10

- Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có)

1.6 Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp 1.6.1 Kiểm tra khuyết tật chai

Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường dùng các hệ thống máy hiện đại , hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị để thực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì em được biết hãng Pressco Technology Inc là nhà cung cấp dòng sản phẩm Intellispec mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏ chai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như:

- Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển - Chai dính bẩn

Dòng sản phẩm Intellispec CP500: được trang bị 2 camera bên trong và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chính nhà cung cấp Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồn điện nên có thể hoạt động thêm một thời gian sau khi ngắt điện

Nguyên tắc: camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu về máy tính xử lí với phần mền chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mục đích của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu Tốc độ chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút

Hình 1.3 Máy kiểm tra khuyết tật chai

11

1.6.2 Quy trình chiết rót tự động

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cách chiết rót khác nhau như: chất lỏng cô đặc, nước có gaz, nước không gaz Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, Định lượng sản phảm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lương sản phẩm một cách chính xác Hiện nay với công nghệ hiện đại, rất nhiều quy trình công nghiệp được tự động hóa Trong đó dây chuyển chiết rót và đóng nút chai tự động là một trong những hệ thống được sử dụng rất phổ biển và rộng rãi

Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

- Định lượng bằng bình định mức: Chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai

- Định lượng bằng chiết tới mức cố định: Chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai, khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai

- Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: Cho chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi Phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng

- Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia, nước ngọt Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng Với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao

1.6.3 Quy trình đóng nắp

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín các loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phong kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cổ định để hệ thống dập nắp hoạt động Sau

Máy đóng nắp chai hiện đại thay thế các khâu dây chuyền thủ công rườm rà, đảm bảo hiệu năng cao, tiết kiệm thời gian và chi phí cho sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, tránh các lỗi sai như khi đóng nắp bằng phương pháp truyền thống, hạn chế tối đa các tai nạn lao động cho người lao động Người vận hành chỉ cần cho các sản phẩm vào máy và phần còn lại sẽ do máy đóng nắp chai thực hiện

1.6.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót

Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnh điều khiển Để xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ thu quang Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng 1 bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor quang Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ ánh sáng khi vật xuất hiện Ánh sáng do

14

Led phát ra được hội tụ qua thấu kính ở phần thu ánh sáng từ thấu kính tác động đến transitor thu quang Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được sóng dao động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và sáng theo tần số mạch dao động Phương pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm biến thu phát xa hơn và tiêu thụ ít công suất hơn

Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang điện chính: Through-beam sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản quang), Diffuse reflection sensor (cảm biến phản xạ khuếch tán)

Hình 1.6 Cảm biến 05G500

Hình 1.7 Cảm biến quang phản xạ gương

Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chai PET có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạp cảm biến cho ứng dụng đó Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh

15

1.6.5 Dây chuyền đóng thùng

Các máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô sơ tới cực kỳ hiện đại Tùy theo doạng sản phẩm sẽ có cách đóng gói khác nhau Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai có dung tích lớn thường được đóng thùng bằng cánh tay Robot Phương pháp này hiện đại và chính xác nhất, đảm bảo chống va đập làm hư sản phẩm Số lượng sản phẩm phụ thuộc vào kích thước thùng chứa, số lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như để đóng két cho bia chai thì mỗi lần cánh tay robot có thể gắp 20 chai Dây chuyền đóng thùng gồm 2 băng tải, một băng tải đưa sản phẩm đến tay gắp, một băng vận chuyển thùng, hai băng tải đặt ngang nhau Bộ phận gắp chai đượcđiểu khiển đồng bộ bằng khí nén.Với các loại chai nhỏ và khó vỡ thì thường dùng phương pháp đóng thùng kiểu “Drop”, hệ thống có hai băng tải, một băng tải chở sản phẩm chai ở phía trên, băng tải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số lượng thì phần đáy của khung mở ra để toàn bộ chai trong khung rơi xuống thùng, các chai rơi xuống thùng đồng thời thùng được hạ xuống để giảm lực tác động vào đáy chai,cách đóng thùng này nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tay Robot

Hình 1.8 Máy đóng thùng

16

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC FX3U, MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ PHẦN MỀM HỆ THỐNG

2.1 PLC FX3U

2.1.1 Giới thiệu PLC FX3U

Hiện nay, trên thị trường có nhiều dòng PLC của các hãng khác nhau như Mitsubishi, Siemens, Delta, Omron, LS,…Tuy nhiên, nổi bật hơn cả vẫn là PLC của hãng Mitsubishi, hiện đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới và ở Việt Nam

PLC Mitsubishi ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy và dây chuyền sản xuất hiện đại, bởi vậy mà nhu cầu tìm hiểu về PLC Mitsubishi cũng như tài liệu lập trình PLC Mitsubishi ngày càng cao

PLC Mitsubishi là một sản phẩm của tập đoàn Mitsubishi Electric – Tập đoàn về công nghệ hàng đầu của Nhật Bản PLC hãng Mitsubishi được ứng dụng rộng rãi trong bộ điều khiển các hệ thống trong công nghiệp, từ đơn giản đến phức tạp

PLC Mitsubishi có ưu điểm lớn về giá thành, chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng đa dạng các cấu hình yêu cầu các tính năng như: Giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao, các module đọc nhiệt độ, loadcell,…

Ở Việt Nam, PLC Mitsubishi được dùng nhiều trong ngành Dệt sợi, Bao bì, Carton, Nhựa, Thực phẩm, Điện tử, Máy móc ngành y tế, Cơ khí chính xác, Chế tạo máy,…

PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric

PLC FX3U được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng đặc biệt mới là hệ thống “adapter bus” được bổ xung cho hệ thống bus hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc biệt và khối truyền thông mạng

Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho nghiệp vụ điều khiển vị trí Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và Cổng lập trình RS-422 mini DIN Với tính năng mạng mở rộng làm

17

cho PLC này nâng cao được khả năng kết nối tối đa về I/O lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng

Hình 2.1 PLC FX3U Mitsubishi

Một số loại Mitsubishi hiện nay:

- PLC MITSUBISHI FX Series: FX0, FX1N, FX1S, FX2N, FX3U, FX3G, FX5U

- PLC MITSUBISHI A Series: Q02A, Q06A

- PLC MITSUBISHI Q Series: Q00xCPU, Q01xCPU, Q02xCPU,… - PLC MITSUBISHI L Series: L02, L06, L26,…

- PLC MITSUBISHI Motion: A171SH, A172SH, A173, A273

2.1.2 Cấu trúc và hoạt động

Cấu trúc của PLC: PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình Toàn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ nhớ của PLC Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, nghĩa

- Module ra - Module nhớ - Thiết bị lập trình

Ngoài các module chính như trên, PLC còn có các mô đun phụ trợ như mô đun giao tiếp mạng, truyền thông, module ghép nối các module chức năng để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào,…

Các thành phần cơ bản: Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ đệ (bộ nhớ trong PLC gồm các thành phần như sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, tất cả hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được truyền nạp vào PLC thông qua những thiết bị lập trình chuyên dụng

Hoạt động của PLC: Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic những điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các phép tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC Các thế hệ PLC cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý mạnh mẽ và có thể kết nối với máy tính, mạng nội bộ,

19

Bộ vi xử lý bên trong điều khiển toàn bộ chu kỳ làm việc của chương trình Chu kỳ này được đặt tên là chu kỳ quét của PLC, tức là thời gian để thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển

Chu kì quét của PLC: Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như cảm biến, công tắc…Trạng thái của tín hiệu sẽ vào được lưu tạm vào một mảng nhớ Trong suốt thời gian quét chương trình, bộ xử lý sẽ quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không Kết quả cuối cùng là các trạng thái của đầu ra đều được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳ quét của một PLC có thể từ 1 đến 25 mili giây Thời gian quét giữa đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của PLC

- Y0-Y5 ngõ ra relay/transistor, Relay-dòng định mức 5A, transistor xuất xung tốc độ cao 40khz

- 6 đầu vào analog ( 3 ngõ vào 0-10V : AD0-AD2 và 3 ngõ vào 0-20mA: AD5)

AD3 Đọc giá trị analog đầu vào với cấu trúc lệnh RD3A Viết giá trị Analog đầu ra với cấu trúc lệnh WR3A

- Timer xung 100ms T0-T199 trong đó T184-T199 có chốt

20

- Timer xung 10ms T200-T249 trong đó T246-T249 có chốt - Timer xung 1ms T250-T383 trong đó T350-T383 có chốt - Bộ đếm 16Bit : C0-C199 trong đó C100-C199 có chốt - Bộ đếm 32Bit : C200-C219 trong đó C220-C234 có chốt - Bộ đếm tốc độ cao : C235-C255

- M8011 xung 10ms; M8012 xung 100ms; M8013 xung 1ms; M8014 xung 1 phút - Hỗ trợ truyền thông RS485, Modbus RTU

2.2 Mạng truyền thông trong công nghiệp

2.2.1 Giới thiệu chung mạng truyền thông công nghiệp

Hình 2.2 Mô hình phân cấp các hệ thống mạng trong công nghiệp

21

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp trên điều hành xí nghiệp quản lý công ty

Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp, mang lại những lợi ích sau:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp - Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống - Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

- Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao

- Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị - Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống Ví dụ, các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet

- Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4 – 20mA - Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế

Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển giao thông…

2.2.2 Chuẩn truyền thông RS232 A, RS232

22

RS232 là một chuẩn truyền thông được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và “Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) RS232 là chuẩn truyền thông phổ biến nhất một thời, thường được gọi tắt là RS232 hoặc RS-232 thay vì EIA/TIA-232-E Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment)

B, Đặc điểm của RS232

Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000Ω – 7000Ω

Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V

Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn) Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

Trở kháng tải phải lớn hơn 3000Ω nhưng phải nhỏ hơn 7000Ω

Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m

Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng : 9600, 19200, 28800, 38400… 56600, 115200 bps

Để giảm nguy cơ bị nhiễu giữa các tín hiệu kế cận, tốc độ thay đổi (slew rate) được giới hạn tối đa là 30 V/μs, và tốc độ cũng được giới hạn tối đa là 20 kbps (kilobit per second) (giới hạn này hiện đã được nâng lên nhiều lần)

Trở kháng của mạch điều khiển được chỉ định là từ 3 đến 7 kΩ Tải dung tối đa của đường truyền cũng được giới hạn là 2500 pF, và như vậy tùy thuộc vào loại cáp mà chiều dài tối đa có thể được xác định từ điện dung trên đơn vị chiều dài của cáp

23

C, Chức năng chân RS232

Như đã nêu ở trên, RS232 phân ra 2 số chân chính là 9 chân (DB9) và 25 chân (DB25); tuy nhiên với các dòng máy hiện đại ngày nay thì loại DB25 không thấy xuất hiện nữa, cho nên chúng ta sẽ tập chung và tìm hiểu loại DB9 Các tín hiệu RS-232 được định nghĩa tại DTE, theo bảng sau (chỉ nói đến các tín hiệu của đầu nối 9 chân):

Hình 2.3 Các chân truyền thông RS232

6 Data Set Ready (DSR) Từ DCE

24

7 Request To send (RTS) Đến DCE 8 Clear To Send (CTS) Từ DCE 9 Ring Indicate (RI) Từ DCE

Chân 1: Data Carrier Detect (DCD): Phát tín hiệu mang dữ liệu Chân 2: Receive Data (RxD): Nhận dữ liệu

Chân 3: Transmit Data (TxD): Truyền dữ liệu

Chân 4: Data Termial Ready (DTR): Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu

Chân 5: Singal Ground ( SG): Mass của tín hiệu

Chân 6: Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

Chân 7: Request to Send: yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

Chân 8: Clear To Send (CTS): Xóa để gửi, bộ nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu

Chân 9: Ring Indicate (RI): Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

Các hệ thống logic hiện nay chủ yếu sử dụng các chuẩn logic TTL hay CMOS, do đó khi cần giao tiếp bằng chuẩn RS-232 sẽ phải dùng các mạch điều khiển và thu (RS-232 driver và receiver, hay RS-232 transceiver) để chuyển đổi giữa TTL/CMOS và RS-232 vật lý Các bộ transceiver hiện nay thường có sẵn các bơm điện tích (charge pump) để tạo ra các mức áp RS-232 vật lý (phổ biến là +12 V và -12 V) từ một điện áp nguồn đơn cực giá trị nhỏ (5 V hay 3.3 V)

Vì chuẩn RS-232 chỉ dành cho giao tiếp giữa DTE và DCE, do đó khi hai máy tính (là các DTE) cần giao tiếp với nhau thông qua chuẩn RS-232 thì cần phải có các DCE

C, Cách thức hoạt động

Chuẩn RS-485 sẽ sử truyền trên 2 dây A và B mà thôi Cách thức hoạt động cũng sẽ là so sánh chênh áp giữa A và B theo logic 0 và 1 và không hề so sánh với đất Việc này rất thích hợp cho các ứng dụng cần truyền tín hiệu đi xa vì giá trị của chúng chỉ là 0 với 1

26

Hình 2.5 Cách thức hoạt động của RS485

Giả sử khi giá trị của A và B lần lượt là A = 1, B = 0 thì dữ liệu nhận biết data = 1 Ngược lại nếu A = 0 và B = 1 Sthì data = 0 Chính vì hoạt động theo cách trên mà khi truyền đi xa dù có sụt áp thì cũng không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu

Chênh áp giữa A và B trong khoảng -6 ÷ 1,6V thì dữ liệu nhận giá trị là 1 Chênh áp giữa A và B trong khoảng +1,5 ÷ +6V thì dữ liệu nhận giá trị là 0

D, Một số kiến thức khác nên biết về RS485

Truyền dẫn cân bằng

Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A,B nhưng không có dây mass Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại

Mức tín hiệu

Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thi ểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB< 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V

Cặp dây xoắn

27

Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao

Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 – 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy

Điện áp kiểu chung

Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung

Vấn đề nối đất

Tín hiệu trên hai dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị Điều này cho thấy mạng RS485 gồm hai dây nhưng có tới ba mức điện áp được xem xét Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ điểm này tới điểm kia, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất

Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ ba, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu

Điện trở đầu cuối