NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN DÙNG PLC S7200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

Kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài: • Đã chế tạo được bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén gồm 3 modul rời trong đó có 1 modul chứa các phần tử khí nén và cơ cấu c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN DÙNG PLC S7-200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

Họ và tên sinh viên: LÊ VĂN NHANH

NGUYỄN THÁI DƯƠNG

Niên khóa: 2006-2010

Tháng 7/2010

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn:

Kỹ sư Tưởng Phước Thọ

Tháng 7 năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông lâm TP.HCM, ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại học Nông lâm TP.HCM đã tạo mọi điều khiện thuận lợi cho chúng em trong suốt thời gian theo học tại trường và hoàn thành khóa luận này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Tưởng Phước Thọ đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ để khóa luận của chúng em được hoàn thành đúng thời gian quy định

Chúng em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể quí thầy cô ở bộ môn Cơ Điện Tử cùng toàn thể quí thầy cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã tạo điều khiện và hỗ trợ chúng em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường

Sau cùng chúng em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp

đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Một lần nữa chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người

SV thực hiện đề tài

Lê Văn Nhanh Nguyễn Thái Dương

Với tầm quan trọng trong sản xuất và những ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như vậy, thủy lực, khí nén đã được đưa vào giảng dạy ở các trường kỹ thuật đặc biệt đối với sinh viên các ngành tự động hóa, cơ điện tử

Xuất phát từ những nguyên nhân trên và để góp phần cũng cố kiến thức đã được học, sinh viên thực hiện đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm khí nén dùng PLC và Vi điều khiển” với các nội dung sau:

• Tìm hiểu tính năng và cách sử dụng vi điều khiển họ 8051, cụ thể là vi điều khiển AT89S52

• Tìm hiểu tính năng, cách sử dụng của PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY

• Nghiên cứu hoạt động của hệ thống khí nén, các phần tử trong hệ thống và các phương pháp điều khiển hệ thống khí nén

• Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén theo từng modul rời nhằm phục vụ cho môn học khí nén, PLC, Vi điều khiển

• Thiết kế và chế tạo mạch nạp cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi RS232/RS485 sử dụng cho cổng truyền thông PLC kết nối máy tính

• Viết chương trình điều khiển hệ thống khí nén dùng PLC và Vi điều khiển bằng các ngôn ngữ Ladder và Assembly

Kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài:

• Đã chế tạo được bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén gồm 3 modul rời trong đó có 1 modul chứa các phần tử khí nén và cơ cấu chấp hành, 2 modul PLC và Vi điều khiển dùng để điều khiển hệ thống khí nén kết nối với modul khí nén thông qua các jack cắm

• Thiết kế và chế tạo mạch trung tâm của modul vi điều khiển, mạch nạp chương trình cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi RS232/RS485 dùng kết nối PLC và máy tính

• Viết chương trình điều khiển mô phỏng các hệ thống sử dụng khí nén trong sản xuất bằng các ngôn ngữ ladder và assembly sử dụng cho PLC và vi điều khiển

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH HÌNH x

DANH SÁCH BẢNG xiii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

Chương I 1

MỞ ĐẦU 1

1.1.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Giới hạn của đề tài 2

Chương 2 3

TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu về khí nén và hệ thống truyền động khí nén 3

2.1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén 3 2.1.1.1 Lịch sử phát triển 3

