Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Băng Tải Phân Loại Sản Phẩm .Docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II Đề tài Thiết kế, chế tạo mô hình băng tải phân loại sản phẩm 0 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II

Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình

băng tải phân loại sản phẩm

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.2 Đặc điểm của bộ điều khiển 5

1.3 Đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài 6

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 6

1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài 6

1.3.3 Phạm vi của đề tài 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN TRONG BỘ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 7

2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển PLC 7

2.1.1 Sơ lược về sự phát triển 7

2.1.2 Khái niệm về PLC 8

2.1.3 Giới thiệu về PLC 8

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC 10

2.1.5 Lợi ích của việc sử dụng PLC 12

2.1.6 Ưu điểm của PLC 15

2.1.7 Nhược điểm của PLC 16

2.1.8 Cấu trúc của PLC 16

2.1.9 Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC 20

2.2 Bộ điều khiển PLC FX3U – 24MR 22

2.2.1 Giới thiệu chung 22

2.2.2 Ưu điểm của dòng FX3U 23

2.2.3 Tính năng 23

2.2.4 Đặc điểm 24

2.2.5 Thông số cơ bản 24

2.2.6 Ứng dụng 25

2.2.7 Ngôn ngữ lập trình của bộ điều khiển PLC 26

2.3 Arduino uno 26

2.4 Cảm biến màu 29

2.5 Xy lanh khí nén 30

2.6 Phần mềm GX Work2 31

2.6.1 GX Work 2 31

2.7 Các thiết bị điện có trong nguồn điều khiển khác 38

2.7.1 Nguồn tổ ong 38

2.7.2.Relay trung gian 41

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN 45

3.1 Sơ đồ khối 45

3.2 Sơ đồ kết nối PLC 45

3.3 Thiết kế 48

3.4 Mô tả công nghệ 48

3.5 Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển 48

3.5.1 Lưu đồ thuật toán 48

3.5 Hình ảnh thực tế 51

Mặt trước 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

I KẾT LUẬN 52

II HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trong công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngàycàng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động,linh hoạt,tiệnlợi,gọn nhẹ…).Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanhchóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC.Từ khi PLC ra đời nó đãthay thế một số phương pháp cũ nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựavào việc lập trình trên những tập lệnh logic cơ bản

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

mà lại tiện lợi về kinh tế.Các công ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng công nghệ lậptrình PLC sử dụng các loại phần mềm tự động

Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lạiđạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội Để tìm hiểu rõ hơn về PLC nhóm

chúng em xin chọn đề tài “Nghiên cứ PLC Mitsubishi và lập trình ứng dụng điều khiển hệ thống băng tải phân loại màu sắc”

Trong quá trình thực hiện chương trình còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệu tham khảocho vấn đề này đang rất ít, và hạn hẹp, nó liên quan đến nhiều vấn đề như phần cơ trongdây chuyền Mặc dù rất cố gắng nhưng khả năng, thời gian có hạn và kinh nghiệm chưanhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến bổ sung củacác thầy cô giáo để đồ án này được hoàn thiện hơn

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được thành quả này, em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy, cô giáo

khoa Điện–Điện Tử, đặc biệt là các thầy cô giáo bộ môn Tự Động Hóa của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản về chuyên ngành Đó là nền tảng để em thực hiện đồ án này và cũng là một nền tảng vững chắc phục vụ cho công việc của em sau khi ra trường Xin chân thành cảm ơn cô là người hướng dẫn chính

đã tận tình giúp đỡ, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng quý báu cũng như cung cấp tài liệu tham khảo cho em trong suốt quá trình làm đồ án Em cũng xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo cơ hội và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này Vì kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án em không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm, em mong được sự chỉ bảo, góp ý tận tình từ phía các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung.

