Đề cương bài giảng Hệ thống cơ điện tử gồm có 4 chương như sau: Chương I: Tổng quan về cơ điện tử; Chương II: Các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử; Chương III: Cảm biến và cơ cấu chấp hành; Chương IV: Điều khiển logic khả lập trình PLC. Mời các bạn cùng tham khảo.
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Cơ điện tử được định nghĩa dựa trên khái niệm ban đầu của công ty Yasakawa Electric trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu của họ Yasakawa mô tả Cơ điện tử như sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và điều khiển tự động để tạo ra các hệ thống tích hợp thông minh Đây là lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh, ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như tự động hóa, robot và sản xuất thông minh Việc hiểu rõ khái niệm này giúp nâng cao nhận thức về các giải pháp công nghệ tiên tiến phù hợp với xu hướng số hóa hiện nay.
“Thuật ngữ mechatronics được tạo thành bởi “mecha” trong mechanics và
Trong lĩnh vực electronics, "tronics" đề cập đến việc tích hợp các công nghệ và sản phẩm điện tử ngày càng chặt chẽ, tạo thành các cơ cấu hữu cơ và khó phân biệt ranh giới giữa chúng Các phát triển công nghệ điện tử ngày càng gắn bó mật thiết, giúp nâng cao hiệu quả và tính tiên tiến của các thiết bị điện tử hiện đại Sự hợp nhất này thúc đẩy sự tiến bộ liên tục trong ngành công nghiệp điện tử, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau khi Yasakawa đưa ra định nghĩa đầu tiên về lĩnh vực này, góp phần định hình ý nghĩa của công nghệ tích hợp Trong khi đó, định nghĩa khác về cơ điện tử được đề cập bởi Harashima, Tomizuko và Fukada vào năm 1996, nhấn mạnh vai trò của sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và điều khiển để tạo ra các hệ thống tự động thông minh Các ý kiến này đã giúp mở rộng phạm vi và chiều sâu của lĩnh vực cơ điện tử, thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại.
Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và điều khiển máy tính thông minh nhằm thiết kế và chế tạo các sản phẩm, quy trình công nghiệp hiện đại.
Năm 1997, Shetty và Kolk lại quan niệm:
“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện.”
Và gần đây, Bolton lại đề xuất định nghĩa:
Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ giữa các hệ cơ khí, điện mà còn là sự tích hợp hoàn chỉnh các hệ này thành một toàn thể duy nhất.
LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN
Lịch sử phát triển
Quá trình phát triển của Công nghệ Điều khiển Tự động (CĐT) bắt đầu từ năm 1969 với sự ra đời của thuật ngữ Cơ điện tử, khi các sản phẩm ban đầu chỉ đơn thuần kết hợp giữa cơ khí và điện tử Với sự tiến bộ của công nghệ thông tin (CNTT), các bộ vi xử lý đã được tích hợp vào hệ thống Cơ điện tử, mở ra bước phát triển vượt bậc cho ngành công nghiệp tự động hóa.
1.1 Về đào tạo cơ điện tử trên thế giới:
Năm 1983, Viện Kỹ thuật Nhật Bản – Singapore đã giới thiệu chương trình đào tạo kỹ thuật cơ điện tử (mechatronics engineering) kéo dài hai năm Chương trình này nhằm đào tạo lại kỹ sư cơ khí, nâng cao kỹ năng và kiến thức trong lĩnh vực công nghệ cao Đây là bước đột phá trong đào tạo kỹ sư tại khu vực, góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp hiện đại.
Khóa giảng đầu tiên về “Mechatronics” dành cho kỹ sư và học viên cao học được tổ chức tại Trường Đại học Lancaster trong năm 1984/1985, đánh dấu bước khởi đầu cho sự phát triển của ngành Cơ điện tử Từ đó, các khóa đào tạo về Cơ điện tử đã mở rộng mạnh mẽ và phổ biến tại nhiều quốc gia công nghiệp phát triển cũng như đang phát triển.
Trong những năm đầu thập kỷ 1990, các trường đại học Bách khoa của Singapore đã triển khai chương trình đào tạo kỹ sư cơ điện tử chính quy kéo dài 3 năm Tại Úc, từ những năm đầu 90, các khóa đào tạo và cấp bằng kỹ sư theo chuyên ngành Cơ điện tử đã được mở rộng tại các trường như Curtin và New South Wales Ở châu Âu, từ năm 1980, hoạt động đào tạo Cơ điện tử bắt đầu xuất hiện, nhưng chương trình chính thức chỉ bắt đầu từ năm 1986 tại Đại học Katholieke (Bỉ) với khóa học cao học một năm, và đến năm 1989, trường này chính thức mở ngành đào tạo Cơ điện tử.
Trong những năm 1990, nhiều trường đại học ở Châu Âu như CHLB Đức, Đan Mạch, Hà Lan đã chính thức tích hợp ngành Cơ điện tử vào chương trình giảng dạy Từ năm 1992 đến 1996, Liên minh châu Âu đã tài trợ dự án TEMOUS nhằm đưa ngành Cơ điện tử trở thành một phần của các khoa Cơ khí tại các trường đại học uy tín như TU Brno, CTU, TU Plzeo, University College Dublin và Loughborough University of Technology.
Các trường đại học ở Anh bắt đầu giảng dạy Cơ điện tử tại trường Lancaster, tiếp theo là các trường London, Survey, Dundee, Hull, Brunel, Loughborough, Manchester và Leeds, phản ánh sự phát triển của ngành học này tại Anh Trong khi đó, ở Bắc Mỹ, mặc dù có nhiều trường đại học hoạt động trong lĩnh vực Cơ điện tử, nhưng đến năm 1995 vẫn chưa có khóa học chính thức mang tên "Cơ điện tử"; hiện nay, hầu hết các trường kỹ thuật của Mỹ đều đã thành lập các khoa chuyên về ngành này Tính đến năm 1999, đã có khoảng 90 trường đại học và viện nghiên cứu trên toàn thế giới đào tạo, giảng dạy và nghiên cứu về Cơ điện tử, thể hiện sự mở rộng mạnh mẽ của ngành học trên quy mô toàn cầu.
1.2 Về đào tạo cơ điện tử ở Việt Nam:
Hiện nay một số Trường ĐH tại Việt Nam đã Đào tạo chuyên ngành Cơ điện tử hệ Đại học:
- Từ năm 1997 ĐHBK TP Hồ Chí Minh mở Chuyên ngành Cơ điện tử tại khoa
Từ năm 2001, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng bắt đầu mở chuyên ngành Cơ điện tử tại Khoa Cơ khí, thu hút 58 sinh viên đăng ký học Đến năm 2003, Bộ môn Cơ điện tử chính thức được thành lập nhằm nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực này.
- Năm 2001 ĐH SPKT TP HCM cũng mở ngành Cơ điện tử khóa đầu tiên
Từ năm 2004, trường ĐH Công nghệ trực thuộc ĐH Quốc gia Hà Nội đã chính thức mở chuyên ngành Cơ điện tử tại Khoa Cơ kỹ thuật, thu hút khoảng 20 sinh viên nhập học mỗi năm, đánh dấu bước chân đầu tiên trong việc phát triển lĩnh vực này tại khu vực phía Bắc.
Ngoài ra các trường sau cũng đã mở chuyên ngành Cơ điện tử đào tạo ĐH:
- Viện Công nghệ Châu Á (AIT) tại Hà nội
- Một số trường ĐH Dân lập Phương Đông, DL Thăng Long vv
Chương trình đào tạo cao học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chủ yếu tập trung vào đào tạo trong nước, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn cho sinh viên Việt Nam Ngoài ra, trường còn hợp tác quốc tế với hai đại học danh tiếng của CHLB Đức là Đại học Tổng hợp kỹ thuật Hannover và Đại học Tổng hợp kỹ thuật Dresden để mở lớp cao học quốc tế, tạo cơ hội phát triển toàn diện và nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên Các chương trình này đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế, giúp sinh viên tiếp cận với nền giáo dục hiện đại và chuẩn bị tốt cho thị trường lao động toàn cầu.
Hình 1.1 Cơ điện tử: sự tích hợp hữu cơ của nhiều ngành khác nhau
Xu thế phát triển
Năm 70 của thế kỷ 20, các sản phẩm cơ điện tử chủ yếu tích hợp phần cơ khí với công nghệ điều khiển trợ lực (servo) tạo nên các sản phẩm như cửa tự động, máy tự động bán hàng, máy ảnh tự động chỉnh tiêu cự (focus) Đến những năm 80, khi công nghệ thông tin được hình thành thì các chip vi xử lý đã được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao các công năng hệ thống Lúc này các máy công cụ điều khiển số và robot đã trở nên hoàn hảo hơn, các ô tô có phần điều khiển số… đã được sử dụng rộng rãi Trong lĩnh vực quân sự, các hệ thống vũ khí thông minh có điều khiển số ra đời và phát triển mạnh mẽ
Trong những năm 90, việc tích hợp các sản phẩm cơ điện tử vào công nghệ truyền thông đã tạo ra các thiết bị có khả năng kết nối mạng, mở ra nền tảng cho các hệ thống tự động và IoT ngày nay Đồng thời, các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành siêu nhỏ đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều hệ thống vi cơ điện tử, nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị Hiện tại, chức năng của máy móc và hệ thống cơ kỹ thuật phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm, như thuật toán, mạng nơ-ron hay hệ mờ trong máy tính của sản phẩm, tạo ra sự khác biệt về chất so với các sản phẩm cơ điện cách đây 25-30 năm.
Xu thế phát triển của cơ điện tử đang hướng tới việc tích hợp nhiều công nghệ cao hơn, giúp tạo ra những sản phẩm ngày càng "thông minh" hơn Đồng thời, các thiết bị cơ điện tử về cơ bản ngày càng nhỏ gọn hơn, phù hợp với xu hướng tiêu dùng hiện đại và yêu cầu về khả năng tích hợp trong các thiết bị công nghệ cao.
Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010 đã xác định một số lĩnh vực cơ điện tử chuyên sâu:
Gia công tín hiêu Điện tử
Lý thuyết hệ thống Công nghệ tự động hóa Phần mềm
Vi điện tử Điện tử công suất
Các thành phần cơ khí Máy
- Robot làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, an ninh quốc phòng, một số dây chuyền công nghiệp công nghệ cao
Các sản phẩm của các doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ khí trọng điểm như máy công cụ, máy động lực, thiết bị điện-điện tử, cơ khí ôtô và các thiết bị đo lường điều khiển đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp Những sản phẩm này đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cao, thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan Việc tập trung phát triển các sản phẩm này góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh quốc tế của các doanh nghiệp Việt Nam trong lĩnh vực cơ khí.
- Nghiên cứu vi cơ điện tử và nano cơ điện tử
STT Thiết kế truyền thống Thiết kế Cơ điện tử
Các thành phần thêm vào Tích hợp các thành phần (phần cứng)
Vấn đề về dây dẫn
Các thành phần kết nối
Nhỏ gọn Kết cấu đơn giản Truyền thông không dây hoặc bus Các thiết bị tự trị Điều khiển đơn giản Tích hợp bởi xử lý thông tin
Cấu trúc cứng nhắc Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính Độ chính xác nhờ dung sai hẹp
Các đại lượng không đo được thay đổi tùy tiện
Hệ thống có cấu trúc mềm dẻo, phản hồi linh hoạt giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển Điều khiển phản hồi khả lập trình cho phép tùy biến và điều chỉnh dễ dàng theo yêu cầu của ứng dụng Độ chính xác của hệ thống được nâng cao nhờ các phương pháp đo lường chính xác và phản hồi liên tục, đảm bảo kết quả đáng tin cậy Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng điều khiển các đại lượng không đo lường trực tiếp bằng cách sử dụng các kỹ thuật ước lượng, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao khả năng kiểm soát.
Giám sát với chẩn đoán lỗi Khả năng tự học
Bảng 1.1 Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế Cơ điện tử.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I MÔĐUN MÔI TRƯỜNG
MÔĐUN TẬP HỢP
Môđun tập hợp là toàn bộ hệ thống cơ khí thể hiện kết cấu hình dáng cơ sở của sản phẩm, bao gồm các chi tiết và cụm cơ khí như khung bệ lắp ráp, vật liên kết và vật trung gian ghép nối Mỗi sản phẩm có hình dáng khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng, được thiết kế và chế tạo, sau đó lắp ráp theo bản vẽ chính xác Ngoài đặc điểm kỹ thuật, các sản phẩm cơ điện tử còn cần có hình dáng thẩm mỹ để nâng cao giá trị và tính chuyên nghiệp của sản phẩm.
MÔĐUN ĐO LƯỜNG
Môđun đo lường là hệ thống được sử dụng rất phổ biến trong các sản phẩm cơ điện tử và thường được cấu tạo từ 3 thành phần:
Hình 2.1 Hệ thống đo lường và các thành phần
Cảm biến: Cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinh tại đầu ra của nó một tín hiệu tương ứng
Gia công tín hiệu là quá trình xử lý các tín hiệu sau chuyển đổi sơ cấp từ cảm biến, nhằm chuẩn bị cho các giai đoạn hoạt động tiếp theo của hệ thống đo Trong quá trình này, tín hiệu có thể được khuếch đại để tăng cường độ, loại bỏ nhiễu gây nhiễu, chỉnh lưu để chỉnh sửa dạng sóng, và chuyển đổi giữa tín hiệu số và analog để phù hợp với yêu cầu của hệ thống Việc gia công tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy của các dữ liệu đo lường, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.
Hệ thống hiển thị là phần quan trọng giúp thể hiện tín hiệu ra từ bộ gia công tín hiệu, thông qua dạng số hoặc biểu đồ Nó cho phép người vận hành dễ dàng quan sát và đánh giá các thông số, đảm bảo quá trình vận hành diễn ra chính xác và hiệu quả Các dạng hiển thị số và biểu đồ giúp tối ưu hóa việc theo dõi trạng thái của hệ thống, nâng cao năng suất và độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu.
Cảm biến Gia công tín hiệu Đại lượng đang được đo
HỆ THỐNG KÍCH TRUYỀN ĐỘNG
Hệ thống kích truyền động là thành phần quan trọng trong các sản phẩm cơ điện tử, chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu đầu ra từ các mô-đun xử lý thành các hành động điều khiển trên máy móc hoặc thiết bị Đây là phần cốt lõi giúp các thiết bị hoạt động chính xác và hiệu quả, góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành của hệ thống tự động hóa.
Phần này sẽ được tìm hiểu kỹ ở chương 3.
MÔĐUN TRUYỀN THÔNG
Trong quá trình sản xuất và chế tạo, việc duy trì nhịp độ hoạt động của các thiết bị phụ thuộc vào việc truyền thông tin chính xác và hiệu quả giữa chúng Các thiết bị công nghiệp hiện đại có khả năng gửi và đọc thông tin một cách đa dạng, giúp đảm bảo quá trình điều khiển tự động luôn chính xác và liên tục Trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị là yếu tố then chốt để duy trì sự phối hợp tốt trong sản xuất, nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi – điều cần thiết trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay.
Trong việc trao đổi, truyền thông tin và dữ liệu giữa các máy tính, phạm vi sử dụng ảnh hưởng đến cách điều khiển hệ thống Điều khiển trung tâm là phương pháp sử dụng một máy tính trung tâm để quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất, nhưng nếu máy tính này gặp sự cố, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động, phản ánh công nghệ điều khiển những năm 1970.
Hệ điều khiển phân cấp là một mô hình trong đó các máy tính thực hiện công việc hàng ngày được giám sát bởi các máy tính có vai trò quyết định lớn hơn Quá trình phân chia công việc dựa trên chức năng và chuyên môn của từng máy tính giúp tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát hệ thống Điều này đảm bảo sự phối hợp hiệu quả giữa các cấp máy tính, tăng cường độ chính xác và độ tin cậy trong vận hành hệ thống.
Hệ thống điều khiển phân quyền cho phép các máy tính thực hiện công việc tương tự nhau, đảm bảo tính linh hoạt và liên tục trong quá trình vận hành Khi có sự cố hoặc một máy quá tải, công việc có thể tự động chuyển sang các máy khác trong hệ thống, giảm thiểu gián đoạn Hệ thống phân chia công việc đều đặn trên tất cả các máy, đòi hỏi mỗi máy cần truy cập được tất cả các máy trong hệ thống để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
MÔĐUN XỬ LÝ
Môđun xử lý, xử lý thông tin do môđun giao diện và môđun đo lường cung cấp, là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động Thành phần chính của môđun này là bộ điều khiển, trong đó các bộ vi xử lý ngày nay đóng vai trò then chốt trong các bộ điều khiển, giúp nâng cao hiệu quả và khả năng xử lý dữ liệu.
Bộ vi xử lý được chia thành 3 vùng:
- Bộ xử lý trung tâm (CPU) nhận biết và thực hiện các lệnh của chương trình
- Giao diện nhập-xuất để quản lý và truyền thông giữa bộ xử lý và thế giới bên ngoài
- Bộ nhớ để lưu giữ chương trình và dữ liệu
Tín hiệu số di chuyển qua hệ thống bus trong máy tính, là các dây nối truyền dữ liệu giữa các bộ phận Bus hoạt động như một con đường cao tốc, giúp dữ liệu di chuyển nhanh chóng và hiệu quả Khi bus rộng hơn, khả năng truyền dữ liệu tăng lên, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tối ưu.
Dữ liệu liên quan đến chức năng xử lý của CPU được truyền qua đường truyền dữ liệu (data bus), giúp truyền thông tin giữa các thành phần trong hệ thống Thông tin về địa chỉ của vị trí bộ nhớ cần truy cập được tải qua bus địa chỉ (address bus), xác định chính xác vị trí dữ liệu lưu trữ Các tín hiệu điều khiển liên quan đến hoạt động của hệ thống được tải qua bus điều khiển (control bus), điều phối quá trình truyền dữ liệu và thực thi các lệnh của CPU.
Bus dữ liệu là phần quan trọng trong hệ thống máy tính, có chức năng truyền thông tin giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị nhập/xuất Mỗi dây trong bus truyền một tín hiệu nhị phân 0 hoặc 1, giúp chuyển đổi dữ liệu một cách chính xác Ví dụ, một bus 4 dây đang truyền dữ liệu dạng nhị phân 1010, trong đó mỗi bit được gửi qua từng dây riêng biệt, đảm bảo quá trình trao đổi dữ liệu diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
0 (bit thấp) Dây bus dữ liệu đầu tiên
1 Dây bus dữ liệu thứ 2
0 Dây bus dữ liệu thứ 3
1 (bít cao) Dây bus dữ liệu thứ 4
Kích thước của bus, hay còn gọi là độ rộng của đường cao tốc dữ liệu, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng dữ liệu truyền đi mỗi lần Các loại bus phổ biến như bus 4 bit, 8 bit, và 16 bit giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu trong hệ thống máy tính Kích thước bus lớn hơn cho phép truyền nhiều bit dữ liệu cùng lúc, từ đó nâng cao tốc độ xử lý và hiệu quả hoạt động của hệ thống Vì vậy, chọn đúng kích thước bus phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động ổn định và tối ưu của các thiết bị công nghệ.
32 bit… có thể truyền từng đó dữ liệu một lần
Bus dữ liệu có chiều dài 4 bit cho phép truyền tải 16 giá trị khác nhau, vì bộ nhớ có thể xử lý 2⁴ = 16 trạng thái Trong thực tiễn, bộ vi xử lý 4 bit thường được sử dụng trong các thiết bị như đồ chơi điện tử và máy giặt Các loại bộ vi xử lý phổ biến hiện nay dành cho hệ điều khiển bao gồm các dòng 8, 16, 32 và 64 bit, đáp ứng nhu cầu xử lý ngày càng cao của các thiết bị điện tử hiện đại.
Bus địa chỉ là thông tin về địa chỉ của một vị trí cụ thể trên bộ nhớ, cho phép CPU truy xuất dữ liệu chính xác Hầu hết các máy tính nhỏ sử dụng bus địa chỉ từ 16 đến 32 bit, giúp truy cập vào nhiều vị trí nhớ khác nhau Một bus địa chỉ 16 bit có thể truy xuất tới 64K vị trí nhớ, trong khi bus 20 bit nâng cao khả năng này lên 1M vị trí, và bus 32 bit cho phép truy cập đến 4G vị trí nhớ, giúp máy tính xử lý dữ liệu lớn và chạy các chương trình phức tạp hiệu quả hơn.
Bus điều khiển (control bus) là tập hợp các tín hiệu có vai trò quan trọng trong việc điều khiển và đồng bộ hoạt động của hệ thống máy tính Mỗi tín hiệu trong bus điều khiển đảm nhận một nhiệm vụ riêng, giúp đảm bảo các thành phần của hệ thống hoạt động theo trật tự chính xác Qua bus điều khiển, các tín hiệu được gửi đi một cách có tổ chức để điều phối và quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng, từ đó nâng cao hiệu quả và tính ổn định của hệ thống.
2 Bộ xử lý trung tâm CPU
CPU là bộ phận chịu trách nhiệm quản lý tất cả các hoạt động và thực hiện các thao tác trên dữ liệu Hầu hết các CPU chỉ gồm một tập hợp các mạch logic liên tục thực hiện hai chức năng chính: tìm nạp và thực thi lệnh Bộ xử lý trung tâm (CPU) hiểu và thực thi các lệnh dựa trên tập hợp mã nhị phân, trong đó mỗi mã biểu thị một thao tác đơn giản như các lệnh số học (cộng, trừ, nhân, chia), lệnh logic (AND, OR, NOT), lệnh di chuyển dữ liệu hoặc lệnh rẽ nhánh Các tập lệnh này giúp CPU xử lý các tác vụ một cách chính xác và hiệu quả, đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của hệ thống máy tính.
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory) là loại bộ nhớ chứa dữ liệu vĩnh viễn, được lập trình sẵn trong quá trình sản xuất Các chip ROM chỉ cho phép đọc dữ liệu, không thể chỉnh sửa hoặc ghi thêm dữ liệu mới ROM thường dùng để lưu trữ các chương trình cố định, giúp hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.
Bộ nhớ EPROM (Erasable and Programable): Các chip sử dụng loại bộ nhớ này có thể xóa và lập trình lại được
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
MÔĐUN PHẦN MỀM
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Bộ xử lý hoạt động dựa trên hệ nhị phân, với các chương trình bằng mã máy để bộ xử lý hiểu và thực thi Viết chương trình theo hệ nhị phân đòi hỏi kỹ thuật cao, thường gặp nhiều lỗi, nên người lập trình thường sử dụng hợp ngữ (Assembly language) để dễ dàng hơn Tuy nhiên, hợp ngữ vẫn cần được chuyển thành mã máy thông qua các chương trình dịch hợp ngữ (assembler programs) để bộ xử lý có thể hiểu và thực thi Ngoài ra, các ngôn ngữ lập trình bậc cao như BASIC, C, C++, FORTRAN, Pascal cũng phải qua quá trình chuyển đổi sang ngôn ngữ máy trước khi bộ vi xử lý có thể chạy các chương trình này một cách hiệu quả.
Tập lệnh (instruction set) là danh sách các từ khóa mô tả toàn bộ các hoạt động và tác vụ mà CPU có thể thực hiện Các bộ vi xử lý khác nhau sở hữu các bộ lệnh riêng biệt, nhưng chúng đều có thể được phân chia thành các nhóm lệnh chính Việc hiểu rõ các nhóm lệnh giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống máy tính Các nhóm lệnh phổ biến bao gồm lệnh điều hướng, lệnh tính toán, và lệnh truy cập bộ nhớ Điều này giúp các nhà phát triển phần mềm tối ưu mã lệnh phù hợp với bộ vi xử lý cụ thể, nâng cao hiệu quả xử lý dữ liệu.
Thường phương pháp lập trình được sử dụng để phát triển chương trình gồm các bước sau:
- Xác định vấn đề, bắt đầu từ việc làm rõ chương trình phải thực hiện những chức năng gì, yêu cầu nhập xuất, dung lượng nhớ…
- Quyết định thuật toán sử dụng Thuật toán là tuần tự các bước xác định một phương pháp giải quyết vấn đề
Thuật toán được thể hiện qua sơ đồ luồng, sử dụng các biểu tượng chuẩn để minh họa các bước hoạt động Mỗi bước của thuật toán được biểu diễn bằng một hoặc nhiều biểu tượng, kết nối với nhau bằng các đường dẫn thể hiện luồng thực thi của chương trình Sơ đồ luồng giúp trực quan hóa quá trình xử lý và dễ dàng nắm bắt các bước trong thuật toán một cách rõ ràng và dễ hiểu.
- Chuyển đổi lưu đồ thuật toán thành câu lệnh mà bộ xử lý có thể thực hiện Tức là viết các câu lệnh theo ngôn ngữ lập trình
- Chạy thử và sửa lỗi chương trình.
MÔĐUN GIAO DIỆN
Môđun giao diện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Cơ điện tử, giúp kết nối các thiết bị ngoại vi như cảm biến và bảng điều khiển với hệ thống vi xử lý Do các thiết bị này thường không phù hợp về mức tín hiệu và dạng tín hiệu, cần thiết phải sử dụng mạch giao diện để đảm bảo tương thích Mạch giao diện hoạt động như một cầu nối, chuyển đổi tín hiệu giữa các thiết bị ngoại vi và bộ vi xử lý, đảm bảo hệ thống vận hành chính xác và ổn định.
Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý
CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Cảm biến
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các hiện tượng vật lý như nhiệt độ, lực, ánh sáng thành tín hiệu đầu ra có tỷ lệ rõ ràng, giúp truyền tải dữ liệu chính xác Chức năng của cảm biến đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động và điều khiển, mang lại hiệu quả cao trong đo lường và giám sát môi trường Các loại cảm biến đa dạng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau như công nghiệp, điện tử, y tế và gia đình, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Việc chọn lựa cảm biến phù hợp đòi hỏi hiểu biết kỹ thuật về nguyên lý hoạt động và khả năng đáp ứng của từng loại để đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu.
Cảm biến được chia thành hai loại chính dựa trên dạng tín hiệu đầu ra là cảm biến tương tự và cảm biến số Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số đo lường, đòi hỏi phải qua quá trình biến đổi thành dạng số trước khi gửi đến bộ điều khiển số Ngược lại, cảm biến số cung cấp đầu ra dạng số có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển số, giúp quá trình truyền dữ liệu nhanh chóng và chính xác hơn.
Một số loại cảm biến thường gặp:
- Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay
- Cảm biến đo mômen và công suất
Khoái cô caáu chấp hành
HEÄ THOÁNG ĐƯỢC ẹIEÀUKHIEÅN
- Cảm biến đo khoảng cách
- Các cảm biến nhận biết ánh sáng, hình ảnh và nhận dạng
- Dải đo: Chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tham số cần đo
- Độ phân giải: Thay đổi nhỏ nhất mà cảm biến có thể phân biệt được
- Độ chính xác: Sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực
- Tính chính xác: Khả năng lặp lại kết quả đo với độ chính xác cho trước
- Độ nhạy: Là tỷ số của thay đổi đầu ra trên một đơn vị thay đổi của đầu vào
- Thời gian đáp ứng: Độ trễ giữa đầu vào và đầu ra
- Nhiệt độ hoạt động: Khoảng nhiệt độ mà tại đó cảm biến hoạt động được
- Vùng chết: Dải đầu vào mà trong dải đó sẽ không có đầu ra
Việc chọn cảm biến thỏa mãn tất cả các đặc tính kỹ thuật trên là không thực tế
Việc tìm cảm biến vị trí có độ phân giải ở mức micromet trong phạm vi một mét thường không phù hợp với hầu hết các loại cảm biến hiện có Do đó, việc lựa chọn cảm biến cần dựa trên hệ Cơ điện tử thiết kế để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Khi các hệ số chức năng đạt yêu cầu, có thể xây dựng danh sách cảm biến phù hợp Lựa chọn cảm biến cuối cùng phụ thuộc vào các yếu tố như kích cỡ, độ tin cậy, độ bền vững, khả năng bảo dưỡng và chi phí Việc đánh giá kỹ lưỡng các tiêu chí này đảm bảo lựa chọn cảm biến tối ưu cho hệ thống.
Cơ cấu chấp hành
Các cơ cấu chấp hành là phần phía sau của hệ cơ điện tử, nhận tín hiệu điều khiển chủ yếu dạng điện và gây ra sự thay đổi trong hệ vật lý như tạo lực, chuyển động, nhiệt hoặc dòng chảy Thường thì các cơ cấu chấp hành được kết hợp cùng nguồn nuôi và bộ ghép nối để thực hiện chức năng điều khiển chính xác, như minh họa trong hình 3.2.
Hình 3.2 Thiết bị chấp hành thông thường
Cơ cấu chấp hành có thể phân loại dựa trên dạng năng lượng.Về cơ bản có các dạng: điện, điện cơ, điện từ, thủy lực và khí nén
Cơ cấu chấp hành có thể được phân loại thành dạng nhị phân và liên tục dựa trên số lượng đầu ra trạng thái ổn định Rơle có hai trạng thái ổn định là ví dụ điển hình của cơ cấu chấp hành dạng nhị phân, trong khi động cơ bước là ví dụ tiêu biểu cho cơ cấu chấp hành dạng liên tục Việc hiểu rõ các loại cơ cấu chấp hành này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống tự động và điều khiển chính xác hơn.
ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tham số cần đo Dải đo thường được quy định bởi nhà sản xuất cảm biến
2 Độ phân giải Độ phân giải của cảm biến là khoảng nhỏ nhất của đầu vào mà cảm biến có thể đo được Độ phân giải cũng có thể được hiểu là số đếm nhỏ nhất của cảm biến Ví dụ một bộ mã hóa 1024 ppr (xung/vòng) có độ phân giải là: xung độ 0.3516 độ xung
3 Độ nhạy Độ nhạy của cảm biến được định nghĩa là tỷ số giữa thay đổi đầu ra trên một đơn vị thay đổi đầu vào Độ nhạy của cảm biến thường liên quan mật thiết đến độ phân giải Một cảm biến có đặc tính tuyến tính thì có độ nhạy không đổi trên toàn bộ dải đầu vào Các cảm biến có đặc tính phi tuyến thì có độ nhạy tăng hoặc giảm khi đầu vào thay đổi như hình 3.3
Hình 3.3 Độ nhạy của cảm biến
Sai số là độ sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo lường Trong đo lường, có hai loại sai số chính là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên; trong đó, sai số hệ thống xuất hiện trong tất cả các phép đo thực hiện bằng cảm biến, với các dạng như sai số cố định, sai số tuyến tính hoặc sai số do hiệu chuẩn không chính xác Hiểu rõ về các dạng sai số hệ thống giúp tối ưu hóa quá trình đo lường và nâng cao độ chính xác của dữ liệu thu thập.
- Sai số lệch không: là dạng phổ biến của sai số hệ thống khi giá trị đầu ra khác không với đầu vào bằng không
- Sai số tải: do thêm cảm biến vào hệ đo làm thay đổi hệ
- Sai số do độ nhạy của cảm biến thay đổi không giống như mong muốn
Khả năng lặp lại của cảm biến đề cập đến việc thu được kết quả giống nhau khi đầu vào không đổi Sai số ngẫu nhiên và nhiễu là những yếu tố chính hạn chế khả năng lặp lại, làm giảm độ chính xác của các phép đo Để khắc phục sai số ngẫu nhiên, phương pháp lấy trung bình nhiều phép đo được sử dụng hiệu quả Bằng cách này, khả năng lặp lại của cảm biến được cải thiện, đảm bảo kết quả ổn định và chính xác hơn.
Vùng chết là khu vực tại điểm không, nơi đầu vào gần đó vẫn không làm thay đổi giá trị của đầu ra Khi đầu vào thoát khỏi vùng chết, đầu ra sẽ bắt đầu phản ứng theo các biến đổi của đầu vào (xem hình 3.4) Hiểu rõ về vùng chết giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển và kiểm soát quá trình Do đó, xác định chính xác vùng chết là yếu tố quan trọng trong thiết kế và tối ưu hệ thống tự động.
Vùng chết thường được dùng trong bộ ổn nhiệt gia đình và các bộ điều khiển quá trình đầu ra đầu vào
Hình 3.5 Vùng chết của bộ ổn nhiêt
Ví dụ về bộ ổn nhiệt gia đình được mô tả trên hình 3.5
Khi nhiệt độ trong phòng đạt mức điểm đặt của bộ ổn nhiệt, hệ thống vẫn giữ trạng thái tắt để duy trì nhiệt độ ổn định Chỉ khi nhiệt độ tăng lên đến điểm đặt cộng với một nửa giá trị vùng chết, hệ thống làm mát sẽ tự động bật hoàn toàn để đảm bảo nhiệt độ không vượt quá giới hạn mong muốn Điều này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điều hòa, tiết kiệm năng lượng và duy trì môi trường thoải mái.
Khi phòng lạnh giảm nhiệt, hệ thống sẽ giữ chế độ bật cho đến khi nhiệt độ trong phòng đạt đến điểm đặt, trừ đi một nửa giá trị vùng chết Sau đó, đầu ra của hệ thống làm lạnh sẽ tự động tắt hoàn toàn để duy trì nhiệt độ mong muốn và tiết kiệm năng lượng.
Thuật ngữ tính ổn định có nhiều định nghĩa khác nhau, nhưng định nghĩa phổ biến nhất liên quan đến khả năng duy trì trạng thái cân bằng Một hệ cân bằng giữ được trạng thái không đổi khi không bị tác động bởi nhiễu, trong khi một hệ ổn định sẽ trở lại trạng thái cân bằng sau khi bị nhiễu nhỏ gây lệch khỏi vị trí ban đầu Ngược lại, hệ không ổn định thường không phục hồi về trạng thái cân bằng, mà có xu hướng dịch chuyển xa khỏi vị trí cân bằng ban đầu.
Hình 3.6 Tính ổn định của hệ thống
Hình 3.6 trình bày ba điều kiện ổn định của một hệ đơn giản gồm quả bóng và đồi, trong đó vị trí cân bằng được xác định rõ ràng — như nằm trên đỉnh đồi hoặc dưới đáy Trong các trường hợp ổn định, một dịch chuyển nhỏ của quả bóng khỏi vị trí cân bằng sẽ khiến nó quay trở lại vị trí ban đầu, đôi khi qua một số dao động nhỏ Điều này cho thấy hệ duy trì trạng thái cân bằng ổn định khi các tác động nhỏ không gây ra sự mất ổn định.
Vùng chết điểm đặt nhiệt độ đầu ra bật tắt
Không ổn định Ổn định Biên giới ổn định
Trong trường hợp không có ma sát, quả bóng sẽ dao động liên tục quanh vị trí cân bằng sau khi chịu một tác động nhỏ, tạo thành một hệ thống không mất năng lượng và duy trì chuyển động đều đặn Trường hợp này được gọi là biên ổn định, bởi hệ thống không bao giờ thực sự trở về vị trí cân bằng mà liên tục duy trì dao động quanh đó Điều này phản ánh đặc điểm của các hệ thống không có ma sát, nơi các dao động không bị giảm dần theo thời gian.
Hầu hết các cảm biến và cơ cấu chấp hành đều đã ổn định, nhưng việc thêm các hệ điều khiển chủ động có thể gây mất ổn định cho hệ thống thiết bị Việc phân tích và kiểm tra kỹ lưỡng là cần thiết để đảm bảo rằng hệ cơ điện tử hoạt động trong trạng thái ổn định.
Là thời gian trễ giữa đầu vào và đầu ra Cảm biến càng tốt thì thời gian đáp ứng càng nhỏ
Là khoảng nhiệt độ mà tại đó cảm biến còn có thể hoạt động được.
MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN THƯỜNG GẶP
1 Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay
Hầu hết các chuyển động phổ biến trong hệ thống cơ khí là chuyển động thẳng dọc theo một trục cố định và quay quanh một trục cố định Các chuyển động phức tạp hơn thường được hình thành bằng cách kết hợp các chuyển động đơn giản này Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu tóm tắt các công nghệ hiện có để đo lường chuyển động thẳng và chuyển động quay quanh một trục, giúp hiểu rõ hơn về các phương pháp đo chính xác trong hệ thống cơ khí.
Cảm biến dịch chuyển đơn giản nhất là công tắc hành trình, gửi lại một bit thông tin về trạng thái chạm hoặc không chạm Công tắc hành trình gồm đòn bẩy khi tác động sẽ tạo ra tiếp xúc cơ khí bên trong, đóng mở mạch điện kín và có thể được sử dụng như cảm biến va chạm trong các hệ thống tự động.
Hình 3.7 Công tắc hình trình
Tia hồng ngoại được sử dụng để đo các dịch chuyển thẳng hoặc quay Các điốt phát tia hồng ngoại (LED) hoặc đèn phát quang thường là nguồn phát sáng trong hệ thống này, trong khi thiết bị cảm nhận hồng ngoại đóng vai trò thu nhận tia sáng Công nghệ này giúp đo lường chính xác các động cơ dịch chuyển, cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.
Thiết bị ngắt quang (hình 3.8) hoạt động như một bộ ngắt tia khi thiết bị phát và thiết bị thu đối diện nhau, giúp phát hiện bất kỳ vật thể nào đi qua giữa chúng Đây là một giải pháp hiệu quả cho hệ thống nhận diện và bảo vệ dựa trên công nghệ cảm biến quang học.
Hình 3.8 Bộ ngắt quang dẫn QVA11234
Khi thiết bị phát và thu di chuyển tự do theo đường thẳng nối chúng, cường độ tín hiệu nhận được có thể dùng để đo khoảng cách chính xác Tuy nhiên, cảm biến tia hồng ngoại cũng dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường xung quanh, gây nhiễu cho quá trình đo Vì vậy, trong thiết kế hệ thống, cần chú ý tới hiện tượng nhiễu ánh sáng để tối ưu hóa khả năng chống nhiễu của cảm biến, đảm bảo độ chính xác và ổn định của phép đo.
Một bộ phát sáng và bộ dò đặt cùng hướng về phía trước có thể đo khoảng cách thô đến một bề mặt gần nhờ vào cường độ của tia phản xạ sau khi va chạm vào bề mặt (hình 3.9) Thiết bị này được gọi là thiết bị phản xạ quang và thường được sử dụng trong các robot di động để phát hiện vật cản ở một khoảng cách xác định.
Hình 3.9 Cảm biến phản xạ quang bán dẫn QRB1114
Các thiết bị ngắt quang và thiết bị phản xạ quang có thể được đóng gói sẵn hoặc chế tạo riêng biệt từ LED hồng ngoại và đi-ốt quang hoặc tranzito quang, đảm bảo thiết bị thu nhạy cảm với bước sóng của LED phát hồng ngoại Việc này giúp tăng độ chính xác và hiệu quả của hệ thống truyền tải quang học Các thành phần này thường được lựa chọn kỹ lưỡng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ trong quá trình sử dụng.
1.3 Các bộ mã hóa quang học
Bộ mã hóa quang sử dụng một bộ ngắt quang để biến đổi chuyển động thành các chuỗi xung điện Những xung này mang thông tin về chuyển động và được mạch điện đếm hoặc giải mã để xác định số đo dịch chuyển Chuyển động có thể là thẳng hoặc quay, nhưng chủ yếu tập trung vào các bộ mã hóa quang quay thông thường để đo lường chính xác hơn.
