Khi khách hàng cho tiền vào máy qua khe nhận tiền, máy sẽ nhận dạng loại tiền. Sau đó khách hàng sẽ bấm chọn loại cà phê muốn kèm với số lượng và nhấn OK. Máy sẽ tự động kiểm tra số tiền đủ hay không. Nếu đủ máy sẽ tự động đun sôi nước rồi pha chế loại cà phê theo yêu cầu của khách hàng và và trả lại số tiền dư qua khe trả tiền dư. Nếu số tiền khách hàng đưa vào không đủ để mua số cà phê đã chọn, máy sẽ kiểm tra xem có mua được café với số lượng ít hơn không. Nếu được thì sẽ thực hiện giao dịch và trả tiền thừa.Còn không đủ thì sẽ trả tiền lại cho khách. Khi máy hết nhiên liệu (cà phê, nước, li giấy…), máy sẽ báo đèn để khách hàng được biết.
Trang 1KHOA ĐIỆN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỀU KHIỂN LOGIC
Họ và tên sinh viên :
Lớp:14D2 1.Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống máy bán cà phê tự động(dùng bột cafe hòa tan) sử dụng PLC
FX của Mitsubishi
2 Nội dung:
Sơ đồ nguyên lí hoạt động:
Cấu tạo :
Trang 2Cấu tạo bên ngoài:
Menu chọn loại café: café đen hay café sữa
Đèn báo: đèn xanh(máy hoạt động bình thường), đèn đỏ (máy hỏng, hếtnguyên liệu…) , đèn vàng (hoạt động đã thực hiện xong)
Nguyên lý hoạt động:
Khi khách hàng cho tiền vào máy qua khe nhận tiền, máy sẽ nhận dạng loại
tiền Sau đó khách hàng sẽ bấm chọn loại cà phê muốn kèm với số lượng và nhấn
OK Máy sẽ tự động kiểm tra số tiền đủ hay không Nếu đủ máy sẽ tự động đunsôi nước rồi pha chế loại cà phê theo yêu cầu của khách hàng và và trả lại số tiền
dư qua khe trả tiền dư Nếu số tiền khách hàng đưa vào không đủ để mua số cà phê
Trang 3khách Khi máy hết nhiên liệu (cà phê, nước, li giấy…), máy sẽ báo đèn để kháchhàng được biết.
Trang 4CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BÁN CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG
1.1 Máy bán hàng tự động:
Máy bán hàng tự động là một chiếc máy thông minh có thể tự động thực hiệngiao dịch mua, bán các loại hàng trong kho của nó với khách hang Người mua làkhách hàng, người bán là chiếc máy đó Thao tác mua, bán về cơ bản diễn ra bìnhthường như truyền thống
Với sự xuất hiện của máy bán hàng tự động trong những năm gần đây đã tạo
ra sự phát triển mạnh mẽ các dịch vụ công cộng như bán nước uống, đồ ănnhanh…Những máy bán hàng tự động này xuất hiện chủ yếu ở những chỗ tậptrung đông người như: siêu thị, ngân hàng, hoặc những khu vực vui chơi giải trí Những lợi ích mà máy bán hàng tự động đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụthẻ như:
Với một chiếc máy bán hàng, việc mua bán có thể diễn ra bất cứ thời giannào, trong điều kiện như thế nào
Một chiếc máy bán hàng tự động có thể coi tương đương một quầy hàngnhỏ, chuyên bán một số mặt hàng Hơn nữa quầy hàng này không cần nhânviên bán hàng, nên tiết kiệm được tiền lương trả cho nhân viên
Máy bán hàng tự động có diện tích nhỏ nên có thể đặt được ở nhiều nơi, tậndụng được nhiều khoảng trống, có thể tiết kiệm được tiền thuê mặt bằng
Mọi người thường có tâm lý e ngại khi mua một số mặt hàng ở các quầyhàng, thì việc mua ở các máy bán hàng tự động, hoàn toàn thoải mái
Các loại máy bán hàng tự động được thiết kế giao tiếp ngày càng thân thiệnvới người sử dụng Việc thực hiện mua sản phẩm rất dễ dàng, và không saisót
Bằng việc sử dụng những đồng tiền xu sẽ làm thay đổi suy nghĩcủa mọingười trong việc sử dụng và lưu thông những đồng tiền xu Các máy hiệnđại có khả năng thanh toán bằng thẻ tín dụng, nên có thể giảm được lượng
Trang 5Từ nhu cầu thực tiễn và lợi ích của xã hội ta thấy máy bán hàng tự động là rấtcần thiết trong một xã hội phát triển.
Máy bán hàng tự động là một cụm từ chung, như các máy bán cà phê,
máy nạp thẻ điện thoại tự động, máy bán đồ ăn nhanh tự động…Nên trong đề tàinày, nhiệm vụ cụ thể của nhóm là thiết kế và chế tạo mô hình máy bán hàng tựđộng, bán hai loại nước đóng chai và một loại dạng hộp, giao dịch bằng ba loạitiền Việt Nam: 1000đ, 2000đ và 5000đ
Hình 1.1: Một số máy bán hàng tự động
Trang 6
Ở Việt Nam, máy bán hàng tự động cũng ngày dần xuất hiện phổ biến ở
các tỉnh, thành phố lớn như Đà Nẵng, Hà Nội, TP HCM và được đưa vào nghiêncứu chế tạo
Hầu hết các loại máy bán hàng tự động đều dung tiền xu để thực hiện giao dịchmua bán Tuy nhiên, ở Việt Nam, thói quen sử dụng đồng xu không phô biến nhưtiền giấy Tiền xu khá nặng và bất tiện khi mạng bên người, trong khi đó mệnh giálại nhỏ nên không được ưa chuộng ở nước ta Đó cũng là nguyên nhân máy bánhàng tự động chưa phát triển mạnh ở Việt Nam, nó chỉ mới xuất hiện ở các thànhphố lớn trong nước Nhưng hiện nay, các máy bán hàng tự động sử dụng tiền giấy,polime đã dần xuất hiện nhiều ở Việt Nam Và tin rằng, cùng với sự phát triển củakhoa học công nghệ, hội nhập kinh tế- quốc tế và nhu cầu của người dâ, máy bánhàng tự động sẽ ngày càng phổ biến ở nước ta và đem lại nhiều sự tiện lợi chongười sử dụng
1.2.Máy bán café tự động:
Máy bán café tự động, cũng như máy bán hàng tự động là một sản phẩm
tự động đã được phổ biến trên thế giới Ở các nước phát triển như Nhật, Mỹ, TrungQuốc…sản phẩm này đã trở nên thông dụng với người dân Máy bán café tự động
đã rất hoàn thiện về kết cấu, tính năng sử dụng và ngày được hoàn thiện Và vớimáy bán café tự động, chúng ta có thể tiết kiệm được rất nhiều thời gian và chi phí
đi lại, thuận tiện cho những người bận rộn- đặc biệt là văn phòng, để có thể uốngmột cốc café mọi lúc mọi nơi Chỉ cần bỏ tiền vào, sau 1-2 phút ( tùy theo từngloại máy ) chúng ta đã có một cốc café thơm ngon trên tay
Trang 7Hình 1.2: Một số máy bán café tự động
Các công nghệ đang được áp dụng cho máy bán café tự động:
Công nghệ nhận diện và trả tiền thừa:
Sau khi nhét đồng xu vào máy, khối kim loại này sẽ đi qua một cảm biến ánh sáng dùng cho đo đạc kích thước
Trang 8Tiếp đó, đồng xu đi qua một nam châm điện để đo đạc thành phần kimloại.
Sau khi nhận dạng đồng xu, máy sẽ tự động sắp xếp đồng xu vào đúng cột của nó.Những đồng xu giả sẽ bị chuyển qua khe từ chối
Trang 9
Nếu còn tiền thừa? Máy sẽ tự động tính toán để rút xu từ các cột ra và trả lại Đây
là lý do mà các máy bán hàng tự động thường chỉ chấp nhận một số loại tiền lẻ
Với tiền xu Việt Nam gồm các mệnh giá với độ dày như sau: 5000đ (2.2mm),2000đ (1.8mm), 1000đ (1.95mm), 500đ (1.75mm), 200đ(1.45mm)
Khi hệ thống điều khiển của máy tiếp nhận được thông tin khách hàng đã đưa
đủ số tiền để mua loại café đó thì cốc giấy sễ được đưa ra ở cửa để thực hiện côngviệc tiếp theo
Công nghệ đẩy ly:
Khi khách hàng đưa tiền xu vào máy, qua quá trình nhận diện tiền xu kháchhàng đưa vào, nếu đã đủ tiền thì máy sễ tự động cáp ly giấy ra để chứa café Cónhiều loại ly giấy chứa café khác nhau với số lượng ly giấy trong mỗi máy báncafé khác nhau Thông thường máy bán café tự động chứa khoảng 60ly/cột… Trong đề tài này, nhóm thiết kế máy bán café tự động thanh toán bằng
tiền xu Về cơ bản, máy bán café tự động gồm bộ phận chứa nguyên liệu, hệ thốngnhận dạng tiền xu- trả lại tiền thừa, các cơ cấu chấp hành để đưa nguyên liệu ra đó
là động cơ, xilanh….các nút bấm, bộ điều khiển và các cảm biến…để tạo ra 2 loạicafé là: café đen và café sữa
Trang 10CHƯƠNG II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ QUY TRÌNH VẬN
HÀNH CỦA HỆ THỐNG
2.1 Giải pháp
Với đề tài “Thiết kế hệ thống máy bán café tự động sử dụng PLC FX của
Mitsubishi”, máy bán café sẽ được thiết kế với:
Sử dụng PLC FX của Mitsubishi làm điều khiển trung tâm
Sử dụng bột café hòa tan
Sử dụng tiền xu để mua
Bán 2 loại café: café đen và café sữa
Có thể chọn số ly là 1 hoặc 2
Sử dụng bình nấu nước nóng để pha café: sử dụng nước nóng (90-100C)
2.2 Quy trình công nghệ cho hệ thống điều khiển máy bán café tự động
2.2.1 Mô tả máy bán café tự động
Trang 11Hình 2.1 Cấu tạo máy bán café tự động
Menu chọn loại café: café đen hay café sữa ,nút bấm có kí hiệu số ly
Đèn báo: đèn xanh(máy hoạt động bình thường), đèn đỏ(máy hỏng, hếtnguyên liệu…), đèn vàng(một ly cafe đã thực hiện xong)
Bên trong máy gồm có:
Bộ xử lý trung tâm: sử dụng PLC FX của Mitsubishi
Hộp đựng bột café
2 bình trộn nguyên liệu
Trang 12 1 bình có cuộn dây nấu nước nóng
Khi cắm điện vào, máy tự động chuyển sang trạng thái 1:
Trạng thái 1: nếu một trong các cảm biến bột cafe, nước, ly giấy báo hếtcafé hoặc nước máy sẽ bật đèn đỏ lên báo là máy đang ngưng hoạt động vàchuyển sang trạng thái 7 Ngược lại thì máy sẽ bật đèn xanh và chuyển sangtrạng thái 2
Trạng thái 2: khi khách hàng cho tiền vào máy qua khe nhận tiền và nhấnnút chọn mua café đen thì máy chuyển sang trạng thái 3 Hoặc nhấn nútmua café sữa thì máy chuyển sang trạng thái 4
Trạng thái 3: bộ nhận dạng tiền sẽ xác định mệnh giá số tiền vừa cho vào.Nếu số tiền đó đủ hoặc dư để mua café đen thì máy sẽ tiếp nhận giao dịch
và trả tiền thừa lại cho khách qua khe trả tiền (nếu có)
Trạng thái 3.1: Hoặc nếu số tiền đó chưa đủ thì máy sẽ kiểm tra có thểmua với số lượng ít hơn không ,nếu được thì thực hiện giao dịch Khi đã
đủ tiền máy chuyển sang trạng thái 5 Còn không thì máy sẽ trả lại số tiềnban đầu cho khách
Trạng thái 4.1: bộ nhận dạng tiền sẽ xác định mệnh giá số tiền vừa cho vào Nếu số tiền đó đủ hoặc dư để mua café sữa thì máy sẽ tiếp nhận giao dịch
và trả tiền thừa lại cho khách qua khe trả tiền (nếu có)
-Trạng thái 4.2 Hoặc nếu số tiền đó chưa đủ thì máy sẽ kiểm tra có thể mua với số lượng ít hơn không ,nếu được thì thực hiện giao dịch Khi đã đủtiền máy chuyển sang trạng thái 6 Còn không thì máy sẽ trả lại số tiền ban
Trang 13 Trạng thái 5( pha café đen):
Máy mở van của bình chứa café đen V1 để café chảy vào bình pha trộn.Khithời gian(5s-1ly café hoặc 10s-2 ly cafe) đã đủ van sẽ đóng lại, đồng thời van của van nước nóng V3.1 mở ra để cho nước chảy vào bình pha trộn(sẽ đóng lại cũng tương ứng với thời gian 5s hoặc 10s)
Sau đó động cơ trộn DC1 sẽ được bật lên để trộn café trong vòng 1 phút.Sau 1 phút , động cơ trộn ĐC1 tắt Hộp đựng ly với cơ chế thả ly giấy sẽ đưa ly ra ngoài trước đó(khi động cơ 3 dừng thì ly sẽ được thả xuống).Tín hiệu trong bình trộn báo còn café thì động cơ DC3 sẽ đưa ly đến dưới vòi rót Sau đó van rót café V4 mở ra trong vòng 10s để rót café vào cốc giấy Sau 10s van V4 đóng lại Nếu mua 2ly thì ly thứ 2 sẽ được rót sau 5s tiếp theo, thời gian rót vẫn 10s
Sau thời gian 30s,kể từ khi rót café lần đầu, máy sẽ reset và trở về trạng tháiban đầu chuẩn bị cho lần giao dịch tiếp theo
Trạng thái 6: (pha café sữa) Máy mở van của bình chứa café sữa V2 để caféchảy vào bình pha trộn.Khi thời gian(5s-1ly café hoặc 10s-2 ly cafe) đã đủvan sẽ đóng lại, đồng thời van của van nước nóng V3.2 mở ra để cho nướcchảy vào bình pha trộn(sẽ đóng lại cũng tương ứng với thời gian 5s hoặc10s)
Sau đó động cơ trộn DC2 sẽ được bật lên để trộn café trong vòng 1 phút.Sau 1 phút , động cơ trộn ĐC2 tắt Hộp đựng ly với cơ chế thả ly giấy sẽđưa ly ra ngoài trước đó(khi động cơ 3 dừng thì ly sẽ được thả xuống).Tínhiệu trong bình trộn báo còn café thì động cơ DC3 sẽ đưa ly đến dưới vòirót Sau đó van rót café V4 mở ra trong vòng 10s để rót café vào cốc giấy.Sau 10s van V4 đóng lại.Nếu mua 2ly thì ly thứ 2 sẽ được rót sau 5s tiếptheo,thời gian rót vẫn 10s Sau thời gian 30s,kể từ khi rót café lần đầu, máy
sẽ reset và trở về trạng thái ban đầu chuẩn bị cho lần giao dịch tiếp theo
Trạng thái 7: Khi khách hàng cho tiền giả vào máy sẽ tự động trả tiền lạicho khách
Trang 14Còn khi máy hết nguyên liệu( café, nước…) thì máy sẽ hiển thị đèn báo máykhông hoạt động.
2.2.3 Các yêu cầu kỹ thuật
Máy phải có cảm biến đo kích thước để phân biệt các loại đồng xu của ViệtNam khi bỏ vào máy ( dựa vào các kích thước khác nhau của các đồng xu)
Các ngăn xếp chứa các loại đồng xu khác nhau để tiện lợi cho việc trả tiềnthừa
Các van đóng mở linh động để mở các van nước, café, tiền xu, thả ly
Bình trộn phải trộn đều, hòa tan được hết các nguyên liệu
Ly giấy phải được đưa ra đúng vị trí, mỗi lần chỉ đưa ra 1 ly giấy
Các cảm biến đo lượng bột café, lượng nước chính xác
Khi hết 1 trong các nguyên liệu để bán 1 ly café, máy sẽ báo hiệu đèn đểmọi người biết và sẽ có người đến bổ sung nguyên liệu để máy có thể tiếptục hoạt động
Trang 15CHƯƠNG III: LỰA CHỌN CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ HỆ THỐNG.
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH GHÉP NỐI HỆ THỐNG
3.1 Lựa chọn các linh kiện, thiết bị hệ thống:
3.1.1 PLC FX của Mitsubishi:
a Giới thiệu chung về PLC:
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loạithiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua mộtngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số
Trên thế giới có rất nhiều PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens của Đức,Mitsubishi của Nhật…
Hình 3.1 PLC của Mitsubishi
Trang 16Hình 3.2 PLC của Siemens
Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển sốnhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trườngxung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điềukhiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB,
FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét
Tự động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và công nghiệp.Ngày nay, ngành tự động đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lýthuyết điều khiển tự động, tiến bộ của những ngành khác như điện tử, tin học…Nhiều hệ thống điều khiển đã ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng phục
vụ rộng là bộ điều khiển PLC
Khái niệm bộ điều khiển lập trình PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãngGeneral Motors vào năm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứngnhững yêu cầu điều khiển như sau:
Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợptrong các nhà máy công nghiệp
Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa
Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất của các nhà máy côngnghiệp
Trang 17 Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên phảicó kích thước nhỏ gọn hơnmạch role mà chức năng vẫn tương đương
Giá cả cạnh tranh
b Chỉ tiêu chất lượng của PLC
Những chỉ tiêu này đã tạo được sự quan tâm của những kỹ sư thuộc nhiềungành nghiên cứu khả năng ứng dụng PLC trong công nghiệp Các kết quả nghiêncứu đã đưa ra thêm một số các chỉ tiêu cần phải có trong chức năng của PLC:
Về phần mềm:
Từ các lệnh logic đơn giản được hỗ trợ thêm các lệnh về tác vụ định thì, tác
vụ đếm Sau đó là các lệnh về xử lý toán học, xử lý bảng dữ liệu, xử lý xung ở tốc
độ cao, tính toán số liệu thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch…
Về phần cứng:
• Bộ nhớ lớn hơn
• Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn
• Nhiều loại module chuyên dùng hơn.
Đến năm 1976 thì PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xabằng kỹ thuật truyền thông (khoảng 200 mét)
Sự gia tăng những ứng dụng của PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhàsản xuất hoàn chỉnh kỹ thuật củacác họ PLC với mức độ khác nhau về khả năngtốc độ xử lý và hiệu xuất
Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ với 20 ngõ vào / ra vàdung lượng bộ nhớ chương trình khoảng 500 bước, đến các họ PLC có cấu trúcmodule nhằm làm dễ dàng hơn cho việc mở rộng thêm chức năng chuyên dùngnhư:
• Xử lý tín hiệu liên tục
• Điều khiển động cơ Servo, động cơ bước
• Truyền thông
Trang 18• Bộ nhớ mở rộng.
Với cấu trúc module cho phép mở rộng hay nâng cấp một hệ thống điềukhiển PLC với chi phí và công sức thấp nhất
Riêng nước ta, hàng rào thuế quan khu vực đang dần dần được loại bỏ, kinh
tế mở cửa hợp tác với nước ngoài Trước tình hình đó, nền công nghiệp sẽ gặpkhông ít khó khăn vì còn khá nhiều dây chuyền công nghệ lạc hậu Các doanhnghiệp cần phải chú trọng đến những ứng dụng và phát triển của tự động trong sảnxuất công nghiệp, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, cũng như giáthành sản phẩm hạ Một trong những phương án tốt nhất và được sử dụng rộngrãingày nay là thay thế những công nghệ cũ bằng những hệ thống điều khiển tựđộng dùng PLC
c Khái quát về bộ lập trình PLC
Trong kỹ thuật tự động, điều khiển được chia làm hai loại: điều khiển bằngdây nối, và điều khiển bằng bộ lập trình PLC
Điều khiển bằng dây nối
Các bộ điều khiển được gọi là bộ điều khiển dây nối nếu các phần tử chuyểnmạch của nó được nối với nhau bằng dây dẫn cố định một cách vĩnh viễn
Đó là các bộ điều khiển bằng dây nối dùng để nối kết các nút nhấn và cácphần tử chuyển mạch là các tiếp điểm với nhau bằng dây dẫn song song hoặc nốitiếp Các công tắc và tiếp điểm được sắp xếp với nhau khi ta đã biết rõ chức năng
mà bộ điều khiển cần thực hiện, tức phải biết rõ sơ đồ nguyên lý và vị trí khi tiếnhành đấu dây Mặt khác, khi muốn thay đổi chức năng của bộ điều khiển ta phảithay đổi lại cấu trúc cũng như sơ đồ đấu dây Đối với những mạch điện lớn phứctạp thì sự đấu dây trở nên rất khó khăn và dễ bị sai sót Ngoài ra trong cách dùngnày cần tốn nhiều linh kiện như: role trung gian, role thời gian, bộ đếm…
Trang 19 Điều khiển dùng PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logical Controller (chương trình điềukhiển tự động có lập trình), chương trình này được lưu trữ trong bộ nhớ ROM vàđược nạp vào thông qua máy vi tính cá nhân
Trong PLC chức năng bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi mộtchương trình, chương trình này được nạp vào bộ nhớ PLC Khi đó PLC sẽ thựchiện quá trình điều khiển dựa vào chương trình đã được nạp sẵn Cấu trúc và sơ đồđấu dây của bộ điều khiển không phụ thuộc vào chức năng hay quá trình hoạtđộng
Tất cả các linh kiện cần thiết cho việc thiết kế mạch đều được lập trình sẵntrong bộ PLC như : sensor, công tắc, nút nhấn, tế bào quang điện, và tất cả các cơcấu chấp hành như cuộn dây, đèn tín hiệu, bộ định thì, role trung gian,… đều đượcnối vào PLC
Nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ ta chỉcần thay đổi chương trình bên trong bộ PLC Điều này rất tiện ích cho các kỹ sưthiết kế
c Những ưu điểm kỹ thuật của bộ điều khiển PLC
Lập trình phứctạp và tốn thời
Lập trình vàlắp đặt đơn
Trang 20lắp đặt gian giảnKhả năng điều
vi rất cao giúp cho việc điều khiển được dễ dàng
d Phạm vi ứng dụng của PLC
Dùng để điều khiển Robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn giacông của máy CNC, hay điều khiển Robot đưa vật liệu thiết bị vào băng tải, thựchiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn…
Ngoài ra, PLC có thể ứng dụng để giám sát các quá trình trong các nhà máy
mạ, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, dây chuyền kiểm tra sản phẩm… bằngcác sensor, công tắc hành trình
e Cấu trúc phần cứng PLC họ FX của Mitsubishi
Trang 21Hình 3.3: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
Đơn vị xử lý trung tâm.
Là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ chương trình Nhập dữ liệu ởngõ vào, xử lý chương trình, nhớ chương trình, xử lý các kết quả trung gian và cáckết quả này được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện chương trìnhxuất dữ liệu ra các ngõ ra
Bộ nhớ
Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau.Đây là nơi lưu gữi trạng thái hoạt động của
hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng Để đảm bảo cho PLC hoạt động, phải cần
có bộ nhớ để lưu giữ chương trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện cácchức năng khác như:
• Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập đượcgọi là Ram xuất nhập
• Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong: Timer,Counter, Relay
Trang 22Bộ nhớ gồm có những loại sau:
+ Bộ nhớ chỉ đọc (Rom: Read Only Memory): Rom không phải là bộ nhớ
khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần Do đó không thích hợp cho việc điềukhiển "mềm "của PLC Rom ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác
+Bộ nhớ ghi đọc (Ram: Random Access Memory): Ram là một bộ nhớ
thường được dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình của người sử dụng Dữ liệutrong Ram sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất Tuy nhiên vấn đề này được giảiquyết bằng cách gắn thêm vào Ram nguồn điện dự phòng Ngày nay, trong kỹthuật phát triển PLC, người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng kháthấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các Ram này khi mất nguồn Pin dựphòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắnvới hệ thống, pin sẽ được sạp khi cấp nguồn cho PLC
+Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được (EPROM: Eresable
Programmable Read Only Memory): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như ROM,
tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, người viếtphải viết lại chương trình trong bộ nhớ
+Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được bằng điện (EEPROM : Electric
Erasable Programmable Read Only Memory): EEPROM kết hợp khả năng truy
linh động của Ram và tính khả biến của EEPROM, nội dung trên EEPROM có thể
bị xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định
Các module xuất/nhập
Khối xuất nhập đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trongPLC với mạch ngoài Module nhập nhận tín hiệu từ sensor và đưa vào CPU,module xuất đưa tín hiệu điều khiển của CPU ra cơ cấu chấp hành.Mọi hoạt động
xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 đến 15VDC, trong khi tín hiệubên ngoài có thể lớn hơn Ta có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng rơ le, ngõ radùng transistor, triac
Trang 23Đọc trạng thái của tất cả đầu vào: PLC thực hiện lưu các trạng thái vật lý
của ngõ vào Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và đượcgọi là hệ thống điều hành
Thực hiện chương trình: bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong
chương trình, Trong nghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầuvào, thực hiện phép toán logic và kết quả sau đó sẽ các định trạng thái của các đầura
Xử lý những yêu cầu truyền thông: suốt thời gian CPU xử lý thông tin trong
chu trình quét, PLC xử lý tất cả thông tin nhận được từ cổng truyền thông hay cácmodule mở rộng
Thực hiện tự kiểm tra: trong 1 chu kỳ quét, PLC kiểm tra hoạt động của
CPU và trạng thái của module mở rộng
Xuất tín hiệu ngõ ra: bộ vi xử lý sẽ gán trạng thái mới cho các đầu ra tại các
module đầu ra
Trang 24 Xử lý xuất nhập
Gồm 2 phương pháp khác nhau dung cho việc xử lý I/O trong PLC:
Cập nhật liên tục:
Trong phương pháp này, CPU phải mất một khoảng thời gian để đọc trạng
tháy của các ngõ và sẽ được xử lý Khoảng thời gian trên, thường là 3ms, nhắmtránh tác động xung nhiều gay bởi contact ngõ vào Các ngõ ra được kích trực tiếp(nếu có) thêm sau tác vụ kiểm tra logic Trạng thái các ngõ ra được chốt trong khỗingõ ra nên trạng thái của chúng được duy trì cho đến lần cập nhật kế tiếp
Lưu ảnh quá trình xuất nhập:
Trang 25Hầu hết các PLC loại lớn có thể có vài trong I/O, vì thế CPU chỉ có thể xử lýmột lệnh ở một thời điểm Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhậpphải được xét riêng lẻ nhằm dò tìn các tác đọng của nó trong chương trình Dochúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấymẫu liên tục, gọi là chu kỳ quét hat thời gian quét, trở nên rất dài và tang theo sốngõ vào.
Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I/O được cập nhật tới mộtvùng đặc biệt trong chương trình Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được dung nhưmột bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I/O Từng ngõ vào vàngõ ra được cấp phát một ô nhớ trong vùng RAM này Trong khi lưu trạng thái cácngõ vào/ ra vào Ram, CPU quét khối ngõ vào và lưu trạng thái chúng vào RAM.Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chương trình
Khi chương trình được thực hiện, trạng thái của các ngõ vào đã lưu trongRAM được đọc ra Các tác vụ được thực hiện theo các trạng thái trên và kết quảtrạng thái của các ngõ ra được lưu vào RAM ngõ ra Sau đó vào cuối chu kỳ quétquá trình cập nhật trạng thái vào/ra chuyển tất cả tín hiện ngõ ra từ RAM vào khốingõ ra tương, ứng kích các ngõ ra trên khối vào ra Khối ngõ ra được chốt nênchúng vẫn duy trì trạng thái cho đến khi chúng được cập nhật ở chu kỳ quét kếtiếp
Tác vụ cập nhật trạng thái vào/ra trên được tự động thực hiện bởi CPU bằngmột đoạn chương trình con được lập trình sẵn bởi nhà sản xuất Như vậy, chươngtrình con sẽ được thực hiện tự động vào cuối chu kỳ quét hiện hành và đầu chu kỳ
kế tiếp Do đó, trạng thái của các ngõ vào/ra được cập nhật
Lưu ý rằng, do chương trình con cập nhật trạng thái được thực hiện tại mộtthời điểm xác định của chu kỳ quét, trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra khôngthay đổi trong chu kỳ quét hiện hành Nếu một ngõ vào có trạng thái thay đổi sau
sự thực thi chương trình con hệ thống, trạng thái đó sẽ không được nhận biết chođến quá trình cập nhật kế tiếp xảy ra
Trang 26Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được sửdụng, thường là vài ms Thời gian thực thi chương trình (chu kỳ quét) phụ thuộcvào độ lớn chương trình điều khiển Thời gian thi hành một lean cơ bản (mộtbước) là 0,08 us đến 0,1 us tùy toại PLC, nên chương trình có độ lớn lK bước(1000 bước) có chu kỳ quét là 0,8 ms đến l ms Tuy nhiên, chương trình điều khiểnthường ít hơi 1000 bước, khoảng 500 bước trở lại.
Ngôn ngữ lập trình LADDER
Còn gọi ngôn ngữ bậc thang là một kiểu ngôn ngữ lập trình đồ họa Lập trình
theo LD gần giống như khi các kĩ sư điện thiết kế và đi dây các bảng mạch điệnđiều khiển logic: Rơ le, công tắc tơ, khởi động từ…
Ví dụ: Chương trình được viết dưới dạng LD:
Danh sách các thiết bị
Trang 27Số relay ngõ vào và relay ngõ ra ở hệ bát phân được án cho mỗi khối chính
theo dạng “X000 đến X007, X010 tới X017 , Y9000 tới Y007, Y010 tớiY017 ”Số relay ngõ vào (X) và relay ngõ ra (Y) trong khối mở rộng cũng là cácliên tiếp trong hệ bát phân tương ứng với thứ tự kết nối vào khối chính
Sử dụng bộ lọc số cho bộ lọc ngõ vào của các relay ngõ vào và giá trị bộ lọc
có thể dược thây đổi bằng chương trình Tương ứng, gán số relay ngõ vào cho mụcđích nhận tốc độ cao (Tham khảo giải thích diều chỉnh bộ lọc,ngắt ngõ vào, bộđếm tốc độ cao, nhiều lệnh ứng dụng khác)
Relay phụ trợ (M)
Các relay xây dựng trong PLC là các relay phụ trợ, và chúng được sử dụng
trong chương trình Khác với các I/O relay, relay phụ trợ không thể nhận các ngõvào bên ngoài hoặc điều khiển trực tiếp các tải bên ngoài
Có các loại relay được chốt (có nguồn pin nuôi), trạng thái On/Off của nóđược lưu lại ngay cả khi PLC bật về OFF
Các relay trạng thái có thể được sử dụng như các bộ cảnh báo cho chẩn đoánlỗi bên ngoài
Timer (T)
Timer cộng và đếm số xung clock 1, 10 hay 100ms và tiếp điểm ngõ ra của
nó sẽ bật ON hoặc OFF khi kết quả đếm được đạt đến một giá trị cài đặt trước.Timer có thể đếm từ 0.001s đến 3276.6s phụ thuộc vào xung clock
Timer T192 tới T199 được dùng cho chương trình con và chương trình ngắt
Trang 28Timer T250 tới T255 là dạng timer có nhớ cho các xung 100ms Nghĩa là giátrị hiện hành vẫn được giữ khi cuộn dây timer thì bật về OFF Và khi ngõ vào diềukhiển bật ON trở lại thì timer có nhớ lại đếm tiếp từ giá trị bị ngắt.
Counter (C)
Bộ đếm có nhớ: Bộ đếm được cung cấp cho tín hiệu bên trong PLC, tốc độđáp ứng thường nhỏ cỡ vài chục Hz
Bộ đếm tốc độ cao có nhớ: Bộ đếm tốc độ cao có thể đếm với tần số vài kHz
mà không cần quan tâm đến hoạt động trong PLC
Thanh ghi dữ liệu
Thanh ghi dữ liệu lưu giá trị dữ liệu số
Tất cả thanh ghi dữ kiệu trong PLC FX là dạng 16 bit (bit có trọng số caonhất của nó là dương hoặc âm) Khi kết hợp 2 thanh ghi lại, chúng có thể thực hiệngiá trị số 32 bit (bit có trọng số cao nhất của nó là dương hoặc âm)
Thanh ghi mở rộng và thanh ghi dữ liệu mở rộng (ER)
Thanh ghi mở rộng (R) được mở tộng từ dạng của thanh ghi dữ liệu (D).Chúng được bảo vệ bằng nguồn pin chống lại sự cố mất điện
i Bộ điều khiển trung tâm
Thiết bị điều khiển lập trình (PLC - Programable logic controler) là thiết
bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được đểlưu giữ các lệnh, thực hiện các chức năng và thuật toán để điều khiển các quátrình có thể mô tả thiết bị như sau:
Trang 29240VAC, 24VDC
240VAC, 24VDC
100-24 VDC
(w/CC-link)
256 link)
384 link)
384 link)
(w/CC-Relay/Transi
stor
Relay/Transistor
Relay/Transistor
Relay/Transistor
Relay/Transistor
4k steps 32k steps 32k steps 64k steps 64k steps
3.1.2 Chọn PLC, các loại cảm bến, module analog, thiết bị ngoại vi và các cơ cấu chấp hành.
a Lựa chọn PLC:
Mỗi dòng PLC phù hợp với các ứng dụng khác nhau:
FX1N PLC thích hợp cho các ứng dụng dùng trong công nghiệp chế biến gỗ, trong các hệ thống điều khiển cửa, hệ thống máy nâng, thang máy, sản xuất xe hơi,
hệ thống điều hòa không khí trong các nhà kính, hệ thống xử lý nước thải, hệ thống điều khiển máy dệt,…
Trang 30FX2N PLC thích hợp các ứng dụng điều khiển dây chuyền sản xuất, xử lý nước thái, các ứng dụng hệ thống xử lý môi trường, điều khiển các máy dệt và trong các ứng dụng dây chuyền đóng lắp ráp tàu biển….
FX3U PLC được ứng dụng trong các ngành công nghiệp: hệ thống vận chuyểnnâng hạ, dây chuyền đóng gói, các robot lắp ráp sản phẩm, dây chuyền sản suất thủy tinh, xi măng
Đề tài “Thiết kế hệ thống máy bán café tự động sử dụng PLC FX của
Mitsubishi” yêu cầu sử dụng số lượng đầu vào ra khoảng 48, thời gian thực hiện không giới hạn, vì vậy có thể sử dụng PLC FX1N cho đề tài Tuy nhiên, hiện nay chương trình học cũng đang nghiên cứu và sử dụng dòng PLC FX3U của hãng Mitsubishi, nên nhóm sẽ chọn PLC FX3U của Mitsubishi để làm trung tâm xử lý chính cho hệ thống máy bán café tự động
Hình 3.4: Hình ảnh PLC FX3U thực tế.
Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường PLC FC3U cũng có nhiều loại khác
nhau.Mỗi loại đều có các thông số I/O, nguồn, công suất khác nhau
Dựa vào cấu tạo số lượng I/O của máy bán café tự động với các đầu vào ra của máy, em chọn PLC FX3U 48 MR/ESA với 48 cổng I/O và relay tiếp điểm Output