Đồ án Nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn

Mục Lục Nội Dung   Trang    Lời nói đầu    Chương I  Giới thiệu chung về Điều khiển lôgíc khả lập trình (PLC)    1.1  Khái niệm về PLC..........................................    1.2  Điểm mạnh và điểm yếu của PLC.................    1.3  Cấu trúc của PLC...........................................    1.4  Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC...............    Chương II  Các thiết bị nhập xuất    2.1  Các thiết bị nhập............................................    2.1.1  Công tắc cơ....................................................    2.1.2  Các bộ cảm biến............................................    2.2  Các thiết bị xuất............................................    2.2.1  Một số cơ cấu điều khiển,điều chỉnh trong hệ thống thuỷ lực...........................................    Chương III  Lập trình PLC    3.1  Sơ đồ bậc thang..............................................    3.2  Lập trình bậc thang PLC................................    3.3  Các hàm lôgíc................................................    3.3.1  Hàm AND......................................................    3.3.2  Hàm OR.........................................................    3.3.3  Hàm NOT......................................................    3.3.4  Hàm NOTAND..............................................    3.3.5  Hàm NOR......................................................    3.3.6  Hàm EXCLUSIVE (XOR)............................    3.3.7  Mạch khoá.....................................................    3.3.8  Mạch nhiều ngõ ra.........................................    3.4  Các Rơle nội..................................................    3.4.1  Rơle điều khiển chính....................................    3.4.2  Đi tắt..............................................................    3.5  Bộ định thời...................................................    3.5.1  Các loại đồng hồ định giờ .............................    3.5.2  Lập trình đồng hồ định giờ............................    3.6  Các bộ đếm (Counter)....................................    3.6.1  Các dạng bộ đếm ..........................................    3.6.2  Lập trình bộ đếm...........................................    3.7  Thanh ghi dịch chuyển..................................    Chương IV  Giới thiệu về PLC OMRON    4.1  Cấu trúc cơ bản của PLC OMRON...............    4.2  Lập trình bằng Programming Coonsole.........    4.2.1  Khởi đầu với Programming Coonsole............    4.2.2  Các chế độ hoạt động của PLC......................    4.2.3  Xoá chương trình trong PLC..........................    4.2.4  Tìm kiếm trong chương trình.........................    4.2.5  Xoá lệnh (Delete)..........................................    4.2.6  Chèn lệnh (Insert)..........................................    4.2.7  Theo dõi hoạt động của PLC.........................    4.3  Lập trình bằng Ledder Diagram....................    4.3.1  Lập trình bằng sơ đồ bậc thang Ledder.........    4.3.2  Lệnh LD.........................................................    4.3.3  Lệnh Out........................................................    4.3.4  Lệnh AND.....................................................    4.3.5  Lệnh OR........................................................    4.3.6  Lệnh AND LD...............................................    4.3.7  Lệnh OR LD..................................................    4.3.8  Lệnh AND NOT............................................    4.3.9  Lệnh LD NOT...............................................    4.3.10  Network..........................................................    4.3.11  Mạch chốt...................................................... Latching/self Holding CIRCUIT...................    4.3.12  Các quy tắc chung của sơ đồ Ledder diagram...........................................................    4.3.13  Lệnh OUT NOT (output not).........................    4.3.14  Lệnh Set & Reset............................................    4.3.15  Lệnh Keep (11)..............................................    4.3.16  Lệnh DIFU(13) & DIFD (14)........................    4.3.17  Lệnh JMP (04) & JME (05)...........................    4.3.18  Lệnh chuyển dữ liệu MOV(21)......................    4.3.19  Lệnh MVN (22) Move not    4.3.20  Lệnh tính BCD (Binary Code Decimal)-set carry STC (40)    4.3.21  Lệnh Clear carry (CLC (41))    4.3.22  Lệnh ADD (30)    4.3.23  Lệnh SUB (31) trừ BCD    4.3.24  Lệnh MUL (32) nhân BCD    4.3.25  Lệnh DIV (33) chia BCD    4.3.26  LệnhCMP (20) lệnh so sánh    4.3.27  Bộ đếm lặp lại CNTR (12)    4.3.28  Lệnh High speed time (TIMH(15))    4.3.29  Lệnh PRV (62) High Speed counter-Pvread    4.3.30  Lệnh Root (72) Lệnh canư bậc 2    4.3.31  Lệnh END (01)    4.4  Một số lệnh lập trình phổ biến khác của PLC OMRON    4.4.1  Bộ định thời Timer    4.4.2  Bộ đếm Counter    4.5  Lập trình bằng phần mềm Syswin trên máy tính    4.5.1  Phần mềm Syswin    4.5.2  Lập trình với Syswin    4.5.3  Đặt tên, kỹ hiệu mô tả (Symbol) cho các địa chỉ    4.5.4  Nạp chương trình vào PLC(Download Program to PLC)    4.5.5  Chạy chương trình PLC (Run)    4.5.6  Bổ xung các lệnh Timer và Counter vào chương trình    4.5.7  Theo dõi các hoạt động của chương trình    4.5.8  Lưu chương trình    4.5.9  Đọc chương trình PLC    4.6  Một vài ứng dụng với PLC OMRON    4.6.1  Điều khiển các pít-tông A, B, C theo thứ tự lần lượt    4.6.2  ứng dụng PLC để vận hành máy khoan tự động    4.6.3  Chương trình điều khiển trò chơi “Đường lên đỉnh Olympia”    4.6.4  Chương trình PLC ứng dụng điều khiển cửa ra vào ở bãi đậu xe    4.6.5  Mạch điều khiển động cơ băng tải    4.6.6  Hệ thống tự động bôi trơn dầu cho bánh xe    4.6.7  Chương trình điều khiển dây chuyền đóng gói    4.6.8  Mạch tự động điều khiển cửa kho    Chương V  ứng dụng PLC trong việc điều khiển tự động cho máy xấn tôn tại nhà máy khoá-Minh Khai-HN    5.1  Khảo sát máy hiện có tại nhà máy    5.1.1  Giới thiệu chung về máy xấn tôn tại nhà máy khoá Minh Khai    5.1.2  Sơ đồ kết cấu của máy    5.2  So sánh việc điều khiển hệ thống thuỷ lực máy xấn bằng PLC và bằng hệ thống tiếp điểm Rơ-le (Hệ thống điều khiển điện)    5.3  Phân bố các thiết bị vào ra cho việc điều khiển bằng PLC và xây dựng chương trình bậc thang    5.4     Lời nói đầu Nền sản xuất thế giới trong những năm gần đây được đặc trưng bởi cường độ cao của các quá trình sản xuất vật chất. Chất lượng và hiệu quả của các quá trình sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều trình độ kỹ thuật của công nghiệp chế tạo máy. Một nền công nghiệp chế tạo máy tiên tiến sẽ đảm bảo cho các ngành kinh tế các loại thiết bị có năng suất cao với chất lượng hoàn hảo. Để thực hiện tốt các nhiệm vụ của mình, công nghiệp chế tạo máy cần không ngừng hoàn thiện và nâng cao trình độ kỹ thuật của các quá trình sản xuất. Điều khiển tự động và tự động hóa là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệp chế tạo máy. Tự động hoá và điều khiển tự động cho phép sử dụng tối đa các tiềm năng sẵn có, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao đối với các trang thiết bị gia công cơ khí. Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lý thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện điện tử và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác trong những năm ngần đây đã đẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển logic khả lập trình ( PLC ). Cũng từ đây đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển. Ngày nay ai cũng biết rõ rằng công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng trong năng lượng cơ và làm bộ não cho các bộ phận cần tự động hoá và cơ giới hoá. Do đó điều khiển logic khả lập trình ( PLC ) rất cần thiết đối với các kỹ sư cơ khí cũng như các kỹ sư điện , điện tử, từ đó giúp họ nắm được phạm vi ứng dụng rộng rãi và kiến thức về PLC cũng như cách sử dụng thông thường. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em được giao nhiệm vụ và nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng PLC trong điều khiển tự động máy xấn tôn” Đây là một đề tài không hoàn toàn là mới nhưng nó rất phù hợp với thực tế sản xuất hiện nay, càng đi sâu nghiên cứu càng thấy nó hấp dẫn và thấy được vai trò của nó trong việc điều khiển tự động. Đặc biệt được sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ trực tiếp của thầy Dương Minh Tuấn, thầy Nguyễn Đình Bảng. Là các cán bộ giảng dạy ở bộ môn Máy & Masát học- Khoa Cơ Khí, người đã có rất nhiều kinh nghiệm về lập trình PLC, điều khiển tự động và Rôbốt. Tuy nhiên do điều kiện tài liệu nói về PLC còn rất hạn chế hoặc chỉ là giới thiệu tổng quan, mặt khác để lập trình thành công PLC nó còn đòi hỏi một tầm hiểu biết nhất định về điện tử, tin học…nên em cũng gặp không ít khó khăn về mặt thời gian. Xác định rõ nhiệm vụ của mình em đã cố gắng hết sức, khắc phục khó khăn, tập trung tìm hiểu, học hỏi ở thầy giáo hướng dẫn và các thầy giáo khác trong bộ môn. Ngoài ra còn phải trang bị thêm về kiến thức Tin học và tự động hoá thuỷ khí để có thể giải quyết được nhiện vụ đặt ra. Kết quả thu được chưa nhiều do còn bị hạn chế về kiến thức, thời gian và kinh nghiệm nhưng nó giúp em có thêm kiến thức mới để sau khi ra trường có nền tảng tiếp cận được với công nghệ mới. Trong quá trình làm đồ án do trình độ hiểu biết của em có hạn, nên nội dung đồ án không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô cũng như mọi người quan tâm đến vấn đề này. Em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Minh Tuấn, thầy Nguyễn Đình Bảng. Người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, giúp đỡ chỉ bảo và tạo điều kiện cho em được tiếp cận với các thiết bị máy móc trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Máy & Masát học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Chương I Giới thiệu chung về điều khiển logic khả lập trình (PLC) 1.1. Khái niệm về PLC. PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ ( NEMA- National Electrical Manufactures Association) thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình. Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình. 1.2.Điểm mạnh và điểm yếu của PLC. a)Điểm mạnh của PLC Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau: PLC dễ dang tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây. Như thế, người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình. Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle. Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng: phần mềm được hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơle tiếp điểm và không tiếp điểm. Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó. Ngô ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến khiến thức chuyên môn về PLC. Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc Việc tạo ra PLC không những dễ cho việc chuyển đổi các tác động bên ngoài thành các tác động bên trong (tức chương trình), mà chương trình tác động nối tiếp bên trong còn trở thành một phần mềm có dạng tương ứng song song với các tác động bên ngoài. Việc chuyển đổi ngược lại này là sự khác biệt lớn so với máy tính. Thực hiện nối trực tiếp : PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới bộ xử lý (CPU) nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý. đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụ ngoài và CPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic và chuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài có thể làm việc được. Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều cho việc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơle, thì ở PLC những công việc đó đơn giản được thực hiện bởi chương trình và các chương trình đó được lưu giữ ở băng catssete hay đĩa CDROM, sau đó thì chỉ việc sao trở lại. Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn được đem ra sử dụng rộng dãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơle trước đây, Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm. b) Điểm yếu của PLC Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá. Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle. 1.3.Cấu trúc của PLC : Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình. (Hình 1.1) Hình 1.1 Bộ xử lý của PLC : Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất. Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý. Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ : Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trỡ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM ( Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, vv… Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được ( EPROM ) Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM. Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình. Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất ( I/O). Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được. Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256
8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256
16 = 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit. Thiếp bị lập trình. Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý. Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC. Các phần nhập và xuất. Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến vv… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid vv… 1.4.cấu trúc bên trong cơ bản của PLC. Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC. Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8 MHz. Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng các tín hiệu digital. Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu digital được gọi là Bus. Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện. Bus có thể là các vệt dây dẫn trên bản mạch in hoặc các dây điện trong cable bẹ. CPU sử dụng bus dữ liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động điều khiển nội bộ. Bus hệ thống được sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập /xuất. Cấu trúc của PLC được minh hoạ như sơ đồ sau.
CPU Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý. Nói chung CPU có: Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR,NOT,EXCLUSIVE- OR. Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi của chương trình. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán. BUS Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin được truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, tương tự các trạng thái on/off của tín hiệu nào đó. Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó. Vì vậy một từ 8 - bit có thể là số nhị phân 00100110. Cả 8- bit này được truyền thông đồng thời theo dây song song của chúng. Hệ thống PLC có 4 loại bus. Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU. Bộ xử lý 8- bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8- bit, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8-bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8- bit. Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ và các vị trí trong bộ nhớ. Như vậy mỗi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhất định. để CPU có thể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8-bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 28 = 256. Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụ