Giáo trình Hệ thống tự động hóa công nghiệp (Ngành Điện công nghiệp và dân dụng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP
NGÀNH: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG
TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP
THƠNG TIN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
Họ tên: Đỗ Hữu Nhân
Học vị: Thạc sỹ
Đơn vị: Khoa Điện – Tự động hóa
Email:
TRƯỞNG KHOA

TỔ TRƯỞNG
BỘ MƠN

CHỦ NHIỆM
ĐỀ TÀI

Đỗ Hữu Nhân
HIỆU TRƯỞNG
DUYỆT

Tháng 7, năm 2020


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình được xây dựng và biên soạn trên cơ sở chương trình đào tạo nghề bậc
học Trung cấp đã được Tổng cục dạy nghề phê duyệt.
Giáo trình biên soạn gắn liền với tính thực tế, tính khoa học và hướng đến liên
thông và tiệm cận khu vực và được dùng để giảng dạy sinh viên trình độ Trung cấp.
Nội dung giáo trình gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa CN
Chương 3: Phương pháp lắp đặt, vận hành, bảo trì và sửa chữa hệ thống tự
động hóa cơng nghiệp
Giáo trình được biên soạn trên cơ sở người học đã học qua các môn kỹ thuật khí
nén, kỹ thuật lập trình PLC, trang bị điện. Để thuận tiện người học cuối mỗi bài đều có
phần câu hỏi và bài tập áp dụng để người học dễ dàng tiếp cận và vận dụng.
Trong suốt thời gian biên soạn giáo trình này khơng tránh khỏi sai sót, tác giả
mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các đồng nghiệp, người đọc để giáo trình được
hồn thiện hơn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 07 năm 2020
Chủ biên
Đỗ Hữu Nhân


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHỮ CÁI VIẾT TẮT

CỤM TỪ ĐẦY ĐỦ

CN

Cơng nghiệp

HT

Hệ thống

TĐH

Tự động hóa

ĐKTĐ

Điều khiển tự động


MỤC LỤC
TRANG
LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CN ............. 7
1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ............................................. 7
1.2. Các phần tử trong hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ................................................. 8
1.2.1. Vị trí, vai trị của các phần tử trên hệ thống tự động hóa công nghiệp................... 8
1.2.2. Cấu tạo, chức năng của các phần tử trên hệ thống tự động hóa CN ....................... 8
1.3. Các yêu cầu điều khiển của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ................................. 16
1.4. Nhận dạng, phân tích chức năng hoạt động các phần tử trong HT TĐH CN............. 16
CHƯƠNG 2: HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA CN ........................... 18

2.1. Tổng quan về công cụ mô tả hoạt động của hệ thống TĐH CN................................. 18
2.2. Công cụ mơ tả hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp .............................. 19
2.2.1. Ngơn ngữ lập trình GRAFCET – các thành phần ................................................ 19
2.2.2. Bài tập ví dụ xây dựng biểu đồ Grafcet cho hệ thống Distributing ...................... 25
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO TRÌ VÀ SỬA CHỮA HỆ
THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP .................................................................... 27
3.1. Phương pháp lắp ráp hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ........................................... 27
3.2. Lắp ráp và vận hành hệ thống ..................................................................................... 35


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP
Mã mơn học: MH2102329
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học:
- Vị trí: Trước khi học mơn học này cần hồn thành các mơn học cơ sở và một số môn ho ̣c
chuyên môn: kỹ thuật khí nén, kỹ thuật lập trình PLC, trang bị điện.
- Tính chất: Là mơn học tích hợp chun ngành Điện công nghiệp và Dân dụng.
Mục tiêu của môn học/mô đun:
- Về kiến thức:
+ Mô tả được cấu tạo và hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
+ Phân tích được chức năng hoạt động của các phần tử hệ thống tự động hóa cơng
nghiệp.
+ Triǹ h bày được cấ u ta ̣o và các chức năng hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng
nghiệp.
- Về kỹ năng:
+ Nhận dạng được vị trí của các phần tử trên hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
+ Xây dựng được lưu đồ điều khiển mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng
nghiệp.
+ Thiết lập được cấu hình giao tiếp giữa máy tính và PLC cho hệ thống tự động hóa
cơng nghiệp.

+ Lắp ráp và kiểm tra được hoạt động của các phần tử trong hệ thống.
+ Lập trình điều khiển được hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
+ Vận hành và kiểm tra được hoạt động của hệ thống.
+ Tìm và sửa lỗi được cho hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Thể hiện tính chặt chẽ và chính xác.
+ Thể hiện tư duy phản biện.
+ Thể hiện tinh thần độc lập, sáng tạo.


