đồ án tốt nghiệp xây dựng hệ thống giám sát tốc độ động cơ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI : XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
Giảng viên hướng dẫn :

Đỗ Duy Phú

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Quang Hoằng
Phạm Văn Lợi
Lê Nho Thái
Nguyễn Văn Tú
Hoàng Ngọc Vũ

Hà Nội


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ
thông tin và các chương trình ứng dụng, đã giúp ngành đo lường điều khiển và tự
động hóa góp phần không nhỏ trong quá trình phát triển chung của đất nước.
Dùng máy tính để hiển thị và điều khiển trạng thái làm việc đang đươc sử
dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp, WinCC là một
trong những phần mềm chuyên dùng của hãng Siemens để quản lý, thu thập dữ
liệu và điều khiển quá trình công nghiệp. Xuất phát từ thực tế đó, bằng những

kiến thức đã được học và được đọc ở trường cùng với những kiến thức tìm tòi từ
báo chí sách vở và Internet chúng em đã quyết định tìm hiểu về đề tài: “XÂY
DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ”
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy ĐỖ DUY PHÚ đã hướng
dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài, cũng như những kiến thức bổ ích
Thầy truyền đạt cho chúng tôi trong thời gian qua.
Trong thời gian thực hiện đề tài chúng em không tránh khỏi những thiếu sót
mong thầy cô và các bạn đóng góp thêm để hoàn thiện đề tài hơn nữa.


NHẬN XÉT
( Của giảng viên hướng dẫn)
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

Ký tên

NHẬN XÉT
( Của giảng viên phản biện)
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

Ký tên


CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 MỤC ĐÍCH
Trong công nghiệp và điều khiển tự động ngày nay, máy tính và PLC ngày
càng trở thành bộ phận không thể thiếu trong quá trình điều khiển và hầu hết các
xí nghiệp tự động hiện nay đều dùng đến nó. Để hiểu rõ hơn về PLC và bộ điều
khiển PID trong đồ án này chúng em chọn và thực hiện đề tài “XÂY DỰNG HỆ
THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ”
1.2. YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ” là sự kết hợp giữa WinCC và PLC để đo đạc, giám sát và điều
khiển tốc độ động cơ. Người điều khiển sẽ giám sát và điều chỉnh được tốc độ
động cơ trên giao diện được viết bằng WinCC. Encoder được sử dụng sẽ kết hợp
với bộ đếm tốc độ cao HSC của PLC để đếm số xung, sau đó qua khối tính toán
và điều khiển được viết trong PLC sẽ tính toán dựa vào thuận toán PID và xuất ra
đầu ra tương tự, điều khiển biến tần và biến tần sẽ điều khiển động cơ
Tổng quan nội dung của đề tài:
 Tìm hiểu về các phương pháp đo tốc độ
 Tìm hiểu về PLC s7-200 và bộ điều khiển PID, bộ đếm tốc độ cao HSC
 Tìm hiểu về mạng truyền thông công nghiệp
 Tìm hiểu và thiết kế giao diện điều khiển bằng Win CC
 Tìm hiểu về cách kết nối và điều khiển giữa Win CC, PLC với các thiết bị
khác : Biến tần, Encoder, động cơ......

1


1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.3.1 Các phương pháp đo tốc độ
Có 3 phương pháp đo tốc độ động cơ đó là : Phương pháp đo không tiếp
xúc, phương pháp đo tiếp xúc và phương pháp sử dụng tần số chớp
a. Phương pháp đo không tiếp xúc (đo bằng phản xạ):
Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chùm tia phản xạ
tại vật cần đo. Thiết bị sẽ phát ra 1 chùm tia hồng ngoại, chùm tia ánh sáng này
sẽ bị phản xạ lại tại vật cần đo bởi tấm phản quang được dán trên vật cần đo. Tuy
nhiên ở phương pháp đo này có một lưu ý quan trọng là khoảng cách lớn nhất
giữa tấm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm. Đo không tiếp xúc
có dải đo từ 20 rpm - 100.000 rpm. Phương pháp đo này tốt hơn phương pháp đo
tiếp xúc tuy nhiên nó cũng có nhược điểm riêng bởi không phải lúc nào ta cũng

