Giới thiệu về PLC - Phương pháp nghiên cứu- 123docz.net

6. Phương pháp nghiên cứu

2.2. Giới thiệu về PLC

2.2.1. Cơ sở lý thuyết của điều khiển bằng PLC

PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị logic lập trình được, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện được xác định bởi một chương trình được nạp vào bộ nhớ của PLC. Các thiết bị ngoại vi (cảm biến, nút ấn, công tắc nhạy, công tắc tơ, đèn tín hiệu…) đều được nối với PLC. Khi cần mở rộng hay thay đổi chức năng của bộ điều khiển ta chỉ việc thay đổi chương trình trong bộ nhớ nhờ lập trình lại.

Thực chất nó là một hệ vi xử lý có những ưu điểm mà các hệ vi xử lý khác không có được và được cài đặt sẵn hệ điều hành với chức năng có thể

lập trình điều khiển được. Bộ điều khiển lập trình PLC có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu chỉ tiêu như: Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển; Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa; Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất của các nhà máy; Kích thước nhỏ gọn… Mặt khác, PLC có khả năng kết nối mạng và kết nối các thiết bị ngoại vi rất cao giúp cho việc điều khiển được dễ dàng.

PLC ứng dụng để điều khiển Robot: Ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển Robot đưa vật liệu thiết bị vào băng tải, thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn. Ngoài ra, PLC có thể ứng dụng để giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, dây chuyền kiểm tra sản phẩm… bằng các sensor, công tắc hành trình.

2.2.2. Phần cứng 2.2.2.1 Hệ điều hành 2.2.2.1 Hệ điều hành

Chứa chương trình hệ thống dùng để xác định các cách thức thực hiện chương trình của người sử dụng, quản lý các đầu vào - ra, phân chia bộ nhớ RAM trong và quản lý dữ liệu.

2.2.2.2. Bộ nhớ chương trình

Lưu giữ chương trình điều khiển, khi PLC hoạt động nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được nghi trong bộ nhớ này.

2.2.2.3. Bộ đệm đầu vào ra (buffer)

Là vùng nhớ đệm cho các đầu vào ra, các vùng này chiếm một phần của RAM.

2.2.2.4. Bộ định thời (timmer), bộ đếm (counter)

Trong CPU có các bộ định thời, các bộ đếm có nhiều chức năng khác nhau, từ chục đến vài trăm

Timer: TON, TOFF, TOR… Counter: CT, CU, CD, CUD.

2.2.2.5. Vùng nhớ dữ liệu

Không giống như vùng nhớ chương trình.Vùng nhớ này được sử dụng lưu kết quả của chương trình người sử dụng.

Vùng nhớ bit hay còn gọi là nhớ cờ (Internal Relays) thường được ký hiệu là M được sử dụng lưu dữ liệu logic.

Vùng nhớ byte, word các vùng nhớ này có thể đọcđược ngoài ra còn có các vùng nhớ đặc biệt thường thêm ký kiệu S(special).

2.2.2.6. Bộ vi xử lý CPU

Bộ vi xử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình để thực hiện một cách tuần tự theo chương trình.

2.2.2.7. Bus vào ra

Trong PLC dữ liệu trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Module vào ra thông qua bus vào ra. Hệ thống bus được chia làm 3 loại: Bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển.

2.2.3. Chế độ làm việc và vòng quét

Các PLC đều có cấu trúc cơ bản, gồm các khối:

+ Khối xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit). Trong khối này có bộ nhớ, bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý với cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PG (Programmer) là bộ lập trình.

+ Khối đầu vào (hoặc ghép nhiều khối đầu vào). + Khối đầu ra (hoặc ghép nhiều khối đầu ra).

+ Khối nguồn: Cấp nguồn nuôi cho các khối của PLC.

2.2.3.1. Chế độ làm việc

- Chế độ nghỉ (Stop mode): Ở chế độ này dừng không sử lý các chương trình điều khiển và người lập trình có thể cài đặt chương trình điều khiển từ máy PC sang PLC hoặc ngược lại.

- Chế độ chạy (Run mode): Ở chế độ này PLC thực hiện chế độ điều khiển và làm việc theo chu trình vòng quét:

- Chế độ làm việc trung gian giữa chế độ chạy và chế độ nghỉ, khi ở chế độ này (Term) thì ta có thể chuyển sang chế độ RUN hoặc STOP bằng phần mềm (bấm chuột trên thanh công cụ trên màn hình PC).

- Lỗi (Erro): Là một chế độ làm việc đặc biệt để báo lỗi chương trình, truyền thông hoặc phần cứng vật lý của hệ thống.

2.2.3.2. Vòng quét (Scan)

Hình 2.4: Sơ đồ vòng quét.

2.2.4. Các thiết bị phụ trợ

Là các thành phần: Phần cứng, phần mềm giúp PLC giao tiếp với con người và đối tượng điều khiển hay với một thiết bị điều khiển khác.

2.2.4.1. Phần cứng

+ Máy tính (PC).

+ Cáp truyền thông giữa PC và PLC. + Card truyền thông.

+ Máy quét (scaner). + Cảm biến (Sensor). ………..

2.2.4.2. Phần mềm

Để lập trình PLC thì chúng ta sử dụng các phần mềm chuyên dụng của các hãng sản xuất và phù hợp với loại PLC chúng ta dùng.

Ví dụ: Step 7, GX, WinLDR, SysWin, RSlogix 500…

Scan Time

Dữ liệu từ DI/AI vào vùng đệm đầu vào

Thực hiện chương trình

Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Đưa dữ liệu từ bộ

đệm tới đầu ra

2.2.5. Ngôn ngữ lập trình

Một số phần mềm lập trình hỗ trợ cả 3 ngôn ngữ lập trình STL, LAD, FBD nhưng phần còn lại chỉ thường hỗ trợ 1 hoặc 2 ngôn ngữ LAD và STL.

- STL (Statement List): Liệt kê lệnh.

- LAD (Ladder Diagram): Ngôn ngữ hình thang. - FBD (Function Block Diagram): Khối chức năng.

2.2.6. Cấu trúc chương trình điều khiển 2.2.6.1. Chương trình tuyến tính

Toàn bộ chương trình điều khiển được viết trong một khối lớn.Tính thời gian thực không cao vì trên một vòng quét PLC phải thực hiện tất cả các lệnh được viết trong chương trình. Phương án viết chương trình tuyến tính thường được lựa trọn khi mới làm quen lập trình. Chỉ nên áp dụng cho các bài toán nhỏ.

Ưu điểm: Quan sát toàn bộ chương trình điều khiển một cách dễ dàng đối với chương trình nhỏ, ngắn.

Nhược điểm: Các thuật toán lặp lại nhiều lần thì sơ đồ cấu trúc tuyến tính không phù hợp với những bài toán phức tạp trở nên khó quan sát được toàn bộ, thực hiện mất nhiều thời gian, tính thời gian thực bị ảnh hưởng.

2.2.6.2. Chương trình có cấu trúc

Ngoài chương trình chính (Main Programme) thì có các chương trình con (Subroutine). Chương trình con được gọi bởi các chương trình chính hoặc một chương trình con khác. Mỗi chương trình con thường được viết để thực hiện một chức năng và có thể được chương trình mẹ gọi tới nhiều lần trong một vòng quét. Tổ chức chương trình mẹ đơn giản, có thể thời gian của vòng quét được rút gắn. Chương trình rễ hiểu, dễ bảo chì…

- Ưu điểm: Giải quyết nhiều bài toán lớn có cấu hình phức tạp tính thời gian thực cao hơn…

- Nhược điểm: Khó quan sát và giám sát được hệ thống khi nó đang làm việc.

2.2.6.3 Lập trình cho PLC

PLC thực hiện điều khiển một máy hay một dây chuyền sản xuất khi được cung cấp một chương trình lập ra bởi người sử dụng. Chương trình này được viết trên máy lập trình PG qua bàn phím rồi sau đó được chuyển hoặc nạp vào bộ nhớ chương trình của PLC.

Máy lập trình thế hệ mới là những hệ máy vi tính với các bộ vi xử lý mạnh. Máy lập trình có bàn phím để người sử dụng đưa vào các lệnh hoặc chương trình và một màn hình để theo dõi chương trình nạp. Khi chương trình đã hoàn chỉnh, máy lập trình sẽ dịch chương trình ra một ngôn ngữ mà PLC có thể hiểu được (mã máy riêng) rồi chuyển chương trình này vào bộ nhớ của PLC.Mã máy chỉ dùng trong PLC. Chương trình do người sử dụng thiết lập theo một ngôn ngữ khác, dễ hiểu và dễ thực hiện hơn.

Chương trình được lập bằng cách nhập tuần tự các lệnh. Các lệnh cơ bản là không thể thiếu trong hầu hết các chương trình. Mỗi lệnh tương ứng với một phím trên bộ lập trình.

Để lập chương trình vào PLC, phải gán tương ứng các phần tử đầu vào S1, S2, S3, S4 với các đầu vào nào đó của PLC và gán phần tử đầu ra K với đầu ra của PLC (Xem hình 2.5).

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP

3.1. Cơ khí

Hình 3.1: Bản vẽ mô hình dây chuyền.

Mô hình dây chuyền lắp ráp tự động trên băng chuyền (Hình 3.1) gồm hai khối chính là khối băng chuyền và khối tay quay . Khối băng tải thực hiện nhiệm vụ chuyền sản phẩm còn khối tay quay thực hiện nhiệm vụ lấy và cấp sản phẩm.

3.1.1. Khối băng chuyền

Hình 3. 2: Hình chiếu bằng khối băng tải.

Băng tải 2

Khối băng tải gồm 2 đường băng , băng tải 1 và băng tải 2, có chiều dài

30 cm, rộng 2cm. Phía trên các băng tải có đặt các chậu đựng vật (Hình 3.2).

Khối băng tải chuyển động nhờ một động cơ DC, để vận chuyển các chậu nhỏ bên trên theo một chiều. Các chậu nhỏ được thiết kế để chứa sản phẩm đảm bảo cho sản phẩm không bị trượt, rơi khỏi băng tải khi băng tải chuyển động. Băng tải 1, chứa các chậu nhận sản phẩm.

Băng tải 2, chứa các chậu có sản phẩm để chuyển qua cho băng tải 1.

Khối băng tải sẽ chạy và dừng lại sau thời gian delay. Khi băng tải dừng lại, hoặc sản phẩm ở các chậu trên băng tải 2 được vận chuyển đi (hút đi), hoặc các chậu trên băng tải 1 được cấp sản phẩm vào (nhả vào).

3.1.2. Khối tay quay

Khối tay quay gồm các phần chính là: Động cơ DC, tay với và nam châm điện.

Hình 3.3: Tay quay

Động cơ DC được điều khiển để quay theo hai chiều, chiều thuận là chiều kim đồng hồ (sang phải) và chiều ngược là chiều ngược chiều kim đồng hồ (sang trái), để đảo chiều quay của động cơ trong thiết kế sử dụng mạch cầu H (hình 3. 9).

Tay với là một thanh kim loại một đầu gắn với động cơ, đầu kia gắn nam châm điện.

Nam châm điện trong thiết kế chính là cuộn dây của Role, khi được cấp điện nam châm sẽ hút sản phẩm, khi không được cấp điện nam châm sẽ nhả sản phẩm.

Khi động cơ quay thuận, tay với tới vị trí chậu chứa sản phẩm trên băng tải 1, dừng lại (lúc này băng tải đã dừng), nam châm điện đang được cấp điện sẽ bị ngắt điện, mất từ tính và nhả sản phẩm vào chậu đựng trên băng tải. Khi động cơ quay ngược, tay với tới vị trí chậu chứa sản phẩm trên băng tải 2,dừng lại (lúc này băng tải đã dừng), nam châm điện đang ngắt sẽ được cấp điện và hút sản phẩm trong chậu.

Động cơ được điều khiển quay thuận, quay ngược theo một chu trình lặp lại vì vậy sản phẩm luôn được vận chuyển từ băng tải 1 sang băng tải 2. Nhận xét chung: Khi chạy chương trình ta có thể quan sát một cách dễ dàng các thao tác đang được thực hiện trên dây chuyền và vị trí các cơ cấu trên dây chuyền đó. Vì thế có thể dễ dàng nhận biết các sự cố và khắc phục. 3.2. Mạch điện 3.2.1. Khối mạch nguồn 220v 12v +5V 7085 OUT GND VIN + C1 1000uF Hình 3.4:Khối mạch nguồn

Mạch nguồn (Hình 3. 4) sử dụng máy biến áp 220V- 12V, hạ áp điện áp xoay chiều 220V xuống điện áp xoay chiều 12V. Điot cầu được sử dụng để chỉnh lưu dòng xoay chiều 12V thành dòng một chiều 12V cấp điện cho động cơ. IC ổn áp, IC7805 đảm bảo đầu ra +5V cung cấp nguồn nuôi cho vi điều

khiển. Mạch ổn áp là cần cho vi điều khiển vì nếu nguồn cho vi điều khiển không ổn định thì sẽ treo vi điều khiển, không chạy đúng, hoặc reset liên tục, thậm chí là chết chip.

Tụ C1= 1000F, có tác dụng lọc nguồn, san bằng độ gợn sóng. Chân số 40 của vi điều khiển được nối với nguồn +5V.

3.2.2. Khối Reset

Khối Reset được nối với chân số 9 của vi điều khiển, thiết lập trạng thái ban đầu cho hệ thống (Reset hệ thống). Ngõ vào Reset tác động ở mức cao trong khoảng thời gian hai chu kỳ xung máy, sau đó xuống mức thấp để 8051 bắt đầu làm việc. Reset có thể kích bằng tay sử dụng phím nhấn thường hở S (Hình 3. 5). 9 RST 8051 + C4 10uF S +V 5 1 k R1 Hình 3.5:Mạch Reset 3.2.3. Khối tạo dao động

Mạch dao động bên trong chip 8051 được ghép với thạch anh bên ngoài

nhờ hai chân 18 và 19 của nó (Hình 3. 6).

XTAL2 19 XTAL1 18 8051 C2 33pF 12HZ C3 33pF Hình 3.6 : Mạch tạo dao động.

3.2.4. Khối mạch điều khiển nam châm điện

1 k R7 RLY212V +V 12 D1 T5 C2335 +V 5 RLY1 5V 1k R6

Hình 3.7: Mạch điều khiển nam châm điện

Mạch điều khiển nam châm điện sử dụng Tranzitor nghịch T5 – C2335, Role thường mở 5V, loại 2 tiếp điểm, điện trở R6= 1K định thiên cho cực B của Tranzitor và được nối ra port điều khiển P0. 3. Nam châm điện chính là cuộn dây của Role 2. Led D1 hiển thị trạng thái mạch. R7= 1K điện trở phân áp.

Khi ngõ điều khiển P0.3 được treo ở logic 1 (mức 5V), Tranzitor T5 mở, cuộn dây Role 1 trở thành nam châm điện hút tiếp điểm động. Tiếp điểm của Role 1 ở trạng thái thường mở sẽ được đóng và mạch Role 2 kín, cuộn dây của Role 2 trở thành nam châm điện (hút). Khi ngõ này được treo ở mức 0 (mức 0V), Tranzitor T5 khóa, mạch hở, không hình thành nam châm điện (nhả).

31 1 k R4 1k R5 M1 RLY3 5V +V 5 T6 C2335 D5 +V 12

Hình 3. 8: Mạch điều khiển động cơ sử dụng Role

Khi ngõ điều khiển P0. 0 được treo ở logic 1 (mức 5V), Tranzitor T6 mở , cuộn dây Role 1 trở thành nam châm điện hút tiếp điểm động. Tiếp điểm của Role 1 ở trạng thái thường mở sẽ được đóng và mạch cho động cơ kín,động cơ M1 hoạt động. Khi ngõ này được treo ở mức 0 (mức 0V),

Tranzitor T6 khóa, mạch hở, động cơ M1 ngừng hoạt động. 3.2.6. Khối mạch điều khiển động cơ sử dụng mạch cầu H

Mạch cầu H là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện. Nó được gọi là mạch cầu H vì mạch này có hình chữ cái H.Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng Role (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung vào 3 loại linh kiện này. Trong thiết kế này, các khóa của mạch cầu H sử dụng npn BJT – C2335.

BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo.

Tuy là được tạo nên từ các bán dẫn tạp chất nhưng nồng độ tạp chất của các lớp trong npn BJT rất khác nhau. Lớp E rất “giàu” hạt dẫn, kế đến là lớp C và lớp B thì lại rất ít hạt dẫn và rất mỏng.Khi điện áp cực B lớn hơn điện áp cực E, tiếp xúc p-n giữa B và E được phân cực thuận. Dòng electron từ E (vốn có rất nhiều do cách pha tạp chất) ào ạt “chảy” về B, trong khi lớp B (bán dẫn loại p) vốn rất mỏng và nghèo hạt dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E sẽ “tràn” qua cực C và đi về nguồn. Chiều của dòng điện sẽ ngược lại chiều của dòng electron (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều electron). Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B đã gây ra dòng điện từ cực C về E.

Một chú ý khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT là “tải” phải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch E chung.

P0.1 P0.2 330 R2 330 R3 T2 C2335 T4 C2335 T1 C2335 +V 12 +V 12 M2 T3 C2335

Hình 3.9: Mạch điều khiển động cơ sử dụng mạch cầu H.