Động cơ điện ba pha trong hệ thống này cần điều khiển một số các yếu tố nh sau:
+ Chiều của động cơ, bao gồm: chiều thuận (là chiều làm cho cơ cấu chuyển động theo chiều dơng trục X), và chiều nghịch (là chiều làm cho cơ cấu chuyển động theo chiều âm trục X).
+ Tốc độ của động cơ, ở đây chỉ yêu cầu điều khiển hai tốc độ: một tốc độ nhanh để công tác, một tốc độ chậm đợc dùng trớc khi phanh dừng động cơ.
Động cơ ba pha đợc điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi tần số dòng điện đầu vào. ứng với một tần số của dòng điện vào sẽ có một tốc độ của động cơ. Chiều quay của động cơ đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi các đầu nối dây của động cơ với nguồn.
Trớc đây việc thay đổi và điều khiển tốc độ của động cơ điện xoay chiều ba pha là một vấn đề khó khăn nhng đến nay với khoa học công nghệ phát triển thì điều đó không còn là vấn đề nữa.
Để điều khiển động cơ một cách dễ dàng, ta sử
dụng một thiết bị có tên gọi là INVERTER hay còn gọi là bộ biến tần. Lựa chọn một bộ INVERTER phù hợp cần
phải căn cứ vào các thông số kỹ thuật của động cơ nh:
82
công suất, dải tần làm việc, điện áp định mức, ….Động cơ đang sử dụng có các thông số kỹ thuật nh sau:
GEARED MOTOR (MITSUBISHI)
0,2KW 3 phase Volt 200 200 220 Hz 50 60 60 AMP 1.3 1.15 1.15 RPM 150 180 180 GEAR RATIO 1:10
Trong motor đợc tích hợp hệ thống phanh hãm để dừng động cơ đúng vị trí cần thiết.
Dựa vào các thông số kỹ thuật của động cơ nhận thấy: động cơ sử dụng nguồn điện 3 pha 220V, cờng độ dòng điện sử dụng: 1,15ữ1,3A, công suất động cơ 0,2Kw. Sau khi tính toán, tìm hiểu các loại biến tần ba pha, chọn INVERTER của hãng OMRON (một hãng rất phong phú về các thiết bị điều khiển) có model: 3G3MV-A2007 với các thông số:
Input : AC3PH 200-230V 50/60Hz 3.9A
Output: AC3PH 0-230V 0-400Hz 3A 1.1KVA
INVERTER model 3G3MV-A2007 có các đầu nối dây tiêu chuẩn sử dụng nh sơ đồ:
83
Hình 5-4: Các đầu dây tiêu chuẩn của INVERTER
Trong số đó chúng ta chỉ sử dụng một số đầu nối phục vụ cho mục đích của chúng ta nh sau:
+ 3 đầu nối nguồn vào 3pha - 220V (R/L1,S/L2,T/L3)
+ 3 đầu điện áp ra 3pha - 220V (U/T1,V/T2,W/T3) nối với động cơ
+ Hai đầu B1, B2 nối với điện trở phanh. + Các đầu vào đa chức năng S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 và đầu vào chung logic trình tự
84
SC. Các đầu vào đa chức năng này sẽ đợc đặt làm các đầu điều khiển chiều quay và tốc độ.
Hình 5-5: Sơ đồ nối dây INVERTER điều khiển động cơ
ở đây chúng ta chỉ sử dụng một số đầu vào đa chức năng để làm tín hiệu điều khiển:
- S1 làm tín hiệu quay ngợc (Revert) - S2 làm tín hiệu quay thuận (Forward)
- S7 làm tín hiệu tốc độ chậm (Slow speed) (tín hiệu này phải đợc kết hợp với S1 hoặc S2)
+ Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MA (thờng mở) + Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MB (thờng đóng)
+ Đầu ra chung tiếp điểm đa chức năng MC (chung cho MA và MB)
Phanh động cơ (Brake) sử dụng điện 220VAC đợc điều khiển thông qua một rơle 24VDC. Rơle này đợc nối với đầu ra tiếp điểm đa chức năng nh sơ đồ hình 3-11
Phanh động cơ có trạng thái hoạt động nh sau:
85
+ Khi không có điện áp vào thì phanh động cơ ở trạng thái phanh (dừng động cơ).
+ Khi có điện áp vào thì phanh động cơ ở trạng thái nhả phanh (cho phép động cơ chạy).
f) Tổng kết các tín hiệu điều khiển.
+ 3 tín hiệu điều khiển INVERTER kí hiệu : S1, S2, S7 + 1 tín hiệu điều khiển pitton trục Y kí hiệu : PY
+ 1 tín hiệu điều khiển pitton trục Z kí hiệu : PZ
+ 2 tín hiệu điều khiển pitton quay kí hiệu : P(Up), P(Dn) + 1 tín hiệu điều khiển pitton kẹp kí hiệu : Pk
Nh vậy tổng cộng có 8 tín hiệu điều khiển.
Iv. Điều khiển PLC
Giới thiệu chung.
Sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong những năm gần đây đã dẫn đến sự phát triển thiết bị điều khiển logic khả lập trình_PLC, và tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển.
PLC ( Programmable Logical Controller ) là bộ điều khiển logic khả lập trình, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic, thông qua ngôn ngữ lập trình. ở đây ngời dùng có thể lập trình một cách linh động để điều khiển các thiết bị ra nh mong muốn, dựa trên tác động của tín hiệu vào. Sau khi chơng trình đợc lập xong ta có thể lu vào bộ nhớ của PLC và PLC có nhiệm vụ thực hiện chơng trình đó một cách tự động khi có tín hiệu đầu vào thích ứng.
PLC là một thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý (microprocessor) sử dụng bộ nhớ lập trình đợc để lu trữ và thực hiện các chức năng nh phép tính logic, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình.
86
PLC đợc thiểt kế cho phép ngời sử dụng không cần kiến thức chuyên sâu về máy tính và ngôn ngữ máy tính củng có thể vận hành đợc.
PLC đã đợc các nhà thiết kế lập trình sẵn sao cho chơng trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản. ở đây thuật ngữ logic đợc sử dụng vì hầu hết việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic thực thi và chuyển mạch. Các thiết bị nhập có thể là công tắc tơ, cảm biến, bàn phím vv... Các thiết bị xuất trong hệ thống đợc điều khiển nh động cơ, các van vv...đợc nối kết với PLC. Khi ta nhập chơng trình vào bộ nhớ của PLC, thiết bị điều khiển sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chơng trình này và thực hiện các bớc điều khiển đã đợc lập trình.
Hình 2-14: Thiết bị điều khiển logic lập trình
u điểm nổi bật của PLC là tính linh hoạt. Chúng ta có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển ngời vận hành chỉ cần thay đổi chơng trình mà không cần mắc nối lại các thiết bị của hệ thống. Chính vì u điểm này mà PLC đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
PLC đầu tiên xuất hiện vào năm 1969. Ngày nay chúng đợc sử dụng rất phổ biến, từ các thiết bị nhỏ, độc lập sử dụng khoảng 20 đầu vào/ ra digital, đến các hệ thống nối ghép theo module có thể sử dụng rất nhiều đầu vào/ ra, xử lý các tính hiệu digital hoặc analog. Ngoài ra PLC còn có thể điều khiển tỷ lệ, tích phân, đạo hàm… 1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống PLC. ChƯơng trình PLC Tín hiệu vào Tín hiệu ra 87
Một hệ thống PLC thờng có 5 bộ phận cơ bản, bộ xử lý trung tâm(CPU), bộ nhớ, bộ nguồn, thiết bị lập trình và các giao diện nhập/xuất.
• Bộ xử lý trung tâm: Là thiết bị chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín
hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chơng trình đã đợc lu trong bộ nhớ của CPU, đồng thời phát các tín hiệu điều khiển các thiết bị xuất. Đây là nơi xử lý mọi hoạt động của PLC, bao gồm cả viêc thực hiện chơng trình.
• Bộ nhớ: Là nơi lu giữ các chơng trình đợc sử dụng cho các hoạt động
điều khiển và các trạng thái nhớ trung gian trong quá trình thực hiện, bộ nhớ chịu sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
• Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ xoay chiều(AC) thành
điện áp 1 chiều(DC - 5V, 24V) cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong thiết bị nhập và xuất.
• Thiết bị lập trình: Đợc sử dụng để lập các chơng trình cần thiết. Các
chơng trình này đợc chuyển đến và lu trên bộ nhớ của PLC.
• Các phần tử nhập và xuất: Là nơi mà bộ xử lý nhận các tín hiệu từ
các thiết bị ngoại vi và cấp tín hiệu điều khiển đến các thiết bị bên ngoài. Các tín hiệu vào có thể là các công tắc cơ, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lu lợng vv... Còn tín hiệu điều khiển các thiết bị ra có thể là động cơ, các van vv... Nguồn công Bộ xử lý trung tâm(CPU ) Giao diện nhập Bộ nhớ Thiết bị lập trình Giao diện xuất Hình 2-15: Hệ thống PLC. 88
2. Cấu trúc chung của bộ PLC.
Hệ thống PLC có hai kiểu cấu trúc thông dụng đó là: kiểu hộp đơn và kiểu
module nối ghép. Kiểu hộp đơn thờng đợc sử dụng cho các thiết bị kiểu điều khiển
lập trình cỡ nhỏ và đợc cung cấp dới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh bao gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị nhập/ xuất.
Các ngõ ra Các ngõ vào
ổ cắm cáp từ thiết bị lập trình
Hình 2-16: PLC kiểu hộp đơn.
Kiểu module gồm các module riêng biệt cho từng bộ phận, nh module nguồn, module xử lý, các module nhập và xuất. Chúng đợc lắp trên các rãnh bên trong hộp kim loại. Kiểu module có thể đợc sử dụng cho các thiết bị lập trình với mọi kích cỡ. Có nhiều bộ chức năng khác nhau đợc gộp vào các module riêng biệt, có thể đợc cắm vào ổ cắm trên rãnh chính. Sự phối hợp các module cần thiết tuỳ theo nhu cầu sử dụng của ngời dùng, có thể tuỳ chọn các module cần thiết cho việc điều khiển từng thiết bị thích hợp. Vì vậy kiểu này khá linh hoạt, cho phép chúng ta mở rộng số lợng đầu nối nhập/xuất bằng cách bổ sung các module nhập/xuất hoặc tăng cờng bộ nhớ bằng cách tăng thêm các đơn vị nhớ.
89
Bộ
nguồn CPU
Các module xuất Các module nhập
Cổng nối kết với thiết bị lập trình
Hình2-17: PLC kiểu module nối ghép.
Các chơng trình đợc đa vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình, thiết bị này không nối kết cố định với PLC, và có thể chuyển từ thiết bị điều khiển này sang thiết bị điều khiển khác mà không làm đảo lộn các hoạt động của chơng trình. PLC có thể vận hành độc lập mà không cần kết nối với thiết bị lập trình, khi chơng trình đã đợc lập và tải vào bộ nhớ của PLC.
Các thiết bị lập trình PLC có thể là thiết bị cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy tính. Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng. Các thiết bị để bàn có thể có bọ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và màn hình hiển thị. Một số các PLC đòi hỏi máy tính phải có phần mềm tơng ứng, số khác chỉ cần thẻ mạch truyền thông chuyên dùng để giao tiếp với PLC. Việc lập chơng trình trên máy tính có u điểm là dễ dàng trong việc sao lu, dễ dàng kiểm tra lỗi logic trong lập trình khi chạy kiểm tra.
3. Cấu trúc bên trong 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 đợc trang bị đồng hồ có tần số khoảng 1 đến 8MHz, tần số này quyêt định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp
90
chuẩn bị thời gian và đồng bộ hoá tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC đợc truyền dới dạng tín hiệu digital gọi là các bus. Chúng có thể là các vệt dẫn trên bảng mạch in hoặc củng có thể là các dây điện trong cáp bẹ. CPU sử dụng các bus dử liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ các vị trí truy cập dữ liệu đợc lu dữ và bus điều khiển dẫn các tín hiệu điều khiển nội bộ. Bus hệ thống đợc sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập/xuất.
Bus địa chỉ Bus điều khiển
Bus dữ liệu RAM chƯơng trình ngƯơì dùng ROM hệ thống RAM dữ liệu Thiết bị nhập/xuất CPU N gu ồn Đ ôn g h ồ Bộ đệm Khoá Bộ truyền động Khớp nối quang Giao diện bộ truyền động Các kênh nhập Các kênh xuất Bus hệ thống I/O Panel chƯơng trình
Hình 2-18: Cấu trúc bên trong của PLC
CPU
Cấu hình của CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, CPU gồm có: Bộ thuật toán và
logic(ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học và các
phép toán logic.
Bộ nhớ hay còn gọi các thanh ghi bên trong bộ xử lý, đợc sử dụng để lu trữ
thông tin liên quan đến việc chạy chơng trình.
91
Bộ điều khiển đợc sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán.
Bus
Bus là các đờng dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin đợc truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mổi bit là một số nhị phân 0 hoặc 1 t- ơng ứng với trạng thái on/off. Thuật ngữ từ đợc sử dụng cho nhóm bít tạo thành thông tin nào đó. Vì vậy mỗi từ 8 bit này có thể là số nhị phân(00100110), cả 8 bít này đợc truyền đồng thời theo dây song song của chúng.
Hệ thống PLC gồm có bốn bus sau:
- Bus dữ liệu(Data Bus) tải dữ liệu đợc sử dụng trong quá trình xử lý
của CPU. Nó là đờng truyền qua lại giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Bộ xử lý 8 bít có một bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8 bít, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8 bít và phân phối kết quả theo giá trị 8 bit.
- Bus địa chỉ(Address Bus) đợc sử dụng để tải địa chỉ các vị trí trong
bộ nhớ. Nh vậy mổi từ có thể đợc định vị trong bộ nhớ, mổi vị trí nhớ đợc gán một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí đợc gán một địa chỉ sao cho dữ liệu đợc lu trữ ở vị trí nhất định, để CPU có thể đọc hoặc gi ở đó. Bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ đợc truy cập. Nếu bus địa có 8 đờng truyền thì số lợng địa chỉ sẽ là 28 = 256 địa chỉ. Còn nếu bus có 16 đờng truyền thì số lợng địa chỉ là 216 = 65536 địa chỉ.
- Bus điều khiển(Control Bus) dùng để truyền các tín hiệu của bộ điều
khiển, tín hiệu đợc CPU sử dụng để điều khiển các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập/xuất và tải các tín hiệu chuẩn thời gian đợc dùng để đồng bộ hoá các hoạt động.
- Bus hệ thống(System Bus) đợc dùng để truyền thông giữa các cổng
nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất.
Bộ nhớ
Trong hệ thống PLC có rất nhiều bộ nhớ nh: ROM, RAM, EFROM ...
92
- ROM (Bộ nhớ chỉ đọc) cung cấp dung lợng nhớ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định đợc CPU sử dụng. ROM không bị mất dữ liệu khi mất điện.
- RAM (Bộ nhớ truy cập ngẩu nhiên) dành cho chơng trình của ngời dùng và đồng thời là nơi lu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ định giờ, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liêu đôi khi còn đợc coi là bảng dữ liệu hay bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này dành cho các địa chỉ của ngỏ vào và ngỏ ra cùng với trạng thái của ngỏ vào và ngỏ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu đợc cài đặt trớc, và một phần khác dành để lu trữ các giá trị của bộ đếm, đồng hồ định giờ vv...Đây là bộ nhớ sơ cấp, trong đó các chỉ lệnh chơng trình và dữ liệu đợc lu trữ sao cho bộ xử lý trung tâm(CPU) có thể truy cập trực tiếp vào chúng thông qua bus dữ liệu cao tốc của bộ xử lý đó. CPU có thể đọc và ghi dữ liệu từ RAM. Khi mất điện các nội dung trên RAM sẽ bị mất.