Đồ án: Điều khiển tay máy gắp sản phẩm dùng PLC S7 200

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
LỜI NÓI ĐẦU
Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá
hiện đại. Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ
dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một
dây chuyền tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền
tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình
làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có
thể tự động hoá toàn phần.
Tự động hóa là một nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất
ngày nay. Việc ứng dụng tay máy scara vào tự động hóa dây chuyền sản xuất mà cụ thể hơn ở
đây là dây chuyền phân loại sản phẩm trên băng chuyền giúp cho việc sản xuất trở nên linh hoạt
hơn, hiệu quả hơn. Với nhu cầu tìm hiểu về hệ thống tự động trong sản xuất và với kiến thức của
sinh viên năm thứ 3 tại trường đại học chúng em chọn đề tài “ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY
GẮP SẢN PHẨM DÙNG PLC S7 200” để nghiên cứu và tìm hiểu.
Do yêu cầu về kiến thức về thiết kế, tính toán và điều khiển chính xác đối
với thiết kế phần cứng là rất cao nên nhóm chúng em không tránh khỏi những
thiếu sót. Do đó, rất mong muốn được sự chỉ bảo thêm của các thầy, cô và đóng
góp của bạn bè để đồ án được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.s Phạm Thị Hồng Hạnh đã giúp đỡ chúng em
hoàn thành đồ án này !
MỤC LỤC
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
CHƯƠNG I GIỚI THIÊU CHUNG
1. Tay máy công nghiệp
Tay máy ( Manipulator ) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp. Chúng hình cánh tay để tạo
các chuyển động cơ bản cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay ( End Effector ) để trực
tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng .
- Kết cấu của tay máy .
Các tay máy có điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với nhau bằng các khớp
để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ phần công tác. Các khớp phổ biến là khớp trượt và

khớp quay. Tùy theo số lượng và cách bố trí các khớp mà người ta có thể tạo ra tay máy kiểu tọa
độ đề các , tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, và kiểu tay người ( Anthropomorpnic ).
2. Cảm Biến
Để điều khiển chuyển động của các xy lanh khí nén hay các loại cơ cấu chấp hành khác cần
có sự phát hiện sự dịch chuyển, hay nói cách khác là có sự thay đổi về vị trí hoặc thay đổi các
thông số của quá trình trong hệ thống điều khiển. Trong phần này, chúng ta đề cập chủ yếu đến
các loại cảm biến phát hiện hai trạng thái ON - OFF.
Tiếp điểm của cảm biến chia ra làm 2 loại: thường đóng (Normal Closed – NC) và thường
mở (Normal Open – NO). Công tắc hành trình thường có cả 2 loại tiếp điểm NO và NC nhưng
với một cực chung. Khi có tín hiệu tác động thì sẽ chuyển đổi trạng thái của 2 tiếp điểm này: tiếp
điểm thường mở đóng lại và tiếp điểm thường đóng mở ra.
2.1 Cảm biến từ E2E (Phát hiện sắt từ):
 Dùng để phát hiện các vật thể bằng kim loại, thường dùng để khống chế các hành trình.
Khoảng cách phát hiện của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của vật
cảm biến, các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa
hơn các vật liệu không có từ tính.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
 Đa chức năng, khoảng cách phát hiện tới 30mm
 Vỏ bọc đồng thau hoặc thép không gỉ cho độ bền cao
 Các model DC 2 dây, 3 dây và 4 dây (NO + NC).
 Ứng dụng vào mô hình tại các cơ cấu Input:
 I0.3 (Ta) cảm biến xác định vị trí tay máy bên trên.
 I0.4 ( Tb) cảm biến xác định vị trí tay máy bên dưới
 I0.5 (Tc) cảm biến xác định vị trí tay máy bên trái.
 I0.6 (Td) cảm biến xác định vị trí tay máy bên phải
2.2 Cảm biến quang:
Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật.
Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing
device) bằng thấu kính thu. Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí
vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh

vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi.
Thông Số Kỹ Thuật Hình ảnh
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
• Khoảng cách thu nhận tín hiệu: 50cm.
• Điện áp ngõ ra: 12 - 240VDC hoặc 12
-240VAC.
• Dòng tiêu thụ max DC/AC: 3mA max.
Ứng dụng mô hình tại cơ cấu input
 I0.7 (PDA) cảm biến xác định có sản phẩm.
3. Công tắt hành trình:
Công tắt hành trình trước tiên là cái công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch điện, và nó
được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó, sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ
tác động lên công tắc. Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay. Khi công tắc hành trình được tác
động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một
thiết bị khác. Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:
Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí dới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn
cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)
Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VDK để khi cơ cấu đến vị trí định trước
sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó).
Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động Các công tắc hành
trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm, và cả công
tắc quang.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
4. Công tắc
Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc phần tử đưa tín hiệu. Có hai loại công tắc
thông dụng: công tắc đóng – mở và công tắc chuyển mạch quay.
Công tắc chuyển mạch
Công tắc đóng mở
Công tắc và ký hiệu của công tắc
5. Nút ấn

- Nút ấn đóng- mở: Khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua (mở), khi tác động
thì dòng điện sẽ đi qua
- Nút ấn chuyển mạch sẽ chuyển trạng thái của mạch
Cấu tạo và ký hiệu nút ấn
Nút ấn đóng – mở
Rơ le đóng mạch
Nút ấn đóng mở
Nút ấn khẩn cấp
Một số hình ảnh của nút ấn
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
6. Rơle
Trong kỹ thuật điều khiển, rơle được sử dụng như phần tử xử lý tín hiệu. Có nhiều loại rơle
khác nhau tùy vào công dụng. Nguyên tắc hoạt động của rơle là từ trường của cuộn dây, trong
quá trình đóng mở sẽ có hiện tượng tự cảm
a. Rơle đóng mạch
- Nguyên lý làm việc: Khi dòng điện vào cuộn dây cảm ứng, xuất hiện lực từ trường sẽ
hút lõi sắt, trên đó có lắp các tiếp điểm. Các tiếp điểm đó có thể là tiếp điểm chính để đóng , mở
mạch chính và các tiếp điểm phụ để đóng, mở mạch điều khiển.
- Ký hiệu
Rơ le đóng mạch
b. Rơle điều khiển
- Nguyên lý hoạt động: tương tự như rơle đóng mạch nhưng khác rơle đóng mạch ở chỗ chỉ
dùng cho mạch điều khiển có công suất nhỏ và thời gian đóng mở các tiếp điểm rất nhỏ (từ 1ms
đến 10ms).
- Cấu tạo và ký hệu
Cấu tạo và ký hiệu rơle điều khiển
c. Rơle thời gian đóng chậm
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
- Nguyên lý làm việc: Tương tự như rơle thời gian tác động chậm của phần tử khí nén. Gồm
các phần tử: điot tương tự van 1 chiều, tụ điện như bình chứa, điện trở R như van tiết lưu. Ngoài

ra tụ điện còn có nhiệm vụ giảm điện áp quát tải trong quá trình ngắt.
d. Rơle thời gian ngắt chậm
- Nguyên lý làm việc: tương tự như rơle thời gian ngắt chậm của phần tử khí nén. Gồm
các phần tử: điot như van đảo chiều, tụ điện như bình chứa, điện trở R
1
như van tiết lưu. Ngoài ra
tụ điện còn có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt.
- Cấu tạo và ký hiệu
7. Động Cơ Một Chiều DC:
Động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu
điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng như : băng tải, thang máy, máy ép…
Nhược điểm chủ yếu của động cơ 1 chiều là cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền và kém tin
cậy. Cần phải có nguồn điện 1 chiều kèm theo.
7.1 Cấu tạo động cơ DC
Những phần chính gồm có: vỏ, trục, phần cảm (stato), phần ứng (roto),cổ góp, chổi điện.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
7.1.1. Phần cảm (stato):
Stato gồm có lõi thép và cuộn dây kích từ. Cuộn dây kích từ được đặt vào trong
lỏi thép để tạo thành một nam châm điện. Trong động cơ nhỏ stato có thể là một
nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên trong động cơ lớn thường là nam châm điện.
7.1.2 Phần ứng (roto):
Roto gồm có lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ làm bằng các lá
thép kỷ thuật phủ sơn cách điện ghép lại. Dây quấn phần ứng có dạng cuộn và
được đặt trong cách rãnh của lõi thép. Roto được lồng vào giữa các cuộn dây kích
từ, được đỡ bằng ổ bi và nắp vỏ.
7.1.3. Cổ góp:
Cổ góp bao gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình
trụ, gắn ở đầu trục roto
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
7.1.4. Chổi điện:

Chổi điện hay còn gọi là chổi than. Các chổi điện được tỳ chặt lên mặt cổ góp
nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy để cung cấp điện áp 1 chiều cho động
cơ.
Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện
trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ âm, một
nửa có cực từ dương).
7.2 Nguyên lý làm việc
Sơ đồ nguyên lý của động cơ DC
Như ta thấy ở trên động cơ điện 1 chiều có hai phần tử điện là dây quấn kích từ
và dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng làm từ dây dẫn điện có các đầu được
nối với cổ góp. Điện áp 1 chiều được đặt vào cuộn dây phần ứng thong qua chổi
than tỳ lên cổ góp.
- Khi đặt điện áp 1 chiều Vf vào cuộn dây kích từ, một nam châm điện với
các cực bắc nam hình thành và sinh ra từ trường gọi là từ trường cực từ. Từ
trường này tĩnh ( không quay).
- Khi cho điện áp 1 chiều Va vào 2 chổi điện , trong dây quấn phần ứng sẻ có
dòng điện 1 chiều Ia đi qua và sinh ra 1 từ trường gọi là từ trường phần ứng.
Từ trường cực từ và từ trường phần ứng sẻ tương tác với nhau và làm cho
trục động cơ quay.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6

Từ trường cực từ và từ trường phần ứng
Khi roto quay sinh ra một điện áp phần ứng ( sức điện động cảm ứng) Ea trên dây quấn . Ea
có chiều ngược với Va nên gọi là sức phản điện, sẻ làm giảm điện áp đặt vào phần ứng.
Độ lớn của sức phản điện phụ thuộc vào số vòng dây quấn trong cuộn dây, mật độ từ thong
và tốc độ quay của roto.
Ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng lên điện áp đặt vào roto
Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây đặt trong từ trường, lực điện từ sẻ tạo ra momen làm
quay khung dây. Cổ góp có tác dụng đổi chiều sau mỗi nữa chu kỳ quay.
Ưu điểm:

- Động cơ DC có mô-men quay cao,thời gian đáp ứng nhanh.
- Giá thành không cao
- Cho phép điều khiển điện áp chính xác, mà cần thiết với tốc độ và các ứng dụng điều
khiển mô-men.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
- Động cơ DC hoạt động tốt hơn so với động cơ AC trên thiết bị kéo.
- . Động cơ DC được thuận tiện cầm tay và rất thích hợp cho các ứng dụng đặc biệt,
chẳng hạn như các công cụ công nghiệp cầm tay máy móc thiết bị
8. Khí nén
Các phần tử khí nén:
8.1. Máy nén khí:
Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ
điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt
năng.
Phân làm 2 loại :
- Phân loại theo áp suất.
+ Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar
+ Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar
+ Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar
- Phân loại theo nguyên lý hoạt động.
+ Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy
nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.
+ Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
8.2. Bình trích chứa khí nén:
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận
lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén
từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước.
Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của
các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử
dụng liên tục hay gián đoạn.

8.3. Mạng đường ống dẫn khí nén:
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến
bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành.
8.4. Van đảo chiều:
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở
hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén.
Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều.
* Ký hiệu của van đảo chiều
Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái
o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, …
a
o
b
b
a
Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào.
Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có
2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị
trí ‘không’.
a
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
b
Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí
Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống
dẫn khí là trường hợp b.
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng
khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ng1
0
Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn

2(A)
4(B)
5(S)
1(P)
3(R)
Nối với nguồn khí nén
Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn
14(Z)
Cửa nối điều khiển
12(Y)
Cửa nối điều khiển
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
Cửa 1nối với cửa 2
Cửa 1nối với cửa 4
ang.
Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều
Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2
Trong đó: 5 : chỉ số cửa và 2 : chỉ số vị trí.
Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều:
TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU
Van đảo chiều 2/2
Van đảo chiều 4/2
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
Van đảo chiều 5/2
* Tín hiệu tác động:
Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác động
bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.
Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’) hay chỉ từ 1 phía
(đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’).
8.5. Cơ cấu chấp hành.

8.5.1. Nhiệm vụ
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ
cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén).
8.5.2. Xi lanh.
Xilanh tác dụng đơn
- Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò
xo tác động.
- Một số loại xilanh tác động 1 chiều:

a b
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b)
Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép).
Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đi vào hay đi ra sẽ
tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh.
Xilanh quay
Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay. Hai ngõ vào điều khiển để điều khiển pittong có
răng di chuyển qua lại. Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1 bánh răng làm bánh răng
quay. Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động.
Ưu nhược điểm của khí nén:
Ưu điểm:
− Không gây ô nhiễm môi trường.
− Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của
khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp.
− Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo.
Nhược điểm:
− Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi.
− Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn.
− Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6

9. Băng tải

Băng tải là một cơ chế hoặc máy có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi ) từ
một điểm A đến một điểm B
Hệ thống băng tải là thiết bị truyền tải có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển
hàng hóa nguyên vật liệu trong quá trình sản xuất
Thành phần và cấu tạo băng tải :
- Một động cơ giảm tốc, trục vít và bộ điều khiển tốc dộ
- Bộ con lăn, truyền lực chủ động
- Hệ thống khung đỡ con lăn
- Hệ thống dây băng hoặc con lăn
CHƯƠNG II. TÌM HIỂU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PLC
2.1 Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển:
Hệ thống điều khiển là gì?
Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử. Nó dùng để vận
hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt.
Hệ thống điều khiển dùng rơle điện:
Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và
70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ
định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết bị này được liên kết với
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng
chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển).
Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ
điều khiển rất lớn. Điều đó dẩn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi bị hỏng rất
phức tạp và khó khăn. Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều
khiển thì bắt buộc thiết kế lại từ đầu.
Hệ thống điều khiển dùng PLC:
Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện. những năm 80, người
ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tinh cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống

làm việc trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao đó là bộ điều
khiển PLC.
2.2. Giới thiệu về PLC:
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo
từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm
1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng
rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự
động hóa các quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến
hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng
điều khiển công nghiệp.
Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp
cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong
điều khiển tự động hóa.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
2.3 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
 Cấu trúc
• Đơn vị xử lý trung tâm:
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình
được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, đóng hay ngắt
các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Toàn bộ các
hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
• Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau.
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt
động trong PLC.
• Bộ nhớ
Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần xử lý trong
chương trình của PLC.

Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều
khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ
sẵn trên module CPU.Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
Kích thước bộ nhớ:
♦ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.
♦ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1-16K, có khả năng chứa từ 2000 - 16000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
• Các ngõ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào của PLC), các cơ
cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêu xử lý là 12/24 VDC hoặc
100/240 VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung
cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể
dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt
mạch ở đầu ra.
• Bộ nguồn:
Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.
• Khối quản lý ghép nối
Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận
hành, mạng truyền thông công nghiệp.
2.4 Các hoạt động xử lý bên trong PLC
- Xử lý chương trình
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được trong
một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ.
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được
bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình. Mỗi
lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện

một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu lỳ thực hiện
bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau:
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
♦ Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục vụ công
việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.
♦ Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình. Trong ghi đọc
và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán
logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
♦ Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra.
-Xử lý xuất nhập
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC:
 Cập nhật liên tục
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngõ vào (mà chúng xuất hiện trong chương trình), khoảng
thời gian delay được xây dựng bên trong để chắc chắn rằng chỉ có những tín hiệu hợp lý mới
được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các lệnh ngõ ra được lấy trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt
động logic của chương trình , khi lệnh OUT được thực hiện thì các ngõ ra cài lại vào đơn vị I/O,
vì thế nên chúng vẫn giữ được trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
2.5 PLC Simatic S7-200 CPU 224
2.5.1 Cấu trúc phần cứng của CPU 224 AC/DC/RLY
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng SIEMENS (CHLB Đức) có
cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng cho nhiều ứng
dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-224
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
PLC Siemens S7-200, CPU 224, 14 vào, 10 ra relay, nguồn 220 VAC
PLC S7-200, CPU 224.
6ES7214-1BD23-0XB8
Nguồn cung cấp: 220 VAC.
Ngõ vào: 14 DI DC.
Ngõ ra: 10 DO Relay.
Bộ nhớ chương trình: 12KB.

Bộ nhớ dữ liệu: 8KB.
Profibus DP extendable.
Điều khiển PID: Có.
Phần mềm: Step 7 Micro/WIN.
Thời gian xử lý 1024 lệnh nhị phân : 0.37ms.
Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256.
Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz.
Bộ đếm lên/xuống: Có.
Ngắt phần cứng: 4.
Số đầu vào/ra có sẵn: 14 DI / 10DO.
Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng: DI/DO/MAX: 94 / 74 /
168
Số đầu vào / ra tương tự ( nhờ lắp ghép thêm Modul Analog mở rộng: AI/AO/MAX: 28 / 7/
35 hoặc 0 / 14 / 14.
IP 20
Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62.
Các đèn báo trên S7-200 CPU224
♦ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.
♦ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và
thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.
♦ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng
chương trình và đang thực hiện lại.
 Chế độ làm việc
PLC có 3 chế độ làm việc:
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
♦ RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ
RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh
STOP.
♦ STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ
STOP.

♦ TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC
hoặc RUN hoặc STOP.
 Cổng truyền thông
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích 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 kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp
của PLC theo kiểu tự do là 300 ÷38.400 baud.
Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình
thuộc họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI. Cáp đó đi kèm với máy
lập trình.
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC / PPI
với bộ chuyển đổi RS232/ RS485.
2.5.2 Cấu trúc bộ nhớ:
Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu
trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ S7-200 có tính
năng động cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM
(Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.
♦ Vùng chương trình
Là nguồn nhờ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc
kiểu non-volatile đọc/ghi được.
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
♦ Vùng tham số
Là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm, … cũng giống như
vùng chương trình, thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
♦ Vùng dữ liệu
Là miền nhớ động được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình. Nó có thể được
truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc theo từ kép (DW_ Double
Word), vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau.
Chúng được ký hiệu bằng chữ cái đầu theo từ tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của
chúng như sau:

V : Variable Memory.
I : Input image register.
O : Output image regiter.
M : Internal Memory bits.
SM: Special Memory bits.
Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ
(word) hoặc từ kép (double word).
♦ Vùng đối tượng
Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi AC.
Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhưng đọc/ ghi được .
2.5.3 Mở rộng cổng vào ra
CPU 224 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul. Các modul mở rộng tương tự và có thể mở
rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về phía bên phải
của CPU, làm thành một móc xích . Địa chỉ của các vị trí của các modul được xác định cùng kiểu
. Ví dụ như một modul cổng ra không thể gán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng như một
modul tương tự không thể có địa chỉ như một modul số và ngược lại.
Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổ trong bộ đệm, tương tự với số đầu vào/ra
của modul.
Modul 0 Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM_TĐH3_K6
CPU224 4vào/4ra 8 vào 3vào/1ra
Analog
8 ra 3vào/1ra
I0.0 Q0.0
I0.1 Q0.1
I0.2 Q0.2
I0.3 Q0.3
I0.4 Q0.4
I0.5 Q0.5
I0.6 Q0.6

I0.7 Q0.7
I1.0 Q1.0
I1.1 Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I2.0
I2.1
I2.2
I2.3
Q2.0
Q2.1
Q2.2
Q2.3
I3.0
I3.1
I3.2
I3.3
I3.4
I3.5
I3.6
I3.7
AIW 0
AIW 2
AIW 4
AQW 0
Q3.0
Q3.1
Q3.2

Q3.3
Q3.4
Q3.5
Q3.6
Q3.7
AIW8
AIW12
AQW 4
Bảng địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU 224
2.5.4 Thực hiện chương trình của S7-200
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi
vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp
theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện
bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc MEND. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là
giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các
nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.
4. Chuyển dữ liệu từ bộ
đệm ảo ra ngoại vi
3. Truyền thông và
tự kiểm tra lỗi