Tự động điều khiển các quá trình công nghệ

M 621.3 T r121 T TRẦN DOÃN TIẾN ĐỘNG ĐIỀU KHIÊN CÁC QUÁ TRÌNH CỐNG N6HỆ TRẦN DOÃN TIẾN T ự ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ (Tái bản ỉần thứ ì , có sửa chữa) ! 1 ^ jị|£ ÍÌHẤ! kíỉlili 1 THisVẸỊ 1 * 5 b t À & ì) Á NHÀ XUẤT BÁN GIÁO DỤC - 1999 6T0.1 GD -9 9 498/324 - 99 Mã số: 7B40 T9 LÒI NÓI ĐAU Cuốn sách T ự ĐỘNG Đ IỀU K H IẾ N CÁC QUÁ TR ÌN H CÔNG N G H Ệ có hai p hầ n lớn : - Phần m ột : Điều khiển lôgích khả lập trình PLC. - Phần hai : Điều khiển số N C và điều khiển số có dừ ng m ảy tín h CNC. Sách dược sù dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên các trường dại học kỹ thuật, làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thu ật trong lỉnh vực m ảy và công nghệ của tá t cả các ngàn h công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, cấc ngành sản xuất có liên quan dến tự dộng hóa. Sách dược viết dưới dạng từ tháp đến cao, từ dẻ dén khó. N h ữ ng dộc giả không cần di quá sâu có thề chi dọc các chương dầu của từng phần là có dược m ột khải niệm tương dối dầy dù vè công nghệ tự dộng hóa hiện dại. Cuốn sách có viết nhữ ng ứng dụ ng thành tựu của kỹ thuật tin học vào các quả trìn h công nghệ tự dộng dièu khiển. Chúng tôi xin chân thành cấm ơn nhữ ng ý kiến dóng góp của dộc giả trong thời gian qua dể cho cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, nội dung cuốn sách chác vản còn nhiều thiếu sót, mong dộc giả góp ý phê bình. Mọi ý kiến dóng góp xin gửi vầ N hà xuất bản Giáo dục - 81 Trần H ưng Đạo - H à Nội. Tác giả 3 Phan một ĐIÊU KHIỀN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC Chương 1 ĐẠI CƯONG VÊ ĐIÊU KHIÊN LOGIC KHẨ LẬP TRÌNH PLC Chương này sẽ cung cấp những kiến thức sau đây : 1 - Khả năng của PLC 2 - Cấu tạo bộ PLC hiện đại. 3 - Phương thức hoạt động của luống liên lạc busline 4 - Sử dụng PLC 5 - Ý nghĩa kinh tế của PLC so với các loại điều khiển khác. Kỷ thuật điều khiển logic khả lập trình đã phát triển mạnh và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân ; không những thay thế cho kỹ thuật điểu khiển bằng cơ cấu cam hoặc kỹ thuật rơle trước kia, mà còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác nữa, chảng hạn như chức năng chuẩn đoán vv Kỹ thuật này điều khiển cd hiệu quả với từng máy làm việc độc lập cũng như với những hệ thống m áy sản xuất linh hoạt phức tạp hơn. LL Nhập đê Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển lògic khả lập trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học, cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính. Năm 1808, Joseph M. Jacquard đã dùng các lỗ đục trên những tấm thẻ kim loại mỏng, sáp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều cách khác nhau để điều khiển máy dệt thực hiện tự động các mẫu hàng phức tạp. Sự có mặt hoặc vắng mặt của một lỗ xác định việc một mũi kim có hoạt động hay khống. Phương pháp này là tiền thân của nguyên lý vật mang tin di động. 55 năm sau, M. Fourneaux sáng chế ra