NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN DÙNG PLC S7200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU
KHIỂN KHÍ NÉN DÙNG PLC S7-200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

Họ và tên sinh viên: LÊ VĂN NHANH
NGUYỄN THÁI DƯƠNG
Ngành:
CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa:
2006-2010

Tháng 7/2010


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG KHÍ NÉN DÙNG PLC S7-200 VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

Tác giả

LÊ VĂN NHANH
NGUYỄN THÁI DƯƠNG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành
Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:
Kỹ sư Tưởng Phước Thọ

Tháng 7 năm 2010

ii


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông lâm
TP.HCM, ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại học Nông lâm
TP.HCM đã tạo mọi điều khiện thuận lợi cho chúng em trong suốt thời gian theo học
tại trường và hoàn thành khóa luận này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Tưởng Phước Thọ đã nhiệt tình hướng
dẫn và giúp đỡ để khóa luận của chúng em được hoàn thành đúng thời gian quy định.
Chúng em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể quí thầy cô ở bộ môn Cơ
Điện Tử cùng toàn thể quí thầy cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã tạo điều khiện và hỗ
trợ chúng em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường.
Sau cùng chúng em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp
đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài này.
Một lần nữa chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người.
SV thực hiện đề tài
Lê Văn Nhanh
Nguyễn Thái Dương

iii


TÓM TẮT

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa,ngày nay các

thiết bị truyền dẫn,điều khiển khí nén thủy lực sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi
ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều
khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ
dàng ở những không gian chật hẹp.
Với tầm quan trọng trong sản xuất và những ứng dụng trong các lĩnh vực công
nghệ cao như vậy, thủy lực, khí nén đã được đưa vào giảng dạy ở các trường kỹ thuật
đặc biệt đối với sinh viên các ngành tự động hóa, cơ điện tử.
Xuất phát từ những nguyên nhân trên và để góp phần cũng cố kiến thức đã
được học, sinh viên thực hiện đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm khí
nén dùng PLC và Vi điều khiển” với các nội dung sau:
• Tìm hiểu tính năng và cách sử dụng vi điều khiển họ 8051, cụ thể là vi điều
khiển AT89S52.
• Tìm hiểu tính năng, cách sử dụng của PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY.
• Nghiên cứu hoạt động của hệ thống khí nén, các phần tử trong hệ thống và
các phương pháp điều khiển hệ thống khí nén.
• Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén theo từng
modul rời nhằm phục vụ cho môn học khí nén, PLC, Vi điều khiển.
• Thiết kế và chế tạo mạch nạp cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển
đổi RS232/RS485 sử dụng cho cổng truyền thông PLC kết nối máy tính.
• Viết chương trình điều khiển hệ thống khí nén dùng PLC và Vi điều khiển
bằng các ngôn ngữ Ladder và Assembly.
Kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài:
• Đã chế tạo được bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén gồm 3 modul rời
trong đó có 1 modul chứa các phần tử khí nén và cơ cấu chấp hành, 2 modul
PLC và Vi điều khiển dùng để điều khiển hệ thống khí nén kết nối với modul
khí nén thông qua các jack cắm.

iv

• Thiết kế và chế tạo mạch trung tâm của modul vi điều khiển, mạch nạp
chương trình cho vi điều khiển qua cổng USB, mạch chuyển đổi
RS232/RS485 dùng kết nối PLC và máy tính.
• Viết chương trình điều khiển mô phỏng các hệ thống sử dụng khí nén trong
sản xuất bằng các ngôn ngữ ladder và assembly sử dụng cho PLC và vi điều
khiển.

v


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ iii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi
DANH SÁCH HÌNH .......................................................................................................x
DANH SÁCH BẢNG.................................................................................................. xiii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ xiv
Chương I ..........................................................................................................................1
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1.1.Tính cấp thiết của đề tài .........................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................2
1.3. Giới hạn của đề tài ................................................................................................2
Chương 2 .........................................................................................................................3
TỔNG QUAN..................................................................................................................3
2.1 Giới thiệu về khí nén và hệ thống truyền động khí nén.........................................3
2.1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén .3
2.1.1.1 Lịch sử phát triển .......................................................................................3
2.1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí nén.................................................................3
2.1.2 Những ưu - nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén...................4
2.1.2.1 Ưu điểm ......................................................................................................4

2.1.2.2 Nhược điểm ................................................................................................4
2.1.3 Nguyên lý truyền động khí nén .......................................................................5
2.1.4 Đơn vị đo các đại lượng cơ bản ......................................................................5
2.1.4.1 Áp suất .......................................................................................................5
2.1.4.2 Lực .............................................................................................................5
2.1.4.3 Công suất ....................................................................................................5
2.1.5 Các phần tử trong hệ thống khí nén ................................................................5
2.1.5.1 Máy nén khí................................................................................................5
2.1.5.2 Bình trích chứa khí nén ..............................................................................6
2.1.5.3 Mạng đường ống dẫn khí nén ....................................................................6
vi


2.1.5.4 Các phần tử trong hệ thống điều khiển ......................................................7
2.1.6 Hệ thống điều khiển khí nén .........................................................................10
2.1.6.1 Biểu đồ trạng thái .....................................................................................10
2.1.6.2 Các phương pháp điều khiển....................................................................10
2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển họ 8051 ......................................................11
2.2.1 Giới thiệu.......................................................................................................11
2.2.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển...................................................11
2.2.3 Khảo sát họ vi điều khiển 8051 .....................................................................12
2.2.3.1 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển họ 8051 .........................................13
2.2.3.2 Chức năng các chân của vi điểu khiển .....................................................15
2.2.3.3 Tập lệnh của vi điều khiển 8051 ..............................................................17
2.2.3.4 Mạch nạp cho vi điều khiển .....................................................................18
2.2.3.5 Phần mềm soạn thảo và nạp chương trình cho vi điều khiển ..................21
2.3 Tổng quan về PLC ...............................................................................................23
2.3.1 Giới thiệu.......................................................................................................23
2.3.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC ..................................................24
2.3.3 Các hoạt động xảy ra bên trong PLC ............................................................26

2.3.4 PLC SYMATIC S7-200 CPU 224 ................................................................27
2.3.5 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200 .............................................................34
2.3.6 Mạch chuyển đồi RS232/RS485 cho kết nối PC/PLC ..................................34
2.3.7 Phần mềm soạn thảo và giao tiếp PC/PLC ...................................................35
Chương 3 .......................................................................................................................37
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................37
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu đề tài..............................................................37
3.1.1 Địa điểm tiến hành đề tài ..............................................................................37
3.1.2 Phân bố thời gian tiến hành đề tài .................................................................37
3.2 Đối tượng và thiết bị nghiên cứu .........................................................................37
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................37
3.2.2 Thiết bị nghiên cứu .......................................................................................38
3.3 Phương pháp thực hiện đề tài ..............................................................................38
3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển khí nén .......................38
vii


3.3.2 Phương pháp thực hiện đề tài ........................................................................39
3.3.3 Phương pháp thực hiện phần điện – điện tử..................................................39
3.3.4 Phương pháp thực hiện phần mềm ................................................................39
3.4 Phương tiện thực hiện đề tài ................................................................................39
Chương 4 .......................................................................................................................40
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................40
4.1 Thiết kế mô hình bộ thí nghiệm ...........................................................................40
4.1.1 Tham khảo một số mô hình thí nghiệm. .......................................................40
4.1.1 Chọn mô hình chung .....................................................................................41
4.1.2 Nguyên lý hoạt động .....................................................................................43
4.2 Thực hiện phần cơ khí .........................................................................................44
4.2.1 Thiết kế các modul của bộ thí nghiệm ..........................................................44
4.2.2 Chế tạo mô hình các modul của bộ thí nghiệm .............................................45

4.3 Thực hiện phần điện – điện tử .............................................................................47
4.3.2 Mạch điều khiển trung tâm ...........................................................................49
4.3.2.1 Khối trung tâm .........................................................................................49
4.3.2.2 Khối ngõ vào ( Input) ...............................................................................49
4.3.2.3 Khối ngõ ra (Output) ................................................................................50
4.4 Thi công, hiệu chỉnh và chạy thử nghiệm............................................................51
4.4.1 Thi công ........................................................................................................51
4.4.1.1 Thi công phần cơ khí................................................................................51
4.4.1.2 Thi công phần điện tử ..............................................................................53
4.5 Một số bài toán mô phỏng hệ thống khí nén trong thực tế sản xuất – kết quả và
thảo luận .....................................................................................................................57
4.5.1 Máy dập tự động ...........................................................................................57
4.5.2 Máy khoan bàn ..............................................................................................62
4.5.3 Máy cán ren tự động .....................................................................................66
4.5.4 Máy đóng hộp block .....................................................................................72
4.5.5 Máy mài phẳng SIMPLEX ...........................................................................79
4.5.6 Kết quả và thảo luận......................................................................................84
Chương 5 .......................................................................................................................86
viii


KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...........................................................................................86
5.1 Kết luận ................................................................................................................86
5.2 Đề nghị .................................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................88
PHỤ LỤC ......................................................................................................................89

ix

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén ......................................................... 4
Hình 2.2 Máy nén khí ................................................................................................ 6
Hình 2.3 Van đảo chiều 5/3 ....................................................................................... 7
Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều .......................................................... 8
Hình 2.5 Van chặn ..................................................................................................... 9
Hình 2.6 Van tiết lưu ................................................................................................. 9
Hình 2.7 Xylanh khí nén .......................................................................................... 10
Hình 2.8 Vi điều khiển AT89S52 ............................................................................ 12
Hình 2.9 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 8051 ...................................................... 13
Hình 2.10 Chức năng các chân vi điều khiển 8051 .................................................. 15
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cổng USB ............................................ 19
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn của mạch nạp USB ................................. 19
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý đế gắn vi điều khiển cần nạp chương trình ................. 20
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phần mạch chính điều khiển quá trình nạp ................. 21
Hình 2.15 Giao diện chương trình MIDE-51 ........................................................... 22
Hình 2.16 Giao diện chương trình WILLAR .......................................................... 22
Hình 2.17 PLC S7 200 CPU 224 DC/DC/DC .......................................................... 24
Hình 2.18 Mô hình tổng quát của một PLC ............................................................. 25
Hình 2.19 CPU S7-200 Module ............................................................................... 28
Hình 2.20 Cổng truyền thông của PLC .................................................................... 30
Hình 2.21 Kết nối giữa PLC và máy tính qua cáp nối PC/PPI................................. 30
Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc bộ nhớ của PLC ............................................................... 30
Hình 2.23 Nguyên lý thực hiện chương trình của PLC S7-200 ............................... 33
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý phần chính mạch giao tiếp PC/PLC ............................. 35
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cấp cho mạch giao tiếp PC/PLC ............... 35
Hình 2.26 giao diện chương trình STEP 7 – Micro/WIN ........................................ 36
Hình 2.27 Quản lý kết nối PC/PLC bằng phần mềm STEP 7 – Micro/WIN ........... 36
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén bằng PLC hoặc Vi Điều khiển ........... 38
Hình 4.1 Một số bộ thí nghiệm khí nén của các hãng SMC và FESTO .................. 41

x


Hình 4.2 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul khí nén................................................... 41
Hình 4.3 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul PLC ....................................................... 42
Hình 4.4 Mô hình bộ thí nghiệm – Modul Vi Điều Khiển ....................................... 43
Hình 4.5 Bản vẽ thiết kế modul khí nén ................................................................... 44
Hình 4.6 Bản vẽ thiết kế modul PLC ....................................................................... 45
Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế modul Vi Điều Khiển ....................................................... 45
Hình 4.8 sơ đồ bố trí linh kiện trên modul khí nén .................................................. 46
Hình 4.9 Sơ đồ bố trí linh kiện trên modul PLC ...................................................... 46
Hình 4.10 Sơ đồ bố trí linh kiện trên modul Vi điều khiển ...................................... 47
Hình 4.11 Sơ đồ mạch tổng thể của khối vi điều khiển trung tâm ........................... 48
Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp cho vi điều khiển ............................... 48
Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển ....................................................... 49
Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý ngõ vào tín hiệu cảm biến công nghiệp........................ 50
Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý ngõ vào tín hiệu dạng công tắc ..................................... 50
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyết đại tín hiệu ngõ ra vi điều khiển ............. 50
Hình 4.17 Modul khí nén sau khi được chế tạo........................................................ 51
Hình 4.18 Modul PLC sau khi được chế tạo ............................................................ 52
Hình 4.19 Modul vi điều khiển sau khi được chế tạo .............................................. 52
Hình 4.20 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch vi điều khiển trung tâm ........................ 53
Hình 4.21 Mạch in bo mạch vi điều khiển trung tâm ............................................... 53
Hình 4.22 Mạch vi điều khiển trung tâm sau khi được chế tạo................................ 54
Hình 4.23 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nạp vi điều khiển......................................... 54
Hình 4.24 Mạch in bo mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB ................................ 55
Hình 4.25 Mạch nạp vi điều khiển qua cổng USB sau khi được chế tạo ................. 55
Hình 4.26 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch chuyển đổi RS232/RS485 ........................... 56
Hình 4.27 Mạch in mạch chuyển đổi RS232/RS485................................................ 56
Hình 4.28 Mạch chuyển đổi RS232/RS485 sau khi hoàn thành .............................. 56

Hình 4.29 Mô hình máy dập tự động dùng 3 xylanh khí nén................................... 57
Hình 4.30 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 3 xylanh khí trong máy dập tự động ..... 58
Hình 4.31 Mô hình máy khoan bàn dùng 2 xylanh khí nén ..................................... 62
Hình 4.32 Sơ đồ phác thảo mạch khí nén máy khoan bàn ....................................... 63
xi


Hình 4.33 Mô hình máy cán ren tự động dùng 3 xylanh khí nén ............................. 67
Hình 4.34 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy cán ren tự động ............................. 68
Hình 4.35 Mô hình máy đóng hộp block.................................................................. 73
Hình 4.36 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy đóng block..................................... 74
Hình 4.37 Mô hình máy mài phẳng simplex dùng 2 xylanh khí nén ....................... 79
Hình 4.38 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển máy mài ................................................ 80

xii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Các đặc tính đặc biệt của 8051.................................................................... 16
Bảng 2.2 Các modul mở rộng của PLC S7-200 ......................................................... 32
Bảng 4.1 Ngõ vào ra của hệ thống điều khiển trong máy dập tự động ...................... 58
Bảng 4.2 Ngõ vào ra của hệ thống điều khiển trong máy dập tự động ...................... 58
Bảng 4.3 các bước thực hiện qui trình điều khiển máy khoan bàn ............................ 63
Bảng 4.4 Ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy khoan bàn ................................... 63
Bảng 4.5 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy cán ren tự động ................... 68
Bảng 4.6 Ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy cán ren tự động ........................... 68
Bảng 4.7 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy đóng block .......................... 74
Bảng 4.8 Địa chỉ ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy đóng block ...................... 75
Bảng 4.9 Các bước thực hiện qui trình điều khiển máy mài phẳng ........................... 80
Bảng 4.10 Địa chỉ ngõ vào ra kết nối PLC điều khiển máy mài phẳng ..................... 80

xiii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PLC ........................................................................... Programmable logic controller
VDK.......................................................................... Vi điều khiển
CTHT ........................................................................ Công tắc hành trình
DK ............................................................................ Điều khiển
TH ............................................................................. Tín hiệu
IC .............................................................................. Intergrated circuit
PC ............................................................................. Personal Computer

xiv


Chương I
MỞ ĐẦU
1.1.Tính cấp thiết của đề tài
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản
xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa,ngày nay các
thiết bị truyền dẫn,điều khiển khí nén thủy lực sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi
ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận
chuyển,máy dập, máy xây dựng, máy ép phun, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây
chuyền chế biến thực phẩm…do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối
ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở
những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí
hay điện.
Với tầm quan trọng trong thực tế sản xuất như vậy, thủy lực khí nén đã được

đưa vào giảng dạy ở các trường kỹ thuật đặc biệt đối với sinh viên các ngành tự động
hóa, cơ điện tử. Tuy nhiên đa số những kiến thức về điều khiển thủy lực và khí nén
được giảng dạy cho sinh viên chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, sinh viên ít được thực
tập trên thực tế hoặc chỉ được mô phỏng trên máy tính bởi một số phần mềm mô
phỏng như Automation studio, fluidsim… Nhược điểm của việc thực tập bằng phần
mềm mô phỏng là sinh viên khó có thể hình dung được thực tế hoạt động của các hệ
thống trong sản xuất, không được tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị trong hệ thống như
các loại van đảo chiều, công tắc hành trình công nghiệp, các loại cảm biến và bộ điều
khiển như PLC, vi điều khiển…
Trong quá trình học tập tại trường, sinh viên của các ngành tự động hóa, cơ điện
tử đã được giảng dạy và giới thiệu các loại vi xử lý và PLC, chúng có khả năng lập
trình linh hoạt để điều khiển rất nhiều hệ thống. Trong thực tế sản xuất PLC và vi điều
khiển được sử dụng hết sức rộng rãi. Thông qua đề tài sẽ giúp ta so sánh được ưu
nhược điểm của các hệ thống điều khiển sử dụng vi xử lý và PLC để điều khiển hệ
thống khí nén.
1


Xuất phát từ những nguyên nhân trên và do nhu cầu bức thiết của thực tế, được
sự đồng ý của Khoa Cơ khí - Công nghệ, bộ môn cơ điện tử, dưới sự hướng dẫn của
thầy KS. Tưởng Phước Thọ, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm điều khiển hệ thống khí nén dùng
PLC và Vi Điều Khiển”.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài nhằm giúp sinh viên ngành cơ điện tử, tự động hóa có kiến
thức sơ đẳng về điều khiển tự động các thiết bị khí nén, mô phỏng một số hệ thống tự
động sử dụng khí nén trong sản xuất. Đề tài này giúp cho sinh viên ngành Cơ điện tử
có điều kiện tiếp xúc với các thiết bị điều khiển khí nén được sử dụng trong thực tế sản
xuất, trực tiếp lập trình và vận hành chúng qua đó phần nào giúp sinh viên hiểu được
cách thức hoạt động của các thiết bị thủy lực khí nén đồng thời ứng dụng PLC và Vi

Điều Khiển vào điều khiển các hệ thống này. Qua đó có thể nhìn thấy được ưu nhược
điểm của các hệ thống điều khiển bằng PLC và Vi Điều Khiển trong công nghiệp.
1.3. Giới hạn của đề tài
Do bước đầu thiết kế đề tài nên còn nhiều hạn chế nhất định. Vì thế sinh viên
thực hiện đề tài chỉ chú trọng nghiên cứu những vấn đề sau:
-

Nghiên cứu về tính năng của PLC s7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY

-

Nghiên cứu tính năng của vi điều khiển họ 8051 cụ thể là vi điều khiển
AT89S52

-

Nghiên cứu các đặc tính của khí nén, các hệ thống điều khiển khí nén trong
thực tế sản xuất.

-

Thiết kế chế tạo bộ thí nghiệm khí nén theo từng modul rời nhằm tăng tính
linh hoạt cho bộ thí nghiệm.

-

Viết chương trình điều khiển các hệ thống mô phỏng một số máy móc sử
dụng khí nén trong thực tế được điều khiển bằng PLC và Vi Điều Khiển sử
dụng các ngôn ngữ lập trình ladder và assembly.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Giới thiệu về khí nén và hệ thống truyền động khí nén
2.1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén
2.1.1.1 Lịch sử phát triển
- Năng lượng khí nén đã được sử dụng trong các máy móc thiết bị vào thế kỷ 19
cụ thể:
+ năm 1880 phanh bằng khí nén đã được sử dụng
+ ….
2.1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí nén
a. Trong lĩnh vực điều khiển
+ Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn
tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng
rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
+ Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các
thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất
các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao
+ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây
chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết
bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất.
b. Hệ thống truyền động
+ Các dụng cụ, thiết bị máy va đập, các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai
thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng ( xây dựng hầm mỏ, đường
hầm…)
+ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển
động trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các
loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm

của ô tô.

3


+ Truyền động quay: truyền động xylanh, động cơ quay với công suất lớn bằng
năng lượng khí nén
+ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: được dùng trong các thiết bị đo và kiểm
tra chất lượng sản phẩm.
2.1.2 Những ưu - nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
2.1.2.1 Ưu điểm
+ Có khả năng truyền năng lượng đi xa bởi độ nhớt động học của khí nén nhỏ
và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.
+ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể trích chứa khí
nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí
nén.
+ Không khí dùng để nén hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải
ngược trở lại môi trường.
+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rĩ khí nén trong hệ thống ống dẫn
cũng không làm ảnh hưởng tới môi trường.
+ Chi phí nhỏ để thành lập một hệ thống truyền động bằng khí nén bởi phần lớn
trong các nhà máy, xí nghiệp đã có sẵn đường dẫn khí nén.
+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất được đảm bảo nên tính nguy hiểm trong
quá trình truyền động bằng hệ thống khí nén rất thấp.
+ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van…) có cấu tạo
đơn giản và giá thành không đắt.
+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với chức năng vận hành
logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp
2.1.2.2 Nhược điểm
+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp.

+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo
bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. ( không thể thực hiện được những chuyển
động thẳng hoặc quay đều).
+ Hệ thống truyền động khí nén khi vận hành tạo ra tiếng ồn do khí thoát ra ở
đường dẫn và hệ thống van.

4


2.1.3 Nguyên lý truyền động khí nén

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén
2.1.4 Đơn vị đo các đại lượng cơ bản
2.1.4.1 Áp suất
Đơn vị đo cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là pascal. 1 pascal là áp suất
phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1
N.
1 Pa = 1 N/m2
1 Pa = 1 kgm/s2/m2 = kg/ms2 1 Pa = 10-6 Mpa
Ngoài ra ta còn dùng đơn vị là bar. 1 bar = 105 Pa
2.1.4.2 Lực
Đơn vị của lực là Newton (N).1 N là lực tác dụng lên đối trọng có khối lượng
1 kg với gia tốc 1 m/s2.
1 N = 1 kg.m/s2
2.1.4.3 Công suất
Đơn vị của công suất là Watt. 1 Watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh
ra năng lượng 1 Joule. 1 W = 1 Nm/s
1W = 1

m kg.m

.
s s2

2.1.5 Các phần tử trong hệ thống khí nén
2.1.5.1 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.

5


Hình 2.2 Máy nén khí
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
- Theo nguyên lý hoạt động:
• Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy
nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.
• Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
2.1.5.2 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.
2.1.5.3 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.
Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại:
• Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy)

6


• Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền
hoặc trong máy móc thiết bị)
Trong bộ thí nghiệm, đường ống dẫn khí nén được trang bị cho phép tháo lắp dễ
dàng và nhanh chóng. Nối hệ thống đến các thiết bị bằng cách đơn giản là đẩy ống vào
cổng vào (in-let) hay cổng ra (out-let). Tháo ống ra bằng cách một tay đè vào vành tỳ,
tay kia kéo ống ra.
2.1.5.4 Các phần tử trong hệ thống điều khiển
- Khái niệm:
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng hở với
các phần tử sau:
• Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đại lượng
vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển.
• Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic nhất
định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển.
• Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lương
ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xilanh, động cơ khí nén
- 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.