2.1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí nén 3

2.1.2 Những ưu - nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 4

2.1.2.1 Ưu điểm 4

2.1.2.2 Nhược điểm 4

2.1.3 Nguyên lý truyền động khí nén 5

2.1.4 Đơn vị đo các đại lượng cơ bản 5

2.1.4.1 Áp suất 5

2.1.4.2 Lực 5

2.1.4.3 Công suất 5

2.1.5 Các phần tử trong hệ thống khí nén 5

2.1.5.1 Máy nén khí 5

2.1.5.2 Bình trích chứa khí nén 6

2.1.5.3 Mạng đường ống dẫn khí nén 6

2.1.5.4 Các phần tử trong hệ thống điều khiển 7

2.1.6 Hệ thống điều khiển khí nén 10

2.1.6.1 Biểu đồ trạng thái 10

2.1.6.2 Các phương pháp điều khiển 10

2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển họ 8051 11

2.2.1 Giới thiệu 11

2.2.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển 11

2.2.3 Khảo sát họ vi điều khiển 8051 12

2.2.3.1 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển họ 8051 13

2.2.3.2 Chức năng các chân của vi điểu khiển 15

2.2.3.3 Tập lệnh của vi điều khiển 8051 17

2.2.3.4 Mạch nạp cho vi điều khiển 18

2.2.3.5 Phần mềm soạn thảo và nạp chương trình cho vi điều khiển 21

2.3 Tổng quan về PLC 23

2.3.1 Giới thiệu 23

2.3.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC 24

2.3.3 Các hoạt động xảy ra bên trong PLC 26

2.3.4 PLC SYMATIC S7-200 CPU 224 27

2.3.5 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200 34

2.3.6 Mạch chuyển đồi RS232/RS485 cho kết nối PC/PLC 34

2.3.7 Phần mềm soạn thảo và giao tiếp PC/PLC 35

Chương 3 37

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu đề tài 37

3.1.1 Địa điểm tiến hành đề tài 37

3.1.2 Phân bố thời gian tiến hành đề tài 37

3.2 Đối tượng và thiết bị nghiên cứu 37

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 37

3.2.2 Thiết bị nghiên cứu 38

3.3 Phương pháp thực hiện đề tài 38

3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển khí nén 38

3.3.2 Phương pháp thực hiện đề tài 39

3.3.3 Phương pháp thực hiện phần điện – điện tử 39

3.3.4 Phương pháp thực hiện phần mềm 39

3.4 Phương tiện thực hiện đề tài 39

Chương 4 40

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

4.1 Thiết kế mô hình bộ thí nghiệm 40

4.1.1 Tham khảo một số mô hình thí nghiệm 40

4.1.1 Chọn mô hình chung 41

4.1.2 Nguyên lý hoạt động 43

4.2 Thực hiện phần cơ khí 44

4.2.1 Thiết kế các modul của bộ thí nghiệm 44

4.2.2 Chế tạo mô hình các modul của bộ thí nghiệm 45

4.3 Thực hiện phần điện – điện tử 47

4.3.2 Mạch điều khiển trung tâm 49

4.3.2.1 Khối trung tâm 49

4.3.2.2 Khối ngõ vào ( Input) 49

4.3.2.3 Khối ngõ ra (Output) 50

4.4 Thi công, hiệu chỉnh và chạy thử nghiệm 51

4.4.1 Thi công 51

4.4.1.1 Thi công phần cơ khí 51

4.4.1.2 Thi công phần điện tử 53

4.5 Một số bài toán mô phỏng hệ thống khí nén trong thực tế sản xuất – kết quả và thảo luận 57

4.5.1 Máy dập tự động 57

4.5.2 Máy khoan bàn 62

4.5.3 Máy cán ren tự động 66

4.5.4 Máy đóng hộp block 72

4.5.5 Máy mài phẳng SIMPLEX 79

4.5.6 Kết quả và thảo luận 84

Chương 5 86

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 86

5.1 Kết luận 86

5.2 Đề nghị 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 89

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén 4

Hình 2.2 Máy nén khí 6

Hình 2.3 Van đảo chiều 5/3 7

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều 8

Hình 2.5 Van chặn 9

Hình 2.6 Van tiết lưu 9

Hình 2.7 Xylanh khí nén 10

Hình 2.8 Vi điều khiển AT89S52 12

Hình 2.9 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 8051 13

Hình 2.10 Chức năng các chân vi điều khiển 8051 15

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cổng USB 19

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn của mạch nạp USB 19

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý đế gắn vi điều khiển cần nạp chương trình 20

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phần mạch chính điều khiển quá trình nạp 21

