Mô hình bãi đỗ xe thông minh điều khiển bằng PLC

DẪN NHẬP 1.1 Lý do chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp hiện nay, quá trình tự động hóa đang ngày một hoàn thiện, giúp con người điểu khiển máy móc một cách dễ dàng, không cần tốn n

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH

ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

GVHD: Th.S TRẦN VĂN SỸ SVTH: TRẦN VĂN RIN MSSV: 10901062

S K L 0 0 4 1 6 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP

MSSV : 10901062

PHẦN A GIỚI THIỆU

ii

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên: Trần Văn Rin MSSV: 10901062

Tel: 0971924092 Email: 10901062@student.hcmute.edu.vn

Họ và tên: Phạm Văn Thuận MSSV: 09201049

Tel: 01686805128 Email: 09201049@student.hcmute.edu.vn

2 Thông tin đề tài

Tên của đề tài:

MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

Mục đích của đề tài: Thực hiện và hoàn hiện mô hình bãi đỗ xe thông minh điều khiển bằng PLC

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện

Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ ngày 01/10/2015 đến 15 /01 /2016

3 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

- Nhiệm vụ 1: Khảo sát bãi đỗ xe trên thực tế qua internet và truyền hình

- Nhiệm vụ 2: Triển khai thi công mô hình bãi đỗ xe thông minh

- Nhiệm vụ 3: Lập trình cho PLC S7 – 1200 để điều khiển mô hình hoạt động theo yêu cầu

- Nhiệm vụ 4: Thiết kế giao diện điều khiển trên win cc

- Nhiệm vụ 5: Kết nối với máy tính để điều khiển điều khiển toàn bộ hệ thống

- Nhiệm vụ 6: Thiết kế và thi công phần hệ thống cảnh báo cháy nổ theo hướng mô hình

- Nhiệm vụ 7: Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật bằng vân tay cho phù hợp

- Nhiệm vụ 8: Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình

- Nhiệm vụ 9: Điều khiển thử nghiệm các thiết bị của bãi giữ xe

- Nhiệm vụ 10: Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị

- Nhiệm vụ 11:Viết báo cáo luận văn

- Nhiệm vụ 12: Báo cáo đề tài tốt nghiệp

Chúng tôi – Trần Văn Rin và Phạm Văn Thuận cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Trần Văn Sỹ

Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công

trình nào khác

Tp.HCM, ngày tháng năm 2016

SV thực hiện đồ án

Trần Văn Rin Phạm Văn Thuận

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

iv

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Tên đề tài: MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

10 /2015 đến

05/11/ 2015

Tìm hiểu lý thuyết : Tìm hiểu về PLC S7 1200

Tìm hiểu về biến tần

Tìm hiểu về động cơ servo

Tìm hiểu về cảm biến báo khói

Tìm hiểu về load cell

Thi công phần cứng kết nối toàn mạch

Viết chương trình điều khiển

Viết báo cáo 05/01/2016

đến

15/01/2016

Khắc phục và chỉnh sửa mô hình

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm tạ thầy Trần Văn Sỹ đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo, kinh nghiệm quý báu cũng như hỗ trợ phương tiện thí nghiệm trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài

Đồng thời cũng chúng em xin cảm tạ các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử

đã tạo điều kiện, cung cấp cho nhóm những kiến thức cơ bản, cần thiết để chúng em có điều kiện và đủ kiến thức để thực hiện quá trình nghiên cứu

Đồng thời, nhóm cũng xin cảm tạ các thành viên trong lớp 092010 và lớp

109010 đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài

Ngoài ra, nhóm cũng đã nhận được sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trước.Các anh (chị) cũng đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêm trong việc thực hiện nghiên cứu

Cuối cùng nhóm thực hiện cũng gửi lời cảm tạ đến gia đình và những bạn bè khác đã luôn khích lệ tinh thần tạo động lực mạnh mẽ để dành thời gian nghiên cứu và làm việc tích cực hoàn thành những nội dung khoa học trong luận văn

vi

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như đời sống xã hội

Trước đây, để đóng mở các thiết bị điện, dây chuyền sản xuất hầu hết đều phải

sử dụng bằng tay Trong những năm gần đây, công nghệ ngày càng phát triển, việc thực hiện các thao tác đóng mở thiết bị bằng tay dần được thay thế bằng các nút nhấn qua màn hình máy tính Ngoài ra nó cũng có tính ổn định cao hơn, hạn chế được những tai nạn lao đông, có thể giám sát từ xa thông qua internet Vì những lý do này

mà thiết bị như PLC… ngày càng phát triển

Quyển đồ án này giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về PLC S7-1200 và công nghê mạng internet ADSL Và tính bảo mật cao của cảm biến vân tay, có nhiều

ưu điểm hơn so với nhiều phương án bảo mật khác Bên cạnh đó nhóm thực hiện đề tài còn hướng dẫn giúp người đọc có thể thực hành hệ thống điều khiển thiết bị điện thông qua Web server của PLC S7-1200 Quyển đồ án này bao gồm 3 phần:

 Phần A: Giới thiệu

 Phần B: Nội dung (Gồm 5 Chương)

 Chương I: Dẫn nhập

 Chương II: Cở sở lý luận

 Chương III: Thiết kế và thi công

 Chương IV: Điều khiển và giám sát

 Chương V: Kết quả

 Phần C: Kết luận và hướng phát triển

Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thiện được quyển đồ án, nhưng do còn hạn chế về kiến thức nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót Nhóm thực hiện đề tài mong nhận nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên

PHẦN A: GIỚI THIỆU i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CẢM TẠ v

TÓM TẮT vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xii

PHẦN B: NỘI DUNG 1

Chương 1 DẪN NHẬP 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 4

1.6 Tình hình nghiên cứu: 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Phương án nhóm thực hiện 5

2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 5

2.2.1 Vài nét về lịch sử của PLC 5

2.2.2 Đặc điểm của PLC 6

2.2.3Một vài ưu điểm của PLC trong tự động 9

2.2.4 Cấu trúc của một PLC : 9

2.2.5 Ngõ vào và ngõ ra của PLC 10

2.2.6 Chế độ làm việc 11

2.2.7 Cổng truyền thông 11

2.2.8 Phương pháp lập trình 12

2.3 Tập lệnh S7-1200 13

2.4 Hệ thống khí nén 14

2.4.1 Khả năng ứng dụng của khí nén 15

viii

2.4.3 Cơ cấu chấp hành 17

2.4.4 Xilanh quay 18

2.5 Giới Thiệu Encorder 18

2.6 Biến Tần 20

2.6.1 Biến tần là gì? 20

2.6.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần 21

2.7 Động Cơ Servo 22

2.7.1 Sơ Đồ Khối 22

2.7.2 Sơ Đồ Nguyên Lý 23

2.8 Cảm biến nhận dạng vân tay 23

2.8.1 Giới thiệu cảm biến vân tay và các thông số chính 23

2.8.2 Nguyên tắc hoạt động 24

2.8.3 Thông tin về sản phẩm 25

2.8.4 Giao diện phần cứng : 25

2.8.5 Các Tham số chính : 26

2.9 Cảm biến Khói MQ135 27

2.9.1 Giới thiệu 27

2.9.2 Các thông số chính 28

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 29

3.1 Yêu cầu của mô hình 29

3.2 Thiết kế mô hình 29

3.3 Lựa chọn Thiết Bị Sử Dụng Trong Mô Hình 33

3.3.1 PLC S7-1200 33

3.3.2 Động cơ servo 34

3.3.2.1 Sơ đồ cấu trúc đô ̣ng cơ AC Servo (SGM-*****) 34

3.3.2.2 Thông số đô ̣ng cơ 35

3.3.2.3 Bô ̣ điều khiển drive của đô ̣ng cơ SERVOPACK (SGD-*****) 36

3.3.2.4 Sơ đồ chân của driver SERVOPACK (SGD-02AS) 36

3.3.3 Thiết bi ̣ khí nén 37

3.3.4 Các đặt điểm của xy lanh quay được sử dụng trong mô hình: 38

3.3.5 Động cơ 3 pha, inverter và encoder 38

3.4 Sơ đồ đấu dây PLC 43

3.5 Kết quả mô hình 45

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔ HÌNH 47

4.1 Điều Khiển Mô Hình 47

4.2 Điều Khiển Và Giám Sát Hê ̣ Thống Trên SCADA 47

4.2.1 Tồng quan về SCADA 47

4.2.2 Hệ thống SCADA hiện đại 49

4.2.3 Hệ thống SCADA giao tiếp PLC S7-1200 với máy tính 49

4.3 Giao diện điều khiển cho hệ thống 51

4.3.1 Giao diện giới thiệu giao tiếp SCADA 52

4.3.2 Giao diện điều khiển 52

Chương 5: KẾT QUẢ 54

5.1 Mô Hình thực tế : 54

PHẦN C: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55

1 Kết luận: 56

2 Hướng phát triển: 56

PHỤ LỤC 57

x

Hình 2.1 PLC S7-1200 7

Hình 2.2.a Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 9

Hình 2.3 Máy nén khí kiểu piston 16

Hình 2.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt 17

Hình 2.5 Máy nén khí kiểu trục vít 17

Hình 2.6 Xy lanh quay 18

Hình 2.7 Giới thiệu encoder 19

Hình 2.8 Nguyên Lý hoạt dộng encoder 20

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bên trong của một biến tần: 20

Hình 2.10 Sơ đồ chi tiết mạch điện của biến tần: 21

Hình 2.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần: 21

Hình 2.12 Sơ đồ khối 22

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của Servo 23

Hình 2.14 Cảm biến khói ( khí ga ) 27

Hình 3.1 Bãi giữ xe theo kiểu hình trụ 29

Hình 3.2 Kiểu giữ xe giống nhà nhiều tầng 30

Hình 3.3 Bãi giữ xe có hai kệ đặt song song 30

Hình 3.4 Sơ đồ khối của mô hình 31

Hình 3.5 Bộ nguồn 24VDC 32

Hình 3.6 PLC S7-1200 33

Hình 3.7 Động cơ servo 34

Hình 3.8 Cấu trúc đô ̣ng cơ AC-Servo 35

Hình 3.9 Thông số của đô ̣ng cơ Servo 35

Hình 3.10 Bô ̣ điềukhiểncủaServoPack 36

Hình 3.11Xy lanh đẩy 37

Hình 3.12Xy lanh quay 38

Hình 3.13 Động cơ 3 pha đặt trên 39

Hình 3.14 Encoder 39

Hình 3.15Sơ đồ Inverter 40

Hình 3.17 Trụcvitme 41

Hình 3.18 Thông số của trục vitme 42

Hình 3.19 Sơ đồ đấu dây PLC 43

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối ngõ ra PLC và xy lanh 43

Hình 3.21 Sơ đồ kết nối ngõ ra PLC với SERVO 44

Hình 3.22 Sơ đồ kết nối ngõ ra PLC với biến tần 44

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuâ ̣t PLC S7 200 47

Hình 4.2 Sơ đồ giao tiếp của một hệ thống SCADA căn bản 50

Hình 4.3 Giao diện giới thiệu 52

Hình 4.4 Giao diện điều khiển 52

Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh bãi giữ xe tự đô ̣ng 54

xii

Bảng 2.1 So sánh PLC với hệ thống khác 8

Bảng 2.2 Sơ đồ chân cổng truyền thông 12

Bảng 3.1: Địa chỉ ngõ vào 45

Bảng 3.2 Địa chỉ ngõ ra 45

PHẦN B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 2

Chương 1 DẪN NHẬP

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại công nghiệp hiện nay, quá trình tự động hóa đang ngày một hoàn thiện, giúp con người điểu khiển máy móc một cách dễ dàng, không cần tốn nhiều công sức và PLC là một thiết bị đang được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho việc điều khiển tự động này Gần đây, bên cạnh những PCL đã và đang được ưa chuộng như PLC S7-200, S7-300, S7-400, hãng SIEMEN đã cho ra mắt PLC S7-

1200, được phát triển lên từ PLC S7-200 Thiết bị này có nhiều ưu điểm vượt trội so với những dòng PLC trước đó Nhận thấy thiết bị này sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại, nhóm chúng em sau khi tham khảo ý kiến và được sự cho phép của giảng viên hướng dẫn, đã quyết định tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7-1200 để làm đồ án tốt nghiệp của nhóm

Vì PLC S7-1200 chỉ mới ra đời trong những năm gần đây với những ứng dụng

vô cùng phong phú nên tài liệu tham khảo tiếng Việt còn hạn chế, do đó nhóm chúng em chỉ chọn ứng dụng Web server của PLC S7-1200 để nghiên cứu thực hiện

đề tài này Đây là một ứng dụng rất hay của PLC S7-1200, giúp điều khiển các thiết

bị qua mạng LAN và Internet một cách dễ dàng Bên cạnh việc sử dụng PLC

S7-1200 để điều khiển các thiết bị điện, việc giám sát quá trình thực hiện công việc của thiết bị cũng rất quan trọng, giúp người sử dụng biết được các thiết bị thực thi có đúng các lệnh đã được đưa ra hay không và những lỗi xảy ra trong quá trình các thiết bị hoạt động Vì vậy, nhóm chúng em đã thực hiện phần giám sát và điều khiển các thiết bị thông qua phần mền win CC trong hệ thống SCADA, kết nối phần cứng các thiết bị liên quan đến đề tài để thực hiện mô hình đặt ra theo yêu cầu Để bắt

kịp xu hướng phát triển của xã hội, nhóm đã chọn đề tài “MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE

THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC.”

Đề tài này bám sát với nhu cầu thực tế của xã hội, khi mà nghành tự động hóa càng phát triển

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với mục đích sau:

 Lập trình cho Aduino kết nối với cảm biến vân tay xuất tín hiệu ra để giao tiếp với PLC

 Ngày nay thì ngành công nghệ tự động hóa đang phát triển mạnh ở hầu hết các quốc gia trên thế giới nên việc điều khiển và giám sát hoạt động qua giao tiếp SCADA và giám sát chiếc xe bằng công nghệ nhận dạng riêng vân tay của từng cá nhân đã trở nên hiện thực hơn, tiện lợi hơn vào đời sống thực tiễn của con người

 Xử lý và đọc tín hiệu từ loadcell

 Lập trình trên S7-1200 để xử lý các yêu cầu đặt ra

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu :

 PLC S7-1200

 Phần mền lập trình TIA Portal V13

 Cảm biến

 Aduino kết nối với cảm biến vân tay

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Thiết kế ở dạng mô hình nên muốn ứng dụng vào thực tế thì phải sử dụng các loại động cơ có công sức lớn hơn ở dây chuyền thực tế hơn

- Sử dụng một cảm biến báo cháy để giám sát nên chỉ giám sát được một

vị trí cụ thể trong bãi giữ xe

- Và những yêu cầu khác liên quan đến đề tài nằm ngoài phạm vi thì nhóm chưa tìm hiểu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 4

 Phương pháp tham khảo tài liệu:

Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh do hãng SIEMEN cung cấp đi kèm với PLC S7-1200

Tham khảo tài liệu nghiên cứu từ các diễn đàn về PLC

 Phương pháp thực hành: Song song với việc đọc tài liệu nhóm thực hiện đề tài đã thực hành trên PLC S7-1200 để dễ dàng nắm bắt được lý thuyết

 Thực nghiệm trên mô hình

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Quyển đồ án này nghiên cứu lý thuyết và thực hành dự trên cơ sở lý thuyết là tài liệu hướng dẫn của hãng SIEMEN, từ đó thiết kế 1 hệ thống các thiết bị điện được điều khiển giám sát qua SCADA sử dụng PLC S7-1200 Vì vậy nhóm thực hiện đề tài hy vọng quyển đồ án này sẽ tiếp tục là nguồn tài liệu tham khảo lý thuyết và thực hành trên PLC S7-1200 dùng cho các bạn sinh viên khóa sau cũng như những người yêu thích PLC

 Với những tình hình nêu trên thì nhóm dựa vào tình hình thực tế để thực hiện

đề tài đáp ứng được yêu cầu đã đề ra

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phương án nhóm thực hiện

Nhóm thực hiện đề tài sử dụng hai phương án chủ yếu:

 Phương án tham khảo tài liệu:

 Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh được tìm kiếm trên mạng internet

 Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các thành viên trên diễn đàn và một số tài liệu do các anh chị năm trước làm đồ án để lại

 Phương án thực hành: Song song với việc đọc tài liệu nhóm thực hiện đề tài đã thực hành trên trực tiếp trên CPU 1212C của hãng SIEMENS để dễ dàng nắm bắt được lý thuyết

2.2 Giới thiệu PLC S7-1200

PLC (Programmable Logic Control): thiết bị điều khiển logic khả trình là loại thiết

bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn

ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch logic

2.2.1 Vài nét về lịch sử của PLC

PLC bắt đầu phát triển từ năm 1968 để đáp ứng một yêu cầu của hãng Hydraumatic Division of General Motors (GM) Thời gian này, GM thường mất nhiều thời gian để thay thế hệ thống điều khiển dựa trên relay mỗi khi cần hiệu chỉnh hay thay đổi mẫu mã của xe hơi Để giảm chi phí cao về việc nối lại dây, kỹ thuật điều khiển của GM gọi hệ thống điện tử có sự linh động của máy tính, có thể lập trình và bảo dưỡng bởi các kỹ sư và các chuyên gia trong xí nghiệp Nó cũng có thể chịu đựng được bụi bẩn của không khí, sự rung, nhiễu điện, độ ẩm và nhiệt độ cao trong các môi trường công nghiệp

PLC đầu tiên được lắp đặt vào năm 1969 và thành công nhanh chóng Những chức năng giống như relay được thay thế, thậm chí những PLC đầu tiên cũng có độ tin cậy hơn hệ thống relay, lý do là thành phần điện tử của nó đơn giản so với các phần chuyển động của các relay điện cơ Nó chiếm ít không gian hơn các counters, timers và các thành phần điều khiển khác mà nó thay thế Khả năng lập trình lại của

nó rất lớn khi có sự thay đổi về kế hoạch điều khiển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

Có lẽ chìa khóa lớn nhất để PLC có thể chấp nhận được trong công nghiệp là ngôn ngữ lập trình đầu tiên dựa trên giản đồ hình thang (ladder diagram) và các ký hiệu thường dùng của thợ điện

Hầu hết các nhân viên trong xí nghiệp được huấn luyện theo mức logic hình thang nên họ dễ dàng chấp nhận nó trong PLC Thực ra mức logic hình thang có vai trò chung trong việc lập trình và sửa chữa, cho dù ngôn ngữ lập trình tân tiến hơn đã được phát triển

dể dàng, cải tiến để phù hợp với hoạt động mới Chương trình điều khiển có thể dể dàng nạp vào nhiều PLC, dể dàng trao đổi chương trình Thời gian đáp ứng nhanh trở thành một tiêu chuẩn đối với PLC.Điều này là cần thiết bởi vì trong điều khiển công nghiệp, các tín hiệu từ các cảm biến thay đổi rất nhanh Trong PLC có sẳn các

bộ đếm, bộ định thì có thể sử dụng với nhiều độ chính xác khác nhau, khi trong quá trình điều khiển có cần thêm Có thể chấp nhận được về tính kinh tế khi PLC được

sử dụng trong các hệ thống điều khiển có 4 relay hay nhiều hơn Khi dùng PLC có thể giao tiếp với các thiết bị như đèn LED 7 đoạn, bộ chọn nhấn ( thumbwheels), các chức năng về xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu tần số cao Cho phép có thể hiển thị đồ hoạ trên một hệ thống.Truyền thông: Những hoạt động giao tiếp với những PLC khác hay mạng máy tính giúp cho việc thu thập dữ liệu và trao đổi thông tin được dể dàng

Hình 2.1 PLC S7-1200

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình.Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp mang tính vật lý nào so với các bộ điều khiển dùng dây nối và relay

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

Lắp đặt Mất thời gian thiết

kế và lắp đặt

Mất thời gian thiết kế

Mất nhiều thời gian lập trình

Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều

khiển tác vụ phức

tạp

Dễ thay đổi điều

Công tác bảo trì Kém-có rất nhiều

công tác

Kém- nếu IC được hàn

Kém- có rất nhiều mạch điện từ chuyêndùng

Tốt- các module được tiêu chuẩn hóa

Bảng 2.1 So sánh PLC với hệ thống khác

2.2.3Một vài ưu điểm của PLC trong tự động

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn gọn

- Dễ dàng thay đổi mà không tổn thất tài chính

- Có thể tính toán được chính xác giá thành

- Cần ít thời gian huấn luyện

- Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm

- Ứng dụng trong phạm vi rộng

- Dễ bảo trì, các chỉ thị ra vào giúp xử lý sự cố dễ hơn và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao

- Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển

- Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động,

tiếng ồn

2.2.4 Cấu trúc của một PLC :

- Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)

Hình 2.2.a Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và

hệ thống nguồn cung cấp

Đơn vị xử lý trung tâm:

Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài

IN PUT

OUT PUT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

năng khác như: Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/nhập được gọi là RAM xuất/ nhập Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong: Timer, Counter, Relay Bộ nhớ gồm có những loại sau:

Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: read only memory): ROM không phải là một bộ nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần Do đó không thích hợp cho việc điều khiển

“mềm” của PLC ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác

Bộ nhớ ghi đọc (RAM ): RAM là một bộ nhớ thường được dùng để lưu trữ

dữ liệu và chương trình của người sử dụng Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất, tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng Ngày nay trong kỹ thuật phát triển PLC người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng khá thấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các RAM này khi mất nguồn Pin dự phòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ được sạc khi cấp nguồn cho PLC

Bộ nhớ chỉ đọc chương trình và xóa : ( EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM kết hợp khả năng truy linh động của RAM và tính khả biến của EPROM, nội dung trên EPROM có thể bị xoá và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định

2.2.5 Ngõ vào và ngõ ra của PLC

PLC nhận các ngõ vào và tác động đến ngõ ra để giám sát và điều khiển các quá trình Các ngõ vào và ngõ ra có thể phân chia thành 2 loại tiêu biểu: logic và liên tục Các giá trị liên tục phụ thuộc nhiều vào trực giác, nên điều khiển logic vẫn được sử dụng nhiều hơn do nó cho kết quả xác định và dễ điều khiển hơn Dĩ nhiên chọn loại nào còn phụ thuộc vào yêu cầu điều khiển

Ngõ ra của PLC được kết nối với các thiết bị chấp hành để điều khiển hệ thống, các thiết bị này bao gồm: solenoid valve, light, motor starter…Ngõ ra PLC thường sử dụng relay hoặc các transistor cho tải DC và Triac cho tải AC.Ngõ vào PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến.Cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện Các loại cảm biến khác nhau bao gồm: công tắc tiếp xúc, công tắc, chiết áp…

Ngõ vào: các loại PLC nhỏ, ngõ vào thường được tích hợp bên trong và được xác định khi mua PLC Các PLC lớn hơn,các ngõ vào được gắn ở dạng module hoặc card mở rộng Điện áp ngõ vào PLC gổm nhiều dãi khác nhau tuỳ loại PLC:

12-24 VDC 24VDC

100-120VAC 48VDC

12-24VAC/DC 200-240VAC

Ngõ ra: tương tự như ngõ vào ,ngõ ra PLC không dung để cung cấp nguồn

mà nó hoạt động như 1 công tắc.Nguồn bên ngoài sẽ cấp cho card ngõ ra và nó sẽ đóng ngắt cho từng ngõ ra.Điện áp tiêu biểu cho ngõ ra có nhiều giá trị khác nhau:

TERM: cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC ở chế độ RUN hoặc STOP

2.2.7 Cổng truyền thông

S7 1200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với đầu nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình theo kiểu PPI(point to point interface) là 9600 bauds Tốc

độ truyền của PLC theo kiểu tự do là 300÷ 38.400 bauds

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

Bảng 2.2 Sơ đồ chân cổng truyền thông

2.2.8 Phương pháp lập trình

S7-200 biểu diễn chương trình dưới dạng một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh và khối chương trình theo thứ tự quy định Các lệnh và khối này sẽ lần lượt được quét trong chương trình từ đầu đến cuối trong một vòng quét PLC sẽ làm việc ngay tại vòng quét đầu tiên và từ đó thực hiện liên tục chu kỳ quét

Có ba phương pháp lập trình cơ bản:

- Lập trình hình thang (LAB - Ladder Logic)

- Phương pháp khối hàm (FBD - Funtion Block Diagram)

- Phương pháp liệt kê câu lệnh (STL - Statement List)

Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD hoặc FBD thì có thể chuyển sang dạng STL nhưng không phải mọi chương trình viết bằng STL đều có thể chuyển sang hai dạng kia

Tiếp điểm thường đóng Tiếp điểm thường mở Cuộn dây: mô tả cuộn dây relay Toán hạng sử dụng là bit

Hộp: Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau làm việc khi có tín hiệu đến kích Những hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các hàm tạo thời gian (Timer), hàm đếm (Counter) và các hàm toán học

Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh Thông thường các tín hiệu điện phải đi từ dây nóng qua thiết bị rồi đến dây trung hoà sau

đó về nguồn, tuy nhiên trong phần mềm lập trình chỉ thể hiện dây nóng và bên trái và các đường nối đến thiết bị từ đó

và bit thứ hai (S1) của ngăn xếp Giá trị logic mới đều có thể được gửi hoặc nối thêm vào ngăn xếp Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp thì ngăn xếp sẽ được kéo lên một bit

c/FBD

Là phương pháp lập trình khối hàm mô phỏng các lệnh và khối làm việc trong mạch số.Các phần tử cơ bản trong phương pháp này là các khối lệnh được liên kết với nhau

2.3 Tập lệnh S7-1200

Tập lệnh của S7-1200 chia làm ba nhóm:

-Các lệnh mà khi thực hiện thì làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị logic của ngăn xếp

-Các lệnh chỉ thực hiện khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1

- Các nhãn lệnh đánh dấu vị trí trong tập lệnh hay còn gọi là nhóm lệnh điều khiển chương trình

Cả ba phương pháp đều sử dụng ký hiệu I để chỉ các lệnh làm việc tức thời,

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

tức là giá trị được chỉ định trong lệnh vừa được chuyển vào thanh ghi ảo đồng thời được chuyển ngay đến tiếp điểm được chỉ dẫn ngay trong lệnh ngay khi được thực hiện chứ không phải chờ đến giai đoạn trao đổi với ngoại vi của vòng quét Điều đó khác với lệnh không tức thời là giá trị chỉ chuyển vào thanh ghi ảo khi thực hiện lệnh

Các nhóm lệnh được cho trong cây lệnh của S7-1200:

- Bit Logic: Tập lệnh làm việc với bit

- Clock: Tập lệnh làm việc với thời gian của hệ thống

- Communication: Tập lệnh truyền thông

- Compare: Tập lệnh so sánh

- Convert: Tập lệnh biến đổi

- Counter: Tập các bộ đếm

- Floating-Point Math: Tập lệnh toán học làm việc với số thực

- Integer Math: Tập lệnh toán học làm việc với số nguyên

- Interupt: Tập lệnh làm việc với chương trình ngắt

- Logical Operations: Tập lệnh các phép tính logic biến đổi

- Move: Tập lệnh di chuyển dữ liệu

- Programe Control: Tập lệnh điều khiển chương trình

- Shift/Rotate: Tập lệnh dịch/quay làm việc với thanh ghi

- String: Tập lệnh làm việc với chuỗi

- Table: Tập lệnh làm việc với bảng dữ liệu

- Timers: Tập các bộ định thời gian

- Call Subroutin: Tập lệnh gọi các chương trình con

2.4 Hệ thống khí nén

Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm; sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn; sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh…và nhiều nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy

Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp khí nén và điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kĩ thuật điều khiển trong tương lai

2.4.1 Khả năng ứng dụng của khí nén

Trong lĩnh vực điều khiển

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện

tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động; trong các thiết bị vận chuyển, và kiểm tra các thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì

và trong công nghiệp hóa chất

 Khô và không lẫn bụi bẩn

Các tiêu chuẩn này mới chỉ đáp ứng các yêu cầu chung và được dùng trong các công việc như làm sạch môi trường, sản phẩm, bơm hơi…

Để một hệ thống khí nén làm việc bền vững, liên tục và tin cậy, nguồn khí nén cần phải được tăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển, cơ cấu chấp hành…

a Máy nén khí

Việc lựa chọn máy nén khí dựa theo yêu cầu về áp suất làm việc của các cơ cấu chấp hành (Xy lanh, động cơ, giác hút…và được lựa chọn theo yêu cầu công nghệ) và các yêu cầu khác như kích thước, trọng lượng, mức độ gây tiếng ồn của máy nén khí

- Máy nén kiểu Piston

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

- Một cấp: áp suất xấp xỉ 600kPa= 6 bar

- Hai cấp: áp suất xấp xỉ 1500kPa= 15bar Có thể thiết kế đến 4 cấp, P=250bar

Lưu lượng xấp xỉ 10m3/giây Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích Piston đi xuống sẽ hút không khí vào qua van hút Đến hành trình piston đi lên, van hút bị đóng lại, van đẩy được mở để nén không khí vào bình tích áp Mỗi vòng quay

sẽ gồm một kỳ hút và một kỳ nén

Hình 2.3 Máy nén khí kiểu piston

Lưu lượng của máy nén khí tính cho một cấp được áp dụng theo công thức: Q= v.n = [m3 /vòng].[ vòng/phút] = [m3/phút] hay [m3/giây]

Trong đó, v: thể tích hành trình của buồng hút ( tính cho một chu trình hay một vòng

quay), n: số vòng quay mỗi phút

Để nâng cao hiệu suất nén, ở máy nén nhiều cấp, khí nén được làm mát trước khi vào cấp nén tiếp theo

 Máy nén kiểu cánh gạt

- Một cấp: áp suất xấp xỉ 400kPa= 4bar

- Hai cấp: áp suất xấp xỉ 800kPa = 8bar

Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích

Lưu lượng thể tích Qv tỷ lệ thuận với đường kính stator, số cánh và độ rộng cánh gạt, độ lệch tâm và tốc độ quay rotor

 Máy nén khí kiểu trục vít

- Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích

- Áp suất lớn, xấp xỉ 10bar

- Lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ quay, chiều dài trục vít

 Máy nén khí kiểu hướng trục

- Làm việc theo nguyên lý động năng Áp suất xấp xỉ 600kPa=6bar

- Lưu lượng cũng tỷ lệ với tốc độ quay, đường kính buồng hút, số cánh và diện tích cánh

 Máy nén khí kiểu ly tâm

- Làm việc theo nguyên lý động năng Áp suất khá lớn, xấp xỉ

1000kPa=10bar

- Lưu lượng tỷ lệ với tốc độ quay, số cánh và diện tích cánh

Hình 2.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt Hình 2.5 Máy nén khí kiểu trục

2.4.3 Cơ cấu chấp hành

Các cơ cấu chấp hành có chức năng biến đổi năng lượng được tích lũy trong

khí nén thành động năng, cung cấp các chuyển động:

 Chuyển động thẳng:

- Xilanh tác dụng đơn ( Single acting Cylinder)

- Xilanh tác dụng kép ( Double acting cylinders)

 Chuyển động quay:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

- Động cơ khí nén (Air Motors)

- Xilanh quay (Rotary Cylinders)

2.4.4 Xilanh quay

Điều khiển bằng van 4/2; 5/2 hay 5/3

Hình 2.6 Xi lanh quay

Hình 2.6 Xy lanh quay

Cần Piston có thanh răng truyền động tới bánh răng quay, góc quay 0 –

3600, mômen khoảng 0,5Nm đến 20Nm ở áp suất vận hành 6bar, tuỳ thuộc đường kính của Piston

Kiểu truyền động xoay

 Điều khiển bằng van 4/2, 5/2 hay 5/3

 Góc xoay 0-2700

 Mômen: khoảng 0,5Nm đến 20Nm ở áp suất vận hành 6bar và phụ thuộc vào kích thước của cánh gạt

2.5 Giới Thiệu Encorder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder.Tạm dịch là encoder tuyệt đối và encoder tương đối Chữ encoder tuyệt đối dịch theo nguyên văn, nhưng vì tiếng Việt mình cái gì có 2 loại, thì loại còn lại được dịch ngược lại với loại kia Cho nên dịch là encoder tương đối cho incremental encoder Nếu dịch sát nghĩa, khi ta đọc absolute encoder, có nghĩa là encoder tuyệt đối, tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác vị trí của encoder

Còn incremental encoder, là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ Các bạn hình dung thế này, nếu bây giờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩa quay một vòng Nếu bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vong, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder

Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 Do vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị)

Hình 2.7 Giới thiệu encoder

Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ

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

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 Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder

Hình 2.8 Nguyên Lý hoạt dộng encoder

Các bạn thấy trong hình, có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định, thực

ra là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn

mà thôi Chúng tôi không để cập đến đĩa mặt nạ này ở đây

Hình 2.9 Sơ đồ mạch bên trong của một biến tần:

2.6.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hình 2.10 Sơ đồ chi tiết mạch điện của biến tần:

Hình 2.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ

số điện áp - tần số là không đổi.Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4.Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA