Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điệf - điện tử được ứng dụng ngày càng rộng rải và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Vấn đề tự động hóa trong công nghiệp để giảm bớt lao động chân tay và nâng cao năng suất lao động, là một trong những đề tài được các bạn sinh viên, các thầy cô ở những trường kỹ thuật quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất.
LỜI NÓI ĐẦU Cùng với tiến khoa học công nghệ, thiết bò điệf - điện tử ứng dụng ngày rộng rải mang lại hiệu cao hầu hết lónh vực kinh tế, kỹ thuật đời sống xã hội Vấn đề tự động hóa công nghiệp để giảm bớt lao động chân tay nâng cao suất lao động, đề tài bạn sinh viên, thầy cô trường kỹ thuật quan tâm nghiên cứu nhiều Chính em Khoa Bộ môn giao nhiệm vụ thực đề tài: “MẠCH PLC VÀ CẢM BIẾN TRONG BĂNG CHGUYỀN” cho luận văn tốt nghiệp Nội dung tập luận văn gồm chương: - Chương I - : GIỚI THIỆU VỀ PLC Chương II : GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN - Chương III ĐIỀU : ỨNG DỤNG PLC VÀ CẢM BIẾN ĐỂ KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐÓNG HỘP - Chương IV : THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ PLC I.1 SƠ LƯC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN : Thiết bò điều khiển lập trình (programmable controller) nhà thiết kế cho đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, việc lập trình cho hệ thống khó khăn, lúc thiết bò lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đời vào năm 1969 Điều tạo phát triển thật cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhằm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống điều khiển cổ điển Qua trình vận hành, nhà thiết kế bước tạo tiêu chuẩn cho hệ thống, tiêu chuẩn :Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format) Trong năm đầu thập niên 1970, hệ thống PLC có thêm khả vận hành với thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với liệu cập nhật” (data manipulation) Do phát triển loại hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp người điều khiển để lập trình cho hệ thống trở nên thuận tiện Sự phát triển hệ thống phần cứng phần mềm từ năm 1975cho đến làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ với chức mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng nhớ chương trình tăng lên 128.000 từ nhớ (word of memory) Ngoài nhà thiết kế tạo kỹ thuật kết nối với hệ thống PLC riêng lẻ thành hệ thống PLC chung, tăng khả hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý hệ thống cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với chức phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn Trong tương lai hệ thống PLC không giao tiếp với hệ thống khác thông qua CIM Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển hệ thống: Robot, Cad/Cam… nhà thiết kế xây dựng loại PLC với chức điều khiển “thông minh” (intelligence) gọi siêu PLC (super PLCS) cho tương lai I.2 CẤU TRÚC VÀ NGHIÊN CỨU HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT PLC I.2.1 Cấu trúc: Một hệ thống điều khiển lập trình phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit : CPU) hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0) I N P U T Central Processing Unit O U T P U T S m M m M M M M Hình 1.1 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lập M M trình M M Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: M M xử lý, hệ thống nhớ hệ thống nguồn cung M S cấp Hình 1.2 mô tả ba phần cấu thành PLC Proces sor Power Suppl y Memor y Hình 1.2 : Sơ đồ khối tổng quát CPU I.2.2/ Hoạt động PLC Về hoạt động PLC đơn giản Đầu tiên, hệ thống cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi Module xuất /nhập) dùng để đưa tín hiệu từ thiết bò ngoại vi vào CPU (như sensor, công tắc, tín hiệu từ động …) Sau nhận tín hiệu ngõ vào CPU xử lý đưa tín hiệu điều khiển qua Module xuất thiết bò điều khiển Trong suốt trình hoạt động, CPU đọc quét (scan) liệu trạng thái thiết bò ngoại vi thông qua ngõ vào, sau thực chương trình nhớ sau: đếm chương trình nhặt lệnh từ nhớ chương trình đưa ghi lệnh để thi hành Chương trình dạng STL (StatementList – Dạng lệnh liệt kê) dòch ngôn ngữ máy cất nhớ chương trình Sau