ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM

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 !

1


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

MỤC LỤC

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


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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.
 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
3


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
 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

• 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
4


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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.

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.

5


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

5.
Nút
ấn
Công tắc đóng mở

Công tắc chuyển mạch
Công tắc và ký hiệu của công tắc

- 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

Nút ấn đóng – mở

Rơ le đóng mạch
Cấu tạo và ký hiệu nút ấn

Nút ấn đóng mở

Một số hình ảnh của nút ấn
6

Nút ấn khẩn cấp

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

7

Cấu tạo và ký hiệu rơle điều khiển


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

c. Rơle thời gian đóng chậm
- 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 R1 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

8


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

Những phần chính gồm có: vỏ, trục, phần cảm (stato), phần ứng (roto),cổ
góp, chổi điện.

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.
9


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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
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
10

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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.

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.

11


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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.
- 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.
12


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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:
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.
13


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều.
* Ký hiệu của van đảo chiều
Cửa 1nối với cửa 4

Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ
Cửa 1nối với cửa 2

cái o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, …
Cửa nối điều khiển
a
o
b

a

b

Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài
12(Y)

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
Cửa nối điều khiển

phải ‘b’ là vị trí ‘không’.
14(Z)

a
Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn
Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí

b
Nối với nguồn khí nén

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống
3(R)dẫn, còn cửa xả khí có

mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b.
1(P)
4(B) diễn hướng
2(A)
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu
0
chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu
diễn1

bằng dấu gạch ngang.
14

5(S)

Cửa xả khí khô


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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

Van đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2

* Tín hiệu tác động:

15

KÍ HIỆU


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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

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
16


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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.

9. Băng tải

17


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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 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:

18


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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.

19


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
Kích thước bộ nhớ:
20


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

♦ 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.

21


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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:
♦ 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

22


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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
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.
23


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

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:
♦ 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
24


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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.
♦

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:
25