Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển bằng PLC

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài.
Đất nước ta đang trong giai đoạn thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước. Việc ứng dụng cơ điện tử trong nghiên cứu, chế tạo, các sản phẩm khoa
học công nghệ cao tự động góp phần nâng cao mức độ hiện đại của các sản phẩm
trên thị trường trong và ngoài nước. Trong những năm vừa qua, trước những đòi
hỏi cấp bách về số lượng, chất lượng thực phẩm phục vụ cho công nhân trong các
công trình, xí nghiệp, nhà máy với số lượng lớn.
Mô hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động là sản phẩm cơ
điện tử có hàm lượng khoa học công nghệ cao ứng dụng nhiều thành tựu trong các
lĩnh vực khác nhau: Cơ khí – Điện tử - Công nghệ thông tin, ….
Việc thực hiện đề tài này là điều kiện tốt để tiếp xúc và làm quen với
những thiết bị điều khiển tự động hiện đại, với các linh kiện dùng trong công
nghiệp cũng như làm quen dần với môi trường làm việc hiện đại… Khi đang ngồi
trên ghế nhà trường, việc tìm hiểu nghiên cứu để nắm vững những vấn đề tự động
hóa có ý nghĩa quan trọng, vì đây chính là điều kiện tốt nhất để học hỏi; cũng như
tích lũy kinh nghiệm và là hành trang kiến thức vào đời cần thiết.
Xuất phát từ những nguyên nhân và những đòi hỏi bức thiết trên, được
sự đồng ý của khoa Cơ Khí- Công Nghệ, bộ môn Cơ Điện Tử dưới sự hướng dẫn
tận tình của thầy Đào Duy Vinh, nhóm sinh viên chọn đề tài:

1


“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân chia suất ăn công
nghiệp tự động điều khiển bằng PLC”.
Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu
sót, nhóm sinh viên xin được tiếp thu những ý kiến nhận xét quý giá của quý thầy,
cô và các bạn. Nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn!
1.2 Mục tiêu đề tài.

Mục tiêu đề tài là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân
chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển bằng PLC. Xây dựng mô hình hệ
thống phân chia, viết chương trình điều khiển bằng PLC S7-200, mô phỏng hoạt
động hệ thống phù hợp với một đề tài tốt nghiệp. Đồng thời tiếp cận với các sản
phẩm tự động trong công nghiệp.
+ Tìm hiểu một số linh kiện dùng trong công nghiệp.
+ Tìm hiểu về PLC S7-200 và viết chương trình điều khiển.
+ Điều khiển mô hình phân chia suất ăn công nghiệp tự động với
khối lượng thức ăn cho trước.
1.3 Ý nghĩa khoa học và thức tiễn của đề tài.
Thiết kế mô hình phù hợp với mục đích nghiên cứu, đồng thời giúp cho việc
giảng dạy, thực tập cho sinh viên trên ghế nhà trường.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Đối tượng nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu mô hình phân chia suất ăn công
nghiệp tự động, các thiết bị để xây dựng mô hình cho phù hợp với mục tiêu đề tài
đã đưa ra.
2.2 Tổng quan về mô hình phân chia suất ăn công nghiệp tự động.
Trong hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp thì vấn đề món ăn ngon, hợp
vệ sinh an toàn thực phẩm là một trong những yếu tố làm nên chất lượng của một
suất ăn, bên cạnh đó việc tự động hóa giúp thức ăn được phân chia một cách đồng
đều, giúp ít tốn thời gian và nhân công trong việc phân chia suất ăn cho công nhân
trong các khu công nghiệp nhà máy hiện nay. Vì tính cấp thiết của nó trong những
năm qua việc ứng dụng Cơ Điên Tử trong chế tạo nhằm tạo ra những sản phẩm
hiện đại giá cả cạnh tranh trên thị trường phục vụ nhu cầu của các khu công

nghiệp lớn trong và ngoài nước.
Trong một hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động thực tế có rất
nhiều yếu tố đầu vào lẫn yếu tố đầu ra cần phải xác định rõ, đó là:
Với những khu công nghiệp, xí nghiệp khác nhau thì có những suất ăn khác
nhau để đáp ứng nhu cầu ăn uống đa dạng của con người. Từ những món ăn khô
đến những món canh hay đồ xào có nước. Từ đó hình dáng mâm cơm của mỗi suất
ăn cũng được thiết kế khác nhau để phù hợp với từng loại thức ăn và phù hợp với
việc điều khiển quá trình phân chia tự động.

3


Vì vậy để điều khiển một hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động
thực tế cần phải kết hợp nhiều vấn đề từ cơ khí, điện tử, kỹ thuật xây dựng đến
điều khiển tự động.
 Khái niệm chung về suất ăn công nghiệp.
Suất ăn công nghiệp là phần ăn của công nhân; nhân viên lao động bao gồm : cơm,
canh, đồ xào,… được sắp xếp từng ngăn trong mâm cơm. Mỗi suất ăn như vậy thì
thường gồm có cơm, canh, đồ xào hay tùy theo sở thích của công nhân mà các
món ăn có thể thay thế bằng các món ăn khác để phục vụ nhu cầu ăn uống đa dạng
của công nhân trong các xí nghiệp nhà máy lớn có số lượng công nhân đông. Vì
vậy cần có hệ thống phân chia suất ăn.

Hình 2.1: Hệ thống phân chia suất ăn.

4


2.3 Mô hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động.
2.3.1 Mô hình hệ thống.

Hình 2.2 : Minh họa 3D cho hệ thống.
2.3.2 Sơ đồ khối của mô hình:
Ngăn chứa cơm

Hệ thống đẩy cơm

Ngăn chứa cá

Hệ thống đẩy cá

Ngăn chứa đồ xào

Hệ thống đẩy đồ xào

Ngăn chứa canh

Hệ thống van xả

Khây
thức
ăn

NGƯỜI
Hình 2.3 : Sơ đồ khối của mô hình.

5


2.4 Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong mô hình phân chia suất ăn

công nghiệp.
2.4.1 Tìm hiểu động cơ ba pha.
Động cơ 3 pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ một pha. Việc
truyền tải điện năng bằng mạch điện 3 pha cũng tiết kiệm dây dẫn hơn việc truyền
tải điện năng bằng dòng điện một pha. Mach điện 3 pha bao gồm: nguồn điện 3
pha, đường dây truyền tải và phụ tải. Để tạo ra nguồn điện 3 pha ta dùng máy phát
điện đồng bộ 3 pha. Cấu tạo động cơ 3 pha như sau:
+ Phần tĩnh (Stator) gồm lõi thép có xẻ rãnh, trong các rãnh 3 dây
quấn AX, BY, CZ, có số vòng dây và lệch nhau một góc 2/3 trong không gian. Một
dây quấn được gọi là một pha. Dây quấn AX gọi là pha A, dây quấn BY gọi là pha
B, dây quấn CZ gọi là pha C.
+ Phần quay (Rotor) là nam châm điện N-S.

Hình 2.4: Cấu tạo động cơ 3 pha.
+ Các cách đấu dây động cơ 3 pha:
Cách đấu hình sao:

Hình 2.5: Cách đấu dây động cơ 3 pha hình sao.

6


Để nối hình sao ta nối 3 điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính đối
với nguồn, 3 điểm cuối X,Y, X nối với nhau thành điểm trung tính O của nguồn.
Đối với tải, 3 điểm cuối X,Y,Z’ nối với nhau tạo thành điểm trung tính O’ của tải.
Các quan hệ giữa đại lượng dây và pha:
Quan hệ giữa dòng điện dây và pha: Idây = Ipha
Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha: Udây = 3 Upha
Cách nối hình tam giác: muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối cuối pha
kia. Các quan hệ giữa đại lượng dây và pha:

Quan hệ giữa dòng điện dây và pha: Udây = Upha
Quan hệ giữa điện áp dây và pha: Idây = 3 Ipha
2.4.2 Động cơ DC.
2.4.2.1 Giới thiệu động cơ 1 chiều.
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện 1 chiều
gồm 2 bộ phận chính gồm: rotor và stator.
Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện
một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh
lưu, nó có nhiệm vụ làm đổi chiều dòng điện khi chuyển động quay của rotor là
liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có 1 bộ cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc
với cổ góp.
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo thành chuyển động
quay của rotor
Pha 2: Rotor tiếp tục quay.
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường của rotor và stator cùng
dấu, trở lại pha 1.
Nếu trục của 1 động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ
hoạt động như một máy phát điện 1 chiều và tạo ra sức điện động cảm ứng
Electromotive forces (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra

7


điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối
kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này
tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát
điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ
bằng một ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ gồm 2 thành
phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây

phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo công thức sau:
I = (Vnguồn – V phản điện động ) / Rphần ứng
Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:
P = I * (Vphản điện động)
2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ.
 Đặc điểm:
• Nguồn điện áp cấp vào 12 V;
• Tốc độ quay cao, moment quay cao;
• Có khả năng chịu tải khi cấp nguồn điện;
 Phương pháp điều khiển động cơ DC:
• Nguồn điện áp 12 V;
• Cấp nguồn điện đúng theo yêu cầu;

Hình 2.6 : Phương pháp đảo chiều động cơ DC.
Nguyên lý hãm ngược:
•
•

Đối với động cơ một chiều thì công việc hãm đơn giản hơn.
Khi ngưng cấp nguồn đồng thời và đưa nguồn điện khác ngược

chiều với nguồn đang hoạt động lập tức động cơ sẽ bị hãm cưỡng bức, lúc đó sẽ có
lực có chiều ngược lại và ta hiệu chỉnh thời gian sao cho động cơ dừng hẳn, lúc đó
mới ngừng cấp nguồn.
•
Tốc độ động cơ được điều chỉnh theo giá trị điện áp đưa vào.

8

2.4.2.3 Điều khiển động cơ DC.
Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ bước, nhưng có 3 phương
pháp chính thường dùng trong hệ thống điều khiển tự động như sau:
a. Điều khiển bằng máy tính.
•

Qua cổng nối tiếp RS-232 (tốc độ chậm và phức tạp).

•

Cổng máy in printer port (tốc độ xử lý nhanh và dễ sử dụng).

•

Giao tiếp máy tính với các card mở rộng gắn thêm trên mainboard

cho phép đạt được tốc độ truy nhập lớn nhất. Có thể sử dụng các card chuyên dùng
để điều khiển động cơ nhằm làm tăng độ chính xác và dễ điều khiển.
Ưu điểm của máy tính là tốc độ xử lý rất nhanh, giá thành rẻ, khả năng lưu
trữ lớn, có tính hiển thị và có thể điều khiển những vấn đề có tính phức tạp cao.
Tuy nhiên, trong công nghiệp thì điện 3 pha có thể gây ra nhiễu trên máy tính do
đó cần có những máy tính công nghiệp hiện đại. Yếu tố cần thiết khi điều khiển
bằng máy tính là người điều khiển phải viết chương trình bằng một ngôn ngữ lập
trình nào đó để điều khiển hoạt động cho robot.
b. Điều khiển từ xa :
Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết
bị từ một khoảng cách xa.Ví dụ như hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống
điều khiển từ xa bằng hồng tia ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang
dây dẫn.
Cấu tạo của hệ thống điều khiển từ xa bao gồm:

•
•
•

Thiết bị phát .
Đường truyền.
Thuyết bị thu.

c. Điều khiển dùng vi điều khiển :
Bộ vi điều khiển viết tắt là MC (Micro-Controller) là mạch tích hợp trên
một chip và có thể lập trình được, được dùng để điều khiển cho hệ thống, có thể
ứng dụng vi điều khiển để điều khiển hoạt động cho robot.

9


Ưu điểm của nó là nhỏ, gọn, nhẹ có tốc độ xử lý tương đối nhanh. Tuy
nhiên việc điều khiển bằng vi điều khiển rất phức tạp. Vì đòi hỏi người điều khiển
ngoài kiến thức thật vững về lĩnh vực điện tử mà còn phải biết lập trình hợp ngữ.
Bên cạnh đó, chương trình điều khiển cũng khó thay đổi và không có tính hiển thị.
Bất cứ sự thay đổi nào về chương trình điều khiển đòi hỏi người lập trình phải nạp
lại chương trình vào chip điều khiển.
d. Điều khiển bằng PLC (Programmable Logic Controller).
PLC với cấu trúc dạng modul cho phép mở rộng hay nâng cấp một hệ thống
điều khiển dùng PLC với công suất và chi phí tương đối cao.
Ưu điểm là nhỏ gọn nhẹ, thích hợp trong điều khiển ở môi trường công
nghiệp. Tuy nhiên nó có những nhược điểm là tốc độ xử lý chậm, không có tính
hiển thị bằng đồ họa, giá thành cao.
2.4.3 Tổng quan về PLC.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều lại PLC của các hãng khác nhau với đầy đủ

kích cỡ, chủng loại cũng như chức năng khác nhau như Omron, Mitsubisi,
Siemens,…
PLC ( viết tắt của cụm từ Program Logic Controller) là thiết bị cho phép thực hiện
các phép toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc điều khiển
trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán
và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Toàn bộ chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng chương trình
con hoặc chương trình ngắt ( khối chình OB1). Trường hợp dung lượng bộ nhớ
của PLC không đủ cho việc lưu trữ chương trình thì ta có thể sử dụng thêm bộ nhớ
ngoài hỗ trợ cho việc lưu chương trình và lưu dữ liệu. Để có thể thực hiện 1
chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như 1 máy tính, nghĩa là
phải có bộ vi xử lý CPU, 1 hệ điều hành, 1 bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển,
dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị điều khiển
và để trao đổi thông tin với môi trương xung quanh. Bên cạnh đó nhằm phục vụ

10


các bài toán điều khiển số, PLC còn cần những chức năng đặc biệt như bộ điếm
( Counter), bộ định thời gian ( Timer)… Và những khối hàm chuyên dùng.
2.4.3.1 Đặc điểm của điều khiển logic khả trình của PLC.
Những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp môi trường công
nghiệp.
+ Khả năng kháng nhiễu rất tốt.
+ Cấu trúc dang modul rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo
nâng cấp,…
+ Có những modul chuyên dụng để thực hiện những chức năng đặc biệt hay
những modul truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng
Internet,…
+ Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng

để xếp hạng 1 hệ thống điều khiển tự động.
+ Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ
cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình
được.
+ Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc
thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi chương trình.
2.4.3.2 Thành phần bộ điều khiển logic khả trình PLC:
Các thành phần của 1 PLC thường có các modul phần cứng sau:
+ Modul nguồn.
+ Modul đơn vị xử lý trung tâm.
+ Modul bộ nhớ chương trình và dữ liệu.
+ Modul đầu vào.
+ Modul đầu ra.
+ Modul phối ghép ( để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ).
+ Modul chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng).

11


Bộ nhớ chương trình

Timer
Bộ đệm
đầu ra

Khối vi xử lý
trung tâm + Hệ
điều hành

Bộ đếm

Bit cờ

Cổng vào ra
Quản lí ghép nối
Cổng ngắt và
đếm tốc độ cao
Hình 2.7 : Mô hình PLC S7-200.
2.4.3.3 Bộ nhớ PLC gồm 3 vùng chính.
a. Vùng chứa chương trình ứng dụng.
OBI (organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương
trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét.
Subroutine (chương trình con): Miền chứa chương trình con được tổ chức
thành hàm và có biến hình để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực
thi khi nó được gọi trong chương trình chính.
Interrup (chương trình ngắt) :Miền chứa chương trình ngắt được chứa thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác.
Chương trình này sẽ được thực hiện khi có chương trình ngắt xảy ra.
b. Vùng chứa tham số của hệ điều hành:
I (process image input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu
thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc được các giá trị logic của tất cả các cổng đầu
vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng
12


không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng
vào từ bộ đệm I.
Q (process image output): Miền dữ liệu các cổng ra số.Kết thúc giai đoạn
thực hiện chương trình , PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra
số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ
chuyển chúng tới bộ đệm Q.

M (Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng các biến này để lưu
trữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (B), byte (MB) từ (MW)
hay từ kép (MD).
T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá
trị thời gian đặt trước (PV – preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV –
current Value) cũng như giá trị lọc logic đầu ra của bộ thời gian.
C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt
trước (PV preset – Value), giá trị đếm tức thời (CV Current – Value) và giá trị
logic đầu ra của bộ đệm.
c. Vùng chứa các khối dữ liệu:
DB (Data Block): Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước
cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán
điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte
(DBB), từ (DBW) hay từ kép (DBD).
L (local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình
OBI, chương trình con, chương trình ngắt được tổ chức và sử dụng cho các biện
pháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những chương trình gọi
nó. Nội dung của khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương
trình tương ứng trong OBI, chương trình con, chương trình ngắt. Miền này có thể
được truy nhập từ chương trình theo bit (L) ,theo byte (LB) từ (LW) hay từ kép
(LD).
2.4.3.4 Vòng quét chương trình:

13


PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét được bắt đầu từ giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng
đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét
chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB (Block

End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của
bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền
thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các
cổng vào ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực
tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết kế để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian
vòng quét (Scan Timer). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải
vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét
thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương
trình được thực hiện và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lí, tính toán và việc gửi
tín hiệu điều khiển đến đối tượng có 1 khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian
quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của
chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn tính thời gian
thực của chương trình càng cao.
Nếu sử dụng khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt (OB40, OB80 …),
chương trình của khối đó sẽ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo
ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình có thể thực hiện tại mọi điểm trong
vùng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình.
Chẳng hạn nếu 1 chương trình báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền
thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ ngừng công việc truyền thông, kiểm tra để thực
hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lý tín
hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt
xuất hiện trong vòng quét. Do đó để nâng cao tính thời gian thực của chương trình

14


điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm
dụng chương trình ngắt trong quá trình điều khiển.

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm trực tiếp
với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số.
Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ
điều hành CPU quản lý, ở 1 số modul CPU khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức hệ
thống sẽ cho dừng mọi công viêc khác ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực
hiện lệnh trực tiếp của cổng vào ra.
2.4.3.5 Cấu trúc chương trình.
Chương trình trong S7-200 được lưu trữ trong bộ nhớ PLC ở vùng giành riêng cho
chương trình và có thể lập trình ở 2 dạng cấu trúc khác nhau.
a. Lập trình tuyến tính.
Toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình cấu
trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp. Khối
được chọn phải là khối OBI, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong
đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên.
b. Lập trình có cấu trúc:
Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi
những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằm trong những khối
chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều
khiển nhiệm vụ và phức tạp. Trong S7-200 có 3 loại khối cơ bản sau:
Loại khối OBI (Organization Block): Khối tổ chức và quản lý chương
trình điều khiển, khối này luôn luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi
chu kì quét.
Loại khối SBR (khối chương trình con): Khối chương trình với những
chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc 1 hàm (chương trình con có
biến hình thức). Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều chương trình con và
các khối chương trình con này có thể được phân biệt với nhau bằng tên của
chương trình đó.
15