Hình 2.15 Giao diện chương trình MIDE-51 22

Hình 2.16 Giao diện chương trình WILLAR 22

Hình 2.17 PLC S7 200 CPU 224 DC/DC/DC 24

Hình 2.18 Mô hình tổng quát của một PLC 25

Hình 2.19 CPU S7-200 Module 28

Hình 2.20 Cổng truyền thông của PLC 30

Hình 2.21 Kết nối giữa PLC và máy tính qua cáp nối PC/PPI 30

Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc bộ nhớ của PLC 30

Hình 2.23 Nguyên lý thực hiện chương trình của PLC S7-200 33

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý phần chính mạch giao tiếp PC/PLC 35

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch giao tiếp PC/PLC 35

Hình 2.26 giao diện chương trình STEP 7 – Micro/WIN 36

Hình 2.27 Quản lý kết nối PC/PLC bằng phần mềm STEP 7 – Micro/WIN 36

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén bằng PLC hoặc Vi Điều khiển 38

Hình 4.1 Một số bộ thí nghiệm khí nén của các hãng SMC và FESTO 41

Hình 4.2 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul khí nén 41

Hình 4.3 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul PLC 42

Hình 4.4 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul Vi Điều Khiển 43

Hình 4.5 Bản vẽ thiết kế modul khí nén 44

Hình 4.6 Bản vẽ thiết kế modul PLC 45

Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế modul Vi Điều Khiển 45

Hình 4.8 sơ đồ bố trí linh kiện trên modul khí nén 46

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí linh kiện trên modul PLC 46

Hình 4.10 Sơ đồ bố trí linh kiện trên modul Vi điều khiển 47

Hình 4.11 Sơ đồ mạch tổng thể của khối vi điều khiển trung tâm 48

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp cho vi điều khiển 48

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển 49

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý ngõ vào tín hiệu cảm biến công nghiệp 50

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý ngõ vào tín hiệu dạng công tắc 50

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyết đại tín hiệu ngõ ra vi điều khiển 50

Hình 4.17 Modul khí nén sau khi được chế tạo 51

Hình 4.18 Modul PLC sau khi được chế tạo 52

Hình 4.19 Modul vi điều khiển sau khi được chế tạo 52

Hình 4.20 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch vi điều khiển trung tâm 53

Hình 4.21 Mạch in bo mạch vi điều khiển trung tâm 53

Hình 4.22 Mạch vi điều khiển trung tâm sau khi được chế tạo 54

Hình 4.23 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nạp vi điều khiển 54

Hình 4.24 Mạch in bo mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB 55

Hình 4.25 Mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB sau khi được chế tạo 55

Hình 4.26 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch chuyển đổi RS232/RS485 56

Hình 4.27 Mạch in mạch chuyển đổi RS232/RS485 56

Hình 4.28 Mạch chuyển đổi RS232/RS485 sau khi hoàn thành 56

Hình 4.29 Mô hình máy dập tự động dùng 3 xylanh khí nén 57

Hình 4.30 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 3 xylanh khí trong máy dập tự động 58

Hình 4.31 Mô hình máy khoan bàn dùng 2 xylanh khí nén 62

Hình 4.32 Sơ đồ phác thảo mạch khí nén máy khoan bàn 63

Hình 4.33 Mô hình máy cán ren tự động dùng 3 xylanh khí nén 67

Hình 4.34 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy cán ren tự động 68

Hình 4.35 Mô hình máy đóng hộp block 73

Hình 4.36 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy đóng block 74

Hình 4.37 Mô hình máy mài phẳng simplex dùng 2 xylanh khí nén 79

Hình 4.38 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy mài 80

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Các đặc tính đặc biệt của 8051 16

Bảng 2.2 Các modul mở rộng của PLC S7-200 32

Bảng 4.1 Ngõ vào ra của hệ thống điều khiển trong máy dập tự động 58

Bảng 4.2 Ngõ vào ra của hệ thống điều khiển trong máy dập tự động 58

Bảng 4.3 các bước thực hiện qui trình điều khiển máy khoan bàn 63

Bảng 4.4 Ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy khoan bàn 63

Bảng 4.5 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy cán ren tự động 68

Bảng 4.6 Ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy cán ren tự động 68

Bảng 4.7 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy đóng block 74

Bảng 4.8 Địa chỉ ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy đóng block 75

Bảng 4.9 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy mài phẳng 80

Bảng 4.10 Địa chỉ ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy mài phẳng 80

Chương I

MỞ ĐẦU

1.1.Tính cấp thiết của đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa,ngày nay các thiết bị truyền dẫn,điều khiển khí nén thủy lực sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi

ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển,máy dập, máy xây dựng, máy ép phun, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm…do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối

ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện

Với tầm quan trọng trong thực tế sản xuất như vậy, thủy lực khí nén đã được đưa vào giảng dạy ở các trường kỹ thuật đặc biệt đối với sinh viên các ngành tự động hóa, cơ điện tử Tuy nhiên đa số những kiến thức về điều khiển thủy lực và khí nén được giảng dạy cho sinh viên chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, sinh viên ít được thực tập trên thực tế hoặc chỉ được mô phỏng trên máy tính bởi một số phần mềm mô phỏng như Automation studio, fluidsim… Nhược điểm của việc thực tập bằng phần mềm mô phỏng là sinh viên khó có thể hình dung được thực tế hoạt động của các hệ thống trong sản xuất, không được tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị trong hệ thống như các loại van đảo chiều, công tắc hành trình công nghiệp, các loại cảm biến và bộ điều khiển như PLC, vi điều khiển…

Trong quá trình học tập tại trường, sinh viên của các ngành tự động hóa, cơ điện

tử đã được giảng dạy và giới thiệu các loại vi xử lý và PLC, chúng có khả năng lập trình linh hoạt để điều khiển rất nhiều hệ thống Trong thực tế sản xuất PLC và vi điều khiển được sử dụng hết sức rộng rãi Thông qua đề tài sẽ giúp ta so sánh được ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển sử dụng vi xử lý và PLC để điều khiển hệ thống khí nén

Xuất phát từ những nguyên nhân trên và do nhu cầu bức thiết của thực tế, được

sự đồng ý của Khoa Cơ khí - Công nghệ, bộ môn cơ điện tử, dưới sự hướng dẫn của thầy KS Tưởng Phước Thọ, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén dùng

PLC và Vi Điều Khiển”

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài nhằm giúp sinh viên ngành cơ điện tử, tự động hóa có kiến thức sơ đẳng về điều khiển tự động các thiết bị khí nén, mô phỏng một số hệ thống tự động sử dụng khí nén trong sản xuất Đề tài này giúp cho sinh viên ngành Cơ điện tử

có điều kiện tiếp xúc với các thiết bị điều khiển khí nén được sử dụng trong thực tế sản xuất, trực tiếp lập trình và vận hành chúng qua đó phần nào giúp sinh viên hiểu được cách thức hoạt động của các thiết bị thủy lực khí nén đồng thời ứng dụng PLC và Vi Điều Khiển vào điều khiển các hệ thống này Qua đó có thể nhìn thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển bằng PLC và Vi Điều Khiển trong công nghiệp

1.3 Giới hạn của đề tài

Do bước đầu thiết kế đề tài nên còn nhiều hạn chế nhất định Vì thế sinh viên thực hiện đề tài chỉ chú trọng nghiên cứu những vấn đề sau:

- Nghiên cứu về tính năng của PLC s7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY

- Nghiên cứu tính năng của vi điều khiển họ 8051 cụ thể là vi điều khiển AT89S52

- Nghiên cứu các đặc tính của khí nén, các hệ thống điều khiển khí nén trong thực tế sản xuất

- Thiết kế chế tạo bộ thí nghiệm khí nén theo từng modul rời nhằm tăng tính linh hoạt cho bộ thí nghiệm

- Viết chương trình điều khiển các hệ thống mô phỏng một số máy móc sử dụng khí nén trong thực tế được điều khiển bằng PLC và Vi Điều Khiển sử dụng các ngôn ngữ lập trình ladder và assembly

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu về khí nén và hệ thống truyền động khí nén

2.1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén 2.1.1.1 Lịch sử phát triển

- Năng lượng khí nén đã được sử dụng trong các máy móc thiết bị vào thế kỷ 19

cụ thể:

+ năm 1880 phanh bằng khí nén đã được sử dụng

+ …

2.1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí nén

a Trong lĩnh vực điều khiển

+ Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn

tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

+ Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao

+ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết

bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất

b Hệ thống truyền động

+ Các dụng cụ, thiết bị máy va đập, các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng ( xây dựng hầm mỏ, đường hầm…)

+ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển động trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô

+ Truyền động quay: truyền động xylanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén

+ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: được dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

2.1.2 Những ưu - nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

2.1.2.1 Ưu điểm

+ Có khả năng truyền năng lượng đi xa bởi độ nhớt động học của khí nén nhỏ

và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ

+ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén

+ Không khí dùng để nén hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ngược trở lại môi trường

+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rĩ khí nén trong hệ thống ống dẫn cũng không làm ảnh hưởng tới môi trường

+ Chi phí nhỏ để thành lập một hệ thống truyền động bằng khí nén bởi phần lớn trong các nhà máy, xí nghiệp đã có sẵn đường dẫn khí nén

+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất được đảm bảo nên tính nguy hiểm trong quá trình truyền động bằng hệ thống khí nén rất thấp

+ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van…) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt

+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp

2.1.2.2 Nhược điểm

+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp

+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn ( không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều)

+ Hệ thống truyền động khí nén khi vận hành tạo ra tiếng ồn do khí thoát ra ở đường dẫn và hệ thống van

2.1.3 Nguyên lý truyền động khí nén

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén

2.1.4 Đơn vị đo các đại lượng cơ bản

Đơn vị của công suất là Watt 1 Watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh

ra năng lượng 1 Joule 1 W = 1 Nm/s

Hình 2.2 Máy nén khí

Phân loại

- 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 ≥ 300 bar

- 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

2.1.5.2 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

2.1.5.3 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 tỳ, tay kia kéo ống ra

2.1.5.4 Các phần tử trong hệ thống điều khiển

• 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

- 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

Hình 2.3 Van đảo chiều 5/3

a Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều Khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3)

Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12) (khí nén), lúc này nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn

Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tạc dụng của lực lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu

b Ký hiệu van đảo chiều

Chuyển đổi vị trí của nòng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái 0, a, b, c, hay các số 0, 1, 2,

Vị trí “0” được ký hiệu là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu ngoài vào

Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí “0”, còn đối với van có 2 vị trí, thì vị trí “0” có thể là a hoặc b, thường vì trí b là vị trí “0”

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường thẳng có hình mũi tên, biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí qua van Trường hợp dòng bị chặn, được biểu diễn bằng dấu gạch ngang

- Van chặn

Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn

Hình 2.5 Van chặn Van chặn gồm các loại sau:

ƒ Van một chiều

ƒ Van logic OR

ƒ Van logic AND

ƒ Van xả khí nhanh

- Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng khí gồm có các loại:

Hình 2.6 Van tiết lưu

• Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi

• Van tiết lưu có tiết diện thay đổi

• Van tiết lưu một chiều

- 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)

Hình 2.7 Xylanh khí nén

Một cơ cấu chấp hành thường gặp thường gặp:

- Xy lanh tác dụng đơn

- Xylanh tác dụng 2 chiều ( tác dụng kép )

- Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh được

- Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh được

- Xylanh quay bằng thanh răng

- Động cơ khí nén 1 chiều, 2 chiều

• Xylanh đi ra ký hiệu dấu (+), đi về ký hiệu dấu (-)

• Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc vị trí “a” và

“b”)

2.1.6.2 Các phương pháp điều khiển

Bao gồm các phương pháp điều khiển sau:

• Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp

• Điều khiển theo thời gian

• Điều khiển theo hành trình

• Điều khiển theo tầng

• Điều khiển theo nhịp

2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển họ 8051

Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, AVR, 8088, v.v Đề tài này dùng họ vi điều khiển 8051 cùng với các IC chuyên dùng đáp ứng đầy đủ các yêu của

đề tài đặt ra Họ 8051 được chọn vì những lý do sau đây:

* Vi điều khiển 8051 trên thị trường phổ biến và giá thành chấp nhận được

* Các bus địa chỉ và các bus dữ liệu có thể mở rộng khả năng chuyển đổi dữ liệu cho nhau linh hoạt nhờ lập trình phần mềm

* Tính linh động của lập trình giúp cho việc mở rộng các ứng dụng

2.2.1 Giới thiệu

Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin,

đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó

Trong các thiết bị điện và điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng "thông minh" thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng

2.2.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển

Bộ vi điều khiển thực ra, là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 70 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao

Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lí 4 bit loại TMS1000 do công ty Texas Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nhà sản xuất Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lí chỉ

có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí chương trình theo một trình

tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết như : bộ nhớ dữ liệu , bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển thị là những linh kiện nằm ở bên ngoài được nối vào bộ vi xử lí

Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Interlligen-Elictronics) Mới cho ra đời bộ

vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048 Bên cạnh bộ xử lí trung tâm 8048 còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chip

Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-sustem-48)

Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051 Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng bán dẫn hàng đầu thế giới chế tạo Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …

Hình 2.8 Vi điều khiển AT89S52 2.2.3 Khảo sát họ vi điều khiển 8051

IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau :

o 4kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051)

o 128 bitt RAM

o 4 port IN/ OUT 8bit

o Hai bộ định thời 16bit

o Giao tiếp nối tiếp

o 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

o 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

o một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)

o 210 bit được địa chỉ hóa

o bộ nhân / chia 4µs

2.2.3.1 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển họ 8051

Hình 2.9 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 8051 Phần chính của vi điều khiển 8051/8031 là bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm:

• Thanh ghi tích luỹ A

• Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và chia

• Đơn vị logic học ( ALU: Arithmic Logical Unit)

• Từ trạng thái chương trình (PSW: Prorgam Status Word)

• Bốn băng thanh ghi

• Con trỏ ngăn xếp

Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic

Đơn vị xử lý trung tâm nhập trực tiếp xung từ bộ giao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời gian hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp

Hai bộ định thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm

Các cổng (port0, port1, port2, port3 ) Sử dụng vào mục đích điều khiển

Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài

Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong dãy rộng và được ấn định bằng một bộ định thời

Trong vi điều khiển 8051 / 8031 có hai thành phần quan trọng khác đó

là bộ nhớ và các thanh ghi :

Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi

2.2.3.2 Chức năng các chân của vi điểu khiển

Hình 2.10 Chức năng các chân vi điều khiển 8051

a Port0: là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có 2 chức năng như các đường I/O Đối với các thiết kế

cỡ lớn ( với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa với các bus

b Port1: là một port I/O trên các chân từ 1 đến 8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2… có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài

c Port2: là một port công dụng kép trên các chân từ 21 đến 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là các byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

d Port3: là một port công dụng kép trên các chân từ 10 đến 17 Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tín đặc biệt của 8051 như ở bảng sau:

Bảng 2.1 Các đặc tính đặc biệt của 8051 Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp

P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài

P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài

e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 / 8031 có 4 tín hiệu điều khiển

PSEN là tín hiệu ra trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh

f.ALE (Address Latch Enable ) :Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus địa chỉ và dữ liệu khi port 0 được dùng trong chế

độ chuyển đổi của nó : vừa là bus dữ liệu vừa là bit thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu

để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của bộ nhớ g.EA (External Access) :

Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K) Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bị cấm và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng

h.SRT (Reset) :

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8051 được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

i.Các ngõ vào bộ dao động trên chip :

Như đã thấy trong hình trên , 8051 có một bộ dao động trên chip Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19 Các tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ Tần số thạch anh thông thường là 12MHz

2.2.3.3 Tập lệnh của vi điều khiển 8051

Tập lệnh 8051 có 255 lệnh gồm 139 lệnh 1 byte, 92 lệnh 2byte và 24 lệnh 3 byte

Các chế độ đánh địa chỉ

a Thanh ghi địa chỉ

8051 có 4 bank thanh ghi, mỗi bank có 8 thanh ghi đánh số từ R0 đến R7 Tại

mỗi thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được tích cực Muốn chọn bank thanh ghi nào ta chỉ cần gán các bit nhị phân thích hợp vào RSI(PSW.4) và RS0(PSW.3) trong thanh ghi trạng thái chương trình (PSW)