Bộ mã hóa quang quay cơ bản gồm hai loại chính: mã hóa tương đối và mã hóa tuyệt đối Trong bộ mã hóa tương đối, đĩa chia vạch được gắn vào trục quay, và khi trục quay, các vạch này sẽ ngăn hoặc cho tia sáng hồng ngoại tới thiết bị dò quang học, tạo ra các dãy xung tương ứng với vận tốc góc của đĩa Các tín hiệu thu được từ bộ dò, ký hiệu là A và B, có tần số phù hợp với tốc độ quay, và chúng lệch pha nhau theo chu kỳ, giúp xác định hướng quay và tốc độ của trục.
Hình 3.10 Bộ mã hóa tương đối
Bằng cách đếm số lượng các xung và các vạch trên đĩa đã biết, ta có thể xác định tốc độ quay của trục Hướng quay của đĩa được xác định dựa trên quan hệ pha giữa các chuỗi xung A và B Khi xung A tăng trong khi B bằng 1, ta có thể kết luận rằng đĩa đang quay ngược chiều kim đồng hồ Ngược lại, nếu xung A tăng khi B bằng 0, chuyển động của đĩa là quay cùng chiều kim đồng hồ.
Lực là một đại lượng vectơ đóng vai trò là tác nhân gây ra gia tốc hoặc phản ứng đặc trưng của vật thể Trong bài viết này, chúng ta sẽ trình bày các phương pháp phổ biến được sử dụng để xác định độ lớn của các lực, nhằm hiểu rõ hơn về tác động của lực lên vật Các phương pháp này giúp đo lường chính xác và ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực kỹ thuật và vật lý.
Các lực tác dụng lên một vật mà không gây ra gia tốc phải có dạng hệ lực cân bằng, tạo thành hệ cân bằng tĩnh Hệ này đảm bảo tổng các lực tác dụng lên vật bằng không, giữ cho vật ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động đều Các lực này chia thành hai loại chính: nội lực, xuất phát từ các phần tử bên trong của vật tác dụng lẫn nhau, và ngoại lực đến từ các tác nhân bên ngoài.
Hình 3.11 Vật bị kéo dọc trục (a), nén dọc trục (b), biến dạng (c)
Trong kỹ thuật đo lường, cảm biến tải là thiết bị dùng để đo các lực lớn và tĩnh hoặc biến thiên chậm với độ lệch nhỏ và độ chính xác cao Cảm biến tải gồm một khung cứng, môi trường đo lực và đầu đo, trong đó cảm biến tải thủy lực là một ví dụ điển hình Cảm biến tải thủy lực sử dụng một khung chắc chắn, khoang chứa đầy chất lỏng, và khi có tải, áp lực dầu tăng lên và được đầu đo chính xác ghi nhận giá trị này, giúp tối ưu hóa chi phí đo lường các lực lớn.
Hình 3.12 Cảm biến tải thủy lực
3 Cảm biến đo khoảng cách
Cảm biến đo khoảng cách là thiết bị được sử dụng để xác định khoảng cách từ điểm tham chiếu đến một đối tượng, giúp nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng tự động hóa Các công nghệ phổ biến để phát triển cảm biến này bao gồm ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng và siêu âm, mang lại đa dạng lựa chọn phù hợp với từng nhu cầu sử dụng Cảm biến đo khoảng cách được chia thành hai loại chính là cảm biến tiếp xúc và cảm biến không tiếp xúc, trong đó chủ yếu tập trung vào loại không tiếp xúc nhờ khả năng đo lường chính xác và không làm ảnh hưởng đến đối tượng đo.
Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là thiết bị đo khoảng cách chính xác từ điểm tham chiếu đến đối tượng mà không cần tiếp xúc vật lý Loại cảm biến này được chia thành hai loại chính: chủ động, phát ra năng lượng vào khu vực cần đo, và bị động, tận dụng năng lượng phát ra từ các đối tượng để xác định khoảng cách.
CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Khi áp dụng điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng tạo ra lực tác dụng lên các dây dẫn, sinh ra mô men tác dụng làm quay rôto Chiều của lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái, giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều.
Hình 3.16 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau nhờ phiến góp đổi chiều dòng điện, giúp dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng Điều này giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo lực tác dụng lên rôto luôn theo cùng một hướng, giúp động cơ duy trì chiều quay cố định Để phù hợp với từng tải khác nhau, cần điều chỉnh tốc độ của động cơ khi có tải nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Ta có phương trình điện áp ở mạch phần ứng là:
Thay trị số Eư = KEn ta có phương trình tốc độ là: n = E u u
Nhìn vào phương trình trên, ta thấy rằng muốn điều chỉnh tốc độ ta có các phương pháp sau: a Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng
Khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, điện trở Rư tăng lên gây giảm tốc độ động cơ do đặc tính cơ dốc xuống Dòng điện phần ứng lớn dẫn đến tổn hao công suất lớn trên điện trở điều chỉnh, phù hợp cho động cơ công suất nhỏ Một phương pháp khác để điều chỉnh tốc độ là thay đổi điện áp U của động cơ.
Dùng nguồn điện một chiều để điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ Phương pháp này được sử dụng nhiều c Thay đổi từ thông
Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ
Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, ta có thể kết hợp các phương pháp như thay đổi từ thông và thay đổi điện áp để đạt phạm vi điều chỉnh rộng, đây là ưu điểm lớn của loại động cơ này Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của động cơ, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Nhờ tích hợp các kỹ thuật điều chỉnh này, động cơ điện một chiều đảm bảo khả năng kiểm soát tốc độ linh hoạt, đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu vận hành.
1.2 Động cơ AC a Động cơ không đồng bộ
Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f1 vào dây quấn stato, dòng điện ba pha chạy qua quấn dây, tạo ra từ trường quay p đôi cực Từ trường này quay với tốc độ p n 60f, góp phần chuyển đổi năng lượng điện thành cơ khí trong máy.
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng sức điện động, gây ra dòng điện trong các thanh dẫn do dây quấn rôto nối ngắn mạch Lực tác dụng giữa từ trường quay và dòng điện trong thanh dẫn gây ra mô-men quay, tác động để kéo rôto quay theo chiều của từ trường với tốc độ n Ví dụ minh họa, từ trường quay B của Stato quay theo chiều kim đồng hồ với tốc độ N1, làm rõ quá trình cảm ứng và lực tác dụng trong máy điện.
Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta dựa vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn so với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn sẽ ngược chiều với chiều của lực từ \(N_1\) Áp dụng quy tắc bàn tay phải giúp xác định chính xác chiều sức điện động cảm ứng dựa trên hướng của từ trường và chiều chuyển động của thanh dẫn, như minh họa trong hình.
Chiều lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái và trùng với chiều quay của n1, đảm bảo đúng hướng của lực Tốc độ trượt của máy, ký hiệu là n2, được định nghĩa là độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay và tốc độ của máy, tức là n2 = n1 – n.
Hình 3.11 Quá trình tạo momen quay của động cơ không đồng bộ
Hệ số trượt của tốc độ là:
Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1 Khi roto quay định mức s = 0,02
0,06 Tốc độ động cơ là: n = n1 (1 - s) = 60 (1 s) p f vg/p b Động cơ đồng bộ
Khi cho dòng điện ba pha vào dây quấn stato, dòng điện ba pha ở dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ: p n 60f
Khi rôto đứng yên, cực Nam của nó bị cực Bắc stato kéo và có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ Tuy nhiên, do quán tính và tốc độ quét nhanh của cực Bắc stato, rôto không thể quay kịp, dẫn đến việc nó bị đẩy lùi sau nửa chu kỳ và có xu hướng quay ngược lại Điều này khiến mômen quay trung bình bằng không và rôto không thể hoạt động.
Tuy nhiên nếu chúng ta quay trước rôto với tốc độ đồng bộ các cực từ rôto bị
Khi không tải, stato và rôto cùng quay đồng bộ với nhau, trục của chúng trùng nhau (θ = 0), tạo ra hiện tượng khóa chặt vào cực từ stato trái dấu Tuy nhiên, khi có tải, trục từ trường của rôto chậm hơn so với trục từ trường stato một góc nhất định, gây ra sự dịch lệch và ảnh hưởng đến hoạt động của máy.
, tải càng nặng góc càng lớn, nhưng cả hai vẫn cùng quay với tốc độ đồng bộ n1
1.3 Động cơ bước a Giới thiệu về động cơ bước Động cơ bước cơ bản là một động cơ điện không có bộ phận đảo mạch (chổi than) Thông thường động cơ bước có nhiều hơn 2 cuộn dây đóng vai trò stator (phần tĩnh) Rotor (phần động) vẫn là một nam châm vĩnh cửu hoặc là những khối có răng (khía) làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính (trường hợp động cơ bước biến từ trở) Sự đảo mạch cho dòng điện trong cuộn dây được thực hiện bằng mạch điện
Hình 3.12 mô tả quá trình tạo ra momen trong động cơ đồng bộ khi điều khiển bên ngoài Mạch điều khiển này thường tích hợp chức năng điều khiển quay tới, lui hoặc giữ nguyên vị trí xác định của động cơ Việc sử dụng hệ thống điều khiển bên ngoài giúp tăng cường khả năng kiểm soát chính xác và ổn định cho động cơ đồng bộ.
Hình 3.13 Phân biệt động cơ bước và động cơ điện thông thường
Hình 3.14 Cấu tạo bên trong động cơ bước
Động cơ bước là loại động cơ đồng bộ hoạt động theo nguyên lý quay từng “bước”, mỗi bước quay một góc nhất định (ví dụ 1,80° mỗi bước), giúp điều khiển vị trí chính xác Một vòng quay của động cơ gồm nhiều bước liên tiếp, cho phép điều chỉnh vị trí chính xác khi kết hợp với mạch điều khiển bên ngoài, giúp động cơ quay đến và dừng lại tại các vị trí xác định một cách chính xác.
Động cơ bước chính gồm có ba loại dựa trên cấu tạo: động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ bước biến từ trở và động cơ bước hỗn hợp Ngoài ra, còn có cách phân loại theo mạch điều khiển như động cơ bước đơn cực (unipolar) và lưỡng cực (bipolar) Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là nam châm vĩnh cửu, không chia thành nhiều răng, và có nhiều cuộn dây, trong đó hai loại phổ biến là đơn cực và lưỡng cực Động cơ bước biến từ trở không dùng nam châm vĩnh cửu làm rotor mà sử dụng một khối vật liệu nhẹ có từ tính, với phần stator gồm 3 đến 5 cuộn dây được nối chung.
Động cơ bước hỗn hợp (hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng) kết hợp ưu điểm của động cơ biến trở và động cơ cảm ứng, với rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng và stator gồm các cuộn dây Loại động cơ này thường có 200 răng và bước 1,80 độ, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả hoạt động.
Hình 3.17 Động cơ bước hỗn hợp
Như ta thấy trong hình, rotor của động cơ bước hỗn hợp gồm hai đĩa bố trí so le nhau Mỗi đĩa có nhiều răng ứng với các cực
ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC I GIỚI THIỆU PLC
Giới thiệu chung
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để tự động hóa các trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân như ngõ vào, thời gian định sẵn hoặc các sự kiện đếm Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ điều khiển thiết bị vật lý bên ngoài, bật hoặc tắt theo yêu cầu Bộ điều khiển lập trình hoạt động liên tục theo vòng lặp trong chương trình để đảm bảo quá trình điều khiển ổn định và chính xác.
Người sử dụng lập ra tín hiệu tại các ngõ vào và xuất tín hiệu tại các ngõ ra theo các thời điểm đã được lập trình Để khắc phục những hạn chế của bộ điều khiển dùng dây nối truyền thống, như bộ điều khiển bằng Relay, người ta đã chế tạo bộ PLC nhằm nâng cao khả năng tự động hóa và độ tin cậy trong quá trình điều khiển Bộ PLC giúp giảm thiểu lỗi kỹ thuật, tăng tính linh hoạt và dễ dàng lập trình thích nghi với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Đây là bước tiến quan trọng trong công nghệ tự động hóa, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và vận hành tự chủ.
Lập trình dễ dàng , ngôn ngữ lập trình dễ học
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính , nối mạng , các môi Modul mở rộng
Giá cả có thể cạnh tranh được
Các thiết kế ban đầu nhằm thay thế các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian, đồng thời tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng của PLC, đảm bảo tốc độ xử lý và mức giá phù hợp Những yếu tố này đã thúc đẩy sự quan tâm sâu sắc đến việc ứng dụng PLC trong công nghiệp, với các tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản đến các chức năng phức tạp như đếm, định thời và xử lý dữ liệu Sự phát triển của máy tính đã giúp các bộ PLC có dung lượng lớn hơn và số lượng I/O nhiều hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của tự động hóa công nghiệp.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai thành phần cơ bản để điều khiển và xử lý hệ thống Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi một chương trình đã được lập trình sẵn và nạp vào bộ nhớ của PLC Quá trình điều khiển diễn ra dựa trên chương trình này, cho phép dễ dàng thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ bằng cách chỉnh sửa chương trình trong bộ nhớ mà không cần can thiệp vật lý hoặc thay đổi các kết nối dây nối hay rơ-le.
Hình dáng bên ngoài
Hình 4.1 Hình dáng bên ngoài của một PLC
Mô tả các đèn báo trên S7-200:
SF: Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng Đèn SF sáng lên khi PLC có hỏng hóc
RUN: Đèn xanh RUN chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương được nạp vào trong PLC
STOP: Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thực hiện lại
Ix.x: Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
Qy.y: Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
S7-200 sử dụng cổng truyền thông RS485 dạng cắm 9 chân để kết nối dễ dàng với thiết bị lập trình hoặc các trạm PLC khác, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả trong hệ thống tự động hóa.
3 Truyền và nhận dữ liệu
8 Truyền và nhận dữ liệu
Hình 4.2 Sơ đồ chân của cổng truyền thông
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485
Hình 4.3 Sơ đồ kết nối giữa PLC và máy tính thông qua cáp PC/PPI
Hình 4.4 Hình dạng và kích thước của cáp PC/PPI
Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC
Chế độ RUN trong PLC cho phép hệ thống thực thi chương trình trong bộ nhớ, đảm bảo hoạt động liên tục Khi gặp lỗi hoặc lệnh STOP, PLC tự động chuyển sang chế độ STOP dù công tắc vẫn ở chế độ RUN, do đó cần quan sát đèn báo trạng thái thực tế của PLC để đảm bảo vận hành đúng Việc kiểm tra đèn báo giúp nhận biết chính xác trạng thái hoạt động của PLC trong quá trình vận hành tự động và xử lý sự cố nhanh chóng.
Chế độ STOP giúp dừng cưỡng bức chương trình chạy, tất cả các tín hiệu ra đều về trạng thái OFF, đảm bảo an toàn cho hệ thống Trong chế độ này, PLC cho phép người dùng hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới một cách dễ dàng và an toàn, chuẩn bị cho quá trình vận hành tiếp theo.
TERM : cho phép máy lập trình tự quyết định chọn một trong hai chế độ làm việc cho PLC ở RUN hoặc STOP
Mỗi CPU thường có từ 1 đến 2 vít chỉnh định tương tự, cho phép điều chỉnh góc xoay lên tới 270 độ để thay đổi giá trị của biến trong chương trình Việc sử dụng vít chỉnh định giúp người dùng dễ dàng tinh chỉnh các tham số của CPU, nâng cao hiệu suất và tùy biến hệ thống theo nhu cầu Đây là phần quan trọng trong quá trình cấu hình và tối ưu hoá thiết bị điện tử, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác.
Pin và nguồn nuôi bộ nhớ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt, nguồn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực, đảm bảo PLC vẫn duy trì nguồn cấp năng lượng cho bộ nhớ Việc này giúp dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ không bị mất đi khi nguồn chính gặp sự cố hoặc mất điện Đây là giải pháp quan trọng để đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống tự động trong quá trình vận hành.
CẤU TRÚC , NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :
Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM)
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC
Một bộ PLC hoàn chỉnh thường đi kèm với một đơn vị lập trình, có thể lập trình bằng tay hoặc bằng máy tính, nhằm hỗ trợ quá trình viết, đọc và kiểm tra chương trình hiệu quả Các đơn vị lập trình đơn giản thường có RAM đủ để chứa chương trình hoàn chỉnh hoặc bổ sung, trong khi các thiết bị xách tay sử dụng RAM CMOS có pin dự phòng, chỉ truyền chương trình sang bộ nhớ PLC sau khi đã được kiểm tra và sẵn sàng Đối với các PLC lớn hơn, việc lập trình thường thực hiện trên máy tính kết nối qua các cổng như RS232, RS422, RS485 nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển và vận hành hệ thống tự động.
2 Nguyên lý hoạt động của PLC
- Đơn vị xử lý trung tâm:
CPU điều khiển hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ, sau đó thực hiện theo thứ tự các lệnh trong chương trình Bộ xử lý sẽ đóng hoặc ngắt các đầu ra dựa trên lệnh, và các trạng thái của ngõ ra này được gửi đến các thiết bị liên kết để thực thi Tất cả các hoạt động này đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ của hệ thống PLC.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :
- Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau
- Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu
- Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC, các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào/ra thông qua Data Bus Hệ thống sử dụng cả Address Bus và Data Bus, mỗi đường gồm 8 dây, cho phép truyền đồng thời 8 bit của một byte một cách song song Việc này giúp tối ưu hoá quá trình truyền dữ liệu, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống tự động hóa.
Khi module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào vào Data Bus để chuẩn bị xử lý Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus để thực hiện lệnh Control Bus sẽ gửi các tín hiệu điều khiển nhằm theo dõi và điều phối chu trình hoạt động của PLC một cách hiệu quả.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế
Hệ thống Bus chịu trách nhiệm trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị I/O, đảm bảo dữ liệu được truyền tải hiệu quả Đồng thời, CPU nhận được xung Clock có tần số từ 1 đến 8 MHz, quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời cũng như đồng hồ của hệ thống.
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O
Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay
Mỗi lệnh của chương trình có vị trí riêng trong bộ nhớ, được đánh số là địa chỉ bộ nhớ Bộ đếm địa chỉ trong bộ vi xử lý trỏ đến từng ô nhớ và được tự động tăng lên trước khi xử lý lệnh tiếp theo Quá trình đọc xảy ra khi nội dung của ô nhớ tương ứng với địa chỉ mới xuất hiện ở đầu ra, đảm bảo thực thi chính xác các lệnh trong chương trình.
Bộ nhớ bên trong PLC được xây dựng bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch có khả năng lưu trữ từ 2.000 đến 16.000 dòng lệnh tùy thuộc vào loại vi mạch Trong hệ thống PLC, các loại bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và chương trình điều khiển, đảm bảo hoạt động hiệu quả và linh hoạt.
RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ có thể nạp, thay đổi hoặc xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào, nhưng sẽ mất dữ liệu khi nguồn điện bị mất Để bảo vệ dữ liệu quan trọng, các PLC được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế, RAM thường được sử dụng để khởi tạo và kiểm tra chương trình, với xu hướng hiện nay là dùng CMOS RAM nhờ vào khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lâu dài.
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là loại bộ nhớ chỉ có thể đọc, không thể ghi dữ liệu vào, đảm bảo dữ liệu không mất khi mất nguồn điện Nội dung của EPROM đã được cài đặt sẵn bởi nhà sản xuất và thường chứa hệ điều hành của thiết bị Khi không cần mở rộng bộ nhớ, người dùng có thể bổ sung thêm EPROM gắn trong PLC để tăng khả năng lưu trữ Trên các thiết bị lập trình (Programer), có sẵn chỗ để ghi và xóa dữ liệu trên EPROM, giúp dễ dàng cập nhật hoặc thay thế nội dung khi cần thiết.
Môi trường ghi dữ liệu thứ ba gồm đĩa cứng hoặc đĩa mềm, thường được sử dụng trong máy lập trình Những bộ nhớ này có dung lượng lớn, cho phép lưu trữ các chương trình lớn trong thời gian dài, đảm bảo khả năng phát triển và lưu trữ dữ liệu hiệu quả cho các hệ thống lập trình phức tạp.
Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo
Các PLC loại lớn có chiều cao từ 1K÷16K, có khả năng chứa từ 2000÷16000 dòng lệnh
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như: RAM, EPROM
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được kết nối trực tiếp vào các module đầu vào của PLC, giúp thu thập dữ liệu cảm biến chính xác và hiệu quả Trong khi đó, các cơ cấu chấp hành được liên kết với các module đầu ra của PLC để thực hiện các lệnh điều khiển tự động Hệ thống này đảm bảo quá trình tự động hóa hoạt động liên tục, ổn định và chính xác, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC
Mỗi đơn vị I/O có địa chỉ duy nhất, giúp dễ dàng xác định và quản lý các tín hiệu Các trạng thái của các kênh I/O được hiển thị rõ ràng qua các đèn LED trên PLC, giúp kiểm tra hoạt động nhập xuất một cách nhanh chóng và chính xác Việc này làm cho quá trình vận hành và chẩn đoán hệ thống tự động hóa trở nên đơn giản, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả công việc.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra
Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng cùng với 1 tụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn, đảm bảo lưu trữ dữ liệu liên tục Với tính năng động cao, bộ nhớ S7-200 cho phép đọc ghi dữ liệu trong toàn bộ vùng, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điều khiển lập trình Tuy nhiên, các bit nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy cập để đọc, không thể ghi đè, đảm bảo tính bảo mật và ổn định của bộ nhớ.
Tham số Tham số Tham số
Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu
Hình 4.5: Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-200
- Là nguồn nhờ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được
- Là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm, … cũng giống như vùng chương trình, thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được
Bộ nhớ động dùng để lưu trữ dữ liệu của chương trình, có thể truy cập theo từng bit, byte, từ đơn (W-Word) hoặc từ kép (DW-Double Word) Vùng dữ liệu được chia thành các miền nhớ nhỏ, mỗi miền có chức năng riêng biệt, được ký hiệu bằng chữ cái đầu của từ tiếng Anh thể hiện công dụng của từng vùng.
Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ (word) hoặc từ kép (double word)
- Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi
- Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhưng đọc / ghi được
4 Mở rộng cổng vào ra
CPU 222 cho phép mở rộng tối đa hai modul để nâng cao khả năng mở rộng hệ thống Các modul mở rộng có thể được ghép nối nối tiếp về phía bên phải của CPU, tạo thành một chuỗi liên kết liên tiếp Mỗi vị trí của các modul trong hệ thống đều có địa chỉ xác định rõ ràng dựa trên kiểu của modul đó Ví dụ, một modul cổng ra không thể được gán địa chỉ của modul cổng vào, và một modul tương tự cũng không thể có địa chỉ giống như modul số, đảm bảo tính chính xác và dễ quản lý của hệ thống mở rộng.
Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chỗ trong bộ đệm, tương tự với số đầu vào/ra của modul
Bảng 4.1: Địa chỉ của hai modul mở rộng trên CPU 222
5 Cấu trúc chương trình của PLC S7-200
Có thể được lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm:
MỘT SỐ LỆNH CƠ BẢN DÙNG TRONG LẬP TRÌNH
Truy nhập từ kép VD (0 2044)
Bảng 4.2: Các toán hạng và giới hạn cho phép của CPU 222
II MỘT SỐ LỆNH CƠ BẢN DÙNG TRONG LẬP TRÌNH
Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp, giúp thiết lập trạng thái logic chính xác cho hệ thống tự động hóa Các giá trị còn lại trong ngăn xếp sau đó bị đẩy lùi xuống một bit, đảm bảo dữ liệu được xử lý theo đúng thứ tự ưu tiên Đây là lệnh quan trọng trong lập trình PLC để điều khiển các thiết bị dựa trên tín hiệu logic, tối ưu hóa quá trình tự động hóa công nghiệp.
Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1
Lệnh LDN nhập giá trị logic của một tiếp điểm vào bit đầu tiên của ngăn xếp Các giá trị còn lại trong ngăn xếp sẽ bị đẩy lùi xuống một vị trí, giúp quản lý dữ liệu một cách hiệu quả trong quá trình lập trình tự động Đây là lệnh quan trọng trong các hệ thống điều khiển logic, đảm bảo thao tác chính xác và linh hoạt.
Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1
Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ định trong lệnh Nội dung ngăn xếp không bị thay đổi
LAD Mô tả Toán hạng n
Cuộn dây đầu ra ở trạng thái kích thích khi có dòng điều khiển đi qua n: I, Q, M, SM,
Cuộn dây đầu ra được kích thích tức thời khi có dòng điều khiển đi qua n: Q (bit)
1.2 Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:
Lệnh này dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế, đảm bảo điều khiển chính xác trong hệ thống tự động Trong LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hoặc ngắt các cuộn dây đầu ra, giúp các tiếp điểm hoạt động theo đúng yêu cầu Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây, chúng sẽ đóng hoặc mở các tiếp điểm tương ứng, đảm bảo quá trình vận hành trơn tru Trong STL, lệnh truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết kế, và nếu bit này có giá trị bằng 1, các lệnh S hoặc R sẽ đóng hoặc ngắt tiếp điểm (hoặc một dãy tiếp điểm từ 1 đến 255), mà nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này.
- Lệnh Set và Reset luôn được sử dụng đi đôi
1.3 Các lệnh về tiếp điểm đặc biệt:
Lệnh tiếp điểm đặc biệt được sử dụng để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái của xung (sườn xung) và đảo ngược trạng thái dòng cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn xếp) Trong lập trình LAD, các tiếp điểm đặc biệt tác động trực tiếp vào dòng cung cấp mà không cần toán hạng riêng, do đó chúng phải được đặt ở vị trí phía trước của cuộn dây hoặc tại phần họp đầu ra để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả.
Các lệnh tiếp điểm đặc biệt được biểu diễn trong LAD:
LAD Mô tả Toán hạng
Tiếp điểm đảo trạng thái của dòng cung cấp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện Khi dòng cung cấp có tiếp điểm đảo, mạch sẽ bị ngắt, dẫn đến ngừng cung cấp điện Ngược lại, nếu không có tiếp điểm đảo, dòng điện vẫn tiếp tục thông mạch bình thường Việc kiểm tra và xử lý tiếp điểm đảo giúp đảm bảo độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện.
Tiếp điểm chuyển đổi dương, cho phép thông mạch trong một vòng quét khi sườn xung điều khiển chuyển từ 0 lên 1
Tiếp điểm chuyển đổi âm, cho phép thông mạch trong một vòng quét khi sườn xung điều khiển chuyển từ 1 xuống 0
Các lệnh tiếp điểm đặc biệt được biểu diễn trong STL:
STL Mô tả Toán hạng
NOT Lệnh đảo giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp Không có
Trong quá trình quét của đỉnh ngăn xếp, lệnh nhận biết sự chuyển tiếp trạng thái từ 0 lên 1 là rất quan trọng Khi đỉnh ngăn xếp nhận được sự chuyển tiếp này, giá trị của nó sẽ được cập nhật thành 1 trong một vòng quét Điều này đảm bảo hiệu quả trong việc theo dõi và xử lý trạng thái của các đỉnh trong thuật toán, góp phần tối ưu hóa quy trình xử lý dữ liệu.
Trong quá trình quét của đỉnh ngăn xếp, lệnh nhận biết sự chuyển tiếp trạng thái từ 1 xuống 0 đóng vai trò quan trọng Khi đỉnh ngăn xếp nhận được tín hiệu chuyển tiếp này, nó sẽ có giá trị bằng 1 trong vòng quét đó Điều này giúp xác định rõ ràng trạng thái của đỉnh ngăn xếp, hỗ trợ quá trình xử lý và phân tích dữ liệu hiệu quả hơn Việc nhận biết chuyển tiếp trạng thái từ 1 xuống 0 là bước then chốt trong các thuật toán liên quan đến danh sách ngăn xếp, nâng cao độ chính xác của quá trình quét hệ thống.
- Tiếp điểm trong vùng nhớ đặc biệt:
SM0.0: Vòng quét đầu tiên thì mở nhưng từ vòng quét thứ 2 trở đi thì đóng
Trong quá trình hoạt động, tiếp điểm SM0.1 đóng trong vòng quét đầu tiên nhưng từ vòng quét thứ hai trở đi sẽ mở ra và duy trì trạng thái mở liên tục, ngược lại với SM0.0.
SM0.4: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 phút
SM0.5: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 giây
2 Các lệnh đếm (Counter) và lệnh thời gian (Timer)
2.1 Các lệnh điều khiển thời gian Timer :
Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, thường được gọi là khâu trễ trong điều khiển tự động Khi tín hiệu đầu vào là x(t) và thời gian trễ là τ, thì tín hiệu đầu ra của Timer sẽ là x(t – τ), giúp điều chỉnh chính xác quá trình xử lý tín hiệu S7-200 có khả năng tích hợp tới 64 Timer cho CPU 212 hoặc 256 Timer cho CPU 222, và các Timer này được phân loại thành hai loại riêng biệt để phù hợp với ứng dụng khác nhau.
Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), kí hiệu là TON
Timer tạo thời gian trễ có nhớ, còn gọi là Retentive On-Delay Timer (TONR), là một phần quan trọng trong lập trình PLC S7-200 Hai kiểu Timer chính của S7-200 là TON và TONR, khác nhau ở khả năng phản ứng với trạng thái của ngõ vào Trong đó, Timer TON không có khả năng giữ trạng thái khi ngõ vào tắt, còn Timer TONR có khả năng nhớ trạng thái và duy trì thời gian trễ ngay cả khi ngõ vào thay đổi Việc hiểu rõ sự khác biệt giữa hai loại Timer này giúp tối ưu hóa quá trình tự động hóa và kiểm soát thiết bị trong hệ thống.
Timer kiểu TON và TONR đều bắt đầu tạo khoảng thời gian trễ tín hiệu từ khi tín hiệu đầu vào chuyển từ trạng thái 0 sang 1, gọi là thời điểm Timer được kích hoạt Quá trình này không tính vào thời gian trễ khi tín hiệu đầu vào giữ trạng thái logic 0 Khi tín hiệu đầu vào duy trì ở mức 1 đủ thời gian trễ đã đặt trước, Timer sẽ bật ra tín hiệu đầu ra Cả hai loại Timer đều thiết kế để đáp ứng với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào, đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu của hệ thống điều khiển tự động.
Timer TON tự động Reset khi đầu vào có giá trị logic bằng 0, trong khi đó, TONR không tự động Reset Timer TON được sử dụng để tạo ra thời gian trễ trong một khoảng thời gian nhất định (miền liên thông), còn với TONR, thời gian trễ sẽ được tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau, phù hợp cho các ứng dụng cần điều chỉnh linh hoạt hơn.
Timer TON và TONR gồm có 3 loại với 3 độ phân giải khác nhau là 1ms, 10ms và 100ms, đáp ứng đa dạng nhu cầu trong thiết kế hệ thống tự động hóa Thời gian trễ τ được tính bằng tích của độ phân giải của bộ Timer đã chọn và giá trị đặt trước, giúp người dùng dễ dàng cấu hình thời gian delay chính xác Ví dụ, với độ phân giải 10ms và giá trị đặt trước là 50, thời gian trễ sẽ là 500ms, đảm bảo kiểm soát chính xác các chu kỳ hoạt động của hệ thống Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp.
Lệnh Độ phân giải Giá trị cực đại
Bảng 4.6 Độ phân giải các loại Timer của S7-200, loại CPU 222
Cú pháp khai báo sử dụng Timer như sau:
LAD Mô tả Toán hạng
Khai báo Timer số hiệu xx kiểu TON để tạo thời gian trễ tính từ khi đầu vào
Trong quá trình hoạt động, khi giá trị đếm của IN đạt hoặc vượt giá trị đặt trước PT, T-bit sẽ được thiết lập về mức logic 1 để thể hiện trạng thái hoạt động Để reset bộ đếm theo kiểu TON, người dùng có thể sử dụng lệnh R hoặc xuất tín hiệu có giá trị logic 0 tại đầu vào IN, giúp khởi động lại quá trình đếm từ đầu.
C, IW, QW, MW, SMW, C, hằng số
Timer loại TONR được sử dụng để thiết lập thời gian trễ bắt đầu tính từ khi đầu vào IN được kích hoạt Khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT, T-bit sẽ có giá trị logic bằng 1, thể hiện trạng thái hoàn tất của quá trình đếm Quá trình reset Timer kiểu TONR chỉ có thể thực hiện bằng lệnh R để đưa T-bit về trạng thái 0, đảm bảo kiểm soát chính xác thời gian trễ trong hệ thống tự động.
PT: VW, TR, (Word) C, IW,
Bảng 4.7: Cú pháp khai báo sử dụng Timer
GIỚI THIỆU VỀ MODUL ANALOG
- Lệnh chia số nguyên 16 bit
Bảng 4.22: Lệnh chia số nguyên 16 bit
Lệnh này thực hiện phép chia số nguyên 16 bit IN1 cho IN2, với kết quả trả về trong một từ kép 32 bit gọi là OUT Kết quả bao gồm thương số được lưu trong mảng 16 bit từ bit 0 đến bit 15, và phần dư được lưu trong mảng 16 bit từ bit 16 đến bit 31 Trong quá trình thực thi, lệnh sử dụng các bít nhớ đặc biệt để báo trạng thái và kiểm soát quá trình tính toán.
Bảng 4.23: Trạng thái các bít nhớ đặc biệt
III GIỚI THIỆU VỀ MODUL ANALOG
1 Giới thiệu chung về modul analog
Trong bối cảnh công nghệ số phát triển như hiện nay, việc cộng hai tín hiệu số (digital) thường đơn giản và tiện lợi hơn so với cộng hai tín hiệu tương tự (analog) Tín hiệu số dễ xử lý, dễ lưu trữ và ít bị nhiễu hơn, giúp quá trình xử lý trở nên hiệu quả và chính xác hơn Trong khi đó, cộng hai tín hiệu analog đòi hỏi các thiết bị đặc biệt để điều chỉnh và làm mịn tín hiệu, dễ gặp phải các vấn đề về nhiễu và mất mát dữ liệu Do đó, so sánh về độ phức tạp và hiệu quả, việc xử lý tín hiệu số ngày càng được ưu tiên trong các ứng dụng kỹ thuật và truyền thông hiện đại.
Trong điều khiển nhiệt độ của lò nung, việc đo chính xác nhiệt độ là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Để đạt được mục tiêu này, cần sử dụng cảm biến nhiệt độ phù hợp và hệ thống xử lý dữ liệu để điều chỉnh nhiệt độ một cách tối ưu Công thức và phương pháp điều khiển giúp duy trì nhiệt độ trong phạm vi mong muốn, nâng cao hiệu quả sản xuất Việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển tự động giúp lò nung hoạt động ổn định và đạt chất lượng cao nhất.
Một trong những công cụ được sử dụng là modul analog
- Vậy modul analog là gì?
- Các bạn đã biết được những gì về modul analog ?
- Bạn đã từng sử dụng chưa ?
- Nguyên lý hoạt động chung của modul analog là gì ?
1.1 Khái niệm về modul analog
Modul analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số
Bộ biến đổi analog-to-digital (A/D) là thiết bị chuyển đổi tín hiệu tương tự tại đầu vào thành các giá trị số ở đầu ra, giúp kết nối các cảm biến đo lường như nhiệt độ với bộ điều khiển Nó đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động hóa, cho phép các thiết bị đo lường dữ liệu chính xác và dễ dàng xử lý Nhờ A/D, các dữ liệu analog từ cảm biến được chuyển đổi thành dạng số để bộ điều khiển có thể phân tích và điều chỉnh phù hợp.
Trong modul analog, phần analog output đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự nhờ bộ biến đổi D/A, giúp điều khiển các thiết bị trong dải đo tương tự Ví dụ, analog output được sử dụng để điều khiển van mở từ 0-100% hoặc điều chỉnh tốc độ biến tần từ 0-50Hz, đảm bảo hoạt động chính xác và linh hoạt trong hệ thống tự động hóa.
1.4 Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong công nghiệp
Các modul analog thường có đầu vào là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, nhưng những tín hiệu cần xử lý thường là các dạng không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng hay khối lượng Do đó, cần có thiết bị trung gian gọi là cảm biến hoặc đầu đo để chuyển đổi các tín hiệu này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với yêu cầu của modul Các tín hiệu vào của modul Analog Input và đầu ra của modul Analog Output thường tuân theo các chuẩn tín hiệu công nghiệp phổ biến, trong đó hai loại chính là chuẩn điện áp (0-10V, 0-5V, ±5V) và chuẩn dòng điện.
Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA
Các cảm biến hiện tại đang gửi tín hiệu không đúng theo chuẩn công nghiệp, gây ảnh hưởng đến quá trình xử lý dữ liệu Để khắc phục vấn đề này, cần sử dụng thêm một thiết bị chuyển đổi tín hiệu giúp đưa các dữ liệu về định dạng chuẩn, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác trong hệ thống công nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến và thiết bị chuyển đổi thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, còn gọi là thiết bị cảm biến hoặc bộ transducer, giúp chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành dạng điện để dễ dàng xử lý và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Hình 4.13: Hoạt động của modul analog
2 Giới thiệu về Modul analog EM 235
EM 235 là một modul tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong)
Analog Input ( A/D) Các con số
Analog Output ( D/A) Các con số Đầu đo
Tín hiệu vào không điện
Tín hiệu ra tương tự
2.1 Các thành phần của modul analog EM235
4 đầu vào tương tự được kí hiệu bởi các chữ cái A,B,C,D
Các đầu nối của đầu vào A
Các đầu nối của đầu vào B
Các đầu nối của đầu vào C
Các đầu nối của đầu vào D
1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra
Gain Chỉnh hệ số khuếch đại
Offset Chỉnh trôi điểm không
Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải
Bảng 4.24: Các thành phần của modul analog EM235
Hình 4.15: Sơ đồ khối của đầu vào analog
Hình 4.16: Sơ đồ khối đầu ra của modul analog
- Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…)
Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA):
Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng) thành giá trị số từ 032000
Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,):
Dữ liệu 12 bit Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dòng) thành giá trị số từ -3200032000
- Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…)
Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA):
Modul analog output của S7-200 chuyển đổi con số 032000 thành tín hiệu điện áp đầu ra 010V
Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,): Kiểu này các modul Analog output của S7-200 không hỗ trợ
Bảng tổng hợp: Định dạng dữ liệu Giá trị chuyển đổi
Kiểu tín hiệu đối xứng (10V, 10mA,)
Tín hiệu không đối xứng (010V, 420mA)
Bảng 4.25: Định dạng dữ liệu
2.3 Cách nối dây Đầu vào tương tự:
- Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp:
- Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện:
Hoặc : Đầu ra tương tự:
Tổng quát cách nối dây:
Hình 4.17: cách nối dây khi sử dụng modul analog
Chương I : TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
II LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN 1
Chương II : CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ I MÔĐUN MÔI TRƯỜNG 5
IV HỆ THỐNG KÍCH TRUYỀN ĐỘNG 6
2 Bộ xử lý trung tâm CPU 7
Chương III CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 10
II ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 12