Loại khối INT (Khối chương trình ngắt): Là loại khối chương trình đặc
biệt có khả năng trao đổi 1 lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình
khác.Chương trình này sẽ được thực thi mỗi khi có các chương trình ngắt xảy ra.
2.4.3.6 PLC S7-200.
Trong thực tế hiện nay có rất nhiều loại PLC khác nhau về kích thước, chủng
loại cũng như tính năng của các hãng như: Omron, Mitsubisi, Simems,… Nhưng
do những điều kiện khác nhau nhóm sinh viên lựa chọn PLC S7-200 của Simems.
Hiện PLC S7-200 có rất nhiều loại khác nhau như: PLC214, PLC216,
PLC222, PLC224, PLC226,… với các tính năng và công dụng khác nhau. Ở đề tài
này nhóm sinh viên lựa chọn PLC222 làm mục đích nghiên cứu của mình.
a. Giới thiệu về PLC S7-200 (CPU 222).
+ Đặc tính:
Điện áp vào 220V.
Cổng vào DC.
Cổng ra relay.
+ Kích thước vật lý: Rộng x sâu x Cao: 120 x 80 x 60.
+ Kích thước bộ nhớ chương trình cho phép: 12KB.
+ Kích thước bộn nhớ dữ liệu cho phép: 8KB.
+ Khả năng lưu trữ khi cúp điện: 190 giờ.
+ Số bit nội/ counter/ timer: 256/ 256/ 256.
+ Timer trong đó có 3 độ phân giải: 1ms, 10ms, 100ms. Bao gồm timer
đếm có nhớ và không có nhớ.
+ Số bộ đếm tốc độ cao: 4 bộ đếm với tần số 20KHz.
+ Số cổng vào ra: 8 cổng vào và 6 cổng ra.
+ Đầu vào:
Tầm ở trạng thái ON: 15-30VDC, dòng nhỏ nhất 4mA.
Trạng thái ON bình thường: 24VDC, 7mA.
Trạng thái OFF lớn nhất: 5VDC, 1mA.
+ Đầu ra:
16

Đầu ra kiểu relay.
Tầm điện áp 5-30VDC/ 250VAC.
Dòng tải tối đa: 2A/ điểm, 8A/ common.
Quá dòng: 7A với contact đóng.
Điện trở cách li: nhỏ nhất 100MΩ.
Thời gian chuyển mạch tối đa 10s.
Chế độ bảo vệ ngắn mạch không có.
+ Nguồn cung cấp:
Tầm áp/ tần số: 85 đến 264 VAC ở tần số 47 đến 63Hz.
Thời gian quát nhỏ nhất là 20ms ở điện.
b. Kết nối PLC với thiết bị.

Hình 2.8 Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị điều khiển.
c. PLC và các Module chức năng
Hình dưới đây là một loại PLC và module mở rộng trong PLC S7-200.

17


Hình 2.9 PLC S7-200 và một module của nó.
Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn trên Hình 2.10. Ngoài các module
chính này, các PLC còn có các module phụ trợ như module nối mạng, các module
đặc biệt để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, module điều khiển
động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào v.v…

Hình 2.10 Cấu hình cơ bản của PLC.
Các module chức năng rất đa dạng, có thể chia ra làm các loại đặc trưng sau:
–Module vào ra (I/O).

–Module chức năng đặc biệt.
Các loại modul analog
EM231: 4 analog inputs (6ES7 231–0HC22–0XA0)
EM232: 2 analog outputs (6ES7 232–0HB22–0XA0)
EM235: 4 analog inputs, 1 analog output (6ES7 235–0KD22–0XA0)

18


Hình 2.11 Sơ đồ đấu nối dây với modul analog.
2.4.4 Công tắc hành trình.
Công tắc hành trình trước tiên là cái công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch
điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ
cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc
quay.
Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch
điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác. Người ta có thể dùng
Có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:
- Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm
ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)
- Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay Vi Điều Khiển để khi cơ cấu
đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu

19


đó).

Hình 2.12 Công tắc hành trình.
Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động... Các công tắc

hành trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2
tiếp điểm, và cả công tắc quang.
2.4.5 Giới thiệu van điện từ.
2.4.5.1 Cấu tạo, chức năng, phân loại.

Hình 2.13 Cấu tạo và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp.
1,2. Cuộn dây của nam châm điện;
20


3,6. Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ;
4,5. Lò xo;
+ Van solenoid điều khiển trực tiếp.
+ Van solenoid điều khiển gián tiếp.
Cấu tạo:
+ Đối với van solenoid điều khiển trực tiếp gồm có thân van, con trượt, hai
nam châm điện
+ Đối với van solenoid điều khiển gián tiếp gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van
sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp và van thứ cấp 2 điều khiển con trượt bằng
dầu ép, nhờ tác động của van sơ cấp.
Van solenoid dùng để đóng mở (như van phân phối thông thường), điều khiển
bằng nam châm điện; giúp kiểm soát dòng chảy của nước. Được dùng trong các
mạch điều khiển logic.
2.4.5.2 Nguyên lý hoạt động:
Sử dụng van 2/2 với 2 trạng thái ( đóng mở), 2 cửa (vào, ra). Nguồn cấp cho
van hoạt động là 220V. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra điện trường hút
lõi thép mở thông van, khi ngắt điện thì lõi thép được nhả ra đóng van lại. Van chỉ
có 2 dây để cấp nguồn cho cuộn coil, thường có 2 cấp điện áp là 24VDC và
220VAC. Nếu muốn tự động thì nhờ vào cảm biến đưa về rơle sau đó out ra cuộn
coil của van.

