Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển khả trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT NGUYỄN THẾ LỰC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT NGUYỄN THẾ LỰC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC KHỐT HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung trình bày luận văn thân tơi thực Các số liệu tính toán luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Thế Lực MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ THIẾT BỊ PLC 1.1 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC 1.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.2.1 Khái niệm .6 1.2.2 Cấu trúc phần cứng điều khiển PLC .6 1.2.3 Hoạt động PLC 11 1.2.4 Chương trình PLC 12 1.2.5 Một số ưu, nhược điểm ứng dụng PLC .13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 15 2.1 PHÂN TÍCH CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ 15 2.1.1 Các chức điều khiển 15 2.1.2 Các yêu cầu sản phẩm ứng dụng công nghiệp 16 2.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 17 2.2.1 Xác định phương hướng thiết kế 17 2.2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển 20 2.3 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ THI CÔNG MẠCH IN 22 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý số mạch 22 2.3.2 Thiết kế mạch phần mềm proteus 30 2.3.3 Vẽ mạch in công cụ ARES 33 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ FIRMWARE CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 37 3.1 XÂY DỰNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TRÊN MÁY TÍNH 37 3.1.1 Chức phần mềm lập trình 37 3.1.2 Xây dựng phần mềm 38 3.2 XÂY DỰNG FIRMWARE CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 49 3.2.1 Chức Firmware 49 3.2.2 Xây dựng Firmware 49 3.3 ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích AC Điện xoay chiều Assembly Ngơn ngữ lập trình cấp thấp cho hệ vi xử lý Counter Bộ đếm CPU Viết tắt “Central Processing Unit” - Bộ xử lý trung tâm DC Điện chiều Download Tải xuống EEPROM Bộ nhớ ROM ghi/xóa Error Sự cố Firmware Chương trình phần mềm nạp cho hệ vi xử lý IC Viết tắt “Intergrated Circuit” – Mạch tích hợp IL Ngơn ngữ lập trình dịng lệnh Input Đầu vào Kword Kilo word (1 word = byte = 16 bit) Ladder Ngôn ngữ lập trình bậc thang LOGO Bộ điều khiển cỡ nhỏ hãng Siemens MCU Viết tắt “Master Control Unit” Opto Vi mạch cách ly quang Output Đầu PLC Viết tắt “Programmable Logic Controller” – Bộ điều khiển lập trình (khả trình) PORT Cổng giao tiếp Power Supply Nguồn điện RAM Viết tắt “Random Access Memory” - Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên ROM Viết tắt “Read Only Memory” - Bộ nhớ đọc Run Hoạt động Stop Dừng Timer Bộ định thời USART Module giao tiếp nối tiếp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển PLC Hình 1.2: Mạch nguyên lý chuyển đổi tín hiệu số ngõ vào PLC Hình 1.3: Mạch ngun lý chuyển đổi tín hiệu ngõ PLC 10 Hình 1.4: Hoạt động plc 12 Hình 1.5: Chương trình PLC 13 Hình 2.1: Mơ hình điều khiển PLC 21 Hình 2.2: Cấu trúc module mở rộng 21 Hình 2.3: Mạch xử lý tín hiệu vào 23 Hình 2.4: Cấu trúc logic IC 74LS165 24 Hình 2.5: Giản đồ thời gian trình dịch bit IC 74LS165 25 Hình 2.6: Mạch xử lý tín hiệu 26 Hình 2.7: Cấu trúc logic IC 74LS595 27 Hình 2.9: Mạch giao tiếp máy tính 29 Hình 2.10: Mạch điều khiển hiển thị trạng thái 30 Hình 2.11: Mạch thiết kế module điều khiển 30 Hình 2.12: Mạch thiết kế module mở rộng 31 Hình 2.13: Mạch nguồn 24Vdc 5Vdc 32 Hình 2.14: Mặt mạch in module 33 Hình 2.15: Mặt mạch in module 34 Hình 2.16: Mặt mạch in module mở rộng 35 Hình 2.17: Mặt mạch in module mở rộng 35 Hình 2.18: Mặt mạch in module nguồn 36 Hình 2.19: Mặt mạch in module nguồn 36 Hình 3.1: Tập lệnh PIC16F877A 42 Hình 3.2: Giao diện sau khởi động phần mềm 46 Hình 3.3: Menu thao tác project 46 Hình 3.4: Cửa sổ soạn thảo chương trình cửa sổ thơng báo (Message) 47 Hình 3.5: Hoạt động Firmware 50 Hình 3.6: Hoạt động chương trình đọc trạng thái đầu vào 51 Hình 3.7: Hoạt động chương trình điều khiển điều khiển trạng thái đầu 52 Hình 3.8: Nguyên lý điều khiển khởi động, đảo chiều động không đồng ba pha roto dây quấn 54 Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối với điều khiển 54 Hình 4.1: Hình ảnh board mạch 61 Hình 4.2: Đấu nối vào tủ điều khiển 61 Hình 4.3: Đấu nối điều khiển động 62 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, hệ thống điều khiển tự động hóa ngày ứng dụng rộng rãi vào sản xuất Việc sản xuất tự động hóa dần thay phương thức sản xuất lạc hậu trước Sản xuất tự động hóa giúp tăng suất lao động, tăng chất lượng sản phẩm giải phóng sức lao động cho người Trong hệ thống điều khiển tự động hóa điều khiển đóng vai trị quan trọng Nó định đến độ xác, khả giải cố, vấn đề phát sinh trình điều khiển Cùng với phát triển công nghệ kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển, kỹ thuật điện-điện tử, kỹ thuật lập trình v.v , điều khiển khả trình đời có kích thước nhỏ gọn, khả thay đổi chương trình điều khiển linh hoạt, nhanh chóng, khả tự động hóa cao, thiết kế lắp đặt đơn giản giúp cho việc điều khiển tự động trở nên đơn giản dễ dàng Việc xây dựng phát triển điều khiển khả trình có ý nghĩa quan trọng nhằm tạo điều khiển tốt với chi phí thấp Chính lý tác giả định xây dựng điều khiển khả trình góp phần cho phát triển điều khiển khả trình nói riêng phát triển hệ thống điều khiển tự động hóa nói chung Mục đích nghiên cứu Hiện có nhiều điều khiển khả trình hãng khác sản xuất Mỗi hãng có thiết kế riêng nhìn chung điều khiển khả trình mang đặc điểm chung giống nguyên lý hoạt động chức Các điều khiển khả trình phong phú chủng loại số lượng Tuy nhiên giá thành cho điều khiển mức cao 48 mã hexa, thuật toán chuyển đổi mã nhị phân sang mã hexa… Các phép chuyển đổi định dạng liệu trình xây dựng chương trình đóng vai trị quan trọng Nó yếu tố cốt lõi giúp cho trình biên dịch hoạt động Dưới đoạn chương trình mơ tả hàm có chức chuyển đổi chuỗi ký tự Hexa sang số nguyên: private int convertHexToDec(String hexString) { Char[] arr = hexString.ToCharArray(); int n=0; int d = 0; int k=arr.Length-1; for (int i = 0; i < arr.Length; i++) { if (arr[i] > 64) { n = arr[i] - 55; } else { n = arr[i] - 48; } d += n * int.Parse(Math.Pow(16,k).ToString()); k ; } return d; } Khi sử dụng hàm ta cần truyền cho chuỗi ký tự Hexa chẳng hạn 1F hàm trả cho ta số nguyên có giá trị 31 49 3.2 XÂY DỰNG FIRMWARE CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.2.1 Chức Firmware Firmware đóng vai trị quan trọng điều khiển Nó chương trình phần mềm điều khiển toàn hoạt động điều khiển Các chức Firmware bao gồm:  Điều khiển việc kết nối điều khiển với máy tính  Điều khiển mạch xử lý tín hiệu vào,  Điều khiển mạch hiển thị trạng thái hoạt động điều khiển đáp ứng yêu cầu chuyển trạng thái từ người dùng thông qua công tắc chuyển trạng thái hoạt động  Điều khiển việc thực thi mã chương trình ứng dụng người dùng  Điều khiển trình đọc, ghi liệu vào nhớ hay điều khiển hoạt động Timer, Counter,… 3.2.2 Xây dựng Firmware Firmware xây dựng từ tập lệnh Assembly vi điều khiển PIC16F877A Firmware tổ chức thành chương trình bao gồm chương trình chính, chương trình chương trình xử lý ngắt Chương trình chứa lệnh cài đặt, cấu hình chức hoạt động vi điều khiển điều khiển chẳng hạn cấu hình chân vào, vi điều khiển, cấu hình số lượng module kết nối với module chính, cấu hình sử dụng ngắt vi điều khiển, cấu hình hoạt động cho Timer vi điều khiển,… Mỗi chương trình có chức riêng chẳng hạn như: Chương trình quét trạng thái đầu vào lưu trữ vào đệm đầu vào, chương trình điều khiển đóng cắt tiếp điểm rơle đầu ra, chương trình nhân hai số bit,… Hoạt động Firmware thể thơng qua số lưu đồ thuật tốn sau đây: 50 Hình 3.5: Hoạt động Firmware 51 Bắt đầu Gọi chương trình tính tốn số lượng xung cần tạo để điều khiển việc đọc trạng thái đầu vào N=Tổng số xung cần tạo Tạo xung điều khiển IC 74LS165 dịch bit vào đệm đầu vào N=N-1 Đ N>0 S Kết thúc Hình 3.6: Hoạt động chương trình đọc trạng thái đầu vào 52 Bắt đầu Gọi chương trình tính tốn số lượng xung cần tạo để điều khiển việc dịch bit từ đệm đầu để điều khiển rơle đầu N=Tổng số xung cần tạo Tạo xung điều khiển dịch bit từ đệm đầu vào IC 74LS595 N=N-1 Đ N>0 S Tạo xung điều khiển IC74LS595 để xuất tín hiệu điều khiển rơle đầu Kết thúc Hình 3.7: Hoạt động chương trình điều khiển điều khiển trạng thái đầu Firmware kết hợp mã thực thi biên dịch từ chương trình người dùng kết hợp với mã tác giả xây dựng sẵn lưu vào file (.Hex) Nội dung file (.Hex) nạp vào vi 53 điều khiển nhờ chương trình phần mềm nạp thơng dụng dùng cho dịng vi điều khiển PIC thơng qua mạch nạp chẳng hạn phần mềm PICKIT mạch nạp PICKIT SE Phần mềm soạn thảo chương trình ứng dụng cho phép biên dịch chương trình ứng dụng người dùng thành mã Hexa sau kết hợp với mã Hexa biên dịch từ mã Assembly tác giả xây dựng sẵn lưu vào file với đuôi (.Hex) Vi điều khiển sau nạp Firmware có khả hoạt động xử lý trung tâm điều khiển hoạt động vào điều khiển theo chương trình ứng dụng người dùng Như vậy, việc thiết kế phần cứng phần mềm cho điều khiển đáp ứng yêu cầu thiết kế đặt Bộ điều khiển cần phải nghiên cứu phát triển