Hình 2.3 Van đảo chiều 5/3.
a. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều

7


Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều
Khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối
với cửa (3).
Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12) (khí nén), lúc này nòng van sẽ dịch
chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn.
Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tạc dụng của lực lò xo,
nòng van trở về vị trí ban đầu.
b. Ký hiệu van đảo chiều
Chuyển đổi vị trí của nòng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với
các chữ cái 0, a, b, c, ... hay các số 0, 1, 2, ...

Vị trí “0” được ký hiệu là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu
ngoài vào.
Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí “0”, còn đối với van có 2 vị trí,
thì vị trí “0” có thể là a hoặc b, thường vì trí b là vị trí “0”.
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường thẳng có hình mũi tên, biểu
diễn hướng chuyển động của dòng khí qua van. Trường hợp dòng bị chặn, được biểu
diễn bằng dấu gạch ngang.
- Van chặn
Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều, chiều ngược lại bị
chặn.

8


Hình 2.5 Van chặn
Van chặn gồm các loại sau:
ƒ Van một chiều
ƒ Van logic OR
ƒ Van logic AND
ƒ Van xả khí nhanh
- Van tiết lưu
Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng khí gồm có các loại:

Hình 2.6 Van tiết lưu
• Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi
• Van tiết lưu có tiết diện thay đổi
• Van tiết lưu một chiều
- Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng
cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển
động quay (động cơ khí nén).

9


Hình 2.7 Xylanh khí nén
Một cơ cấu chấp hành thường gặp thường gặp:
- Xy lanh tác dụng đơn
- Xylanh tác dụng 2 chiều ( tác dụng kép )
- Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh được
- Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh được

- Xylanh quay bằng thanh răng
- Động cơ khí nén 1 chiều, 2 chiều
2.1.6 Hệ thống điều khiển khí nén
2.1.6.1 Biểu đồ trạng thái
- Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái của các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa
các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử.
- Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc
quay…), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành
trình. Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các
bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng các
đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên.
• Xylanh đi ra ký hiệu dấu (+), đi về ký hiệu dấu (-)
• Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc vị trí “a” và
“b”).
2.1.6.2 Các phương pháp điều khiển
Bao gồm các phương pháp điều khiển sau:
10


• Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp
• Điều khiển theo thời gian
• Điều khiển theo hành trình
• Điều khiển theo tầng
• Điều khiển theo nhịp
2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển họ 8051
Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, AVR, 8088, v.v.. Đề tài này
dùng họ vi điều khiển 8051 cùng với các IC chuyên dùng đáp ứng đầy đủ các yêu của
đề tài đặt ra. Họ 8051 được chọn vì những lý do sau đây:
* Vi điều khiển 8051 trên thị trường phổ biến và giá thành chấp nhận được.
* Các bus địa chỉ và các bus dữ liệu có thể mở rộng khả năng chuyển đổi dữ liệu

cho nhau linh hoạt nhờ lập trình phần mềm.
* Tính linh động của lập trình giúp cho việc mở rộng các ứng dụng.
2.2.1 Giới thiệu
Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có
thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh
của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin,
đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.
Trong các thiết bị điện và điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều
khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ
thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự
động. Các hệ thống càng "thông minh" thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan
trọng.
2.2.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển
Bộ vi điều khiển thực ra, là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói
chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 70 do sự phát
triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-OxideSemiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng
cao.

11