thực xong chương trình, CPU gởi cập nhật (Update) tín hiệu tới thiết bò, thực thông qua module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ngõ vào, thực chương trình gởi cập nhật tín hiệu ngõ gọi chu kỳ quét (Scanning) Trên mô tả hoạt động đơn giản PLC, với hoạt động giúp cho người thiết kế nắm nguyên tắc PLC Nhằm cụ thể hóa hoạt động PLC, sơ đồ hoạt động PLC vòng quét (Scan) sau: Update Output Read input (Đọc ngõ vào) (Cập nhật ngõ ra) Program execution (Thực chương trình) Hình 1.3 :Một vòng quét PLC Thực tế PLC thực chương trình (Program execution) PLC cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON'OFF), tín hiệu không truy xuất tức thời để đưa (Update) ngõ mà trình cập nhật tín hiệu ngõ (ON/OFF) phải theo hai bước: xử lý thực chương trình, vi xử lý chuyển đổi bước logic tương ứng ngõ “chương trình nội” (đã lập trình), bước logic chuyển đổi ON/OFF Tuy nhiên lúc tín hiệu ngõ “that” (tức tín hiệu đưa modul out) chưa đưa Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi mức logic (của tiếp điểm) hoàn thành việc cập nhật tín hiệu ngõ thực tác động lên ngõ để điều khiển thiết bò ngõ Thường việc thực thi vòng quét xảy với thời gian ngắn, vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực chu kỳ quét dài hay ngắn phụ thuộc vào độ dài chương trình mức độ giao tiếp PLC với thiết bò ngoại vi (màn hình hiển thò…) Vi xử lý đọc tín hiệu ngõ vào tín hiệu tác động với khoảng thời gian lớn chu kỳ quét vi xử lý coi tín hiệu Tuy nhiên thực tế sản xuất, thường hệ thống chấp hành “là hệ thống khí nên có tốc độ quét đáp ứng chức dây chuyền sản xuất Để khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất nhà thiết kế thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, hệ thống thường áp dụng cho PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập xử lý lượng thông tin lớn I.3 Phân loại PLC Đầøu tiên khả giá trò nhu cầu hệ thống giúp người sử dụng cần loại PLC mà họ cần Nhu cầu hệ thống xem nhu cầu ưu tiên giúp người sử dụng biết cần loại PLC đặc trưng loại để dể dàng lựa chọn Hình 1.4 cho ta “bậc thang” phân loại loại PLC việc sử dụng PLC cho phù hợp với hệ thống thực tế sản xuất Trgng hình ta nhận thấy vùng chồng lên nhau, vùng người sử dụng thường phải sử dụng loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) sử dụng vùng có số I/O thấp lại có tính đặc biệt PLC vùng có số lượng I/O cao (ví dụ: cổng vào tương tự (Analog) Thường người sử dụng loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết Các nhà thiết kế phân PLC thành loại sau: I.3.1.Loại : Micro PLC (PLC siêu nhỏ) Micro PLC thường ứng dụng dây chuyền sản xuất nhỏ, ứng dụng trực tiếp thiết bò đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ Các PLC thường lập trình lập trình cầm tay, vài micro PLC có khả hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (analog) (ví dụ:việc điều khiển nhiệt độ)& Các tiêu chuẩu Micro PLC sau: _ 32 ngõ vào/ra _ Sử dụng vi xử lý bit _ Thường dùng thay rơle _ Bộ nhớ có dung lượng 1K _ Ngõ vào/ra tín hiệu số _ Có timers counters _ Thường lập trình lập trình cầm tay I.3.2.Loại : PLC cỡ nhỏ (Small PLC) Small PLC thường dùng việc điều khiển hệ thống nhỏ (ví dụ : Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức PLC thường giới hạn việc thực chuổi mức logic, điều khiển thay rơle Các tiêu chuẩn small PLC sau: _ Có 128 ngõ vào/ra (I/O) _ Dùng vi xử lý bit _ Thường dùng để thay role _ Dùng nhớ 2K _ Lập trình ngôn ngữ dạng hình thang (ladder) liệt kê _ Có timers/counters/thanh ghi dòch (shift registers) _ Đồng hồ thời gian thực _ Thường lập trình lập trình cầm tay Chú ý vùng A sơ đồ hình 1.4 Ở dùng PLC nhỏ với chức tăng cường PLC cở lớn như: Thực thuật toán bản, nối mạng, cổng vào sử dụng tín hiệu tương tự 32 Soá I/O 64 128 512 1024 2048 4096 Hình8192 1.4 : Cách dùng loại PLC 3.3 Loại : PLC cỡ trung bình (Medium PLCS) PLC trung bình có 128 đường vào/ra, điều khiển tín hiệu tương tự, xuất nhập liệu, ứng dụng dược thuật toán, thay đổi đặc tính PLC nhờ vào hoạt động phần cứng phần mềm (nhất phần mềm) thông số PLC trung bình sau: _ Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O) _ Dùng vi xử lý bit _ Thay rơle