người chơi dương cám tự động cò tên là Pianola nổi tiếng thế giới. Sử dụng nguyên lý không khí thổi qua một băng giấy đục lỗ, ông ta có thể điều khiển được hoạt động của cơ cấu bàn phím trên dương cám. Về sau phương pháp này được phát triển để điều khiển âm lượng, tốc độ cuộn giấy và các đặc tính của âm thanh. Năm 1642 Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng. Năm 1834, Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" co' khả năng tính toán với độ chính xác tới sáu con số thập phân, ô ng đã thử nghiệm với nhiều bản thiết kế nhằm thực hiện ý tưởng của ông là mở rộng tầm vo'c và độ phiíc hợp của chiếc máy của ông. Từ thòi đo' mà ỏng ta đã thiết kê' được một chiếc máy không những co' thể thực hiện những phép tính số học, mà còn co' thể hoàn thành những chức năng như của những máy tính hiện đại như lưu trữ, xử lý, nhớ, nhập và xuất dữ liệu. 7 Trước năm 1940, ở Hoa Kỳ và ở Đức sử dụng mạch điện rơle để triển khai ciiiêVì máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới. Năm 1943, Mauchly và Eckert chế tạo c:ái "máy tính điện tử" đầu tiên gọi là "máy tính và tích phân số điện tử" viết tấr. ìh ENIAC. Máy co' 18.000 đèn điện tử chân không và gán 500.000 mối hàn thủ cìntg, nặng 30 tấn, chiếm diện tích m ặt sàn 1613 ft , và có công suất điện 174 kW 7iiệe, lập trình là cực kỳ khổ khăn, qua 6000 nút bấm và khoảng vài trăm phích cám. Ciiiếcì máy này phức tạp tới mức mà chỉ mới thao tác được vài phút, lỗi và hư hỏng đã zu:ất hiện và, việc sửa chữa và láp đặt lại các đèn điện tử để chạy lại đã m ất đến cả tuini ! Chỉ tới khi ứng dụng kỹ thuật bán dẫn, triển khai vào năm 1948, và tới khi chưn vào thao tác công nghiệp năm 1960, thỉ những máy tính điện tử lập trình lại miới được sản xuất và thương mại hđa. Các bóng bán dán co' những ưu điểm quyết định so với bo'ng đèn điện tử chíân không như sau : - kích thước nhỏ - tuổi thọ cao - độ tin cậy cao - giá thành hạ - năng lượng tiêu hao thấp - tổn thất nhiệt thấp Phát triển của máy tính điện tử, và kèm theo no' là phát triển tin học cùng với sir phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động, dựa trên cơ sở tin học, gắn liền với làmg loạt những phát minh liên tiếp như sau : - mạch tích hợp điện tử - IC - nám 1959 - mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965 - bộ vi xử lý - nám 1974 - dữ liệu chương trinh - điều khiển - kỹ thuật lưu trữ - v.v Những phát minh loại đđ đã đo'ng một vai trò quan trọng và quyết định trong viiệc phát triển ổ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của no' như PLC, CNC v.v Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật, trước đây ngay vào khoảng thiời gian những năm cách đây chưa phái là xa xôi lắm, người ta mới chỉ phân biệt hiaị phạm trù kỹ thuật điều khiển bàng cơ khí và điểu khiển bằng điện tử. Nhưng từ cuối thập kỷ 20 người ta đã phải dùng nhiều chỉ tiêu chi tiết để fhỉân biệt các loại kỹ thuật điểu khiển, bởi vì trong thực tê' sản xuất cán đòi hỏi điểu kiiíển tổng thể những hệ thống máy chứ không chỉ điểu khiển từng máy đơn lẻ. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy. Từ "khả lập trình" - nghĩa là co' thể lập trình được - đã nổi lên một mối liêi }hệ chặt chẽ với máy tính, trong đo' các ngôn ngừ lập trình như FORTRAN, COIO^L, PASCAL, đã được sử dụng. No' bao hàm cả khả nãng giải các vấn để toán học 'Và 8 còng nghệ. Từ "điểu khiển" hàm ý mục tiêu ứng dụng công nghiệp của PLC, nghĩa lằ tạo lập, gửi đi, và tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng cụ thể của máy đã được ứng dụng của PLC trong hệ thống. Kỹ thuật điều khiển lôgic khả lập trinh phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính tù nám 1968 - 1970 và đã từng bước phát triển tiếp cận theo các nhu cấu của công nghiệp. Quy trình lập trình lúc ban đấu được chuẩn bị để sử dụng trong các xí nghiệp điện tử, ở đđ trang bị kỹ thuật và tay nghề thành thạo đã được kết hợp với nhau. Đến nay, các thiết bị và kỹ thuật PLC đã phát triển tới mức những người sử dụng nó không cẩn giỏi những kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trinh được. '[Vinh độ của khả năng lập trình được, lập trinh dễ dàng hay khó khăn, cũng là một chỉ tiêu quan trọng để xếp hạng hệ thống điều khiển, ở đây cd sự phân biệt giữa những bộ điểu khiển mà người dùng có thể thay đổi được quy trình hoạt động so với cãc bộ điểu khiển không thay đổi được quy trình hoạt động có nghĩa là điều khiển theo quy trình cứng. Tùy theo kết cấu của hệ thông và cấu tạo của các thành phần mà mỗi phạm trù điểu khiển trên đây lại chia ra làm nhiều loại điểu khiển khác nhau. Những đặc trưng lập trình của các loại điểu khiển được trình bày trên sơ đổ hỉnh 1.1. Hình 1.1. Những đặc trưng lập trình của các loại điều khiển 9 Rơle không phải là loại điều khiển duy nhất được coi là theo (ỊUV trình cứng, và do đo' không thay đổi được. Nhiều loại điều khiển bằng các thanh phấn rnach đicn tử cũng nằm trong số các quy trinh cứng này. Nếu chức năng của một hệ điổu khiến đã được xác định bởi mối liên kết trong theo quy trình cứng của các phấn tử cá thế thi nd thuộc loại điều khiển không thay đổi được hoặc còn gọi là loại có "chức nàng cố định". Khi đó sự thay đổi muốn có chỉ cd thể được thực hiện bằng cách nối lại các đường dây hoặc thay đổi một số thành phán. Những hệ điều khiển không linh hoạt đd cd chứa các bộ phân phối thanh ngang, máy đọc băng đục lỗ, hoặc các liên kết phích cắm khác, thi cd thể lập trinh lại được, nhưng chỉ trong một giới hạn rất hạn hẹp. Các hệ điều khiển linh hoạt được chia làm hai loại. a) Điều khiển linh hoạt cd thể lập trình trực tiếp, hoặc còn gọi là "cd thể lập trình tự do". Loại điều khiển này chứa bộ nhớ tiếp cận ngẫu nhiên (Randonì access memorics RAM), cho phép nhập dữ liệu, hoặc phát lệnh thay đổi, hoặc thêm vào mà không cán các thao tác cơ học. b) Điếu khiển linh hoạt cd bộ nhớ thay được. Loại này dùng bộ nhớ chỉ được ghi một lần và sau đd chỉ cd thể đọc ra mà thôi (ROM) và cd thể lập trình lại được bằng cách