Ngoài ra, một số thanh ghi đặc biệt như thanh ghi tích luỹ, con trỏ dữ liệu … cũng được xác định trong các lệnh nên không cần các bit địa chỉ Trong các lệnh này thanh ghi tích luỹ được xác định là “A”, con trỏ dữ liệu là “DPTR” thanh đếm chương trình là “PC”, cờ nhớ “C”, cặp thanh ghi tích luỹ B là “AB”

c Địa chỉ gián tiếp

R0 và R1 được dùng để chứa địa chỉ ô nhớ mà lệnh tác động đến Người ta quy ước dùng dấu @ trước R0 hoặc R1

d Địa chỉ tức thời

Người ta dùng dấu # trước các toán hạng tức thời Các hạng toán đó có thể là một hằng số, một ký tự hay một biểu thức toán học… Trường hợp dịch sẽ tự động tính toán

và thay thế dữ liệu trực tiếp vào mã lệnh

e Địa chỉ tương đối

Địa chỉ tương đối được dùng trong các điểm nhảy 8051/8031 dùng giá trị 8 bit có dấu để cộng thêm vào thanh ghi đếm chương trình (PC) Tầm nhảy của lệnh này trong khoảng từ -128 đến 127 ô nhớ Trước khi cộng, thanh ghi PC sẽ tăng đến địa chỉ theo sau lệnh nhảy rồi tính toán địa chỉ offset cần thiết để nhảy đến địa chỉ yêu cầu Như vậy địa chỉ mới là địa chỉ tương đối so với lệnh kế tiếp chứ không phải là bản thân lệnh nhảy Thường lệnh này có liên quan đến nhãn được định nghĩa trước

f Địa chỉ dài

Địa chỉ chỉ dùng cho lệnh LCALL và LJMP Các lệnh này chiếm 3 byte và dùng

2 byte sau ( byte 2 và byte3) để định địa chỉ đích của lệnh (16 bit) Ưu điểm của lệnh này có thể có thể sử dụng trong toàn bộ vùng nhớ 64 Kbyte Tuy nhiên, lệnh này chiếm nhiều byte và lệ thuộc vào vị trí vùng nhớ

g Địa chỉ tham chiếu

Địa chỉ tham chiếu dùng một thanh ghi cơ bản( hoặc thanh ghi đếm chương trình

PC hoặc thanh ghi con trỏ dữ liệu DPTR) và địa chỉ offset (trong thanh ghi tích luỹ A)

để tạo địa chỉ được tác động cho các lệnh JMP hoặc MOVC Các bảng nhảy và bảng tìm kiếm dễ dàng được tạo ra để sử dụng địa chỉ tham chiếu

2.2.3.4 Mạch nạp cho vi điều khiển

Để vi điều khiển hoạt động được phải có chương trình, chương trình được người lập trình viết bởi phần mềm hỗ trợ và được viết bằng một ngôn ngữ lập trình nhất định Chương trình sau khi được viết xong cần phải được biên dịch sang ngôn ngữ máy Sau

đó được nạp cho vi điều khiển qua mạch nạp Trong đồ án này, mạch nạp cho vi điều khiển được thiết kế là loại mạch nạp qua cổng USB nhằm tăng tính tiện dụng và linh hoạt cho bộ thí nghiệm so với sử dụng mạch nạp cho vi điều khiển qua cổng COM

• Mạch giao tiếp với cổng USB

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cổng USB

Vi mạch PL2303HX có chức năng chuyển đổi tốc độ truyền dữ liệu qua cổng USB thành tốc độ chuẩn RS232 của cổng COM máy tính sẽ nhận dưới dạng một cổng COM ảo,đồng thời cũng bao gồm cả chức năng chuyển từ chuẩn RS232 sang chuẩn Logic TTL giao tiếp với Vi điều khiển

• Mạch nguồn

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn của mạch nạp USB

Vi mạch nguồn được sử dụng trong mạch nạp USB là ic conveter MC34063 Tùy vào các mắc các linh kiện đi kèm, MC34063 có thể tăng hoặc giảm dòng, áp của nguồn đưa vào ic Trong mạch trên MC34063 được dùng để tăng áp từ nguồn 5V lấy

từ cổng USB để cho đầu ra ≥12V là mức điện áp yêu cầu để có thể nạp vào các ô nhớ của vi điều khiển