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP
Giới thiệu:
Chương 1 này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống tự động hóa cơng nghiệp và các thành
phần trên hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
Mục tiêu:
+ Mơ tả được cấu tạo của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
+ Xác định được chức năng của các thành phần trên hệ thống.
+ Thể hiện tính chặt chẽ và chính xác.
+ Thể hiện tư duy phản biện.
+ Thể hiện tinh thần độc lập, sáng tạo.
Nội dung chính:
1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Đặc trưng cơ bản của các hệ thống tự động hóa cơng nghiệp là khơng có sự can thiệp
của con người trong q trình hoạt động của nó.
Sơ đồ tổng qt hệ thống tự động hóa cơng nghiệp được mơ tả như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Khối chấp hành: Bao gồm các hệ thống dẫn dộng. Mục đích của hệ thống dẫn động
trong hệ thống sản xuất tự động là nhằm thực hiện các chức năng cơng tác của q trình sản
xuất. Có thể phân hệ dẫn động theo 2 dạng cơ bản dực trên cơ sở nguồn năng lượng là dẫn
động điện và dẫn động bằng thuỷ lực hay khí nén.
Khối điều khiển: Khối điều khiển là nơi thực hiện các nhiệm vụ như nhận thông tin từ
các vật mang tin và chuyển nó thành các lệnh để điều khiển khối chấp hành, đồng thời giám
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

1


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
sát sự hoạt động của khối chấp hành thông qua các cảm biến để điều chỉnh hệ thống hoạt động
ổn định một cách kịp thời và chuẩn xác. Khối điều khiển có 2 dạng là hệ điều khiển cứng và
hệ điều khiển lập trình được.
1.2. Các phần tử trong hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
1.2.1. Vị trí, vai trị của các phần tử trên hệ thống tự động hóa công nghiệp
Khối điều khiển:
+ Hệ điều khiển cứng là hệ chỉ hoạt động theo các chương trình mà người thiết kế đã
lắp đặt. Khi cần thay đổi một số hoạt động của hệ thống thì phải điều chỉnh hoặc thay thế một
số phần tử, thậm chí có thể phải thay thế toàn bộ hệ thống khác.
+ Hệ điều khiển lập trình được là hệ cho phép người ta đưa vào các bộ vi xử lý, các bộ
tính tốn số học, logíc và nội suy vào trong các khối điều khiển nhằm mục đích điều khiển
q trình hoạt động của các thiết bị một cách linh hoạt bằng việc thay đổi các chương trình
hoạt động của các máy móc, thiết bị theo công nghệ yêu cầu nhờ sự thay đổi chương trình trên
cơ sở các vật chất đã có. Ví dụ như các bộ điều khiển khả trình PLC sử dụng trong công
nghiệp, các hệ thống điều khiển số trên các máy công cụ CNC, các trung tâm gia công, Robot
và các hệ thống DNC, CIM.
Van dẫn động: Mục đích của các van là sử dụng tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển

có cơng suất rất nhỏ để thực hiện các chức năng đóng mở các dẫn động có cơng suất lớn. Đặc
điểm của các van này có nhiều kiểu khác nhăunhng yêu cầu cơ bản là phải có tác động
nhanhvà nhạy với các tín hiệu điều khiển. Tuỳ theo hệ dẫn động mà sử dụng các các loại van
tương ứng. Đối với dẫn động điện, nó thường là Rơle, Công tắc tơ hoặc khởi động từ. Đối với
dẫn động thuỷ khí thì thường sử dụng các loại van Solenoid, van trượt, van quay điều khiển.
Cảm biến: Mục đích của cảm biến là giám sát các hoạt động của các dẫn động hoặc các
cơ cấu chấp hành để nhận các đại lượng vật lý thực của quá trình hoạt động và biến đổi nó
thành các đại lượng điều khiển (đại lượng điện) để cung cấp cho khối điều khiển nhằm điều
khiển hệ thống một cách ổn định và chính xác nhất. Tuỳ thuộc vào các q trình cơng nghệ
mà lựa chọn các loại cảm biến cho thích hợp với các đại lượng cần xác định.
1.2.2. Cấu tạo, chức năng của các phần tử trên hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
1.2.2.1. Đối tượng điều khiển
a. Đối tượng điều khiển là động cơ
Động cơ DC: là loại động cơ sử dụng nguồn điện DC, với loại động cơ này có đặc tính
ngẫu lực lớn, dễ điều khiển…
Động cơ AC: sử dụng nguồn điện AC loại này hiện rất thông dụng với động cơ không
đồng bộ dạng 1 pha và 3 pha, loại này thường được điều khiển dùng biến tần.
Động cơ khí nén: ĐC khí nén biến đổi năng lượng của khí thành năng lượng cơ.
b. Đối tượng điều khiển là xylanh
Xy lanh là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng thế năng hay động năng thành năng
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

