§å ¸n tèt nghiÖp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TRUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
VÀ ĐIỆN – KHÍ NÉN
1.1. Điều khiển bằng khí nén.
1.1.1.Trong lĩnh vực điều khiển.
Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó
nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ,VD như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp
các chi tiết nhựa, plastic, hoặc là được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị
điện tử, bởi vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toan cao. Ngoài ra hệ thống
điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây truyền rửa tự động; trong các
thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, bao bì và trong
công nghiệp hoá chất.
1.1.2.Trong hệ thống truyền động
Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai
thác, VD như khai thác đá, khai thác than; trong các công trình xây dựng,VD như
xây dựng hầm mỏ, đường hầm, …
1.1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng khí nén
* Ưu điểm
Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, cho nên khả năng trích
chứa áp suất khí một cách thuận lợi. Như vậy có thể ứng dụng thành lập một trạm
trích chứa khí nén.
* Có khả năng truyền năng lượng đi xa, vì vậy độ nhớt động học của khí
nén nhỏ và tổn thất trên đường dây ít.
* Đường dẫn khí nén ra (thải ra) không cần thiết (ra ngoài không khí).
* Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, vì vậy
phần lớn các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn.
* Hệ thống phòng ngừa quá tải áp suất giới hạn được đảm bảo.
* Nhược điểm
* Lực truyền tải trọng thấp.
1
§å ¸n tèt nghiÖp
đạt được +20
0
C.
2
§å ¸n tèt nghiÖp
b. Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh
Nguyên lý hoạt động của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh: áp suất
khí từ máy nén khí sẽ qua bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí(1). Tại đây dòng khí nén
vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ phận
ngưng tụ đi lên. Sau khi dòng khí nén được làm lạnh sơ bộ sẽ vào bộ phận trao đổi
nhiệt khí - chất làm lạnh(2). Quá trình làm lạnh được thực hiện bằng cách dòng khí
nén sẽ được đổi chiều trong những ống dẫn nằm trong thiết bị này. Nhiệt độ hoá
sương tại đây là +2
0
C. Như vậy lượng hơi nước trong dòng áp suất khí nén vào sẽ
được tạo thành từng giọt nhỏ 1 lượng hơi nước sẽ được ngưng tụ trong bộ phận kết
tủa (3). Lượng hơi nước được kết tủa tại đây. Tại đây ngoài lượng hơi nước được
kết tủa còn có các chất bẩn, dầu bôi trơn cũng được tách ra. Dầu, nước, chất bẩn sau
khi được tách ra khỏi dòng áp suất khí nén sẽ được đưa ra ngoài qua van thoát nước
tự động (4). Dòng khí nén được làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa đến bộ phận trao
đổi nhiệt (1) để nhiệt độ khoảng 6
0
C đến 8
0
C, nước khí đưa vào sử dụng. Chu kỳ
hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất làm lạnh
(5). Sau khi chất làm lạnh được nén qua máy nén nhiệt độ sẽ tăng lên. Bình ngưng
tụ (6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh bằng quạt gió. Van điều chỉnh lưu
lượng (8) và rơ le điều chỉnh nhiệt độ (7) có tác dụng điều chỉnh dòng lưu lượng
chất làm lạnh hoạt động trong khi có tải và không tải và hơi quá nhiệt.
tử lọc độ lớn đường kính các lỗ của phần tử lọc có những loại từ
mm
µµ
705 →
.
Trong trường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu phần tử lọc được
chọn là sợi thuỷ tinh, có khả năng tách nước trong khí nén đến 99,9%. Những phần
tử lọc như vậy, thì dòng khí nén sẽ chuyển động từ trong ra ngoài.
b. Van điều chỉnh áp suất
Van điều chỉnh áp suất có tác dụng giữ áp suất được điều chỉnh không đổi,
mặc dù có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự
dao động của áp suất ở đầu đường vào van. Nguyên tắc hoạt động của van điều
chỉnh áp suất. Khi điều chinh trục vít là điều chỉnh vị trí của đĩa van. Trong trường
hợp áp suất ở đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, áp suất khí sẽ qua lỗ
thông tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài.
Cho đến chừng nào, áp suất đường ra giảm xuống bằng áp suất được điều chỉnh ban
đầu, thì vị trí của kim van trở về vị trí ban đầu.
