HỆ THỐNG CẤP PHÔI, VẬN CHUYỂN PHÔI BẰNG BĂNG TẢI, PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hoá quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công vi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CẤP PHÔI, VẬN CHUYỂN PHÔI BẰNG BĂNG TẢI, PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

THEO MÀU SẮC

Ngành: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn: ThS DƯƠNG ĐĂNG DANH

Sinh viên thực hiện:

TP Hồ Chí Minh, Ngày 25 Tháng 9 Năm 2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TP.Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2021

Giáo viên nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TP.Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2021

Giáo viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài khoá luận tốt lần này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại Học Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin

Xin cảm ơn giáo viên hướng dẫn thầy Dương Đăng Danh đã giảng dạy tận tình, chi tiết, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện khoá luận tốt nghiệp, để em

có đủ kiến thức và vận dụng chúng vào bài khoá luận này

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn sinh viên trong lớp 17DCTA2 đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẽ kinh nghiệm để giúp em hoàn thành đề tài này

Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức, trong bài tiểu luận chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía thầy để bài khoá luận tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Lời cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy, quý cô nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hiện nay công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng hiện đại hoá ngày càng cao trong đời sống sinh hoạt và sản xuất ( yêu cầu điều khiển linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ,…)

Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng là xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng lớn, nhanh

mà lại lợi về kinh tế Các công ty xí nghiệp sản xuất thường xử dụng công nghệ lập trình PLC sử dụng các loại phân mềm tự động Dây chuyền sản xuất tự động PLC được hiệu quả cao đáp ứng kịp thời yêu cầu của đời sống xã hội

Vì thế dựa vào các yếu tố cần thiết đó, em xin giới thiệu hệ thống “ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG PLC”

Nội dung về hệ thống của em như sau:

Chương 1: Tổng quan: Nói về tính cấp bách, cần thiết của hệ thống Nêu ra những mục tiêu và phạm vi của hệ thống Phương pháp nghiên cứu hệ thống

Chương 2: Giới thiệu về hệ thống và PLC: Giới thiệu tổng quan hệ thống và PLC

Chương 3: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm: Đưa ra lưu đồ giải thuật, chương trình điều khiển, sơ đồ đấu dây, mạch động lực của hệ thống

Chương 4: Thi công hệ thống: Lắp ráp các thiết bị, đi dây cho hệ thống, hoàn thành hệ thống

Chương 5: Thử nghiệm và kiểm tra hệ thống: Cho hệ thống hoạt động và kiểm tra lỗi, xác định được năng suất hoạt động của hệ thống, khắc phục lỗi

Chương 6: Kết luận: Nêu ra những gì đạt được, không đạt được, các thuận lợi

và khó khăn khi làm hệ thống Đề nghị và đưa ra hướng phát triển hệ thống

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH x

PHỤ LỤC BẢNG xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Phạm vi giới hạn 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ PLC 4

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển 4

2.2 Giới thiệu về PLC 6

2.2.1 Lịch sử phát triển PLC 7

2.2.2 Vai trò của PLC 9

2.2.3 Các thiết bị nhập và xuất dùng trong PLC 9

2.2.4 Ưu điểm của PLC 11

2.2.5 Đặc điểm bộ điều khiển lập trình 14

2.2.6 Cấu trúc phần cứng của PLC 16

2.2.7 Hoạt động của PLC 18

2.2.8 Các bước thiết kế 1 hệ thống điều khiển dùng PLC 20

2.2.9 Ứng dụng của PLC 24

2.3 PLC CPM2A 24

2.3.1 Giới thiệu chung 24

2.3.2 Các thành phần CPU 26

2.3.3 Các thông số kỹ thuật của PLC họ CPM2A 29

2.3.5 Cấu trúc vùng nhớ trong PLC 32

2.4 Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống 37

2.4.1 Nguyên lý làm việc 37

2.4.2 Quy trình làm việc của hệ thống 38

2.5 Các thiết bị có trong hệ thống 38

2.5.1 Băng tải 38

2.5.2 Điều khiển bằng hệ thống khí nén 40

2.5.3 Cảm biến 43

2.5.4 Giới thiệu về Arduino 44

2.5.5 Giới thiệu cảm biến màu Tcs 3200 46

2.5.6 Relay 49

2.5.7 Nguồn 12V 5A 50

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 52

3.1 Lưu đồ giải thuật 52

3.2 Chương trình điều khiển 53

3.3 Sơ đồ nối dây 59

3.3.1 Sơ đồ nối dây Arduino với cảm biến TCS3200 59

3.3.2 Sơ đồ kết nối PLC 60

3.3.3 Mạch động lực của hệ thống 61

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 62

4.1 Thi công mạch điều khiển 62

4.1.1 Băng tải mini 62

4.1.2 Lưu đồ giải thuật và sơ đồ trọng tâm PLC 63

4.1.3 Nguồn cấp cho hệ thống 65

4.1.4 Nối dây PLC 66

4.1.5 Nối dây Rờ le bảo vệ 68

4.2 Lắp đặt xi lanh và cảm biến cho hệ thống 69

4.3 Kết quả thi công 72

4.3.1 Mạch điều khiển của hệ thống 72

4.3.2 Mạc động lực của hệ thống 73

4.3.3 Mô hình hoàn thiện của hệ thống 74

4.3 Bản vẽ 3D của mô hình 75

Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ KIỂM TRA HỆ THỐNG 77

5.1 Kết quả thi công phần cứng của hệ thống 77

5.2 Kết quả giám sát hệ thống qua SCADA 78

5.3 Thực nghiệm và kết quả 82

5.4 Đánh giá 82

Chương 6: KẾT LUẬN 83

6.1 Kết luận 83

6.1.1 Thực hiện được: 83

6.1.2 Chưa thực hiện được: 83

6.1.3 Thuận lợi 83

6.1.4 Khó khăn 83

6.2 Đề nghị và hướng phát triển đề tài 84

6.2.1 Đề nghị: 84

6.2.2 Hướng phát triển đề tài: 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Hệ thống điều khiển bằng PLC 5

Hình 2 2 Sơ đồ khối PLC [2] 7

Hình 2 3 Các thiết bị kết nối với ngõ vào PLC [2] 10

Hình 2 4 Các thiết kết nối ngõ ra PLC [2] 11

Hình 2 5 Bảng điều khiển bằng PLC 12

Hình 2 6 Cấu trúc phần cứng PLC [5] 16

Hình 2 7 Minh họa hoạt động của PLC [5] 18

Hình 2 8 Chu kì vòng quét của PLC [5] 19

Hình 2 9 Lưu đồ xây dựng chương trình PLC [2] 22

Hình 2 10 Lưu đồ xây dựng chương trình PLC [2] 23

Hình 2 11 Ứng dụng PLC hiện nay 24

Hình 2 12 Các thành phần của CPU 26

Hình 2 13 Mô hình của hệ thống 37

Hình 2 14 Băng tải của hệ thống 39

Hình 2 15 Van điện từ khí nén 41

Hình 2 16 Xy lanh khí nén 42

Hình 2 17 Mặt cắt toàn phần của một xy lanh khí nén 42

Hình 2 18 Cảm biến tiệm cận kiểu quang 43

Hình 2 19 Arduino Uno 45

Hình 2 20 Arduino Mega 2560 45

Hình 2 21 Cảm biến màu TCS3200 46

Hình 2 22 Nguyên lí hoạt động của cảm biến màu TCS3200 48

Hình 2 23 Relay 1 opto 49

Hình 2 24 Relay trung gian 50

Hình 2 25 Nguồn 12V 5A 50

Hình 3 1 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 53

Hình 3 2 Chương trình điều khiển hệ 54

Hình 3 3 Chương trình điều khiển hệ thống 55

Hình 3 4 Chương trình điều khiển hệ thống 55

Hình 3 5 Chương trình điều khiển hệ thống 55

Hình 3 6 Chương trình điều khiển hệ thống 56

Hình 3 7 Chương trình điều khiển hệ thống 56

Hình 3 8 Chương trình điều khiển hệ thống 57

Hình 3 9 Chương trình điều khiển hệ thống 57

Hình 3 10 Chương trình điều khiển hệ thống 58

Hình 3 11 Chương trình điều khiển hệ thống 58

Hình 3 12 Sơ đồ nối dây Arduino với TSC3200 59

Hình 3 13 Sơ đồ kết nối PLC 60

Hình 3 14 Mạch động lực 61

Hình 4 1 Lưu đồ giải thuật 63

Hình 4 2 Sơ đồ trọng tâm đấu nối PLC 64

Hình 4 3 Nguồn cấp cho hệ thống 65

Hình 4 4 Nối dây ngõ vào 66

Hình 4 5 Nối dây ngõ ra 67

Hình 4 6 Nối dây Rờ le bảo vệ 68

Hình 4 7 Lắp đặt xi lanh và cảm biến cho hệ thống phân loại 69

Hình 4 8 Lắp đặt xi lanh và cảm biến cho hệ thống cấp phôi 70

Hình 4 9 PLC Omron CP1E N20DT-D 71

Hình 4 10 xi lanh khí nén CDJ2D10-75-B 71

Hình 4 11 Mạch điều khiển hệ thống 72

Hình 4 12 Mạch động lực của hệ thống 73

Hình 4 13 Mô hình hoàn thiện của hệ thống 74

Hình 4 14 Bản vẽ 3D của mô hình 76

Hình 5 1 Mô hình phần cứng của hệ thống 78

Hình 5 2 Giao diện SCADA giám sát hệ thống 78

Hình 5 3 Nhận dạng sản phẩm màu đỏ 79

Hình 5 4 Phân loại sản phẩm màu đỏ 79

Hình 5 5 Nhận dạng sản phẩm màu xanh lá 80

Hình 5 6 Phân loại sản phẩm màu xanh lá 80

Hình 5 7 Đèn báo cấp phôi cho hệ thống 81

Hình 5 8 Hệ thống dừng sau khi phân loại xong 81

PHỤ LỤC BẢNG Bảng 2 1 So sánh sơ bộ về các hệ điều khiển: 13

Bảng 2 2 Một số dòng sản phẩm PLC của OMRON 25

Bảng 2 3 Chỉ thị đèn báo trên CPM2A 28

Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của PLC họ CPM2A 29

Bảng 2 5 Đặc tính kỹ thuật của PLC CPM2A 30

Bảng 2 6 Tóm tắt phân bố các vùng dữ liệu 34

Bảng 2 7 Thông số của cảm biến tiệm cận kiểu quang 44

Bảng 2 8 Thông số kĩ thuật cảm biến màu TCS3200 47

Bảng 2 9 Nguyên lý mạch cảm biến TCS3200 48

Bảng 3 1 Bảng khai báo địa chỉ và thiết bị của hệ thống 53

Bảng 5 1 Bảng thực nghiệm và kết quả 82

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PLC Programmable Logic Cotroller Điều khiển logic khả

trình CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

Chương 1:

TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hoá quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công việc đếm

và phân loại các sản phẩm, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc, với một hệ thống phân loại hoàn chỉnh nó có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống Hơn thế nữa, đối với những công việc đồi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tính của nhà sản xuất Vì vậy hệ thống tự động nhận dạng

và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và

hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC Ngoài ra còn

có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

-Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

-Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động

-Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống vận chuyển và phân loại sản phẩm theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm được điều khiển bởi một PLC

Hiểu rõ về PLC để áp dụng vào đề tài và đi làm sau này

1.3 Phạm vi giới hạn

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:

-Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén

-Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston

-Hệ thống dẫn động: Băng chuyền

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài “Phân loại sản phẩm theo màu sắc” đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện Đồng thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những

mô hình đơn giản Mô hình này cũng đã được thiết kế, đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau:

* Phương pháp tuần tự và đồng thời

Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: cụ thể là việc đầu tiên là nghiên cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thông số cơ bản

Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài

* Phương pháp thực nghiệm

Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện

Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa

có trên thị trường Sau đó chế tạo thật mô hình

Cho chạy thử hết năng suất và công suất, sau khi đã vận hành hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để rút ra giới hạn của hệ thống từ đó đưa ra phương án cải tiến hay thay thế từ đó đưa ra các đánh giá về hệ thống (năng suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí

và điện năng, năng suất của hệ thống )

Chương 2:

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ PLC

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Một hệ thống điều khiển là tập hợp những công cụ, thiết bị điện, điện tử, nhằm đảm bảo tính ổn định, sự chính xác, sự chuyển đổi nhịp nhàng của một quy trình hoặc một hoạt động sản xuất Chúng thực hiện bất cứ yêu cầu nào của đối tượng, từ cung cấp năng lượng đến một thiết bị bán dẫn

Với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn, đó là PLC, nó được sử dụng kết hợp với máy tính chủ Ngoài ra, nó cũng

có giao diện để kết nối với các thiết bị khác (như là: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây…) Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối hợp

xử lý, điều khiển những hệ thống lớn Ngoài ra, chúng còn thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển Mỗi một bộ phận trong hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng Từ hình 2.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận biết được điều gì nếu chúng không được kết nối với các thiết bị cảm biến Nó cũng không cho phép bất kỳ các máy móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với động cơ Và tất nhiên, vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động sản xuất riêng biệt

Hình 2 1 Hệ thống điều khiển bằng PLC Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

 Điều khiển nối cứng

 Điều khiển logic khả trình

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:

 Khối vào

 Khối xử lý-điều khiển

 Khối ra

● Khối vào:

Khối có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các

bộ chuyển đổi có thể là: nút nhấn, cảm biến …và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín hiệu

ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục(analog)

Hình 2 2 Sơ đồ khối PLC [2]

2.2.1 Lịch sử phát triển PLC

Vào những năm của thập niên 20 cho đến 50, khoa học kỹ thuật của một số nước trên thế giới đã bước qua một giai đoạn phát triển, một số nhà sản xuất tìm và nghiên cứu đưa ra những giải pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất như

tự động hóa các công đoạn trong sản xuất, giảm bớt các lỗi được sinh ra ở những công đoạn phức tạp, hay là đơn giản hóa các thành phần điều khiển tạo ra những thuận lợi trong lắp đặt, bảo trì và thay thế, giảm thiểu tối đa không gian lắp đặt

Năm 1968 thiết bị đầu tiên có khả năng đáp ứng được các nhiệm vụ của các nhà sản xuất đó là: thiết bị điều khiển lập trình ( Programmable Controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời ( công ty General Motor-Mỹ ) Tuy nhiên, các thiết bị này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống

Vì vậy các nhà thiết kế đã từng bước cải tiến thiết bị làm cho thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khắn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, thiết bị điều khiển lập trình cầm tay ( Programmable Controller Handle ) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra được một sự phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình

Trong giai đoạn này các thiết bị điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The Diagram Format)

Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ, vận hành với các dữ liệu cập nhật Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của công nghệ thông tin và mạch tích hợp điện tử vào những năm cuối thập niên 80 đã dần tạo ra hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn thiện về tốc

độ, tin cậy, linh động, giao tiếp… Cho đến nay thiết bị PLC phát triển mạnh với các chức năng mở rộng

Hệ thống đầu vào/ra có thể tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128000 từ bộ nhớ ( word of memory) có thể gắn thêm nhiều Module bộ nhớ có thể tăng thêm kích thước chương trình Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ thành một hệ thống PLC chung, kết nối với các hệ thống máy tính, tăng khả năng điều khiển của từng hệ thống riêng lẽ

Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn Một số thuật toán cơ bản dùng cho điều khiển cũng được tích hợp vào phần cứng như điều khiển PID( cho điều khiển nhiệt độ, cho điều khiển tốc độ động cơ, cho điều khiển vị trí), điều khiển mỡ, lọc nhiễu ở tín hiệu đầu vào…vv

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM ( Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam, Ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “ thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLC) cho tương lai

Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi…vv Mặt khác ngoài PLC cũng

đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: các cổng mở rộng AI (Analog Input),

DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ nhớ Cartridge thêm vào

2.2.2 Vai trò của PLC

Trong một hệ thống tự động, nói chung PLC dược ví như là con tim của hệ thống điều khiển Với chương trình ứng dụng điều khiển ( được lưu trữ trong bộ nhớ PLC ) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tín hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào Sau đó sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của một quá trình phức tạp

2.2.3 Các thiết bị nhập và xuất dùng trong PLC

2.2.3.1 Các thiết bị nhập

Sự thông minh của một hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả năng đọc các tín hiệu từ các cảm biến tự động của PLC

Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao, phím,… Ngoài ra, PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động như: công tắc trạng thái, công tắc giới hạn, cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ,

… Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog

Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các modul nhập

Hình 2 3 Các thiết bị kết nối với ngõ vào PLC [2]

Hình 2 4 Các thiết kết nối ngõ ra PLC [2]

2.2.4 Ưu điểm của PLC

2.2.4.1 Hệ thống điều khiển cổ điển và những khó khăn của nó

Như đã đề cập ở phần lịch sử hình thành PLC, đó là sự bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt vào những năm 1960 & 1970, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rờ-le cơ điện Những rờ-le này được lắp đặt cố định bên trong bảng điều khiển Trong một vài trường hợp, bảng điều khiển là quá rộng chiếm không gian

Mọi kết nối ở ngõ rờ-le phải được thực hiện đi dây điện thường không hoàn hảo, nó phải mất nhiều thời gian vì những rắc rối hệ thống và đây là vấn đề rất tốn thời gian đối với nhà sử dụng Hơn nữa, các rờ-le bị hạn chế về tiếp điểm Nếu khi có yêu cầu hiệu chỉnh hay cải tiến thì máy móc phải ngừng hoạt động, không gian lắp đặt bị giới hạn và nối dây phải được làm dấu để phù hợp những thay đổi Bảng điều khiển chỉ có thể được sử dụng cho quá trình riêng biệt nào đó không đòi hỏi thay đổi ngay thành hệ thống mới Trong quá trình bảo trì, các kỹ thuật viên điện phải được huấn luyện tốt và giỏi trong công việc giải quyết những sự cố của hệ thống điều khiển Nói tóm lại, bảng điều khiển rờ-le cổ điển là rất kém linh hoạt và không thể thay thế được

Những bất lợi của bảng điều khiển cổ điển

● Có quá nhiều dây trong bảng điều khiển

● Sự thay đổi hoàn toàn khó khăn

● Việc sửa chữa vô cùng phiền phức vì bạn phải cần đến nhà kỹ thuật giỏi

● Tiêu thụ điện năng lớn khi cuộn dây của rơ-le tiêu thụ điện

● Thời gian dừng máy là quá dài khi sự cố sảy ra

● Tốc độ hoạt động chậm

● Công suất tiêu thụ lớn

2.2.4.2 Bảng điều khiển khả lập trình và những thuận lợi của nó

Với sự xuất hiện của bộ điều khiển khả lập trình, những quan điểm và thiết kế điều khiển tiến bộ to lớn Có nhiều lợi ích trong việc sử dụng bộ điều khiển lập trình

Ví dụ bảng điều khiển PLC được thể hiện hình 2.5

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp

Hình 2 5 Bảng điều khiển bằng PLC

Lợi ích khi sử dụng hệ thống khả lập trình:

1 Hệ thống dây giảm đến 80% so với hệ thống điều khiển bằng rờ-le

2 Điện năng tiêu thụ giảm đáng kể vì PLC tiêu thụ ít điện năng

3 Chứ năng tự chuẩn đoán của PLC cho phép sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sát giữa người và máy (HMI)

4 Kích thước hiện nay của PLC được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống

5 Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console

6 Bảo trì và sửa chữa dễ dàng, độ bền và tin cậy vận hành cao

7 Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

8 Có thiết bị chống nhiễu Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của

nó

9 Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

10 Khả năng quyền lực mà PLC thực hiện được đó là sự phối hợp giữa các thiết bị điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một mạng sản xuất toàn cầu: giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA)

Bảng 2 1 So sánh sơ bộ về các hệ điều khiển:

Chỉ tiêu so sánh Rơ – le Mạch số Máy tính PLC

Lắp đặt

Mất thời gian thiết

kế và lắp đặt

Mất thời gian thiết kế

Mất nhiều thời gian lập trình

Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều

2.2.5 Đặc điểm bộ điều khiển lập trình

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình, hệ thống sử dụng CPU và

bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động

Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình ( PLC- Programmable Logic Controller ) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng ro-le và thiết bị cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình các lệnh logic cơ bản

Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm,v.v , 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 các trạng thái tín hiệu ở đầu vào được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình kích 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 công suất nhỏ ở đầu ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở đầu vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơ –le trung gian

Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điếu khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng còn có

ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thống ”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

2.2.6 Cấu trúc phần cứng của PLC

Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý, bộ nhớ,

bộ nhập, xuất

Hình 2 6 Cấu trúc phần cứng PLC [5]

2.2.6.1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài

+ Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory): RAM là một bộ nhớ thường được dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình của người sử dụng Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất Tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng Ngày nay, trong kỹ thuật phát triển PLC, người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng khá thấp của

nó và cung cấp pin dự phòng cho các RAM này khi mất nguồn Pin dự phòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin

sẽ được sạc khi cấp nguồn cho PLC

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình và xóa được bằng tia tử ngoại (EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, người viết phải viết lại chương trình trong bộ nhớ

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình và xoá được bằng điện (EEPROM: Electric Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM kết hợp khả năng truy linh động của RAM và tính khả biến của EPROM, nội dung trên EEPROM có thể bị xoá

và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định

2.2.7 Hoạt động của PLC

Về cơ bản, hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra dùng để đưa tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU Sau khi nhận được tín hiệu ở đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển thông qua modul

xuất ra các thiết bị được điều khiển

Hình 2 7 Minh họa hoạt động của PLC [5]

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau một bộ đệm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL (Statement List-Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong

bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình, sau đó là truyền thông nội

bộ và kiễm tra lỗi sau đó CPU sẽ gởi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua modul xuất Một chu kì gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội và tự kiểm tra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở đầu ra được gọi là một chu kì quét

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp vởi cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt thì chương trình con tương ứng với tín hiệu sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì thời điểm nào trong vòng quét Chu kì quét một vòng của PLC được mô tả như hình 2.8

Hình 2 8 Chu kì vòng quét của PLC [5]

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình ( Program Execution), PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu vào (ON/OFF) phải theo hai bước khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở đầu ra trong “ chương trình nội ” (đã được lập trình ), các mức logic này

sẽ chuyển đổi ON/OFF Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra Khi xử lý kết thúc chương trình

xử lý, việc chuyển đổi các mức logic ( của các tếp điểm ) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự tác động lên ngõ vào để điều khiển các thiết bị

ở đầu ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn ( single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kì dài hay ngắn còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài của chương trình và cả mức giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị)

Vi xử lý chỉ có đọc tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn một chu kì quét Nếu thời gian tác động ở đầu vào nhỏ hơn một chu kì quét thì vi xử lý xem như không có tín hiệu này

Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất

Để khắc phục khoảng thời gian quét dài ảnh hưởng đến chu kì sản xuất, các nhà thiết ké còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, dùng bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

2.2.8 Các bước thiết kế 1 hệ thống điều khiển dùng PLC

Để thiết kế 1 chương trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bước:

5 Chạy chương trình:

Trước khi nhấn nút Start, phải chắc chắn rằng các dây dẫn nối các ngõ vào, ra đến các thiết bị nhập, xuất đã được nối đúng theo chỉ định Lúc đó PLC mới bắt đầu hoạt động thực sự

Trong khi chạy chương trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ Console sẽ báo lỗi, ta phải sửa lại cho đến khi chương trình hoạt động an toàn

Sau đây là lưu đồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển

Hình 2 9 Lưu đồ xây dựng chương trình PLC [2]