ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ 2 THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM

ĐẠI HỌC CNTP TP.HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
-----✩-----

-----✩-----

Khoa: CN CƠ KHÍ
Bộ Môn: Cơ Điện Tử
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
1. HỌ VÀ TÊN:
2. NGÀNH:

CƠ ĐIỆN TỬ

3. Đề tài: Thiết kế cánh tay robot gắp sản phẩm.
4. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

.....................................................................................................................................
........
.....................................................................................................................................
........
.....................................................................................................................................
........
.....................................................................................................................................
........
.............................................................................................................................................
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ...............................
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ...................................

7. Họ và tên người hướng dẫn:

Phần hướng dẫn

.................................................................

.....................................

.................................................................

.....................................

Nội dung và yêu cầu ĐAHP đã được thông qua Bộ Môn.
Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:......................................................
Ngày bảo vệ : ...........................................
Điểm tổng kết: .........................................
Nơi lưu trữ: ...............................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................... 2
1.2.

Tay máy công nghiệp: .................................................................................................. 2

1.3.

Cảm Biến: .................................................................................................................... 3

1.3.1.

Cảm biến từ E2E (Phát hiện sắt từ): ..................................................................... 3

1.3.2.

Cảm biến quang: ................................................................................................... 4

1.5. Nút ấn: ............................................................................................................................. 5
1.6. Khí nén và các phần tử khí nén: .................................................................................... 5
1.6.1. Máy nén khí: ............................................................................................................. 5
1.6.2. Bình trích chứa khí nén: ........................................................................................... 6
1.6.3. Mạng đường ống dẫn khí nén: .................................................................................. 6
1.6.4. Van đảo chiều: .......................................................................................................... 6
1.6.5. Cơ cấu chấp hành: .................................................................................................... 9
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 13
2.1. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển: ................................................................ 13
2.2. Giới thiệu về PLC: ........................................................................................................ 13
2.2.1. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC: .................................................................... 14
2.2.2. Các hoạt động xử lý bên trong PLC: .......................................................................... 16
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ........................................ 30
3.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ: ................................................................................................. 30
3.2. Dùng pison khí nén:....................................................................................................... 30

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................................. 34
4.1. THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ: ......................................................................................... 34
4. 2.THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN: .............................................................................................. 36


4.3.

SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG. ................................................................... 38

.............................................................................................................................................. 38
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH ............................................................................. 39
5.1. Lưu đồ thuật toán. .......................................................................................................... 40
5.2. Bảng I/0 ......................................................................................................................... 41
5.3. Chương trình hệ thống. .................................................................................................. 42
5.4. Kết quả mô hình hoàn thiện........................................................................................... 44
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 45
6.1. KẾT LUẬN: ................................................................................................................. 45
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN: .............................................................................................. 45
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 47


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Các loại cảm biến ...................................................................................................... 3
Hình 1. 2: Thông số cảm biến từ E2E ........................................................................................ 4
Hình 1. 3: Một số hình ảnh của nút ấn ....................................................................................... 5
Hình 1. 5: Ký hiệu van đảo chiều ............................................................................................... 7
Hình 1. 6: Kí hiệu cửa xả khí...................................................................................................... 7
Hình 1. 7: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều........................................................................ 8
Hình 1. 8: Tên và ký hiệu van ..................................................................................................... 9
Hình 1. 11: Xy lanh xoay .......................................................................................................... 11