Trong nền kinh tế thị trường như ngày nay, cạnh tranh khốc liệt là điều đáng lo chomọi doanh nghiệp muốn tồn tại và phát triển lâu dài

Những năm qua, với xu hướng mở cửa của nền kinh tế đã thu hút vốn đầu tư của rất nhiềucác doanh nghiệp nước ngoài vào Việt Nam Đồng nghĩa với đó là tạo ra cơ hội mới, tạothêm nhiều công ăn việc làm, từ đó các công ty phụ trợ công nghiệp không ngừng tănglên

Để đáp ứng được quá trình sản xuất, hầu hết các doanh nghiệp đều phải đầu tư lắpráp dây chuyền sản xuất, đầu tư làm mới máy móc thiết bị Nhưng bài toán đặt ra với cáccông ty nước ngoài tại Việt Nam, nếu nhập dây chuyền máy móc thiết bị trực tiếp từ bênnước họ về VN thì chi phí rất cao, quá trình bảo hành bảo dưỡng cũng khó khăn tốn nhiềuchi phí Họ sẽ phải tìm một đối tác tại Việt Nam cung cấp máy móc thiết bị đó

1.2 Đặc điểm của bộ điều khiển.

Cấu tạo của tủ điện điều khiển PLC với thành phần chính là bộ điều khiển PLC.Trong đó, bọ điều khiển PLC có rất nhiều loại khác nhau đến từ nhiều thương hiệu nộitiếng như LS, ABB, Schneider, Mitsubishi, Siemens,… Nhờ vào chức năng của bộ điềukhiển là tiếp nhận và sản xuất ra tín hiệu, đó là tín hiệu Analog Từ đó, tủ điều khiển PLChoạt động một cách rất thông minh, có thể sử dụng điều khiển theo Timer, PID, đếm,…

Từ các bộ điều khiển đó, người thiết kế điều khiển lấy tín hiệu qua các rờ le trunggian, tiếp điểm của contactor và rơ le nhiệt Từ đó, điều khiển các loại bơm và động cơtheo yêu cầu của hệ thống điện đặt ra

- Sử dụng PLC Mitsubishi trong việc điều khiển tự động băng tải

- Kết hợp biến tần delta điều khiển tốc độ băng tải theo quy trình hệ thống

- Được thiết kế theo tiêu chuẩn cao nhất, mang lại cho người sử dụng nhiều thuận lợi, dễdàng và an toàn trong quá trình vận hành.

- Tiết kiệm không gian

- Thay thế nhanh chóng mà không cần cúp điện hệ thống

1.3 Đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài.

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu.

- Tìm hiểu và nghiên cứu về PLC

- Tìm hiểu về PLC FX3U – 32MT

- Tìm hiểu và nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình PLC

- Tìm hiểu về phần cứng và lập trình

1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài.

Tìm hiểu thông tin, quy trình hoạt động của tủ điện điều khiển băng tải

Liệt kê, phân tích các loại tủ điều khiển phổ biến để lựa chọn phương án thiết

Thiết kế, chế tạo tủ điều khiển băng tải gồm 2 phần chính:

- Phần điện và phần lập trình: thiết kế hệ thống điện hệ thống, các thiết bị ngõ

vào/ra kết nối với bộ điều khiển PLC,

- Thiết kế giao diện với người sử dụng cũng như khách hàng

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN

TRONG BỘ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

Bài toán điều khiển:

Để điều khiển 3 băng tải 3 pha sử dụng contactor role để điều khiển động cơ khôngđồng bộ 3 pha Lập trình PLC để điều khiển tuần tự3 băng tải và hiển thị trên HMI từ cơ

sở đó nên chúng em đã lựa chọn những linh kiện sau để phù hợp cho yêu cầu của đề tài + PLC mitsubishi FX3U-16MT

2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển PLC

2.1.1 Sơ lược về sự phát triển

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable logic controller) đã được thiết kế lầnđầu tiên cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto-Mỹ).Tuy nhiên, hệ thống này cònkhá đơn giản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống

Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành,nhưng việc lập trình cho hệ thống còn gặp nhiều khó khăn, lúc này không có các thiết bịlập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmablecontroller handle) đầu tiên được ra đời năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triểnthật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lậptrình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống cổ điển.Qua 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:Dang lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroomformat).Trong những năm đầu tiên của thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêmkhả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ (arithmetic),“vận hành với các dữ liệu cậpnhật” (data manipulation).Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính( Cathode Ray Tube : CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển và lập trình cho hệthống ngày càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làmcho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/

ra có thể tăng thêm 800 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn128.000 từ bộ nhớ (word of memory)