điều khiển tín hiệu tương tự _ Bộ nhớ 4K, nâng lên 8K _ Tín hiệu ngõ vào tương tự số _ Có lệnh dạng khối ngôn ngữ lập trình ngôn ngữ cấp cao _ Có timers/Counters/Shift Register _ Có khả xử lý chương trình (qua lệnh JUMP…) _ Có lệnh dạng khối ngôn ngữ lập trình ngôn ngữ cấp cao _ Có timers/counters/Shift Register _ Có khả xử lý chương trình ( qua lệnh JUMP…) _ Thực thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…) _ Giới hạn liệu với lập trình cầm tay _ Có đường tín hiệu đặc biệt module vào/ra _ Giao tiếp với thiết bò khác qua cổng RS232 _ Có khả hoạt động với mạng _ Lập trình qua CRT (Cathode Ray Tube) để dễ quan sát Chú ý tới vùng B (hình 1.4) PLC vùng B thường trực dùng có nhiều nhớ hơn, điều khiển mạng PID có khả thực chuỗi lệnh phần lớn thuật toán quản lý liệu I.3.4 Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC) Large PLC sử dụng rộng rãi có khả hoạt động hữu hiệu, nhận liệu, báo liệu nhận… Phần mềm cho thiết bò điều khiển cầm tay phát triển mạnh tạo thuận lợi cho người sử dụng Tiêu chuẩn PLC cỡ lớn: Ngoài tiêu chuẩn PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn có thêm tiêu chuẩn sau: _ Có 2048 cổng vào/ra (I/O) _ Dùng vi xử lý bit 16 bit _ Bộ nhớ có dung lượng 12K, mở rộng lên 32K _ Local remote I/O _ Điều khiển hệ thống role (MCR: Master Control Relay) _ Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts) _ PID làm việc với hệ thống phần mềm PID _ Hai nhiều cổng giao tiếp RS 232 _10 Nối mạng _ Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi liệu, chức giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhò phân, hexa …) _Có khả giao tiếp máy tính module Có mối quan hệ gần tuyến tính dòng ngắn mạch Ish cường độ sáng EV tế bào quang điện Vì Ish tăng gần tuyến tính với E V Ngoài có mối quan hệ tuyến tính khác trò tuyệt đối Ish kích thước vùng nhạy sáng A tế bào quang điện Ví dụ đặc tính ứng với vùng nhạy sáng có A = 0.09 cm 2, A = 0.3 cm2, A = 0.6 cm2, A = 1.8 cm2 vẽ hình trang trước Độ nhạy sáng S( dòng đáp ứng) tính từ độ dốc đặc tuyến dòng ngắn mạch Nó thường tính theo đơn vò nA/lx I sh Độ nhạy sáng : S E V Đơn vò nA lx Diện tích vùng nhạy sáng lớn dòng ngắn mạch Ish độ nhạy sáng S cao Loại BPY 11 BPY 64 dưọc chọn làm ví dụ điển hình tế bào quang điện Hình 2-16 :Đặt tuyến mở mạch, ngắn mạch kích thước tế bào quang điện loại BPY 11 Hình vẽ trình bày đặc tính UL = f(EV) Ish = f(EV) kiểu BPY 11 vẽ đồ thò Với đặc tính Ish, phân loại nhóm cho với SIV 47 nA/lx, SV 56 nA/lx Hình sau trình bày đặc tính kiểu BPY64 Ta thấy với S 230nA/lx, tế bào quang điện có độ nhạy sáng gần gấp đôi kiểu BPY11 Hình 2-17 : Đặc tuyến mở mạch ngắn mạch kích thước tế bào quang điện loại BPY64 Điện áp mạch hở dòng ngắn mạch tế bào quang điện cho biết phụ thuộc nhiệt độ mà cho sổ tay hệ số nhiệt độ Ví dụ TC (UC) -2.6 mV/K TC(Ish) +12%/K ứng với kiểu BPY 11 BPY 64 Độ nhạy phổ đặc tính đònh hướng quan trọng ứng dụng thực tế tế bào quang điện Độ nhạy phổ tương đối cho hình kiểu BPY 11 BPY 64 Ở đây, với hầu hết tế bào quang điện khác, giá trò cực đại 850nm, nghóa dải hồng ngoại Mối quan hệ hướng xạ dòng ngắn mạch Ish đưọc xác đònh từ đặc tính hướng hình nh sáng chạm vào tế bào quang điện với góc phẳng dòng ngắn mạch nhỏ, với độ sáng Hình 2-18: Cảm nhận quang phổ tương đối đặc tuyến thò ISh=f() tế bào quang điện loại BPY11 BPY64 Tế bào quang điện chuyển đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Nếu sử dụng chuyển đổi thực tế, ta phải nối điện trở tải R L vào tế bào quang điện Năng lượng lớn lấy từ nguốn áp RL = Ri, nghóa lượng tương đương có Điện trở Ri tế bào quang điện xác đònh từ đặc tính mạch hở đặc tính dòng ngắn mạch theo công thức: Ri Ul với Ev=const I Sh Ví dụ, thấy từ hai đặc tuyến tế bào quang điện BPY 64, điện trở số mà hàm độ sáng E V Vì với kiểu tế bào quang điện đề cập thì: R i 13k EV = 100lx, Ri 3.3k 500lx Ri 1.8k 1000lx Vì điện trở tế bào quang điện giảm độ sáng tăng Tế bào quang điện ứng dụng chủ yếu để đo độ sáng Sẽ điều thuận lợi có mối quan hệ thật tuyến tính lượng ánh sáng lượng điện sinh Điều đạt phần lớn tế bào quang điện hoạt động với dòng tương ứng điện trở tải, nghóa RL nhỏ nhiều so với Ri Khi RL