5
§å ¸n tèt nghiÖp
c. Van tra dầu
1.1.5. Các phương pháp điều khiển bằng khí nén
1.1.5.1. Thiết kế biểu đồ trạng thái
- Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên hệ
giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử.
- Trục toạ độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp
suất, góc quay…). Trục toạ độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc là
thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia thành các bước. Sự liên kết
các tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét nhỏ và chiều tác động biểu diễn bằng
mũi tên.
1.1.5.2. Điều khiển bằng tay
Một cơ cấu kẹp thực hiện công việc kẹp chặt phôi trong khi máy dập làm
việc và sẽ nhả ra khi máy đã hoàn tất một chi tiết dập. Người ta dùng 2 xylanh A
và B, xylanh A sẽ thực hiện việc kẹp giữ phôi và xylanh B thực hiện việc dập.
8
§å ¸n tèt nghiÖp
Đầu tiên xylanh A đi vào kẹp phôi sau đó xylanh B đi ra dập chi tiết và quay về
sau đó xylanh A quay về. Sơ đồ hành trình bước được vẽ như sau:
Ở các vị trí 0 và 1 của mỗi xilanh A và B ta đặt các phần tử S1,S2,S3,S4 là các
công tắc hành trình, sensor… để cấp tín hiệu vào S1,S2,S3,S4 thuộc các nhóm
phần tử đưa tín hiệu vào.
Bước 2: Xác định hệ điều kiện.
Hệ điều kiện là tổ hợp giá trị logic của các phần tử đưa tín hiệu vào. Ta quy
ước giá trị logic c mỗi phần tử đưa tín hiệu vào như sau:
Khi một phần tử nhận được tín hiệu từ cuối hành trình của xylanh (đối với
công tắc hành trình là sự tác động lên công tắc) thì ở đó được ghi giá trị 1 cho
phần tử này trong bảng hệ điều kiện, ngược lại khi không nhận tín hiệu (không bị
tác động) nó nhận giá trị 0. Bảng hệ điều kiện được ghi ra tất cả các bước từ đầu
đến cuối chu kì. Như ví dụ nêu ra ở bước 1 ta lập bảng hệ điều kiện như sau:
S1 S2 S3 S4
1 1 0 1 0
2 0 1 1 0
3 0 1 0 1
4 0 1 1 0
5 1 0 1 0
Việc xác định hệ điều kiện sẽ cung cấp thông tin cho các bước tiếp theo.
Bước 3: chia tầng
9
§å ¸n tèt nghiÖp
Chia tầng là bước quan trọng nhất nó quyết định mạch thiết kế nhận được.
hết sức lưu ý là tại bất kì thời điểm nào cũng chỉ có 1 tầng hoạt động. Mọi trường
hợp khác là không theo phương pháp thiết kế theo tầng.
Bước 5: Thiết kế mạch (tổng hợp mạch điểu khiển)
A+B+ B-C+ B+ B-C-A-
TÇng 1 TÇng 2 TÇng 3 TÇng 4
11
§å ¸n tèt nghiÖp
Thiết kế cho mỗi tầng, ở mỗi tầng có nhiệm vụ điều khiển như đã được vẽ
ở sơ đồ hành trình bước và vẽ liền vào nhau thì nhận được hồ sơ hành trình bước
mới gọi là sơ đồ hành trình bước phụ.
Tiến hành chia tầng ở bước 2 và 3 cho sơ đồ hành trình bước phụ, người ta
cũng có thể vẽ vòng chu kì.
B.Thiết kế bằng phân tích trực tiếp trên sơ đồ hành trình bước
Chia tầng trục tiếp trên sơ đồ hành trình bước sẽ giúp cho người thiết kế
quan sát rõ và bao quát hết tất cả các bước của sơ đồ, đồng thời có thể thực hiện
và nhận kết quả rất nhanh.
Tuy nhiên người thiết kế phải tuân thủ đúng nguyên tắc thiết kế như các
bước trình bày trong phần A.
1.1.8. Điều khiển theo nhịp
* Cấu tạo khối của nhịp điều khiển
Cấu tạo khối của nhịp điều khiển gồm 3 phần tử: Phần tử AND, phần tử
nhớ và phần tử OR.
Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là các bước thực hiện lệnh
xảy ra tuần tự. Có nghĩa là khi các lệnh trong 1 nhịp thực hiện xong, thì sẽ thông
báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời sẽ xoá lệnh nhịp thực hiện trước đó.