Hình 1. 12: Xy lanh kẹp ............................................................................................................ 11
Hình 2. 2: Hình ảnh PLC Mitsubishi họ F ............................................................................... 17
Hình 2. 3: Giao tiếp và kết nối làm việc với PLC .................................................................... 18
Hình 2. 4: Các chân plc ............................................................................................................ 19
Hình 2. 5: Sơ đồ chân PNP ...................................................................................................... 20
Hình 2. 6: Sơ đồ kết nối NPN ................................................................................................... 20
Hình 2. 7: Phần mền GX developer .......................................................................................... 24
Hình 2. 8: Hướng dẫn kiểm tra cáp đã kết nối được chưa ....................................................... 25
Hình 2. 9: Kiểm tra drive của máy ........................................................................................... 25
Hình 2. 10: Click vào để mở chương trình làm việc................................................................. 26
Hình 2. 12: Thiết lập kết nối ..................................................................................................... 26
Hình 2. 13: Thiết lập cổng Com vs tốc độ truyền ..................................................................... 27
Hình 2. 14: Tải chương trình từ PC xuống PLC ...................................................................... 27
Hình 2. 15: Thiết lập Cửa sổ Write to PLC .............................................................................. 28
Hình 2. 16: Tải chương trình xuống ......................................................................................... 28
Hình 2. 17: Upload chương trình ............................................................................................. 29
Hình 2. 18: Thiết lập cửa sổ Read From PLC.......................................................................... 29


Hình 3. 1: : Piston khí nén........................................................................................................ 30
Hình 3. 2: Cảm biến quang thu phát chung ............................................................................. 31
Hình 3. 3: Van khí nén 5/2........................................................................................................ 32
Hình 3. 4: Van tiết lưu .............................................................................................................. 32
Hình 3. 5: Nút nhấn .................................................................................................................. 33
Hình 3. 6: PLC Mitsubishi FX1X ............................................................................................. 33
Hình 4. 1: xi lanh ...................................................................................................................... 34
Hình 4. 2: thông số khí nén....................................................................................................... 35
Hình 4. 3: Sơ đồ khối của hệ thống. ......................................................................................... 36
Hình 4. 4: Sơ đồ điện của hệ thống. ......................................................................................... 37
Hình 4. 5: sơ đồ tổng thể hệ thống. .......................................................................................... 38

Hình 5. 1: Mô hình hoàn thiện. ................................................................................................ 44


Đồ án học phần cơ điện tử 2

LỜI NÓI ĐẦU
Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá hiện đại.
Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp
những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động. So
với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu
điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự
động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần.
Tự động hóa là một nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất ngày nay. Việc
ứng dụng tay máy scara vào tự động hóa dây chuyền sản xuất mà cụ thể hơn ở đây là
dây chuyền phân loại sản phẩm trên băng chuyền giúp cho việc sản xuất trở nên linh
hoạt hơn, hiệu quả hơn. Với nhu cầu tìm hiểu về hệ thống tự động trong sản xuất và với
kiến thức của sinh viên năm thứ 3 tại trường đại học chúng em chọn đề tài “ Tìm hiểu
cánh tay robot” để nghiên cứu và tìm hiểu.
Do yêu cầu về kiến thức về thiết kế, tính toán và điều khiển chính xác đối với thiết kế
phần cứng là rất cao nên nhóm chúng em không tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, rất
mong muốn được sự chỉ bảo thêm của các thầy, cô và đóng góp của bạn bè để đồ án
được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này !

1


Đồ án học phần cơ điện tử 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.

Đặt Vấn Đề.

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật , trong đó điều khiển tự động
đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công
nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó
một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới
nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Một trong những
khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản xuất
ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm. Tuy
nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được
áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính
vì vậy cho ra năng suất thấp chưa đạt hiểu quả cao. Từ những điều đã được nhìn thấy
trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà chúng em đã học được ở trường muốn
tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác
cao. Nên chúng em quyết định thiết kế và thi công mô hình sử dụng băng chuyền để
phân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩm được
sản xuất ra đòi hỏi phải có kích thước tương đối chính xác và nó thật sự có ý nghĩa với
chúng em, góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn, để xứng tầm với sự
phát triển của thế giới.
1.2.

Tay máy công nghiệp:

Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp. Chúng hình cánh tay
để tạo các chuyển động cơ bản cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay ( End
Effector ) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng .
-

Kết cấu của tay máy .

