thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng

Sự ra đời của AVRbắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng tathường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL Hight Level Language để lập trìnhngay cả với

Thời gian qua, nhờ nhận được sự quan tâm dìu dắt cũng như dạy bảo tận tâmcủa quý thầy cô trong trường, khoa và thầy cô Bộ môn Vật lý Điện tử mà chúng emmới có thể hoàn thành tốt khóa học Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả cácthầy cô!

Đặc biệt, trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng”, em đã

nhận được sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình của thầy Tống Thanh Nhân, giảng viên Bộmôn Vật lý Điện tử Qua đây em cũng xin gửi lời tri ân sâu sắc tới thầy

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2009

Nguyễn Ngọc Phương

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh sách các hình v

Danh sách các bảng viii

Lời mở đầu 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 2

1.1 Giới thiệu về AVR 2

1.2 Đặc điểm của AVR 2

1.2.1 Kiến trúc RISC 2

1.2.2 Bộ phận ngoại vi 3

1.2.3 Tốc độ xung clock 3

1.2.4 Bộ nhớ chương trình 4

1.2.5 Khả năng lập trình được 4

1.2.6 Điện áp sử dụng 5

1.3 Vi điều khiển Atmega 16 5

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L 8

2.1 Tổng quan về PLC 8

2.1.1 Khái niệm về PLC 8

2.1.2 Đặc điểm của PLC 8

2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC 10

2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm 11

2.1.3.2 Bộ nhớ 11

2.1.3.3 Khối vào/ra 12

2.2 Cơ bản về lập trình PLC 13

2.2.1 Đại số Boole 13

2.2.2 Các hệ mạch logic 14

2.2.3.1 Một số ký hiệu trong Grafcet 16

2.2.3.2 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17

2.2.3.3 Phân nhánh trong Grafcet 17

2.2.3.4 Bước nhảy trong Grafcet 18

2.2.3.5 Cách xây dựng sơ đồ Grafcet 19

2.2.4 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình bậc thang Ladder .19 2.2.4.1 Khái niệm công tắc thường mở và công tắc thường đóng và một số dòng lệnh 19

2.2.4.2 Cấu trúc chương trình điều khiển 20

2.2.4.3 Các lệnh sơ đồ ladder 21

2.3 Khảo sát PLC CP1L 28

Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦN MỀM CX-PROGRAMER 33

3.1 Phần mềm lập trình codevision 33

3.1.1 Thiết lập cổng vào ra: 33

3.1.2 Cách sử dụng phần mềm CodeVision 35

3.2 Phần mềm CX-programer 40

3.2.1 Giới thiệu phần mềm CX-Programmer 40

3.2.2 Cách sử dụng phầm mềm CX-Programmer

41 Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG 48

4.1 Mục tiêu của đề tài 48

4.2 Phần cứng và các mạch giao tiếp 49

4.2.1 Mạch ổn áp tạo nguồn 5V 49

4.2.2 Mạch cảm biến nhiệt LM35 50

4.2.3 Mạch hiển thị LCD 54

4.2.4 Mạch cảm biến vị trí(cảm biến hồng ngoại) 58

4.2.5 Mạch điều khiển đổi chiều động cơ DC 59

4.2.6 Giao tiếp giữa các thiết bị với PLC 61

4.3.1 Chương trình viết bằng phần mềm CX-programer để điều khiển, ổn định nhiệt và điều khiển

hoạt động của động cơ 64

4.3.2 Chương trình viết bằng phần mềm codevisionAVR để hiển thị nhiệt và truyền tín hiệu tới PLC 65

4.3.3 Những kết quả đạt được 70

4.4 Tổng kết và hướng phát triển 72

Tài liệu tham khảo 73

Danh sách các hình

Hình 1.1 So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh ở các bộ xử lý khác nhau 4

