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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

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

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

Tháng 7/2010


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

Tác giả

LÊ VĂN NHANH
NGUYỄN THÁI DƯƠNG

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

Giáo viên hướng dẫn:
Kỹ sư Tưởng Phước Thọ

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

iv



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


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

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


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

ix



x


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


xiii


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

xiv


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

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

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

-

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

-

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

-

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

-

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


của ô tô.

3


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

.
s s2

2.1.5 Các phần tử trong hệ thống khí nén
2.1.5.1 Máy nén khí
Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ
điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng.

5


Hình 2.2 Máy nén khí
Phân loại
- Theo áp suất:
• Máy nén khí áp suất thấp:

p ≤ 15 bar

• Máy nén khí áp suất cao:

p ≥ 15 bar

• Máy nén khí áp suất rất cao: p ≥ 300 bar
- Theo nguyên lý hoạt động:
• Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy
nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.
• Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
2.1.5.2 Bình trích chứa khí nén
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ
phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén

hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén.

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

7


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

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


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


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