12
§å ¸n tèt nghiÖp
Tín hiệu vào Y
n
tác động ( ví dụ: tín hiệu khởi động), tín hiệu điều khiển
Sơ đồ mạch điện-khí nén lực gồm hai phần:
- Sơ đồ mạch điện điều khiển.
- Sơ đồ mạch khí nén.
13
§å ¸n tèt nghiÖp
Các phần tử điện được trình bày ở phần trước. Sơ đồ mạch được biểu diễn,
khi chưa có tác động tín hiệu vào. Kí hiệu các phần tử điện theo DIN40713.
1.2.3.Các phương pháp điều khiển
1.2.3.1. Mạch điều khiển theo nhịp
Cấu tạo khối của nhịp điều khiển
+ Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là các bước thực hiện
lệnh xảy ra tuần tự. Có nghĩa là khi các lệnh trong một nhịp thực hiện song, thì sẽ
thông báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời sẽ xoá lệnh thực hiện trước đó.
Như vậy khối của nhịp điều khiển gồm các chức năng sau :
1. Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo.
2. Xoá các lệnh của nhịp trước đó.
3. Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển.
Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp được trình bày ở hình
sau. Nhịp thứ nhắt Zn sẽ được xoá bằng nhịp cuối cùng Zn+1.
1.2.3.2. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng
Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén được xây dựng dựa trên
cơ sở thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén.
Trong điều khiển bằng khí nén tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu khí
nén còn trong điều khiển Điện -Khí nén tín hiệu vào là tín hiệu điện. Ngoài mạch
công tác khí nén ta phải thiết kế mạch diều khiển bằng điện (Rơle, công tắc). Trong
phần này trình bay phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén theo tầng
cho hệ thống điều khiển hành trình. Như đã biết trong mỗi tầng ta thiết kế mạch
điều khiển tuần tự, tức là dựa theo nguyên tắc tín hiệu vào khác nhau và ngược lai.
Mạch điều khiển điện được thiết kế theo tầng.
Các bước thiết kế được tiến hành như sau:
2.1.1. Giới thiệu về PLC
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Progammable Logic Control), viết tắt thành
PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông
qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số.
Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển
số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường
xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình được lưu
trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và
được thực hiện lặp theo chu kì của vòng quét (Scan).
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ thống
điều hành, bộ nhớ để điều khiển chương trình điều khiển, dữ liệu và phải có cổng
vào ra để giao tiếp được với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với
môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC
còn cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm(Counter), bộ định
thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng (Hình 1.5).
2.1.2. Vai trò của PLC.
PLC được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ với
chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC, PLC thường xuyên kiểm
tra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị nhập để từ đó
đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị xuất .
PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu đơn giản và được lặp đi lặp lại
theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ khác hoặc máy tính chủ thông qua một
kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp.
Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khả
năng của PLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến cũng như bằng
các thiết bị nhập bằng tay.
17
§å ¸n tèt nghiÖp
Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay: nút ấn, bàn phím và chuyển mạch.
thể chọn các bộ nhớ khác.
- Bộ nhớ ROM: là bộ nhớ không thay đổi dược, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần
nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác.
- Bộ nhớ RAM: là bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình
ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong RAM sẽ bị mất khi mất điện. Tuy
nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng pin.
- Bộ nhớ EPROM: giống như ROM nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng
pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xóa bằng cách chiếu tia cực tím vào
một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau nạp lại nội dung bằng máy nạp.
- Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM loại này có thể
xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.
* Khối vào ra:
Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và
15VDC(điện áp cho TTL và cho CMOS) trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn
nhiều thường là 24VDC đến 240VDC với dòng lớn.
Khối vào ra có vai trò mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử của PLC với các
mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động. Nó thực hiện sự chuyển
đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly, tuy nhiên khối vào ra cho phép PLC kết nối
trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất cỡ nhỏ cỡ 2A trở xuống, không cần
các mạch công suất hay các rơle trung gian.
19
§å ¸n tèt nghiÖp
2.1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống.
Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng năm 1960
và 1970, yêu cầu tự động của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng các rơle điện
từ nối nối tiếp với nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển.Trong nhiều
trường hợp bảng điều khiển có kích thước khá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ
lên trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế rất thường xảy ra trục
trặc trong hệ thống.
Một điểm quan trọng nữa là do thời gian làm việc của các rơle có giới hạn
- Dây truyền đóng gói.
- Các Robot lắp ráp sản phẩm.
- Điều khiển bơm.
- Dây truyền xử lí hóa học.
- Dây truyền sản xuất thủy tinh.
- Sản xuất xi măng.
- Công nghệ chế biến thực
phẩm.
- Dây truyền chế tạo linh kiện
bán dẫn.
- Dây truyền lắp ráp ti vi.
- Điều khiển hệ thống đèn giao
thông.
- Quản lí tự động bãi đỗ xe.
- Hệ thống báo động.
- Dây truyền may công nghiệp.
- Dây truyền sản xuất xe ô tô.
- Điều khiển thang máy.
- Sản xuất vi mạch.
- Kiểm tra quá trình sản xuất.
21
§å ¸n tèt nghiÖp
2.1.6. Phân loại PLC
Hiện nay trong lĩnh vực điều khiển nói chung và ngành tự động hoá nói
riêng, các PLC mới được đưa vào sử dụng ngày càng nhiều với tính năng rất lớn
như: PLC S5, PLC S7-200, PLC S7-300, PLC S7-400, PLC LOGO. Nhưng trong
phạm vi đề tài này ta chỉ nghiên cứu về PLC S7-300.
2.2. Hệ thống điều khiển PLC S7-300
2.2.1. Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300
Thông thường, để tăng tính mền dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần
DI (Pigital Input): Modul mở rộng cổng vào số. Số các cổng vào của modul
này có thể là 8, 16, 32 tùy thuộc vào từng loại modul.
DO (digital output): Modul mở rộng cổng ra số. Số các cổng vào của modul
này có thể là 8, 16, 32 tùy thuộc vào từng loại nodul.
DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra số. Số
các cổng vào/ra có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tùy thuộc vào từng loại modul.
AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng
chính là những bộ chuyển đổi tương tự số (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được
chuyển thành tín hiệu số (nguyên) có độ dài là 12 bit, số các cổng vào có thể là 2, 4
hoặc 8 tùy thuộc vào từng loại modul.
AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tín hiệu tương tự. Chúng
chính là các bộ chuyển đổi số - tương tự(DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2,
4, 8 tùy thuộc vào từng loại modul.
AI/AO(analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng vào ra tương
tự. Số các cổng có thể là: 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy thuộc vào từng loại modul.
3. IM (Interface Modul): Modul ghép nối. Đây là loại modul chuyên dụng có
nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được
quản lý chung bởi một modul CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền
với nhau trên một thanh đỡ gọi là RACK. Trên mỗi một RACK chi có thể gá được
nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi). Một
modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 RACK và các RACK
này phải được nối với nhau bằng modul IM.
23
§å ¸n tèt nghiÖp
4. FM (Function Modul): modul có chức năng điều khiển riêng, ví dụ modul
chức năng điều khiển động cơ bước, modul điều khiển động cơ bước, modul PID,
modul điều khiển vòng kín
5. CP (Communication Modul): Modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa
các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
2.2.2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU của PLC S7-300
6. PI: miền địa chỉ cổng và của các modul tương tự. Các giá trị tương tự tại
cổng vào của modul tương tự sẽ được đọc và chuyển tự động theo các địa chỉ.
Chương trình ứng dụng có thể truy cập PI theo từng byte(PIB), từng từ(PIW) hoặc
theo từ kép (PID).
7. PQ: miền địa chỉ cổng ra cho các modul tương tự. Chương trình ứng dụng
có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte(PQB), từng từ(PQW) hay từng từ
kép(PQD).
2.2.2.3. Vùng nhớ chứa các khối dữ liệu:
Được chia làm 2 loại:
1. DB (Data Block): miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích
thước cũng như số lượng 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(DBB), từ (DBW)
hoặc từ kép(DBD).
2. L (Local Data Block): miền dữ liệu địa phương. Được tổ chức thành các
khối OB, FC, FB và sử dụng cho các biến nhập tức thời và trao đổi dữ liệu của biến
hình thức của chương trình với các khối đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu
trong miền nhớ này có thể bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB,
FB, FC. Miền này có thể truy cập chương trình theo bit(L), byte(LB), từ(LW) hay
từ kép(LD).
2.2.3. Vòng quét của PLC
PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu
trình lặp. Mỗi vòng lặp được coi là một vòng quét(Scan cycle). Mỗi vòng quét bắt
đầu bằng công việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp
theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được
25
Copyright: Tài liệu đại học ©