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kĩ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ Tốc độ

xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử

lý tốt hơn với những chức năng phức tạm số lượng cổng vào/ra lớn

Trong các tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông quaCIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot,Cad/Cam ngoài ra các thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điềukhiển “thông minh” (Intelligent) còn gọi là các siêu PLC (Super PLC) cho tương lai

2.1.2 Khái niệm về PLC

PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller

Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển màđược trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toáncho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặttrong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là mộtmáy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình

2.1.3 Giới thiệu về PLC

Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dây chuyền,một thiết bị máy móc công nghiệp nào …

Người ta thường thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơle, timer,contactor …) lại với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiểnđáp ứng nhu cầu mà bài toán công nghệ đặt ra

Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việcđấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị có thểcần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rấtnhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rấtnhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởivậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt

Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗlực để tìm ra mộtgiải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiện đại đó là

tự động hoá quá trình sản xuất làm giảm sức lao động, giúp người lao động không phảilàm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại … mà năng suất lao động lại tăng cao gấpnhiều lần

Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn để điều khiển cho ngành côngnghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khốilượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt

…

Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đờiđầu tiên năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơngiản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vìvậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục những nhược điểm còntồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giải quyết được các vấn đề nêutrên với các ưu việt như sau:

* Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.

* Có khả năng mở rộng các modul vào ra khi cần thiết

* Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình

* Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như vớimáy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển…

* Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa

Hiện nay trên thế giới đang song hành có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển nhưhãnh Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen, …và có nhiều hãng khác nữa nhữngchúng đều có chung một nguyên lý cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt với từng mặt mạnhriêng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nên dùng hãng PLC nào cho thíchhợp với mình mà thôi

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC

PLC là một bộ điều khiển mà tùy thuộc vào người sử dung có thể thực hiện một loạt haytrình tự sự kiện, các sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích ( hay còn gọi

là cổng vào ) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như time hay các sự kiệnđược điểm : CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC bộ sử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình đọc trong bộ nhớ , sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình ,

sẽ đóng hay ngắt các đầu ra các trạng thái ngõ ra ấy được phát đến các thiết bị liên kết đểthực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiểnđược giữ trong bộ nhớ

Một khi sự kiện đó được kích hoạt nó là bật ON hay OFF thiết bị bên ngoài hay còn gọi làthiết bị vật lý ( các thiết bị này được gắn vào cổng ra của nó) như vậy chúng ta có thểhiểu rằng PLC là một bộ “ điều khiển logic theo chương trình ’’ ta chỉ cần thay đổichương tình cài đặt trong PLC là PLC có thể thực hiện được các chức năng khác nhau ,điều khiển trong các môi trường khác nhau

Cấu trúc PLC có thể được phân thành các thành phần như hình vẽ

Power supply

Central Processing Unit

(CPU) Memory

Output Interface

Input Interface

- Đơn vị xử lý trung tâm : CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC bộ xử lý sẽ đọc

và kiểm tra chương trình được chứa tỏng bộ nhớ , sau đó sẽ thực hiện thứ tự lệnh trongchương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra.Các trạng thái ngõ ra ấy được phát đến tìm cácthiết bị liên kết đê thực thi đó đều là phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữtrong bộ nhớ

- Hệ thống Bus: hệ thống bus là hệ thống truyền tín hiệu , hệ thống gồm nhiều đường tínhiệu song song

+ address bus : bus là địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các module khác nhau+ control bus : bus bus điều khiên dùng để truyền các tín hiệu định thì và điềukhiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

+ Data Bus : bus dùng để truyền dữ liệu

- Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông quaData Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bitcủa 1 byte một cách đồng thời hay song song

- Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyển tất

cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện

Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địachỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.

- Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.Bên cạnh đó,CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyết định tốc độhoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,đồng hồ của hệ thống

- Bộ nhớ:

+ PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp : Làm bộ định thời cho cáckênh 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 một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong

bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ônhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trịtrong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới , nội dungcủa ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc Bộnhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa

2000 - 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ như RAM,EPROM đều được sử dụng

-Các ngõ vào ra I/O: trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trởnên dể dàng và đơn giản Bộ Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module( các đầu vào của PLC ), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra ( các đầu racủa PLC ) Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là12/24VDC hoặc 100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạngthái của các kênh I/O được cung cấp bởi các đèn LED xử lý đọc và xác định các trạng tháiđầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra

2.1.5 Lợi ích của việc sử dụng PLC

Cùng với sự phất triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được cáctính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLChiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng củaPLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điềukhiển hệ thống

Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ

hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà không phải thay đổi kếtcấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tựđiều khiển (đối với hệ thống điều khiển relay ) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển caohơn (như giao tiếp giữa các PLC để lưu truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điềukhiển linh hoạt hơn

Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng khônggian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác

Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, vàquá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giaodiện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết các hỏng hóc(trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng, điều này làm cho việc sử dụng

dễ dàng hơn

Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điềukhiển là:

- Điều khiển chuyên gia giám sát:

+ Thay thế cho điều khiển rơ le

+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in

+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình

+ Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm).

- Điều khiển dãy:

+ Các phép toán số học

+ Cung cấp thông tin

+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất )

+ Điều khiển PID

+ Điều khiển động cơ chấp hành

+ Điều khiển động cơ bước

- Điều khiển mềm dẻo:

+ Điều hành quá trình báo động

+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình

+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS242)

+ Ghép nối với máy in

+ Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp

- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống dẫn

- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đông, quá trình lắp đặtmáy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại

- Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ boat, quá trình cáng, quátrình gia nhiệt

- Thủy tinh và phim ảnh: Quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâuhoàn tất sản phẩm, do cắt giấy

- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm,kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây ) cân đong, đóng gói, hòa trộn

- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng

- Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin ) các trạm cầnhoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ)

2.1.6 Ưu điểm của PLC.

Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:

- PLC dễ dàng tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình

- Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bên trong

bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện và giảiquyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhậnbiết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây Như thế, người lập trìnhchương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình

Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phầncứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm

Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến khiến thức chuyên môn vềPLC.Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làmviệc.

Việc tạo ra PLC không những dễ cho việc chuyển đổi các tác động bên ngoài thành cáctác động bên trong (tức chương trình), mà chương trình tác động nối tiếp bên trong còntrở thành một phần mềm có dạng tương ứng song song với các tác động bên ngoài.Việcchuyển đổi ngược lại này là sự khác biệt lớn so với máy tính

Thực hiện nối trực tiếp: PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới bộ xử lý (CPU)nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụ ngoài vàCPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic vàchuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài cóthể làm việc được

Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều cho việc hànmạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơle, thì ở PLC những công việc đó đơn giảnđược thực hiện bởi chương trình và các chương trình đó được lưu giữ ở băng catssete hayđĩa CDROM, sau đó thì chỉ việc sao trở lại

Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn đƣợc đem ra sử dụng rộngdãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơle trước đây

Tuổi thọ là bán-vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậycao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm

2.1.7 Nhược điểm của PLC.

Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lậptrình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá

Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụngbằng phương pháp rơle

Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sựkiểm tra của bộ vi xử lý.

Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:

Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điềuhành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Accept Memory) dành cho chương trình củangười dùng

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu Đây là nơi lưu trữ thông tin theotrạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và cácthiết bị nội vi khác

RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi

Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng vớitrạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và mộtphần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, vv…

Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Là các ROM có thể được lập trình,sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM

Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều

có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệuchương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC

sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vàoRAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module cókhoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có các bộ đệmtạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O)

Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữđược Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256x8 = 2048 bit,nếu sử dụng các từ8 bit và 256x16 = 4096bit nếu sử dụng các từ 16 bit

Thiết bị Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toánđiều khiển, thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng thay cho việc phải thiết kế và thể hiệnthuật toán đó bằng mạch số.Như vậy với chương trình điều khiển của nó PLC trở thành bộđiều khiển số nhỏ gọn, dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (Với PLC khác, vớicác thiết bị, với máy tính cá nhân) Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộnhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét(SCAN).

Có rất nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý chungnhư hình vẽ dưới đây

Hình 2.2: Sơ đồ khối PLC

Trong đó:

- Powez Supply: Bộ nguồn điện áp dải rộng

- Memory: Bộ nhớ chương trình

- RAM (Random Access Memory) bộ nhớ này có thể ghi hoặc đọc ra

- EPROM (Erasable Programmable Red Only Memory) là bộ nhớ vĩnh cửu chương trình

có thể lập trình lại bằng thiết bị lập trình

- EEPROM (Electriccal Erasable Programmable Red Only Memory) là bộ nhớ vĩnh cửucác chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị chuẩn CRT hoặc bằng tay

- INPUT: Khối đầu vào

- OUTPUT: Khối đầu ra

- COM: Cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (Máy tính, bộ lập trình)

- CPU: Bộ vi xử lý trung tâm

Như vậy PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử

lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra để

giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Time đểphục vụ bài toán điều khiển.

2.1.9 Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC.

Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử

lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bêntrong của PLC Bộ xử lý trung tâm đwợc trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến

8 MHz.Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian vàđồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống.Thông tin trong PLC được truyền dướidạng các tín hiệu digital.Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu digital được gọi làBus.Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện.Bus có thể là các vệt dây dẫn trênbản mạch in hoặc các dây điện trong cable CPU sử dụng bus dữ liệu để gửi dữ liệu giữacác bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và busđiều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động điều khiển nội bộ Bus hệ thống được

sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập /xuất

Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý Nói chung CPU có:

Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán

số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR, NOT, EXCLUSIVE- OR

Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu trữ thôngtin liên quan đến sự thực thi của chương trình

Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán

Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC.Thông tin được truyền theodạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, tương tự các trạng tháion/off của tín hiệu nào đó Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tinnào đó Vì vậy một từ 8 - bit có thể là số nhị phân 00100110 Cả 8- bit này được truyềnthông đồng thời theo dây song song của chúng Hệ thống PLC có 4 loại bus:

Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU

Bộ xử lý 8- bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8- bit, có thể thực hiện cácphép toán giữa các số 8-bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8-bit.

Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ và các vị trí trong bộ nhớ

Như vậy mỗi từ có thể đƣợc định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa chỉduy nhất.Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhấtđịnh.để CPU có thể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ đượctruy cập Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8-bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt

là 2 8 = 256.Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụng là 65536

Bus điều khiển: bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển Ví

dụ để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu và tảicác tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các hoạt động

Bus hệ thống: được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất

Bộ nhớ: trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ như: bộ nhớ chỉ để đọc (ROM), bộnhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM).Các loại bộ nhớ này đã được trình bày ở trên

2.2 Bộ điều khiển PLC FX3U – 24MR

2.2.1 Giới thiệu chung.

Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là mộtPLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric

Hình 2.3: PLC FX3U-24MR

Sản phẩm được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng đặc biệt mới là

hệ thống “adapter bus” được bổ xung cho hệ thống bus hữu ích cho việc mở rộng thêmnhững tính năng đặc biệt và khối truyền thông mạng Khả năng tối đa có thể mở rộng lênđến 10 khối trên bus mới này

Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùngvới 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho nghiệp vụ điều khiển

vị trí.Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổngEthernet và Cổng lập trình RS-422 mini DIN.Với tính năng mạng mở rộng làm cho PLCnày nâng cao được khả năng kết nối tối đa về I/O lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/

O qua mạng

2.2.2 Ưu điểm của dòng FX3U.

Mitsubishi là thương hiệu Nhật Bản với chất lượng hàng đầu được các chuyên gia, kỹ sưtrong ngành đánh giá cao về chất lượng cũng như công nghệ bên trong thiết bị điện côngnghiệp đến từ Mitsubishi Và bộ điều khiển lập trình PLC FX3U cũng không ngoại lệ:

- Thiết kế nhỏ gọn: các công nghệ hiện đại về kỹ thuật điều khiển lập trình, các link kiện,

vi xử lý được sắp xếp gọn gàng trong bộ khung nhỏ gọn

- Tốc độ xử lý nhanh, hiệu suất cao, tính năng mở rộng tốt

- Bộ nhớ lớn, dễ dàng ghi vào/đọc từ bộ nhớ.

