NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐÔNG CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐÁNH LÔNG GÀ TRONG DÂY TRUYỀN GIẾT MỔ GIA CẦM ỨNG DỤNG PLC S7200

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐÔNG CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐÁNH LÔNG GÀ TRONG DÂY TRUYỀN GIẾT MỔ GIA CẦM ỨNG DỤNG PLC S7-200 Sinh viên thực hiện NGUYỄN ĐĂNG KHOA Khóa luân được đệ trìn

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐÔNG CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐÁNH LÔNG GÀ TRONG DÂY TRUYỀN GIẾT MỔ GIA CẦM ỨNG

DỤNG PLC S7-200

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Khóa luân được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Văn Hùng

Tháng 8 năm 2010

Em cũng xin bài tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Văn Hùng

đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn quý Thầy / Cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn

bè đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đăng Khoa

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tự động các thông số làm việc của máy đánh

lông gà trong dây chuyền giết mổ gia cầm ứng dụng PLC S7-200” Được tiến hành tại

bộ môn cơ điện tử trường đại học Nông Lâm TP.HCM, năm 2010

Kết quả thu được:

• Mô hình máy đánh lông chế tao được đồng dạng theo theo thực tế gồm: Khung máy, đĩa và ngón tay đánh lông bằng cao su, motor, máng hứng lông

• Kết quả thiết kế cấu tạo bộ phận điều khiển tự động các yếu tố gồm: Khoảng cách khe hở hai má đánh lông, tốc độ đĩa băng chuyền, thời gian đánh lông Khe hở đánh lông được điều khiển theo kiểu vòng kín so sánh giá trị đặt và giá trị tức thời, vận tốc đĩa đánh lông được điều khiển theo kiểu PID.Thời gian đánh lông được điều khiển thông qua vận tốc motor điều khiển băng chuyền theo phương pháp vòng kín

• Kết quả khảo nghiệm cho thấy toàn bộ hệ thống hoạt động tương đối ổn định Khoảng cách khe hở hai má đánh lông là 150 mm, tốc độ đĩa được điều khiển ở 100 vòng/phút, thời gian là 2,8 phút

MỤC LỤC

TRANG Trang tựa

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sác các hình vi

Danh sách các bảng viii

Chương 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 2

Chương 2 3

TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về công nghệ giết mổ gia cầm 3

2.1.1.Công nghệ giết mổ gia cầm 3

2.1.2 Máy đánh lông trong hệ thống giết mổ gia cầm 4

2.2 Tổng quan về PLC ứng dụng trong điều khiển tự động máy đánh lông 7

2.2.1 Sơ lược về PLC 7

2.2.2 Giơi thiệu về CPU 222 11

2.2.3 Kết nối PLC với thiết bị 12

2.2.4 PLC và các Module chức năng 12

2.2.5 Đọc xung tốc độ cao trong PLC 16

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder 20

2.3.1 Giới thiệu Encoder 20

2.3.2 Nguyên lý cơ bản của encoder: 21

2.4.1 Giới thiệu 23

2.4.2 Các bước để tạo một dự án trên WinCC 24

Chương 3 24

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Nội dung nghiên cứu 24

3.2 Linh kiện, thiết bị được sử trong thiết kế và điều khiển 24

3.3 Phương pháp nghiên cứu 24

3.3.1 Phương pháp lý thuyết 24

3.3.2 Phương pháp thiết kế phần điều khiển tự động 24

3.3.3 Điều khiển máy đánh lông bằng phần mềm WinCC 6.0 26

Chương 4 27

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

4.1 Điều khiển tự động trên máy đánh lông kiểu đĩa 27

4.1.1 Điều khiển khe hở giữa hai má đánh lông 28

4.1.2 Điều khiển vận tốc đĩa đánh lông 32

4.1.3 Điều khiển thời gian đánh lông 35

4.2 Hiển thị giá trị các thông số điều khiển lên WinCC 6.0 37

4.3 Kết quả khảo nghiệm sơ bộ 37

Chương 5 39

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Đề nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 42

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1 Qui trình giết mổ gia cầm 3

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông kiểu chảo 4

Hình 2.3 Máy đánh lông 4

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông kiểu trống 5

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông kiểu đĩa 6

Hình 2.6 Máy đánh lông kiểu đĩa 6

Hình 2.7 Máy đánh lông kiểu đĩa 7

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị điều khiển 12

Hình 2.9 PLC S7-200 và một module của nó 13

Hình 2.10 Cấu hình cơ bản của PLC 13

Hình 2.11 Các contact định cấu hình và các chiết áp chỉnh trong Module EM235 14 Hình 2.12.Sơ đồ đấu nối dây với module analog 15

Hình 2.13 Chọn mode đọc xung tốc độ cao và loại counter nào (HC0, HC1, ) 16

Hình 2.14 Mode 0,1,2: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi bít nội16 Hình 2.15 Mode 3,4,5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi bít ngoại, tức là có thể chọn từ ngõ vào input 17

Hình 2.16 Mode 6,7,8: Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung để đếm tăng và một xung đếm giảm 17

Hình 2.17 Mode 9,10,11: Dùng để đếm xung A/B của Encoder 18

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý Encoder trên trục động cơ 21

Hình 2.19 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 22

Hình 3.1 Đường đặc tính của đối tượng 25

Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển PID cho đối tượng 25

Hình 4.1 Giao diện điều khiển mô hình máy đánh lông gà 27

Hình 4.2 Sơ đồ khối điều khiển 28

Hình 4.3 Kết cấu cơ khí điều khiển khe hở giữa hai má đánh lông 29

Hình 4.4 Giao diện điều khiển khe hở đánh lông 29

Hình 4.5 Sơ đồ khối điều khiển khe hở giữa hai má đánh lông 30

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại xung encoder 30

Hình 4.7 Mạch đảo chiều động cơ dùng relay 31

Hình 4.8 Thuật toán điều khiển khe hở giữa hai má đánh lông 31

Hình 4.9 Kết cấu cơ khí điều khiển vận tốc đĩa đánh lông 32

Hình 4.10 Giao diện điều khiển vận tốc đánh lông 33

Hình 4.11 Sơ đồ vòng hở vận tốc đánh lông 33

Hình 4.12 Đặc tính quá độ của đối tượng sau khi nhận dạng 33

Hình 4.13 Xác định thông số PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols 34

Hình 4.14 Sơ đồ khối điều khiển vòng kín bằng PID 34

Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật điều khiển vận tốc đánh lông băng PID 35

Hình 4.16 Hệ thống xích treo và sơ đồ truyền động 35

Hình 4.17 Sơ đồ khối điều khiển vận tốc băng chuyền 36

Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật điều khiển vận tốc băng chuyền 36

Hình 4.19 Ảnh hưởng của chiều dài đến độ chính xác của khe hở đánh lông 37

Hình 4.20 Biểu đồ vận tốc theo thời gian 37

Hình 4.21 Biểu đồ vận tốc băng chuyền theo thời gian 38

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 2.1 Các công tắc định cấu hình module Analog 14

Bảng 2.2 Mô tả chế độ đếm cũng như loại HSC, quy định địa chỉ vào 19

Bảng 3.1 Cách xác định thông số PID 26

Bảng 4.1 Các thiết bị điều khiển máy đánh lông tự động 28

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống người dân được nâng lên, nhu cầu về thực phẩm sạch cũng tăng cao Tuy nhiên, để có được thịt sạch trong tình hình dịch bệnh nguy hiểm liên tục bùng phát trên đàn gia cầm, cần giải quyết đồng bộ nhiều mối quan hệ, từ công tác giống, thức ăn, chăm sóc, chuồng trại, giết mổ, vận chuyển, bảo quản… đều phải đạt các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm

Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ sản lượng thịt sạch ngày càng tăng, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho người tiêu dùng: phải có qui mô giết mổ tập trung, quy trình giết mổ ngày càng tiên tiến, hiện đại, xoá phương thức giết mổ thủ công không còn phù hợp, giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm trên sản phẩm gia cầm Nhiều công ty đã đầu tư các dây chuyền giết mổ như: Công ty thực phẩm an toàn Hương Giang, TP.Nha Trang, Khánh Hòa; Công ty thực phẩm an toàn Celine Thái, Bình Thuận; Công ty thực phẩm an toàn D&F, H.Thống Nhất, Đồng Nai, Trong đó có một số dây chuyền được nhập từ nước ngoài và một số được chế tạo trong nước Các dây chuyền nhập từ nước ngoài có giá thành cao và một số yếu tố hoạt động chưa phù hợp với điều kiện Việt Nam Các dây chuyền được chế tạo trong nước thì chưa được tự động hóa hoàn toàn Trong các dây chuyền giết mổ thì máy đánh lông là một trong những máy quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Vì vậy nghiên cứu máy đánh lông trong dây chuyền giết mổ gà là thật sự cần thiết và có ý nghĩa lớn góp phần hạ giá thành thiết bị, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

Trong các dây chuyền giết mổ gia cầm hiện nay, máy đánh lông ưu việt và được sử dụng phổ biến nhất là máy đánh lông kiểu đĩa với cấu tạo và nguyên lý

hoạt động theo Jacobus Gerardus Vertegaal Boxmeer, 1968 (United States Patent US3596309)

Theo TS.Nguyễn Văn Hùng, 2007, Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm máy đánh lông kiểu đĩa trong dây chuyền giết mổ gia cầm liên tục, máy đánh lông được nghiên cứu với hai yếu tố đầu vào là: Vận tốc đĩa và thời gian đánh lông Chế độ họat động tốt nhất là 326 vòng/phút trong thời gian 2,8 phút Máy hoạt động đảm bảo năng suất 300-500 con/giờ, chất lượng gà sau khi đánh lông rất tốt, sạch 98% và không bị dập

Trên cơ sở kế thừa kết quả của những công trình đã được công bố, tiếp tục nghiên cứu tự động hóa cho máy đánh lông kiểu đĩa Giúp quá trình điều khiển được chính xác nhằm giảm sức lao động, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Đặc biệt là là việc điều khiển tự động khe hở giữa hai má đánh lông, điều khiển chính xác vận tốc đánh lông và thời gian đánh lông của máy đánh lông, cùng với sự cho phép của Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Công Nghệ và dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Tiến Sĩ Nguyễn Văn Hùng, bộ môn Cơ Điện Tử chúng tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu điều khiển tự động các thông số làm việc của máy đánh lông gà

trong dây chuyền giết mổ gia cầm ứng dụng PLC S7-200”

1.2 Mục đích đề tài

Nghiên cứu máy đánh lông gà trong dây chuyền giết mổ gà, với mục đích vận dụng những kiến thức về PLC và cải tiến một số cơ cấu của máy để điều khiển tự động quá trình đánh lông với việc giám sát thông qua máy vi tính

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng hữu ích không những phụ vụ việc thiết kế chế tạo máy đánh lông tự động trong dây chuyền giết mổ gia cầm mà còn có thể được sử dụng làm cơ sở đào tạo hoặc nghiên cứu có liên quan

Chương 2

TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về công nghệ giết mổ gia cầm

2.1.1.Công nghệ giết mổ gia cầm

Theo Matusovic, Svoboda (1976) hệ thống giết mổ gia cầm được hợp bởi 3 hệ thống riêng biệt:

- Hệ thống xử lý trước chế biến, bao gồm các bộ phận tẩy rửa gia cầm

- Hệ thống giết mổ

- Hệ thống xử lý sau chế biến

Hình 2.1 Qui trình giết mổ gia cầm

Theo các tài liệu của các công ty như Stork (Nertherlands), Linco (Denmark), E.M.F.- SAB (Germany)…, qui trình giết mổ gia cầm hiện đại bao gồm các bước như Hình 2.1

2.1.2 Máy đánh lông trong hệ thống giết mổ gia cầm

Hiện nay trong các dây chuyền giết mổ gia cầm, máy đánh lông được sử dụng phổ biến hiện nay là máy đánh lông kiểu chảo, kiểu trống liên tục và kiểu đĩa liên tục

a Máy đánh lông kiểu chảo

2 1 3

4

5

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông

kiểu chảo

1 Máng xả lông; 2 Vỏ máy; 3 Tay đánh

lông; 4 Động cơ; 5 Đĩa

Ưu điểm:

Giá thành rẻ, dễ sử dụng, linh động, phù hợp với các dây chuyền giết mổ nhỏ (thường 100 con/giờ)

Nhược điểm:

Do máy hoạt động theo nguyên lý kiểu mẻ và gà cuộn tròn trên đĩa trong quá trình đánh lông nên máy có năng suất thấp và dễ làm dập, gãy chân và cánh gà

b) Máy đánh lông kiểu trống liên tục:

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông kiểu trống

1 Thân máy; 2 Máng hứng lông; 3 Trống; 4 Tay đánh lông;

5 Cơ cấu treo; 6 Động cơ; 7 Cặp bánh răng

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy đánh lông kiểu trống liên tục được thể hiện như Hình 2.4 Nguyên lý họat động của máy như sau:

Gia cầm được treo trên giá (5) sau khi đã nhúng nuớc nóng được băng chuyền mang gia cầm đi xuyên qua máy đánh lông, lông gà được tách khỏi thân nhờ các tay đánh lông (4) được gắn trên hai trống quay (3) Một trống được dẫn động bằng động

cơ (6), trống còn lại được dẫn động thông qua cặp bánh răng (7) Những khung đánh lông (1) có thể điều chỉnh theo phương ngang hay thẳng đứng

c Máy đánh lông kiểu đĩa:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo máy đánh lông kiểu đĩa

1 Cơ cấu treo; 2 Vòi phun nước;

3 Ngón tay đánh lông bằng cao su;

4 Động cơ; 5 Khung máy; 6 Máng hứng lông và nước

Ưu điểm:

Nguyên lý hoạt động liên tục nên năng suất tăng, hai má đánh lông được áp sát thân gà như Hình 2.7 nên đánh lông sạch, đều hơn và không bị rách da

Hình 2.7 Máy đánh lông kiểu đĩa

Toàn bộ chương trình được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình con hoặc chương trình ngắt (Khối chính OB1) Trường hợp dung lượng nhớ của PLC không đủ cho việc lưu trữ chuong trình thì ta có thể sử dụng thêm bộ nhớ ngoài hỗ trợ cho việc lưu chương trình và dữ liệu (Catridge)

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải

có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) Và những khối hàm chuyên dụng

2.2.1.1 Bộ nhớ PLC: gồm 3 vùng chính:

a/ Vùng chứa truong trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia thành 3 miền: i/ OB1 (Oranistion block): miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh khối này luôn được quét

ii/ Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính

iii/ Interrup (Chương trình ngắt) : Miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đôi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trinh nào khác Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao…

b/ vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 5 miền khác nhau

I (Process image input) : Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào cất giữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng và số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đếm I

Q (Process Image Output): Miền bộ đếm các dữ liệu cổng ra số Kết thưc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q

M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MD)

T (Timer): Miền nhớ phục vụ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV-Preset Value), giá trị bộ đếm thời gian tức thời (CV-Current Value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian

C (counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước (PV- Peset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm

c/ Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm 2 loại:

DB (Dât Block): Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), hoặc từ kép (DBD)

L (Local dât block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB1, chương trình con, chương trình ngắt tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó Nội dung của một khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB1, chương trình con, chương trình ngắt Miền này có thể được truy nhập từng chương trình theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD)

2.2.1.2 Vòng quét chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu kì lập Mỗi vòng lập được gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng và ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lí chứ không thông qua

bộ đệm Thời gian cần thiết để PLC thực hiện 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan Time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gởi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80 , chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét

khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khối chương trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình Chẳng hạn nếu 1 tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ ngừng công việc truyền thông, kiểm tra thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó Với hình thức xử lí tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lí ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không việc trực tiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 điều hành CPU quản lí

Ở 1 số module CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lí ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào ra

- Loại khối OB1 ( Organization Block) : Khối tổ chức và quản lí chương trình điều khiển Khối này luôn luôn được thực thi, và luôn được quét trong mỗi chu kì quét

- Loại khối SBR (Khối chương trình con) : Khối chương trình với những chức năng riêng giống như 1 chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức) Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối chương trình con và các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó

- Loại khối INT (Khối chương trình ngắt): Là loại khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi 1 lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Chương trình này sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra

2.2.2 Giơi thiệu về CPU 222

• Đặc tính

ƒ Điện áp vào AC 220V

ƒ Cổng vào DC

ƒ Cổng ra relay

• Kích thước vật lí: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62

• Kích thước bộ nhớ chương trình cho phép: 12 KB

• Kích thước bộ nhớ dữ liệu cho phép: 8 KB

• Khả năng lưu trữ khi cúp điện: 190 giờ

• Tốc độ thực thi lệnh logic: 0,37 μs/lệnh

• Số bít nội/ counters/ timers: 256/ 256/ 256

• Timers trong đó có ba độ phân giải là 1ms, 10ms, 100ms, timer đếm có nhớ đếm hay không có nhớ

• Số bộ đêm tốc độ cao: 4 bộ đếm tốc với tấn số 30 KHz

• Số cổng vào ra: 8 cổng vào/ 6 cổng ra

Đầu vào

• Tầm ở trạng thái ON: 15-30V DC, dòng nhỏ nhất 4 mA

• Trạng thái ON bình thường: 24VDC, 7mA

• Trạng thái OFF lớn nhất: 5 VDC, 1mA

Đầu ra

• Kiểu đầu ra: Relay

• Tầm điện áp 5 đến 30 VDC /250VAC

• Dòng tải tối đa: 2A/ điểm; 8A/ common

• Quá dòng: 7A với contact đóng

• Điện trở cách li: nhỏ nhất 100 MΩ

• Thời gian chuyển mạch: tối đa 10ms

• Thời gian sử dụng: 10.000.000 với công tắc cơ khí; 100.000 với tốc độ tải

• Chế độ bảo vệ ngắn mạch: không có

Nguồn cung cấp

• Tầm áp/tần số: 85 đến 264 VAC ở tần số 47 đến 63 Hz

• Thời gian quét (tốc độ refesh): nhỏ nhất là 20ms ở áp 110 VAC

• Dòng đột biến: trị đỉnh 20A ở 264 VAC

• Cầu chì 2A-250V

• Tại dòng 5 VDC:340 mA cho CPU; 660 mA cho các I/O mở rộng

2.2.3 Kết nối PLC với thiết bị

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị điều khiển

Hình 2.8 mô tả sơ đồ đấu nối dây S7-200 Nguồn cung cấp lấy từ nguồn 12/24V DC qua các lối L1 và N Các ngõ vào của PLC kết nối với các công tắc S1 ÷ S8 Các ngõ

ra Q1, Q2, Q3, Q4, được nối với các tải như đèn, mô tơ, relay,…

2.2.4 PLC và các Module chức năng

Phần này sẽ giới thiệu tổng quát về PLC nói chung và PLC-S7200 nói riêng, những tính năng cơ bản, phương cách lập trình, và do PLC phải sử dụng tín hiệu analog nên cũng đề cập đến module analog EM235 và những vấn đề chung về tín hiệu analog, PLC S7-200 có nhiều loại CPU khác nhau, mỗi loại có tính năng tăng dần từ CPU 210 đến CPU 226 Do có sẵn, nên chỉ tìm hiểu loại CPU 222 Các loại khác cũng tương tự

Hình dưới đây là một loại PLC và module mở rộng trong PLC S7-200:

Hình.2.9 PLC S7-200 và một module của nó

Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn trên Hình 2.10 Ngoài các module chính này, các PLC còn có các module phụ trợ như module nối mạng, các module đặc biệt để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào v.v…

Hình 2.10 Cấu hình cơ bản của PLC

Các module chức năng rất đa dạng, có thể chia ra làm các loại đặc trưng sau:

–Module vào ra (I/O)

–Module chức năng đặc biệt

Các loại modul analog

EM231: 4 analog inputs (6ES7 231–0HC22–0XA0)

EM232: 2 analog outputs (6ES7 232–0HB22–0XA0)

EM235: 4 analog inputs, 1 analog output (6ES7 235–0KD22–0XA0)

Thông số hoạt động

Định dạng dữ liệu:

Lưỡng cực: -32000->+32000 (11 bits, 1 bit dấu)

Đơn cực: 0->32000 (12 bits)

Trở kháng ngõ vào: >10 M Ohms

Điện áp hoạt động 20V-28.8V

Loại ngõ vào: Vi sai

Bảng 2.1 Các công tắc định cấu hình module Analog

Hình 2.11 Các contact định cấu hình và các chiết áp chỉnh trong Module EM235

Thời gian chuyển đổi: tối đa 250 μs

Sai số cực đại: 2% của tầm đo

Đối với Module Analog output:

Ngõ ra áp: Rmin = 5000 Ohms

Ngõ ra dòng: Rmin = 500 Ohms

Tầm ngõ ra:

Ngõ ra áp: -10V->+10V

Ngõ ra dòng: 0->20mA

Các bước để diều chỉnh đầu vào

1 Tắt nguồn của Module, chọn tầm đầu vào theo yêu cầu,

2 Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để chờ hoạt động ổn định trong 15

phút

3 Sử dụng nguồn hoặc áp chuẩn dùng để đưa tín hiệu 0 vào một trong ba đầu vào

4 Đọc giá trị mã PLC đọc được bằng kênh đầu vào thích hợp

5 Chỉnh giá trị Offset có thể cho đến khi giá trị vào là 0 hoặc nhận ra giá trị data

6 Đặt giá trị tín hiệu toàn tầm đỏ vào ngõ vào, đọc giá trị mã CPU nhận được

7 Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc được là 32000 hay nhận giá trị data

8 Lập lại các quá trình chỉnh Gain và Offset cho đến khi đạt yêu cầu

Để chọn điện áp giới hạn đầu vào cho module EM235, ta bật các công tắc trên module theo các vị trí đã được ấn định tương ứng với từng dãy điện áp đầu và độ phân dải của tín hiệu vào theo bảng 2.1

Sơ đồ kết nối cảm biến với module analog được thể hiện như hình sau:

Hình 2.12 Sơ đồ đấu nối dây với modul analog

2.2.5 Đọc xung tốc độ cao trong PLC

Để đọc xung tốc độ cao, ta thực hiện các bước sau cho việc định dạng Wizard: Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter

Hình 2.12 Chọn mode đọc xung tốc độ cao và loại counter nào (HC0, HC1, )

Tùy từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều mode đọc xung tốc độ cao khác nhau,

có tất cả 12 mode đọc xung tốc độ cao như sau:

Hình 2.14 Mode 0,1,2: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi bít nội

Mode 0: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset

Mode 1: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có Bit Start

Mode 2: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài

Hình 2.15 Mode 3,4,5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi bít

ngoại, tức là có thể chọn từ ngõ vào input Mode 3: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset

Mode 4: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có Start

Mode 5 Đếm tăng hoặc giảm, có bít Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài

Hình 2.16 Mode 6,7,8: Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung để đếm tăng và

một xung đếm giảm

Mode 6: Chỉ đếm tăng giảm, không có bít Start cũng như bit Reset

Mode 7: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bít Start

Mode 8: Đếm tăng giảm, có bít Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các bít Start cũng như Reset là các ngõ Input

từ bên ngoài

Hình 2.17 Mode 9,10,11: Dùng để đếm xung A/B của Encoder, có 2 dạng:

Dạng 1 (Quadrature 1x mode): Đếm tăng 1 khi có xung A/B quay theo chiều thuận,

và giảm khi có xung A/B quay theo chiều ngược

Dạng 2 (Quadrature 4x mode): Đếm tăng 4 hi có xung A/B quay theo chiều thuận,

và giảm khi có xung A/B quay theo chiều ngược

Mode 9: Chỉ đếm tăng giảm, không có bit Start cũng như bit Reset

Mode 10: Đếm tăng giảm, có bít Reset nhưng có bít Start

Mode 11: Đếm tăng giảm, có bít Start cũng như bít Reset để cho phép chọn bắt đầu

đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset Các bít Start cũng như Reset là các ngõ

Input chọn từ bên ngoài

Mode 12: Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát ra từ

Q0.0, và HSC3 đếm số xung từ Q0.1 (Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh) mà

không cần đấu phần cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong

Bảng 2.2 Mô tả chế độ đếm cũng như loại HSC, quy định địa chỉ vào

6

Đếm 2 phase với 2 xung

ngõ vào

Clock Up Clock Down

9

Đếm 2 xung A và B của

encoder

Clock A Clock B

Phạm vi ứng dụng của PLC: PLC (Programmable Logical Controller) (hay bộ

điều khiển Logic có thể lập trình được), là một thiết bị điều khiển đa năng được dùng

rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau Chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển và cách kết nối thì ta đã có thể dùng chính PLC đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác Cũng như vậy, nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển Các đối tượng mà PLC có thể điều khiển được rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt…đến các hệ thống phức tạp như : băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất… PLC có thể điều khiển theo các quy luật khác nhau đối với các đối tượng của nó

Ưu điểm của PLC:

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay, mạch tích hợp, IC số không thể nào sánh được :

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ nên dễ dàng di chuyển, lắp đặt

- Dễ bảo quản, sửa chữa

- Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp

- Độ chính xác cao

- Khả năng xử lý nhanh

- Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác, máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển khác

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder

2.3.1 Giới thiệu Encoder

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vận tốc quay), dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog

và dùng optical encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một

cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder)

2.3.2 Nguyên lý cơ bản của encoder:

Đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Sơ đồ nguyên lý cơ bản của một encoder được thể hiện trong hình:

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý Encoder trên trục động cơ

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index) Kênh I chỉ có một lỗ duy nhất và mỗi lần kênh I phát một xung tương ứng với trục motor quay một vòng Hai kênh A và B lệch pha nhau như hình 2.19 Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà

Hình 2.19 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder

còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)

Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính

xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển

2.4 Tổng quan về phần mềm giám sát WinCC

2.4.1 Giới thiệu

WinCC (Window Control Center) là phần mềm tích hợp giao diện người máy IHMI (Integeated Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điều khiển với quá trình tự động hóa Những thành phần dễ sử dụng của WinCC giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kì trở ngại nào

Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng

Phần mềm này có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley, v.v…, nhưng nó đặc biệt truyền thông rất tốt với PLC của hãng Siemens Nó được cài đặt trên máy tính và giao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 hoặc COM2 (chuẩn RS-232) của máy tính Do đó, cần phải có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang RS-485 của PLC

WinCC còn có đặc điểm là tính mở Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm người sử dụng, tạo nên giao diện người máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát

triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một phần nền tảng để

mở rộng hệ thống

Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution Sytem – Hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt trên khắp thế giới

2.4.2 Các bước để tạo một dự án trên WinCC (WinCC project)

Để tạo một dự án trong WinCC, bạn phải tiến hành theo các bước sau:

1 Khởi động WinCC

2 Khởi tạo dự án

3 Chọn và cài đặt PLC hoặc bộ điều khiển

4 Định nghĩa Tags

5 Tạo và hiệu chỉnh hình ảnh của quá trình

6 Thiết lập thuộc tính thời gian thực thi trong WinCC Runtime

7 Kích hoạt hình ảnh của quá trình trong WinCC Runtime

8 Sử dụng Simulator để để kiểm tra hình ảnh của quá trình

2.5 Phần mềm PC ACCESS

Giới thiệu phần mềm PC Access

Dùng để kết nối PLC S7-200 với WinCC do S7-200 không có driver sẵn trong WinCC do vậy để liên kết S7-200 với phần mềm WinCC, ta phải cài đặt driver cho nó, driver đó là phần mềm PC Access

Các bước thực hiện trong giao tiếp

1 Mở phần mềm PC Access

2 Tạo Tag cần liên kết trong PC Access

3 Mở phần mềm WinCC, tạo mới một chương trình trong WinCC, Add driver mới cho việc kết nối PLC