Thiết kế và chế tạo hệ thống cấp và phân loại sản phẩm theo màu sắc

Thiết kế và chế tạo hệ thống cấp và phân loại sản phẩm theo màu sắc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

MỞ ĐẦU 6

I.1 Lý do chọn đề tài 6

I.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 7

I.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 7

I.4 Mục đích nghiên cứu của đề tài 7

I.5 Phương pháp nghiên cứu 8

I.6 Ý nghĩa nghiên cứu 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 9

1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm 9

1.2 Hệ thống cấp nguyên liệu 10

1.2.1 Trạm phân phối sản phẩm 11

1.2.2 Trạm tay gắp 11

1.2.3 Yêu cầu công nghệ của hệ thống cấp nguyên liệu 12

1.3 Hệ thống phân loại sản phẩm 13

1.3.1 Các thiết bị chính trong trạm phân loại sản phẩm 13

1.3.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống cấp nguyên liệu 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 – 300 16

2.1 Tổng quan về PLC 16

2.1.1 Lịch sử phát triển của PLC 16

2.1.2 Vai trò của PLC 16

2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC 17

2.2 Cấu hình phần cứng PLC S7-300 18

2.2.1 Module nguồn PS 307 của S7-300 19

2.2.2 Khối xử lý trung tâm -Module CPU 19

2.3 Cấu trúc chương trình PLC S7 - 300 21

2.3.1 Vòng quét chương trình của S7 300 21

2.3.2 Cấu trúc chương trình của S7 300 22

2.3.3 Các khối chức năng 23

2.4 Cấu trúc bộ nhớ 24

2.4.1 Kiểu dữ liệu 24

2.4.2 Phân chia bộ nhớ 24

2.5 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 - 300 25

2.5.1 Phương pháp STL (Statement List) 26

2.5.2 Phương pháp FBD (Function Block Diagram - FBD) 26

2.5.3 Phương pháp LAD (Ladder diagram) 27

2.5.4 Ngôn ngữ S7-GRAPH 27

2.6 Các hàm cơ bản 27

2.6.1 Các hàm lôgic tiếp điểm 27

2.6.2 Các hàm so sánh 31

2.6.3 Bộ thời gian 32

2.6.4 Bộ đếm COUNTER 36

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG CẤP VÀ 39

PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 39

3.1 Thiết kế hệ thống cấp và phân loại sản phẩm 39

3.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ hệ thống 39

3.1.2 Sơ đồ thuật toán và chương trình điều khiển 40

3.2 Thiết kế mô hình hệ thống cấp và phân loại sản phẩm 51

3.2.1 Trạm cấp phôi 51

3.2.2 Trạm tay gắp 52

3.2.3 Hệ thống phân loại sản phẩm 53

3.2.4 Các loại cảm biến sử dụng trong hệ thống phân loại sản phẩm 54

3.3 Sơ đồ kết nối PLC với thiết bị ngoại vi 57

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

4.1 Kết quả thực hiện đề tài 62

4.2 Những hạn chế của đề tài 62

4.3 Hướng phát triển và kiến nghị 63

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay chúng em đã hoàn thành đồ

án tốt nghiệp với đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẤP VÀ PHÂN LOẠI

SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC” do giảng viên - Th.s Đào Minh Tuấn hướng dẫn đã

được hoàn thiện Trong suốt thời gian nghiên cứu và thi công đề tài, chúng em đã gặpkhông ít vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quýbáu

Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp đầu tiên cho phép chúng em xin được bày tỏlòng biết ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử - Trường ĐH SPKT HưngYên đã truyền thụ những kiến thức quý báu và bổ ích trong thời gian học tập tạitrường, để giúp chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp và nền tảng kiến thứcchuyên môn vững chắc sau khi tốt nghiệp

Nhóm sinh viên thực hiện xin được trân trọng cảm ơn Th.s Đào Minh Tuấn thầy

đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi chonhóm trong suốt quá trình nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng đồ án tốt nghiệp này Chúng em xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới cô giáo ThS Vũ Thị Tựa, Cô làgiáo chủ nhiệm của chúng em trong suốt 2 năm học đại học, là người đã dìu dắt chúng

em từ những bước chân đầu tiên bước vào trường ĐH SPKT Hưng Yên

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của những người bạn, người thân, chúng con xinđược cảm ơn bố mẹ, anh chị đã luôn động viên chúng con trong suốt thời gian học tậpcũng như xây dựng đồ án này

Xin được gửi tới lời cảm ơn sâu sắc nhất!