thav bộ nhớ. Mỏt số thành phần của nd cd thể được thay khi một chương trinh được soạn thao hoặc biến đổi. Trái với ROM là loại chỉ dược lập trinh một lần, loại bộ nhớ chỉ đọc khả lập trình xda được (erasable programmable read only memories EPROMs) cho phép xda sạch các thông tin từ các chíp (vi linh kiện điện tử) EPROM, nên cd thể làm lại lập trình mới. Tuy nhiên vì chỉ co' thể làm được điều đo' bầng thiết bị xda đặc biệt, cho nên EPROMs cũng được coi là những đơn vị nhớ thay được. Vì cấu trúc của các bộ điều khiển khả lập trình được dựa trên cùng một nguyên lý với kiến trúc của máy tính, cho nên no' không chỉ co thể thi hành các nhiệm vụ chuyển đổi mà còn co' thể thực thi các ứng dụng khác như đếm, tính toán, so sánh hoặc xừ lý các tín hiệu tương tự cho những mục đích riêng chảng hạn như trong các quy trình kỹ thuật cơ khí v.v 1.2. Các thành phân của một bộ PLC Phần cứng của các bộ điều khiển khả lập trỉnh PLC được cấu tạo thành những môđun (hình 1-2) cho thấy sơ đổ các môđun phần cứng của một bộ PLC. Một bộ PLC thông thường co' những môđun phần cứng như sau : 1. Môđun nguồn 2. Môđun đơn vị xử lý trung tâm (CPU) 3. Môđun bộ nhớ chương trình 4. Môđun đáu vào (thẻ đẩu vào) 5. Môđun đầu ra (thẻ đẩu ra) 6. Môđun phối ghép (thẻ phối ghép) 7. Môđun chức năng phụ Mỗi môđun đo' được lắp thành một đơn vị riêng, co' phích cắm nhiều chân để cắm vào rút ra dễ dàng trên một panen cơ khí co' dạng bảng hoặc hộp. Trên panen co' láp : 10 fl) Đường ray nguổn để đưa nguốn điện một chiếu (thương là 24V) từ đấu ra của nôđun nguổn ìấy từ môđun nguồn, đưa đi cung cấp cho tất cả các môđun khác. b) Luống liên lạc để trao đổi thông tin giữa các môđun và với bên ngoài. Mở rộng được Hìnhl.2. Các mô đun phán cứng cua một PLC 1. Dơn v ị x ử lý tr u n g tâm - C PU Trong mỗi thiết bị PLC chỉ co' một đơn vị xử lý trung tâm. Co' hai loại đơn vị xử lý : a) . Dơn vị x ử lý "m ột - b it", thích hợp cho việc xử lý các thao tác logic, nhưng vì thời gian xử lý là quá dài đối với một tín hiệu đơn cho nên không thực hiện được các chức năng phức tạp mà không gặp phải những rác rối vẽ vấn đề thời gian. Loại xử lý một bít kết cấu đơn giản cho nên giá thành hạ. Vì vậy tuy xử lý co' chậm nhưng vẫn được dùng cho những trường hợp không cán nhanh lám và bài toán không quá phức tạp. b) Đơn vị xử lý bằng "từ ngữ". Loại xử lý này hấp dẫn hơn loại no'i trên, vì loại dưới này thích hợp hơn nhiều với việc xử lý nhanh các thông tin số. Sở dĩ nó đạt được tốc độ cao thì rõ ràng là vì no' không xử lý đơn bít mà xử lý từ ngữ bao gồm nhiều bít và co' thể đạt tới 16 bít. Tuy nhiên bộ xử lý từ ngữ co' cấu trúc phức tạp hơn nhiều và do đo' giá đắt hơn, cho nên no' khồng thể loại bộ xử lý đơn bít ra khỏi thị trường tin học. Cả hai loại vẫn song song tổn tại và mỗi loại được lựa chọn sử dụng tùy theo nhu cầu ứng dụng. 11 [...]