Các tay máy có điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với nhau bằng
các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ phần công tác. Các khớp phổ
biến là khớp trượt và khớp quay. Tùy theo số lượng và cách bố trí các khớp mà người
ta có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các , tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, và kiểu tay
người ( Anthropomorpnic ).
2


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Ngun lý hoạt động:
-

Đầu tiên, các bộ phận cảm biến sẽ tiếp nhận các thơng tin, đặc điểm của đối
tượng cần tác động dựa trên các lập trình ban đầu. Chẳng hạn thơng tin về
màu sắc, trọng lượng, khoảng cách với đối tượng cần tác động.

-

Dựa vào các thơng tin này, phần mềm của robot sẽ tiến hành tính tốn các
thơng số, viết lệnh và gửi đến hệ thống điều khiển để tiến hành các thao tác
bằng tay máy một cách chuẩn xác nhất

Cảm Biến:

1.3.

Để điều khiển chuyển động của các xy lanh khí nén hay các loại cơ cấu chấp hành

khác cần có sự phát hiện sự dịch chuyển, hay nói cách khác là có sự thay đổi về vị trí
hoặc thay đổi các thơng số của q trình trong hệ thống điều khiển. Trong phần này,
chúng ta đề cập chủ yếu đến các loại cảm biến phát hiện hai trạng thái ON - OFF.
Tiếp điểm của cảm biến chia ra làm 2 loại: thường đóng (Normal Closed – NC) và
thường mở (Normal Open – NO). Cơng tắc hành trình thường có cả 2 loại tiếp điểm NO
và NC nhưng với một cực chung. Khi có tín hiệu tác động thì sẽ chuyển đổi trạng thái
của 2 tiếp điểm này: tiếp điểm thường mở đóng lại và tiếp điểm thường đóng mở ra.
24V

24V

24V
Fe

Hình 1. 1. Các loại cảm biến
0V
0V

0V

1.3.1. Cảm biến từ E2E (Phát hiện sắt từ):
Cả
m biến quang

Cả
m biến điện dung

Cả
m biến cả
m ứ

ng từ

✓ Dùng để phát hiện các vật thể bằng kim loại, thường dùng để khống chế các hành
trình. Khoảng cách phát hiện của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào vật
liệu của vật cảm biến, các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có
khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu khơng có từ tính.
✓ Đa chức năng, khoảng cách phát hiện tới 30mm
3


Đồ án học phần cơ điện tử 2

✓ Vỏ bọc đồng thau hoặc thép không gỉ cho độ bền cao
✓ Các model DC 2 dây, 3 dây và 4 dây (NO + NC).

Hình 1. 2: Thông số cảm biến từ E2E
◼ Ứng dụng vào mô hình tại các cơ cấu Input:
✓ I0.3 (Ta) cảm biến xác định vị trí tay máy bên trên.
✓ I0.4 ( Tb) cảm biến xác định vị trí tay máy bên dưới
✓ I0.5 (Tc) cảm biến xác định vị trí tay máy bên trái.
✓ I0.6 (Td) cảm biến xác định vị trí tay máy bên phải
1.3.2. Cảm biến quang:
Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật.
Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position
sensing device) bằng thấu kính thu. Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay
đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của
hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân
bằng của 2 PSD cũng thay đổi.
Ứng dụng mô hình tại cơ cấu input
4

Đồ án học phần cơ điện tử 2

✓ I0.7 (PDA) cảm biến xác định có sản phẩm.
1.5. Nút ấn:
- Nút ấn đóng- mở: Khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua (mở), khi
tác động thì dòng điện sẽ đi qua
- Nút ấn chuyển mạch sẽ chuyển trạng thái của mạch

Nút ấn đóng – mở

Cấu tạo và ký hiệu nút ấn

Nút ấn đóng mở

Rơ le đóng mạch

Nút ấn khẩn cấp

Hình 1. 3: Một số hình ảnh của nút ấn
1.6. Khí nén và các phần tử khí nén:
1.6.1. 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


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Phân làm 2 loại :
-

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

-

Phân loại theo nguyên lý hoạt động.
+ Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong,
máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục
vít.
+ Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều
trục.

1.6.2. 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, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử
dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn.

1.6.3. 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.
1.6.4. Van đảo chiều:

6


Đồ án học phần cơ điện tử 2

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 1. 4: Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều.

Ký hiệu của van đảo chiều:
Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o,a ,b
,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, …

a

o

b

a

b

Hình 1. 5: Ký hiệu van đảo chiều
Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối
với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí
thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’.

a

b

Hình 1. 6: Kí hiệu cửa xả khí

7


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối
nối cho ống dẫn khí là trường hợp b.
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động
của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang.

4(B)
Cửa nối điều khiển

14(Z)

2(A)
0

1

Cửa 1nối với cửa 4

12(Y

Cửa nối điều khiển

Cửa 1nối với cửa 2

3(R) Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn
5(S)
Cửa xả khí có mối
nối cho ống dẫn

1(P) Nối với nguồn khí nén

Hình 1. 7: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều
❖ Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2:
Trong đó:
• 5 : chỉ số cửa
• 2 : chỉ số vị trí.

Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều

TÊN THIẾT BỊ

KÝ HIỆU

8


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Van đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2

Hình 1. 8: Tên và ký hiệu van
❖ Tín hiệu tác động:
Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác động bằng
cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.
Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’) hay chỉ
từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’).
1.6.5. Cơ cấu chấp hành:
1.6.5.1. Nhiệm vụ :
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ
học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động
cơ khí nén).
1.6.5.2. Xi lanh:
- Xilanh tác dụng đơn:

9


Đồ án học phần cơ điện tử 2

+ Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực
hay lò xo tác động.
+ Một số loại xilanh tác động 1 chiều:

a

b

Hình 1. 9: Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b)
- Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép):
Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đi vào
hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh.

Hình 1. 10: Xy lanh tác động kép

10


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay. Hai ngõ vào điều khiển để điều khiển
Hình 1. 11: Xy lanh xoay
pittong có răng di chuyển qua lại. Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1 bánh răng
làm bánh răng quay. Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động.
Xilanh kẹp

Hình 1. 12: Xy lanh kẹp

* Ưu nhược điểm của khí nén:
11


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Ưu điểm:
− Không gây ô nhiễm môi trường.
− Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí
nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp.

− Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo.
Nhược điểm:
− Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi.
− Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn.
− Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh.

12


Đồ án học phần cơ điện tử 2

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT
2.1. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển:
Hệ thống điều khiển là gì?
Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử. Nó dùng để vận hành
một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt.
Hệ thống điều khiển dùng rơle điện:
Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và 70,
những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ định thời,
tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết bị này được liên kết với nhau để trở thành
một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện
( tủ điều khiển).
Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ điều
khiển rất lớn. Điều đó dẩn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi bị hỏng rất phức tạp
và khó khăn. Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều khiển thì bắt
buộc thiết kế lại từ đầu.
Hệ thống điều khiển dùng PLC:
Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện. những năm
80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tinh cậy, ổn
định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu

quả kinh tế cao đó là bộ điều khiển PLC.
2.2. Giới thiệu về PLC:
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo từ
những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968.
Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng rộng rãi
trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá
trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển
lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp.
13


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao
và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều
khiển tự động hóa.