2


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
lượng cơ học – chuyển động thẳng hoặc xoay. Xy lanh chia làm 2 loại: Xy lanh chuyển động
tịnh tiến và xylanh chuyển động quay (< 360o).
Xy lanh chuyển động tịnh tiến:
+ Xy lanh tác động đơn: Xy lanh tác động một phía được cung cấp khí nén bởi một

phía duy nhất. Như vậy nó chỉ có thể cho hành trình làm việc ở một chiều duy nhất. Hành
trình ngược lại của piston được thực hiện bởi lò xo hoặc lực ngồi. Cho nên khí nén chỉ cần
thiết cho việc di chuyển ở một chiều duy nhất. Trong xy lanh tác động 1 phía phản hồi bằng lị
xo, hành trình là một hàm theo độ dài của lò xo. Thường trong xy lanh tác động một phía
hành trình khơng vượt quá 100mm. Như thế chỉ sử dụng chúng giới hạn trong các công việc
đơn giản như: siết chặt, đẩy ra, nâng lên, lắp vào của các chi tiết, cấp chuyển động ...

+ Xylanh tác động kép: Nguyên tắc hoạt động của xylanh tác động kép là áp suất khí
nén được dẫn vào cả 2 phía. Xy lanh tác động 2 phía được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng: nâng vật, siết chặt, ứng dụng trong các dây chuyền tự động phân loại sản phẩm, dán
nhãn, đóng mở van…
+ Xylanh tác động 2 chiều:

+ Xy lanh 2 cần:

1.2.2.2. Khối điều khiển thiết bị
Trong một hệ thống tự đơng hóa cơng nghiệp, Khối điều khiển thiết bị (đối tượng điều
khiển) là thành phần rất quan trọng, nó quyết định đến kết quả của q trình điều khiển. Các
bộ điều khiển có thể là những mạch điện tử đơn giản (dùng linh kiện điện tử, IC số, vi điều
khiển…) đến các bộ lập trình tích hợp sẵn (Logo, PLC…) các bộ điều khiển này cũng thường
được thiết kế để có thể kết nối với máy tính hai màn hình HMI để giao tiếp trong việc điều
khiển và giám sát.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

3


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp

Hình 1.2. Mơ hình hệ thống điều khiển băng tải dùng PLC

1.2.2.3. Cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng
khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện như (nhiệt độ, áp suất…) tác
động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện như (điện áp, dịng điện, trở
kháng…) chứa đựng thơng tin cho phép ta có thể xác định giá trị của đại lượng điện đó, đặc
trưng (s) chính là hàm của đại lượng cần đo (m). Ta có s = F(m).
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hay là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu
vào hay gọi là kích thích. Thơng qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).
Các loại cảm biến thông dụng:









Cảm biến tiệm cận.
Cảm biến quang.
Cảm biến màu sắc.
Cảm biến thông minh.
Cảm biến sợi quang.
Cảm biến lực căng áp suất.
Cảm biến nhiệt.
Cảm biến siêu âm….

a. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
Đặc điểm:

+ Phát hiện vật không cần tiếp xúc.
+ Tốc độ đáp ứng cao.
+ Ðầu cảm biến nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi, sử dụng trong mơi trường khắc nghiệt.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA

4


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Cảm ứng từ loại điện cảm (Inductive Sensor)
Cảm ứng từ loại điện cảm dựa vào điện cảm của cuộn dây sinh ra từ trường xung quanh
nó để nhận biết vật. Cảm biến loại điện cảm rất đa dạng như ở hình.

Cảm ứng từ bao gồm vùng từ trường được tạo ra nhờ vào cuộn dây quấn tạo cảm ứng từ
với tần số làm việc từ 300 đến 800kHz, loại này thường đưa ra 2 dây cáp kết nối nguồn và
một dây tín hiệu ra. Khi có tín hiệu ra sẽ có led chỉ chỉ thị báo hiệu cảm biến nhận thấy vật
trong vùng tác động.

Khi vật cản tác động lên bề mặt của cảm biến, biên độ tín hiệu của mạch dao động sẽ
thay đổi, biên độ này sẽ giảm dẩn khi vật càng tiến gần bề mặt tác động. Khi khoảng cách đủ
lớn ngõ ra của cảm biến sẽ cho ra một xung và đèn chỉ báo sẽ sáng lên.
Cảm ứng từ loại từ cảm
Loại tác động bằng tiếp điểm (Reed Switch - Công tắc lưỡi gà):

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

5


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp

+ Cảm biến loại này phát hiện được tất cả các loại vật liệu dẫn điện trong khoảng cách
cho phép. Từ trường được tạo ra từ cuộn dây cảm ứng tác động lên lưỡi gà làm đóng tiếp
điểm. Cảm biến bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố: Nhiệt độ, vật cản bằng KL, khoảng cách vật cản.
+ Khi có từ trường đi qua vùng cơng tắt thì sẽ làm cho hai tiếp điểm nhiễm từ và hút
nhau, hai tiếp điểm sẽ được nối lại.
+ Sự phụ thuộc từ các từ trường khác nhau cần được tránh:
 Vị trí của điểm tác động phụ thuộc vào khoảng cách dịch chuyển.
 Dòng cực đại cần được giới hạn để tránh cháy tiếp điểm.
Một vài ứng dụng cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ:
+ Phát hiện tình trạng của hộp thiết:

+ Phát hiện vị trí:

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung (Capacitive Sensor)
Dùng phát hiện các loại vật thể có hằng số điện mơi lớn hơn khơng khí: Nhựa, thủy
tinh, gỗ, kim loại...

