Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính. Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao. Ngày nay các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao. Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ. PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành. Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài đặt hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản (ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc... Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình. Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. Vì vậy các PLC:
+ Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, + Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra,
+ Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch. Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic
+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến,
+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ,
+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được,
+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp. 2.2.4.1. Giới thiệu PLC S7-300
S7-300 là PLC thuộc họ Micro Automation của hãng SIEMENS, có thể điều khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá. Với cấu trúc nhỏ gọn, có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh SIMATIC mạnh, PLC S7-300 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động vừa và nhỏ.
PLC S7-300 cho phép tự động hoá tối đa với chi phí tối thiểu. + Cài đặt, lập trình và vận hành rất đơn giản.
+ Các CPU có thể sử dụng trong mạng, hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn lẻ.
+ Có khả năng tích hợp trên quy mô lớn.
+ Ứng dụng cho những điều khiển đơn giản và phức tạp.
Hình 2.32:Bộ s7-300
2.2.4.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC a. Cấu hình phần cứng a. Cấu hình phần cứng
Bộ PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra và thiết bị lập trình.
-Bộ xử lý
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra.
Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả điều khiển tới đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan). Thời gian một vòng quét phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn dấn một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu.
- Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V).
có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân.
- Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM. Người ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAM để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.
- Giao diện vào/ra
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện.... Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ... Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic.
b.Cấu tạo chung của PLC
Các PLC có hai kiểu cấu tạo cơ bản là: kiểu hộp đơn và kiểu modulle nối ghép. Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các giao diện vào/ra. Kiểu hộp đơn thường vẫn có khả năng ghép nối được với các module ngoài để mở rộng khả năng của PLC.
Kiểu module ghép nối gồm các module riêng cho mỗi chức năng như module nguồn, module xử lý trung tâm, module ghép nối, module vào/ra, module mờ, module PID... các module được lắp trên các rãnh và dược kết nối với nhau. Kiểu cấu tạo này có thể được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình với mọi kích cỡ, có nhiều bộ chức năng khác nhau được gộp vào các module riêng biệt. Việc sử dụng các module tuỳ thuộc công dụng cụ thể. Kết cấu này khá linh hoạt, cho phép mở rộng số lượng đầu nối vào/ra bằng cách bổ sung các module vào/ra hoặc tăng cường bộ nhớ bằng cách tăng thêm các đơn vị nhớ.
c.Các phương pháp lập trình
Từ các cách mô tả hệ tự động các nhà chế tạo PLC đã soạn thảo ra các phương
pháp lập trình khác nhau. Các phương pháp lập trình đều được thiết kế đơn giản,
gần với các cách mô tả đã được biết đến. Từ đó nói chung có ba phương pháp lập
trình cơ bản là phương pháp bảng lệnh STL, phương pháp biểu đồ bậc thang LAD
và phương pháp lưu đồ điều khiển CSF. Trong đó, hai phương pháp bảng lệnh STL và biểu đồ bậc thang LAD được dùng phổ biến hơn cả.
2.2.4.3 Cấu trúc phần cứng của hệ thống plc s7-300
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra củng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ plc được thiết kế không cứng hóa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy vào yêu cầu công nghệ, song tối thiểu phải có một module chính là các module cpu, các module còn lại là các module truyền nhận tín hiệu đối với các đối tượng điều khiển, các chức năng chuyên dung như PID, điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung là module mở rộng.
Tất cả các mocdule đều được gá trên những thanh ray (rack). -Module cpu
Là module có chứa bộ vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (chuẩn RS485) và có thể có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra có trên module cpu được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong plc s7-300 có nhiều loại module cpu khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bộ xử lý có trong nó như: cpu 312, module cpu 314, cpu 315….những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ ra onboard cũng như các khối đặt biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành.
- Module mở rộng
Các module mở rộng được chia làm 5 loại chính:
+ SM module mở rộng cổng tín hiệu vào ra, bao gồm:
-DI(digital input) module mở rộng đầu vào số. Số các cổng vào của module này là 8, 16, 32 tùy thuộc vào từng loại module
-DO(digital output) module mở rộng đầu vào số. Số các cổng vào của module này là 8, 16, 32 tùy thuộc vào từng loại module
-DI/DO(digital input/ digital output) module mở rộng đầu vào/ra số -AI(analog input) ) module mở rộng cổng vào tương tự.
-AO(analog input) module mở rộng cổng ra tín hiệu tương tự.
-AI/AO(analog input/ analog input) module mở rộng cổng vao/ra tín hiệu tương tự
+ IM (interface module): module ghép nối. Đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module cpu. Thông thường các module mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng
+ FM module có chức năng điều khiển riêng ví dụ module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module điều khiển PID, module điều khiển vòng kín…..
+ CP(communication module) module phục vụ truyền thông giữa các plc với nhau hay giữa các plc với máy tính.
-Cấu trúc bộ nhớ cpu của s7-300 Được chia làm 3 vùng chính:
- Vùng chứa chương trình ứng dụng: vùng chứa chương trình ứng dụng được chia làm 3 miền.
+ OB: Miền chứa chương trình tổ chức
+ FC: Miền chứa chương trình con tổ chức được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
+FB: Miền chứa chương trình con tổ chức được tổ chức thành hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác
+ Vùng chứa các tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau.
