THIẾT KẾ CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC SIEMENS S7200
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.91 MB, 77 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ
******
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI
TỰ ĐỘNG CHO MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN
BẰNG PLC SIEMENS S7-200
Họ và tên sinh viên: ĐINH TRUNG CHÍNH
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2005 – 2009
Tháng 07/2009
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO
MÁY CẮT TOLE ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC SIEMENS S7-200
Tác giả
ĐINH TRUNG CHÍNH
Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Điều Khiển Tự Động
Giáo viên hướng dẫn:
Ths. LÊ VĂN BẠN
Tháng 7 năm 2009
i
LỜI CẢM TẠ
Đầu tiên, để hoàn thành khóa luận này, con xin chân thành cảm ơn Ba – Mẹ, người đã
sinh thành, dưỡng dục, thương yêu, chăm sóc và động viên con trong suốt những năm qua.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh,
đặc biệt là quý thầy cô Khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã yêu thương và tận tình dạy dỗ cho
chúng em trong suốt quá trình học tập.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths.Lê Văn Bạn, trưởng bộ môn “Điều
Khiển Tự Động” đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng mình xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp DH05TD và bạn bè thân hữu đã tận
tình giúp đỡ mình trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài này.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện
hơn.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả mọi người!
ii
TÓM TẮT
Ngày nay, tự động hóa quá trình sản xuất ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực công nông nghiệp. Việc ứng dụng công nghệ tự động vào các loại máy móc
cơ khí sẵn có nhằm mục đích nâng cao sự chính xác, năng suất làm việc và tiết kiệm năng
lượng. Với khuôn khổ đề tài “Thiết kế - chế tạo hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt
tole điều khiển bằng PLC Siemens S7-200”, bộ điều khiển khả lập trình PLC S7-200 được
ứng dụng để thực hiện 03 nhiệm vụ chính :
1. Điều khiển chiều dài phôi cắt thông qua việc kiểm soát số vòng quay của động cơ
DC kéo vít me và đai ốc.
2. PLC nhận tín hiệu phản hồi là chiều dài cắt từ Encoder của động cơ DC kéo vít me.
3. PLC điều khiển xy lanh khí nén qua van điện. Xy lanh khí nén tác động lên bàn đạp
máy cắt trong chu trình cắt.
Sau mười tuần nghiên cứu, khảo nghiệm và xây dựng mô hình điều khiển, đề tài đã
hoàn thành mục tiêu đề ra bao gồm:
1. Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí cho việc cung cấp phôi.
2. Thiết kế phần giao tiếp giữa phần cơ khí và PLC S7-200.
3. Viết chương trình điều khiển hệ thống bằng ngôn ngữ Simatic S7-200.
4. Khảo nghiệm hệ thống hoàn thành để đánh giá kết quả của hệ thống điều cấp phôi
tự động điều khiển bằng PLC. So sánh với điều khiển bằng vi xử lý .
iii
MỤC LỤC
Trang
Trang tựa ........................................................................................................................ i
Lời cảm tạ ..................................................................................................................... ii
Tóm tắt .........................................................................................................................iii
Mục lục ........................................................................................................................ iv
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... vii
Danh sách các bảng....................................................................................................viii
Danh sách các hình ...................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU............................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài ....................................................................................................... 1
1.2.1 Mục đích cụ thể ................................................................................................... 1
1.2.1 Mục đích chung.................................................................................................... 2
1.3 Giới hạn đề tài......................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................... 3
2.1. Giới thiệu máy cắt tole........................................................................................... 3
2.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole................................................................. 3
2.1.2 Một số loại máy cắt tole trên thị trường .............................................................. 3
2.1.2.1. Máy cắt tole bằng cơ cấu cơ khí ...................................................................... 3
2.1.2.2. Máy cắt bằng xy lanh thủy lực......................................................................... 4
2.2. Các thao tác trên máy cắt tole ................................................................................ 5
2.2.1 Các thao tác thực hiện.......................................................................................... 5
2.2.4 Ưu và nhược điểm khi cắt trên máy cắt tole bằng phương pháp cấp phôi
thủ công......................................................................................................................... 5
2.3. Sơ lược về sự phát triển của bộ khả lập trình PLC ................................................ 5
2.3.1. Cấu trúc phần cứng của PLC .............................................................................. 6
2.3.1.1 Bộ xử lý trung tâm ............................................................................................ 7
2.3.1.2 Bộ nhớ............................................................................................................... 7
2.3.1.3 Khối vào/ ra ( Input/ Output) ............................................................................ 8
2.3.1.4 Thiết bị lập trình ............................................................................................... 9
iv
2.3.2. Cấu trúc của PLC S7-200 ................................................................................... 9
2.3.2.1 Các tính năng của PLC S7-200......................................................................... 9
2.3.2.2 Các loại PLC S7_200 (Siemens) .................................................................... 10
2.3.2.3 Cấu tạo ............................................................................................................ 10
2.3.2.4 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC ............................................................. 11
2.3.2.5 Các ứng dụng quan trọng trong S7_200 ......................................................... 13
2.4. Các linh kiện cơ khí, điện - tự động phục vụ công tác điều khiển ...................... 17
2.4.1 Vít me – Vít me bi ............................................................................................. 17
2.4.2 Động cơ điện DC ............................................................................................... 18
2.4.3 Mạch công suất Relay – FET............................................................................. 19
2.4.4 Encoder .............................................................................................................. 20
2.4.5 Công tắc hành trình............................................................................................ 21
2.4.6 Tra cứu LM7805 ................................................................................................ 21
2.4.7 Tra cứu Opto P321............................................................................................. 22
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN........................................... 23
3.1. Phương pháp ........................................................................................................ 23
3.1.1 Chọn phương pháp thiết kế hệ thống................................................................. 23
3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí .................................................................. 23
3.1.3 Phương pháp thực hiện phần điện – điện tử ...................................................... 23
3.1.4 Bố trí khảo nghiệm ............................................................................................ 24
3.2. Phương tiện .......................................................................................................... 24
3.2.1 Các thiết bị dùng để chế tạo mô hình................................................................. 24
3.2.2 Các thiết bị cơ khí phục vụ cho việc chế tạo mô hình ....................................... 24
CHƯƠNG 4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ....................................................................... 25
4.1. Khảo nghiệm hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole bằng vi xử lý ........... 25
4.1.1 Sơ đồ chung của hệ thống.................................................................................. 25
4.1.2 Nguyên lý làm việc của máy.............................................................................. 26
4.1.3 Khảo nghiệm - đánh giá quá trình cắt cấp liệu tự động bằng vi xử lý............... 26
4.2. Chọn sơ đồ chung của hệ thống điều khiển điện và cơ khí sử dụng bộ
khả lập trình PLC ....................................................................................................... 29
4.2.1. Sơ đồ điều khiển cơ khí cơ cấu cấp phôi. ........................................................... 29
v
4.2.1.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống máy điều khiển bằng PLC........................ 30
4.2.1.2.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn vít me.............................................. 30
4.2.1.3.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn động cơ........................................... 31
4.2.1.2.Tính toán thông số kỹ thuật và lựa chọn xy lanh khí nén............................... 32
4.2.2. Sơ đồ điều khiển điện ....................................................................................... 32
4.2.2.1 Giới thiệu linh kiện - thiết bị đầu vào ............................................................. 33
4.2.2.2 Giới thiệu linh kiện – thiết bị đầu ra .............................................................. 34
4.3. Địa chỉ ngõ vào và ngõ ra của PLC. Lưu đồ và chương trình điều khiển ........... 35
4.3.1 Địa chỉ ngõ vào và ngõ ra của PLC ................................................................... 35
4.3.2 Lưu đồ điều khiển .............................................................................................. 36
4.3.3. Xây dựng chương trình điều khiển ................................................................... 37
4.3.3.1 Phương pháp ................................................................................................... 40
4.3.3.2 Chương trình điều khiển ................................................................................. 42
4.4. Mô phỏng chương trình điều khiển bằng phần mềm S7-200 simulation ............ 45
4.5. Kết nối PLC với phần cứng mô hình và tải chương trình PLC ........................... 46
4.5.1 Kết nối PLC với phần cứng mô hình ................................................................. 46
4.5.2 Tải chương trình vào PLC ................................................................................. 46
4.6. Khảo nghiệm hệ thống hoàn chỉnh ...................................................................... 46
4.6.1 Kiểm tra máy...................................................................................................... 46
4.6.2 Thử nghiệm hệ thống hoàn chỉnh ...................................................................... 47
4.7. Kết quả ................................................................................................................. 47
4.8. Thảo luận chung................................................................................................... 52
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................... 53
6.1 Kết luận................................................................................................................. 53
6.2 Đề nghị.................................................................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PLC
: Programmable Logic Control.
DC
: Direct Current.
CPU
: Central Processing Unit.
AC
: Alternatting Current.
HSC
: High Speed Counter.
HDEF
: High speed counter Definition.
RAM
: Random Access Memory.
ROM
: Read Only Memory.
T
: Timer.
EEPROM
: Electronic Erasable Programmable Read Only Memory.
CAD
: Computer Aided Design.
VDU
: Visual Display Unit.
TH
: Tín hiệu.
CTHT
:Công tắc hành trình.
KT
: Kích thước
vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 4.1. Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 25 mm khi cắt bằng vi xử lý ........... 26
Bảng 4.2. . Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 40 mm khi cắt bằng vi xử lý ........ 27
Bảng 4.3 . Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 85 mm khi cắt bằng vi xử lý ......... 28
Bảng 4.4 . Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 25 mm khi cắt bằng PLC ............... 48
Bảng 4.5. . Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 40 mm khi cắt bằng PLC ............. 49
Bảng 4.6 . Bảng số liệu đo kích thước chuẩn là 85 mm khi cắt bằng PLC .............. 50
Bảng 4.7 Bảng số liệu số xung và kích thước sai lệch của PLC ............................... 51
viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole......................................................... 3
Hình 2.2. Máy cắt AIZAMA 4.5X2060 (Japan).......................................................... 4
Hình 2.3. Máy cắt TOYOKOKI 2545 (Japan)............................................................. 4
Hình 2.4. Máy cắt KOMATSU SHSX255 (Japan)...................................................... 5
Hình 2.5. Cấu trúc phần cứng của PLC ....................................................................... 7
Hình 2.6. Vít me thường và các loại răng của vít me ................................................ 17
Hình 2.7. Các kiểu vít me bi của hãng SKF .............................................................. 18
Hình 2.8. Cấu tạo chung của Relay ........................................................................... 19
Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder ................................................. 20
Hình 2.10. Các loại công tắc hành trình .................................................................... 21
Hình 2.11. IC ổn định điện áp LM7805..................................................................... 22
Hình 2.12. Opto TLP321 ........................................................................................... 22
Hình 4.1. Hệ thống cấp phôi tự động bằng vi xử lý .................................................. 25
Hình 4.2. Sơ đồ điều khiển cơ khí ............................................................................. 29
Hình 4.3. Bản vẽ chi tiết vít me phục vụ công tác lắp ráp......................................... 30
Hình 4.4. Bộ truyền đai răng...................................................................................... 31
Hình 4.5. Động cơ DC HITACHI D06D401E...................................................................... 31
Hình 4.6. xy lanh khí nén và van điện từ .............................................................................. 32
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển hệ thống .......................................................................... 32
Hình 4.8 Các dây ra của Encoder từ động cơ ............................................................ 33
Hình 4.9 Mạch khuếch đại điện áp tín hiệu của Encoder đưa vào PLC .................... 34
Hình 4.10 Mạch đảo chiều động cơ DC có tự hãm. .................................................. 35
Hình 4.11 Solenoid và mạch điều khiển Solenoid..................................................... 35
Hình 4.12 Sơ đồ mạch kết nối PLC với phần cứng điện –cơ khí ...............................37
Hình 4.13 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển ................................. 49
Hình 4.14 Màn hình soạn thảo chương trình ............................................................. 41
Hình 4.15 Giao diện chương trình mô phỏng ............................................................ 45
Hình 4.16 Sơ đồ kết nối dây giữa các phần tử điện – cơ khí với PLC S7-200.......... 46
Hình 4.17 Hệ thống cấp phôi tự động điều khiển bằng PLC hoàn chỉnh .................. 47
ix
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.
Đặt vấn đề
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại máy cắt tole tự động công nghệ cao được
sản xuất bởi nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới như KOMATSU, AMADA, AIZAMA,
VENMAK…Và cũng có rất nhiều dạng kích thước, công năng đa dạng của các loại máy đó.
Những loại máy cắt tole này rất hiện đại, có thể cắt chính xác các kích thước theo yêu cầu
với năng suất rất cao. Tuy nhiên, giá thành của chúng rất cao và giao diện sử dụng chưa
được Việt hóa. Bên cạnh đó, các máy cắt tole thế hệ cũ không có bộ phận cấp phôi tự động
vẫn còn được sử dụng nhiều. Việc cải tiến nâng cấp thêm thiết bị tự động cấp phôi sẽ tiết
kiệm được một khoảng chi phí rất lớn so với việc mua máy mới.
Được sự chấp nhận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ, Trường Đại Học
Nông Lâm TpHCM và sự hướng dẫn của thầy: Ths. Lê Văn Bạn, tôi tiến hành thử nghiệm:
“Thiết kế - chế tạo thiết bị cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC
Siemens S7-200”.
1.2.
Mục đích của đề tài
1.2.1. Mục đích chung
Khảo sát nguyên lý hoạt động của máy cắt tole.
Khảo sát các mạch điện điều khiển động cơ.
Trên cơ sở tiến hành tính toán, thiết kế - chế tạo thiết bị cấp phôi tự động cho máy cắt
tole điều khiển bằng PLC Siemens S7-200.
Khảo nghiệm hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển bằng PLC. So
sánh độ chính xác với hệ thống được điều khiển bằng vi xử lý.
1
1.2.2 Mục đích cụ thể
Tính toán thiết kế mô hình hệ thống cấp phôi tự động cho máy cắt tole điều khiển
bàng PLC.
Viết chương trình PLC bằng phần mềm Step 7 Microwin V4.0 điều khiển mô hình hệ
thống cấp phôi.
Khảo nghiêm mô hình hoàn chỉnh.
So sánh với mô hình điều khiển bằng vi xử lý.
1.3.
Giới hạn đề tài
Thiết bị cấp phôi tự động được thiết kế lắp đặt trên máy cắt tole bằng cơ cấu cơ khí
sẵn có.
Máy chỉ cắt được khổ tole có chiều dài ≤ 1600 mm.
Máy chỉ cắt được khổ tole có chiều rộng ≤ 800 mm
2
Chương 2
TỒNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Giới thiệu máy cắt tole
Trong một xưởng cơ khí, máy cắt tole là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc gia
công kim loại dạng tấm. Khi sử dụng máy cắt tole, việc gia công định hình kim loại tấm trở
nên dễ dàng, năng suất được nâng cao và tiết kiệm sức lao động.
2.1.1. Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole
Máy cắt tole hoạt động theo nguyên tắc bào dọc. Khe hở δ là khe hở giữa cạnh sắc
và tấm kê. Khe hở δ càng bé thì hiệu quả cắt càng cao.
Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của máy cắt tole.
2.1.2. Một số loại máy cắt tole trên thị trường
Trên thị trường, có rất nhiều hãng sản xuất máy cắt tole nhưng phổ biến hiện nay có
hai loại cho năng suất cao và chất lượng tốt: máy cắt bằng cơ cấu cơ khí, máy cắt bằng xy
lanh thủy lực.
2.1.2.1. Máy cắt tole bằng cơ cấu ly hợp:
Động cơ điện truyền động cho bánh đà. Khi cắt thì người vận hành tác động lên bàn
đạp đóng ly hợp vấu hoạt động. Ly hợp vấu liên kết với trục bánh đà mang cơ cấu lệch tâm
tịnh tiến thực hiện quá trình cắt.
¾ Ưu điểm:
-
Máy cắt tole bằng cơ cấu ly hợp có giá thành thấp hơn các loại máy cắt cùng loại.
-
Máy có năng suất cắt khá cao phù hợp với việc sản xuất hàng loạt.
3
¾ Nhược điểm:
-
Tuy nhiên, máy có kết cấu to, chiếm nhiều diện tích.
-
Hao phí năng lượng cao do mang bánh đà nặng để tạo động năng cho cơ cấu cắt.
-
Máy hoạt động khá ồn.
Hình 2.2. Máy cắt AIZAMA 4.5X2060 (Japan)
2.1.2.2. Máy cắt tole bằng xy lanh thủy lực:
Trên máy cắt tole thủy lực, các xy lanh thủy lực lên xuống mang theo dao thực hiện
quá trình cắt.
¾ Ưu điểm:
-
Máy có kết cấu nhỏ gọn hơn máy cắt tole bằng điện.
-
Hiệu suất cắt rất cao.
-
Hệ số hao phí năng lượng thấp
-
Máy hoạt động ít gây tiếng ồn.
¾ Nhược điểm:
-
Giá thành máy rất cao.
Hình 2.3. Máy cắt TOYOKOKI 2545 (Japan)
4
Hình 2.4. Máy cắt KOMATSU SHSX255 (Japan)
2.2. Các thao tác trên máy cắt tole
2.2.1. Các thao tác thực hiện
¾ Cấp tole lên máy cắt.
¾ Canh vị trí đầu tấm tole trên thớt cắt.
¾ Lựa chọn kích thước cần cắt.
¾ Cố định tole trên thớt cắt.
¾ Nhấn cần đạp để máy thực hiện cắt.
2.2.2. Ưu và nhược điểm khi cắt trên máy cắt tole bằng phương pháp cấp phôi thủ
công
¾ Ưu điểm:
-
Chi phí đầu tư ban đầu thấp.
-
Công nhân không đòi hỏi tay nghề cao.
-
Rất thích hợp cho việc gia công cắt với số lượng ít.
¾ Nhược điểm:
-
Kích thước phôi sau khi cắt có độ sai lệch cao.
-
Không phù hợp cho việc gia công hàng loạt với số lượng nhiều.
2.3. Sơ lược về sự phát triển của bộ khả lập trình PLC
PLC (Program Logic Controller) là bộ điều khiển logic khả trình, được sáng tạo ra từ
một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968. Với ý tưởng ban đầu là thiết kế
một bộ điều khiển thỏa mãn các nhu cầu sau:
-
Dễ dàng lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
-
Dễ dàng sửa chữa, thay thế với cấu trúc dạng module.
-
Ổn định trong môi trường công nghiệp.
5
-
Dùng linh kiện bán dẫn nên kích thước nhỏ gọn hơn mạch Rơ-le chức năng tương
đương.
-
Giá thành cạnh tranh.
Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất
hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu suất.
PLC có cấu trúc module nhằm dễ dàng mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng:
-
Xử lý tín hiệu tương tự (analog).
-
Điều khiển động cơ servo, động cơ bước.
-
Truyền thông.
-
Số lượng ngõ vào/ra.
-
Bộ nhớ mở rộng.
Việc phát triển hệ thống các thiết bị điều khiển bằng lập trình đã dần thay thế các
thiết bị điều khiển bằng tiếp điểm.
Hiện nay, hệ thống PLC giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer
Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống Robot, CAD/CAM,… Trong tương
lai, các nhà thiết kế còn đang xây dựng các thế hệ PLC với chức năng điều khiển “thông
minh” (Intelligence), còn gọi là các siêu PLC (Super PLC).
2.3.1. Cấu trúc phần cứng của PLC
Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng
như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để
lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với
các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó,
nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có thêm những khối chức năng
đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời gian (Timer),…và những khối hàm
nguyên chuyên dụng.
6
Hình 2.5. Cấu trúc phần cứng của PLC
2.3.1.1 Bộ xử lý trung tâm:
Bộ xử lý trung tâm CPU ( Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất cả hoạt
động bên trong của PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ ra được
thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch
anh cung cấp clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MHz, tuỳ thuộc vào bộ xử lý
sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và được dùng để thực hiện
sự đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống.
2.3.1.2 Bộ nhớ
Tất cả các PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:
- ROM
- RAM
- EEPROM
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ, hầu như các PLC đều dùng bộ nhớ
EEPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn hơn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ RAM có
nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM. Ngoài ra, PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các chức
năng khác như:
- Bộ đệm để lưu trạng thái các ngõ vào và ngõ ra.
- Bộ nhớ tạm cho tác dụng định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ.
7
¾ Dung lượng bộ nhớ
Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dung lượng cố định, thường là 2kByte. Dung
lượng này là vừa đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công nghiệp. Do
giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn
cho các sản phẩm của họ.
2.3.1.3 Khối vào/ ra ( Input/ Output)
Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC (điện
áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển có thể lớn hơn nhiều, thường từ
24VDC đến 240VDC với dòng lớn.
Khối vào/ ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các mạch
công suất bên ngoài, kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi các mức
điện áp tín hiệu và cách ly. Tuy nhiên khối vào/ ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ
cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần các mạch công suầt trung gian.
Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ ra thích hợp với các yêu cầu điều khiển cụ thể, ví
dụ:
- Ngõ vào: 24VDC, 110 VAC, 220 VAC.
- Ngõ ra: dạng Rơle, transistor, triac.
Loại ngõ ra dùng rơle:
- Có thể nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp AC hoặc DC.
- Cách ly dạng cơ ( rơle) nên đáp ứng chậm.
- Tuổi thọ phụ thuộc vào dòng tải đi qua rơle và tần số dòng tiếp điểm.
Loại ngõ ra dùng transistor:
- Chỉ nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp 5VDC đến 30VDC.
- Tuổi thọ cao, tần số đóng mở nhanh.
Loại ngõ ra dùng triac:
- Kết nối được với các cơ cấu tác động làm việc với điện áp DC hoặc AC, từ 5 đến 242
V.
- Chịu được dòng nhỏ hơn loại rơle nhưng tuổi thọ cao và tần số đóng mở nhanh.
Tất cả các ngõ vào và ngõ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên ngoài
bằng mạch cách ly quang trên các khối vào/ ra. Mạch cách ly quang dùng một diod phát
quang và một transistor quang gọi là bộ opto-coupler. Mạch này cho các tín hiệu điện áp
8
nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn. Nó có tác dụng
chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến
1500V.
Đối với các PLC loại nhỏ, các ngõ vào/ ra vật lý được bố trí cùng với CPU, tất cả các
ngõ vào và ra là cùng loại. Những PLC lớn có cấu trúc module cho phép sự lựa chọn linh
hoạt hơn cho các ngõ vào/ ra, vì có thể chọn các ngõ vào ra có nhiều loại khác nhau ( ví dụ:
kết hợp ngõ ra loại rơle và loại transistor).
Các module vào/ ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành
và cảm biến vào PLC. Tất cả ngõ vào/ra của PLC đều được thiết kế có các đầu đinh ốc cho
phép nhanh chóng gỡ bỏ và thay thế các module bị hỏng. tại mỗi đầu nối vào/ ra đều đánh
số địa chỉ để nhận dạng ngõ vào/ra cụ thể trong khi lập trình hay khi thực hiện chức năng
giám sát trạng thái của chúng. trạng thái của từng ngõ vào/ra được thể hiện bằng đèn LED
chỉ báo ngay trên PLC, có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và cơ
cấu tác động nối kệt với PLC tiện lợi hơn.
2.3.1.4 Thiết bị lập trình
Trên các PLC loại lớn thường lập trình bằng cách dùng VDU (Visual Display Unit)
với đầy đủ bàn phím và màn hình, được nối kết với PLC thong qua cổng nối tiếp. Các VDU
hỗ trợ rất tốt cho việc lập trình dạng ngôn ngữ ladder, kể cả các chú thích trong môi trường
soạn thảo chương trình, làm cho chương trình dễ đọc hơn. Hiện nay, máy vi tính được sử
dụng rất phổ biến để lập trình cho PLC, với CPU xử lý nhanh, màn hình đồ hoạ chất lượng
cao, bộ nhớ lớn và giá thành ngày càng hạ. Ngoài ra, bộ lập trình cầm tay thường được sử
dụng thuận tiện trong công tác sửa chữa và bảo trì.
2.3.2. Cấu trúc của PLC S7-200
PLC S7-200 là loại nhỏ nhất trong các họ PLC của hãng Siemens (Đức). PLC S7-200
có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp nhưng có nhiều tính năng trong điều khiển tự động
nên sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển.
2.3.2.1 Các tính năng của PLC S7-200
- Hệ thống điều khiển Module nhỏ gọn.
- Có nhiều loại CPU khác nhau.
- Có nhiều Module mở rộng.
- Hỗ trợ mở rộng đến 7 Module.
9
- Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau.
- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus.
- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module.
- Không quy định rãnh cắm.
- Phần mền điều khiển riêng.
- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module.
- Micro PLC với nhiều tính năng tích hợp.
2.3.2.2 Các loại PLC S7_200 (Siemens)
Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP (có 2 cổng giao tiếp),
CPU226 (có 2 cổng giao tiếp), CPU226XM.
Thông thường S7_200 được phân ra 2 loại chính:
Loại cấp điện áp 220VAC:
-
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp + 24VDC (15VDC ÷ 30VDC)
-
Ngõ ra: ngõ ra relay.
-
Ưu điểm của loại này là ngõ ra relay, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp
điện áp (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V,… ).
-
Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra relay nên thời gian đáp ứng của relay
không được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…
Loại cấp điện áp 24VDC:
-
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp + 24VDC (15VDC ÷ 30VDC)
-
Ngõ ra: ngõ ra Transistor.
-
Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor, do đó có thể sử dụng ngõ ra này để
điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…
-
Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Transistor nên ngõ ra chỉ có một cấp
điện áp duy nhất là +24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp
điện áp ra là 0VDC, trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 relay 24VDC
đệm.
2.3.2.3 Cấu tạo
Các khối trong S7_200 Siemens
Khối Program Block: có 3 khối chính
10
-
Khối OB1: là khối chứa chương trình chính, và luôn được quét trong mỗi chu kì
quét, là khối chính trong việc thiết kế chương trình.
-
Khối chương trình con: là khối chứa chương trình con, khối này sẽ được thực thi
khi nó được gọi trong chương trình chính.
-
Khối chương trình ngắt: là khối chứa chương trình ngắt, khối này sẽ được thực thi
khi có sự kiện ngắt xảy ra.
Khối Data Block:
Khối chứa dữ liệu của một chương trình, ta có thể định dạng trước dữ liệu cho khối
này và khi do Download xuống PLC thì toàn bộ dữ liệu này sẽ được lưu trong bộ nhớ.
Khối Sysem Block: Có 10 khối chính:
-
Communication ports
-
Retentive Ranges
-
Password
-
Output table
-
Input Filter
-
Pulse catch Bits
-
Configure Led:
2.3.2.4 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC:
Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện Download hoặc Upload cho
PLC, ta phải thực hiện các bước sau:
Chọn cổng giao tiếp:
-
Trường hợp cáp giao tiếp là cáp USB thù cổng giao tiếp phải chọn USB.
-
Trường hợp cáp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy
tính.
Để có thể chọn cổng giao tiếp, vào mục Communication, chọn Set PG/PC Interface
Sau đó chọn Properties của PC/PPI cable (PPI)
Trong Tab PPI: chọn đúng tốc độ Bauds ở phần Transmission Rate:
Tốc độ để mặc định là 9600, tốc độ Baud mặc định ở cáp cũng là 9600 (tốc độ Baud
này chỉ áp dụng đối cáp cổng COM), trên cáp COM cho phép ta chọn nhiều mức tốc độ
Baud khác nhau.
Trong phần Local Connection: cho phép ta chọn cổng COM.
11
Sau khi chọn cổng COM, bước kế tiếp là phải chọn địa chỉ PLC, thông thường địa
chỉ mặc định của PLC là 2, nếu địa chỉ PLC khác 2 thì ta phải chọn địa chỉ đúng trước khi
thực hiện việc Communication.
Trường hợp nếu không biết địa chỉ PLC ta có thể thực hiện như sau:
Vào phần Communication, chọn Search all baud rate sau đó double click vào phần
“double click to refresh” khi đó chương trình sẽ tự nhận địa chỉ PLC.
Sau khi chọn xong cổng COM cũng như địa chỉ PLC, ta thực hiện việc Download cũng như
Upload.
Chọn mũi tên xuống cho việc Download, mũi tên lên cho việc Upload. Ngoài ra việc
Communication còn có thể thực hiện bằng cách:
Vào CPU click chuột phải, chọn Type
Chọn Read PLC, nếu liên thông được thì chương trình có thể đọc được loại PLC, còn
không thì nó sẽ báo, ta phải chọn lại cổng COM cng như địa chỉ PLC trong phần
Communications.
12
2.3.2.5 Các ứng dụng quan trọng trong S7_200:
Xuất xung tốc độ cao:
CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0, Q0.1),dùng cho việc điều rộng xung
tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài.
Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard.
Có 2 cách điều rộng xung:
-
Điều rộng xung 50% (PTO)
-
Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM)
Đọc xung tốc độ cao:
Để đọc xung tốc độ cao ,ta thực hiện các bước sau cho việc định dạng Wizard:
- Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter
Căn cứ vào bảng trên để có thể chọn loại HSC cho từng ứng dụng phù hợp.
Một số Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:
13
Bit chọn: Reset mức cao hay Reset mức thấp.
Bit chọn: Start mức cao hay mức thấp.
Bit chọn : Chế độ đếm 1x hay 4x
Bit chọn: chọn hướng đếm tăng hoặc hướng đếm giảm
Bit chọn: chọn cho phép Update hướng hay không Update
Bit chọn: chọn cho phép Update giá trị Preset hay không cho phép
Bit chọn: chọn cho phép Update giá trị hiện tại hay không cho phép
Bit chọn: Cho phép HSC họat động hay ngừng họat động.
Nạp giá trị hiện tại cho việc Update
14
Nạp giá trị đặt cho việc Update
Các bit trạng thái mô tả:
-
Hướng đếm
-
Khi giá trị hiện tại bằng giá trị đặt
-
Khi giá trị hiện tại lớn hơn hay bé hơn hoặc bằng giá trị đặt.
Ngoài ra ta còn có thể định dạng cho HSC với những chế độ ngắt khác nhau như:
-
Chương trình ngắt sẽ được thực thi khi giá trị HSC bằng với giá trị đặt
-
Chương trình ngắt sẽ được thực thi khi hướng đếm thay đổi ( thay đổi từ chiều
đếm thuận sang đếm ngược, đếm tăng , đếm giảm)
-
Chương trình ngắt được thực thi khi Bit Reset được thực thi.
Sử dụng chương trình ngắt :
Việc sử dụng chương trình ngắt là hết sức cần thiết trong việc lập trình S7_200.
Trong S7_200 có một số loại ngắt như sau:
15