... cát v.v Trong tự động còn hay d ù n g các loại đ ộ n g cơ bước điều k h iển bàng xung điện Các tiền dản động liên kết với các d ẫn động điện là các công tắc, n ú t bám, bộ iiẽ u tốc cùng các thiết bị bảo h iể m cấn thiết b ) Dản d ộ n g k h í nén : Kỹ t h u ậ t này d ù n g nguổn khí nén s ả n cd tro n g các n h à m áy Các xy lanh khi n én được d ù n g vào n h iề u công việc : Truyền động, gá láp, x... lập trình P h ấ n n à y tr in h bày các công cụ thự c hiện tự động hóa và p h â n b iệ t hai họ lớn các cỏng nghệ tự đ ộ n g hóa : - Công n g h ệ đ iểu k h iể n b ằn g đườ ng dây : Lặp tuyến - C ông n g h ệ đ iề u k h iể n theo chư ơng trìn h : Lập trình 1 S o s á n h v ế n g u y ê n lý a) Công n g h ệ diều k h iể n bàng lập tuyến được thực hiện bởi các p h ầ n tử tự động nối với n h a u b ằ n g các. .. và khối điều k h iển Ta cd G R A FC ET sổ tay n h iệm uụ, tro n g đo' mọi h à n h ví tự dộng, bao gốm các giai đoạn và các k h ả tiếp được mô tả b ằ n g lời văn Bước, 2 : C họn d ẫn đ ộ n g và cảm biến, đến đáy GRAFCET đ ã xác đ ịn h các d ẫ n động và ch u y ển tiếp Ta co' G R A FC ET các động tác, tro n g đó các lời v ăn m ô tả các động tá c được th a y th ế b ằ n g các ký hiệu chữ hoa và các câu... Chương 2 CÁC HỆ THỐNG T ự ĐỘNG PHỤC v ụ SẢN XUẤT Mực tiêu c ủ a chương n ày là c u n g cấp n h ữ n g kiến thức sau đây : 1 - Mục đích, cấu trú c và sự h o ạ t đ ộ n g của các hệ th ố n g tự động 2 - So s á n h n h ữ n g khác b iệt giữa công nghệ lập tu y ến và công n g h ệ lập trình ’ - N h ư n g kiến thức về các th à n h p h á n và sự cấu th à n h của các bộ p h ận điện tử * cua hô th ố n g tự động 4... — động tác mỏ' nút b > ngắt mạch trong cuộn dây Nguyên lý trình bày cũng giống như ở các sơ đồ nút bấm Chỉ khác ở các kỉ hiệu cơ bản Đcây là một loại sơ đồ chuyển dạng của Mỹ nhàm vào các hệ tự động khả lập trình, và gọi là biêu đồ bặc thang Hình 2.13 Sơ đổ n ú t bấm và sơ dổ bậc th an g 3 TOOK 33 a) Sơ dò nứt bấm - biếu dô bậc thong N gồn ngừ biểu đổ mô tả các hệ tự động ra đời từ thời m à chỉ có công. .. thủy lực v.v i: Các th iế t bị h ay cơ cấu tru y ề n động làm tru n g gian giữa th iế t bị d ẫ n động và tliiốt bị gia công C h ú n g tru y ề n chuyển động từ thiết bị dẫn động đến th iế t bị gia công đong thời biến đổi các ch u y ển động đo' cho thích hợp với yêu cáu của cõng nghệ Ỷ 1 (Yic 1)6 phan diều khiênkhác 1 I _ _ • _ _ _ _ _ _ _ _ I Hình 2-3 Chu trúc khối cứa hệ thông tự động2 2 K hối... v.v Các van p h â n phối là các tiề n d ẫn độ n g tư ơ n g ứng C h ú n g cổ t h ể n h ậ n tín ìi . M 621.3 T r121 T TRẦN DOÃN TIẾN ĐỘNG ĐIỀU KHIÊN CÁC QUÁ TRÌNH CỐNG N6HỆ TRẦN DOÃN TIẾN T ự ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ (Tái bản ỉần thứ ì , có sửa chữa) ! 1 ^ jị|£. ĐAU Cuốn sách T ự ĐỘNG Đ IỀU K H IẾ N CÁC QUÁ TR ÌN H CÔNG N G H Ệ có hai p hầ n lớn : - Phần m ột : Điều khiển lôgích khả lập trình PLC. - Phần hai : Điều khiển số N C và điều khiển số có dừ ng. điểu khiển các quá trình công nghệ trên máy công cụ hoặc trên các tay máy người máy công nghiệp. Bộ PLC với các chức năng phụ đặc biệt chỉ thích hợp nếu co' chủ định thực hiện các chức