ĐỒ ÁN RÓT NƯỚC VÀ ĐÓNG CHAI C2 TỰ ĐỘNG

Trong các loại đai thường dùng, đai hình thang có ưu điểm nổi bật là:đaicó tác dụng chêm vào bánh đai cho nên ma sát giữa đai và bánh đai tăng lên góc chêm φ của đai hình thang bằng 40 đ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH VÀ MỘT SỐ TRANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Trong dây chuyền rót nước thành phẩm thì việc đo và cấp nước là một phần hết sức quang trọng trong hệ thống Nó cung cấp cho hệ thống chạy ổn định và liên tục Nó có nhiệm

vụ cung cấp nước khi hệ thống rót nươc hết trong quá trình hoạt động Sau đây giới thiệu về động cơ và băng tải

- Chỉ cần vận chuyển chai trên băng tải

- Băng tải chạy liên tục, có các cụm chi tiết chặn chai

- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng nhẹ

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ

Với tất cả các lý do trên nên nhóm đã quyết định chọn động cơ điện một chiều làm động cơ dẫn động cho băng tải Động cơ được chọn có momen lớn do yêu cầu làm việc của băng tải có tải trọng Tốc độ động cơ có thể điều chỉnh bằng mạch cho phù hợp với tốc độ cần thiết

1.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện

Iư , các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác động làm cho roto quay Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái

- Phương trình điện áp:

U = Eư + RưIưTrong đó:

Eư: sức phản điện

Iư : dòng điện trong dây quấn phần ứng

Rư: điện trở của dây quấn phần ứng

U : điện áp đưa vào

- Sức điện động của động cơ điện một chiều:



60

.

n N P

Fu 

Trong đó:

P : số đôi cực từ chính

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

α : số đôi cực nhánh song song cuả cuộn dây

K

I R U



- Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm Tổn hao trên phần ứng lớn nên chỉ số sử dụng với động cơ sẽ có công suất nhỏ

- Thay đổi điện áp U:

- Thay đổi từ thông:

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Vậy khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau

Ví dụ: Phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm

vi điều chỉnh rất rộng Đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC BỘ TRUYỀN

Các bộ truyền dưới đây là những bộ truyền thường được dùng trong cơ cấu :

1.2.1 Bộ truyền xích

Xích là một chuỗi các mắt xích nối với nhau bằng bản lề Xích truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn (trục chủ động), sang trục bị dẫn (trục bị động) nhờ sự ăn khớp của các mắt xích với các răng đĩa xích Truyền động xích được dùng để giảm tốc độ quay hoặc tăng tốc độ quay giữa các trục song song

- Ưu điểm của truyền động xích:

+ Có thể truyền chuyển động giữa các trục cách nhau tương đối xa

+ So với truyền động đai, kích thước bộ truyền xích nhỏ gọn hơn, làm việc không có trượt, hiệu suất khá cao (η = 0,96÷0,98) và lực tác dụng lên trục tương đối nhỏ

+ Có thể cùng một lúc truyền chuyển động và công suất cho nhiều trục

- Nhược điểm của truyền động xích:

+ Có nhiều tiếng ồn khi làm việc

+ Vận tốc tức thời của xích và đĩa bị dẫn không ổn định

- Yêu cầu:

+ Chăm sóc thường xuyên (bôi trơn, điều chỉnh làm căng xích)

+ Chóng mòn, nhất là khi làm việc nơi nhiều bụi và bôi trơn không tốt

1.2.2 Bộ truyền đai

Bộ truyền đai thường gồm hai bánh đai Do có ma sát giữa đai và bánh, bánh dẫn quay sẽ truyền chuyển động và cơ năng sang bánh bị dẫn Thường dùng bộ truyền đai để truyền chuyển động giữa các trục song song và quay cùng chiều nhau

Theo hình dạng tiết diện đai, đai được chia làm bốn loại: đai dẹt (có tiết diện chữ nhật), đai hình thang (có tiết diện hình thang), đai hình lược (có cấu tạo gồm nhiều gân dọc có tiết diện hình thang) và đai tròn Đai dẹt và đai hình thang được dùng nhiều hơn cả, còn đai tròng chỉ dùng trong những máy công suất nhỏ

- Ưu điểm của truyền động đai:

+ Có khả truyền chuyển động và cơ năng giữa các trục ở khá xa nhau

+ Làm việc êm, không ồn

+ Truyền động đai giữ được an toàn cho các chi tiết máy khác khi bị qua tải (lúc này đai

sẽ trượt trơn trên bánh)

+ Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ

- Nhược điểm của truyền động đai:

+ Khuôn khổ kích thước khá lớn (khi cùng điều kiện làm việc, thường riêng đường kính bánh đai đã lớn hơn đường kính bánh răng khoảng 5 lần)

+ Tỷ số truyền không ổn định vì có trượt đàn hồi của đai trên bánh

+ Lực tác dụng trên trục và ổ lớn do phải căng đai (lực tác dụng lên trục và ổ tăng thêm khoảng 2÷3 lần so với truyền động bánh răng)

+ Tuổi thọ thấp khi làm việc với vận tốc cao

+ Bộ truyền đai thường được dùng để truyền công suất không quá 40÷50 Kw, vận tốc thông thường khoảng 5÷30m/s

Trong các loại đai thường dùng, đai hình thang có ưu điểm nổi bật là:đaicó tác dụng chêm vào bánh đai cho nên ma sát giữa đai và bánh đai tăng lên (góc chêm φ của đai hình thang bằng 40 độ), đai hình thang được chế tạo thành vòng liền do đó làm việc êm hơn so với đai dẹt(phải nối đai)

- Ưu điểm của truyền động bánh răng:

+ Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

+ Tỷ số truyền không đổi

+ Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97-0,99

+ Tuổi thọ cao,làm việc tin cậy

- Nhược điểm của truyền động bánh răng:

+ Chế tạo tương đối phức tạp

+ Đòi hỏi độ chính xác cao

+ Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

1.2.4 Ổ lăn

Trong ổ lăn,tải trọng từ trục trước khi truyền đến gối trục phải qua các con lăn (bi hoặc đũa) Nhờ có con lăn nên ma sát sinh ra trong ổ là ma sát lăn

Ổ lăn thường gồm 4 bộ phận: Vòng ngoài, vòng trong, con lăn, giữa các con lăn có vòng cách

- Theo khả năng chịu lực ổ lăn được chia ra:

+ Ổ đỡ: Chỉ chịu lực hướng tâm mà không chịu được một phần nhỏ lực dọc trục

+ Ổ đỡ chặn : Chịu được cả lực hướng tâm lẫn lực dọc trục

+ Ổ chặn đỡ: Chịu lực dọc trục đồng thời chịu được một ít lực hướng tâm

+ Ổ chặn: Chỉ chịu được lực dọc trục mà không chịu được lực hướng tâm

- Theo cỡ đường kính ngồi của ổ lăn (với cùng đường kính trong) chia ổ lăn ra các loại:

Ổ lăn cỡ đặc biệt nhẹ, rất nhẹ, nhẹ, trung bình và nặng Theo cỡ chiều rộng, ổ lăn được chia ra: Ổ hẹp, ổ bình thường, ổ rộng và ổ rất rộng Các ổ lăn thường được chế tạo tiêu chuẩn hĩa

1.3 KHÍ NÉN, CÁC LOẠI VAN ĐIỆN TỪ VÀ PITONG

1.3.1 Tầm quan trọng và khả năng ứng dụng của khí nén

a) Trong lĩnh vực điều khiển

- Những năm sau khi cuộc cách mạng công nghiệp nổ ra, do sự tất yếu của quá trình tự động hóa trong sản xuất, kỹ thuật điểu khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng hơn

- Hệ thống điều khiển bằng khí nén thường được sử dụng trong các lĩnh vực có nguy cơ xảy ra các nguy hiểm cao do điều kiện vệ sinh mối trường khá tốt và tính an toàn cao

- Hệ thống điều khiển bằng khí nén thường được sử dụng trong các lĩnh vực như: Các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết, lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử hay trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra

b) Trong lĩnh vực truyền động

- Các dụng cụ, thiết bị, máy va đập trong lĩnh vực khai thác than, khai thác đá hoặc trong các công trình xây dựng

- Truyền động quay với công suất lớn bằng khí nén giá thành rất cao, cao hơn từ 10 đến

15 lần so với động cơ điện Nhưng ngược lại, thể tích và năng lượng chỉ bằng 2/3 như những dụng cụ vặn vít, máy khoan, máy mài là những dụng cụ có khả năng sử dụng truyền

động bằng khí nén

- Truyền động thẳng: Các đồ gá kẹp chi tiết, các thiết bị đóng gói các thiết bị máy gia công, các thiết bị làm sạch hay các hệ thống phanh hãm của ôtô

- Trong các hệ thống đo đạc và kiểm tra chất lượng sản phẩm

c) Ưu & nhược điểm của khí nén

- Ưu điểm :

+ Có khả năng trích chứa để thành lập trạm trích chứa khí nén

+ Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất trên đường dẫn thấp

+ Không gây ô nhiễm môi trường

+ Hệ thống phòng ngừa qúa áp suất giới hạn được đảm bảo

- Nhược điểm :

+ Lực truyền tải trong thấp

+ Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi

+ Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn

1.3.2 Máy nén khí – Thiết bị phân phối khí nén

- Theo áp suất:

+ Máy nén khí áp suất thấp: p  15 bar

+ Máy nén khí áp suất cao: p  15 bar

+ Máy nén khí áp suất rất cao: p  300bar

- Theo nguyên lý hoạt động:

+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

+ Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục

b) Bình trích chứa khí nén

- Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước

- Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: Ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn

Ký hiệu :

Hình 1.4: Bình trích chứa khí nén

c) Mạng đường ống dẫn khí nén

- Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành

- Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại:

+ Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy)

+ Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị)

+ Trong bộ thí nghiệm, đường ống dẫn khí nén được trang bị cho phép tháo lắp dễ dàng và nhanh chóng Nối hệ thống đến các thiết bị bằng cách đơn giản là đẩy ống vào cổng vào (in-let) hay cổng ra (out-let) Tháo ống ra bằng cách một tay đè vào vành ty, tay kia kéo ống ra

1.3.3 Các phần tử trong hệ thống điều khiển

Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng hở (Open – loop

Control System) với các phần tử sau:

- Phần tử đưa tín hiệu: Nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đại lượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Ví dụ: Van đảo chiều, rơle áp suất

- Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic nhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND

- Cơ cấu chấp hành: Thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lương ra của mạch điều khiển Ví dụ: Xilanh, động cơ khí nén

a) Van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi

vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén

* Ký hiệu của van đảo chiều

- Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o, a, b,c … hay các chữ số 0, 1, 2 …

Hình 1.5: Ký hiệu chuyển đổi vị trí của nòng van

Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’ Đối với van có 2 vị trí thì vị trí

‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’

- Cửa nối van được ký hiệu như sau: ISO 5599 ISO 1219

+ Cửa nối với nguồn(từ bộ lọc khí) 1 P

+ Cửa nối làm việc 2 , 4, 6, … A , B , C, …

+ Cửa xả khí 3 , 5 , 7… R , S , T…

+ Cửa nối tín hiệu điều khiển 12 , 14… X , Y …

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b

a o b a b

Hình 1.6: Kí hiệu cửa xả khí

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí nén qua van Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang

* Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều

- Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 trong đó:

5 : chỉ số cửa

2 : chỉ số vị trí

- Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều:

b) Van tiết lưu

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi vận tốc của

cơ cấu chấp hành

* Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không thay đổi, do đó lưu lượng dòng chảy không thay đổi

Ký hiệu:

Hìn 1.9: Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi

Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều 4/2 Van đảo chiều 5/2 Hình 1.8: Các lọai van đảo chiều

1

0

Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn

2(A) 4(B)

5(S)

1(P)

3(R)

Nối với nguồn khí nén

Cửa xả khí có mối nối

cho ống dẫn

14(Z)

Cửa nối điều khiển 12(Y) Cửa nối điều khiển

Cửa 1nối với cửa 2 Cửa 1nối với cửa 4

Hình 1.7: Kí hiệu các cửa nối của van đảo chiều

Ký hiệu:

Ký hiệu chung Có mối nối ren Không có mối nối ren

Hình 1.10: Van tiết lưu có tiết diện thay đổi

* Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay: Nguyên lý hoạt động tương tự như van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay, tuy nhiên dòng khí nén chỉ có thể đi một chiều từ A qua

B, chiều ngược lại bị chặn

Ký hiệu :

Hình 1.11: Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay

c) Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động

cơ khí nén)

- Xilanh tác dụng đơn (xilanh tác dụng một chiều): Áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của xilanh, phía còn lại là do ngoại lực hay lò xo tác dụng

Ký hiệu:

Hình 1.12: Xilanh tác dụng đơn

a Chiều tác dụng ngược lại do ngoại lực

b Chiều tác dụng ngược lại do lò xo

- Xilanh tác dụng 2 chiều (xilanh tác dụng kép): Áp suất khí nén được dẫn vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực khí nén vào phía nào

Kí hiệu theo yêu cầu đặc

biệt

Hình 1.13: Xilanh tác dụng kép

d)Rơle và sơ đồ đấu dây

- Rơle là một thiết bị dùng để đống ngắt hay dùng để đảo chiều dịng điện

- Rơle đơn thuần là một năm chăn diện khi cĩ diện thì nam châm điện hút tấm sắt làm cho các tiếp điểm thay đổi

1) Chân nam châm từ: 12_24_110_220 v

2) Chân cấp nguồn

Chân cịn lại đầu ra

3) Miếng kim loại

Hình 1.14:Sơ đồ đấu dây rơle

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRONG MÔ HÌNH

2.1 Tính toán áp suất, vận tốc, thời gian làm việc

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại

2.3 Tính toán vận tốc dịch chuyển của cơ cấu

- Đường kính con lăn : d = 21 mm

- Từ thông số của động cơ, ta có được tốc độ ra của động cơ là: n* = 350 vg/ph (tốc độ không tải của động cơ)

- Vận tốc di chuyển lớn nhất của cơ cấu

V = 𝑛.𝜋𝑑

60 = 350.𝜋.3,4

60 = 53,276 𝑐𝑚 𝑠 = 0,53 𝑚 𝑠

2.4 Tính toán động học cho các cơ cấu băng chuyền

a) Cơ cấu dịch chuyển băng tải tới :

Hình 2.2: Cơ cấu dịch chuyển băng tải b) Yêu cầu thiết kế băng tải:

.

+ Đoạn đường tịnh tiến tới, lùi là 300mm

+ Trọng tải lớn nhất mà băng tải:1kg

Hình 2.4: Xilanh tác dụng 2 chiều Nếu không tín h đến lực ma sát, lực chuyển độn g trên cần Pittong được tính theo công thức:

P – Áp suất chất lỏng: F = p.A

A – Diện tích làm việc của Pittong

Diện tích làm việc của Pit tông phía khoang pit tong được tính theo công thức:

A = 𝜋𝐷

2

4 D Đường kính của Pit tông đồng thời cũng là đường kính trong của Xy Lanh Đối với khoang cần, diện tích làm việc Pit tông được tính theo công thức:

Phân tích lực tác dụng vào chai khi xoáy nắp:

Khi xoáy nắp lực tác dụng từ đầu xoáy qua nắp chai, gây ra lực F tác dụng lên chai Khi xoáy nắp lực F tác dụng vào mặt trên của nắp làm cho nắp đi xuống lên không phải toàn bộ lực

F tác dụng vào chai, cũng giống như vậy mo men từ động cơ qua đầu xoáy M1 cũng không tác dụng toàn bộ vào chai Ta xét cho trường hợp nguy hiểm nhất khi nắp chai được xoáy chặt vào chai khi đó momen quay làm quay chai M1 là lớn nhất

Trong trường hợp này chai và nắp chai được găn chặt vào nhau và coi như 1 vật, lực nén F tác dụng vào chai l à lớn nhất nó gây ra lực ma sát

Fms1 giữa đầu xoáy và nắp khi xoáy Fm s1 gây ra Momen cản xoay M2

Fms1 = F.K Trong đó:

K là hệ số ma sát giữa bề mặt đệm cao su và nắp chai K = 1…2 chọn K

Tính momen cản do lực ma sát M2 = Fms r = 90 7,5 = 675 Nmm

Giả sử không có biến dạng của chai trong quá trình lực F tác dụng Lực tác dụng vào băng tải chỗ tiếp xúc với đáy chai F 2 = F Sinh ra phản lực N = F 2, tác dụng vào chai Tương tự

tính toán như trên ta có momen cản xoay M3 = Fm s2 R

Fms2 là lực ma sát do N gây ra lý luận tương tự như trên coi điểm đặt lực của Fm s2 cách tâm quay R = 15mm

Do bề mặt ma sát của đáy chai và đai trên băng tải không phải cả tiết diện đáy nên lực ma sát không phải trên toàn bộ bề mặt đáy chai Nên Fms2 = k1 k2.F

Trong đó k1 = 0,6 hệ số do bề mặt đáy ma sát không liên tục

k2 = 1 hệ số ma sát giữa bề mặt đáy chai và đai Hình 2.6: Cách tính lức

F = 40 N Suy ra M3 = 0,6.1.90.15 = 810 Nmm

Chọn thông số động cơ quay đầu xoáy:

Động cơ Dc Số vòng quay n = 150 v/ph

Công suất P = 40 W

Momen được tính theo công thức

T = 9,55.106 = 9,55.106 = 2550 Nmm

Suy ra momen gây xoay chai M1 = T = 2550 Nmm

Vậy momen cản của tay kẹp cần tác dụng lên chai là Mc = M1 – M2 – M3

M c = 2550 – 675 – 810 = 1065 Nmm

Lực xilanh cần tác dụng vào tay kẹp là Fk = Mc / R = 1065 / 30 = 35,5 N

Lực tác dụng của xi lanh được tính theo công thức

F = p.A Trong đó p : áp suất của khí (pa), áp suất của khí từ máy nén là 6 bar bỏ qua tổn thất đường ống ta có áp suất khí trong xilanh là 6bar

Hình 2.7: Xilanh

Kí hiệu : CDJ2D10 45 – B :

Đường kính xi lanh 10mm, hành trình 45mm

Hãng sản xuất : SMC

Áp suất lớn nhất xilanh chịu được :

Max press 0,75Mpa = 0,75.106 = 0,75.106 N/m2 = 7,5bar

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU BỘ PLC CỦA SIMATIC S7-200

3.1.Tổng quát về PLC

3.1.1 Giới thiệu PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục ‚lặp‛ trong chương trình do ‚người sử dụng lập ra‛ chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :

Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dể học

Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa

Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : Máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng

Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả…Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớùn… Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêïc điều khiểûn dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự

3.1.2.Cấu trúc nguyên lý hoạt động của PLC

a)Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM)

Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

Các Modul vào /ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môït đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

b Nguyên lý hoạt động của PLC

 Đơnvị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

 Hệ thống bus

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :

Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng

bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu môït modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện

trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

Hêï thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 18 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

 Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhơ

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này co ù khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory)là bộ nhớ mà người sửdụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không

bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoăïc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những

 Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

 Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000 dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM

 Các ngỏ vào ra I/O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của PLC), các

cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC)

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêïu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra

3.1.3 Các hoạt động xử lý bên trong PLC

 Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành

 Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra

 Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu

ra

b Xử lý xuất nhập

Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC :

 Cập nhật liên tục

Ñieău nay ñoøi hoûi CPU queùt caùc leônh ngoû vaøo (maø chuùng xuaât hieôn trong chöông trình ), khoạng thôøi gian Delay ñöôïc xađy döïng beđn trong ñeơ chaĩc chaĩn raỉng chư coù nhöõng tín hieôu hôïp lyù môùi ñöôïc ñóc vaøo trong boô nhôù vi xöû lyù Caùc leônh ngoû ra ñöôïc laẫy tröïc tieâp tới caùc thieât bò Theo hoát ñoông logic cụa chöông trình, khi leônh OUT ñöôïc thöïc hieôn thì caùc ngoû ra caøi lái vaøo ñôn vò I/O, vì theâ neđn chuùng vaên giöõ ñöôïc tráng thaùi cho tôùi khi laăn caôp nhaôt keâ tieâp

 Chúc ạnh quaù trình xuaât nhaôp

Haău heât caùc PLC loái lôn coù theơ coù vaøi traím I/O, vì theâ CPU chư coù theơ xöû lyù moôt leônh

ôû moôt thôøi ñieơm Trong suoât quaù trình thöïc thi, tráng thaùi moêi ngoõ nhaôp phại ñöôïc xeùt ñeân rieđng lẹ nhaỉm doø tìm caùc taùc ñoông cụa noù trong chöông trình Do chuùng ta yeđu caău relay 3ms cho moêi ngoõ vaøo, neđn toơng thôøi gian cho heô thoâng laây maêu lieđn túc trôû neđn raât daøi vaø taíng theo soâ ngoõ vaøo

Ñeơ laøm taíng toâc ñoô thöïc thi chöông trình, caùc ngoõ I/O ñöôïc caôp nhaôt tôùi moôt vuøng ñaịc bieôt trong chöông trình ÔÛ ñađy, vuøng RAM ñaịc bieôt naøy ñöôïc duøng nhö moôt boô ñeôm löu tráng thaùi caùc logic ñieău khieơn vaø caùc ñôn vò I/O Moêi ngoõ vaøo ra ñeău coù moôt ñòa chư I/O RAM naøy Suoât quaù trình copy taât cạ caùc tráng thaùi vaøo trong I/O RAM Quaù trình naøy xạy

ra ôû moôt chu kyø chöông trình (töø Start ñeân End)

Thôøi gian caôp nhaôt taât cạ caùc ngoõ vaøo ra phú thuoôc vaøo toơng soâ I/O ñöôïc copy tieđu bieơu laø vaøi ms Thôøi gian thöïc thi chöông trình phú thuoôc vaøo chieău daøi chöông trình ñieău khieơn töông öùng moêi leônh maât khoạng töø 110 s

3.2.PLC SIMATIC S7-200 CPU 214

3.2.1.Caâu truùc phaăn cöùng cụa CPU 214

S7-200 laø thieât bò ñieău khieơn logic khạ trình loái nhoû cụa Haõng SIEMNS (CHLB Ñöùc) coù caâu truùc theo kieơu Modul vaø coù caùc modul môû roông Caùc modul naøy ñöôïc söû dúng cho nhieău öùng dúng laôp trình khaùc nhau Thaønh phaăn cô bạn cụa S7-200 laø khoâi vi xöû lyù CPU-

214

 CPU-214 bao goăm 14 ngoõ vaøo vaø 10 ngoõ ra, coù khạ naíng theđm 7 modul môû roông

 2.048 töø ñôn (4 Kbyte) thuoôc mieăn nhôù ñóc/ghi non-volatile ñeơ löu chöông trình (vuøng nhôù coù giao dieôn vôùi EEPROM)

 2.048 töø ñôn (4 Kbyte) thuoôc kieơu ñóc ghi ñeơ löu döõ lieôu, trong ñoù 512 töø ñaău thuoôc mieăn non-volatile

 Toơng soâ ngoõ vaøo/ra cöïc ñái laø 64 ngoõ vaøo vaø 64 ngoõ ra

 128 Timer chia laøm 3 loái theo ñoô phađn giại khaùc nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms

 128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi

 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

 Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2Khz và 7 Khz

 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM

 2 bộ điều chỉnh tương tự

 Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp

Các đèn báo trên S7-200 CPU214

 SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thốngbị hỏng

 RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy

 STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại

 Chế độ làm việc

PLC có 3 chế độ làm việc:

 RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

 STOP: Cưởng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP

 TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc RUN hoặc STOP

 Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là

300 38.400 baud