Hưng Yên , Tháng 06 / 2013

Nhóm sinh viên thực hiện

MỞ ĐẦU

I.1 Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh thế giới đang thay đổi mạnh, từ khi đất nước tiến hành đổi mớichúng ta từng bước tiếp cận với những công nghệ hiện đại của thế giới trong nhiềulĩnh vực, trong đó có điều khiển và tự động hóa Nhưng do điều kiện phát triển của đấtnước còn chậm so với các nước tiên tiến nên việc đi tắt đón đầu những công nghệ mũinhọn là cần thiết nhằm tạo tiền đề để đất nước ta bắt kịp tốc độ phát triển của họ vàonhững năm đầu thế kỷ này Cũng trên tinh thần đó Đảng và nhà nước ta đã có chủtrương khuyến khích phát triển tự động hoá và coi đây là một ngành mũi nhọn trongcông cuộc hiện đại hóa đất nước

Tự động hóa quá trình sản xuất ngày càng có một vị trí quan trọng trong sản xuất

và đời sống Đặc biệt do sự phát triển của kỹ thuật điện tử, tin học cùng với sự lớnmạnh của điều khiển tự động đã tạo ra nhiều sản phẩm thiết bị hữu ích trong việc giảiquyết các vấn đề điều khiển Nhưng lớn mạnh hơn cả và chỗ đứng vững chắc trongcông nghiệp phải kế đến các bộ điều khiển logic có thể lập trình được được gọi tắt làPLC (Programmable logic controller) Với những thế mạnh như:

- Kích thước nhỏ gọn, giá thành hạ so với mạch điều khiển dùng rơle

- Khả năng chống nhiễu tốt, độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp

- Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng sửa chữa và bảo trì, tăng khả năng sửdụng thêm các khối modul mở rộng đầu vào ra cũng như các khối chuyên dụng

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình chuyên dùng nên lập trình nhanh và dễ dàng thayđổi chương trình

Hơn nữa với chức năng truyền thông kết hợp với phần mềm WINCC (Windowscontrol center) là phần mềm ứng dụng để điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu củamột hệ thống TĐH quá trình sản xuất.Việc sử dụng những bộ điều khiển lập trìnhriêng không đáp ứng yêu cầu điều khiển của hệ thống SCADA, cần phải kết hợp thêmcác bộ hiển thị HMI (Human Machine Interface - Giao diện người và máy )

Là những sinh viên theo học chuyên ngành Điện tự động hóa cùng những nhucầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà chúng em muốn đượcnghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm vềkiến thức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệphóa hiện đại hóa.Vì vậy sau khi tham khảo và tìm hiểu về công nghệ Phân loại sảnphẩm theo màu trong hệ thống băng chuyền công nghiệp nhóm chúng em đã đề xuất ýtưởng và dưới sự ủng hộ và hướng dẫn của Th.s Đào Minh Tuấn , nhóm chúng em đã

được giao nghiên cứu và hoàn thành đề tài : “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẤP VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC”

Bản thuyết minh của chúng em gồm những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cấp và phân loại sản phẩm

Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển PLC S7 – 300

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp và phân loại sản phẩm Chương 4: Sơ đồ thuật toán và chương trình điều khiển

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

I.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng mà đề tài hướng tới và cần hoàn thành bao gồm:

- Hệ thống cấp phôi: Gồm 2 trạm cấp phôi và trạm tay gắp Đưa sản phẩm từ hộpcấp nguồn lên trên băng tải

- Hệ thống phân loại sản phẩm: Hệ thống gồm 1 cảm biến màu để xác định chínhxác vật liệu là 1 trong 3 màu cụ thể Sau đó 3 xi lanh có tác dụng phân loai sản phẩm

- Sử dụng thành thạo phần mềm Step 7 để lập trình điều khiển hệ thống bằngPLC S7 – 300 CPU 313C

I.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Sau khi nghiên cứu thì nhóm chúng em đã quyết định thực hiện ý tưởng thiết kế

mô hình hệ thống cấp và phân loại sản phẩm gồm có:

- Hệ thống cấp liệu gồm: Trạm cấp phôi và trạm tay gắp Các trạm có nhiệm vụcấp nguyên liệu cho hệ thống băng tải

- Mô hình dây truyền phân loại sản phẩm có kết cấu cơ khí bằng nhôm, có ưuđiểm chịu lực, nhẹ, đạt yêu cầu về thẩm mỹ và dễ chế tạo

- Băng tải chất liệu bằng polime có độ bền cao và có khả năng chịu lực phù hợpvới loại sản phẩm cần phân loại

- Động cơ giảm tốc công suất dùng cho băng tải sử dụng nguồn 24VDC, 2 van xilanh phân loại sản phẩm có sử dụng cảm biến giới hạn hành trình

- Có 3 máng chứa sản phẩm của từng loại

- Hệ thống có khả năng tự dừng lại khi đủ số lượng sản phẩm quy định

I.4 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của việc xây dựng mô hình cấp và phân loại sản phẩm theo màu nhằmứng dụng rất nhiều ra ngoài thực tế như:

- Tự động hóa quá trình sản xuất trên dây chuyền Cụ thể là: Thiết kế và chế tạothành công hệ thống cấp và phân loại sản phẩm theo 3 màu

- Giảm số nhân công lao động trên dây chuyền

- Tăng khả năng kiểm soát lỗi trên dây chuyền

- Kiểm soát tốt năng lực sản xuất

- Giảm chi phí nhân công

I.5 Phương pháp nghiên cứu

Đồ án là sản phẩm áp dụng lý thuyết được học vào thực tế sản xuất Chính vì vậychúng em đã áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, lập trình và mô phỏng bằngphần mềm sau đó thiết kế mô hình thực tế, chạy thử và hiệu chỉnh dần trên chính thiết

bị thiết kế

I.6 Ý nghĩa nghiên cứu

Như đã nói ở trên thì nếu thực hiện thành công đề tài này sẽ mang lại ý nghĩa lớn

về cả thực tiễn và lý luận

 Ý nghĩa lý luận:

Toàn bộ chương trình và bản thuyết minh của đề tài sẽ trở thành tài liệu nghiêncứu, tham khảo nhanh, dễ hiểu, thiết thực cho các bạn sinh viên, những người thíchtìm hiểu về đề tài này của chúng em

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm

Việc ứng dụng tự động hóa là xu thế chung trong công nghiệp hiện nay, hòachung vào quá trình tự động hóa trong sản xuất, khâu phân loại sản phẩm trong cácdây chuyền công nghiệp là một ví dụ điển hình Trước kia, việc phân loại chủ yếu làdựa vào sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại nên cáccông nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Chưa kể đến có nhữngphân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra Điều

đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Ứngdụng băng chuyền và các kỹ thuật để phân loại sản phẩm hoàn toàn tự động sẽ giảmchi phí lao động, nâng cao năng suất và hiệu quả rất nhiều so với phân loại bằng thủcông

Bên cạnh việc phân loại sản phẩm dựa vào kích thước, hình dáng bao bì, các sảnphẩmhiện nay còn đa dạng về số lượng màu sắc khác nhau nên việc phân loại sảnphẩm dựa vào màu sắc là thực sự cần thiết Ví dụ: Trong các dây chuyền sản xuấtGạch, đá granite hay trong chế biến nông sản (như Cà phê, Gạo ) người ta phân loạithành các sản phẩm loại một, loại hai Dựa vào màu sắc của chúng

Để phân loại được sản phẩm theo màu sắc trên băng chuyền, ta có thể dùng cáchđơn giản là sử dụng cảm biến màu, hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biếnmàu của những hãng nổi tiếng khác nhau như: Omron (có E3X-DA, E3X-DAC,E3MC,E3ZM-V, ), Sick của Đức (có G-1481-9624,NT6-GC-22, CS1-P1111 ), hayDatasensor của Ý (có TL10, )

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc bao gồm: trạm phân phối, trạm taygắp, và trạm phân loại sản phẩm Các trạm đều được thiết kế các thanh nhôm có rãnh

và dễ dàng kết nối với nhau để thành 1 hệ thống sản xuất tự động Các trạm có cấu trúc

mở , có độ linh hoạt cao

Các hệ thống cấp và và phân loại sản phẩm có phương thức hoạt động cơ bảnnhư sau :

Trạm phân phối Trạm tay gắp

Trạm phân loại SP

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống cấp và phân loại sản phẩm

1.2.1 Trạm phân phối sản phẩm

Một trạm phân phối cơ bản sẽ có các thiết bị chính bao gồm:

1 Ống lưu trữ phôi liệu: Có nhiệm vụ cấp phôi nguồn cho hệ thống Khoangchứa là ống thủy tinh hữu cơ hình trụ, phần cuối của silo gắn 1 cảm biến sợi quang đểphát hiện phôi Có nhiều hơn 1 phôi trong ống chứa thì trạm mới làm việc, đèn cảnhbáo sẽ nháy sáng khi số phôi ít hơn

2 Có 2 cảm biến được sử dụng là: Cảm biến sợi quang kiểm tra phôi và cảmbiến tiệm cận xác định hành trình của xilanh

3 Xilanh tác động kép (loại điều khiển tốc độ bằng van tiết lưu)

4 Van điện từ 5/2 tác động đơn

Hình 1.3 Module phân phối và mạch khí nén

Các phôi sẽ được để vào vị trí trên trạm phân phối để bắt đầu quá trình Pittong

số 1 có nhiệm vụ đẩy phôi về vị trí quy định Khi phôi được vận chuyển sang băngchuyền bằng hệ thống tay gắp thì Pittong hoạt động đưa phôi mới vào đúng vị trí Chutrình lặp đi lặp lại đến khi hết phôi hoặc ấn nút dừng hệ thống