có thể dán được tấm phản quang lên trên vật cần đo.
b. Phương pháp đo tiếp xúc:
Tốc độ vòng quay của vật cần đo sẽ được cảm biến chuyển đổi thành tín
hiệu điện, tín hiệu này sẽ được thiết bị phân tích và hiển thị
Đây là phương pháp cũ nhất hiện tại ít được sử dụng bởi gây nguy hiểm cho
người đo đo phải ấn đầu quay của máy trực tiếp vào trục quay. Phương pháp
được khuyến cáo là chỉ sử dụng cho những vật có vận tốc quay thấp từ 20 rpm
đến 20.000 rpm và không thể đo cho những vật có kích thước nhỏ, nếu như tốc
độ vòng quay quá lớn cảm biến sẽ bị trượt ra ngoài. Phương pháp đo này có
nhược điểm lớn đó là là tốc độ quay của tải phụ thuộc rất nhiều vào lực tiếp xúc.
c. Phương pháp đo sử dụng tần số chớp:
Tiêu biểu cho cách đo này có thiết bị đo tốc độ vòng quay DT2234.
Phương pháp đo này khắc phục được nhược điểm của cả 2 cách đo trên nó
vừa có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta không
chạm đến được vừa không phải dán tấm phản quang lên vật cần đo. Vì thế nó
không gây nguy hiểm cho người sử dụng cũng như không cần phải dừng máy lại
quy trình sản xuất.
Dải đo của phương pháp đo này là: 30 rpm đến 20.000 rpm.

2


Ngoài ra, phương pháp đo này không chỉ đo được rpm mà nó còn có thể đo
rung và theo dõi chuyển động ví dụ như: các màng rung, màng loa.
Trong đề tài này, chúng em sẽ sử dụng Encoder để tạo xung, sau đó sẽ đếm
bằng HSC của PLC, từ đó tính toán được tốc độ.
1.3.2 Đo tốc độ bằng Encoder
a. Khái niệm
Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc. Đồng thời chuyển đổi vị
trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác

định được vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín
hiệu số. Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong
các máy CNC và robot. Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn
máy được dẫn động từ một động cơ qua vit me đai ốc bi tới bàn máy. Vị trí của
bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn.
b. Phân loại
 Encoder tuyệt đối (absolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc
mã Gray
 Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần theo chu kỳ
 Encoder tương đối kiểu thẳng
 Encoder tương đối kiểu quay
c. Chi tiết và nguyên lý hoạt động
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, đèn led không chiếu xuyên qua được. Chỗ có lỗ, đèn
led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó , phía mặt bên kia của đĩa, người ta ghi nhận được
đèn led có chiếu qua lỗ quay không.
Khi trục quay, giả sử trên địa 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 . Đây
là nguyên lý rất cơ bản của Encoder. 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.
Hình 1.3.1 dưới đây biểu thị cấu tạo chung của một Encoder :

3


Hình 1.3.1 Cấu tạo của Encoder
Trong hình có một đĩa mask không quay, đó là đĩa cố định. Thực tế là để

che khe hẹp ánh sang đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn.
1.4 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhu cầu về một bộ điều khiển
dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển các hệ thống
điều khiển lập trình – một hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy
móc hay các quá trình hoạt động. Trong hoàn cảnh đó, bộ điều khiển lập trình
được thiết kế nhằm thay thế phương pháp truyền thống dùng rơle và thiết bị rời
cồng kềnh, và bộ điều khiển đã tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng
và linh hoạt dựa trên việc lập trình các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra PLC còn có
thể thực hiện những tác vụ khác như: định thời, đếm,…làm tăng khả năng điều
khiển cho những hoat động phức tạp, cả với loại PLC nhỏ nhất…
Cách hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả trạng thái tín hiệu ở ngõ vào
được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình
và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch
giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến
4


những cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín
hiệu ở ngõ vào mà không cần có mạch giao tiếp hay rơle trung gian. Tuy nhiên
cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển các thiết bị có
công suất lớn.
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà
không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối cứng, chỉ có sự thay đổi về chương
trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng.
Hơn nữa chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động
nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải
thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.Về phần cứng PLC tương tự
như máy tính truyền thống, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích
điều khiển trong công nghiêp:

 Có khả năng khử nhiễu tốt.
 Kết cấu chắc chắn do đó nâng cao độ tin cậy đồng thời kết cấu nhỏ gọn
giảm bớt không gian yêu cầu.
 Dựa vào nền vi xử lí giúp nâng cao khả năng giao tiếp, khả năng đa
nhiệm.
 Cấu trúc dạng môđun cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng bằng việc
nối thêm môđun mở rộng vào ra và có thêm các môđun chức năng chuyên
dùng. Các trạm vào ra từ xa giúp tiết kiệm dây và ống dẫn.
 Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn
hóa.
 Hiển thị chuẩn đoán làm cho việc chuẩn đoán dễ dàng hơn, giảm thời gian
khắc phục sự cố.
 Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dễ sử dụng (ladder, instruction và
functionchart)
 Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng.
Cấu trúc của PLC có dạng module và linh hoạt cho phép các yếu tố phần
mềm, phần cứng mở rộng khi các yêu cầu ứng dụng thay đổi.Khi mà ứng dụng
5


vượt quá giới hạn của phần cứng PLC thì bộ PLC cũ có thể thay thế đơn giản với
PLC mới có bộ nhớ và dung lượng vào ra lớn hơn trong khi phần cứng cũ có thể
tái sử dụng cho các ứng dụng nhỏ hơn. Một hệ thống PLC mang lại nhiều lợi ích
với giải pháp điều khiển từ độ tin cậy đến khả năng lặp lại chương trình.
1.4.1 Một số lợi ích mà PLC mang lại
 Nhờ kết cấu chắc chắn nên độ tin cậy được nâng cao.
 Bộ nhớ lập trình được do đó thay đổi đơn giản cũng như điều khiển linh
hoạt.
 Kích thước nhỏ gọn nên không gian yêu cầu giảm bớt.
 Dựa vào nền vi xử lí giúp nâng cao khả năng giao tiếp, khả năng đa

nhiệm.
 Bộ đếm và bộ định thời bằng phần mềm giúp giảm bớt phần cứng, thay
đổi giá trị đặt trước dễ dàng.
 Role điều khiển bằng phần mềm làm cho giá thành dây dẫn, phần cứng
giảm, đồng thời giảm yêu cầu không gian.
 Tổ chức theo kiểu module cho phép cài đặt linh hoạt, dễ dàng, giảm giá trị
phần cứng và có khả năng mở rộng.
 Hạn chế được các tùy biến điều khiển, có khả năng điều khiển được nhiều
thiết bị hơn nhờ giao diện vào, ra đa dạng.
 Các trạm vào ra từ xa giúp tiết kiệm được dây và ống dẫn .
 Hiển thị chuẩn đoán làm cho khả năng chuẩn đoán lỗi dễ dàng hơn do vậy
giảm thời gian khắc phục sự cố.
 Giao diện vào ra module làm cho panel điều khiển gọn gàng, dễ đi dây, dễ
bảo dưỡng.
 Ngắt vào/ra nhanh chóng mà không làm xáo trộn đến dây dẫn.
Các biến hệ thống được lưu trong bộ nhớ dữ liệu thuận lợi cho việc quản lí,
tạo báo cáo

6


1.4.2 Chức năng của các PLC.
Các bộ PLC cung cấp hệ điều khiển thích hợp cho các máy móc và các ứng
dụng trong công nghiệp, chỉ với một máy tính để lập trình cho PLC, thay vì phải
sử dụng các thiết bị phần cứng cồng kềnh như: các cuộn Rơle và các công tắc
điện. Các bộ PLC có thể điều khiển thích hợp với bất kỳ loại máy móc hay hệ
thống công nghiệp nào như là:
 Các Robot.
 Điều khiển môi trường trong các công trình xây dựng.
 Các dây chuyền lắp ráp.

 Các hệ thống an toàn.
 Các dây truyền tự động.
Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển Lôgic khả lập trình cũng giống
như chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các Rơle hoặc các thành
phần điện tử khác nhưng ở PLC mang tính nhỏ gọn và linh hoạt hơn trong việc
thay đổi các ứng dụng điều khiển mà không phải thay đổi phần cứng điều khiển:
 Thu nhận các tín hiệu đầu vào và phản hồi (từ các cảm biến, các công tắc
hành trình).
 Liên kết, ghép nối lại và đóng mở mạch phù hợp với chương trình.
 Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông
tin thu được từ các đầu vào.
 Đưa các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp ở đầu ra.

7


Các bộ phận của PLC:

Hình 1.4.1 Các bộ phận cơ bản của PLC

Hình 1.4.2. Sơ đồ khối của PLC

8


Mỗi môđun được cắm lên đáy hộp nhờ các giắc cắm và qua các giắc cắm
nối với luồng liên lạc nội bộ. Luồng này cũng có thể đưa tín hiệu ra ngoài. Có hai
cách nối nối với ngoài:
 Nối trực tiếp bằng dây dẫn.
 Qua các mối liên lạc nối tiếp hoặc song song có giắc cắm.

Số lượng môđun vào ra có thể thay đổi nhiều hay ít tuỳ theo nhu cầu điều
khiển nhưng không thể vượt quá khả năng của bộ nhớ. Nếu cần có thể tăng thêm
bộ nhớ phụ.
1.4.3 Hoạt động của PLC theo vòng quét
Hoạt động của một bộ PLC có thể được mô tả tóm tắt như sau: PLC tiến
hành hoạt động bằng cách kiểm tra trạng thái các đầu vào của nó và so sánh
chúng với logic chương trình. Các đầu ra sau đó được kích hoạt on hay off tuỳ
thuộc vào logic các dòng lệnh trong chương trình của PLC. PLC không quan tâm
đến việc thiết bị nào được nối với các môđun vào ra của nó mà chỉ kiểm tra xem
trạng thái của các đầu vào là on hay off và thực hiện kích hoạt các đầu ra theo
chương trình của nó. Điều này làm cho PLC trở thành một bộ điều khiển lí tưởng
cho mọi thiết bị công nghiệp.
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là
một vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyền dữ liệu
từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương
trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến
lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là
giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét
được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên
các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ
không thông qua bộ đệm.

9


Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng
quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng
quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng
quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong

chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông... trong vòng
quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc
gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời
gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực
của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời
gian thực của chương trình càng cao.

Hình 1.4.3 Sự hoạt động của PLC theo vòng quét
PLC thực hiện vòng quét. Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có
chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80..., chương trình của các khối đó sẽ
được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại.
Các khối chương trình này có thể thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ
không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu
một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm
tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối
chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lí tín hiệu
ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt
xuất hiện trong vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương
10


trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lí ngắt quá dài hoặc
quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng
trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong
giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp
lệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả
chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp tới cổng vào/ra.
1.4.4 Các ngôn ngữ lập trình của PLC
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ

các ứng dụng khác nhau. Có 3 ngôn ngữ lập trình chính đó là:
 Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List). Đây là dạng ngôn
ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi
nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và
đều có cấu trúc chung “tên lệnh + toán hạng” .
 Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic). Đây là dạng ngôn
ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
 Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). Đây cũng
là kiểu ngôn ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều
khiển số.
Ladder Diagram LAD
I:1 I:1
0

2

I:2

I:2

0

Statement List STL

O:3
0

A
A
O

A
A
=

I 0.0
I 0.1
I 0.2
I 0.3
Q 4.1

2

Function Block Diagram
FBD
I 0.0
I 0.1
I 0.2
I 0.3

&
&

Hình 1.4.4: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC
11

1 Q 4.1


Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng
STL, nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD

hay FBD. Rất nhiều phần mềm lập trình cho PLC cho phép người lập trình
chuyển từ chương trình viết theo dạng LAD hoặc FBD sang chương trình dạng
STL.
1.4.5 .Các module, đối tượng mở rộng mở rộng.
a. Giới thiệu modun Analog
Modul analog là một công cụ để xử lý tín hiệu tượng tự thông qua việc xử
lý các tín hiệu số
b. Analog input:
Thực chất đó là mộ bộ biến đổi tương tự số (A/D) nó chuyển tín hiệu tương
tự từ đầu vào thành các con số ở đầu ra dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ
điều khiển chẳng hạn như đo nhiệt độ .
c. Analog output
Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một
bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu
tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn
như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 050Hz.
d. Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn
trong công nghiệp.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc
dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu
không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người
ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện
áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín
hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp. Có
2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
 Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,  5V…
 Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,  10mA.

12

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn .
Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn
công nghiệp.
1.5 TÌM HIỂU VỀ BỘ ĐẾM TỐC ĐỘ CAO (HSC) TRONG PLC
1.5.1 Khái niệm
HSC là bộ đếm tốc độ cao, được sử dụng để đếm những sự kiện xãy ra với
tần số lớn mà các bộ đếm thông thường trong PLC không đếm được. VD: Tín
hiệu xung từ encoder…
1.5.2 Số lượng bộ đếm HSC có trong PLC và tần số tối đa cho phép
Tùy thuộc vào loại CPU mà số lượng bộ đếm HSC và tốc độ tối đa cho
phép khác nhau
Bộ đếm
HC0
HC1
HC2
HC3
HC4
HC5

Ngõ vào
I0.0
I0.6
I1.2
I0.1
I0.3
I0.4

Tần số cho phép

30 kHz
30 kHz
30 kHz
30 kHz
200 kHz
200 kHz

Loại CPUs
221,222,224,224XP,226
221,222,224,224XP,226
221,222,224,224XP,226
221,222,224,224XP,226
224XP
224XP

1.5.3 Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC
Mỗi HSC có một vùng nhớ đặc biệt riêng, vùng nhớ này được sử dụng để
khai báo chọn mode đếm, đặt giá trị, lưu giá trị đếm cho HSC tương ứng
STT
1
2
3
4
5
6

Bộ đếm
HSC0
HSC1
HSC2

HSC3
HSC4
HSC5

Vùng nhớ khai báo
SMB36 đến SMB45
SMB46 đến SMB55
SMB56 đến SMB65
SMB136 đến SMB145
SMB146 đến SMB155
SMB156 đến SMB165

Chú thích
Mỗi HSC sử dụng 10 byte

1.5.4 Các Mode đếm của bộ đếm:
Mỗi bộ đếm đều có những Mode đếm khác nhau. Tùy vào từng ứng dụng
cụ thể mà người lập trình lựa chọn Mode đếm cho phù hợp. Dưới đây trình bày
Mode đếm của các bộ đếm tiêu biểu.
13


a. HSC0
HSC0 ( Chỉ có một MODE đếm)
MODE

Đặc Điểm

I0.0

Bộ đếm 1 pha, thay đổi hướng đếm
bên trong

0

Ngõ vào nhận xung

SM37.3 = 1: Đếm lên.
SM37.3 = 0: Đếm xuống.

b. HSC1
HSC1 (Có tất cả 12 Mode đếm khác nhau).
Mode

Đặc điểm

0

Bộ đếm lến/xuống

1

SMB47.3 = 0: Đếm xuống

2

SMB47.3 = 1: Đếm lên

3

Thay đổi hướng đếm

4

I0.7 = 0: Đếm xuống

5

I0.7 = 1: Đếm lên

6

Đếm 2 pha với ngõ vào xung

7

Ck

8

đếm lên và đếm xuống

I 1.2

I 1.3

Clock

Clock

I 1.4

Reset

Dir

Clock

Clock

up

Down

Clock A

Clock B

Reset

Reset

I 1.5

Start

Start

Start

9
10
11

Đếm lệch pha.Pha A,B lệch
nhau 90 đếm xuống

14

Reset

Start


c. HSC 2
HSC2 (Có tất cả 12 Mode đếm khác nhau).
Mode

Đặc điểm

0

Bộ đếm lến/xuống

1

SMB57.3 = 0: Đếm xuống

2

SMB57.3 = 1: Đếm lên

3

Thay đổi hướng đếm

4

I1.3 = 0: Đếm xuống

5

I1.3 = 1: Đếm lên

6

Đếm 2 pha với ngõ vào xung

7

Ck

8

đếm lên và đếm xuống

I 1.2

I 1.3

Clock

Clock

I 1.4

Reset

Dir

Clock

Clock

up

Down

Clock A

Clock B

Reset

Reset

I 1.5

Start

Start

Start

9
10
11

Đếm lệch pha.Pha A,B lệch
nhau 90 đếm xuống

1.5.5 Ý nghĩa của byte trạng thái khi lập trình cho HSC
a. Byte trạng thái của HSC0
SM36.0

Không sử dụng

SM36.1

Không sử dụng

SM36.2

Không sử dụng

SM36.3

Không sử dụng

SM36.4

Không sử dụng

SM36.5

Chiều đang đếm, 1:Đếm lên, 0:Đếm xuống.

SM36.6

Kết quả so sánh tức thời

SM36.7

Kết quả so sánh tức thời
15

Reset

Start


b. Byte trạng thái của HSC0
SM46.0

Không sử dụng

SM46.1

Không sử dụng

SM46.2

Không sử dụng

SM46.3

Không sử dụng

SM46.4

Không sử dụng

SM46.5

Chiều đang đếm, 1:Đếm lên, 0:Đếm xuống.

SM46.6

Kết quả so sánh tức thời

SM46.7

Kết quả so sánh tức thời

c. Byte trạng thái của HSC2
SM56.0

Không sử dụng

SM56.1

Không sử dụng

SM56.2

Không sử dụng

SM56.3

Không sử dụng

SM56.4

Không sử dụng

SM56.5

Chiều đang đếm, 1:Đếm lên, 0:Đếm xuống.

SM56.6

Kết quả so sánh tức thời

SM56.7

Kết quả so sánh tức thời

16

1.5.6 Ý nghĩa các bit của byte điều khiển trạng thái khi lập trình cho HSC
a. Byte điều khiển của HSC0
SM36.0

Không sử dụng

SM36.1

Không sử dụng

SM36.2

Không sử dụng

SM36.3

Chiều đếm: 0 đếm lùi, 1 : đếm lên

SM36.4

Cho phép đổi chiều đếm, 0: không cho phép, 1: cho phép

SM36.5

Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước,0: không cho phép,1: cho phép

SM36.6

Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức thời, 0: không cho phép, 1: cho
phép

SM36.7

1: Cho phép kích HSC0, 0:Không cho phép HSC0

b. Byte điều khiển của HSC1
SM46.0

Kiểu reset cho tín hiệu xóa tại cổng I1.0

SM46.1

Kiểu start cho tín hiệu kích tại cổng I1.1

SM46.2

Tần số đếm của HSC1

SM46.3

Chiều đếm: 0 đếm lùi, 1 : đếm lên

SM46.4

Cho phép đổi chiều đếm, 0: không cho phép, 1: cho phép

SM46.5

Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước,0: không cho phép,1: cho phép

