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: [email protected]
TRƯỞNG KHOA

TỔ TRƯỞNG
BỘ MƠN

CHỦ NHIỆM
ĐỀ TÀI

Đỗ Hữu Nhân
HIỆU TRƯỞNG
DUYỆT

Tháng 7, năm 2020


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN


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

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:

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:

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)

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

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:


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

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 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

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

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.

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

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.