THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY BÀO GIƯỜNG SỦ DỤNG PLC

MỤC LỤC

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG
NGHÊ

1.1. Giới thiệu công nghệ:

Máy bào mặt phẳng hay còn gọi là máy bào giường hiện nay được sử dụng rộng
rãi. Trong các loại máy cơ khí, nó được dùng để gia công bề mặt các chi tiết kim loại
có biến dạng lớn. Ngoài ra máy bào mặt phẳng còn được dùng để xẻ rãnh hình T, V,
đuôi én... Máy bào có thể gia công bề mặt các chi tiết ở mức độ thô hoặc tinh khác
nhau. Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến của bàn
máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện. Chất lượng và năng suất của máy
bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lực cắt, mô men cắt
của dao….
Máy bào mặt phẳng hiện nay có nhiều chủng loại, dựa vào kiểu phân loại ta chia
thành các nhóm máy bào mặt phẳng như sau:
•

Dựa vào số trụ phân ra :

Máy bào một trụ : ví dụ như các kiểu máy 710 ; 71120 ; 7116
Máy bào hai trụ : ví dụ như các kiểu máy 7210 ; 7212 ; 7216
•

Dựa vào chiều dài (Lb) của bàn máy và lực kéo bàn (Fk) ta phân ra:

Máy cỡ nhỏ:

Chiều dài bàn Lb < 3 (m) ; Lực kéo Fk = 30 ÷ 50 (KN)

Máy cỡ trung bình: Chiều dài bàn Lb = 4 ÷ 5 (m) ; Lực kéo Fk = 50 ÷ 70 (KN)
Máy cỡ nặng (lớn): Chiều dài bàn Lb > 5 (m) ; Lực kéo Fk > 70 (KN)

2


1.2. Cấu tạo của máy:

Hình 1: Hình dạng bên ngoài máy bào giường.
1. Chi tiết cần gia công
2. Bàn máy
3. Dao cắt
4. Bàn dao
5. Xà dao

3


1.3. Các truyền động của máy bào giường:
1.3.1. Truyền động chính:

- Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là truyền động chính. Trong quá
trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các chu kỳ lặp đi lặp lại. Mỗi chu kỳ
gồm 2 hành trình thuận và ngược. Ở hành trình thuận, máy thực hiện gia công chi tiết,
gọi là hành trình cắt gọt. Ở hành trình ngược, bàn máy chạy về vị trí ban đầu, không
thực hiện cắt gọt, nên gọi là hành trình không tải.
+ Hành trình thuận : là hành trình gia công chi tiết, gồm nhiều giai đoạn, khởi

động, ăn dao, vào chi tiết, cắt gọt ổn định, dao ra khỏi chi tiết gia công ứng với các
tốc độ khác nhau
+ Hành trình ngược : là quá trình máy chạy không tải để đưa bàn máy khỏi chi tiết
về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho một chu kì mới. Tốc độ hành trình thuận thường nhỏ
hơn tốc độ hành trình ngược để nâng cao năng suất của máy.
1.3.2. Chuyển động ăn dao:

Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi một hành trình kép của chuyển động chính là
chuyển động ăn dao. Cứ sau khi kết thúc 1 hành trình ngược thì bàn dao lại dịch
chuyển theo chiều ngang 1 khoảng gọi là lượng ăn dao.
Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm
việc một lần (từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận, và kết
thúc trước khi dao cắt vào chi tiết).
1.3.3. Các chuyển động phụ:

Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà máy, bàn dao, nâng dầu dao trong
hành trình không tải.
Thực vậy, ngoài chuyển động chính và chuyển động ăn dao máy bào giường còn
có nhiều chuyển động khác như :
- Chuyển

động chạy nhanh bàn giao, xà máy.

- Chuyển

động nâng đầu dao trong hành trình ngược.

- Các

chuyển động hút (gạt), phoi, bơm dầu, quạt mát v.v.

4


1.4. Phân tích đồ thị của tốc độ máy bào giường

Đồ thị tốc độ:

Hình 2: Đồ thị tốc độ của máy báo giường

Phân tích:
+ Giai đoạn 1 : Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến
tốc độ V1(tốc độ vào dao) trong khoảng thời gian T1
+ Giai đoạn 2 : tăng tốc từ V1 đến tốc độ cắt gọt V2 trong khoảng thời gian t2. Trong
thời gian này bàn máy chuyển động với tốc độ V2 để gia công chi tiết.
5


+ Giai đoạn 3 : giảm tốc độ từ V2 xuống V1 trong khoảng thời gian t3. Bàn máy sơ
bộ giảm tốc đến tốc độ V1, dao được đưa ra khỏi chi tiết khi tốc độ bàn là V1.
+ Giai đoạn 4 : đảo chiều chuyển động bàn máy, bàn máy từ tốc độ thuận
V1 đảo chiều chuyển động và tăng tới tốc độ ngược V3 trong khoảng thời gian t4.
thực hiện hành trình không tải, đưa bàn máy về vị trí ban đầu.
+ Giai đoạn 5 : giảm tốc độ ngược từ V3 về V1 trong khoảng thời gian t5. Gần hết
hành trình ngược bàn máy giảm tốc độ sơ bộ đến V1, đảo chiều sang hành trình
thuận, thực hiện một chu kỳ khác.
Qua việc phân chia các giai đoạn hoạt động ta có thể mô tả công nghệ của máy
bào giường như sau :
Sau khi ấn nút khởi động, máy bào giường sẽ chuyển động theo hành trình
thuận với tốc độ nhỏ V1, giai đoạn này kéo dài từ A tới B. Kết thúc giai đoạn này cần
phải tăng tốc cho bàn máy chuyển động theo hành trình thuận với tốc độ cắt gọt

V2>V1, giai đoạn này kéo dài từ B tới C. Đến C sau khi đã cắt gọt chi tiết xong bàn
máy giảm tốc từ V2 xuống V1 chuẩn bị cho quá trình đảo chiều, giai đoạn này kéo
dài từ C tới D. Trong quá trình đảo chiều để tăng năng suất, ta điều khiển cho bàn
máy chạy với tốc độ V3 >V2 >V1 . Bàn máy chuyển động ngược cho tới khi gặp A
thì bắt đầu giảm tốc từ V3 xuống V1, tiếp đó tốc độ giảm về 0 và bắt đầu một chu kì
làm việc mới. Khi có tín hiệu dừng máy, bàn máy sẽ dừng ở đầu hành trình thuận
hoặc đầu hành trình ngược.
1.5.

6


1.6. Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường.
1.6.1. Truyền động chính

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất và

thấp nhất của bàn máy. D =

Vmax Vngmax
=
Vmin Vthmin

Trong đó :
Vngmax - tốc độ lớn nhất của bàn máy trong hành trình ngược
Vthmin - tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình thuận
Chọn Vthmin = 5m/ph

Vngmax
Ta có:

D=

Vthmin

=

70
= 14: 1
5

ϕ=
- Độ trơn điều chỉnh tốc độ là tỉ số giữa hai giá trị kề nhau của tốc độ
trong đó

ω i , ω i +1

ω i +1
ωi

là tốc độ cấp thứ i và i+1 được xác định bằng công thức :

ϕ = z −1

ω max z −1
= D
ω min

trong đó z là số cấp tốc độ của máy đối với yêu cầu của đề thì ta có

ϕ = 1.41

- Hệ thống truyền động là hệ truyền động có đảo chiều quay và làm việc ở chế
độ ngắn hạn lặp lại .
7


- Do máy bào giường chỉ có nhiệm vụ gia công thô bề mặt chi tiết ,không cần độ
bóng, nhẵn nên độ chính xác yêu cầu không cao

δ

% < 5% Thường chọn

δ

%=

2%.
- Độ ổn định tốc độ: Tốc độ cần được ổn định trong trường hợp gia công chi tiết,
tức là khi dao cắt cắt vào chi tiết để tránh làm sứt mẻ chi tiết hoặc dao cắt.
- Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va chạm trong bộ
truyền với tác động cực đại.
1.6.2. Truyền động ăn dao

Truyền động ăn dao làm vệc có tính chất chu kì, trong mỗi hành trình kép làm
việc một lần.
Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao D = ( 100 ÷ 200)/1. Lượng ăn dao cực đại có
thể đạt tới (80 ÷ 100) mm/hành trình kép.
Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tới 1000 lần/giờ.

Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều cả ở chế độ di
chuyển làm việc và di chuyển nhanh.
Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống cơ khí, điện khí, thuỷ
lực, khí nén...Thông thường sử dụng rộng rãi hệ thống điện cơ : động cơ điện và hệ
thống truyền động trục vít - ecu hoặc bánh răng - thanh răng.

8


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC

2.1. Thiết kế mạch lực:
2.1.1. Tổng quan về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được
(khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một
ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các
sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động
vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được
đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo
phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào
thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State
Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, AllenBradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell...
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên
ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong
chương trình do "người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ
ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng
Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:
•

Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

•

Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

•

Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

•

Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.

•

•

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các
môi Modul mở rộng.
Giá cả cá thể cạnh tranh được.
9


Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic
thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ
dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã
gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh
nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch

… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính
dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là 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 vật lý nào so với sử dụng các bộ
dây nối hay Relay.
Cấu trúc:
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong
(có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng giao
tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay
hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa
đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị
xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã
được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các
PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …
Nguyên lý hoạt động của PLC
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, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị
liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương
trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
10

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 Modul 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.

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua
Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền
8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất
cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất
hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus.
Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của
PLC. Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian
hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạch
đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định
tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
Bộ nhớ
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thời cho các kênh
trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm,

ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ
nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô
nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ
giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới,
nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá
trình đọc.

11


Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả
năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ
như RAM, EPROM đều được sử dụng.
•

RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ
nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị
mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng
cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế
RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay
dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn.

•

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người
sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được. Nội dung
của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được
nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở
rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programer)

có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.

•

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết
với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có
thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn.

•

Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong
máy lập trình. Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng
để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài.

Kích thước bộ nhớ:
•

Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế
tạo.

•

Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2.000
-16.000 dòng lệnh.

2.1.2. Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200:

12

PLC S7-1200 là bộ điều khiển logic khả trình của hãng Siemens - Đức, được ra đời
vào năm 2009. Sự ra đời của PLC S7-1200 đãdần thay thế cho dòng PLC cũ là S7200. So với S7-200 thì PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi trội hơn, PLC S7-1200
mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các
yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và
tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho
việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra
trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ. Sau khi
người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu
đểgiám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các ngõ vào
và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các
hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc
truyền thông với các thiết bị thông minh khác. Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ
việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:
−

Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc

−

truy xuất đến các chức năng của CPU.
Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong
một khối xác định.
PLC S7-1200 bao gồm 4 dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và 1215C. Các module
CPU khác nhau về hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình…và
chúng đều được tích hợp sẵn một cổng Profinet, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

13

Bảng 2-1. Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C
Chức năng

CPU 1211C

CPU 1212C

CPU 1214C

Kích thước vật lý(mm)

90 x 100 x 75

110 x 100 x75

− Bộ nhớ làm việc

− 25 kB

− 50 kB

− Bộ nhớ nạp

− 1 MB

− 2 MB

− Bộ nhớ giữ lại

− 2 kB

− 2 kB

Bộ nhớ người dùng:

I/O tích hợp cục bộ
− Kiểu số

− 6 ngõ vào / 4
ngõ ra

− 8 ngõ vào / 6
ngõ ra

− 14 ngõ vào / 10
ngõ ra

− Kiểu tương tự

− 2 ngõ ra

− 2 ngõ ra

− 2 ngõ ra

Kích thước ảnh tiến trình

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các module tín hiệu

Không

Bảng tín hiệu

1

Các module truyền thông

3 (mở rộng về bên trái)

Các bộ đếm tốc độ cao

3

4

6

− Đơn pha

− 3 tại 100kHz

− 3 tại 100kHz

− 3 tại 100kHz

− Vuông pha

8192 byte
2

− 3 tại 80kHz
14

8

1 tại 30kHz

1 tại 30kHz

− 3 tại 80kHz

− 3 tại 80kHz

1 tại 20kHz

1 tại 20kHz


−

Ngõ xung ra

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ thời
gian thực

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40oC

PROFINET

Một cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực

18 μs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean

0.1 μs/lệnh

Giới thiệu về module mở rộng:
Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở

rộng chức năng của CPU. Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền
thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác .
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy
định của nhà sản xuất.

Hình 2-1. Hình ảnh các module mở rộng S7-1200

−

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
15


−

Communication module (CM):Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa

−

các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
Signal board (SB):Board tín hiệu vào ra số, tương tự được gắn phía trên CPU.
Signal Module (SM):Module tín hiệu vào ra số, tương tự.

−

Chi tiết các đặc tính của module được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2-2. Bảng các đặc tính module mở rộng
Module
Module
tín hiệu
(SM)

Kiểu số

Chỉ ngõ vào

Chỉ ngõ ra

Kết hợp In/Out

8 x DC In

8 x DC Out

8 x DC In / 8 x DC Out

8 x Relay Out

8 x DC In / 8 x Reley Out

16 x DC Out

16 x DC In / 16 x DC Out

16x Relay Out

16 x DC In / 16 x Reley Out

4 x Analog In

2 x Analog In

4 x Analog In / 2 x Analog Out

8 x Analog In

4 x Analog In

16 x DC In

Kiểu
tương tự
Bảng tín
hiệu (SB)

Kiểu số

−

Kiểu
tương tự

−

−

2 x DC In / 2 x DC Out

1 x Analog In

Module truyền thông (CM)
− RS485
− RS232

2.1.3. Cấu trúc phần cứng của PLC S7-1200

2.1.3.1. Các bộ phận và chức năng

16

−


Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ
chương trình khác nhau… nhưng về cơn bản chúng đều bao gồm các bộ phận sau:

1.
2.
3.
4.

Nguồn cấp PS
Kết nối với các module mở rộng
Đèn LED hiển thị I/O trên board
Kết nối Profinet

Hình 2-2. Cấu tạo PLC S7-1200 – CPU 1214C

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu chức năng của từng bộ phận:
Các đầu vào/ra số:
−

Đầu vào (Ix.x): kết nối với nút ấn, công tắc, sensor … với điện áp vào tiêu chuẩn
24VDC.

−

Đầu ra (Qx.x): kết nối với các thiết bị điều khiển với các điện áp 24VDC hoặc
220VAC (tùy thuộc vào loại CPU).

−

Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC (tùy thuộc vào loại CPU).

17


Hình 2-3. Sơ đồ đấu nối đầu vào/ra và nguồn trên S7-1200

Đèn trạng thái:
CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về các trạng thái
hoạt động. Các trạng thái đó được thể hiện như sau:
−

−

−

STOP/RUN
+

Màu xanh: Chỉ thị PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã nạp

+

được nạp vào bộ nhớ chương trình.

Màu cam: Chỉ thị PLC đang ở chế độ dừng và không thực hiện chương trình,

+

các đầu ra đều ở trạng thái “OFF”.
Đèn nhấp nháy luôn phiên giữa xanh lá và cam: Chỉ thị PLC đang khởi động.

ERROR
+

Màu đỏ nhấp nháy: Chỉ thị lỗi, có thể là lỗi nội bộ trong CPU, lỗi với thẻ nhớ

+

hay một lỗi về cấu hình (các module không tương thích).
Màu đỏ thuần túy: Chỉ thị phần cứng bị hỏng.

MAINT (maintenance): Đèn này sẽ nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ.
18


−

LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với máy tính thành công.

−

Rx/Tx: Màu vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền phát.

−

Ix.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu vào số (ON/OFF)

−

Qx.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu ra số (ON/OFF)

2.1.3.2. Cấu trúc phần cứng

Hình 2-4. Mô hình tổng quát của một PLC
KHỐI NGÕ VÀO

BỘ NHỚ
ĐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM

QUẢN LÝ GHÉP NỐI

NGUỒN

KHỐI NGÕ RA

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Cental Processing Unit):
Có nhiệm vụ xử lý thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng của
PLC. Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.
CPU thường được chia làm hai loại: Đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từ
ngữ”:

19

−

Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, đơn thuần là
xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản thời gian xử lý dài.

−

Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép toán,
đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy nhiên
thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn.
Bộ nhớ:

−

Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EPROM, EEPROM, là nơi lưu trữ các thông

−

tin cần xử lý trong chương trình 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.
Khối vào ra:

−

Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC) với

−

mạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC).
Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu

−

chuẩn để đưa vào bộ xử lý.
Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ ra và
cách ly quang.
Bộ nguồn:
Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt dộng của PLC.
Khối quản lý ghép:
Dùng để ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình,
bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.

20


2.2. Giới thiệu về biến tần:

Hình 2.5: Sơ đồ khối của biến tần.
Biến tần là thiết bị dùng để thay đổi và điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha
thông qua việc thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều 3 pha.
Công thức tính tốc độ vòng quay của Biến tần:
(1-s)
Để thay đổi được tốc độ động cơ chúng ta có 3 phương pháp:
•

Thay đổi số cực động cơ P.

•

Thay đổi hệ số trượt s.

•

Thay đổi tần số f của điện áp đầu vào.

Biến tần thiết bị dùng để thay đổi tần số của nguồn cung cấp xoay chiều 3 pha đặt lên
động cơ. Qua đó thay đổi tốc độ động cơ theo công thức trên.
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của biến tần.

21


Hình 2.6: Sơ đồ mạch bên trong của một biến tần.
Nguyên lý cơ bản làm việc của biến tần cũng khá đơn giản. 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.
Điện áp một chiều sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối
xứng. Ban đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện. Điện áp
một chiều này ở mức rất cao.
Tiếp theo, thông qua trình tự kích hoạt đóng mở IGBT (IGBT là từ viết tắt của
Tranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt
cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của Biến tần) của Biến tần sẽ tạo ra một điện áp
Xoay chiều ba pha 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 cao; nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và
giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
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 (khi cần tăng hoặc giảm tốc độ của động cơ). Theo lý
22


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.

Hình 2.7: Sơ đồ dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần
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.
2.3. Giới thiệu chung về biến tần G120:
23


Biến tần Siemens G120 được thiết kế để điều khiển (tốc độ / mô men) của động cơ
xoay chiều 3 pha chính xác và hiệu quả. Biến tần Siemens G120 có giải công suất từ
0,37 đến 250 kW với điện áp lưới 400V và 690V, phù hợp cho hầu hết các ứng dụng
về truyền động dùng biến tần trong cấp vỏ IP20.
0.55 – 7,5 KW

1/3 AC 200 tới 240 V ± 10%

0.37 – 250 KW

3 AC 380 tới 480 V ± 10%

Hình 2.8: một số hình ảnh về biến tần G120 trên thực tế.

24


2.3.1. Các công cụ vận hành:

Các công cụ

Bảng điều
khiển

Mã hàng
BOP-2 gắn trên biến tần.

6SL3255-0AA00-4CA1

IOP gắn trên biến tần hoặc cầm
tay.

6SL3255-0AA00-4JA0

IOP cầm tay.

6SL3255-0AA00-4HA0

IOP/BOP-2 gắn kit IP54/UL loại 6SL3255-0AP00-0JA0
12
STARTER

Công cụ vận hành bằng phần STARTER trên đĩa DVD (mã số:
6SL3072-0AA00mềm trên máy tính. Kết nối với
0AG0) và nó có thể được tải về:
biến tần qua cổng USB.
( />WW/view/en/10804985/133100)

Kit kết nối
máy tính.

Bao gồm đĩa STARTER DVD và 6SL3255-0AA00-2CA0
cáp USB.

Bộ điều khiển Dùng vận hành biến tần qua
cơ bản ES
PROFIBUS bằng STARTER

25

6SW1700-5JA00-4AA0