Hinh 1.2 Hình biểu đồ khối bên trong của Atmega16 6

Hình 1.3 Sơ đồ chân của Atmega16 7

Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC 9

Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC 11

Hình 2.3 Mạch cách ly quang 12

Hình 2.4 Mạch logic trình tự 15

Hình 2.5 Mạch logic tổ hợp 15

Hình 2.6 Sơ đồ Grafcet 16

Hình 2.7 Biểu diễn một số trạng thái trong Grafcet 16

Hình 2.8 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17

Hình 2.9 Sơ đồ rẽ nhánh 17

Hình 2.10 Sơ đồ song song 18

Hình 2.11 Bước nhảy trong Grafcet 18

Hình 2.12 Hình minh họa hoạt động của các lệnh PLC 20

Hình 2.13 Các dòng lệnh trong PLC 20

Hình 2.14 Sơ đồ Grafcet và chương trình ladder 28

Hình 2.15 PLC CP1L 28

Hình 2.16 Kết nối PLC với một số thiết bị 29

Hình 2.17 Biểu đồ so sánh tốc độ xử lý một số loại PLC 29

Hình 3.1 Khởi tạo ban đầu trước khi viết chương trình trong codevision 34

Hình 3.2 35

Hình 3.3 35

Hình 3.4 36

Hình 3.5 36

Hình 3.6 37

Hình 3.8 38

Hình 3.9 38

Hình 3.10 39

Hình 3.11 Khởi tạo LCD 39

Hình 3.12 Khởi tạo ADC 40

Hình 3.13 41

Hình 3.14 41

Hình 3.15 42

Hình 3.16 42

Hình 3.17 43

Hình 3.18 43

Hình 3.19 43

Hình 3.20 44

Hình 3.21 44

Hình 3.22 45

Hình 3.23 45

Hình 3.24 46

Hình 3.25 46

Hình 3.26 47

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 50

Hình 4.2 Mạch nguồn thực hiện 50

Hình 4.3 Cảm biến LM35 50

Hình 4.4 Mạch hoạt động LM35 51

Hình 4.5 Mạch khuếch không đảo tín hiệu ra dùng Op-Ampl LA 324(sử dụng một Op-Ampl chân 1,2,3) 52

Hình 4.6 Sơ đồ chân op-ampl LA 324 52

Hình 4.7 Sơ đồ chuyển đổi nhiệt độ thành điện thế 53

Hình 4.8 Mạch thực hiện được LM35 53

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD 54

Hình 4.11 LCD 16x2 55

Hình 4.12 Mạch hiển thị ra LCD thực hiện 57

Hình 4.13 Phản xạ tia hồng ngoại tại các bề mặt 58

Hình 4.14 Mạch thu phát hồng ngoại 58

Hình 4.15 Mạch thực hiện thu phát hồng ngoại 59

Hình 4.16 Mạch cầu H điều khiển đổi chiều động cơ 59

Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch relay 60

Hình 4.18 Mạch relay điều khiển đổi chiều động cơ thực hiện 60

Hình 4.19 Sơ đồ giao tiếp các thiết bị 61

Hình 4.20 Kết nối ngõ vào PLC 62

Hình 4.21 Kết nối ngõ ra PLC 63

Danh sách các bảng

Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống

điều khiển 10

Bảng 2.2 Bảng các cổng và phép toán đại số Boole 13

Bảng 2.3 Các modul CPU 30

Bảng 2.4 Đặc tính với đầu ra rơle 30

Bảng 2.5 Đặc tính của PLC CP1L 31

Bảng 4.1 Đặc tính điện của KA7805A 49

Bảng 4.2 Mô tả chân LCD 56

Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành điện tử

đã và đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp Các thiết bị điện tửnhư PLC và các vi điều khiển với rất nhiều ưu điểm trong điều khiển tự động cũngnhư bán tự động đã giúp cho các ngành công nghiệp ngày nay phát triển một cáchhiệu quả

Ưu điểm của PLC và vi điều khiển: Tích hợp gọn, nhẹ, dễ lập trình, giá

thành rẻ, phù hợp với môi trường công nghiệp, thay thế và bảo hành đơn giản,nhanh gọn, giao tiếp với nhiều thiết bị Để nghiên cứu sâu hơn về các thiết bị này

và ứng dụng chúng trong đời sống nên em chọn đề tài nghiên cứu về việc dùng vi

điều khiển và PLC để đo và hiển thị nhiệt độ, ổn định nhiệt và điều khiển các quátrình hoạt động trong mô hình máy ấp trứng

Nội dung nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của họ

vi điều khiển AVR nói chung và vi điều khiển atmega16 nói riêng, về hoạt động củaPLC và ứng dụng PLC CP1L, ứng dụng cảm biến nhiệt, và hoạt động của động cơ

DC, sử dụng phần mềm codevisionAVR và phần mềm CX-programer để viếtchương trình điều khiển

Qua thời gian nghiên cứu nay em đã hoàn thành các mạch giao tiếp, điềukhiển bằng chíp atmega16 và PLC CP1L trong mô hình máy ấp trứng với số lượng

30 trứng

Đề tài được chia làm các phần như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀUKHIỂN ATMEGA 16

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L

Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦNMỀM CX-PROGRAMER

Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU

KHIỂN ATMEGA 16.