SM46.6

Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức thời, 0: không cho phép, 1: cho
phép

SM46.7

1: Cho phép kích HSC1, 0:Không cho phép HSC1

17


c. Byte điều khiển của HSC2
SM56.0

Kiểu reset cho tín hiệu xóa tại cổng I1.0

SM56.1

Kiểu start cho tín hiệu kích tại cổng I1.1

SM56.2

Tần số đếm của HSC2

SM56.3

Chiều đếm: 0 đếm lùi, 1 : đếm lên

SM56.4

Cho phép đổi chiều đếm, 0: không cho phép, 1: cho phép

SM56.5

Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước,0: không cho phép,1: cho phép

SM56.6

Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức thời, 0: không cho phép, 1: cho
phép

SM56.7

1: Cho phép kích HSC2, 0:Không cho phép HSC2

1.5.7 Chọn kiểu Reset, Start và tần số đếm cho HSC
HSC1

HSC2

Ghi chú

SM47.0

SM57.0

0: Reset mức cao

1: Reset mức thấp

SM47.1

SM57.1

0: Start mức cao

1: Start mức thấp

SM47.2

SM57.2

0: 4X giá trị đếm

1: 1X giá trị đếm

1.5.8 Byte trạng thái và byte điều khiển của HSC3, HSC4, HSC5
Bộ đếm

Byte trạng thái

Byte điều khiển

HSC3

SMD 136

SMD 137

HSC4

SMD 146

SMD 147

HSC5

SMD 156

SMD 157

18

Ghi chú


1.5.9 Giá trị tức thời, giá trị đặt
Bộ đếm
HSC0
HSC1
HSC2
HSC3
HSC4
HSC5

Giá trị tức thời
SMD38
SMD48
SMD58

SMD148
SMD158
SMD168

Giá trị đặt
SMD42
SMD52
SMD62
SMD142
SMD152
SMD162

Ghi chú

1.5.10 Các bước khởi tạo bộ đếm HSC
Dùng chu kỳ quét đầu tiên(SM0.1) để gọi chương trình con khởi tạo. Trong
chương trình con khởi tạo thực hiện các công việc sau đây.








Nạp giá trị cho byte điều khiển.
Gán bộ đếm với Mode đếm tương ứng dùng lệnh HDEF
Nạp giá trị tức thời.
Nạp giá trị đặt trước.
Gán chương trình ngắt với sự kiện ngắt dùng lệnh ATCH nếu sử dụng ngắt.

Cho phép ngắt dùng lệnh ENI.
Chọn bộ đếm để thực thi dùng lệnh HSC.

19


1.6. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ
điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng
rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng
hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu
điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.

1.6.1 Hàm truyền đạt

Hình 1.4.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Hàm truyền của khâu PID là:



1
GC s   K p 1 
 Td s 
 Ti s

Nếu e(t) là đầu vào, u(t) là đầu ra thì:


1
det  

u t   K p et    et dt  Td
Ti
dt 

Hay viết dưới dạng khác:

GC s   K p 

20

Ki
 Td s
s


Với:
 Kp là độ lợi của khâu tỷ lệ (Proportional gain)
 Ki là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
 Kd là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain)
Việc hiệu chỉnh 3 thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điều khiển.
Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau:
Đáp ứng vòng

Thời gian

kín

tăng

Vọt lố

Thời gian quá

Sai sô xác lập

độ

Kp

Giảm

Tăng

Ít thay đổi

Tăng

Ki

Giảm

Tăng

Tăng

Không xác
định

Kd

Ít thay đổi

Giảm

Giảm

Thay đổi ít

Hình 1.4.2 – Biểu đồ đáp ứng và điều chỉnh dùng PID

1.6.2. Biến đổi bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau:

G (s)  K p 

21

Ki
 Kd s
s