Hình 2. 1: Tổng quan về PLC
2.2.1. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC:
❖ Cấu trúc:
•

Đơn vị xử lý trung tâm:

14


Đồ án học phần cơ điện tử 2

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương

trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình,
đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để
thực thi. Toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển
được giữ trong bộ nhớ.
•

Hệ thống bus:

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song
song
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau.
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ
các hoạt động trong PLC.
•

Bộ nhớ:
Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần

xử lý trong chương trình của PLC.
Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức
năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ nhớ
vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương
trình khi mất điện
• Kích thước bộ nhớ:
• Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.
• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1-16K, có khả năng chứa từ 2000 - 16000 dòng
lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
• Các ngõ vào ra I/O:

15


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào của
PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêu xử lý là 12/24 VDC
hoặc 100/240 VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O
được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động
nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng
hay ngắt mạch ở đầu ra.
•

Bộ nguồn:

Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.
•

Khối quản lý ghép nối:

Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình,
bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.
2.2.2. Các hoạt động xử lý bên trong PLC:
- Xử lý chương trình :
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được trong một
vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ.

PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ
sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối
chương trình. Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ
thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn
của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau:
 Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục
vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.

16


Đồ án học phần cơ điện tử 2

 Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình. Trong
ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện
các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
 Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module
đầu ra.
- Xử lý xuất nhập:
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC.
Cập nhật liên tục:
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngõ vào (mà chúng xuất hiện trong chương trình),
khoảng thời gian delay được xây dựng bên trong để chắc chắn rằng chỉ có những tín
hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các lệnh ngõ ra được lấy trực tiếp
tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chương trình , khi lệnh OUT được thực hiện
thì các ngõ ra cài lại vào đơn vị I/O, vì thế nên chúng vẫn giữ được trạng thái cho tới
khi lần cập nhật kế tiếp.
2.3 PLC Mitsubishi họ Fx:

Hình 2. 2: Hình ảnh PLC Mitsubishi họ F

2.3.1 Khảo sát PLC Mitsubishi FX:
17


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Thiết bị yêu cầu để làm việc với PLC:
❖ PLC
❖ Programming Device: thiết bị lập trình (Máy tính)
❖ Programming Software: Phần mền lập trình (GX-Works)
❖ Connector Cable: cáp kết nối

Programming Device
Software

Connector Cable + PLC
Hình 2. 3: Giao tiếp và kết nối làm việc với PLC

2.3.2 Phần cứng của PLC FX:
18


Đồ án học phần cơ điện tử 2

Tên gọi: PLC họ FX có nhiều loại: FX, FX0, FX1N, FX1S, FX2N, FX3U, FX5U là
các dòng với tính năng tăng dần về: dung lượng, tốc độ xử lý, tập lệnh,….
Từ số hiệu Model PLC xác định được số I/O, dạng ngõ ra của PLC:
➢ Fx1S-30MR: 30 I/O, ngõ ra dạng Relay.
➢ Fx3U-80MR/ES: 80 I/O, ngõ ra dạng Relay.
➢ Fx1N-60MT: 60 I/O, ngõ ra Transistor dạng Sink (kích mức 0).

Nguồn cấp cho PLC FX: 220VAC hoặc 24VDC.
Ngõ vào PLC FX:
➢ Loại có chân S/S: có thể chọn mức tác động cho ngõ vào là mức 1 hay 0.
➢ Loại không có chân S/S (có chân COM thay thế): Input nhận kích mức 0.
Kết nối nguồn cho PLC
➢ Cấp nguồn 220V tại vị trí L-N:

L

N

COM

X1

X3

X5

X7

X11

X13

X0

X2

X4

X6

X10

X12

X14

Y5

Y6

Y10

Y4

COM4

Y7

X15

FX 1N-24 MR-ES/UL

OV

Y0

24V

COM0

Y1

Y2

Y3

COM1 COM2 COM3

∙
Y11

Hình 2. 4: Các chân plc

19


Đồ án học phần cơ điện tử 2

❖ Kết nối ngõ vào Input:
➢ Loại có chân S/S:
FX1S-Source
PNP

24V

0V

S/S

X0

X1

X2

X1

X2

FX1S-**M*-ES/UL, ESS,UL
Hình 2. 5: Sơ đồ chân PNP

FX1-Sink
NPN

24V

0V

S/S

X0

FX1S-**M*-ES/UL, ESS,UL

Hình 2. 6: Sơ đồ kết nối NPN

20