5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
2.4.1 Bộ điều khiển
2.4.1.1 Điều khiển bằng plc
a) Định nghĩa PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được). Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình. Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật Bản), Mitsubishi (Nhật Bản), Delta (Đài Loan) ...
Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List - Liệt kê lệnh) và Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất
Hình 2. 6 Bộ điều khiển PLC
Ngày nay các hệ thống điều khiển hiện đại không thể thiếu PLC, nó được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tự động hóa, phục vụ cho nhiều ngành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, dây chuyền băng tải…vv
b) Cấu trúc bên trong PLC
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM
- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán - Các module tín hiệu vào / ra
Hình 2. 7 Cấu trúc PLC
c ) Nguyên lí hoạt động PLC
Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (như các sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn.
Hình 2. 8 Nguyên lí hoạt động
Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle).
Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms- 100ms). Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
Ưu Điểm:
- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao. - Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị ngoại vi.
Nhược điểm:
- Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình. - Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao.
2.4.1.2 Điều khiển bằng vi điều khiển
a) Vi điều khiển là gì ?
Là một máy tính được tích hợp trên một con chip (single chip microcomputer) được tạo ra qua VLSI. Vi điều khiển cũng được gọi là bộ điều khiển nhúng bởi vì vi điều khiển và các mạch điện hỗ trợ được tích hợp hoặc nhúng vào thiết bị mà nó kiểm soát. Vi điều khiển có nhiều bit khác nhau giống như vi xử lý (cho đến nay thì có các loại vi điều khiển 4bit, 8bit, 16bit, 32bit, 64bit và 128 bit)
Bên trong vi điều khiển chứa đầy đủ tất cả các tính năng cần thiết cho một hệ thống máy tính và các chức năng như một máy tính mà không cần thêm các bộ phận kỹ thuật số bên ngoài.
Hầu hết các chân trong chip vi điều khiển có thể được lập trình bởi người dùng.
b) Cấu tạo vi điều khiển
Hình 2. 9 Cấu tạo vi điều khiển
CPU
CPU là bộ não của vi điều khiển. CPU chịu trách nhiệm tìm nạp lệnh, giải mã và thực thi. CPU kết nối tất cả bộ phận của vi điều khiển vào một hệ thống duy nhất. Chức năng chính của CPU là tìm nạp và giải mã lệnh. Lệnh được lấy từ bộ nhớ chương trình sau đó được CPU giải mã.
Bộ nhớ
Chức năng bộ nhớ trong vi điều khiển giống như bộ vi xử lý. Nó được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình. Vi điều khiển thường có một lượng RAM và ROM nhất định (EEPROM, EPROM…) hoặc bộ nhớ flash để lưu trữ mã nguồn chương trình.
Cổng đầu vào / đầu ra
Cổng đầu vào / đầu ra được sử dụng chủ yếu điều khiển hoặc giao tiếp các thiết bị như màn hình LCD, đèn LED, máy in, bộ nhớ…cho vi điều khiển.
Cổng nối tiếp
Cổng nối tiếp tạo ra giao diện nối tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác như cổng song song.
Bộ đếm thời gian / bộ đếm
Đây là một trong những chức năng hữu ích của vi điều khiển. Một vi điều khiển có thể có nhiều bộ đếm thời gian và bộ đếm. Bộ đếm thời gian và bộ đếm có chức năng đếm thời gian và đếm bên trong vi điều khiển. Hoạt động chính của bộ phận này là làm chức năng đồng hồ, phát xung, đo tần số, tạo ra dao động… Nó cũng được sử dụng để đếm xung bên ngoài.
Bộ chuyển đổi ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng digital. Tín hiệu đầu vào trong bộ chuyển đổi này phải ở dạng analog (ví dụ: đầu ra cảm biến) và đầu ra từ thiết bị này ở dạng digital. Đầu ra digital có thể được sử dụng cho các ứng dụng kỹ thuật số (ví dụ: các thiết bị đo lường).
Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC)
Hoạt động của DAC là đảo ngược của ADC. DAC chuyển đổi tín hiệu digital thành định dạng analog. Nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị analog như động cơ DC, các ổ đĩa…
Điều khiển ngắt
Điều khiển ngắt được sử dụng để ngắt (trễ) một chương trình làm việc. Việc ngắt có thể ở bên ngoài (được kích hoạt bằng cách sử dụng chân ngắt) hoặc bên trong (bằng cách sử dụng lệnh ngắt trong khi lập trình).
Khối chức năng đặc biệt
Một số vi điều khiển chỉ được sử dụng cho một số ứng dụng đặc biệt (ví dụ: hệ thống không gian và rô bốt) các bộ điều khiển này có chứa các cổng bổ sung để thực hiện các hoạt động đặc biệt đó. Đây được coi là khối chức năng đặc biệt.
c) Ưu và nhược điểm :
Ưu điểm:
- Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính không có bất kỳ bộ phận kỹ thuật số nào.
- Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và kích thước của hệ thống.
- Việc sử dụng vi điều khiển rất đơn giản, dễ khắc phục sự cố và bảo trì hệ thống. - Hầu hết các chân được lập trình bởi người dùng để thực hiện các chức năng khác
nhau.
- Dễ dàng kết nối thêm các cổng RAM, ROM, I / O. - Cần ít thời gian để thực hiện các hoạt động.
Nhược điểm:
- Vi điều khiển có kiến trúc phức tạp hơn so với vi xử lý. - Chỉ thực hiện đồng thời một số lệnh thực thi giới hạn. - Chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị vi mô.
- Không thể trực tiếp giao tiếp các thiết bị công suất cao.
Hình 2.10: PLC Siemens S7-1200
S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200. So với S7-200 thì S7- 1200 có những tính năng nổi trội hơn, được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200. Cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. (Tìm hiểu tại tài liệu tham khảo [2])
Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:
- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.
- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển module trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm.
- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP. - Bổ sung 4 cổng Ethernet.
- Module nguồn PS1207 ổn định, dòng điện áp 115/230VAC và điện áp 24VDC.
Hình 2.11: Các loại PLC S7-1200
Trong đề tài này, để đảm bảo số lượng đầu vào và đầu ra, chúng em sử dụng 1 PLC S7-1200, CPU 1215C DC/DC/DC với 14 đầu vào và 10 đầu ra.
Thông số kỹ thuật:
- SIMATIC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC. - 2 PROFINET PORT.
- ONBOARD I/O: 14 DI 24V DC; 10 DO 24V DC 0.5A; 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0- 20mA DC.
- POWER SUPPLY: DC 20.4 – 28.8V DC.