thêm để hoàn thiện đầy đủ chức để ứng dụng vào hệ thống điều khiển thực tế 3.3 ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN Bộ điều khiển ứng dụng để điều khiển đối tượng như: Động loại, van điện từ, loại công tắc tơ, rơle,… Dưới ví dụ sử dụng điều khiển để điều khiển khởi động động khơng đồng ba pha roto dây quấn có đảo chiều theo phương pháp khởi động đổi nối sao-tam giác: 54 a Sơ đồ nguyên lý điều khiển khởi động, đảo chiều Hình 3.8: Nguyên lý điều khiển khởi động, đảo chiều động không đồng ba pha roto dây quấn b Sơ đồ đấu nối với điều khiển Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối với điều khiển 55 c Chương trình điều khiển Network LD I0.0 O Q0.0 AN I0.1 AN Q0.1 = Q0.0 Network LD I0.2 O Q0.1 AN I0.1 AN Q0.0 = Q0.1 Network LD Q0.0 O Q0.1 AN T0 = Q0.2 Network LD Q0.0 O Q0.1 TON T0,30 Network LD T0 = Q0.3 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thử nghiệm điều khiển vào vài ứng dụng điều khiển đơn giản cho thấy: Bộ điều khiển làm việc ổn định, xác; khơng có cố thiết kế phần cứng; phần mềm làm việc ổn định Như vậy, nói đề tài hoàn thành mục tiêu ban đầu đặt Đây tiền đề thuận lợi để tác giả hoàn thiện phần mềm phát triển chức cho điều khiển Bộ điều khiển cần phải chạy thử nghiệm nhiều để kiểm tra tính ổn định q trình làm việc khả đáp ứng yêu cầu điều khiển thực tế Với thành công bước đầu việc nghiên cứu xây dựng điều khiển khả trình, tác giả đúc rút nhiều kinh nghiệm quý báu Để đưa điều khiển vào ứng dụng hệ thống điều khiển thực tế cần phải hồn thiện chức cho điều khiển Tác giả kiến nghị số nghiên cứu để hoàn thiện điều khiển: Nghiên cứu thêm việc xây dựng điều khiển với cấu trúc nhỏ gọn khả xử lý mạnh sở phân chia thành phần điều khiển thành module rời, sử dụng tảng vi xử lý mạnh mở rộng thêm nhớ cho điều khiển Phát triển đầy đủ ngơn ngữ lập trình Ladder IL hỗ trợ người sử dụng cách thuận tiện Nghiên cứu khả kết nối điều khiển với điều khiển khác thiết bị khác thực tế để trao đổi thông tin trình làm việc Xây dựng thêm nhiều loại module mở rộng hỗ trợ nhiều dạng vào khác Nghiên cứu việc đóng gói thành sản phẩm thành thiết bị công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử, Nxb Khoa học kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (1997), Tự động hóa với simatic S7-200, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy tính, Nxb Đại học quốc gia Hà nội … Microsoft Corp (2001), MSDN Library – July 2001 Simon Robinson, K Scott Allen, Ollie Cornes, Jay Glynn, Zach Greenvoss, Burton Harvey, Christian Nagel, Morgan Skinner, Karli Watson, Professional C#, 2nd Edition, Wrox Press Ltd PHỤ LỤC Cấu trúc file Hex tập lệnh hỗ trợ trình soạn thảo a Cấu trúc file Hex Một file HEX có cấu trúc gồm hay nhiều dịng sau: :BBAAAATTHHHHHHHH…………………….HHCC Trong đó: BB- hai chữ số hexa biểu diễn tổng số byte liệu xuất dòng Số byte liệu tối đa xuất dịng 16 byte Khi có nhiều 16 byte dịng tạo Do số hexa lớn xuất ‘10h’ AAAA-bốn chữ số hexa địa bắt đầu lưu liệu có dịng Mỗi lệnh 14 bit thêm bit vào đầu để tạo thành từ (word 16 bit) tức