2.4.5.3 Sơ đồ liên kết để điều khiển.

Hình 2.15 Sơ đồ liên kết điều khiển.

21


2.4.6 Cơ cấu thanh răng, bánh răng.
2.4.6.1 Đường ăn khớp, góc ăn khớp.

Hình 2.16 Đường ăn khớp.
- Đường ăn khớp lý thuyết
- Góc ăn khớp

r02 : bán kính vòng cơ sở bánh răng 1 và 2.
rL2 : bán kính vỏng lăn bánh răng 1 và 2.
Góc ăn khớp, đường ăn khớp, vòng lăn phụ thuộc vào khoảng cách trục, tức phụ
thuộc tương đối giữa hai bánh răng.
2.4.6.2 Điều kiện ăn khớp đều:
o Ăn khớp trùng:
AB = N1B – N1A
= N1B – (N1N2 –N2A)
= N1B + N2A – N1N2

22


phụ thuộc vào điều kiện chế tạo ( re, r0, t0 ) và điều kiện lắp ráp
Xét thanh răng sinh vẽ một họ đường thẳng bao hình tạo biên dạng thân khai
Thanh răng hình thang ăn khớp với bánh răng thanh khai

Hình 2.18 Thanh răng ăn khớp bánh răng.
2.4.6.3 Quan hệ động giữa thanh răng và bánh răng:
Khi cạnh tịnh tiến một đoạn ds = Mmt, bánh răng quay 1 góc

Do đó

Trong quá trình ăn khớp, vận tốc tịnh tiến của thanh răng và vân tốc góc của bánh
răng có một tỉ lệ nhất định tính theo

23


Xét chuyển động tương đối giữa thanh răng đối với bánh răng, các cạnh bánh răng
sẽ đứng yên và các cạnh thanh răng sẽ có 1 loạt các vị trí hợp thành những họ
đường thẳng có hình bao là các cạnh răng thân khai

Hình 2.19 Thanh răng và bánh răng.
Cho phôi chạy tròn với vận tốc
Cho thanh răng tịnh tiến với vân tốc v
và v thỏa quan hệ
Tập hợp các đướng thẳng sẽ tạo nên 1 họ đường thẳng bao hình là đường thân khai
cạnh răng.
Dạng của thanh răng sinh :

Hình 2.20 Dạng thanh răng.
Góc áp lực αt , thông thường αt = 200 ( đôi khi 250 hay 180)
Bước răng tt
Modun thanh răng mt = tt / π

24


Đường trung bình của thanh răng
Chiều cao đỉnh răng h’t, chân răng h”t
Để tránh ứng suất tập trung ở chân răng của bánh răng

Hình 2.21 Bánh răng ăn khớp.
Trong quá trình ăn khớp giữa bánh răng và thanh răng, vòng lăn của bánh răng có
bán kính cố định.

Khi cắt bánh răng bắng dao thanh răng người ta gọi vòng lăn là vòng chia.
Đường thẳng trên thanh răng lăn không trượt đối với vòng chia tại tâm ăn khớp; P
gọi là đường chia.
r phụ thuộc vào tỉ số vận tốc

của thanh răng và phôi khi chế tạo mà không

phụ thuộc khoảng cách giữa chúng.
Trong quá trình sử dụng, vòng chia không thay đổi lấy các thông số ứng với
vòng chia làm thông số chế tạo cơ bản của bánh răng.
Bước trên vòng chia = bước trên đường chia = bước trên đường trung bình của
thanh răng, t = tt.
Gọi z là số răng của bánh răng
2.4.7 Truyền động xích:
2.4.7.1 Khái niệm chung:

25