CHƯƠNG III : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU KHIỂN
3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC
3.1.1. Một số khái niệm cơ bản 3.1.1.1. Khái niệm về điều khiển
Khái niệm “điều khiển” được hiểu: là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một hay nhiều đại lượng vào, những đại lượng ra được thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ thống đó.
Hệ thống điều khiển bao gồm: thiết bị điều khiển và đối tượng, nó được thể hiện qua sơ đồ sau:
Hình 3-3: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Đối tượng điều khiển: là các thiết bị máy, máy móc trong kỹ thuật.
Thiết bị điều khiển: bao gồm phần tử đưa tín hiệu, phần tử xử lý và điều khiển, cơ cấu chấp hành. Được thể hiện như sơ đồ hình
Hình 3-4: Các phần tử của hệ thống điều khiển
a) Phần tử đưa tín hiệu: là nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đại lượng
vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển.
Vd: công tắc, nút nhấn, cơng tắc hành trình, cảm biến… -Cơng tắc:
Hình 3-5: Cơng tắc đóng-mở
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng -Cơng tắc hành trình
Hình3-7: Cơng tắc hành trình điện cơ
-Cảm biến tiệm cận
b) Các Phần tử xử lý và điều khiển *Các phần tử xử lý tín hiệu -Phần tử YES Hình 3-9: Phần tử logic YES -Phần tử NOT Hình 3-10: Phần tử logic NOT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng -Phần tử OR
Hình 3-11: Phần tử logic OR
-Phần tử AND
-Phần tử NAND
Hình 3-13: Phần tử logic NAND
-Phần tử NOR
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng -Phần tử nhớ FILP-FLOP
Hình 3-15: Phần tử nhớ FLIP-FLOP 2IN/1OUT
*Các phần tử điều khiển (van)
Trong hệ thống thủy lực, van có thể phân thành các loại sau:
Van điều chỉnh áp suất: van tràn và van an toàn, van giảm áp, van cản Van điều chỉnh lưu lượng: van tiết lưu và bộ ổn tốc
Van điều khiển dỏng chất lỏng: van một chiều và van đảo chiều
1) Van điều chỉnh áp suất a) Van tràn và van an toàn
Van tràn và van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng khi trị số áp suất chất lỏng vượt quá mức quy định.
a) ký hiệu b) Nguyên lý
b) Van giảm áp
Hình 3-17: Van giảm áp
c) Rơle áp suất
Hình 3-18: Rơle áp suất
2) Van điều chỉnh lưu lượng
a) Van tiết lưu: dùng để điều chỉnh lưu lượng lưu chất, được đặt ở đường vào hoặc
đường ra của cơ cấu chấp hành -Van tiết lưu có tiết diện thay đổi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
-Van tiết lưu điều chỉnh một chiều bằng tay
Hình 3-20: Van tiết lưu 1 chiều b) Bộ ổn tốc
Là cơ cấu đảm bảo hiệu áp khơng đổi khi giảm áp, do đó đảm bảo một lưu lượng không đổi khi chảy qua van, tức là làm cho vận tốc dịch chuyển của pittông xilanh gần như không đổi. Kết cấu của bộ ổn tốc gồm một van giảm áp và một van tiết lưu được thể hiện như hình sau:
Hình 3-21: Bộ ổn tốc
3) Van điều khiển dỏng chất lỏng: van một chiều và van đảo chiều
a) Van một chiều: dùng để điều khiển dòng năng lượng đi theo một hướng, hướng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
b)Van đảo chiều: là cơ cấu chỉnh hướng có nhiệm vụ điều khiển dịng năng lượng đi
qua chủ yếu bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của dịng năng lượng.
Hình 3-23: Các thành phần van chỉnh hướng
Hình 3-24: Tín hiệu tác động
-Ký hiệu van đảo chiều
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
-Một số van đảo chiều thơng dụng +Van 3/2
Hình 3-26: Van đảo chiều 3/2
+Van 4/2
Hình 3-27: Van đảo chiều 4/2
+Van 4/3
Van 4/3 là van có 4 cửa và 3 vị trí. Cửa A, B lắp vào buồng làm việc của cơ cấu chấp hành, cửa P nối với nguồn năng lượng, cửa T là cửa xả dầu về bể dầu.
3) Cơ cấu chấp hành
a) Động cơ thủy lực: có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thê 1năng hay động năng
của lưu chất thành năng lượng cơ học chuyển động quay. -Động cơ bánh răng:
Hình 3-29: Động cơ bánh răng
b) Xylanh thủy lực: có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thê 1năng hay động năng
của lưu chất thành năng lượng cơ học chuyển động thẳng hoặc quay với góc < 3600
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
3.3. CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PLC DÙNG TRONG MÁY UỐN LIÊN TỤC TẤM LỢP BIÊN DẠNG SĨNG VNG
3.3.1. Đặc điểm bộ điều khiển lập trình
Bộ điều khiển lập trình (PLC-Programmable Logic Controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và thiết bị rời cồng kềnh. PLC tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. Ngồi ra PLC cịn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm . . .làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất.
Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có cơng suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào mà khơng cần có mạch giao tiếp hay rơle trung gian. Tuy nhiên cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có cơng suất lớn
Việc sử dung PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà khơng cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thơng qua thiết bị lập trình chun dụng. Hơn nữa PLC cịn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với các hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi phải thực hiện đấu dây phức tạp giữa các thiết bị rời PLC có các đặc điểm thích hợp cho việc điều khiển trong cơng nghiệp:
- Khả năng kháng nhiễu tốt
- Cấu trúc dạng module cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng nối thêm module mở rộng vào/ra và thêm các module chuyên dùng
- Việc nối dây và mức điện áp tín hiệu ngõ vào và ngõ ra được tiêu chuẩn hoá - Ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ sử dụng
3.3.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC
Bộ PLC thơng dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào ra và thiết bị lập trình
a) Bộ xử lý (Central Processing Unit: CPU)
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm 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
phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Nói chung chu kỳ một vịng qt như hình
Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến 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.
Hình 3-38: Sơ đồ nguyên lý bộ PLC
Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1K byte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC. Vơi nhiều loại PLC thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi những lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được. Nếu các giải pháp trên khơng thỏa mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
b) Bộ nguồn (Power sypply)
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 mơđun cịn lại (thường là 24v).
c) Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chun dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân .
d) Bộ nhớ (Memory)
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 ln chế tạo nguồn dự phịng cho RAM để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tùy thuộc vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành mơđun 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.
+ RAM (Random Acces Memory- bộ nhớ đọc ghi ngẫu nhiên ) nội dung bộ nhớ mất đi khi không cấp nguồn nuôi.
+ROM ( Read Only Memory-bộ nhớ chỉ đọc) nội dung bộ nhớ được duy trì khi không cấp nguồn nuôi.
+EEPROM ( Electronic Erasable Programmable Read Only Memory) tương tự như ROM nhưng có thể xố được nội dung bằng các tín hiệu điện khi đang sử dụng trong mạch.
e) Giao diện vào/ra (Input/Output Processing Circuit)
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 ngồi. Tín hiệu vào có thể từ các cơng tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện… Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các bóng đèn, các cuộn dây cơng tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ điện … Tín hiệu vào ra có thể là tìn hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic… Các tín hiệu vào/ra được thể hiện như hình sau.
Hình 3-40: Giao diện vào/ra
3.3.3. Kỹ thuật về lập trình PLC3.3.3.1. Khái niệm chung 3.3.3.1. Khái niệm chung
PLC có thể sử dụng một cách kinh tế hay không phụ thuộc rất lớn vào thiết bị lập trình. Khi trang bị một bộ PLC thì đồng thời phải trang bị một thiết bị lập trình của cùng một hãng chế tạo. Tuy nhiên ngày nay người ta có thể lập trình bằng phần mềm trên máy tính sa đó chuyển sang PLC bằng cáp nối truyền thơng.
Sự khác nhau chính giữa bộ điều khiển logic khả lập trình PLC và điều khiển logic thủy lực, điều khiển khí nén, cơng nghệ rơle hoặc bán dẫn là ở chỗ kỹ thuật nhập chương trình vào bộ điều khiển như thế nào.