byte Do địa byte liệu dòng dịch bit Ví dụ địa nhớ chương trình ‘0001h’ biểu diễn ‘0002h’ vị trí AAAA dịng giá trị địa AAAA cộng với ‘10h’ TT-hai chữ số hexa ln có giá trị ‘00’ ngoại trừ dịng cuối có giá trị ‘01’ Thơng thường dịng kết thúc file HEX có dạng ‘:00000001FF’ HHHH-mỗi byte biểu diễn bốn chữ số hexa theo dạng kết hợp Byte thấp/Byte cao Ví dụ ‘018C’ biểu diễn dạng ‘8C01’ tức đảo byte thấp lên phía trước CC-hai chữ số hexa dùng để kiểm sốt lỗi q trình truyền thơng CC tính dựa byte nằm dịng Chẳng hạn trường hợp có byte liệu sau: ‘:040002008C018C0A’ Khi lấy tổng tất byte ta kết ‘129h’ Ta quan tâm đến byte thấp kết tức ‘29h’ có mã bù ‘D7h’ Khi CC=’D7’ Muốn kiểm tra xem liệu nhận có xác hay không ta cần lấy tổng byte sau loại bỏ CC cộng byte thấp tổng byte với CC Nếu kết ‘00h’ liệu nhận xác (D7h+29h=00h bỏ qua bit carry) b Danh sách lệnh hỗ trợ tác dụng lệnh Tên lệnh Toán hạng LD Các bit thuộc M, I, Q, T Nạp giá trị logic bit ghi đặc biệt Ý nghĩa toán hạng vào bit RLO ghi MSTATUS LDN Các bit thuộc M, I, Q, T Nạp giá trị logic nghịch đảo ghi đặc biệt bit toán hạng vào bit RLO ghi MSTATUS A Các bit thuộc M, I, Q, T Thực phép And bit ghi đặc biệt toán hạng với bit RLO ghi MSTATUS Kết lưu vào bit RLO AN Các bit thuộc M, I, Q, T Thực phép And với bit ghi đặc biệt RLO với giá trị đảo bit toán hạng Kết lưu vào bit RLO O Các bit thuộc M, I, Q, T Thực phép Or bit RLO ghi đặc biệt với bit toán hạng Kết lưu vào bit RLO ON Các bit thuộc M, I, Q, T Thực phép Or bit RLO ghi đặc biệt với giá trị đảo bit toán hạng Kết lưu vào RLO S Các bit thuộc M, I, Q, T Thiết đặt bit toán hạng có ghi đặc biệt giá trị logic bit RLO=1 Các bit thuộc M, I, Q, T Thiết đặt bit tốn hạng có R ghi đặc biệt giá trị logic bit RLO=1 Các bit thuộc M, Q = Gán giá trị bit RLO cho bit toán hạng TON Tên Timer (T0-T7) giá trị Khai báo sử dụng Timer có đặt cho Timer độ phân giải 100ms Chú thích: Thanh ghi MSTATUS có địa 30h bank 0, địa B0h bank 1, địa 130h bank địa 1B0h bank dùng làm ghi trung gian hỗ trợ cho q trình làm việc với phép tốn Logic Bit RLO bit có số ghi MSTATUS Bộ điều khiển thiết kế với Timer Mỗi Timer có độ phân giải 100ms bao gồm ghi 16bit chứa giá trị đếm bit báo trạng thái Timer Giá trị ghi 16bit Timer tăng lên sau 100ms Timer kích hoạt tín hiệu Hình ảnh board mạch điều khiển đấu nối thực tế Hình 4.1: Hình ảnh board mạch Hình 4.2: Đấu nối vào tủ điều khiển Hình 4.3: Đấu nối điều khiển động ... hình điều khiển khả trình? ?? nhằm mục đích nghiên cứu cách thức xây dựng điều khiển khả trình, bao gồm thiết kế thi cơng phần cứng xây dựng chương trình phần mềm để từ đưa điều khiển khả trình. .. FX2N… Xây dựng điều khiển với chức đáp ứng yêu cầu điều khiển thực tế Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan điều khiển khả trình bao gồm cấu trúc phần cứng cách thức lập trình cho điều khiển. .. Việc xây dựng phát triển điều khiển khả trình có ý nghĩa quan trọng nhằm tạo điều khiển tốt với chi phí thấp Chính lý tác giả định xây dựng điều khiển khả trình góp phần cho phát triển điều khiển