3.1.1 PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bịđiều khiển lập trỡnh, được thiết kế chuyờn dụng trong cụng nghiệp để điều khiển cỏc tiến trỡnh xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tựy thuộc vào người điều khiển mà nú cú thể thực hiện một loạt cỏc chương trỡnh hoặc sự kiện, sự kiện này được kớch hoạt bởi tỏc nhõn kớch thớch (hay cũn gọi là đầu vào) tỏc động vào PLC hoặc qua cỏc bộđịnh thời (timer) hay cỏc sự kiện được đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kớch hoạt nú sẽ bật ON, OFF hoặc phỏt một chuỗi xung ra cỏc thiết bị bờn ngoài được gắn vào đầu ra của PLC. Như vậy nếu tắt hay đổi cỏc chương trỡnh được cài đặt trong PLC là ta cú thể thực hiện cỏc chức năng khỏc nhau, trong cỏc mụi trường điều khiển khỏc.
3.1.2 Cấu trỳc cơ bản của PLC
Bộ PLC thụng dụng cú năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra và thiết bị lập trỡnh.
Sơđồ hệ thống như hỡnh 3.1 .
Luận văn thạc sỹ khoa học
a/ Bộ xử lý
Bộ xử lý cũn gọi là bộ xử lý trung tõm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý biờn dịch cỏc tớn hiệu vào và thực hiện cỏc hoạt động điều khiển theo chương trỡnh được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền cỏc quyết định dưới dạng tớn hiệu hoạt động đến cỏc thiết bị ra. Nguyờn lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiờn cỏc thụng tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trỡnh được gọi lờn tuần tự và được kiểm soỏt bởi bộđếm chương trỡnh. Bộ xử lý liờn kết cỏc tớn hiệu và đưa kết quảđiều khiển tới đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quột (scan). Thời gian một vũng quột phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Núi chung chu kỳ một vũng quột như hỡnh 3.2.
Hỡnh 3.2: Vũng quột
Đểđỏnh giỏ thời gian trễ người ta đo thời gian quột của một chương trỡnh dài 1K byte và coi đú là chỉ tiờu để so sỏnh cỏc PLC. Với nhiều loại PLC thời gian trễ này cú thể tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gõy trở ngại cho quỏ trỡnh điều khiển thỡ phải dựng cỏc biện phỏp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quột, hoặc là điều khiển cỏc thụng tin chuyển giao để bỏ bớt đi những lần gọi ớt quan trọng khi thời gian quột dài tới mức khụng thể chấp nhận được. Nếu cỏc giải phỏp trờn khụng thoả món thỡ phải dựng PLC cú thời gian quột ngắn hơn.
b/ Bộ nguồn
Bộ nguồn cú nhiệm vụ chuyển đổi điện ỏp AC thành điện ỏp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho cỏc mạch điện đầu ra hoặc cỏc module cũn lại (thường là 24V).
Luận văn thạc sỹ khoa học
Thiết bị lập trỡnh được sử dụng để lập cỏc chương trỡnh điều khiển cần thiết sau đú được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trỡnh cú thể là thiết bị lập trỡnh chuyờn dụng, cú thể là thiết bị lập trỡnh cầm tay gọn nhẹ, cú thể là phần mềm được cài đặt trờn mỏy tớnh cỏ nhõn.
d/ Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trỡnh sử dụng cho cỏc hoạt động điều khiển. Cỏc dạng bộ nhớ cú thể là RAM, ROM, EPROM. Người ta luụn chế tạo nguồn dự phũng cho RAM để duy trỡ chương trỡnh trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trỡ tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng cú thể được chế tạo thành module cho phộp dễ dàng thớch nghi với cỏc chức năng điều khiển cú kớch cỡ khỏc nhau, khi cần mở rộng cú thể cắm thờm.
e/ Giao diện vào/ra
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thụng tin từ cỏc thiết bị ngoại vi và truyền thụng tin đến cỏc thiết bị bờn ngoài. Tớn hiệu vào cú thể từ cỏc cụng tắc, cỏc bộ cảm biến nhiệt độ, cỏc tế bào quang điện.... Tớn hiệu ra cú thể cung cấp cho cỏc cuộn dõy cụng tắc tơ, cỏc rơle, cỏc van điện từ, cỏc động cơ nhỏ... Tớn hiệu vào/ra cú thể là tớn hiệu rời rạc, tớn hiệu liờn tục, tớn hiệu logic... Cỏc tớn hiệu vào/ra cú thể thể hiện như hỡnh 3.3.
Mỗi điểm vào ra cú một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng.
Hỡnh 3.3: Giao diện vào ra
Luận văn thạc sỹ khoa học
cảm biến và cỏc bộ tỏc động cú thể nối trực tiếp với chỳng mà khụng cần thờm mạch điện khỏc.
Tớn hiệu vào thường được ghộp cỏch điện (cỏch ly) nhờ linh kiện quang như hỡnh 3.4. Dải tớn hiệu nhận vào cho cỏc PLC cỡ lớn cú thể là 5v, 24v, 110v, 220v. Cỏc PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhập tớn hiệu 24v.
Hỡnh 3.4: Cỏch ly tớn hiệu vào
Tớn hiệu ra cũng được ghộp cỏch ly, cú thể cỏch ly kiểu rơle như hỡnh 3.5a, cỏch ly kiểu quang như hỡnh 3.5b. Tớn hiệu ra cú thể là tớn hiệu chuyển mạch 24v, 100mA; 110v, 1A một chiều, thậm chớ 240v, 1A xoay chiều tuỳ loại PLC. Tuy nhiờn, với PLC cỡ lớn dải tớn hiệu ra cú thể thay đổi bằng cỏch lựa chọn cỏc module ra thớch hợp.
Hỡnh 3.5: Cỏch ly tớn hiệu ra
3.1.3. Ưu nhược điểm của PLC Trong ứng dụng điều khiển
- Dễ dàng trong lập trỡnh, cho phộp nhanh chúng thay đổi chương trỡnh điều khiển
- Ngụn ngữ lập trỡnh chuyờn dựng, dễ hiểu và dễ sử dụng - Khả năng chống nhiễu tốt
Luận văn thạc sỹ khoa học
- Cú mạng truyền thụng cho phộp nối mạng ở nhiều cấp độ nhằm đỏp ứng yờu cầu điều khiển và giỏm sỏt hệ thống
- Độ tin cậy cao trong mụi trường khắc nghiệp - Tốc độ xử lý cao thường xử lý 1 lệnh khoảng 0,64s
Về phần cứng
- Cấu tạo nhỏ gọn so với nhiều mạch điều khiển tương đương
- Cấu trỳc module cho phộp dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thờm cỏc module mở rộng vào/ra) và thờm cỏc chức năng chuyờn dựng (module chuyen dựng)
- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa
- Dễ dàng ghộp nối với cỏc thiết bị khcs trong hệ thống
Tuy nhiờn, hiện nay do chưa được chuẩn hoỏ trong phạm vị quốc tế nờn mỗi hóng sản xuất PLC lại đưa ra một ngụn ngữ lập trỡnh riờng dẫn đến thiếu tớnh thống nhất toàn cục.
3.2 Bộđiều khiển PLC S7 – 200
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trỡnh (lập trỡnh được) loại nhỏ của hóng Siemens (CHLB Đức). Thiết bị này cho phộp thực hiện linh hoạt cỏc thuật toỏn điều khiển số thụng qua một ngụn ngữ lập trỡnh, thay cho việc phải thể hiện thuật toỏn bằng mạch số. Với chương trỡnh điều khiển bờn trong, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toỏn và đặc biệt dễ trao đổi thụng tin với mụi trường xung quanh (cỏc PLC khỏc hoặc mỏy tớnh). Để tăng tớnh mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ởđú phần lớn cỏc đối tượng điều khiển cú số tớn hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tớn hiệu vào/ra khỏc nhau mà cỏc bộ điều khiển PLC được thiết kế khụng bị cứng hoỏ về cấu hỡnh. Chỳng được chia nhỏ thành cỏc mụ đun. Số cỏc mụ đun dược sử dụng nhiều hay ớt tuỳ theo từng bài toỏn, dự ỏn cụ thể, song tối thiểu bao giờ cũng phải cú một mụ đun chớnh là mụ đun CPU. Cỏc mụ đun cũn lại là cỏc mụ đun nhận truyền tớn hiệu với đối tượng điều khiển, cỏc mụ đun chức năng chuyờn dụng như PID, điều khiển động cơ... cỏc mụ đun này được gọi chung là mụđun mở rộng. Cụ thể, cấu trỳc của một bộ PLC S7-200 cú thể gồm cỏc mụ đun sau:
Luận văn thạc sỹ khoa học
Hỡnh 3.6. Bộđiều khiển lập trỡnh PLC S7-214
+ Mụ đun nguồn PS .. + Mụ đun CPU.
+ Cỏc mụ đun tớn hiệu SM cú chức năng mở rộng số cổng tớn hiệu vào/ra. + Cỏc mụ đun chức năng FM phục vụ cho cỏc điều khiển chuyờn dụng.
+ Cỏc mụ đun ghộp nối IM. Đõy là loại mụ đun chuyờn dụng cú nhiệm vụ nối từng nhúm cỏc mụ đun mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một mụ đun CPU.
+ Mụ đun truyền thụng phục vụ cho việc truyền thụng trong mạng được sử dụng để ghộp nối giữa cỏc PLC với nhau hoặc giữa PLC với mỏy tớnh.
3.2.1. Cấu trỳc PLC S7-200
PLC S7-200 cú cỏc thành phần chớnh:
Bộ xử lý trung tõm (Central Processing Unit) với bộ vi xử lý Bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trỡnh
Cỏc giao diện vào/ ra (I/O Modules) Hệ thống Bus (Bus System)
Khối nguồn cấp điện (Power Supply).
Bộ xử lý trung tõm bao gồm một hoặc nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trỡnh, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết bị lập trỡnh, được liờn kết với
Luận văn thạc sỹ khoa học
nhau thụng qua một hệ thống bus nội bộ. Nhiệm vụ chớnh của CPU là quản lý cỏc cổng vào ra, xử lý thụng tin, thực hiện cỏc thuật toỏn điều khiển.
Bộ nhớ chương trỡnh thường cú dạng EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) hoặc EFPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa hệ điều hành và mó chương trỡnh ứng dụng. Dữ liệu vào/ ra cũng như dữ liệu tớnh toỏn khỏc được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Acess Memory). Đồng hồ nhịp cú vai trũ tạo ngắt cứng để điều khiển chương trỡnh theo chu kỳ, thụng thường trong khoảng từ 0,01giõy tới 1000 phỳt.
Cỏc thành phần vào/ ra (Input/Ouput, I/O) đúng vai trũ là giao diện giữa CPU và qỳa trỡnh kỹ thuật. Nhiệm vụ của chỳng là chuyển đổi, thớch ứng tớn hiệu và cỏch điện giữa cỏc thiết bị ngoại vi (cỏc cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU. Cỏc thành phần vào/ra được liờn kết với CPU thụng qua một hệ thống bus.
Hệ thống Bus (System Bus) là tuyến để truyền cỏc tớn hiệu gồm nhiều đường tớn hiệu song song:
• Tuyến địa chỉ (Address Bus) dựng để chọn địa chỉ trờn cỏc khối khỏc nhau.
• Tuyến dữ liệu (Data Bus): mang dữ liệu.
• Tuyến điều khiển (Control Bus): truyền cỏc tớn hiệu điều khiển dựng đểđồng bộ cỏc hoạt động trong PLC.
Bộ cung cấp nguồn (Power Supply, PS) cú vai trũ biến đổi và ổn định nguồn nuụi (thụng thường 5V cho CPU) và cỏc thành phần chức năng khỏc từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V,...) hoặc một chiều (12V, 24V,...).
Bờn cạnh cỏc thành phần chớnh nờu trờn, một hệ thống PLC cú thể cú cỏc thành phần chức năng khỏc như ghộp nối mở rộng, điều khiển chuyờn dụng và xử lý truyền thụng.
3.2.3. Cấu trỳc bộ nhớ S7-200
Luận văn thạc sỹ khoa học
Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vựng với một tụ cú nhiệm vụ duy trỡ dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn.
Hỡnh 3.7: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200
Vựng chương trỡnh: là miền bộ nhớđược sử dụng để lưu giữ cỏc lệnh chương trỡnh. Ngụn ngữ lập chương trỡnh cho PLC là ngụn ngữđồ thị hỡnh thang (LAD) hoặc danh sỏch lệnh (STL). Chương trỡnh được lưu giữ trong bộ nhớ Non - valatile đọc/ ghi do đú khụng bị ảnh hưởng khi mất nguồn. Khi muốn thay đổi vựng chương trỡnh thỡ phải sử dụng một dụng cụ nạp chương trỡnh. Chương trỡnh cú thể được chia ra làm hai phần: Chương trỡnh “chớnh” thực hiện theo chu kỳ và “ chương trỡnh ngắt” chỉ hoạt động khi cú phỏt sinh ngắt tương ứng.
Vựng tham số: là miền lưu giữ cỏc tham số như: từ khoỏ, địa chỉ trạm...
Vựng dữ liệu: được sử dụng để cất cỏc dữ liệu của chương trỡnh bao gồm cỏc kết quả của phộp tớnh, hằng số được định nghĩa trong chương trỡnh, bộ đệm truyền thụng.
Vựng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và cỏc cổng vào/ra tương tựđặt trong vựng nhớ cuối cựng.
Vựng chương trỡnh, vựng tham số và một phần dữ liệu được lưu giữ trong EEPROM của CPU.