1.2.2 Trạm tay gắp

Một trạm phân phối cơ bản sẽ có các thiết bị chính bao gồm:

1 Xi lanh quay Sử dụng để vận chuyển phôi lên băng truyền phân phối sảnphẩm

2 Cảm biến tiệm cận Sử dụng để xác định vị trí hành trình của xilanh quay

3 Van chân không và cảm biến áp suất Sử dụng để hút và giữ sản phẩm trongsuốt quá trình di chuyển từ trạm cấp phôi tới trạm phân loại

4 Bộ điều khiển tốc độ xi lanh (điều chỉnh tiết lưu)

5 Van điện từ 5/3

Van hút chân không Bộ phận tác động quay

Hình 1.4 Cấu trúc của hệ thống tay gắp sản phẩm

Hình 1.5 Mạch khí nén hệ thống tay gắp sản phẩm

1.2.3 Yêu cầu công nghệ của hệ thống cấp nguyên liệu

1 Điều kiện đầu tiên

- Có phôi trong ống cấp phôi ở module phân phối ( dùng cảm biến quang pháthiện)

- Tất cảc các bộ dẫn truyền động ở trạng thái ban đầu

2 Điều kiện để hoạt động

Các bước thực hiện:

B1: Đặt lại xi lanh phân phối

B2: Vị trí của xi lanh quay ở phía ống phôi liệu(phía trái)

B3: Van chân không đóng

B4: Có phôi trong ống chứa phôi liệu

Chế độ làm việc của hệ thống:

Module ổ chứa dạng ống xếp tách chi tiết phôi ra khỏi ổ chứa Có thể đến 8 chitiết phôi được xếp trong ống theo bất kỳ trật tự nào trông ổ chứa dạng ống Chi tiếtphôi xếp vào với phía mở ở phía trên Xylanh tác động kép đẩy chi tiết phôi ở vị tríthấp nhất từ ổ chứa từ trong ra ngoài Vị trí đáp ứng nhờ điểm vận chuyển cho moduletiếp theo

Những chi tiết phôi sẵn sàng trong ống chứa được nhận biết bằng cảm biếnquanh điện chùm xuyên qua Vị trí của xylanh được nhận biết bằng cảm biến điệncảm Tốc độ đi ra hay co lại của xylanh đẩy được hiệu chỉnh bằng van tiết lưu mộtchiều

Module vận chuyển là thiết bị vận hành bằng khí nén Chi tiết phôi được kẹp lênbằng giác hút chân không và được vận chuyển bằng xylanh quay Góc chuyển động lắcđược hiểu chỉnh từ 00 và 1800 bởi cữ chặn cơ khí Vị trí cuối được cảm nhận bằng côngtắc giới hạn điện Micro (micro switches)

Quy trình cụ thể như sau:

1 Xilanh quay quay tới vị trí phải

2 Cảm biến ống phôi liệu xác nhận vị trí ống phôi

3 Xilanh phân phối tác động đẩy phôi ra khỏi ống phôi liệu

4 Van chân không hoạt động

5 Xilanh quay quay trở lại vị trí ban đầu gắp phôi

6 Xilanh quay quay tới vị trí phải (trạm kiểm tra)

7 Ngắt van chân không (thả phôi)

8 Xilanh quay quay trở lại vị trí trái

9 Khởi động lại chu trình làm việc tương tự

1.3 Hệ thống phân loại sản phẩm

1.3.1 Các thiết bị chính trong trạm phân loại sản phẩm

Hình 1.6 Hệ thống phân loại sản phẩm theo 3 màu

Các thiết bị cơ bản của hệ thống phân loại sản phẩm trên thực tế gồm:

1 Module truyền động băng tải

Băng tải chuyển động chuyển sản phẩm theochiều ngang Truyền động bằng động cơ DC bánhrăng, điều khiển bằng rơle điều khiển Ngoài racòn có: thiết bị điều chỉnh lực căng

2 Cảm biến để phân loại sản phẩm.

Cảm biến có thể phân biện được 3 màu:Trắng, đen, đỏ

3 Vận hành tùy chỉnh thanh trượt sản phẩm

Thiết lập: Số 1 đặt để lưu trữ sản phẩm màutrắng Số 2 cho sản phẩm màu đỏ Số 3 cho sảnphẩm màu đen

4 Hệ thống xilanh đổi hướng

Đưa sản phẩm vào các đường trượt lưu trữtheo ý đồ của người dùng Hoạt động chuyểnhướng từ module băng tải sử dụng xi lanh quay.Các linh kiện chính:

6 Cảm biến kiểm tra sản phẩm

Kiểm tra sản phẩm đi vào đường trượt lưu

trữ, nếu sản phẩm không đi vào đường trượt lưu

trữ, hệ thống không cho phép tiếp tục làm việc

Các linh kiện chính: Cảm biến quang phản xạ, bộ

phản xạ quang, thanh trụ

1.3.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống cấp nguyên liệu

1 Điều kiện hoạt động

Hệ thống chỉ được phép hoạt động khi:

- Tất cả các thành phần được reset

- Không có sản phẩm trên băng tải

- Không có sản phẩm trong đường trượt lưu trữ

- Xi lanh đổi hướng ở vị trí thu lại

2 Điều kiện ban đầu

- Xi lanh đệm ở vị trí thu vào

- Băng tải không hoạt động

- Xi lanh đổi hướng ở vị trí thu vào

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 – 300

2.1 Tổng quan về PLC

2.1.1 Lịch sử phát triển của PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra

từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc cồngkềnh

Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu

kỳ và theo bit trên nền tảng của CPU Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở nên ngàycàng phổ biến Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõvào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn Vào năm 1976, PLC có khảnăng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự độnghóa, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập trìnhbằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối chuyên dụnghay lập trình bằng tay

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và cấutrúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL),

sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD)

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley, GeneralMotors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…

LC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505 Mỗi

họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như: Simatic S7 có S7-200, S7-300,S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau như S7-300 có CPU

312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, CPU 614…

nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiệntrong chương trình thay cho việc đấu nối dây.

2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC

1 So sánh PLC với các thiết bị điều khiển khác.

Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệthống điều khiển bằng relay, contactor thông thường Ta hãy thử so sánh ưu nhượcđiểm của hai hệ thống trên:

- Hệ thống điều khiển thông thường:

+ Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn trên bảng điều khiển

+ Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt

+ Công suất tiêu thụ lớn

+Tốc độ hoạt động chậm

+ Khó bảo quản và sửa chữa

+ Muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian

- Hệ thống điều khiển bằng PLC:

+ Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn

+ Công suất tiêu thụ ít hơn

+ Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờphần mền điều khiển bằng máy tính hay trên console

+ Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

+ Bảo trì hệ thống và sửa chữa dễ dàng Chương trình tác dộng đến bên trong

bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện vàgiải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thểnhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây Như thế, người lậptrình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình Ngườilập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng vàphần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễdàng hơn

+ Độ bền và tin cậy vận hành cao

+ Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

+ Có thiết bị chống nhiễu

+ Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng Phần mềmđược hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơletiếp điểm và không tiếp điểm Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanhcác chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm công cụ thực hiện chứcnăng đó

Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần kiến thức chuyên môn về PLC.

Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc

+ Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiệncác lệnh tuần tự của nó

+ Các modul dời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

Do có những lý do trên PLC thể hiện rất rõ ưu điểm của nó so với các thiết bị điềukhiển thông thường khác PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tuỳtheo yêu cầu của công nghệ Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều nàynói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC

2 Một số nhược điểm của PLC

Do chưa có tiêu chuẩn hóa nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngônngữ lập trình khác nhau, dẫn đến tính thiếu thống nhất toàn cục về hượp thức hóa.Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá một bộ PLC đắt hơn việc sử dụngbằng phương pháp rơle

2.2 Cấu hình phần cứng PLC S7-300

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module.Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấutrúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dể dàng cho việc

4 Công tắc chuyển chế độ hoạt động

5 Đèn trạng thái và báo lỗi

6 Thẻ nhớ (từ CPU 313 trở lên)

7 Cổng kết nối MPI

8 Các chân kết nối trước

9 Nắp đậy trước

2.2.1 Module nguồn PS 307 của S7-300

Module PS407 có nhiệm vụ chuyển nguồn

xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều

24V để cung cấp cho các module khác của khối

PLC Ngoài ra module nguồn còn có nhiệm vụ

cung cấp nguồn cho các sensor và các thiết bị

truyền động kết nối với PLC

Hình 2.2 Module nguồn PS 407 2.2.2 Khối xử lý trung tâm -Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thờigian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể có một vài cổng vào ra số Cáccổng vào ra số có trên CPU được gọi là cổng vào ra onboard

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ

vi xử lý có trong nó như module CPU 312, module CPU 314, module CPU 315…

1 Module mở rộng: có 5 loại chính

- PS (Power Supply): Module nguồn nuôi Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.

- SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

 DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số.

 DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số.

 DI/DO: Module mở rộng các cổng vào/ra số.

 AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự.

 AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự.

 AI/AO: Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự.

- IM (Interface module): Module ghép nối Đây là loại module chuyên dụng có

nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đượcquản lý chung bởi một module CPU

- CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

2 Cấu tạo bên ngoài của CPU SIMATIC S7-300

1 Đèn báo trạng thái :

2 Card nhớ

3 Nút chọn kiểu làmviệc

4 Đầu nối 24V

5 Cổng giao tiếp MPI

6 Ngăn để pin

Mode Mô tả

RUN-P CPU thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình và cũng cóthể nạp vào CPU

RUN CPU thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình nhưngkhông thể thay đổi chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của CPU

STOP CPU không thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình và cũng cóthể nạp vào CPU

3 Module xử lý vào/ra tín hiệu số của S7 300

SIMENS cung c p 3 lo i module x lý v o/ra c a tín hi u s chính ó l : ấp 3 loại module xử lý vào/ra của tín hiệu số chính đó là: ại module xử lý vào/ra của tín hiệu số chính đó là: ử lý vào/ra của tín hiệu số chính đó là: ào/ra của tín hiệu số chính đó là: ủa tín hiệu số chính đó là: ệu số chính đó là: ố chính đó là: đó là: ào/ra của tín hiệu số chính đó là:

 Input Digital Modules

Module có nhiệm vụ nhận các tín hiệu số từ thiết

bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lý

 Digital Output Modules:

Module có nhiệm vụ xuất các tín hiệu số từ vùng

đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi

 Digital input/output modules:

Module tích hợp nhiệm vụ của cả hai loại module

nói trên

Modul Input/Output

Ngoài những module xử lý vào tín hiệu số và những module xử lý ra tín hiệu sốchuyên biệt SIMENS còn đưa ra một số module tích hợp hai nhiệm vụ nói trên tạothành module xử lý vào/ra tín hiệu số (Digital input/output modules)

4 Các module tích hợp các ngắt chuẩn đoán và xử lý lỗi

Các module này có khả năng cài đặt các thông số để chuẩn đoán các lỗi Để thiếtlập các thông số này được thực hiện bằng cách sử dụng STEP7 Người lập trình cũng

có thể thay đổi các thông số này trong chương trình bằng cách sử dụng các khối SFC(System Function) Nếu sử dụng các module loại này mà không thiết lập các thông sốthì các thông số mặc định sẽ được thực thi

5 Các module input/output Analog S7 300

SIMENS cung cấp 3 loại module input/output Analog chính đó là:

 Input Analog modules: Module có nhiệm vụ chuyển

các tín hiệu tương tự từ các thiết bị ngoại vi thành các

tín hiệu số để tiến hành xử lý bên trong S7 300

 Output Analog modules: Module có nhiệm vụ chuyển

đổi các tín hiệu số của S7 300 thành các tín hiệu tương

tự để phục vu các quá trình hoạt động thiết bị ngoại vi

 Input/Outputs Analog module: Module tích hợp

nhiệm vụ của cả hai loại module nói trên

Các CPU của S7 300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analogđều phải được chuyển đổi thành tín hiệu số Một tín hiệu analog được số hoá thành haiphần: phần dấu và phần giá trị của tín hiệu

2.3 Cấu trúc chương trình PLC S7 - 300

2.3.1 Vòng quét chương trình của S7 300

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý Bộ

xử lý các tín hiệu biên dịch vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chươngtrình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng quyết định hoạtđộng tới các thiết bị ra

Nguyên lý làm việc của bộ vi xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên cácthông tin được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểmsoát bằng bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả ra đầu ra.Chu kỳ này được gọi là thời gian quét Thời gian vòng quét phụ thuộc vào tầm vóc của

bộ nhớ, vào tốc độ của CPU

Một điểm cần chú ý là tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường các lệnhkhông làm việc trực tiếp với các cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổngtrong vùng nhớ tham số Chỉ khi gặp lệnh yêu cầu truy xuất các đầu vào/ra ngay lập

tức thì hệ thống sẽ cho dừng các công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt đểthực hiện lệnh này một cách trực tiếp với các cổng vào/ra

Các vòng quét nhanh, chậm phụ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thựchiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông … trong vòng quét đó Thời gian vòngquét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

2.3.2 Cấu trúc chương trình của S7 300

Các chương trình điều khiển PLC S7 300 được viết theo một trong hai dạng sau:

 Chương trình tuyến tính (chương trình đơn khối)

 Chương trình có cấu trúc (chương trình nhảy khối)

1 Lập trình tuyến tính (liner)

Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ.

Loại hình cấu trúc tuyến tính

này phù hợp với những bài

toán tự động nhỏ, không phức

tạp Khối được chọn phải là

khối OB1, là khối mà CPU

luôn quét và thực hiện các lệnh

trong nó thường xuyên, từ lệnh

đầu tiên đến lệnh cuối cùng và

quay lại từ lệnh đầu tiên

 Khối hàm chức năng FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả

năng trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chương trình khác

 Khối hàm (Function): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như

một chương trình con hoặc một hàm

 Khối dữ liệu (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương

trình Các tham số khối do ta tự đặt

Ngoài ra còn có các khối hệ thống như : SFB, SFC, SDB

Chương trình trong các khối được liên kết lại với nhau bằng các lệnh gọi khối,chuyển khối

Xem những phần chương trình trong các khối như là các chương trình con thìS7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau Nếu số lần gọi lồng nhau mà vượtquá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyễn sang chế độ Stop và đặt cờ báo lỗi.

Hình 2.3 Chương trình điều khiển có cấu trúc

Số lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất cho phép phụ thuộc loại CPU

Khối OB1 luôn được PLC quét và thực hiện các lệnh từ đầu tiên đền lệnh cuốicùng và quay lại lệnh đầu tiên

2.3.3 Các khối chức năng

Một chương trình điều khiển của S7-300 gồm có các khối logic (logic block) vàcác khối dữ liệu (data block) Các khối logic là những khối có chứa các đoạn mã, cáckhối loại này gồm có:

 Khối tổ chức (Organization Block - OB)

 Khối hàm (Function Block - FB)

 Khối hàm (Function - FC)

 Khối DB (Data block)

1 Khối tổ chức (Organization Block - OB)

Các OB thực hiện việc giao tiếp giữa hệ điều hành và chương trình điều khiển.Mỗi OB có một nhiệm vụ cụ thể khác nhau Những công việc cơ bản mà một chươngtrình yêu cầu thường là:

 Khởi động (Startup): các khối thực hiện các công việc này là OB100 vàOB101

 Thực hiện vòng quét (Scan cycle): công việc này được thực hiện bởi OB1

 Xử lý các lỗi: để CPU không chuyển về mode dừng (stop mode) khi có cáclỗi xuất hiện, người lập trình sử dụng các khối sau: OB80, OB87, OB121,OB122

 Ngoài ra các CPU còn tích hợp các OB xử lý ngắt.

2 Khối hàm chức năng FB (Function block)

Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu với các khốichương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có têngọi là Data Block

3 Khối hàm FC(Function)

Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình conhoặc một hàm

4 Khối dữ liệu (Data block)

Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số khối do

ta tự đặt Có hai loại DB: shared DB và instance DB

 Shared DB là khối dữ liệu có thể được truy cập bởi tất cả các khối trong

chương trình đó

 Instance DB là khối dữ liệu được gán cho một khối hàm duy nhất, dùng để

chứa dữ liệu của khối hàm này

Ngoài ra còn có các khối hệ thống như: SFB, SFC, SDB

 SFC (system function): là các hàm được tích hợp trong hệ điều hành của CPU,

các hàm này có thể được gọi bởi chương trình khi cần

2.4 Cấu trúc bộ nhớ

2.4.1 Kiểu dữ liệu

Trong một chương trình có thể có các kiểu dữ liệu sau:

 BOOL: với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hay 1.

 BYTE: gồm 8 bit, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 255.

 WORD: gồm 2 byte, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 65535.

 INT: có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ -32768 đến

32767

 DINT: gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147463846 đến 2147483647.

 REAL: gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động.

 S5T: khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/miligiây.

 TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.

 DATE : biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.

 CHAR: biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự).

 FC (Function): miền chứa chương trình con.

 FB (Function Block) miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm

có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Vùng chứa tham số của hệ điều hành và các chương trình ứng dụng được chiathành 7 miền khác nhau:

 I (Process Input Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số

 Q (Process Output Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số

 M: Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu

trữ các tham số cần thiết

 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ định thời bao gồm việc lưu trữ các giá trị

thời gian đặt trước (PV-Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời Current Value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.

(CV- C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt

trước (PV-Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giá trị

logic của bộ đếm

 PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự

 PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự

 Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm hai loại.

 DB (Data block): miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích

thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từngbài toán điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit(DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD)

 L (Local Data block): miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình

OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biện pháp tức thời và trao đổi dữliệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dungcủa một số dữ liệu trong miền này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tươngứng trong OB, FC, FB Miền này có thể truy nhập từ chương trình theo bit(L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD)

2.5 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 - 300

Các loại PLC nói chung có nhiều loại ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đốitượng sử dụng khác nhau.PLC S7-300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản:

 Ngôn ngữ STL (Statement List)

 Ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram - FBD).

 Ngôn ngữ LAD (Ladder diagram).