+ I(procees image input ): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi thực hiện chương trình, plc sẽ đọc giá trị logic của tất cả đầu vào và cất giữ trong vùng nhớ I.
+Q(procees image output): ): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, plc sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm ảo đến cổng ra số.
+M: Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit
+T Miền nhớ phục vụ thời gian. Bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt trước, giá trị đếm thời gian tức thời, cũng như các giá trị logic đầu ra của bộ thơi gian.
+C Miền nhớ phục vụ đếm. Bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị đếm tức thời, cũng như các giá trị logic đầu ra của bộ đếm.
+PI Miền địa chỉ cổng vào các module tương tự +PQ Miền địa chỉ cổng ra các module tương tự - Vùng chứa các khối dữ liệu
+ DB : Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối
+ L : Miền dữ liệu địa phương
-.Bộ đếm (counter)
Bộ đếm (Counter): Được dùng để đếm các sự kiện, bộ đếm PLC được gọi là bộ đếm logic vì nó là bộ nhớ, có tác dụng như là bộ đếm vật lý, số lượng bộ đếm có thể sự dụng tùy thuộc vào loại PLC.
Kí hiệu là C và cũng được đánh số thập phân C0; C128; C225...
- Phân loại:
+Bộ đếm lên: nội dung của bộ đếm tăng lên 1 khi có cạnh lên của xung kích bộ đếm.
+Bộ đếm xuống: nội dung bộ đếm giảm 1 khi có cạnh lên của xung kích bộ đếm. +Bộ đếm lên - xuống: nội dung bộ đếm tăng 1 hay giảm 1, tuy thuộc cờ chuyên dùng cho phép chiều đếm, khi có cạnh lên của xung kích bộ đếm.
+Bộ đếm pha: bộ đếm loại này thực hiện đếm lên hay xuống tùy thuộc vào sự lệch pha của 2 tín hiệu xung kích bộ đếm, thường dùng encoder.
+Bộ đếm tốc độ cao: bộ đếm này đếm được xung kích có tần số cao, 20KHz trở xuống tùy thuộc vào số lượng, bộ đếm loại này được sử dụng đồng thời. Bộ đếm loại này còn được chế tạo riêng 1 modul chuyên dùng, khi đó tần số đếm có thể đạt đến 50KHZ.
- Các loại bộ đếm trên có thể là
+Bộ đếm 16 bit: bộ đếm 16 bit thường là bộ đếm chuẩn, bộ đếm này có thể đếm được khoảng giá trị từ -32.768 đến + 32.767.
+Bộ đếm chốt: có khả năng duy tri nội dung đếm ngay cả khi PLC không được cấp điện.
-.Bộ định thời gian (timer)
Được dùng để định thời các sự kiện, bộ định thời trên PLC được gọi là bộ định thời logic vì nó là bộ nhớ trong của PLC, có tác dụng như là bộ định thời vật ly, số lượng bộ định thời tùy vào loại PLC. Thực chất nó là bộ đếm xung với chu ki
thay dổi xung kich bằng đơn vị ms (mili giây) hoặc và được gọi là độ phân giải.
Kí hiệu là T và cũng được đánh số thập phân T0; T200, T246.
- Phân loại: Người ta phân loại theo độ phân giải.
+Độ phân giải 100ms khoảng thời gian bộ định thời từ 0,1 đến 3276,7s.
+Độ phân giải 10ms khoảng thời gian bộ định thời từ 0.01đến 327.67s.
2.2.5. lưu đồ và giải thuật điều khiển Start Start Stop Dừng 3 động cơ DC1,DC2,DC3 đủ số lượng Đưa hệ thốngvề VTBĐ Reset biến nhớ No Yes Reset Bật cảm biến Kiểm tra mã Mã cửa 1 DC1 mở Yes No Mã cửa 1 Mã cửa 1 DC2 mở DC3 mở Yes Yes No CTHT1 = 1 CTHT2 = 2 CTHT3 = 1 DừngDC1 mở DC1 mở tiếp tục DC2mở dừng DC2 mở tiếp tục DC3mở dưng DC3 mở tiếp tục No No No Yes Yes Yes A
Yes Đếm sản phẩm và Hiển thị LED 7 đoạn Count 2=2 DC1 đóng Yes No DC2 đóng DC3 đóng Yes No Count 1=2 Count 3=2 Count đếm No CTHT4=1 CTHT5=1 CTHT6=1 Dừng DC1 đóng DC1 đóng tiếp tục Dừng DC2 đóng DC2 đóng tiếp tục Dừng DC3 đóng DC3 đóng tiếp tục Yes Yes Yes No No No A
CHƯƠNG 3
3.1.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM -Mô hình thực tế Hình 3.1: Mô hình tổng thể 1: Mô hình nhà kho 2: Bảng điều khiển 3: Ô tô
4: Cửa ra vào nhà kho 5: Thanh đục lỗ 6; Cửa cổng Hình 3.2: Ô tô 1 2 3 4 5 6
Hình 3.3: Mạch điện tử
Hình 3.5: Cổng vào ra
- Bước 1: Kiểm tra lại mô hình, chạy thử bằng tay các motor kéo cửa
Hình 3.6: Kiểm tra bằng tay
1: Kích bằng tay 2: Relay
Quá trình kiểm tra: sau khi kết nối xong ta kich tín hiệu bằng tay để kiểm tra các