Trong điều khiển logic thủy lực, khí nén hoặc rơle thì bộ điều khiển được chuyển đổi một cách cơ học nhờ đấu nối dây “điều khiển cứng”, tức là nếu thay đổi chu trình thì phải thiết kế lắp ráp lại mạch. Cịn với PLC thì việc thay đổi chu trình được thực hiện thơng qua một thiết bị lập trình và một ngoại vi chương trình. Có thể chỉ ra quy trình lập trình theo hình sau:
3.3.3.2. Các phương thức lập trình
Từ các cách mô tả hệ tự động các nhà chế tạo PLC đã soạn thảo ra các phương thức lập trình khác nhau. Các phương thức lập trình đều được thiết kế đơn giản, gần với các
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng phương pháp bảng lệnh STL, phương pháp biểu đồ bậc thang LAD và phương pháp lưu đồ điều khiển CSF (FBD).
+Phương pháp biểu đồ bậc thang LAD
Một chương trình viết trong LAD rất giống với một sơ đồ điện, vì thế được rất nhiều người lựa chọn khi lập trình cho PLC nói chung. Chương trình thường được chia thành nhiều phần nhỏ, rất dễ hiểu và tương đối độc lập gọi là “network”.
Chương trình viết trong LAD là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, theo thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Quá trình quét của PLC cũng theo thứ tự này. Mỗi một nấc thang xác định một số hoạt động của quá trình điều khiển
Ký hiệu các phần tử cơ bản của phương pháp biểu đồ bậc thang LAD là:
3.3.3.3. Các rơle nội
Trong các loại PLC có nhiều thuật ngữ để chỉ các linh kiện loại này, ví dụ: rơle phụ, bộ vạch dấu, cờ hiệu, lưu trữ bít, bít nhớ,… Đây là linh kiện cúng cấp các chức năng đặc biệt gắn liền với PLC và được dùng phổ biến trong lập trình
Một số ký hiệu rơle nội
Hãng Tên gọi Ký hiệu Ví dụ
3.3.3.4. Các rơle thời gian (Timers): hay có thể gọi là các bộ định thời gian
Trong các hệ thống điều khiển luôn luôn phải sử dụng rơle thời gian để duy trì cho quá trình điều khiển. Trong các PLC người ta cũng gắn các rơle thời gian vào trong đó. Tuy nhiên thời gian ở đây được xác định nhờ đồng hồ trong CPU.
3.3.3.5. Thanh ghi (Register): là bộ nhờ 16 bít và được dùng để lưu trữ số liệu 3.3.3.6. Các bộ đếm (Counters)
Bộ đếm cho phép đếm tần suất xuất tín hiệu vào. Các bộ đếm này được cài đặt sẵn trong PLC và thơng thường trong PLC có các loại bộ đếm cơ bản đó là:
+Bộ đếm lên: nội dung 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 của xung kích bộ đếm. +Bộ đếm vừa đếm lên vừa đếm xuống: nội dung bộ đếm tăng 1 hay giảm 1, tùy thuộc cờ chuyên dụng cho phép chiều đếm, khi có cạnh lên của xung kích bộ đếm
3.3.3.7. Một số bộ điều khiển PLC thường gặp *Bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A
a. Sơ lược về bộ PLC omron sysmac cpm1a
Bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A do hãng OMRON của Nhật sản xuất.
Trên bộ PLC này được đánh số các đầu vào, ra và COM, điện xoay chiều 220V và điện 1 chiều 24V.
• Có 18 đầu vào được ghi các địa chỉ sau:
INPUT 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 0010 0011 Và
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy uốn liên tục tấm lợp biên dạng sóng vng
• Có 12 đầu ra với các địa chỉ sau:
OUTPUT 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1100 1101 1102 1103
Hình 3-42: Cấu hình đầu ra PLC OMRON SYSMAC CPM2A
b. Thuật ngữ đầu vào và đầu ra PLC omron sysmac cpm2a được thiết kế nhằm tiếp nhận tín hiệu dữ liệu đầu vào, sau khi sử lý theo chương trình sẽ phát tín hiệu qua các tín hiệu đầu ra.
Một số tín hiệu đầu vào được truy nhập vào PLC thông qua các cực được đấu bằng các dây dẫn. Điểm chính xác nơi đấu đầu vào được gọi là điểm nhập (Input