- Tuổi thọ cao, tiết kiệm được chi phí bảo hành sửa chữa đáng kể

Mitsubishi luôn biết cách làm hài lòng các khách hàng của mình bằng những dòng thiết bịđiện cao cấp, bộ điều khiển lập trình PLC FX3U mang đến những giải pháp vô cùngthông minh về công nghệ điều khiển cũng như các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệuquả, tiết kiệm không gian cho tủ điện của bạn, …

Trong PLC FX3U, CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình xử lý và điềukhiển hệ thống Chức năng của bộ điều khiển lập trình cần thực hiện sẽ được xác định làmviệc theo chương trình đã được nạp vào bộ điều khiển lập trình PLC Với tính năng này,người vận hành có thể thay đổi các quá trình làm việc của 1 dây chuyền sản xuất hoặc mởrộng chức năng của quy trình sản xuất bằng cách thay đổi chương trình cho PLC Sự thayđổi hay mở rộng các chức năng này sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần có

sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ thay đổi dây nối hay rơ le

2.2.4 Đặc điểm.

- Xuất xứ: Nhật Bản

- Khắc phục tốt các nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối

- Dung lượng bộ nhớ lớn giúp chứa được những chương trình điều khiển phức tạp

- Kết nối dễ dàng với các thiết khác: máy tính, …

- Mỗi lệnh của chương trình sẽ có một vị trí riêng trong bộ nhớ

- Có thể mở rộng truyền thông qua cổng USB

- Bộ nhớ chương trình bên trong 16K bước

- Cáp kết nối:FX-USB-AW, USB-SC09, USB-SC09-FX

- Sử dụng phần mềm lập trình GX Developer

2.2.6 Ứng dụng.

Trong công nghiệp, bộ điều khiển lập trình PLC không thể thiếu trong các hệ thống điềukhiển hiện đại Được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành tự động hóa và cả nhữnglĩnh vực không chuyên:

- Điều tốc cho máy bơm,

- Cấp nước

- Xử lý rác thải

- Giám sát năng lượng

- Dây chuyền sản xuất, đóng gói, băng tải, …

2.2.7 Ngôn ngữ lập trình của bộ điều khiển PLC.

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ cho các đối

tượng sử dụng khác nhau Bộ PLC FX3U – 16MT có 3 loại ngôn ngữ lập trình cơ bản:

- Hình thang (LAD – Ladder logic diagram): loại ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người sửdụng quen thiết kế mạch logic

- Liệt kê lệnh (STL – Statement list): dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng của máy tính.Trong đó 1 chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗilệnh chiếm 1 hàng và có cấu trúc chung:

“Câu lệnh + toán hạn”

- Hình khối (FBD – Function Block Diagram): loại ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người

sử dụng quen thiết kế mạch điều khiển số

Hiện nay loại ngôn ngữ “hình thang” được sử dụng phổ biến nhất và được thống nhất

là loại ngôn ngữ sử dụng chung

2.3 Arduino uno

Arduino Uno R3

Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụngthạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin(ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước

mã số của pin) Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ

A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0

- 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên

board

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

 Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện

Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi / xoá

 RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần

 EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoácao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino

Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND

Thông số kỹ thuật của Arduino board được tóm tắt trong bảng sau:

Điện áp hoạt động 5V

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V

Điện áp vào giới hạn 6-20V

Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)

PWM Digital I/O Pins 6

Analog Input Pins 6

Cường độ dòng điện trên 20 mA

mỗi I/O pin

Cường độ dòng điện trên

_ Một số lưu ý khi làm việc với Arduino Uno R3

+ Cấp nguồn lớn hơn 5V cho bất kì pin I/O nào

Theo tài liệu của nhà sản xuất, với vi điều khiển ATmega328P thì 5V là ngưỡng lớn nhất

mà vi điều khiển này có thể chịu được Nếu bất kì pin nào bị cấp điện áp vượt quá 5V sẽ gây ra hỏng vi điều khiển này