1.1 Giới thiệu về AVR

Vi điều khiển AVR thuộc họ vi điều khiển do Atmel (Na Uy) sản xuất(Atmel cũng là nhà sản xuất các vi điều khiển họ 89C51) Đây là họ vi điều khiểnđược chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúckhá phức tạp Ngoài các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợpnhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình Sự ra đời của AVRbắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng tathường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trìnhngay cả với loại chíp xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất.Tuy nhiên, khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngônngữ Assembly Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệtcho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên Và kết quả

là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch

và thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy vàđạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần

1.2 Đặc điểm của AVR

So với các chíp vi điều khiển khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cảtrong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng Gần như chúng takhông cần lắp thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cầnnguồn tạo xung clock cho chíp (thường là các khối thạch anh) Thiết bị lập trình(mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thểlàm được Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip bằng bootloader không cầnmạch nạp Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thíchvới C

Hầu hết các chíp có những tính năng sau :

1.2.1 Kiến trúc RISC

Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ

Kiến trúc RISC (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer – máy tính

với tập lệnh đơn giản hoá) là một phương pháp thiết kế các bộ vi xử lý hoặc vi điều

khiển theo hướng đơn giản hoá tập lệnh, trong đó thời gian thực thi của hầu hết cáclệnh đều như nhau Hiện nay các bộ vi xử lý RISC phổ biến là PIC, ARM DECAlpha, AVR của Atmel,

Triết lý cho phát triển RISC đó là cắt giảm bộ vi xử lý để chỉ còn lại những

bộ phận thiết yếu của nó Những gì không thực sự cần thiết sẽ bị vứt bỏ Với cácnhà lập trình thì đó có nghĩa là các chíp RISC thường không thể thực hiện một phépnhân đơn giản Lý thuyết của phép nhân là thực hiện liên tiếp nhiều phép cộng, do

đó lệnh ADD là đủ

Một ý khác của RISC đó là các chức năng phức tạp thích hợp thực hiện bằngphần mềm hơn là bằng phần cứng Phần mềm thì dễ thay đổi, dễ cập nhật, và tạo ranhanh hơn Viết mã mới nhanh hơn là thiết kế và xây dựng một chíp mới Do đó cácmáy tính dựa trên RISC có thể được nâng cấp nhanh hơn Các chương trình và cácthuật toán có thể điều chỉnh và cải tiến Tốt nhất là phần cứng RISC phải được đơngiản hóa, tối ưu hóa sao cho nó chạy nhanh hơn Các tạp chí kỹ thuật và các xuấtbản thương mại đã quảng cáo sâu rộng RISC như là một lĩnh vực mới cho máy tính

1.2.2 Bộ phận ngoại vi

Các bộ phận ngoại vi được tích hợp ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộbiến đổi ADC, bộ nhớ EFPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ điềuchế độ rộng xung (PWM), Đặc điểm này được xem là nổi bật so với nhiều viđiều khiển khác vì trong khi nhiều bộ xử lý khác phải tạo bộ truyền nhận UARThoặc giao diện SPI bằng phần mềm hay “máy ảo” thì trên vi điều khiển AVR lạiđược thực hiện bằng phần cứng

tương đối cao Kết hợp với khả năng thực hiện lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, viđiều khiển AVR có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 16MIPS (16 triệu lệnh trong mộtgiây).

Hình 1.1 So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh ở các bộ xử lý khác nhau 1.2.4 Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình và dữ liệu đều được tích hợp ngay trên chíp Trên chíp

vi điều khiển AVR có tới 3 công nghệ bộ nhớ khác nhau:

- Bộ nhớ EPROM xoá được kiểu flash (luôn luôn lập trình mới được) dùngcho mã chương trình mà người dùng có thể tự lập trình được

- Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá được bằng điện, nhưng nội dung bộ nhớvẫn giữ nguyên sau khi tắt điện áp ngồn Chương trình người dùng có thể lập trìnhtrong thời gian thực khi hệ thống đang hoạt động

- Bộ nhớ RAM tĩnh (SRAM) dùng cho các biến, nội dung của bộ nhớ sẽ mất

đi khi tắt điện áp nguồn Ngoài ra, vi điều khiển AVR có tới 32 thanh ghi, tất cảđược nối trực tiếp với khối ALU và được trao đổi trực tiếp trên vùng địa chỉ bộ nhớ,

cụ thể là 32 ô đầu tiên của bộ nhớ (0x00 đến 0xFF) tương ứng với các thanh ghi làmviệc R0 đến R31

1.2.5 Khả năng lập trình được

Do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ được sử dụng mà các vi điều khiển cóthể được lập trình ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch, không cần phảinhấc ra khỏi bản mạch như nhiều vi điều khiển của các họ vi điều khiển khác Cáccổng giao tiếp RS-232 và SPI cho phép dễ dàng thực hiện thao tác lập trình trên hệthống

1.2.6 Điện áp sử dụng

Cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2,7V đến 6,0V, nên cho phép thểhiện ưu điểm rõ rệt trong các thiết bị xách tay, sử dụng pin Với các thiết bị sử dụngpin thì một chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế là giảm dòng điện tiêu thụ

1.3 Vi điều khiển Atmega 16

Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loạikhác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới viđiều khiển