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

6


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Cảm biến điện dung có cấu tạo bao gồm các thành phần: điện cực nối nguồn, điện
cực nối mass led chỉ báo và nút hiệu chỉnh độ nhạy như hình.

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giửa vật cảm biến và đầu
sensor), có thể phát hiện tất cả các vật.
Cảm biến mức điện dung hoạt động dựa trên sự khác biệt hằng số điện môi giữa chất lưu
và khơng khí. Ðiều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất

lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của khơng khí, thường là gấp đơi. Hằng số điện mơi của
khơng khí là khoảng 1.0; dầu có hằng số điện mơi từ 1,8 đến 5; nước có hằng số điện môi ở
giữa khoảng 50 đến 80.
Ứng dụng cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung:
+ Phát hiện mức chất lỏng: bên trong chai từ bên ngồi vỏ.

+ Truyền tín hiệu kiểm tra hay bộ nối: Phát hiện cánh tay robot đang giử vật.

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

7


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
b. Cảm biến quang (Optical Sensor)

Bộ phát: Thường dùng đèn led (Led Emitting Diodes). Ðây là loại led có khả năng phát
sáng khi có dịng điện thuận chạy qua. Led được chế tạo để phát ra nhiều loại ánh sáng khác
nhau.
Bộ thu: Nhận ánh sáng từ bộ phát, thực hiện tạo tín hiệu ngõ ra thường ở dạng
ON/OFF. Thường là các loại linh kiện: Photodiode, Phototransitor, Photocell (các tế bào
quang điện, quang trở...)
Lượng ánh sáng nhận về sẽ được chuyển tỉ lệ thành tín hiệu áp (hoặc dịng) và sau đó
được khuếch đại. Sensor xuất tín hiệu ra báo có vật nếu mức điện áp lớn hơn mức ngưỡng.
Cảm biến quang loại thu phát độc lập (Through Beam)

Hình 1.8. Cảm biến quang thu phát độc lập
Cảm biến quang loại thu phát độc lập bao gồm hai phần: phần thu và phần phát độc lập
nhau, vật được đặt vào giửa bộ thu và phát như hình.
Cảm biến quang loại thu phát độc lập có đặc điểm:

+ Ðộ tin cậy cao.
+ Khoảng cách phát hiện xa.
+ Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt của vật.
+ Khoản cách có thể lên đến 30m.
+ Kiểm tra được tất cả các vật thể trừ một ít vật thể có bề mặt trong suốt.
Cảm biến quang loại thu phát chung (Retro Replective)

Cảm biến quang loại thu phát chung bao gồm hai bộ thu và phát gắn chung nhau, bề mặt
phản xạ đặt hướng vào bề mặt thu phát của cảm biến, trong loại này ảnh hưởng phản xạ lên bề
mặt là rất quang trong đến việc thu phát của cảm biến.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

8


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Cảm biến quang loại thu phát chung có đặc điểm:
+ Ðộ tin cậy cao. Giảm bớt dây dẫn.
+ Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng lống.
+ Khoảng cách chỉ cỡ ½ , 1/3 so với phương pháp truyền xun tâm.
+ Khơng thích hợp khi dùng để phát hiện các vật liệu trong suốt hoặc các vật liệu có bề
mặt phản xạ được.
+ Vật phát hiện phải có kích thước lớn hơn bộ phận phản xạ của cảm biến.
+ Sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng phát hiện vật, thùng trong băng chuyền.
Cảm biến quang loại đặt khoảng cách

Ứng dụng của cảm biến quang
+ Phát hiện vật đi qua chổ hẹp:

+ Phát hiện chai ngã:

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

9


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
1.3. Các yêu cầu điều khiển của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Thiết kế hệ thống tự động điều khiển được bắt đầu từ yêu cầu kỹ thuật. Yêu cầu kỹ thuật
có liên quan mật thiết tới cơng nghệ của đối tượng tự động hóa và cấu trúc của chúng. Phương
án tối ưu, xét từ khía cạnh năng suất lao động và kinh tế có được khi hệ thống tự động hóa có
tính tối ưu về thiết bị, cơng nghệ, cấu trúc, giá thành. Nói cách khác, thiết kế một hệ thống tự
động hóa điều khiển mới xuất phát từ u cầu cần hiện đại hóa cơng nghệ, cấu trúc máy, trên
cơ sở những cơng nghệ và máy móc mới.
1.3.1. Đảm bảo các sai số trong phạm vi cho phép
Trong các bài toán kỹ thuật, khi thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh có liên quan
đến số lượng, dạng, công suất của các thiết bị động lực chính, chúng được lựa chọn theo
những chỉ tiêu kĩ thuật của từng thiết bị đó. Bài tốn kỹ thuật cho biết chế độ làm việc của đối
tượng điều chỉnh, các chế độ làm việc của các thiết bị động lực chính mà hệ thống tự động cần
thực hiện. Nó cho chúng ta biết những sai số tĩnh và động cho phép của đại lượng điều chỉnh.
Từ những thơng số đó mà chọn những thông số của các thiết bị điều chỉnh cho hợp lý, đáp
ứng được những yêu cầu về sai số.
1.3.2. Đảm bảo độ nhanh, điều chỉnh phù hợp
Các máy móc cơng nghiệp ngày càng có u cầu cao về năng suất lao động. Muốn đạt
được yêu cầu đó, mạch điều khiển phải chính xác. Tuy nhiên, thường gặp trong các hệ thống
tự động điều khiển, hệ thống tác động nhanh sẽ kéo theo lượng điều chỉnh lớn, do đó thường
phải lựa chọn sao cho tối ưu theo yêu cầu thực tế của đối tượng.
1.3.3. Có chỉ tiêu năng lượng cao
Các hệ thống điều khiển cần có chỉ tiêu kinh tế cao. Trong chỉ tiêu kinh tế thì tổn thất
năng lượng khi biến đổi và điều chỉnh đóng vai trị quan trọng. Ngồi ra hệ số cơng suất của

hệ thống cũng góp phần ảnh hưởng khơng nhỏ đến chỉ tiêu năng lượng
1.4. Nhận dạng, phân tích chức năng hoạt động các phần tử hệ thống tự động hóa CN
a. Hệ thống điều khiển động cơ DC

Hình 1.3. Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC
+ Cơ cấu chấp hành: động cơ AC hoặc DC
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

10


Chương 1: Tổng quan hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
+ Thiết bị điều khiển: biến tần (Inverter).
+ Cảm biến: sensor đo tốc độ động cơ.
b. Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Hình 1.4. Hệ thống điều khiển nhiệt độ
+ Cơ cấu chấp hành: bộ điều chỉnh nhiệt độ trong lò nhiệt
+ Thiết bị điều khiển: là một thiết bị tự động được chế tạo làm việc theo chức năng và
yêu cầu thực tế như chuyển nhiệt độ từ lò nhiệt và hiển thị lên màn hình hiển thị và gởi tín
hiệu điều khiển để điều khiển lị nhiệt ổn định nhiệt độ.
+ Cảm biến: được dùng là loại cảm biến nhiệt.
c. Hệ thống điều khiển động cơ AC 3 pha

Hình 1.5. Hệ thống điều khiển động cơ AC 3 pha
+ Thiết bị điều khiển: là card điều khiển trung tâm điều khiển giao tiếp máy tính
+ Cơ cấu chấp hành: là động cơ AC 3 pha.
+ Cảm biến: sử dụng cảm biến từ Hall là thành phần hồi tiếp.
CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG 1
Câu hỏi 1.1. Trình bày vai trị của các phần tử trên hệ thống tự động hóa cơng nghiệp

Câu hỏi 1.2. Nêu vai trị và chức năng của cảm biến thường dùng trong hệ thống tự động hóa.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA

11


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Chương 2:

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP
Giới thiệu:
Chương 2 này sẽ giới thiệu cơng cụ Grafcet dùng để mô tả được hoạt động của hệ thống
tự động hóa cơng nghiệp. Sinh viên sẽ dựa vào công cụ này để xây dựng lưu đồ điều khiển mơ
tả hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
Mục tiêu:
- Về kiến thức:
+ Mô tả được hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
- Về kỹ năng:
+ Nhận dạng được vị trí của các phần tử trên hệ thống tự động hóa cơng nghiệp.
+ Xây dựng được lưu đồ điều khiển mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa CN.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Thể hiện tính chặt chẽ và chính xác.
+ Thể hiện tư duy phản biện. Thể hiện tinh thần độc lập, sáng tạo.
Nội dung chính:
2.1. Tổng quan về công cụ mô tả hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Trong lập trình điều khiển dùng PLC (bộ điều khiển khả trình), Grafcet là một trong 5
ngơn ngữ chính thức được cơng nhận và được biết dưới tên gọi bằng tiếng Anh là SFC
(Sequential Function Chart của tiêu chuẩn IEC 1131-3).
Grafcet là từ viết tắt của tiếng Pháp: Graphe Fonctionnel de Commande des Etapes et
Transitions (đồ hình điều khiển bước - chuyển tiếp) do hai cơ quan AFCET (Liên hiệp Pháp

về tin học kinh tế và kỹ thuật) và ADEPA (Tổ chức nhà nước về phát triển nền sản xuất tự
động hóa) hợp tác soạn thảo ra từ tháng 11/1982.
Grafcet là ngơn ngữ lập trình bằng biểu đồ để mô tả các hoạt động của hệ thống điều
khiển trình tự.
Grafcet được xây dựng trên các bước và các chuyển tiếp, mỗi bước (tương ứng với một
vị trí trong mạng Petri) diễn tả trạng thái mà tại đó ứng xử của hệ thống được xác định bởi tác
động gắn liền với bước đó.
Mỗi chuyển tiếp (tương ứng chuyển tiếp của mạng Petri) thể hiện điều kiện chuyển
trạng thái của hệ thống, chuyển tiếp gắn liền với một điều kiện.
+ Dòng điều khiển chuyển từ bước này sang bước kế tiếp thơng qua chuyển tiếp có
điều kiện. Nếu điều kiện chuyển tiếp là đúng thì dịng điều khiển sẽ chuyển từ bước này sang
bước kế tiếp ...
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

12


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa công nghiệp
+ Chức năng điều khiển ở bất cứ mức nào đều có thể biểu diễn bởi một nhóm bước và
các chuyển tiếp được gọi là biểu đồ chức năng. Sau đó những biểu đồ này có thể được kết nối
lẫn nhau theo trình tự yêu cầu, bởi các liên kết có hướng biểu diễn dịng điều khiển nhằm tạo
nên một biểu đồ Grafcet hồn chỉnh.
2.2. Cơng cụ mơ tả hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
2.2.1. Ngơn ngữ lập trình GRAFCET – các thành phần

1
Liên kết có hướng

Bước
Chuyển tiếp

Bước mở đầu

a
2

ACTIONS
b

Tác động gắn
liền với bước

Điều kiện gắn liền
với chuyển tiếp

2.2.1.1. Các bước (Step)
Bước là thành phần ngôn ngữ Grafcet, được dùng để xác định trạng thái của một phần
hoặc toàn bộ hệ thống. Tại một thời điểm một bước có thể là tích cực hoặc khơng tích cực.
Tập hợp các bước tích cực xác định tình trạng của hệ thống đã cho tại thời điểm nào đó.
Bước: Mỗi bước được biểu diễn bằng hình vng nét đơn, có con số ở nữa trên bên
trong hình vng. Ví dụ: "Bước 1"
1

Biến bước: Trạng thái tích cực và khơng tích cực của bước có thể được biểu thị bằng
các giá trị logic "1" hoặc "0" . Ví dụ: "Biến bước của bước thứ 8" X8
"X8" =1 và " x 8 " =0 khi bước "8" tích cực.
"X8" =0 và " x 8 " =1 khi bước "8" không tích
Bước mở đầu: được biểu diễn bằng hình vng nét đơi. Bước này là ở trạng thái tích
cực khi bắt đầu q trình hoạt động của Grafcet. Ví dụ: "Bước mở đầu 3"
3

Các kết nối đầu vào và đầu ra của một bước: Khi nhiều chuyển tiếp được nối với
nhau trong cùng một bước, các kết nối được định vị tương ứng là được nhóm lại phía trên
hoặc phía dưới của bước.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

13


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
Ví dụ: nhiều kết nối tại đầu vào và đầu ra của bước 7.
7

2.2.1.2. Tác động gắn liền với bước
Mỗi bước có thể được gắn liền một hoặc nhiều tác động. Các tác động này được thực
hiện khi bước mà chúng gắn liền ở trạng thái tích cực.
Một bước có thể khơng có tác động nào gắn liền. Ta có thể sử dụng bước này để chờ
của một sự kiện bên ngồi. Ví dụ sự thay đổi trạng thái của đầu vào, đồng bộ giữa nhiều bước
trong Grafcet.
Tác động: được biểu diễn bằng hình chữ nhật gắn kết với bước.

Gán nhãn cho đầu ra: Mỗi tác động sẽ có nhãn viết bằng chữ in hoa bên trong hình
chữ nhật, đại diện cho tác động này.
Ví dụ: Để biểu diễn 1 tác động VAN 2 mở khi bước 9 tích cực, biểu diễn như sau:
9

MO VAN 2

9

VAN 2

9

YV2

2.2.1.3. Chuyển tiếp (transition)
Chuyển tiếp là để chỉ khả năng chuyển đổi giữa các bước.
Chuyển tiếp từ một bước đến bước khác: Chuyển tiếp được biểu diễn bởi một đường
vng góc với đường thẳng nối giữa hai bước. Quy ước:
+ Chuyển tiếp được kích hoạt khi bước liền trước là tích cực.
+ Giữa hai bước bao giờ cũng chỉ có một chuyển tiếp.

Gán chuyển tiếp: Chuyển tiếp được gán một con số nằm trong ngoặc kép, bên trái
chuyển tiếp.
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

14


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp

Ví dụ: Chuyển tiếp từ một bước (12) đến các bước (13, 23, 33). Chuyển tiếp (8) được
kích hoạt khi bước 12 là tích cực.
12
(8)

13

23

33

2.2.1.4. Các quy tắc
Quy tắc 1: Tình trạng ban đầu
Tình trạng ban đầu của grafcet là tình trạng tại thời điểm ban đầu. Tập hợp bước tích
cực tại thời điểm ban đầu.
Trong trường hợp quá trình tự động hóa khơng theo chu kỳ, tình trạng ban đầu phụ
thuộc vào tình trạng thao tác tại thời điểm ban đầu của phần điều khiển.
Quy tắc 2: Sự thơng của chuyển tiếp
Một chuyển tiếp được là kích hoạt khi tất cả các bước liền trước liên kết với chuyển tiếp
này là tích cực. Sự thơng của chuyển tiếp chỉ xảy ra:
+ Khi chuyển tiếp được kích hoạt;
+ Điều kiện gắn liền với chuyển tiếp là đúng.
Ví dụ:

Chuyển tiếp khơng kích hoạt

Chuyển tiếp kích hoạt
có thể thơng /có thể không thông

Quy tắc 3: Sự chuyển đổi của các bước tích cực. Khi thơng một chuyển tiếp thì:
+ Làm tích cực đồng thời tất cả các bước liền sau nó; Và làm mất tích cực tất cả các
bước liền trước nó. Ví dụ:
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA

15


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp

2

Bước 2 tích cực

2

T2 kích hoạt

T2

T2
3

2
E2=0

T2

3

T3

3
T3

T3
Điều kiện của T2 = 0
T2 không thông

E2=1

Điều kiện của T2 = 1
T2 thông
bước 3 tích cực
và bước 2 mất tích cực

2.2.1.5. Các cấu trúc cơ bản
Người thiết kế có thể xây dựng các đồ hình Grafcet bằng cách sử dụng các cấu trúc khác
nhau, nhưng phải tuân thủ quy tắc cú pháp chuyển đổi bước/chuyển tiếp.
a. Trình tự
Một trình tự là nối tiếp của các bước trong đó:
- mỗi bước chỉ có 1 chuyển tiếp liền sau, ngoại trừ bước cuối cùng.
- mỗi bước chỉ có một chuyển tiếp liền trước được kích hoạt bởi một
bước của trình tự, ngoại trừ bước đầu tiên.
Chú ý: Một trình tự được gọi là tích cực nếu ít nhất một bước là tích cực.
Một trình tự được gọi là khơng tích cực khi tất cả các bước là khơng tích
cực.
b. Chu kỳ của trình tự đơn
Trường hợp trình tự mạch vịng là:
- Mỗi bước chỉ có một chuyển tiếp liền sau,
- Mỗi bước chỉ có một chuyển tiếp liền trước có thể kích hoạt bởi bước
đơn của trình tự.
Chú ý: Một chu kỳ của trình tự đơn phải thỏa mãn ít nhất một trong điều
kiện sau để cho phép sự tích cực các bước của nó.
- phải có ít nhất một bước mở đầu.
- một lệnh cưỡng từ grafcet thành phần ở mức cao hơn.

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

16


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
c. Sự lựa chọn các q trình
Sự lựa chọn trình tự đưa ra sự chọn tiến triển giữa các trình tự
bắt đầu từ một hoặc nhiều bước. Cấu trúc này được biểu diễn
bởi nhiều chuyển tiếp kích hoạt cùng lúc và các tiến triển.

2.2.1.6. Các cấu trúc đặc biệt
a. Bước nguồn
Bước nguồn là một bước mà khơng có chuyển tiếp liền trước.
Để tích cực bước nguồn thì phải thỏa mãn một trong các điều kiện sau:
- Bước nguồn là bước khởi đầu
- Bước nguồn được yều cầu bởi lệnh cưỡng bước từ grafcet mức cao hơn.
Ví dụ: Bước nguồn khởi đầu. Bước nguồn khởi đầu 1 chỉ tích cực ở thời điểm ban đầu.
Bước 2, 3 và 4 hình thành chu kỳ của một trình tự đơn.

b. Bước đích
Bước đích là một bước mà khơng có chuyển tiếp liền sau.
Để mất tích cực bước đích chỉ được thực hiện bằng: Lệnh cưỡng
bước từ grafcet mức cao hơn.
Ghi chú: Nếu một bước vừa nguồn vừa đích, thì nó sẽ hình thành một
trình tự bước đơn được dùng để biểu diễn hành vi tổ hợp.
c. Chuyển tiếp nguồn
*

Chuyển tiếp nguồn là chuyển tiếp mà khơng có bước liền trước.
Theo quy ước, chuyển tiếp nguồn chỉ được kích hoạt và được thơng
khi điều kiện chuyển tiếp * là đúng.

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

17


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa cơng nghiệp
d. Chuyển tiếp đích
Chuyển tiếp đích là chuyển tiếp mà khơng có bước liền sau.

*

Khi chuyển tiếp đích được kích hoạt và điều kiện gắn liền của nó *
là đúng thì việc thơng của chuyển tiếp dẫn đến mất tích cực các
bước phía trên.

2.2.1.7. Cách xây dựng cấu trúc
Sự phức tạp của hệ thống tự động hóa cần các phương pháp xây dựng cấu trúc cho đặc
trưng. Việc xây dựng này có thể có các phương pháp luận hỗ trợ hoặc khơng, nhưng nó sẽ bị
hạn chế: chỉ phân chia các đặc trưng hoặc hợp nhất các khái niệm thứ bậc của cưỡng bức.
a. Sự phân chia Grafcet
Grafcet liên kết
Grafcet liên kết là một cấu trúc mà chỉ có liên tục của các liên kết (chuyển đổi bướcchuyển tiếp) giữa bất kỳ 2 yếu tố trong sơ đồ garfcet: bước hoặc chuyển tiếp.
Ví dụ: tất cả các thành phần ở sơ đồ 1 sẽ
hình thành nên grafcet liên kết, bởi vì các
bước và liên kết của nó được nối với
nhau bởi liên kết có hướng. Các thành
phần ở sơ đồ 2 cũng hình thành nên
grafcet liên kết.

Grafcet từng phần
Được hình thành bởi một hay vài grafcet liên kết nên grafcet từng phần là kết quả của
việc phân chia grafcet tồn cục. Grafcet này mơ tả hành vi một phần trình tự của hệ thống.
Ví dụ: Từng phần của
grafcet tồn cục:
Các grafcet toàn cục
được tạo thành bởi
grafcet từng phần G1 và
G2. Grafcet từng phần
G1 được tạo nên bởi 2
grafcet liên kết.
Grafcet tồn cục
KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA

18


Chương 2: Hoạt động của hệ thống tự động hóa công nghiệp
b. Cách xây dựng cấu trúc sử dụng cưỡng bức Grafcet từng phần
Cưỡng bức Grafcet từng phần được sử dụng xây dựng cấu trúc đặc trưng từng phần
trình tự của hệ thống. Các lệnh cưỡng bức này cho phép áp đặt tình trạng cụ thể lên một
garfcet từng phần.
Lệnh cưỡng bức Grafcet thành phần:
*

Dấu * sẽ bị thay thế bởi tình trạng của Grafcet thành phần.
Bởi vì lệnh cưỡng bức có liên quan đến sự tích cực bước của
grafcet từng phần ở thứ bậc cao hơn, nên nó là lệnh ở bên
trong cho phép áp đặt một tình trạng lên grafcet từng phần ở
thứ bậc thấp hơn.

Lệnh cưỡng bức được minh họa bằng hình chữ nhật nét đơi gắn liền với bước.
Grafcet bị cưỡng bức không thể tiến triển trong suốt quá trình diễn ra lệnh cưỡng
bức. Grafcet như vậy được gọi là đóng băng.
Việc sử dụng lệnh cưỡng bức trong việc xây dựng cấu đặc tính, cần phải có một cấu
trúc thứ bậc sử dụng grafcet từng phần. Như vậy mỗi một grafcet từng phần cưỡng bức sẽ
ở một mức cao hơn grafcet bị cưỡng bức từng phần.
Ví dụ: Cưỡng bức grafcet từng phần lên một tình trạng
cụ thể. Khi bước 17 là tích cực thì grafcet từng phần 12 bị
cưỡng bức tới một tình trạng, tích cực bước 8, 9, và 11.

17

G12{8,9,11}

2.2.2. Bài tập ví dụ xây dựng biểu đồ Grafcet cho hệ thống Distributing
2.2.2.1. Quy trình họat động
Nhấn nút Start:
+ Tay quay quay sang trạm 2.
+ Piston đẩy phôi ra khỏi ngăn chứa.
+ Tay quay quay về trạm 1.
+ Giác hút hút phôi.
+ Tay quay quay sang trạm 2 đồng thời piston đẩy phôi rút về.
+ Giác hút nhả phôi.
+ Tay quay quay về trạm 1, kết thúc chu trình.
Nhấn nút Stop: Hệ thống ngừng họat động.
Nhấn nút Reset:
+ Piston ở vị trí ngồi.
+ Giác hút nhả phôi.
+ Tay quay ở trạm 1.

KHOA ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA

19