• Đế gắn vi điều khiển nạp chương trình

Là phần đế đóng mở dễ dàng dạng cần gạt được kết nối với vi điều khiển chính, được xác định chiều gắn vi điều khiển phù hợp với vi điều khiển loại 40 chân hoặc 20 chân

-Khi cần nạp vi điều khiển ta đặt lên đế, gạt cần cố định để các chân tiếp xúc với vi mạch

- Sau khi nạp gạt cần lấy vi điều khiển ra

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý đế gắn vi điều khiển cần nạp chương trình

• Phần mạch chính điều khiển qua trình nạp:

Vi điều khiển 89S52 chính được nạp sẵn chương trình để tương thích với phần mềm nạp Khi nhận lệnh nạp chip vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu từ máy tính sau đó xuất các lệnh điều khiển ra các chân thích hợp để chuyển dữ liệu có lần lượt qua thanh ghi dịch 8 bit 74HC164 thành dữ liệu dưới dạng 8 bit song song cùng với các

tín hiệu điều khiển các trasistor C1825, A1015 để nạp chương trình vào vi điều khiển

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phần mạch chính điều khiển quá trình nạp

2.2.3.5 Phần mềm soạn thảo và nạp chương trình cho vi điều khiển

Để soạn thảo và kiểm tra lỗi chương trình cho vi điều khiển có rất nhiều phần mềm trong đề tài sử dụng phần mềm MCS – 51 dùng để soạn thảo, kiểm tra lỗi và biên dịch chương trình cho vi điều khiển

Sau khi soạn thảo chương trình, kiểm tra lỗi, chương trình được biên dịch thành file dạng *.hex và được nạp vào vi điều khiển thông qua chương trình nạp Trong đề tài sử dụng chương trình nạp WILLAR để nạp chương trình cho vi điều khiển

Hình 2.15 Giao diện chương trình MIDE-51 soạn thảo chương trình cho VDK

Hình 2.16 Giao diện chương trình WILLAR nạp chương trình cho vi điều khiển

2.3 Tổng quan về PLC

2.3.1 Giới thiệu

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

Bộ điều khiển logic khả trình là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968 và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển trong công nghiệp:

• Dễ lập trình và dễ thay đổi chơng trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong nhà máy

• modul truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet,

• Cấu trúc dạng module để dễ dàng bảo trì và sửa chữa

• Tin cậy hơn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp

• Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ gọn hơn mạch role chức năng tương đương

• Giá thành có khả năng cạnh tranh cao

Đặc trưng của kỹ thuật PLC là việc sử dụng vi mạch để xử lý thông tin Các ghép nối logic cần thiết trong quá trình điều khiển được xử lý bằng phần mềm do người sử dụng lập nên và cài đặt vào Chính do đặc tính này mà người sử dụng có thể giải quyết nhiều bài toán về tự động hóa khác nhau trên cùng một bộ điều khiển và hầu như không phải biến đổi gì ngoài việc nạp những chương trình khác nhau Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính)

Toàn bộ chương trình điều khiển đợc lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (scan)

Các thành phần của một PLC thường có các modul phần cứng sau:

• Modul nguồn

• Modul đơn vị xử lý trung tâm

• Modul nhớ chương trình và dữ liệu

• Modul đầu vào

• Modul đầu ra

• Modul phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ)

• Modul chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng)

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi mạch, kỹ thuật PLC đã có những bước tiến

bộ vượt bậc Có thể nói nếu không có kỹ thuật PLC thì không có tự động hóa trong các ngành công nghiệp

Hình 2.18 Mô hình tổng quát của một PLC Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một 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

Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc

và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485

b Nguyên lý hoạt động của PLC

• Đơn vị xử lý trung tâm CPU

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

ƒ Data bus: bus dùng để truyền dữ liệu

ƒ Control bus: bus điều khiển, dùng để truyền các tín hiệu định thì

và điều 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

• 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 nhớ

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

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

Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I /

O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản

2.3.3 Các hoạt động xảy ra bên trong PLC

a Xử lý chương trình