BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH
LƢỢNG VÀ ĐÓNG BAO TỰ ĐỘNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÕNG – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH
LƢỢNG VÀ ĐÓNG BAO TỰ ĐỘNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Phạm Văn Cƣờng
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn trọng Thắng
HẢI PHÕNG – 2017
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Phạm Văn Cƣờng – MSV : 1312102008
Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp
Tên đề tài : Xây dựng, thiết kế hệ thống cân định lƣợng và đóng
bao tự động.
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp
(về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp………………………………………………………………..:
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Nguyễn Trọng Thắng
Tiến sĩ
Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đề tài
Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày……tháng…….năm 2017.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày……tháng…….năm 2017
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Phạm Văn Cƣờng
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N
T.S Nguyễn Trọng Thắng
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2017
HIỆU TRƢỞNG
GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm
vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lƣợng các
bản vẽ..)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2016
Cán bộ hƣớng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu
ban đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết
minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Ngƣời chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc đề tài này là kết quả nỗ lực của bản thân trong suốt thời
gian theo học tại trƣờng, đặc biệt là từ khi bắt tay vào quá trình nghiên cứu. Để
đƣợc thành công nhƣ ngày hôm nay em không bao giờ quên đƣợc sự giúp đỡ và sự
giảng dạy rất nhiệt tình của các Thầy cô trong khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại
Học Dân Lập Hải Phòng. Các Thầy cô là những đội ngũ đi trƣớc rất am hiểu về
lĩnh vực khoa học kỹ thuật đã tận tình giảng dạy và giúp chúng em hoàn thành
đƣợc rất nhiều đề tài Luận văn rất hay và có ứng dụng nhiều trong thực tế. Và điều
không thể kể đến sự thành công của em ngày hôm nay đó là sự nhiệt huyết tận tình
hƣớng dẫn của Thầy Nguyễn Trọng Thắng. Và cuối cùng chúng em xin ghi ơn
công lao cha mẹ đã sinh ra và cho chúng em đƣợc ăn học đến ngày hôm nay để có
cơ hội tiếp cận với lĩnh vực khoa học, nhờ sự động viên thƣờng xuyên và quan tâm
đủ mặt về phía gia đình là một động lực giúp chúng em vực qua mặt tâm lý, sự
chán nản để em quyết tâm hoàn thành tốt đƣợc đề tài này.
Hải Phòng, ngày 5 tháng 06 năm 2017
Sinh viên
Phạm Văn Cƣờng
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………………………..
6
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
……………………………………………………
7
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ……………………………………………………………………..
7
1.2. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN VÀ ĐÓNG GÓI
……………………………….
7
CHƢƠNG 2CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG …………………………….
13
2.1. GIỚI THIỆU PLC S7 200 CPU 224 ………………………………………………..
13
2.1.1. Tổng quát về PLC ……………………………………………………………………
13
2.1.2 . Cấu trúc , nguyên lý hoạt động của PLC ……………………………………
15
2.1.2.1. Cấu trúc ……………………………………………………………………………
15
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của PLC …………………………………………….
15
2.1.3. Xử lý chƣơng trình …………………………………………………………………..
18
2.1.4. PLC SIMATIC S7-200 CPU 224…………………………………………….
19
2.2. GIỚI THIỆU VỀ HMI ……………………………………………………………………
22
2.2.1. Các thiết bị HMI truyền thống …………………………………………………..
23
2.2.2. Các thiết bị HMI hiện đại
………………………………………………………….
23
2.3. THIẾT BỊ SỬ LÝ TÍN HIỆU TƢƠNG TỰ ………………………………………
26
2.3.1. Giới thiệu về loadcell ……………………………………………………………….
26
2.3.1.1. Cấu tạo …………………………………………………………………………….
27
2.3.1.2. Nguyên lý hoạt động …………………………………………………………
28
2.3.1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản ………………………………………………
29
2.3.1.4 . Ứng dụng loadcell vào đề tài ……………………………………………..
30
2.3.2. Bộ khuếch đại Loadcell chuẩn công nghiệp ………………………………..
31
2.3.3. Module analog
…………………………………………………………………………
32
2.3.3.1. Giới thiệu chung về module analog ……………………………………..
32
2.3.3.2. Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo
chuẩn trong công nghiệp. ……………………………………………………………….
32
2.3.3.3. Giới thiệu về module analog EM235.
…………………………………..
33
CHƢƠNG 3 . THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN …………….
41
3.1. THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN …………………………………………………………
41
3.2. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH PLC ……………………………………………..
46
3.2.1. Giới thiệu phần mềm STEP7 MicroWin
……………………………………..
46
3.2.2. Chƣơng trình điều khiển plc
………………………………………………………
54
3.3. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH HMI
……………………………………………..
69
3.3.1. Giới thiệu phần mềm WINCC FLEXIBLE 2008 …………………………
69
3.3.2. Giao diện màn hình HMI ………………………………………………………….
75
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………………………….
80
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………………………………..
3
TÀI LIỆU THAM KHẢO
…………………………………………………………………………
81
LỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung
hiện nay khâu định lƣợng vô cùng quan trọng. Khâu định lƣợng giúp xác
định chính xác khối lƣợng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm
trong sản xuất. Các thiết bị định lƣợng có mặt trong hầu hết các khâu trong
hệ thống, công đoạn sản xuất : cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu
cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm…
Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân
định lƣợng nói riêng là một trong những ƣu tiên hàng đầu của các doanh
nghiệp nhằm nâng cao năng suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt
động tăng cƣờng khả năng cạnh tranh trong quá trình hội nhập hiện nay.
Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lƣợng là rất lớn vì
vậy em đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế , xây dựng hệ thống cân định lượng
và đóng bao tự động”. Thông qua những tìm hiểu của em về hệ thống cân
định lƣợng còn nhiều thiếu sót mong nhận đƣợc sự đánh giá và góp ý của
thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày 15 tháng 06 năm 2017
Sinh viên
Phạm Văn Cƣờng
CHƢƠNG 1.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Cùng với sự phát triển kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp ứng
dụng của hệ thống cân định lƣợng ngày càng lớn. Yêu cầu cho hệ thống
càng ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao, sản lƣợng lớn. Những ứng dụng
của hệ thống cân định lƣợng là rất nhiều, em đã chọn cân định lƣợng trong
khâu định lƣợng và đóng gói bột giặt là hƣớng tìm hiểu sâu về đề tài của
mình.
Đề tài nêu lên một giải pháp thiết kế hệ thống cân định lƣợng trực
tuyến dùng PLC. PLC có nhiệm vụ đọc giá trị trọng lƣợng ở dạng tƣơng tự
từ ngõ ra của Loadcell sau khi qua bộ khuếch đại. Một chƣơng trình đƣợc
viết sẵn cho PLC để đọc, thiết lập hệ thống cân, tính toán và giao tiếp với
giao diện HMI
Giao diện HMI sẽ hiển thị trọng lƣợng cân của mỗi mẻ và các chức
năng thiết lập các thông số ban đầu cho hệ thống cân.
1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN VÀ ĐÓNG GÓI
Hệ thống cân và đóng gói đƣợc nắp đặt trong phân xƣởng đóng gói.
Trong phân xƣởng nhƣ vậy sẽ có nhiều hệ thống cân và mỗi hệ thống sẽ có
2-3 ngƣời công nhân vận hành và đảm bảo hệ thống vận hành chính xác an
toàn.
Quá trình cân và đóng gói sẽ qua nhiều công đoạn nhƣ: ban đầu bột
từ các thùng phản ứng sẽ đƣợc đƣa tới các bồn chứa riêng của từng hệ thống
cân và sau đó sẽ đƣợc xả xuống thùng cân khi đủ trọng lƣợng sẽ đƣợc công
nhân xả xuống đóng gói. Đóng gói xong sẽ đƣợc băng tải đƣa qua máy hàn
nhiệt để làm kín gói đựng bột đó . Các gói đã đƣợc hàn kín thì sẽ đƣợc băng
tải đƣa tới khu vực đóng thành các thùng theo yêu cầu số lƣợng.
Hình 1.1 Dây chuyền đóng gói
Bột đƣợc đƣa từ bồn chứa trung tâm thông qua các ống dẫn bột tới
các thùng chứa của từng máy. Thùng chứa này đƣợc thiết kế bằng inox và
kín tránh ảnh hƣởng tới nhiên liệu cũng nhƣ không bị bay ra ngoài môi
trƣờng làm việc. Mỗi thùng chứa có thể đựng tới 100kg bột nhiên liệu đảm
bảo quá trình vận hành luôn liên tục.
Hình 1.2 Bồn chứa một hệ thống cân
Trong quá trình hoạt động bột đƣợc đƣa vào hai phễu nhỏ dùng để
định lƣợng. Bột đƣợc đƣa vào phễu nhỏ qua hai đƣờng là cửa xả chính đóng
mở bằng van xilanh và bộ rung bù để đảm bảo độ chính xác , ban đầu bột
đƣợc cung cấp qua cả 2 đƣờng , khi trọng lƣợng bột gần đạt đến yêu cầu thì
cửa xả chính đóng lại bột chỉ đƣợc cấp thông qua bộ rung bù đến khi đủ
trọng lƣợng thì hệ thống dừng. Để đảm bảo năng suất thì lƣợng ta lập trình
sao cho lƣợng rung bù sau là rất nhỏ mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Nhằm
nâng cao năng suất thì hai thùng cân sẽ phải cân và xả liên tục, khi xả xong
là ngay lập tức tiếp tục quá trình cân.
Thùng chứa
bột
Hình 1.3 Đƣờng xả chính và đƣờng bù
Vì đƣờng xả bù là phụ và đảm bảo sự thay đổi trọng lƣợng ít nên
đƣợc thiết kế nhỏ và bột qua đƣờng xả phụ sẽ đƣợc đƣa tới khay dẫn đƣợc
gắn với một động cơ tạo rung, khi rung thì bột liệu sẽ đƣợc cấp xuống thùng
cân còn không rung thì bột sẽ không cấp xuống thùng cân. Đƣờng xả chính
thì đƣợc thiết kế lớn , để đảm bảo độ chính xác cho nhiều loại trọng lƣợng
đóng gói thì trên thân đƣờng xả chính có các khe để ta có thể điều chỉnh tấm
chặn bột xuống, nếu trọng lƣợng lớn thì ta điều chỉnh cho chặn ít, còn trọng
lƣợng nhỏ thì ta chặn nhiều để khi bột lƣợng bột xả xuống ít hơn. Đóng mở
của xả chính là ta điều khiển xalanh khí nén. Xilanh hoạt động hai chiều
đóng mở cửa xả.
Đường xả chính
Đường xả
phụ
Bộ rung
Đế gắn
loadcell
Hình 1.4 Hai thùng cân riêng
Hình 1.5 Thùng cân đƣợc gắn trên loadcell
Mỗi thùng cân sẽ đƣợc gắn độc lập với 1 cảm biến định lƣợng
loadcell và loadcell đƣợc cố định, thùng cân đảm bảo không chạm vào thứ
gì ngoài loadcell để đảm bảo cân chính xác. Cảm biến trọng lƣợng loadcell
Thùng cân 1
Thùng cân
2
Xilanh xả
thùng xuống
cân
Xilan
h xả
xuống
đóng
gói
Loadcel
l
sẽ cân thùng cân và trả về tín hiệu analog, tín hiệu này sẽ đƣợc đƣa tới bộ
khuếch đại chuẩn công nghiệp trƣớc khi đƣa vào khối mở rộng analog
EM235 của PLC.
Hình 1.6 Vị trí của ngƣời vận hành
Tại mỗi hệ thống đều có công nhân đóng gói , quan sát màn hình
HMI hiển thị tình trạng cân , khi phễu cân đủ trọng lƣợng thì sẽ nhấn bàn
đạp ở chân để xilanh mở phễu xả bột vào bao bì để đƣa ra đóng gói. Vì hệ
thống có hai phễu cân nhỏ cân liên tục nên luôn đảm bảo quá trình cân
không bị gián đoạn.
CHƢƠNG 2.
CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
2.1 GIỚI THIỆU PLC S7 200 CPU 224
2.1.1
Tổng quát về PLC
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller , là thiết bị điều
khiển lập trình đƣợc (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán
điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Ngƣời sử dụng có thể
lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này đƣợc
kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các
hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. Một khi
sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên
ngoài đƣợc gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp”
trong chƣơng trình do “ngƣời sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất
tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Hình 2.1 Hình dáng bên ngoài plc S7 200
Để khắc phục những nhƣợc điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (
bộ điều khiển bằng Relay) ngƣời ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn
các yêu cầu sau :
•
Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học .
•
Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
•
Dung lƣợng bộ nhớ lớn để có thể chứa đƣợc những chƣơng
trình phức tạp .
•
Hoàn toàn tin cậy trog môi trƣờng công nghiệp .
•
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ : máy tính
, nối mạng , các môi Modul mở rộng.
•
Giá cả cá thể cạnh tranh đƣợc.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay
dây nối và các Logic thời gian .Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng
cƣờng dung lƣợng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử
lý cũng nhƣ giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến
việc sử dụng PLC trong công nghiệp . Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các
lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó
là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính
dẫn đến các bộ PLC có dung lƣợng lớn , số lƣợng I / O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chƣơng trình là đơn vị cơ bản cho
quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần
thực hiện sẽ đƣợc xác định bởi một chƣơng trình . Chƣơng trình này đƣợc
nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào
chƣơng trình này. Nhƣ vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của
qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chƣơng trình bên trong bộ nhớ của
PLC . Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ đƣợc thực hiện một cách dể
dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay
Relay .
2.1.2 Cấu trúc , nguyên lý hoạt động của PLC
2.1.2.1 Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :
– Một bộ nhớ chƣơng trình RAM bên trong ( có thể mở rộng
thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ).
– Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với
PLC .
– Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn
vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn
giản đều có đủ RAM để chứa đựng chƣơng trình dƣới dạng hoàn thiện hay
bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thƣờng là loại
CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chƣơng trình đã đƣợc kiểm tra và sẳn
sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC . Đối với các PLC lớn
thƣờng lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chƣơng trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,
RS458, …
2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC
Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ
đọc và kiểm tra chƣơng trình đƣợc chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện
thứ tự từng lệnh trong chƣơng trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng
thái ngõ ra ấy đƣợc phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các
hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chƣơng trình điều khiển đƣợc giữ
trong bộ nhớ.
Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm
nhiều đƣờng tín hiệu song song :
– Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các
Modul 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 .
Trong PLC các số liệu đƣợc trao đổi giữa bộ vi xử lý và các
modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đƣờng,
ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay
song song.
Nếu môt modul đầu vào nhận đƣợc địa chỉ của nó trên Address
Bus , nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một
địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tƣơng
ứng sẽ nhận đƣợc dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu
điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC .
Các địa chỉ và số liệu đƣợc chuyển lên các Bus tƣơng ứng
trong một thời gian hạn chế.
Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ
nhớ và I/O . Bên cạch đó, CPU đƣợc cung cấp một xung Clock có tần số từ
1?8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các
yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
Bộ nhớ
PLC thƣờng yêu cầu bộ nhớ trong các trƣờng hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC nhƣ định thời,
đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chƣơng trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả
mọi vị trí trong bộ nhớ đều đƣợc đánh số, những số này chính là địa chỉ
trong bộ nhớ .
Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ đƣợc trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở
bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trƣớc
khi xử lý lệnh tiếp theo . Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tƣơng
ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này đƣợc gọi là quá trình đọc .
Bộ nhớ bên trong PLC đƣợc tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi
mạch này có khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch.
Trong PLC các bộ nhớ nhƣ RAM, EPROM đều đƣợc sử dụng .
RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chƣơng trình, thay
đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu
nguồn điện nuôi bị mất . Để tránh tình trạng này các PLC đều đƣợc trang bị
một pin khô, có khả năng cung cấp năng lƣợng dự trữ cho RAM từ vài
tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM đƣợc dùng để khởi tạo và kiểm tra
chƣơng trình. Khuynh hƣớng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu
thụ thấp và tuổi thọ lớn .
EPROM (Electrically Programmable Read Memory) là bộ nhớ
mà ngƣời sử dụng bình thƣờng chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào
đƣợc . Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó đƣợc gắn sẵn
trong máy , đã đƣợc nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu ngƣời
sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên
trong PLC . Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM.
Môi trƣờng ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, đƣợc
sử dụng trong máy lập trình . Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lƣợng lớn
nên thƣờng đƣợc dùng để lƣu những chƣơng trình lớn trong một thời gian
dài .
Kích thƣớc 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 thƣớc từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa
từ 2000 ÷16000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng nhƣ RAM ,
EPROM.
Các ngỏ vào ra I / O
Các đƣờng tín hiệu từ bộ cảm biến đƣợc nối vào các modul ( các
đầu vào của PLC ) , các cơ cấu chấp hành đƣợc nối với các modul ra ( các
đầu ra của PLC ) .
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiêu
xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC.
Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái
của các kênh I / O đƣợc 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 .
2.1.3 Xử lý chƣơng trình
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7 200
Khi một chƣơng trình đã đƣợc nạp vào bộ nhớ của PLC , các
lệnh sẽ đƣợc trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ .
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chƣơng trình
ở bên trong bộ nhớ sẽ đƣợc bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh
một, từ đầu cho đến cuối chƣơng trình . Mỗi lần thực hiện chƣơng trình từ
đầu đến cuối đƣợc 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 chƣơng 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
chƣơng trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và đƣợc gọi là hệ
điều hành .
•
Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong
chƣơng 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 modul đầu ra.
2.1.4 PLC SIMATIC S7-200 CPU 224
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng
SIEMNS (CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở
rộng. Các modul này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau.
Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-224.
Hình 2.3 Hình dáng bên ngoài plc S7 200 CPU 224
•
Kích thƣớc (W x H x D): 120,5 x 80 x 62
•
Khối lƣợng : 410 g
•
Công suất tiêu thụ : 9 W
•
Nguồn cấp 120/220 VAC
•
CPU-224 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm
7 modul mở rộng.
•
128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4
Timer 1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms.
•
128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa
đếm lùi.
•
688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ
làm việc.
•
Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sƣờn
lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền
xung.
•
Có 6 bộ đếm tốc độ cao 20 kHz.
•
2 bộ tạo xung 20 kHz
•
Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian
190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp.