Luận văn thạc sỹ khoa học
Vựng dữ liệu là một miền nhớ động. Nú cú thể được truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hoặc theo từng từ kộp và được sử dụng để làm miền lưu trữ dữ liệu cho cỏc thuật toỏn, cỏc hàm truyền thụng, lập bảng, cỏc hàm dịch chuyển, xoay vũng thanh ghi, con trỏđịa chỉ...
c) Vựng đối tượng
Vựng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho cỏc đối tượng lập trỡnh như cỏc giỏ trị tức thời, giỏ trị đặt trước của bộ đếm hay timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm cỏc thanh ghi của Timer, bộ đếm, cỏc bộ đếm tốc độ cao, bộ đếm vào ra tương tự và cỏc thanh ghi Accumulator (Acc).
Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vỡ cỏc dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đớch cần sử dụng đối tượng đú.
3.3 Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống servo khớ nộn
Trong bài toỏn điều khiển servo, yếu tố quan trọng nhất là hệ thống cú thể dừng chớnh xỏc ở bất kỡ điểm nào trờn hành trỡnh, khụng phụ thuộc tải trọng, ngoài ra vận tốc của hệ thống cú thể thay đổi vụ cấp trong quỏ trỡnh làm việc. Để đỏp ứng yờu cầu trờn, sơ nguyờn lý của hệ thống được thiết kế như sau.
Hỡnh 3.8 Sơđồ nguyờn lý điều khiển hệ thống servo khớ nộn
Trong đú:
• Bộ giỏ trị đặt ban đầu: Cỏc giỏ trị hành trỡnh và vận tốc yờu cầu được nhập từ bàn phớm mỏy tớnh vào PLC thụng qua phần mềm hoặc giao diện. • Cỏc phần tử điều khiển: Cỏc van phõn phối điện từ và cỏc van tiết lưu
Luận văn thạc sỹ khoa học
• Cơ cấu chấp hành: Xy lanh và tuốc bin khớ nộn mang mũi khoan.
• Hệ thống phản hồi tớn hiệu: Bao gồm cỏc đĩa xung và thước kớnh, cú nhiệm vụ kiểm soỏt hành trỡnh và vận tốc cơ cấu chấp hành và đưa tớn hiệu phản hồi về bộđiều khiển.
3.3.1 Nguyờn lý làm việc của hệ thống
Với mỗi chu trỡnh khoan ta cú cỏc thụng số X, S và V khỏc nhau. X – Độ sõu cần khoan
S- Lượng tiến dao của mũi khoan V- Tốc độ mũi khoan
Một chu trỡnh khoan cú 2 hành trỡnh: hành trỡnh xuống và hành trỡnh lờn
• Hành trỡnh xuống: Mũi khoan vừa quay vừa đi xuống đến độ sõu được cài đặt trước
• Hành trỡnh lờn: Mũi khoan quay và xy lanh đi lờn về vị trớ ban đầu. Kết thỳc hành trỡnh khoan
Hành trỡnh xuống của khoan
Giỏ trị cho trước X0, S0 và V0
Khởi động hệ thống, Mở van điện từ 3/2 đồng thời mở K3 động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ, mở van tiết lưu, mũi khoan chuyển động quay. Tớn hiệu từ encoder trờn trục mũi khoan phản hồi về khi Vt = V0 thỡ dừng động cơ.
Mở K1 động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ, van tiết lưu mở. Đồng thời mở cuộn hỳt van điện từ 5/3. Tớn hiệu từ encoder phản hồi về khi St=S0 thỡ dừng động cơ. Lỳc này mũi khoan vừa tịnh tiến vừa quay thực hiện quỏ trỡnh khoan. Khi cú tớn hiệu từ encoder thẳng Xt = X0 phản hồi về PLC thỡ đúng cuộn hỳt van điện từ 5/3
Hành trỡnh lờn của khoan:
Khi cú tớn hiệu từ encoder thẳng X0 =Xt. Đúng cuộn hỳt van điện từ đồng thời mở cuộn xả của van điện từ 5/3. Mũi khoan đi lờn. Hệ thống dừng lại khi cú tớn hiệu từ encoder Xt = 0.
Luận văn thạc sỹ khoa học Start Reset Xt=0; V53=0; V3 2=0; DC1=0;DC2=0; KT=0 Nhập giá trị Xo,Vo,So V5 3=1; V3 2=1 N St > So Y DC1 giảm DC1 tăng Mở khí nén (nh−ng ch−a mở van tiết l−u) ổn định tốc độ tiến dao N Tiến dao = 1 Y N Xt = 0 Y End. N Xt ≥ Xo Y Tiến dao = 0; V5 3=2 (xả) Lùi dao Reset St = So Y Stop = 1 Y N N N Vt > Vo Y DC2 giảm DC2 tăng Vt = Vo N Y ổn định tốc độ khoan
Luận văn thạc sỹ khoa học
Thuật toỏn thực hiện
1. Kiểm tra vị trớ, nếu hệ thống khụng ở vị trớ ban đầu, reset hệ thống đưa hệ thống