 Ngôn ngữ S7-GRAPH

2.5.1 Phương pháp STL (Statement List)

Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính.mộtchương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định,mỗi lệnhchiếm một hàng và có cấu trúc chung “tên lệnh + toán hạng”

Phương pháp STL biểu diễn chương trình điều khiển bằng một danh sách các dònglệnh liên tiếp

Hình 2.4 Phương pháp biểu diễn chương trình bằng STL 2.5.2 Phương pháp FBD (Function Block Diagram - FBD)

Ngôn ngữ “hình khối”, ngôn ngữ đồ hoạ cho những người quen thiết kế mạch điềukhiển số

Phương pháp FBD trình bày các phép toán logic với các ký hiệu đồ hoạ đã đượctiêu chuẩn hoá Trong hình mô tả một phép toán được biểu diễn theo phương phápFBD:

Hình 2.5 Phương pháp biểu diễn chương trình bằng FBD.

2.5.3 Phương pháp LAD (Ladder diagram)

Đây là ngôn ngữ lập trình “hình

thang”, dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp

cho nhữmg người quen thiết kế mạch

điều khiển logic

Hình 2.6 Phương pháp LAD

Phương pháp LAD biểu thị các chức năng điều khiển bằng các loại ký hiệu sơ đồmạch như tiếp điểm, timer, counter Phương pháp này có tính trực quan mạch vì nóbiểu diễn mạch điện tương tự mạch điều khiển rơle

Cách khai báo hàm AND

Tín hiệu ra Q4.0 sẽ bằng 1 khi đồng thời tín hiệu I0.0 = 1 và I0.0 = 1

Dữ liệu vào/ra là: Vào: I0.0, I0.0: BOOL

Ra: Q4.: BOOL

 Hàm OR

Toán hạng là kiểu dữ liệu BOOL hay địa chỉ bit I, Q, M, T, C, D, L

Cách khai báo hàm OR:

Tín hiệu ra bằng 1 khi ít nhất có một tín hiệu vào bằng 1

Khai báo hàm thực hiện chức năng phủ định

Tín hiệu ra sẽ là nghịch đảo của tín hiệu vào

Dữ liệu vào/ra là: Vào: I0.0: BOOL

Cách khai báo hàm XOR

Tín hiệu ra Q4.0 = 1 khi I0.0 khác I0.2

Dữ liệu vào/ra là: Vào: I0.0, I0.1: BOOL

Ra: Q4.0: BOOL

 Lệnh xoá RESET

Toán hạng là địa chỉ bit I, Q, M, T, C, D, L

Cách khai báo lệnh xoá RESET

Tín hiệu ra Q4.0 = 1 (Q4.0 sẽ được xoá) khi I0.0 = 1

Dữ liệu vào/ra là: Vào: I0.0: BOOL

Cách khai báo lệnh SET:

Tín hiệu ra Q4.0 = 1 (Q4.0 sẽ được thiết lập) khi I0.0 = 1

Dữ liệu vào/ra là: Vào: I0.0: BOOL

Khi cả hai đầu vào Set và Reset cùng đồng thời bằng 1 thì M0.0 và Q4.0 có giá trị là

Khi I0.0 = 1 và I0.1 = 0 thì Set choMerker M0.0 và đầu ra Q4.0 là “1” Nếu I0.0 = 0

và I0.1 = 1 thì M0.0 bị Reset và đầu ra Q4.0 là “0”

Khi cả hai đầu vào Set và Reset cùng đồng thời bằng 1 thì M0.0 và Q4.0 có giá trị là

“0”

Dữ liệu đầu vào/ra là: Vào I0.0, I0.1: BOOL

Chú ý: trong kỹ thuật số trạng thái của trigơ RS sẽ bị cấm khi R=1 và S=1 Nên ở đây

có hai loại bộ nhớ RS và SR là loại trigơ ưu tiên R hay ưu tiên S

2.6.2 Các hàm so sánh

Có các dạng so sánh hai số nguyên 16 bit như sau:

 Hàm so sánh bằng nhau giữa hai số nguyên 16 bit: = =

 Hàm so sánh khác nhau giữa hai số nguyên 16 bit: <>

 Hàm so sánh lớn hơn giữa hai số nguyên 16 bit: >

 Hàm so sánh nhỏ hơn giữa hai số nguyên 16 bit: <

 Hàm so sánh lớn hơn hoặc bằng nhau giữa hai số nguyên 16 bit: >=

 Hàm so sánh nhỏ hơn hoặc bằng nhau giữa hai số nguyên 16 bit: <=Trong ví dụ trên đầu ra Q4.0 sẽ là “1” khi MW0 = MW1

Trong ví dụ trên đầu ra Q4.0 sẽ là “1” khi MD0 = MD4

Có các dạng so sánh hai số nguyên 32 bit như sau:

 Hàm so sánh bằng nhau giữa hai số nguyên 32 bit: = =

 Hàm so sánh khác nhau giữa hai số nguyên 32 bit: <>

 Hàm so sánh lớn hơn giữa hai số nguyên 32 bit: >