Đồ án tốt nghiệp - “nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn”

Đồ án tốt nghiệp - “nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn”

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hệ thống cung cấp điệ Nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 1 “Nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn” Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH (PLC) 1.1. Khái niệm về PLC. PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ ( NEMA- National Electrical Manufactures Association) thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo ch ương trình. Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình. 1.2.Điểm mạnh và điểm yếu của PLC. a)Điểm mạnh của PLC Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau: - PLC dễ dang tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình - Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tại ch ỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhận biết Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 2 dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây. Như thế, người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình. Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn - Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle. - Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng: phần mềm được hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơle tiếp điểm và không tiếp điểm. Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó. Ngô ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến khiến thức chuyên môn về PLC. Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc Việc tạo ra PLC không những dễ cho việc chuyển đổi các tác động bên ngoài thành các tác động bên trong (tức chương trình), mà chương trình tác động nối tiếp bên trong còn trở thành một phần mềm có dạng tương ứng song song với các tác động bên ngoài. Việc chuyển đổi ngược lại này là sự khác biệt lớn so với máy tính. - Thực hiện nối trực tiếp : PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới b ộ xử lý (CPU) nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý. đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụ ngoài và CPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic và chuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài có thể làm việc được. - Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều cho việc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơle, thì ở PLC những công việc đó đơn giản được thực hiện bởi chương trình và các chương trình đó được lưu giữ ở băng catssete hay đĩa CDROM, sau đó thì chỉ việc sao trở lại. Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 3 - Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn được đem ra sử dụng rộng dãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơle trước đây, - Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm. b) Điểm yếu của PLC Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá. Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle. 1.3.Cấu trúc của PLC : Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình. (Hình 1.1) Bộ xử lý Giao diện nhập Giao diện xuất N g uồn côn g suất Bộ nhớ Thiết bị lập trình Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 4 Hình 1.1 a) Bộ xử lý của PLC : Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. b) Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất. c) Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý. Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ : Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trỡ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM ( Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị củ a đồng hồ thời chuẩn, vv… Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được ( EPROM ) Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM. Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình. Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 5 trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất ( I/O). Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được. Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256 × 8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256 × 16 = 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit. d) Thiếp bị lập trình. Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý. Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC. e) Các phần nhập và xuất. Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến vv… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid vv… 1.4.Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC. Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC. Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8 MHz. Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng các tín hiệu digital. Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu digital được gọi là Bus. Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện. Bus có thể là các vệt dây dẫn trên bản mạch in hoặc các dây điện trong cable bẹ. CPU sử dụng bus dữ liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt Trng i hc Bỏch Khoa H Ni ỏn Tt Nghip 6 ng iu khin ni b. Bus h thng c s dng truyn thụng gia cỏc cng v thit b nhp /xut. Cu trỳc ca PLC c minh ho nh s sau. CPU Cu hỡnh CPU tựy thuc vo b vi x lý. Núi chung CPU cú: 1. B thut toỏn v logic (ALU) chu trỏch nhim x lý d liu, thc hin cỏc phộp toỏn s hc (cng, tr , nhõn, chia) v cỏc phộp toỏn logic AND, OR,NOT,EXCLUSIVE- OR. Bus địa chỉ Bus điều khiển ắc quy RAM chơng trình ngời dùng CPU Đồng hồ ROM Hệ thống RAM Dữ liệu Thiết bị Nhập/Xuất Palen chơng trình BUS Hệ thống (I/O) Bộ đệm Khớp nối quang Khoá Bộ truyền động Giao diện bộ truyền động Các kênh nhập Các kênh xuất Bus dữ liệu Hình 1.2 Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 7 2. Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi của chương trình. 3. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán. BUS Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin được truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, tương tự các trạng thái on/off của tín hiệu nào đó. Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó. Vì vậy một từ 8 - bit có thể là số nhị phân 00100110. Cả 8- bit này được truyền thông đồng thời theo dây song song của chúng. Hệ thống PLC có 4 loại bus. 1. Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU. Bộ xử lý 8- bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8- bit, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8-bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8- bit. 2. Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ và các vị trí trong bộ nhớ. Như vậy mỗi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhất định. để CPU có thể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8-bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 2 8 = 256. Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụng là 65536. 3. Bus điều khiển: bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển. Ví dụ để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các hoạt động. 4. Bus hệ thống: được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất. Bộ nhớ Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ như: bộ nhớ chỉ để đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 8 và lập trình được (EPROM). Các loại bộ nhớ này đã được trình bày ở trên. Chương II CÁC THIẾT BỊ NHẬP- XUẤT Các thiết bị nhập/ xuất trong PLC bao gồm: các tín hiệu digital và analog, Chẳng hạn các công tắc cơ dò tìm vị trí, các công tắc proximity, các công tắc quang điện, các bộ mã hoá, các công tắc nhiệt độ và công tắc áp xuất, các đồng hồ điện áp các biến áp vi sai tuyến tính, các đồng hồ biến dạng, các transitor nhiệt, các cặp nhiệt điện. Các thiết bị xuất gồm rơle, các thiết bị tiếp xúc, các van solenoid, và động cơ v.v… 2.1 Các thiết bị nhập: Một số các thiết bị nhập thông dụng cho PLC: 2.1.1 Công tắc cơ : Công tắc cơ tạo ra tín hiệu đóng- mở, hoắc các tín hiệu là kết quả của tác động cơ học làm công tắc mở hoặc đóng. Loại công tắc này có thể được sử dụng để cho biết sự hiện diện của chi tiết gia công trên bàn máy, do chi tiết ép vào công tắc làm cho công tắc đóng. Sự vắng mặt củ a chi tiết gia công được biểu thị bằng công tắc mở và sự hiện hữu của chi tiết gia công được biểu thị bằng công tắc đóng. Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án Tốt Nghiệp 9 2.1.2 các bộ cảm biến. Hiện nay các bộ cảm biến được sử dụng rộng rãi trong việc đưa tín hiệu đầu vào của PLC. Có rất nhiều loại cảm biến. a) bộ cảm biến quang điện: Các thiết bị chuyển mạch quang điện có thể vận hành theo kiểu truyền phát, vật thể cần phát hiện sẽ chắn chùm sáng không cho chúng chiếu tới thiết bị dò hoặc theo kiểu phát xạ vật thể cần phát hiện sẽ phản chiếu chùm sáng lên thiết bị dò. Trong cả hai kiểu, cực phát bức xạ thông thường gọi là điốt phát quang (LED) thiết bị dò bức xạ có thể là các transistor quang thường là một cặp transistor. Cặp transistor này làm tăng độ nhạy của thiết bị tuỳ theo mạch được sử dụng đầu ra có thể được chế tạo để chuyển mạch đến mức cao hoặc mức thấp sau khi ánh sáng truyền đến transistor. Các bộ cảm biến được cung cấp dưới dạng các hộp cảm nhận sự có mặt của vật thể ở khoảng cách ngắn. b) Cảm biến nhiệt độ : Dạng đơn giản của cảm biến nhiệt độ có thể được sử dụng để cung cấp tín hiệu đóng – ngắt khi nhiệt độ đạt đến giá trị xác định đó là phần tử lưỡng kim. Phần tử này gồm hai dải kim loại khác nhau, ví dụ: đồng thau và sắt, được gắn với nhau. Hai kim loại này có hệ số dãn nở khác nhau. Khi nhiệt độ tăng dải lưỡng kim sẽ bị uốn cong do một trong hai kim loại có hệ số dãn nở nhiệt lớn hơn. khi nguội hiệu ứng uốn cong xảy ra theo chiều ngược lại. Sự chuyển động này của dải lưỡng kim có thể được sử dụng để ngắt các thiết bị tiếp xúc điện. c) Cảm biến áp suất: VËt thÓ Diode ph¸t quang ThiÕt bÞ dß quang häc VËt thÓ nguån s¸ng ThiÕt bÞ dß quang häc C¸c ch©n kÕt nèi ®iÖn [...]... sut 2.2.1 Mt s c cu iu khin, iu chnh trong h thng thu lc: Trong h thng du ộp, ngoi c cu bin i nng lng ra cũn cú rt nhiu loi c cu iu khin v iu chnh lm cỏc nhim v khỏc nhau, tựy theo cụng dng Cỏc c cu ú cú th c chia ra lm ba loi chớnh - C cu chnh ỏp - C cu chnh lu lng - C cu chnh hng a) C cu chnh ỏp C cu chnh ỏp dựng iu chnh ỏp sut, tc l c nh hoc tng, gim tr s ỏp sut trong h thng Van an ton hay van trn... khi u i tt Hình 3.24 Trong trng hp ny l EJP700 31 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip 3.5 B nh thi Trong nhiu tỏc v iu khin cú yờu cu iu khin theo thi gian, vớ d ng c hoc bm cú th c iu khin vn hnh trong khong thi gian xỏc nh, hoc c a vo vn hnh sau mt khong thi gian Do ú, cỏc PLC u cú cỏc b nh thi m tng phn dõy hoc dõy bng cỏch s dng cỏc ng h bờn trong CPU Cỏc nh sn xut PLC khụng thng nht v cỏch... no ú l hg trong ú l t trng ca cht lng v g l gia tc trng trng (hỡnh 2.4) Chất lỏng áp suất tác dụng Đồng hồ áp suất mng Hình 2.4 Các chân nối điện Hình 2.3 10 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip 2.2 Cỏc thit b xut Cỏc cng ra ca PLC cú kiu rle hoc b cỏch in quang vi cỏc kiu Transistor hoc triac tu theo cỏc thit b c kt ni vi chỳng s c úng hoc m Núi chung tớn hiu digital t kờnh sut ca PLC c s dng... Cỏc mi tờn trong cỏc ụ ch ng dn du qua cỏc ca Cỏc kớ hiu ging ch T trong ụ vuụng l ch ca du b chn b)Van o chiu 3 ca hai v trớ (3/2) c)Van o chiu 5 ca 2 v trớ 14 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip d) Van o chiu 5 ca 3 v trớ Mt s mụun c s dng trong h thng thu lc : A a B b a b P T Va n 4/2 15 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip A B o a b a b P T Van 4/3 16 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip... biu din ng cụng sut, cỏc mch c ni kt gia hai ng ny b- Mi nc thang xỏc nh mt hot ng trong quỏ trỡnh iu khin c- S thang c c t trỏi qua phi, t trờn xung Hỡnh 3.2 minh ho s quột do PLC thc hin Nấc 1 Nấc 2 20Nấc 3 Nấc 4 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip Nc th nht c c t trỏi sang phi, tip theo nc th hai c c t trỏi sang phi v.vkhi ch hot ng PLC s i t u n cui ca chng trỡnh thang, nc cui ca chng... ny s iu khin quỏ trỡnh Hin nay PLC c s dng rng rói trong cỏc h thng thu lc, chỳng dựng trong vic iu khin t ng cỏc van iu khin hng vn hnh bng solennoid Van ny c s dng iu khin hng lu thụng ca khớ nộn hay du ộp v cng c s dng vn hnh cỏc thit b khỏc, chng hn nh chuyn ng ca Piston trong xylanh Hỡnh 2.5 minh ho kiu van cun c s dng iu khin chuyn ng ca Piston trong xylanh Trong s trờn khớ nộn hoc du thy... hiu trong nc ú n ngừ ra 3.5.1 Cỏc loi ng h nh gi Trong cỏc PLC cú nhiu loi ng h nh gi nhng cú th chia chỳng thnh cỏc loi nh sau: ng h nh gi hot ng tr õy l loi ng h nh gi hot ng sau khong thi gian tr nht nh ng h nh gi ngng tr Loi ng h ny tip tc cho phộp cỏc tớn hiu tip tc hot ng trong khong thi gian xỏc nh trc khi dng ng h nh gi xung Loi ng h ny hot ng hoc ngng trong khong thi gian xung xỏc nh Trong. .. Van an ton dựng phũng s quỏ ti trong h thng du ộp Khi ỏp sut trong h thng vt quỏ mc iu chnh van, van an ton m ra a du v b du do ú ỏp sut gim xung Nhiu khi van an ton cũn lm nhim v gi ỏp sut khụng i trong h thng du ộp Trong trng hp ny van an ton úng vai trũ ca van ỏp lc hoc van trn x bt du tha v b du S kt cu v kớ hiu nh hỡnh 2.6 Hình 2.6 12 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip b) C cu iu chnh... d- Mi nc thang bt u vi mt hoc nhiu ngừ vo v kt thỳc vi ớt nht mt ngừ ra e- Cỏc thit b in c trỡnh by iu kin chun ca chỳng vỡ vy cụng tc thng m c trỡnh by trờn s thang trng thỏi m Cụng tc thng úng c trỡnh by trng thỏi úng f- Thit b bt k cú th xut hin trờn nhiu nc thang Vớ d cú th cú rle úng mch mt hoc nhiu thit b Cỏc mu t v/hoc cỏc s ging nhau c s dng ghi nhón mỏc cho thit b trong tng trng hp g-... hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip A B o a b a b P T Van 4/3 16 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip a) a b T t A P B p 17 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip Chng III 18 Trng i hc Bỏch Khoa H Ni - ỏn Tt Nghip LP TRèNH PLC Cỏc chng trỡnh dựng trong h thng da trờn b x lý phi c ti vo h thng theo mó mỏy, õy l chui s theo mó nh phõn biu din cỏc lnh chng trỡnh Tuy nhiờn, cú th s dng ngụn ng Assembly,