Những đặc tính của Atmega 16:

- Bộ nhớ Flash 16Kbyte để lưu trữ các lệnh cho vi điều khiển thực hiện, cóthể được lập trình lại với khả năng viết / xóa dữ liệu 10.000 lần

- Bộ nhớ dữ liệu tĩnh SRAM nội 1Kbyte

- Bộ nhớ EEPROM nội chứa 512byte dữ liệu Mỗi byte đơn thuộc một địachỉ và có thể được đọc, viết và xóa đi 100.000 lần

- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A,

B, C, D Các chân này đều có lập trình được

- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được

- Giao tiếp nối tiếp SPI (Serial Peripheral InterFace) đồng bộ: truyền dữ liệutrên một dây và nhận dữ liệu trên 1 dây khác, một dây nữa do Master định xungclock đồng bộ

- Giao tiếp nối tiếp Two-Wire-Serial tương thích chuẩn I2C (Inter-IntegratedCircuit): Một dây do Master định xung clock đồng bộ, một dây được Master định

ra là truyền (write) hay nhận( read) dữ liệu với Slaver

-2 bộ timer/counter 8 bit với chức năng đếm và so sánh riêng biệt

-1 bộ timer/counter1 16 bit với chức năng đếm so sánh riêng biệt và lấy mẫu.-Một bộ đếm thời gian thực với bộ dao động riêng biệt

- 1 bộ so sánh analog

- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM

- 1 bộ định thời Watchdog lập trình được với bộ dao động trong chíp riêngbiệt.

-Điện áp sử dụng: Atmega16L (2.7-5.5V), Atmega16 (4.5-5.5V)

-Tốc độ xử lý :Atmega16L (0-8MHz), Atmega16 (0-16MHz)

Hinh 1.2 hình biểu đồ khối bên trong của Atmega16

Hình 1.3 Sơ đồ chân của Atmega16

- Hai chân VCC, GND: Cấp nguồn cho vi điều khiển

- Chân Reset: Đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệthống

- Hai chân XTAL1, XTAL2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điềukhiển, các chân này được nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p)

- Chân Vref thường nối lên 5v (Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chânnày được sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cốđịnh

- Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chânnày được nối qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi

- Atmega 16 là loại vi điều khiển 8 bit chế tạo theo kiến trúc RISC Kết hợpvới khả năng thực hiện lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, vi điều khiển Atmega 16

có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 1MIPS (1triệu lệnh trong 1giây)

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L

có thể lập trình được Chương trình của PLC thay đổi đơn giản bằng một máy lậptrình cầm tay hay một máy tính cá nhân có phần mềm trợ giúp

2.1.2 Đặc điểm của PLC

Bộ điều khiển lập trình(PLC) là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng GeneralMotors vào năm 1986, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêucầu điều khiển trong công nghiệp:

Dễ dàng lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợptrong nhà máy

Cấu trúc dạng modul để dễ dàng bảo trì và sửa chữa

Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ-le chức năngtương đương

Giá thành cạnh tranh

Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra thêm một số yêu cầu cần phải có trongchức năng của PLC: tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản được hỗ trợ thêm về cáclệnh tác vụ định thì, tác vụ đếm; sau đó là các lệnh xử lý toán học, xử lý bảng dữliệu, xử lý xung tốc độ cao, tính toán số liệu số thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc

mã vạch, song song đó sự phát triển về phần cứng cũng đạt được nhiều kết quả:

bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ ra nhiều hơn, nhiều modul chuyên dùng hơn.Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào ra ở xa bằng kỹ thuậttruyền thông khoảng 200 mét

Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC

Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, đượcđưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích

ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng Với các mạch giao tiếp ởkhối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tácđộng có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, màkhông cần các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, cần phải dùng mạchđiện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Về phần cứng PLC tương tự như máy tính truyền thông và có nhiều ưu điểmthích hợp cho điều khiển trong công nghiệp:

 Khả năng kháng nhiễu tốt

 Cấu trúc dạng modul cho phép dễ thay thế, tăng khả năng (nối thêm modul

mở rộng vào/ra ) và thêm chức năng (nối thêm modul chuyên dùng)

 Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩnhóa

 Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – ladder, intrustion va function chart –dễhiểu và dễ sử dụng

 Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng

Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển:

Mất nhiều thờigian lập trình

Lập trình vàlắp đặt đơngiản

Khả năng điều khiển

Kém- nếu

IC đượchàn

Kém- có rấtnhiều mạch điện

Hình 2.2 sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC

2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm

Bộ xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất

cả hoạt động bên trong PLC Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/

ra được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU Một mạchdao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay8MHz, tùy thuộc vào bộ xử lý sử dụng Tần số xung clock xác định tốc độ hoạtđộng của PLC và được dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử trong hệthống

2.1.3.2 Bộ nhớ

Tất cả PLC đều có các loại bộ nhớ sau:

Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ nên hầu như các PLC đều dùng

bộ nhớ EEPROM Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn hơn có thể chọn lựa giữa

bộ nhớ RAM ca nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM Ngoài ra, PLC cần thêm bộnhớ RAM cho các chức năng khác như: bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào

và ngõ ra, bộ nhớ tạm cho tác vụ định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ

Dung lượng bộ nhớ: Đối với PLC loại nhỏ thương bộ nhớ có dung lượng cốđịnh, thường là 2k Dung lượng này là đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điềukhiển trong công nghiệp Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLCtrang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ

2.1.3.3 Khối vào/ ra

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp là 5VDC và15VDC (điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển bên ngoài có thểlớn hơn nhiều thường là 24VDC đến 240VDC với dòng lớn

Khối vào ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC vớicác mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động: nó thực hiên sựchuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly Tuy nhiên, khối vào ra cho phépPLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống,không cần các mạch công suất trung gian hay rơ-le trung gian

Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ ra thích hợp với yêu cầu điềukhiển cụ thể, ví dụ:

+ Ngõ vào: 24V DC, 110VAC hay 220VAC

+ Ngõ ra: dạng rơ-le, transistor hay triac

Tất cả các ngõ vào/ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên ngoàibằng mạch cách ly quang (opto-isolator) trên các khối vào ra

Hình 2.3 Mạch cách ly quang

Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua và ghim các các tín hiệu điện ápcao xuống mức tín hiệu chuẩn Mạch này có tác dụng chống nhiễu khi chuyển côngtắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến 1.500V.

Các mô-đun vào/ ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấuchấp hành và cảm biến vào PLC Tất cả ngõ vào/ ra của PLC đều được thiết kế cócác đầu nối đinh ốc cho phép nhanh chóng gỡ bỏ và thay thế các modul bị hỏng

Tại mỗi đầu nối vào/ ra đều có đánh số địa chỉ được dùng để nhận dạng duynhất ngõ vào/ ra cụ thể trong khi lập trình hay thực hiện chức năng giám sát trạngthái chung Trạng thái của từng ngõ vào/ ra được thể hiện bằng LED chỉ báo ngaytrên PLC, có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và các cơ cấutác động nối kết PLC tiện lợi hơn

2.2 Cơ bản về lập trình PLC

2.2.1 Đại số Boole

Bảng 2.2 Bảng các cổng và phép toán đại số Boole

Định lý đại số Boole

Giao hoán : A.B = B.A

A+B = B+AKết hợp :

A.B.C = (A.B).C = A.(B.C)A+B+C = (A+B)+C = A+(B+C)Phân phối :

A.(B+C) = A.B+B.C(A+B).(C+D) = A.C+A.D+B.C+B.DĐịnh lý De Morgan :

Một số đẳng thức hữu dụng :

2.2.2 Các hệ mạch logic

- Các phép toán và định lý của đại số Boole giúp cho thao tác các biểu thứclogic Trong kỹ thuật thực tế là nối các cổng logic của các mạch logic lại với nhau(theo kết cấu đã tối giản nhất nếu có)

-Để thực hiện một bài toán điều khiển phức tạp, số mạch logic sẽ phụ thuộcvào số lượng đầu vào và cách giải quyết bằng loại mạch logic nào, sử dụng cácphép toán hay định lý nào Đây là một bài toán tối ưu nhiều khi có không chỉ có mộtlời giải

-Tùy theo loại mạch logic mà việc giải các bài toán có những phương phápkhác nhau Về cơ bản mạch logic được chia làm hai loại:

+Mạch logic trình tự+Mạch logic tổ hợpMạch trình tự hay còn gọi là mạch dãy (sequential circuits) là mạch trong đótrạng thái của tín hiệu ra không những phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộcvào trình tự tác động của tín hiệu vào, có nghĩa là có nhớ trạng thái

Hình 2.4 Mạch logic trình tự

Như vậy, về mặt thiết bị thì ở mạch trình tự không những chỉ có các phần tửđóng, mở mà còn có cả các phần tử nhớ

Mạch logic tổ hợp là mạch mà đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào chỉ phụ thuộc

tổ hợp các trạng thái đầu vào ở thời điểm đó

2.2.3 Sơ đồ Grafcet

Sơ đồ Grafcet mô tả thành chuỗi các giai đoạn trong chu trình sản xuất Sơ

đồ Grafcet cho một quá trình sản xuất là một mô hình khép kín từ trạng thái đầu đếntrạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu

Hình 2.6 Sơ đồ Grafcet

Sơ đồ Grafcet đã được tiêu chuẩn hóa và được công nhận là một ngôn ngữthích hợp cho việc mô tả hoạt động dãy của quá trình tự động hóa trong sản xuất

2.2.3.1 Một số ký hiệu trong Grafcet

Một trạng thái (giai đoạn) được biểu diễn bằng một hình chữ nhật ghi kýhiệu thứ tự của trạng thái Gắn liền với biểu tượng trạng thái là một hình chữ nhậtbên cạnh mô tả hoạt động của trạng thái đó Một trạng thái có thể tương ứng vớimột hoặc nhiều hành động của quá trình sản xuất

Trạng thái khởi động được thể hiện bằng 2 hình ô vuông lồng vào nhau,trạng thái khởi động thường có số thứ tự là 1

Hình 2.7 Biểu diễn một số trạng thái trong Grafcet

2.2.3.2 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet:

Việc chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ có thể thực hiệnkhi các điều kiện chuyển tiếp được thỏa mãn (hình 2.8)

Chẳng hạn việc chuyển tiếp giữa các trạng thái 3 và 4 được thực hiện khi tácđộng lên biến b

Chuyển tiếp giữa trạng thái 5 và 6 được thực hiện ở sườn tăng của biến c.Chuyển tiếp giữa trạng thái 7 và 8 được thực hiện ở sườn giảm của biến d.Chuyển tiếp giữa trạng thái 9 và 10 sẽ xảy ra sau 2s kể từ có tác động cuốicùng của trạng thái 9 được thực hiện

Hình 2.8 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet

2.2.3.3 Phân nhánh trong Grafcet

Có hai loại phân nhánh là rẽ nhánh và song song

Sơ đồ rẽ nhánh:

Hình 2.9 Sơ đồ rẽ nhánh

Ở hình 2.9 a, giả sử trạng thái 1 đang hoạt động Nếu trạng thái 1 thỏa mãnđiều kiện chuyển tiếp t12 thì trạng thái 2 hoạt động, hoặc nếu trạng thái 1 thỏa mãnđiều kiện chuyển tiếp t13 thì trạng thái 3 hoạt động

Ở hình 2.9 b, giả sử trạng thái 4 đang hoạt động và thỏa mãn điều kiệnchuyển tiếp t13 thì trạng thái 6 hoạt động, hoặc giả sử trạng thái 5 đang hoạt động

và thỏa mãn điều kiện chuyển tiếp t56 thì trạng thái 6 hoạt động

Sơ đồ song song:

Hình 2.10 Sơ đồ song song

Ở hình 2.10 c, nếu trạng thái 1 đang hoạt động và thõa mãn điều kiện chuyểntiếp t123 thì trạng thái 2 và trạng thái 3 đồng thời hoạt động

Ở hình 2.10 d, nếu trạng thái 4 và trạng thái 5 cùng hoạt động và cùng thỏamãn điều kiện chuyển tiếp t456 thì trạng thái 6 hoạt động

2.2.3.4 Bước nhảy trong Grafcet

Hình 2.11 bước nhảy trong Grafcet

Ở hình 2.11 a, khi trạng thái 2 đang hoạt động nếu có điều kiện a thì quátrình sẽ chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 5 bỏ qua các trạng thái trung gian 3 và

4, nếu điều kiện a không được thỏa mãn thì quá trình được chuyển tiếp theo trình tự

2, 3, 4, 5

Ở hình 2.11 b, khi trạng thái 8 đang hoạt động nếu thỏa mãn điều kiện f thìquá trình chuyển sang trạng thái 9, nếu không thỏa mãn điều kiện f thì quá trình sẽquay lại trạng thái 7.

2.2.3.5 Cách xây dựng sơ đồ Grafcet

Để xây dựng sơ đồ Grafcet cho một quá trình nào đó ta phải:

Mô tả mọi hành vi tự động bao gồm các giai đoạn và các điều kiện chuyểntiếp

Lựa chọn các dẫn động và các cảm biến rồi mô tả chúng bằng các ký hiệu.Sau đó kết nối chúng lại theo cách mô tả của Grafcet

2.2.4 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình bậc thang Ladder

2.2.4.1 Khái niệm công tắc thường mở và công tắc thường đóng và một số dòng lệnh.

Công tắc thường mở : Trạng thái công tắc là ON thì điều kiện thực thi lệnh

Các ký hiệu và quy ước:

Thành phần luôn phải có trong sơ đồ gọi là POWER BUS, là nơi dẫn nguồnđiện (quy ước) đi vào và đi ra sơ đồ

Mỗi dòng lệnh trong Ladder bao gồm 2 phần cơ bản: Bên trái là điều kiện vàbên phải là lệnh Khi điều kiện được thực thi thì lệnh sẽ chạy

PLC sẽ thực hiện các dòng lệnh theo thứ tự từ trên xuống

Hình 2.12 Hình minh họa hoạt động của các lệnh PLC

Trong khi nhập chương trình vào PLC, phải đảm bảo đang ở chế độ ProgramMode và cuối chương trình phải có lệnh END

Hình 2.13 Các dòng lệnh trong PLC

2.2.4.2 Cấu trúc chương trình điều khiển

Cấu trúc chương trình điều khiển dưới dạng sơ đồ Ladder gồm 3 phần

Đoạn chương trình điều khiển chế độ hoạt động

Hầu hết các điều khiển trong công nghiệp đều có nút khởi động (START) vànút dừng (STOP) mà có thể lập trình cho hành vi của chúng Các nút này được lậptrình bằng công tắc logic thực hiện khởi động hay dừng toàn bộ hoạt động điềukhiển của PLC

Lệnh LOAD và LOAD NOT

Lệnh AND và AND NOT

Lệnh AND LOAD

Lệnh OR LOAD

Lệnh OR và OR NOT

Lệnh OUTPUT và OUTPUT NOT

Các lệnh điều khiển BIT

Lệnh SET và RESET- SET và RSET

Lệnh SET sẽ bật bit đi kèm lên ON khi điều kiện thực thi của chúng là ON.Sau đó, Bit sẽ vẫn ở trạng thái ON không phụ thuộc vào lệnh SET có điều kiện thựcthi là ON hoặc OFF cho đến khi lệnh RESET (RSET) xóa chúng về OFF

Lệnh KEEP- KEEP(11)

Lệnh KEEP(11) hoạt động như một relay chốt với hai đầu vào là SET (S) vàRESET (R) Bit sẽ đựợc set lên ON khi đầu vào là S là ON và sẽ vẫn giữ ở ON chođến khi bit B bị reset về OFF khi đầu vào R là ON

Lệnh DIFFERENTIATE UP và DIFFERENTIATE DOWN-DIFU(13)

và DIFD(14)

Lệnh DIFU(13) sẽ bật bit đi kèm lên 1 trong vòng một chu kỳ quét(scan/cycle) khi điều kiện thực thi chuyển từ OF ở chu kỳ quét trước sang ON ở chu

kỳ quét lần này Sau đó, bit trở về trạng thái OFF

Lệnh SIFD(14) sẽ bật bit đi kèm lên 1 trong vòng một chu kỳ quét(scan/cycle) khi điều kiện thực thi chuyển từ ON ở chu kỳ quét trước sang OFF ởchu kỳ quét lần này Sau đó, bit trở về trạng thái OFF

Lệnh INTERLOCK và lệnh INTERLOCK CLEAR – IL(02) và ILC(03)

Lệnh IL(02) và ILC(03) luôn luôn được dùng đi kèm với nhau Khi một lệnh

điều khiển điều kiện thực thi của toàn bộ các lệnh bắt đầu từ sau lệnh IL(02) chođến lệnh ILC(03) đầu tiên sau lệnh IL(02) này.

Khi điều kiện thực thi của lệnh IL(02) ON, thì chương trình vẫn thực hiệnbình thường Còn khi điều kiện thực thi của lệnh ILC(03) đầu tiên đều được thihành với điều kiện thực thi là OFF nghĩa là các lệnh OUTPUT nằm giữa IL(02) vàILC(03) sẽ là OFF

Chương trình sẽ trở lại hoạt động bình thường sau lệnh ILC(03)

Lệnh INTERLOCK và INTERLOCK CLEAR – IL(02) và ILC(03)

Lệnh JUMP và JUMP END – JMP(04) và JME(05)

Mỗi lệnh JUMP gồm cặp lệnh JMP và JME có số từ 00 đến 49 Lệnh JMP vàJME luôn đi chung với nhau

Nếu ngõ vào của JMP là OFF, khi chương trình gặp lệnh JMP N thì chúng sẽ

bỏ qua không thực hiện các lệnh theo sau lệnh này cho đến lệnh JME N có cùng số

Khi gặp lệnh JME , thì chương trình sau đó lại thực thi bình thường

Khi ngõ vào của JMP là ON, khi chương trình gặp lệnh JMP N thì các lệnhtheo sau lệnh này sẽ thực thi bình thường

Chú ý: mỗi số N của lệnh JMP và JME chỉ được dùng một lần duy nhất

Lệnh TIM trì hoãn khoảng thời gian (ON Delay) đến 0 tùy theo giá trị đặt

SV Chú ý, độ phân giải của lệnh TIM là 0.1s Do đó, thời gian hoạt động thực tếcủa timer là SV x0.1(s)

High-speed timer – TIMH

SV thuộc khoảng giá trị từ 0000 đến 9999 (BCD) N nằm trong đoạn từ 000đến 127 trong PLC CPM1/CPM1A/SRM1

Giống như lệnh TIM Chú ý, độ phần giải lệnh TIMH(15) là 0.001s Do đó,thời gian hoạt động thực tế của timer là SVx0.001(s)

Very high-speed timer – TMHH( )

SV thuộc khoảng giá trị từ 0000 đến 9999 (BCD) N nằm trong đoạn từ 000đến 127 trong PLC CPM1/CPM1A/SRM1.

Giống như lệnh TIM Chú ý, độ phân giải của lệnh TIMHH( ) là 0.001s Do

đó, thời gian hoạt động thực tế của timer là SVx0.001(s)

SV sẽ bằng 0 khi CP luôn đổi trạng thái từ OFF lên ON trong SV lần Cờ của CNT

ON khi PV=0 và vẫn cho đến khi CNT bị reset

Counter bị reset bởi ngõ vào (input) reset Khi P từ OFF lên ON, thì giá trị

PV sẽ reset đến SV Giá PV sẽ không giảm khi R ON

Reversible Counter – CNTR(12)

SV thuộc khoảng giá trị từ 0000 đến 9999 (BCD) N nằm trong đoạn từ 000

Lệnh CNTR(12) dùng để đếm xuống hoặc đếm lên từ giá trị đặc SV khi điềukiện thực thi của ngõ vào II hoặc DI chuyển từ OFF lên ON, khi đó giá trị đặt trước

PV sẽ giảm 1 hoặc tăng 1 Giá trị của SV sẽ đếm tăng khi ngõ vào II chuyển từ OFFlên ON và giá trị PV sẽ đếm giảm khi ngõ vào DI chuyển từ OFF lên ON Khi II và

DI cùng chuyển trạng thái từ OFF lên ON, thì giá trị PV sẽ không thay đổi

CNTR(12) bị reset bởi ngõ vào (input) reset Khi R từ OFF lên ON, thì giátrị PV sẽ reset đến 0 Giá trị PV sẽ không giảm khi R ON

Ví dụ : Xe chạy thuận nghịch

Giai đoạn 0: Nhấn công tắc khởi động bắt đầu giai đoạn 1

Giai đoạn 1: Motor quay thuận làm xe di chuyển theo hướng bên phải đến vịtrí cảm biến 2 Khi cảm biến LS2 phát hiện xe thì chuyển qua giai đoạn 2

Giai đoạn 2: Motor quay nghịch làm xe di chuyển theo hướng bên trái đến vịtrí cảm biến 1 Khi cảm biến LS1 phát hiện xe thì chu trình lặp lại cho đến khi nhấnStop, động cơ ngừng lại

Hình 2.14 Sơ đồ Grafcet và chương trình ladder:

2.3 Khảo sát PLC CP1L

PLC CP1L đa năng là dòng sản phẩm mới của Omron với giá thành thấp

Hình 2.15 PLC CP1L Các tính năng chính của PLC CP1L:

• CPU có sẵn 14, 20, 30, hoặc 40 I/O, mở rộng tối đa 160 I/O, có khả năngtruyền thông RS-232 / 485 / 422

• Kết nối với modul mở rộng CPM1 hiện có (modul I/O, đầu vào nhiệt độ,vào/ ra tương tự, mạng CompoBus/ S, DeviceNet)

• Đầu vào analog 0-10V (độ phân giải 256 bit)

• Đầu vào/ ra xung 100kHz, cao hơn nhiều so với tốc độ tối đa 20kHz của

• Bộ nhớ 5 đến 10Kstep (CPM1A có bộ nhớ 2 Kstep, còn CPM2A là 4Kstep), có bộ nhớ ngoài

• Lập trình thuận tiện thông qua cổng USB bằng CX-P V7.1, hỗ trợ lập trìnhbằng FB (Function Block)

• Hỗ trợ chạy mô phỏng bằng CX-Simulator (CPM1/2A không cho phép môphỏng)

Dòng CP1L hỗ trợ khả năng kết nối dễ dàng trực tiếp tới các thiết bị khácnhư biến tần (qua Modbus), điều khiển nhiệt độ ,…

Hình 2.16 Kết nối PLC với một số thiết bị

Tốc độ xử lý cao:

Bảng 2.3 Các modul CPU

Môđun CPU 14 đầu

(8 vào, 6 ra), (12 vào, 8 ra)20 đầu (18 vào, 12 ra)30 đầu (24 vào, 16 ra) 40 đầu Nối được 1 modul mở rộng Nối được 3 modul mở rộngNguồn AC, vào

DC, ra relay CP1L-L14DR-A CP1L-L20DR-A CP1L-M30DR-ACP1L-M40DR-ANguồn DC, vào

DC, ra relay

D

CP1L-Bảng 2.4 Đặc tính với đầu ra rơle

Ngõ vào CP1L-L14:

Ngõ ra CP1L-L14: