Bai Giang He Thong Co Dien Tu 1

Bài giảng Hệ thống Cơ điện tử 1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ........................................................4

1.1. Các khái niệm cơ bản.......................................................................................4

1.2. Lịch sử và xu thế phát triển..............................................................................4

1.2.1. Lịch sử phát triển......................................................................................4

1.2.2. Xu thế phát triển........................................................................................8

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ...10

2.1. Môđun môi trường.........................................................................................10

2.2. Môđun tập hợp...............................................................................................10

2.3. Môđun đo lường.............................................................................................10

2.4. Hệ thống kích truyền động.............................................................................11

2.5. Môđun truyền thông.......................................................................................11

2.6. Môđun xử lý...................................................................................................11

2.6.1. Đường truyền bus....................................................................................12

2.6.2. Bộ xử lý trung tâm CPU.........................................................................13

2.6.3. Bộ nhớ.....................................................................................................13

2.7. Môđun phần mềm..........................................................................................13

2.7.1. Ngôn ngữ lập trình..................................................................................13

2.7.2. Các tập lệnh.............................................................................................14

2.7.3. Lập trình..................................................................................................14

2.8. Môđun giao diện............................................................................................14

CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH..........................................15

3.1. Giới thiệu về cảm biến và cơ cấu chấp hành.................................................15

3.1.1. Cảm biến.................................................................................................15

3.1.2. Cơ cấu chấp hành....................................................................................16

3.2. Đặc tính của cảm biến và cơ cấu chấp hành..................................................17

3.2.1. Dải đo......................................................................................................17

3.2.2. Độ phân giải............................................................................................17

3.2.3. Độ nhạy...................................................................................................17

3.2.4. Sai số.......................................................................................................18

3.2.5. Khả năng lặp lại......................................................................................18

3.2.6. Vùng chết................................................................................................18

3.2.7. Tính ổn định............................................................................................20

3.2.8. Thời gian đáp ứng...................................................................................20

Trang 1

Trang


3.2.9. Nhiệt độ hệ thống....................................................................................20

3.3. Một số loại cảm biến thường gặp...................................................................21

3.3.1. Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay.....................................................21

3.3.1.1. Công tắc hành trình..........................................................................21

3.3.1.2. Tia hồng ngoại.................................................................................21

3.3.1.3. Các bộ mã hóa quang học................................................................22

3.3.2. Đo lực......................................................................................................23

3.3.3. Cảm biến đo khoảng cách.......................................................................24

3.4. Cơ cấu chấp hành...........................................................................................26

3.4.1. Các động cơ điện.....................................................................................26

3.4.1.1. Động cơ DC.....................................................................................26

3.4.1.2. Động cơ AC.....................................................................................28

3.4.1.3. Động cơ bước...................................................................................29

3.4.2. Hệ thống điều khiển khí nén...................................................................32

3.4.2.1. Phần tử xử lý và điều khiển.............................................................32

3.4.2.1.1. Van đảo chiều............................................................................32

3.4.2.1.2. Van chắn...................................................................................36

3.4.2.1.3. Van tiết lưu:..............................................................................36

3.4.2.1.4. Van áp suất................................................................................38

3.4.2.2. Cơ cấu chấp hành:............................................................................38

3.4.2.2.1. Xi lanh.......................................................................................38

3.4.2.2.2. Động cơ khí nén:.......................................................................39

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC................................40

4.1. Giới thiệu PLC...............................................................................................40

4.1.1. Giới thiệu chung......................................................................................40

4.1.2. Hình dáng bên ngoài...............................................................................40

4.1.3. Các thành viên họ S7-200.......................................................................43

4.1.4. Modul mở rộng.......................................................................................45

4.2. Đấu nối PLC và modul mở rộng....................................................................48

4.2.1. PLC sử dụng nguồn nuôi một chiều.......................................................48

4.2.2. PLC sử dụng nguồn nuôi xoay chiều......................................................50

4.2.3. Đấu nối modul mở rộng..........................................................................52

4.3. Ngôn ngữ lập trình.........................................................................................56

4.3.1. Cách thực hiện chương trình...................................................................56

4.3.2. Cấu trúc chương trình.............................................................................57

4.3.3. Phương pháp lập trình.............................................................................58

Trang 2


4.4. Một số lệnh cơ bản.........................................................................................59

4.4.1. Lệnh vào ra.............................................................................................59

4.4.2. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm....................................................60

4.4.3. Các lệnh logic đại số Boolean.................................................................60

4.4.4. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt.....................................................................64

4.4.5. Các lệnh so sánh......................................................................................65

4.4.6. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con................................................67

4.4.7. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét............................................69

4.4.8. Các lệnh điều khiển Timer......................................................................69

4.4.9. Các lệnh điều khiển Counter...................................................................73

4.4.10. Các lênh số học.....................................................................................76

4.4.11. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh đảo giá trị thanh ghi....................80

4.4.12. Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ...................................................84

4.5. Soạn thảo chương trình và chương trình mô phỏng.......................................85

4.5.1. Soạn thảo chương trình...........................................................................85

4.5.2. Chương trình mô phỏng..........................................................................85

Trang 3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ.

1.1. Các khái niệm cơ bản.

Khái niệm Cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty

Yasakawa Electric. Trong các tài liệu xin bảo hộ thương hiệu của mình. Yasakawa

định nghĩa Cơ điện tử như sau:

“Thuật ngữ mechatronics được tạo thành bởi “mecha” trong mechanics và

“tronics” trong electronics. Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm được phát

triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong

các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng.”

Khái niệm cơ điện tử tiếp tục phát triển sau khi Yasakawa đưa ra định nghĩa

đầu tiên. Một định nghĩa khác về cơ điện tử thường hay được nói tới do Harashima,

Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996 như sau:

“Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều

khiển máy tính thông minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công

nghiệp.”

Năm 1997, Shetty và Kolk lại quan niệm:

“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản

phẩm cơ điện.”

Và gần đây, Bolton lại đề xuất định nghĩa:

“Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nó

cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển. Nó là sự tích hợp đầy đủ các hệ

trên.”

1.2. Lịch sử và xu thế phát triển.

1.2.1. Lịch sử phát triển.

Quá trình phát triển CĐT trên thế giới chính thức bắt đầu từ năm 1969 với sự

ra đời thuật ngữ Cơ điện tử, sản phẩm CĐT chỉ là sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử.

Sau đó, với sự phát triển của CNTT, các bộ vi xử lý đã được tích hợp vào hệ thống

Cơ điện tử.

Về đào tạo cơ điện tử trên thế giới:

Năm 1983 Viện kỹ thuật Nhật Bản – Singapore đã đưa vào khóa đào tạo kỹ

thuật cơ điện tử (mechatronics engineering) chương trình đào tạo 2 năm để đào tạo

lại kỹ sư cơ khí.

Khóa giảng đầu tiên mang tên “Mechatronics” cho kỹ sư và học viên cao học

được thực hiện ở trường đại học Landcaster trong năm 1984/1985. Kể từ đó khóa

Trang 4


đào tạo về Cơ điện tử phát triển mạnh ở tất cả các nước công nghiệp phát triển và

đang phát triển.

Những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, 4 trường đại học Bách khoa của

Singapore có chương trình đào tạo 3 năm chính quy kỹ sư cơ điện tử.

Ở Úc cũng đã có các khóa đào tạo và cấp bằng kỹ sư theo chuyên ngành Cơ

điện tử từ những năm đầu 90. Tiếp theo không lâu là các trường đại học Curtin và

New South Weles.

Ở châu Âu, từ năm 1980 đã có các hoạt động có liên quan đến đào tạo Cơ

điện tử, nhưng khóa học chính thức về cơ điện tử trong trường đại học thì chỉ bắt

đầu từ chương trình một năm Cao học tại trường đại học Katholieke (Bỉ) trong năm

1986. Đến năm 1989 trường này đã mở ngành đào tạo Cơ điện tử.

Trong năm 1990 một loạt các trường đại học ở CHLB Đức, Đan Mạch, Hà

Lan,…(Châu Âu) đưa Cơ điện tử vào giảng dạy. Từ năm 1992 đến 1996 Liên minh

châu Âu đã tài trợ thực hiện dự án TEMOUS đưa khóa học Cơ điện tử vào giảng

dạy tại các khoa Cơ khí của các trường đại học: TU Brno, CTU, TU Plzeo,

University College Dublin, Loughborough University of Technology,…..

Các trường đại học ở Anh giảng dạy Cơ điện tử bắt đầu từ trường Lancaster,

tiếp theo là trường đại học London, Survey, Dundee, Hull, Brunel, Loughborough,

Manchester và Leeds.

Ở Bắc Mỹ mặc dù có rất nhiều trường hoạt động trong lĩnh vực Cơ điện tử,

nhưng cho đến năm 1995 vẫn chưa xuất hiện những khóa giảng dạy mang tên “Cơ

điện tử”. Đến nay hầu như các trường đại học kỹ thuật của Mỹ đều đã có khoa này.

Tính đến năm 1999 trên thế giới đã có khoảng 90 trường đại học và viện nghiên cứu

có đào tạo giảng dạy và nghiên cứu về cơ điện tử

Về đào tạo cơ điện tử ở Việt Nam:

Hiện nay một số Trường ĐH tại Việt Nam đã Đào tạo chuyên ngành Cơ điện

tử hệ Đại học:

- Từ năm 1997 ĐHBK TP Hồ Chí Minh mở Chuyên ngành Cơ điện tử tại

khoa Cơ khí.

- Từ năm 2001 ĐHBK Đà nẵng mở chuyên ngành Cơ điện tử tại khoa Cơ

khí với số lượng 58 sinh viên. Bộ môn Cơ điện tử cũng được thành lập vào năm

2003.

- Năm 2001 ĐH SPKT TP HCM cũng mở ngành Cơ điện tử khóa đầu tiên.

- Bắt đầu từ năm 2004, ĐH Công nghệ thuộc ĐH Quốc gia Hà nội mở

Chuyên ngành Cơ điện tử tại Khoa Cơ kỹ thuật với số lượng ban đầu khoảng 20

SV/năm.

Trang 5


Ngoài ra các trường sau cũng đã mở chuyên ngành Cơ điện tử đào tạo ĐH

- Viện Công nghệ Châu Á (AIT) tại Hà nội

- ĐH Cần thơ

- Một số trường ĐH Dân lập Phương Đông, DL Thăng Long vv...

- Đào tạo Cao học: Đào tạo Cao học trong nước tại trường ĐH Bách khoa

Hà Nội. ĐH BK Hà Nội hợp tác với ĐH Tổng hợp kỹ thuật Hannover

(CHLB Đức) và ĐH Tổng hợp kỹ thuật Dresden (CHLB Đức) mở lớp

Cao học quốc tế.

Hình 1.1. Cơ điện tử: sự tích hợp hữu cơ của nhiều ngành khác nhau

Trang 6

Điện tửMô hình hóaLý thuyết hệ thốngCông nghệ tự động hóaPhần mềmTrí tuệ nhân tạo

Vi điện tửĐiện tử công suất

Cảm biếnCơ cấu chấp hành

Các thành phần cơ khíMáyCơ khí chính xác

Công

nghệ

thông tinCƠ ĐIỆN TỬ

Hệ cơ khí thuần túy

Hệ cơ khí với truyền động điện

Hệ cơ khí với đkhiển tự động

Hệ cơ khí với:

+ Điều khiển điện tử tương tự

+ Điều khiển tuần tự

Hệ cơ khí với:

+ Điều khiển liên tục số

+ Điều khiển tuần tự số

Hệ cơ khí với:+ Tích hợp: cơ khí và phần cứng điện tử.+ Các chức năng xác định bằng phần mềm+ Các hiệu quả tổng hợp

Động cơ một chiều 1870Động cơ xoay chiều 1889

RơleThủy lực, khí nén, máy khuyếch đại điệnBộ điều khiển PI 1930

Tranziton 1948Thyristor 1955

Máy tính số 1955Máy tính xử lý 1959Phần mềm thời gian thực 1966Máy tính 1971Tự động hóa dựa trên số hóa 1975

Vi điều khiển 1978Máy tính cá nhân 1980Hệ thống xử lý busCơ cấu truyền động mới, cảm biếnSự tích hợp các thành phần

<1920

1920

1935

1955

1975

1985

Gia tăng các

thành phần điện

Tăng dần điều

khiển tự động

dùng máy tính xử

lý và quá trình

thu nhỏ cấu trúc.

Gia tăng điều

khiển tự động

Tăng dần sự tích

hợp giữa các quy

trình với máy

tính.

Động cơ hơi nước 1860Máy phát điện 1870

Bơm tuần hoàn 1880Động cơ đốt cháy 1880

Máy đánh chữMáy công cụ

Máy đánh chữ bằng điện

Tuabin hơi nướcMáy bay

Thang máy điều khiển bằng điện

Dụng cụ cắtRobot công nghiệp

Nhà máy công nghiệpCác ổ đĩa

Robot di độngCIM

Ổ đệm từ trườngĐiều khiển máy tự động


Bảng 1.1. Lịch sử phát triển của các hệ cơ học, điện, điện tử.

Trang 7


1.2.2. Xu thế phát triển.

Năm 70 của thế kỷ 20, các sản phẩm cơ điện tử chủ yếu tích hợp phần cơ khí

với công nghệ điều khiển trợ lực (servo) tạo nên các sản phẩm như cửa tự động,

máy tự động bán hàng, máy ảnh tự động chỉnh tiêu cự (focus). Đến những năm 80,

khi công nghệ thông tin được hình thành thì các chip vi xử lý đã được nhúng vào

trong các hệ thống cơ khí để nâng cao các công năng hệ thống. Lúc này các máy

công cụ điều khiển số và robot đã trở nên hoàn hảo hơn, các ô tô có phần điều khiển

số… đã được sử dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực quân sự, các hệ thống vũ khí thông

minh có điều khiển số ra đời và phát triển mạnh mẽ.

Vào những năm 90, khi đưa các sản phẩm cơ điện tử vào công nghệ truyền

thông đã tạo nên các sản phẩm có khả năng kết nối mạng. Cũng trong giai đoạn này,

các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành siêu nhỏ được phát triển và ứng dụng trong

nhiều sản phẩm như các hệ thống vi cơ điện tử. Có thể nói rằng, chức năng của các

máy móc và hệ thống cơ kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm (có thể

là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ) trong máy tính của sản phẩm. Riêng điều này

đã là một sự khác biệt về chất so với các sản phẩm cơ điện cách đây 25-30 năm.

Xu thế phát triển của cơ điện tử là ngày càng tích hợp trong nó nhiều công

nghệ cao hơn, sản phẩm ngày càng "thông minh" hơn đồng thời kích thước cũng

ngày càng nhỏ đi.

Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010 đã xác

định một số lĩnh vực cơ điện tử chuyên sâu:

- Robot làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, an ninh quốc

phòng, một số dây chuyền công nghiệp công nghệ cao

- Các sản phẩm CĐT trong một số lĩnh vực cơ khí trọng điểm như máy

công cụ, máy động lực, thiết bị điện-điện tử, cơ khí ôtô và các thiết bị đo

lường điều khiển...

- Nghiên cứu vi cơ điện tử và nano cơ điện tử...

STT Thiết kế truyền thống Thiết kế Cơ điện tử

Các thành phần thêm vào Tích hợp các thành phần (phần cứng)

1.

2.

3.

4.

To lớn

Kết cấu phức tạp

Vấn đề về dây dẫn

Các thành phần kết nối

Nhỏ gọn

Kết cấu đơn giản

Truyền thông không dây hoặc bus

Các thiết bị tự trị

Điều khiển đơn giản Tích hợp bởi xử lý thông tin

5. Cấu trúc cứng nhắc Cấu trúc mềm dẻo, phản hồi

Trang 8


6.

7.

8.

9.

10.

Điều khiển truyền thẳng, tuyến tính

Độ chính xác nhờ dung sai hẹp

Các đại lượng không đo được thay

đổi tùy tiện

Theo dõi đơn giản

Khả năng cố định

Điều khiển phản hồi khả lập trình

Độ chính xác nhờ đo lường và phản hồi

Điều khiển các đại lượng không đo được

bằng cách ước lượng

Giám sát với chẩn đoán lỗi

Khả năng tự học

Bảng 1.2. Các thuộc tính của thiết kế truyền thống và thiết kế Cơ điện tử.

Trang 9


CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CƠ

ĐIỆN TỬ

2.1. Môđun môi trường.

Môđun môi trường liên quan đến các thông số bên ngoài như phạm vi nhiệt

độ, các yếu tố tải trọng…sẽ tác động đến hoạt động của sản phẩm đồng bộ. Trong

các thiết kế tổng thể, các tham số này thiết lập loạt điều kiện biên mà sản phẩm phải

tồn tại và hoạt động trong đó.

Môđun môi trường hình thành từ điều kiện hoặc các tiêu chuẩn, quy tắc thực

tế và chức năng thực hiện của hệ thống. Môđun môi trường vừa đóng vai trò đầu

vào, vừa đóng vai trò đầu ra của cả hệ thống buộc hệ thống có các chức năng thực

hiện, phục vụ một mục đích cụ thể nào đó.

Môđun môi trường không hiện diện trong sản phẩm cơ điện tử, tuy nhiên vì

cơ điện tử liên quan cả đến việc thiết kế sản phẩm nên trong nghiên cứu sản phẩm

cơ điện tử, môđun môi trường cần được quan tâm đúng mức.

2.2. Môđun tập hợp.

Môđun tập hợp là toàn bộ hệ thống cơ khí, thể hiện kết cấu hình dáng cơ sở

các sản phẩm. Nó bao gồm chi tiết, cụm cơ khí, trong đó đặc biệt là các khung bệ

lắp ráp cho các môđun khác, các chi tiết sử dụng làm vật liên kết, vật trung gian

ghép nối…Mỗi một sản phẩm có một cách thể hiện hình dáng khác nhau, liên quan

đến mục đích sử dụng sản phẩm. Thường các chi tiết thành phần được thiết kế và

chế tạo, sau đó được lắp ráp theo bản vẽ lắp ghép. Cũng như các sản phẩm cơ khí

khác, sản phẩm cơ điện tử cần có một hình dáng mang tính thẩm mỹ.

2.3. Môđun đo lường.

Môđun đo lường là hệ thống được sử dụng rất phổ biến trong các sản phẩm

cơ điện tử và thường được cấu tạo từ 3 thành phần:

Hình 2.1. Hệ thống đo lường và các thành phần.

Cảm biến: Cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinh tại đầu ra của

nó một tín hiệu tương ứng.

Gia công tín hiệu: Đây là khâu thu thập, gia công tín hiệu sau các chuyển đổi

sơ cấp. Tín hiệu từ cảm biến của một hệ thống đo thường được xử lý theo một

Trang 10

Hiển thịCảm biến Gia công tín hiêu

Cơ khí

Đại lượng đang

được đo

Giá trị đại

lượng


phương pháp để phù hợp với giai đoạn hoạt động tiếp theo. Tín hiệu có thể được

khuếch đại lên, loại nhiễu, chỉnh lưu, chuyển đổi từ tín hiệu số sang tương tự và

ngược lại…

Hệ thống hiển thị: Nơi tín hiệu ra từ bộ gia công tín hiệu được thể hiện dưới

dạng con số (hiển thị số) hoặc dạng biểu đồ (hiển thị tương tự).

2.4. Hệ thống kích truyền động.

Hệ thống kích truyền động là thành phần của sản phẩm cơ điện tử, thực hiện

chuyển đổi đầu ra từ môđun xử lý thành các hành động điều khiển trên một máy

móc hoặc thiết bị.

Phần này sẽ được tìm hiểu kỹ ở chương 3.

2.5. Môđun truyền thông.

Trong sản xuất, chế tạo với các thiết bị có sự điều khiển, để giữ được nhịp

sản xuất giữa các thiết bị, giữa chúng cần có sự trao đổi thông tin. Các thiết bị có

thể gửi và đọc thông tin theo những cách khác nhau.

Sự trao đổi, truyền thông tin, dữ liệu giữa các máy tính tùy theo phạm vi sử

dụng được yêu cầu có thể là:

Điều khiển trung tâm: là sử dụng một máy tính trung tâm để điều khiển toàn

bộ dây chuyền. Trong trường hợp này, nếu máy tính trung tâm có sự cố, toàn bộ dây

chuyền sẽ ngừng hoạt động. Đây là dạng điều khiển những năm 1970.

Hệ điều khiển phân cấp: Các máy tính thực hiện công việc thường nhật bị

giám sát bởi các máy tính có vai trò quyết định lớn hơn. Công việc được chia cho

các máy tính theo chức năng của chúng (chuyên môn hóa).

Hệ thống điều khiển phân quyền: Các máy tính được thực hiện công việc

tương tự nhau. Trường hợp có sự cố hoặc một máy quá tải, công việc có thể được

chuyển sang máy khác. Công việc được trải ra tất cả các máy do vậy mỗi máy cần

truy cập được tất cả các máy trong hệ thống.

2.6. Môđun xử lý.

Môđun xử lý, xử lý thông tin do môđun giao diện và môđun đo lường cung

cấp. Thành phần chính của môđun này là bộ điều khiển. Ngày nay các bộ vi xử lý

đóng vai trò quan trọng trong các bộ điều khiển.

Bộ vi xử lý được chia thành 3 vùng:

- Bộ xử lý trung tâm (CPU) nhận biết và thực hiện các lệnh của chương

trình.

- Giao diện nhập-xuất để quản lý và truyền thông giữa bộ xử lý và thế giới

bên ngoài.

- Bộ nhớ để lưu giữ chương trình và dữ liệu.

Trang 11


Tín hiệu số di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác dọc theo đường

truyền bus. Bus là hệ thống dây nối để truyền dữ liệu từ bộ phận này đến bộ phận

khác trong máy tính. Nói một cách ví von, bus giống như con đường cao tốc, càng

rộng càng truyền được nhiều dữ liệu đi với tốc độ cao.

Dữ liệu liên quan đến chức năng xử lý của CPU được truyền bởi đường

truyền dữ liệu (data bus). Thông tin về địa chỉ của một vị trí xác định trên bộ nhớ để

truy cập các dữ liệu lưu được tải bởi bus địa chỉ (address bus). Những tín hiệu liên

quan đến hành động điều khiển được tải bởi bus điều khiển (control bus).

2.6.1. Đường truyền bus.

Bus dữ liệu (data bus): Dùng để mang thông tin giữa CPU và bộ nhớ cũng

như giữa CPU và các thiết bị nhập xuất. Mỗi dây trong bus truyền một tín hiệu nhị

phân 0 hoặc 1. Như vậy một bus 4 dây đang truyền từ 1010. Các bit được truyền

như sau:

Từ Dây bus

0 (bit thấp) Dây bus dữ liệu đầu tiên

1 Dây bus dữ liệu thứ 2

0 Dây bus dữ liệu thứ 3

1 (bít cao) Dây bus dữ liệu thứ 4

Kích thước của bus, được hiểu như độ rộng của đường cao tốc, là yếu tố

quan trọng quyết định lượng dữ liệu được chuyển đi mỗi lần. Ví dụ: bus 4 bit, 8 bit,

16 bit, 32 bit… có thể truyền từng đó dữ liệu một lần.

Nếu một bus dữ liệu có chiều dài 4 bit, số lượng các giá trị sẽ là 2 4 = 16. Bộ

vi xử lý 4 bit ngày nay hay sử dụng cho đồ chơi, máy giặt. Loại phổ thông hay dùng

cho các hệ điều khiển nhất là loại 8, 16, 32 và 64 bit.

Bus địa chỉ (address bus): Thông tin về địa chỉ của một vị trí xác định trên

bộ nhớ. Khi một địa chỉ cụ thể được chọn, thì chỉ mỗi vị trí này được mở thông với

CPU. Hầu hết các máy tính nhỏ có từ 16 đến 32 đường địa chỉ và có khả năng truy

xuất 2n vị trí nhớ. Một bus địa chỉ 16 bit có khả năng truy xuất 216 = 65536 = 64K vị

trí nhớ. Một bus địa chỉ 20 bit có khả năng truy xuất 1M vị trí nhớ, một bus địa chỉ

32 bit có khả năng truy xuất đến 4G vị trí nhớ. Bộ nhớ càng lớn chứa được nhiều dữ

liệu và sử dụng được các chương trình lớn hơn, phức tạp hơn.

Trang 12


Bus điều khiển (control bus): là một hỗn hợp các tín hiệu, mỗi một tín hiệu

có một vai trò riêng trong việc điều khiển có trật tự hoạt động của hệ thống. Qua

bus điều khiển tín hiệu được gởi để đồng bộ các thành phần riêng lẻ.

2.6.2. Bộ xử lý trung tâm CPU.

CPU quản lý tất cả các hoạt động và thực hiện tất cả các thao tác trên dữ liệu.

Hầu hết các CPU chỉ bao gồm một tập các mạch logic thực hiện liên tục hai thao

tác: tìm nạp lệnh và thực thi lệnh. CPU có khả năng hiểu và thực thi các lệnh dựa

trên một tập các mã nhị phân, mỗi một mã nhị phân biểu thị một thao tác đơn giản.

các lệnh này thường là các lệnh số học (cộng, trừ, nhân, chia), các lệnh logic (AND,

OR, NOT…), các lệnh di chuyển dữ liệu hay các lệnh rẽ nhánh được biểu thị bởi

một tập các mã nhị phân và được gọi là tập lệnh.

2.6.3. Bộ nhớ.

Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ chứa các dữ liệu vĩnh viễn.

Các con ROM được lập trình trong lúc các mạch này được chế tạo. Các dữ liệu chỉ

có thể đọc được và sử dụng cho các chương trình cố định.

Bộ nhớ EPROM (Erasable and Programable): Các chip sử dụng loại bộ nhớ

này có thể xóa và lập trình lại được.

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu

nhiên, nó có nhiệm vụ lưu dữ liệu tạm thời đang thực hiện, nó có thể đọc và ghi dữ

liệu vào. Toàn bộ dữ liệu của bộ nhớ RAM sẽ bị mất nếu mất nguồn cung cấp điện.

2.7. Môđun phần mềm.

Các môđun phần mềm được xây dựng trên cơ sở sử dụng các ngôn ngữ lập

trình để lập thuật toán phù hợp theo nhiệm vụ của các thiết bị ngoại vi được điều

khiển. Mục đích sao cho bộ xử lý hiểu, sau đó xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển

phù hợp mục tiêu đề ra. Để môđun phần mềm tương thích với bộ vi xử lý, chúng ta

phải tương thích với mô hình lập trình của CPU tương ứng.

2.7.1. Ngôn ngữ lập trình.

Các thông tin vào buộc bộ vi xử lý thực hiện một hành động cụ thể được gọi

là các lệnh (instruction), tập hợp các lệnh mà bộ vi xử lý nhận biết gọi là bộ lệnh

(instruction set). Dạng thức của bộ lệnh phụ thuộc vào bộ vi xử lý có liên quan.

Loạt các lệnh cần thiết để thực hiện một công việc cụ thể nào đó ta gọi là một

chương trình (program).

Bộ xử lý làm việc với hệ nhị phân. Các chương trình viết theo hệ nhị phân

được gọi là mã máy. Viết chương trình theo dạng này đòi hỏi kỹ thật cao và thường

bị mắc lỗi nhiều. Một ngôn ngữ thường được sử dụng là hợp ngữ (Assembly

language). Tuy nhiên trình hợp ngữ vẫn phải chuyển thành mã máy nếu muốn bộ xử

Trang 13


lý hiểu được chương trình trên. Sự chuyển đổi này có thể thực hiện thủ công khi sử

dụng tài liệu của nhà sản xuất. Tuy nhiên, thường có các chương trình máy tính thực

hiện chuyển đổi này gọi là chương trình dịch hợp ngữ (assembler programs). Bên

cạnh đó ta còn dùng các ngôn ngữ bậc cao để lập trình như: BASIC, C, C++,

FORTRAN, PASCAL…Tất cả những ngôn ngữ này đều phải chuyển sang ngôn

ngữ máy thì bộ vi xử lý mới có thể sử dụng được.

2.7.2. Các tập lệnh.

Tập lệnh (instruction set) là danh sách từ khóa mô tả tất cả các hoạt động

hoặc các tác vụ mà đơn vị xử lý trung tâm (CPU) có thể thực hiện được. Các bộ vi

xử lý khác nhau có các lệnh khác nhau nhưng nhìn chung các lệnh có thể phân chia

thành những nhóm lệnh sau:

- Chuyển dữ liệu.

- Thực hiện số học.

- Thực hiện logic.

- Điều khiển chương trình.

2.7.3. Lập trình.

Thường phương pháp lập trình được sử dụng để phát triển chương trình gồm

các bước sau:

- Xác định vấn đề, bắt đầu từ việc làm rõ chương trình phải thực hiện

những chức năng gì, yêu cầu nhập xuất, dung lượng nhớ…

- Quyết định thuật toán sử dụng. Thuật toán là tuần tự các bước xác định

một phương pháp giải quyết vấn đề.

- Thể hiện thuật toán thông qua lưu đồ. Biểu diễn các biểu tượng chuẩn để

thể hiện lưu đồ. Mỗi một bước của thuật toán thể hiện bằng một hoặc hơn

một biểu tượng và nối với nhau bởi đường thể hiện luồng chương trình.

- Chuyển đổi lưu đồ thuật toán thành câu lệnh mà bộ xử lý có thể thực

hiện. Tức là viết các câu lệnh theo ngôn ngữ lập trình.

- Chạy thử và sửa lỗi chương trình.

2.8. Môđun giao diện.

Môđun giao diện là một phần quan trọng trong hệ thống Cơ điện tử. Các thiết

bị ngoại vi (bộ cảm biến, bảng điều khiển) thường không được nối trực tiếp với hệ

thống vi xử lý do thiếu tương thích về mức và dạng tín hiệu. Do vậy cần phải có

một mạch ghép nối gọi là mạch giao diện để nối thiết bị ngoại vi và bộ vi xử lý.

Trang 14

Thiết bị ngoại vi Mạch giao diện Bộ vi xử lý


Hình 2.2. Giao diện.

CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

3.1. Giới thiệu về cảm biến và cơ cấu chấp hành.

Cảm biến và cơ cấu chấp hành là hai thành phần cơ bản của mọi hệ cơ điện

tử. Một hệ cơ điện tử điển hình như trên hình 3.1 gồm một khối cảm biến, một khối

điều khiển và một khối cơ cấu chấp hành.

Khối cảm biến có thể đơn giản là một cảm biến đơn lẻ hoặc có thể gồm các

thành phần bổ sung như bộ lọc, bộ khuếch đại, bộ điều chế và các bộ biến đổi tín

hiệu khác.

Khối điều khiển nhận thông tin từ khối cảm biến, đưa ra quyết định dựa trên

thuật toán điều khiển và các lệnh tới khối cơ cấu chấp hành.

Khối cơ cấu chấp hành bao gồm cơ cấu chấp hành có thể thêm một bộ nguồn

và một cơ cấu ghép nối.

Hình 3.1. Hệ Cơ điện tử thường gặp.

3.1.1. Cảm biến.

Cảm biến là một thiết bị mà khi có một hiện tượng vật lý tác động vào (nhiệt

độ, lực, ánh sáng,…) sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra (điện, cơ học, từ,…) tỷ lệ.

Cảm biến được phân loại thành 2 dạng tương tự hoặc số dựa trên dạng tín

hiệu đầu ra. Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số cần đo

và cần sự biến đổi tương tự thành số trước khi chuyển cho bộ điều khiển số. Trong

khi đó, cảm biến số cung cấp đầu ra số có thể trực tiếp ghép nối với bộ điều khiển

số.

Trang 15

Khoái caûm bieán

Khoái cô caáu chaáp haønh

BOÄ ÑIEÀU KHIEÅNHEÄ THOÁNG

ÑÖÔÏCÑIEÀU

KHIEÅN


Một số loại cảm biến thường gặp:

Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay.

Cảm biến gia tốc.

Cảm biến lực.

Cảm biến đo mômen và công suất.

Cảm biến lưu lượng.

Cảm biến nhiệt độ.

Cảm biến đo khoảng cách.

Các cảm biến nhận biết ánh sáng, hình ảnh và nhận dạng.

Tiêu chuẩn lựa chọn.

Dải đo: Chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tham số

cần đo.

Độ phân giải: Thay đổi nhỏ nhất mà cảm biến có thể phân biệt được.

Độ chính xác: Sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực.

Tính chính xác: Khả năng lặp lại kết quả đo với độ chính xác cho trước.

Độ nhạy: Là tỷ số của thay đổi đầu ra trên một đơn vị thay đổi của đầu

vào.

Thời gian đáp ứng: Độ trễ giữa đầu vào và đầu ra.

Nhiệt độ hoạt động: Khoảng nhiệt độ mà tại đó cảm biến hoạt động được.

Vùng chết: Dải đầu vào mà trong dải đó sẽ không có đầu ra.

Việc chọn cảm biến thỏa mãn tất cả các đặc tính kỹ thuật trên là không thực

tế. Ví dụ việc tìm cảm biến vị trí với độ phân giải m trong khoảng một mét gần

như không đáp ứng được với hầu hết các loại cảm biến. Do vậy tùy theo hệ Cơ điện

tử thiết kế mà ta lựa chọn cảm biến cho phù hợp.

Khi các hệ số chức năng trên được thỏa mãn, người ta có thể đưa ra một

danh sách cảm biến. Sự lựa chọn cuối cùng sẽ phụ thuộc vào kích cỡ, độ tin cậy, độ

bền vững, khả năng bảo dưỡng và giá thành cảm biến.

3.1.2. Cơ cấu chấp hành.

Về cơ bản, các cơ cấu chấp hành là phần phía sau một hệ cơ điện tử, nhận

lệnh điều khiển (hầu hết là dạng tín hiệu điện) và gây ra một sự thay đổi trong hệ

vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy…Thông thường các cơ cấu

chấp hành được sử dụng kết hợp với nguồn nuôi và một cơ cấu ghép nối như trên

hình 3.2.

Trang 16


Hình 3.2. Thiết bị chấp hành thông thường.

Phân loại:

Cơ cấu chấp hành có thể phân loại dựa trên dạng năng lượng.Về cơ bản có

các dạng: điện, điện cơ, điện từ, thủy lực và khí nén.

Cơ cấu chấp hành cũng có thể phân loại thành dạng nhị phân và liên tục dựa

trên số lượng đầu ra trạng thái ổn định. Một rơle với hai trạng thái ổn định là một ví

dụ điển hình của cơ cấu chấp hành dạng nhị phân. Tương tự, một động cơ bước là

một ví dụ điển hình cho cơ cấu chấp hành dạng liên tục.

3.2. Đặc tính của cảm biến và cơ cấu chấp hành

3.2.1. Dải đo.

Chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tham số cần đo. Dải

đo thường được quy định bởi nhà sản xuất cảm biến.

3.2.2. Độ phân giải.

Độ phân giải của cảm biến là khoảng nhỏ nhất của đầu vào mà cảm biến có

thể đo được. Độ phân giải cũng có thể được hiểu là số đếm nhỏ nhất của cảm biến.

Ví dụ một bộ mã hóa 1024 ppr (xung/vòng) có độ phân giải là:

3.2.3. Độ nhạy.

Độ nhạy của cảm biến được định nghĩa là tỷ số giữa thay đổi đầu ra trên một

đơn vị thay đổi đầu vào. Độ nhạy của cảm biến thường liên quan mật thiết đến độ

phân giải. Một cảm biến có đặc tính tuyến tính thì có độ nhạy không đổi trên toàn

bộ dải đầu vào. Các cảm biến có đặc tính phi tuyến thì có độ nhạy tăng hoặc giảm

khi đầu vào thay đổi như hình 3.3.

Trang 17


Hình 3.3. Độ nhạy của cảm biến.

3.2.4. Sai số.

Sai số là độ sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đầu vào. Có hai

loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống có ở tất cả các

phép đo được thực hiện với cảm biến. Các dạng của sai số hệ thống:

Sai số lệch không: là dạng phổ biến của sai số hệ thống khi giá trị đầu

ra khác không với đầu vào bằng không.

Sai số tải: do thêm cảm biến vào hệ đo làm thay đổi hệ.

Sai số do độ nhạy của cảm biến thay đổi không giống như mong

muốn.

3.2.5. Khả năng lặp lại.

Khả năng lặp lại là khả năng thu được đầu ra giống nhau với đầu vào giống

nhau của một cảm biến. Sai số ngẫu nhiên làm giảm khả năng lặp lại. Sai số ngẫu

nhiên có thể khắc phục bằng cách lấy trung bình của một số phép đo. Nhiễu cũng

làm giảm khả năng lặp lại.

3.2.6. Vùng chết.

Vùng chết là một vùng đầu vào gần điểm không mà đầu ra vẫn giữ giá trị

không. Khi đầu vào dịch ra khỏi vùng chết thì đầu ra sẽ thay đổi theo đầu vào (hình

3.4).

Trang 18


Hình 3.4. Vùng chết.

Vùng chết thường được dùng trong bộ ổn nhiệt gia đình và các bộ điều khiển

quá trình.

Hình 3.5. Vùng chết của bộ ổn nhiêt.

Ví dụ về bộ ổn nhiệt gia đình được mô tả trên hình 3.5.

Khi nhiệt độ đạt điểm đặt (giá trị mong muốn) trên bộ ổn nhiệt, đầu ra vẫn

giữ trạng thái tắt. Ngay khi nhiệt độ trong phòng tăng lên tới giá trị điểm đặt cộng

một nửa giá trị vùng chết thì đầu ra hệ thống làm mát sẽ bật hoàn toàn.

Khi phòng lạnh đi, đầu ra sẽ giữ trạng thái bật đến khi nhiệt độ trong phòng

đạt điểm đặt trừ đi một nửa giá trị vùng chết, đầu ra hệ thống làm lạnh sẽ tắt hoàn

toàn.

Trang 19

đầu ra

đầu vào

Vùng chết

Tuyến tính

thực

Vùng chết

điểm đặt nhiệt độ

đầu ra

bật

tắt


3.2.7. Tính ổn định.

Thuật ngữ tính ổn định có nhiều định nghĩa và cách dùng khác nhau nhưng

định nghĩa phổ biến nhất là định nghĩa liên quan đến cân bằng. Một hệ cân bằng sẽ

giữ được trạng thái không đổi khi không có nhiễu tác động. Một hệ ổn định sẽ trở

lại trạng thái cân bằng nếu có nhiễu nhỏ làm dịch chuyển hệ thống khỏi trạng thái

ban đầu. Một hệ không ổn định sẽ không trở lại vị trí cân bằng và thường dịch

chuyển xa vị trí cân bằng.

Hình 3.6. Tính ổn định của hệ thống.

Hình 3.6 cho thấy ba điều kiện ổn định với một hệ đơn giản gồm: quả bóng

và đồi. Trong mỗi trường hợp, vị trí cân bằng được xác định dễ dàng – trên đỉnh đồi

hoặc dưới đáy. Trong trường hợp ổn định, một dịch chuyển nhỏ của quả bóng ra

khỏi vị trí cân bằng, nó sẽ quay trở về vị trí cân bằng, có thể sau một vài dao động.

Trong trường hợp thứ ba, trường hợp không có ma sát làm quả bóng dao động liên

tục quanh vị trí cân bằng sau khi có một chuyển động nhỏ. Trường hợp đặc biệt này

gọi là biên ổn định do hệ thống không bao giờ thực sự trở lại vị trí cân bằng.

Hầu hết các cảm biến và cơ cấu chấp hành vốn đã ổn định. Tuy nhiên, việc

thêm các hệ điều khiển chủ động có thể làm hệ các thiết bị ổn định trở thành không

ổn định. Cần phân tích và kiểm tra cẩn thận để đảm bảo rằng một hệ cơ điện tử hoạt

động trong trạng thái ổn định.

3.2.8. Thời gian đáp ứng.

Là thời gian trễ giữa đầu vào và đầu ra. Cảm biến càng tốt thì thời gian đáp

ứng càng nhỏ.

3.2.9. Nhiệt độ hệ thống.

Là khoảng nhiệt độ mà tại đó cảm biến còn có thể hoạt động được.

Trang 20

Không ổn định Ổn định Biên giới ổn định

Có ma sát Không ma sát


3.3. Một số loại cảm biến thường gặp.

3.3.1. Cảm biến dịch chuyển thẳng và quay.

Hầu hết các chuyển động phổ biến nhất trong các hệ thống cơ khí là chuyển

động thằng dọc theo một trục cố định và quay một góc quanh trục cố định. Những

chuyển động phức tạp hơn thường được tạo ra bởi việc kết hợp những chuyển động

đơn giản đó. Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu tóm tắt một số công nghệ sẵn có

để đo các chuyển động thẳng và chuyển động quay quanh một trục.

3.3.1.1. Công tắc hành trình.

Loại đơn giản nhất của cảm biến dịch chuyển là một công tắc hành trình, nó

gởi trả một bit thông tin: chạm hoặc không chạm. Một công tắc hành trình điển hình

bao gồm một đòn bẩy, khi nó được tác động nó sẽ tạo ra một tiếp xúc cơ khí bên

trong công tắc, từ đó tạo ra một mạch điện kín (hình 3.7). Có thể sử dụng công tắc

này như là những cảm biến va chạm.

Hình 3.7. Công tắc hình trình.

3.3.1.2. Tia hồng ngoại.

Tia hồng ngoại có thể được sử dụng để đo các dịch chuyển thẳng hoặc dịch

chuyển quay. Thông thường các điôt phát tia hồng ngoại (LED) hoặc là đèn phát

quang (Thiết bị phát) được dùng như một nguồn phát sáng và một thiết bị cảm nhận

hồng ngoại được dùng để phát hiện tia sáng (thiết bị thu).

Nếu thiết bị phát và thiết bị thu đặt đối diện nhau thì chúng có thể được sử

dụng như một bộ ngắt tia để phát hiện bất kỳ vật gì đi qua chúng. Thiết bị này được

gọi là thiết bị ngắt quang (hình 3.8).

Hình 3.8. Bộ ngắt quang dẫn QVA11234

Trang 21


Nếu thiết bị phát và thu di chuyển tự do theo đường thẳng nối chúng, thì

cường độ của tín hiệu nhận được có thể được sử dụng để đo khoảng cách giữa

chúng. Tuy nhiên thiết bị thu tia hồng ngoại cũng có thể nhạy cảm với cả ánh sáng

của môi trường xung quanh. Do vậy trong quá trình thiết kế ta phải để ý đến hiện

tượng này để làm cho cảm biến chống nhiễu một cách tốt nhất.

Một bộ phát sáng và bộ dò đặt cùng hướng về một phía có thể đo thô khoảng

cách tới một bề mặt gần đó nhờ cường độ của tia phản xạ sau khi va vào bề mặt.

Thiết bị đó được gọi là thiết bị phản xạ quang (hình 3.9). Một cảm biến như vậy có

thể được dùng cho các robot di động để phát hiện các vật cản ở một khoảng cách

cho trước.

Hình 3.9. Cảm biến phản xạ quang bán dẫn QRB1114.

Các thiết bị ngắt quang và các thiết bị phản xạ quang có thể được đóng gói

sẵn hoặc chế tạo riêng biệt từ một LED hồng ngoại và một điôt quang hoặc tranzito

quang, sau khi chắc chắn rằng thiết bị thu nhạy cảm với bước sóng sinh ra bởi LED

phát hồng ngoại.

3.3.1.3. Các bộ mã hóa quang học.

Một bộ mã hóa quang sử dụng một bộ ngắt quang để biến chuyển động thành

một chuỗi xung điện. Những chuỗi xung này “mã hóa” chuyển động và các xung

được đếm hoặc “được giải mã” bởi một mạch điện để đưa ra số đo dịch chuyển.

Chuyển động có thể là thẳng hoặc quay, nhưng chúng ta tập trung vào các bộ mã

hóa quang quay thông thường.

Có hai bộ mã hóa quang quay cơ bản là: mã hóa tương đối và bộ mã hóa

tuyệt đối. Trong bộ mã hóa tương đối, một đĩa (đĩa chia vạch) được gắn vào một

trục quay tròn giữa hai bộ ngắt quang học (hình 3.10). Vì vậy khi trục quay thì các

vạch này sẽ ngăn hoặc cho tia sáng hồng ngoại tới thiết bị dò quang học. Các dãy

xung thu được từ các bộ dò này có tần số tương ứng với vận tốc góc của đĩa. Những

Trang 22


tín hiệu này được ký hiệu là A và B. Hai tín hiệu A và B này lệch pha nhau ¼ chu

kỳ.

Hình 3.10. Bộ mã hóa tương đối.

Thông qua việc đếm số lượng các xung và số lượng các vạch trên đĩa đã biết,

ta có thể đo được tốc độ quay của trục. Hướng quay được xác định dựa trên quan hệ

pha của các chuỗi xung A và B. Ví dụ A tăng khi B = 1 ta có thể nói rằng chuyển

động của đĩa là chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ. Ngược lại A tăng khi

B = 0 thì chuyển động của đĩa là chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ.

3.3.2. Đo lực.

Lực là một đại lượng vectơ, được định nghĩa như là tác nhân gây ra gia tốc

hoặc phản ứng cụ thể của một vật. Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu các

phương pháp được ứng dụng để xác định độ lớn của những lực này.

Nhận xét chung: Nếu các lực tác dụng lên một vật mà không sinh ra gia tốc,

chúng phải có một dạng hệ lực cân bằng. Hệ này được xem như là một hệ cân bằng

tĩnh. Các lực tác dụng lên vật có thể chia làm hai loại: nội lực do các phần tử riêng

biệt của vật tác dụng lẫn nhau và ngoại lực.

Hình 3.11. Vật bị kéo dọc trục (a), nén dọc trục (b), biến dạng (c).

Trang 23

(a) (b) (c)


Trong kỹ thuật đo hiện có, một nhóm được gọi là cảm biến tải. Nhìn chung

cảm biến tải gồm một khung cứng, một môi trường để đo các lực đặt vào và một

đầu đo. Các cảm biến tải được sử dụng để đo các lực lớn, tĩnh hoặc biến thiên chậm

với độ lệch rất ít và tương đối chính xác. Có thể áp dụng các phương pháp khác

nhau để đo các lực tùy thuộc vào thiết kế của cảm biến tải. Ví dụ hình 3.12 minh

họa cảm biến tải thủy lực. Cảm biến tải dùng để đo các lực tương đối lớn với giá

thành thấp. Cảm biến tải thủy lực dùng một khung rất cứng với một khoang trong

chứa đầy chất lỏng. Khi có tải, áp lực của dầu tăng, và một đầu đo chính xác sẽ đọc

giá trị này.

Hình 3.12. Cảm biến tải thủy lực.

3.3.3. Cảm biến đo khoảng cách.

Cảm biến này được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham chiếu tới

một đối tượng. Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển các

loại cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng và siêu âm.

Cảm biến đo khoảng cách có thể được phân làm hai loại: Tiếp xúc và không tiếp

xúc. Ta chủ yếu đề cập đến loại không tiếp xúc.

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách

thực từ điểm tham chiếu tới một đối tượng không qua tiếp xúc vật lý. Có thể được

phân làm hai loại là: chủ động (phát một số dạng năng lượng vào khu vực cần quan

tâm) và bị động (dựa trên năng lượng phát ra từ các đối tượng trong khu vực quan

tâm).

Với các loại cảm biến chủ động (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ

thuộc không chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau

của đối tượng:

Diện tích tiết diện ngang: xác định lượng năng lượng phát ra tác động

vào đối tượng.

Hệ số phản xạ: xác định lượng năng lượng truyền tới được phản xạ so với

lượng năng lượng bị hấp thụ hoặc xuyên qua.

Độ tập trung: xác định khả năng phân bố lại của năng lượng phản xạ.

Trang 24


Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên hiện tượng truyền

sóng. Sóng được phát ra tại một điểm tham chiếu, khoảng cách được xác định bằng

cách đo thời gian truyền từ điểm tham chiếu tới vật hoặc suy giảm của cường độ khi

sóng truyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu. Thời gian truyền sóng thường

được đo bằng phương pháp thời gian truyền (TOF_Time of flight).

Phương pháp thời gian truyền:

Phương pháp thời gian truyền được minh họa trong hình 3.13 và 3.14. Một

bộ phát sóng (phát ra vài chu kỳ) được phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí

gần bộ phát. Bộ phát và bộ thu có thể được tích hợp trên cùng một cảm biến. Bộ thu

cũng có thể được gắn trên vật. TOF là thời gian từ khi bắt đầu phát đến khi có tín

hiệu trả về. Khoảng cách được xác định bằng công thức d = c.TOF/2 (khi bộ phát và

bộ thu ở cùng một vị trí ) và d = c.TOF (khi bộ thu được gắn trên vật).

Hình 3.13. Sóng được phát và phản xạ lại từ vật

Hình 3.14. Đĩnh nghĩa thời gian truyền sóng.

Độ chính xác của phương pháp này có thể được tăng lên bằng phương pháp

dò biên độ cực đại (hình 3.15)

Trang 25


Hình 3.15. TOF tính theo biên độ lớn nhất của tín hiệu phản xạ

Sai số của phương pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau:

Sự thay đổi tốc độ truyền sóng: đặc biệt là với các hệ thống âm thanh

ta phải chú ý tới sự thay đổi này. Vì tốc độ âm thanh chịu ảnh hưởng

rõ rệt của nhiệt độ và độ ẩm.

Không xác định được chính xác thời gian đến của xung phản xạ.

Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền.

Sự tương tác của sóng tới bề mặt đối tượng cần đo khoảng cách: Khi

ánh sáng, âm thanh hoặc sóng radio tác động vào đối tượng, tín hiệu

phản hồi đo được chỉ thể hiện một phần nhỏ của tín hiệu ban đầu.

Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau và có thể được

hấp thụ hoặc xuyên qua đối tượng, phụ thuộc vào đặc tính đối tượng

và góc tới của chùm sóng.

3.4. Cơ cấu chấp hành.

3.4.1. Các động cơ điện.

3.4.1.1. Động cơ DC.

Trên hình 3.16 khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong

dây quấn phần ứng có dòng điện chịu lực tác dụng tương hổ lên nhau tạo nên

momen tác dụng lên rôto, làm rôto quay. Chiều lực tác dụng được xác định theo qui

tắc bàn tay trái (hình 3.16a).

Trang 26


Hình 3.16. Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều.

Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình

3.16b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi

thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng

không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo

động cơ có chiều quay không đổi.

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ:

Ứng với mỗi tải khác nhau ta cần có tốc độ khác nhau. Vì vậy để phù hợp

với tải, cần phải điều chỉnh tốc độ động cơ lúc có tải.

Ta có phương trình điện áp ở mạch phần ứng là:

U = Eư + RưIư

Eư = U - RưIư

Thay trị số Eư = KE n ta có phương trình tốc độ là:

n =

Nhìn vào phương trình trên, ta thấy rằng muốn điều chỉnh tốc độ ta có các

phương pháp sau:

a. Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng.

Khi mắt thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, điện trở Rư tăng lên đặc tính

cơ dốc xuống, tốc độ động cơ giảm dần. Do dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao

công suất trên điện trở điều chỉnh lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ

công suất nhỏ.

b. Thay đổi điện áp U.

Dùng nguồn điện một chiều để điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ.

Phương pháp này được sử dụng nhiều.

Trang 27


c. Thay đổi từ thông.

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.

Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp với các phương pháp trên. Ví dụ phương

pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều

chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều.

3.4.1.2. Động cơ AC.

a. Động cơ không đồng bộ.

Nguyên lý làm việc:

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha có tần số f1 vào dây quấn stato, trong dây

quấn stato sẽ có hệ thống dòng ba pha chạy qua, dòng điện này sẽ tạo ra từ trường

quay p đôi cực, quay với tốc độ . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây

quấn rôto và cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch, nên sức

điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn rôto. Lực tác dụng tương

hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay

theo chiều với từ trường quay với tốc độ n.

Để minh họa, ta xét từ trường quay B của stato đang quay theo chiều kim

đồng hồ với tốc độ n1 (hình 3.11).

Khi xác định chiều sức điện động

cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn

cứ vào chiều chuyển động tương đối của

thanh dẫn với từ trường. Nếu coi từ

trường đứng yên, thì chiều chuyển động

tương đối của thanh dẫn ngược với chiều

n1, từ đó áp dụng quy tắc bàn tay phải

xác định được chiều sức điện động như

hình vẽ.

Chiều lực điện từ xác định theo

quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay

n1.

Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ của máy gọi là tốc độ

trượt n2:

n2 = n1 – n

Hệ số trượt của tốc độ là

S =

Trang 28

Hình 3.11. Quá trình tạo momen

quay của động cơ không đồng bộ


Khi roto đứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1. Khi roto quay định mức s = 0,02

0,06. Tốc độ động cơ là:

n = n1 (1 - s) = vg/p

b. Động cơ đồng bộ.

Nguyên lý làm việc:

Khi cho dòng điện ba pha vào dây quấn stato, dòng điện ba pha ở dây quấn

stato sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ:

Nếu rôto đang đứng yên (hình 3.12), cực Nam S của rôto bị cực Bắc N stato

kéo và nó có xu hướng quay theo chiều kim

đồng hồ. Nhưng do quán tính và cực Bắc

stato quét qua nó quá nhanh, trong khi nó

chưa quay tới thì sau nữa chu kỳ nó đã đối

diện với cực Nam stato và bị đẩy lùi, nghĩa là

rôto có xu hướng quay theo chiều ngược

lại. Kết quả là moment (mở máy) trung bình

bằng không và rôto không quay được.

Tuy nhiên nếu chúng ta quay trước

rôto với tốc độ đồng bộ các cực từ rôto bị

“khóa chặt” vào cực từ stato trái dấu. Khi

không tải, từ trường stato và rôto cùng quay

với tốc độ đồng bộ n1 và trục của chúng

trùng nhau ( = 0). Lúc có tải trục từ trường

rôto đi chậm sau trục từ trường stato một góc , tải càng nặng góc càng lớn,

nhưng cả hai vẫn cùng quay với tốc độ đồng bộ n1.

3.4.1.3. Động cơ bước.

a. Giới thiệu về động cơ bước.

Động cơ bước cơ bản là một động cơ điện không có bộ phận đảo mạch

(chổi than). Thông thường động cơ bước có nhiều hơn 2 cuộn dây đóng vai trò

stator (phần tĩnh). Rotor (phần động) vẫn là một nam châm vĩnh cửu hoặc là

những khối có răng (khía) làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính (trường hợp động cơ

bước biến từ trở). Sự đảo mạch cho dòng điện trong cuộn dây được thực hiện

bằng mạch điện điều khiển bên ngoài. Thông thường, mạch điều khiển này còn

Trang 29

Hình 3.12. Sự tạo ra momen trong

động cơ đồng bộ.


có thêm chức năng điều khiển động cơ quay tới, lui hoặc giữ nguyên vị trí xác

định.

Hình 3.17. Phân biệt động cơ bước và động cơ điện thông thường.

Hình 3.18. Cấu tạo bên trong động cơ bước.

Hình 3.19. Hình dáng bên ngoài của động cơ bước.

Trang 30


Động cơ bước thuộc loại động cơ đồng bộ, chúng không thể quay tự do,

liên tục mà hoạt động theo nguyên lý quay từng “bước”, mỗi bước động cơ sẽ

quay được một góc (ví dụ 1,80/bước). Một vòng quay của nó gồm nhiều bước

nối tiếp nhau. Khi kết hợp với mạch điều khiển bên ngoài, chúng có thể quay đến

và dừng lại tại một vị trí xác định một cách chính xác.

b. Các loại động cơ bước.

Dựa vào cấu tạo, ta có ba loại động cơ bước chính là: Động cơ bước nam

châm vĩnh cửu, động cơ bước biến từ trở và động cơ bước hỗn hợp (động cơ lai).

Ngoài ra còn có cách phân loại dựa vào mạch điều khiển như động cơ bước đơn

cực, lưỡng cực.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu,

không chia thành nhiều răng, cũng có nhiều cuộn dây như loại biến từ trở. Có hai

loại thông dụng là động cơ bước đơn cực (còn gọi là độc cực – unipolar) và

lưỡng cực (bipolar).

Động cơ bước biến từ trở:

Động cơ bước biến từ trở (hay còn gọi là động cơ bước phản kháng)

không dùng nam châm vĩnh cửu để làm rotor mà dùng một khối có răng làm

bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Phần stator là 3 đến 5 cuộn dây được nối chung với

nhau.

Hình 3.20. Động cơ biến từ trở.

Động cơ bước hỗn hợp.

Động cơ bước hỗn hợp (hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng) kết hợp ưu

điểm của hai loại động cơ trên, nghĩa là chúng có rotor là nam châm vĩnh cửu,

có nhiều răng, stator là những cuộn dây. Động cơ hỗn hợp thông dụng là loại có

200 răng và có bước 1,80.

Trang 31


Hình 3.21. Động cơ bước hỗn hợp.

Như ta thấy trong hình, rotor của động cơ bước hỗn hợp gồm hai đĩa bố trí

so le nhau. Mỗi đĩa có nhiều răng ứng với các cực.

3.4.2. Hệ thống điều khiển khí nén.

Điều khiển là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác dụng của một

hay nhiều đại lượng vào, các đại lượng ra thay đổi theo một quy luật nhất định của

hệ thống đó.

Một hệ thống điều khiển bao gồm:

Trong phần này ta chỉ xét đến 2 phần: Phần tử xử lý và điều khiển và cơ cấu

chấp hành.

3.4.2.1. Phần tử xử lý và điều khiển.

3.4.2.1.1. Van đảo chiều.

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở

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

a. Ký hiệu của van đảo chiều.

Trang 32

Phần tử đưa tín hiệuPhần tử xử lý và

điều khiển Cơ cấu chấp hành

- Công tắc, nút bấm.

- Công tắc hành trình.

- Cảm biến.

- Van đảo chiều.

- Van chắn.

- Van tiết lưu.

- Van áp suất.

- Phần tử khuếch đại.

- Xilanh.

- Động cơ khí nén.


b. Tín hiệu tác động:

Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác động

bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.

Tín hiệu tác động từ 2 phía (đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’)

hay chỉ từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’).

Tác động bằng tay:

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU

Kí hiệu nút nhấn tổng quát

Nút bấm

Tay gạt

Bàn đạp


Van đảo chiều 2/2



Trang 33


Tác động bằng khí nén:


Trực tiếp bằng dòng khí nén vào

Trực tiếp bằng dòng khí nén ra

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với

đường kính 2 đầu nòng van khác nhau

Gián tiếp bằng dòng khí nén vào qua

van phụ trợ

Tác động bằng cơ.


Đầu dò

Cữ chặn bằng con lăn, tác động 2 chiều

Cữ chặn bằng con lăn, tác động 1 chiều

Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

Tác động bằng nam châm điện


Trực tiếp

Trang 34


Bằng nam châm điện và van phụ trợ

Tác động theo cách hướng dẫn cụ thể

c. Van đảo chiều có vị trí ‘không’.

Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo lên nòng

van và ký hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu

van. Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay

bằng điện. Khi chưa có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong

ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí. Còn đối với van đảo chiều 3 vị

trí thì vị trí ‘không’ nằm ở giữa.

Ví dụ: Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện.

Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1. Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn. Khi cuộn

Y có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R. Khi cuộn Y mất

điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu.

d. Van đảo chiều không có vị trí ‘không’.

Khi không có tín hiệu tác động lên đầu nòng van nữa, thì vị trí của van vẫn

được giữ nguyên đợi tín hiệu tác động từ phía nòng van đối diện. Vị trí tác động ký

hiệu a , b, c, …

Tín hiệu tác động có thể là:

- Tác động bằng tay hay bàn đạp.

- Tác động bằng dòng khí nén điều khiển vào hay ra từ 2 phía nòng van.

- tác động trực tiềp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua

van phụ trợ.

Ví dụ: Van đảo chiều 3/2 tác động bằng nam châm điện.

Trang 35

*

R 10

P

Y1

R

a b

P

Y1 Y2

A


Khi cuộn Y1 có điện thì cửa P nối với cửa A, cửa R bị chặn. Khi cuộn Y2 có

điện thì cửa A nối với cửa R còn cửa P bị chặn.

3.4.2.1.2. Van chắn.

Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều còn lại bị

chặn. Van chắn gồm có các loại sau:

- Van 1 chiều.

- Van Logic OR.

- Van Logic AND.

- Van xả khí nhanh.


Van một chiều.

Van một chiều có tác dụng chỉ cho

dòng khí nén đi qua một chiều (từ A qua

B), chiều ngược lại bị chặn.

Van logic OR.

Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì

cửa P2 bị chặn và cửa P1 nối với cửa A.

Ngược lại khi dòng khí nén vào P2 thì cửa

P1 bị chặn, cửa P2 nối với cửa A.

Van logic AND.

Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1

bị chặn, và ngược lại khi có dòng khí nén

vào P2 thì P2 bị chặn. Chỉ khi nào cả P1 và

P2 có dòng khí nén vào thì mới có khí nén

qua cửa A.

Van xả khí nhanh.

Khi dòng khí nén vào cửa P, chắn

cửa R, cửa P nối với cửa A. Khi dòng khí

nén vào từ A, cửa P bị chặn, cửa A nối với

cửa R, khí được xả nhanh ra ngoài.

3.4.2.1.3. Van tiết lưu:

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay

đổi vận tốc của cơ cấu chấp hành.

Trang 36

A

P R

A B

AP2P1

A

P2P1



Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không

thay đổi, do đó lưu lượng dòng chảy không

thay đổi.

Van tiết lưu có tiết diện thay đổi:

Lưu lượng dòng chảy qua van thay

đổi được nhờ vào một vít điều chỉnh làm

thay đổi tiết diện của khe hở.

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh

bằng tay:

Tiết diện Az thay đổi bằng cách điều

chỉnh vít bằng tay. Khi dòng khí nén từ A

sang B, lò xo đẩy màng chắn và dòng khí nén

chỉ qua tiết diên Az. Khi dòng khí nén từ B

sang A, màng chắn bị đẩy lên và dòng khí đi

qua khoảng hở giữa màng chắn và mặt tựa

màng chắn, lưu lượng không được điều

chỉnh.

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh

bằng cữ chặn:

Nguyên lý hoạt động tương tự như

van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay.

Dòng khí nén chỉ có thể đi một chiều từ A

sang B, tùy vào vị trí của cữ chặn mà tiết

diện của khe hở của van thay đổi, làm cho

lưu lượng dòng chảy thay đổi.

Trang 37

A B

A B

A

B

A B


3.4.2.1.4. Van áp suất.


Van an toàn.

Bình thường khi áp suất nhỏ hơn

hoặc bằng áp suất cho phép, cửa R bị

chặn, nhưng khi áp suất lớn hơn áp suất

cho phép, cửa R mở ra, khí nén từ cửa P

theo cửa R thoát ra ngoài.

Van tràn.

Nguyên tắc họat động tương tự

như van an toàn, nhưng chỉ khác ở chỗ

là khi áp suất bằng hoặc lớn hơn áp suất

cho phép thì cửa P nối với cửa A, nối

với hệ thống điều khiển.

Van áp suất điều chỉnh từ xa :

Khi có tín hiệu áp suất tác động,

thì cửa P nối với cửa A. Tín hiệu tác

động có thể trực tiếp lên van đảo chiều,

hay tín hiệu gián tiếp qua van tràn.

3.4.2.2. Cơ cấu chấp hành:

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng

lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc

chuyển động quay (động cơ khí nén).

Trang 38

P R

AP

P R

A

X

A

PZ


3.4.2.2.1. Xi lanh.


Xilanh tác dụng đơn (xilanh tác

dụng một chiều).

Áp lực khí nén chỉ tác dụng vào

một phía của xilanh, phía còn lại là do

ngoại lực hay lò xo tác dụng.

Xilanh tác dụng 2 chiều (xilanh

tác dụng kép).

Áp suất khí nén được dẫn vào 2

phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển

mà xilanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc

vào áp lực khí nén vào phía nào.

3.4.2.2.2. Động cơ khí nén:

Động cơ khí nén có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của khí nén thành năng

lượng cơ học (chuyển động quay).

Động cơ khí nén có những ưu điểm sau:

Trang 39

a. b.

a. Động cơ quay một chiều

b. Động cơ quay hai chiều.

Hình 3.22. Ký hiệu động cơ khí nén


- Điều chỉnh được momen quay và số vòng quay.

- Số vòng quay cao và điều chỉnh vô cấp

- Không hư hỏng khi quá tải

- Giá thành bảo dưỡng thấp

Nhược điểm.

- Giá thành năng lượng cao.

- Số vòng quay thay đổi theo tải trọng.

- Gây tiếng ồn lớn khi xả khí.

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC

4.1. Giới thiệu PLC.

4.1.1. Giới thiệu chung.

PLC viết tắt của Programmable Logic Controllers. Là thiết bị điều khiển

logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic

thông qua một ngôn ngữ lập trình.

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác

máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn

toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp

và cồng kềnh); khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập

trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề

toán học và công nghệ, khả năng tạo lập gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục

đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây

chuyền công nghệ.

Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp

trong môi trường công nghiệp:

Khả năng kháng nhiễu rất tốt.

Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải

tạo nâng cấp...

Có những modul chuyên dụng để thực hiện những chức năng đặc biệt hay

những modul truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc

mạng Internet...

Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng.

Trang 40

a. b.

a. Động cơ quay một chiều

b. Động cơ quay hai chiều.

Hình 3.22. Ký hiệu động cơ khí nén


Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ

cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể

lập trình được.

Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình

hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương

trình.

4.1.2. Hình dáng bên ngoài.

Trang 41


Hình 4.1. Hình dáng bên ngoài của một PLC

Mô tả các đèn báo trên S7-200:

SF: Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng. Đèn SF sáng lên khi PLC có

hỏng hóc.

RUN: Đèn xanh RUN chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện

chương được nạp vào trong PLC.

STOP: Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng. Dừng

chương trình đang thực hiện lại.

Ix.x: Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x . Đèn

này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.

Qy.y: Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y. Đèn

này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.

Trang 42


Cổng truyền thông:

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để

phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác.

Chú thích:

1. Đất

2. 24 VDC

3. Truyền và nhận dữ liệu

4. Không sử dụng

5. Đất

6. 5 VDC

7. 24 VDC

8. Truyền và nhận dữ liệu

9. Không sử dụng.

Hình 4.2. Sơ đồ chân của cổng truyền thông

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI

với bộ chuyển đổi RS232/RS485.

Hình 4.3. Sơ đồ kết nối giữa PLC và máy tính thông qua cáp PC/PPI

Hình 4.4. Hình dạng và kích thước của cáp PC/PPI

Trang 43


Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC

RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ, khi chương

trình gặp lỗi hoặc gặp lệnh STOP thì PLC sẽ tự động chuyển sang chế

độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở chế độ RUN (nên quan sát trạng thái

thực tại của PLC theo đèn báo).

STOP: Khi chuyển sang chế độ STOP, dừng cưỡng bức chương trình

đang chạy, các tín hiệu ra lúc này đều về off. Ở chế độ STOP PLC cho

phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới.

TERM: cho phép máy lập trình tự quyết định chọn một trong hai chế

độ làm việc cho PLC ở RUN hoặc STOP.

Vít chỉnh định tương tự: Mỗi CPU có từ 1 đến 2 vít chỉnh định tương tự,

có thể xoay được một góc 270, dùng để thay đổi giá trị của biến sử dụng trong

chương trình.

Pin và nguồn nuôi bộ nhớ: Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt, nguồn pin tự

động chuyển sang trạng thái tích cực, PLC sẽ sử dụng năng lượng từ pin. Việc thay

thế này làm cho dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi.

4.1.3. Các thành viên họ S7-200.

Các thông số cơ bản của các thành viên họ S7-200 được mô tả tóm tắt ở bảng

sau:

Thông số CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM

Kích thước 90x80x62 90x80x62 120.5x80x62 190x80x62 190x80x62

Bộ nhớ

chương

trình

4096 bytes 4096 bytes 8912 bytes 8912 bytes 1634 bytes

Bộ nhớ

Dữ liệu

2048 bytes 2048 bytes 5120 bytes 5120 bytes 1024 bytes

Cổng vào 6 8 14 24 24

Cổng ra 4 6 10 16 16

Modul mở

rộng

0 2 Modules 7 Modules 7 Modules 7 Modules

Cổng truyền

thông

RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 RS-485

Dự trữ bộ

nhớ (giờ)

50 50 190 190 190

Bộ định thời 256 bộ định thời: 4 bộ 1ms, 16 bộ 10 ms, 236 bộ 100ms

Các loại DC/DC/DC

AC/DC/RL

DC/DC/DC

AC/DC/RL

DC/DC/DC

AC/DC/RL

DC/DC/DC

AC/DC/RL

DC/DC/DC

AC/DC/RL

Trang 44


Bộ đếm C0-C255 C0-C255 C0-C255 C0-C255 C0-C255

Bảng 4.1. Các thông số cơ bản của các thành viên họ S7-200

Bảng 4.2. Các loại CPU S7-200.

Bảng 4.3. Kích thước và trọng lượng.

Trang 45


Bảng 4.4. Một số thông số kỹ thuật.

4.1.4. Modul mở rộng.

Cấu trúc modul của S7-200 tạo sự linh hoạt tối đa để giải quyết các bài toán,

nó cho phép chúng ta chọn số đầu vào ra tối ưu về mặt kinh tế. Chúng ta có thể tăng

thêm số cổng vào ra cho bằng cách nối thêm các modul mở rộng.

Các modul mở rộng này được cắm nối tiếp nhau vào bên phải CPU làm

thành một mắc xích.. Địa chỉ các đầu vào ra trên các modul mở rộng được xác định

bằng kiểu vào, ra và vị trí của modul trong mắc xích.

Trang 46


Hình 4.5. Ghép nối CPU 224 với các modul mở rộng

Bảng 4.5. Các loại modul mở rộng

Bảng 4.6. Các thông số cơ bản của modul mở rộng số

Trang 47


Bảng 4.6. Các loại modul mở rộng số.

Bảng 4.7. Các thông số cơ bản của các loại modul mở rộng analog.

Trang 48


Hình 4.6. Kích thước của các loại PLC và modul mở rộng

4.2. Đấu nối PLC và modul mở rộng.

4.2.1. PLC sử dụng nguồn nuôi một chiều.

Hình 4.7. Cách đấu dây CPU 221 DC/DC/DC

Trang 49




Trang 50



4.2.2. PLC sử dụng nguồn nuôi xoay chiều.

Hình 4.11. Cách đấu dây CPU 221 AC/DC/RELAY

Trang 51




Trang 52



4.2.3. Đấu nối modul mở rộng.

Hình 4.15. Cách đấu modul mở rộng EM 221 Digital Input 8x24 VDC

Trang 53


Hình 4.16. Cách đấu modul mở rộng EM 222 Digital Output 8

Hình 4.17. Cách đấu modul mở rộng EM 223 24VDC 4 Inputs/4 Outputs

Trang 54


Hình 4.18. Cách đấu modul mở rộng EM 223 24VDC 4 Inputs/4 Relay Outputs


Trang 55




Trang 56



4.3. Ngôn ngữ lập trình.

4.3.1. Cách thực hiện chương trình.

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là

vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các

cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng

vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết

thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm

tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo

tới các cổng ra.

Hình 4.23. Cấu trúc một vòng quét trong PLC

Trang 57


Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không thực

hiện hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong

vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi do CPU quản lý.

Khi gặp lệnh vào/ra thì ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay

cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng

vào/ra.

Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện

tính hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.

4.3.2. Cấu trúc chương trình.

Cấu trúc của một chương trình được tạo thành từ 3 thành phần cơ bản: 1

chương trình chính (main Program), có thể có một hay nhiều chương trình con

(subroutines), các chương trình con xử lý ngắt (interrupt routines) có thể có hoặc

không.

Chương trình chính bao gồm các lệnh điều khiển ứng dụng. Các lệnh này

được thực hiện tuần tự một cách liên tục, cứ mỗi vòng quét một lần. Chương trình

chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND hoặc END).

Chương trình con là một bộ phận của chương trình. Nó có thể có hoặc

không, chỉ được thực hiện khi có lệnh gọi đến từ chương trình chính. Các chương

trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính (MEND hoặc END).

Các chương trình con xử lý ngắt (có thể có hoặc không) khi xảy ra sự kiện

ngắt tương ứng. Sự kiện đó có thể là sự thay đổi mức ở một đầu vào, bộ định thời

đếm đủ hay nhận được dữ liệu trên cổng truyền thông….Chương trình xử lý ngắt

cũng phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính (MEND hoặc END).

Các chương trình con thường được nhóm lại thành một nhóm ngay sau

chương trình chính. Sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết

như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc

chương trình sau này. Cũng có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương

trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính.

Trang 58


Hình 4.24. Cấu trúc một chương trình của PLC

4.3.3. Phương pháp lập trình.

Lập trình cho S7 200 và các PLC khác của hãng Siemens dựa trên 3 phương

pháp cơ bản:

- Phương pháp hình thang (Ladder logic _ LAD).

- Phương pháp khối hàm (Function Block Diagram _ FBD).

- Phương pháp liệt kê câu lệnh (Statement List _ STL).

Thông thường chúng ta chỉ dùng 2 phương pháp đó là LAD và STL. Nếu

chương trình được viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo theo kiểu STL

tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình được viết theo kiểu STL cũng

đều có thể chuyển sang được dạng LAD.

Định nghĩa về LAD: LAD là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Nhữnh thành

phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với những thành phần cơ bản dùng trong

bảng mạch rơle. Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh

logic như sau:

- Tiếp điểm có hai loại: Thường đóng ; thường hở

- Cuộn dây (coil):

- Hộp (box): Mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện đưa

đến hộp. Có các nhóm hộp sau: hộp các bộ định thời, hộp các bộ đếm, hộp di

chuyển dữ liệu, hộp các hàm toán học....

Trang 59

bit

bit

bit

bit


- Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, đi

từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải. Nguồn điện có hai đường

chính, một đường bên trái thể hiện dây nóng, một đường bên phải là dây trung hòa

(neutral) hay là đường trở về nguồn cung cấp. Đường nguồn bên phải

không được thể hiện trên giao diện lập trình.

Định nghĩa về STL: Là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập

hợp các câu lệnh. Khác với hai ngôn ngữ kia là dạng đồ họa. Chính vì thế trong

STL có thể viết những chương trình mà trong hai ngôn ngữ còn lại không thể viết

được. Bởi vì nó sát với ngôn ngữ máy hơn, không bị giới hạn bởi các quy tắc đồ

họa. STL thường dành cho lập trình viên giàu kinh nghiệm.

STL có thể giải quyết được một số vấn đề không thể giải quyết dễ dàng

trong Lad và FBD, STL chỉ có thể sử dụng tập lênh SIMATIC, mọi chương trình

viết bằng LAD hay FBD đề có thể xem và sửa trong STL nhưng không phải tất cả

những chương trình viết trong STL đều có thể xem bằng LAD hay FBD.

Để tạo ra một chương trình bằng STL, người lập trình cần phải hiểu rõ

phương thức sử dụng 9 bit trong ngăn xếp (stack) logic của S7-200.

Ngăn xếp là một khối 9 bit chồng lên nhau từ S0 đến S8, nhưng tất cả các

thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều làm việc với bit đầu tiên và bit thứ hai (S0

và S1) của ngăn xếp. Giá trị logic mới có thể được gởi hoặc nối thêm vào ngăn xếp.

Hai bit S0 và S1 phối hợp với nhau thì ngăn xếp được kéo lên một bit.

4.4. Một số lệnh cơ bản.

4.4.1. Lệnh vào ra.

STL LAD Mô tả Toán hạng

LD

A

O

Tiếp điểm thường mở sẽ được

đóng khi bit = 1.

bit: I, Q, M, SM,

T, C, V.

LDN

AN

ON

Tiếp điểm thường đóng sẽ được

mở khi bit = 1.

bit: I, Q, M, SM,

T, C, V.

LDI

AI

OI

Tiếp điểm thường mở sẽ đóng

tức thời khi bit = 1.bit: I

LDNI

AIN

OIN

Tiếp điểm thường đóng sẽ mở

tức thời khi bit = 1. bit: I

Trang 60

bit

bit

bit

bit

Sbit

n

Rbit

n

SIbit

n

RIbit

n


= bitCuộn dây đầu ra ở trạng thái

ON khi có dòng điện điều khiển

đi qua.

bit: I, Q, M, SM,

T, C, V.

=I bitCuộn dây đầu ra ở trạng thái

ON tức khi có dòng điện điều

khiển đi qua.

bit: Q

4.4.2. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm.

Lệnh này dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế. Khi

dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm

(hoặc một dãy các tiếp điểm).


S bit, n

Set 1 mảng gồm n tiếp điểm,

tính từ tiếp điểm "bit"

(n<=128 tiếp điểm).

bit: I, Q, M, SM, T,

C, V

n: IB, QB, MB,

SMB, VB, AC, Hằng

số, *VD, *ACR bit, n

Reset 1 mảng gồm n tiếp

điểm, tính từ tiếp điểm "bit"

(n <= 128 tiếp điểm).

SI bit, n

Set tức thời 1 mảng gồm n

tiếp điểm, tính từ tiếp điểm

"bit" (n <= 128 tiếp điểm).bit: Q

n: IB, QB, MB,

SMB, VB, AC, Hằng

số, *VD, *ACRI bit, n

Reset tức thời 1 mảng gồm n

tiếp điểm, tính từ tiếp điểm

"bit" (n <= 128 tiếp điểm).

4.4.3. Các lệnh logic đại số Boolean.

Các lệnh này được biểu diễn trong LAD và STL được tóm tắt trong bảng sau.

Chúng sử dụng bit nhớ đặc biệt SM1.0 để thông báo về trạng thái kết quả phép tính

được thực hiện. SM1.0 là bit nhớ 0 (Có giá trị logic bằng 1 khi kết quả của phép

tính là 0)

Trang 61

bit

bit

Sn

Sbit

n

Rbit

n

SIbit

n

RIbit

n


Biểu diễn trong STL

STL Mô tả Toán hạng

ANDW IN1, IN2

Lệnh thực hiện phép logic

AND giữa các bít tương

ứng của hai từ IN1 và

IN2. Kết quả được ghi lại

vào IN2.IN1: VW, T, C, IW, QW,

SMW, AC, AIW, *VD,

*AC, Hằng số.

IN2: VW, T, C, IW, QW,

SMW, AC, AIW, *VD,

*AC

ORW IN1, IN2


OR giữa các bít tương ứng

của hai từ IN1 và IN2. Kết

quả được ghi lại vào IN2.

XORW IN1, IN2


XOR giữa các bít tương

ứng của hai từ IN1 và


vào IN2.

ANDD IN1, IN2


AND giữa các bít tương

ứng của hai từ kép IN1 và


vào IN2. IN1: VD, ID, QD, MD,

SMQ, AC, HC, *VD,

*AC, Hằng số.

IN2: VD, ID, QD, MD,

SMD, AC, *VD, *AC

ORD IN1, IN2


OR giữa các bít tương ứng

của hai từ kép IN1 và IN2.

Kết quả được ghi lại vào

IN2.

XORD IN1, IN2


XOR giữa các bít tương

ứng của hai từ kép IN1 và


vào IN2.

Trang 62


Biểu diễn trong LAD.

LAD Mô tả Toán hạng


AND giữa các bít tương ứng

của hai từ IN1 và IN2. Kết quả

được ghi lại vào OUT.


SMW, AC, AIW, *VD,

*AC, Hằng số.


SMW, AC, AIW, *VD,

*AC

OUT: VW, T, C, IW,

MW, QW, SMW, AC,

*VD, *AC

Lệnh thực hiện phép logic OR

giữa các bít tương ứng của hai

từ IN1 và IN2. Kết quả được

ghi lại vào OUT.

Lệnh thực hiện phép logic XOR


từ IN1 và IN2. Kết quả được

ghi lại vào OUT.


AND giữa các bít tương ứng

của hai từ kép IN1 và IN2. Kết

quả được ghi lại vào OUT.


SMQ, AC, HC, *VD,

*AC, Hằng số.


SMD, AC, *VD, *AC

OUT: VD, ID, QD, MD,

SMD, AC, *VD, *AC

Lệnh thực hiện phép logic OR


từ kép IN1 và IN2. Kết quả

được ghi lại vào OUT.

Lệnh thực hiện phép logic XOR


từ kép IN1 và IN2. Kết quả

được ghi lại vào IN2.

Trang 63


Ví dụ: Viết trong LAD

Viết trong STL

NETWORK 1

LD I4.0

ANDW AC1 AC0

ORW AC1 VW100

XORW AC1 AC0

Kết quả.

Trang 64


4.4.4. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt.

Có thể dùng lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái

của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái dòng cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn

xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt để tác động vào dòng cung cấp. Các tiếp

điểm đặc biệt không có toán hạng riêng. Vì vậy phải đặt chúng vào vị trí phía trước

của cuộn dây hoặc họp đầu ra.

Các lệnh tiếp điểm đặc biệt được biểu diễn trong LAD:


Tiếp điểm đảo trạng thái của dòng cung

cấp. Nếu dòng cung cấp có tiếp điểm đảo

thì nó bị ngắt mạch, nếu không có tiếp

điểm đảo thì nó thông mạch.

Không có

Tiếp điểm chuyển đổi dương, cho phép

thông mạch trong một vòng quét khi sườn

xung điều khiển chuyển từ 0 lên 1.

Không có

Tiếp điểm chuyển đổi âm, cho phép thông

mạch trong một vòng quét khi sườn xung

điều khiển chuyển từ 1 xuống 0.

Không có

Các lệnh tiếp điểm đặc biệt được biểu diễn trong STL:

STL Mô tả Toán hạng

NOT Lệnh đảo giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp. Không có

EU

Lệnh nhận biết sự chuyển tiếp trạng thái từ 0 lên 1

trong một vòng quét của đỉnh ngăn xếp. Khi nhận

được sự chuyển tiếp như vậy đỉnh ngăn xếp sẽ có giá

trị bằng 1 trong một vòng quét.

Không có

ED

Lệnh nhận biết sự chuyển tiếp trạng thái từ 1 xuống 0

trong một vòng quét của đỉnh ngăn xếp. Khi nhận

được sự chuyển tiếp như vậy đỉnh ngăn xếp sẽ có giá

trị bằng 1 trong một vòng quét.

Không có

Trang 65

NOT

P

N


4.4.5. Các lệnh so sánh.


Lệnh so sánh giá trị của hai giá trị IN1 và IN2.Tiếp điểm đóng khi

IN1=IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real

IN1, IN2 (Byte): IW, QW,

MW, VW, SMW, SW, LW,

AC, Constant, *VD, *AC,

*LD

IN1, IN2 (Integer): IW, QW, MW, VW, SMW, SW, LW, AC, Constant, VD, *AC, *LD

IN1, IN2 (Double Integer):

ID, QD, MD, SD, SMD,

VD, LD, AC, Constant,

*VD, *LD, *AC

IN1, IN2 (Real): ID, QD,

MD, SD, SMD, VD, LD,

AC, Constant, *VD, *LD,

*AC


IN1<>IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real

Trang 66

IN1= = BIN2

IN1= = IIN2

IN1= = DIN2

IN1= = RIN2

IN1<> BIN2

IN1<> IIN2

IN1<> DIN2

IN1<> RIN2

IN1< BIN2

IN1< IIN2



IN1<IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real


IN1<=IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real

Trang 67

IN1< BIN2

IN1< IIN2

IN1< DIN2

IN1< RIN2

IN1<= BIN2

IN1<= IIN2

IN1<= DIN2

IN1<= RIN2

IN1> BIN2

IN1> IIN2

IN1> DIN2

IN1> RIN2



IN1>IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real


IN1>=IN2

B = Byte

I = Integer

D = Double Integer

R = Real

4.4.6. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con.

Các lệnh của chương trình, nếu không có những lệnh điều khiển riêng, sẽ

được thực hiện theo thứ tự từ trên xuống dưới trong một vòng quét. Lệnh điều khiển

chương trình cho phép thay đổi thứ tự thực hiện lệnh. Chúng cho phép chuyển thứ

tự thực hiện, đáng lẽ ra là lệnh tiếp theo, tới một lệnh bất cứ nào khác của chương

trình, trong đó nơi điều khiển chuyển đến phải được đánh dấu trước bằng một nhãn,

chỉ đích. Thuộc nhóm lệnh điều khiển chương trình gồm: lệnh nhảy, lệnh gọi

Trang 68

IN1> BIN2

IN1> IIN2

IN1> DIN2

IN1> RIN2

IN1>= BIN2

IN1>= IIN2

IN1>= DIN2

IN1>= RIN2


chương trình con. Nhãn chỉ đích, hay gọi đơn giản là nhãn phải được đánh dấu

trước khi thực hiện lệnh nhảy hay lệnh gọi chương trình con.

Việc đặt nhãn cho lệnh nhảy phải nằm trong chương trình. Nhãn của chương

trình con, hoặc của chương trình xử lý ngắt được khai báo ở đầu chương trình.

Không thể dùng lệnh nhảy JMP để chuyển điều khiển từ chương trình chính vào

một nhãn bất kỳ trong chương trình con hoặc trong chương trình xử lý ngắt. Tương

tự như vậy cũng không thể từ một chương trình con hay chương trình xử lý ngắt

nhảy vào bất cứ một nhãn nào nằm ngoài các chương trình đó.

Lệnh gọi chương trình con là lệnh chuyển điều khiển đến chương trình con.

Khi chương trình con thực hiện xong các phép tính của mình thì việc điều khiển lại

được chuyển trở về lệnh tiếp theo trong chương trình chính nằm ngay sau lệnh gọi

chương trình con. Từ một chương trình con có thể gọi được một chương trình con

khác trong nó, có thể gọi như vậy nhiều nhất là 8 lần trong S7-200.

STL LAD Mô tả

JMP n

Lệnh nhảy thực hiện việc chuyển điều

khiển đến nhãn n trong một chương

trình.

LBL nLệnh khai báo nhãn n trong một

chương trình.

CALL SBR_0

Lệnh gọi chương trình con, thực hiện

phép chuyển điều khiển đến chương

trình con có nhãn là SBR_0.

CRETLệnh trở về chương trình đã gọi

chương trình con.

Ví dụ về lệnh nhảy:

Trang 69


4.4.7. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét.

Gồm các lệnh: END, STOP, NOP.

Các lệnh này được dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện, và kéo dài

khoảng thời gian của một vòng quét.

Lệnh END dùng để kết thúc chương trình chính hiện hành.

Lệnh STOP kết thúc chương trình, nó chuyển điều khiển chương trình đến

chế độ STOP. Nếu gặp lệnh STOP trong chương trình chính hoặc trong chương

trình con thì chương trình đang thực hiện sẽ được kết thúc ngay lập tức. Nếu gặp

lệnh STOP trong chương trình xử lý ngắt thì chương trình xử lý ngắt sẽ kết thúc

ngay lập tức và tất cả các tín hiệu ngắt đang chờ xử lý sau đó đều bị bỏ qua và

không thực hiện.

Lệnh rỗng NOP không có tác dụng gì trong việc thực hiện chương trình.


END Lệnh kết thúc chương trình chính

hiện hành có điều kiện.

Không có

STOP

Lệnh STOP kết thúc chương trình

hiện hành và chuyển sang chế độ

STOP.

NOP n

Lệnh NOT không có hiệu lực trong

chương trình hiện hành. Toán hạng n

là một số nằm trong khoảng 0-255

n: từ 0 đến

255

Trang 70


4.4.8. Các lệnh điều khiển Timer.

PLC S7-200 có 3 loại bộ định thời:

- Bộ đóng trễ (ON – Delay Timer) TON

- Bộ đóng trễ có nhớ (Retentive ON – Delay Timer) TONR

- Bộ ngắt trễ (OFF – Delay Timer) TOF

Ký hiệu:

LAD:

Trang 71


STL: TON Txxx, PT

TONR Txxx, PT

TOF Txxx, PT

Các bộ đóng trễ và đóng trễ có nhớ bắt đầu đếm thời gian khi có đầu vào IN

có mức 1. Lúc giá trị đếm được lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước tại đầu vào PT

(Preset time) thì bit trạng thái được đặt bằng 1. Điều khác nhau giữa 2 bộ đóng trễ

là:

- Bộ đóng trễ bình thường TON sẽ bị RESET (cả giá trị đang đếm lẫn bit

trạng thái đều bị xóa về 0) khi đầu vào IN bằng 0. Cũng có thể reset bộ

định thời này bằng lệnh reset.

- Bộ đóng trễ có nhớ TONR lưu lại giá trị khi đầu vào IN bằng 0 và tiếp

tục đếm nếu đầu vào IN bằng 1. Loại bộ định thời này có thể xóa giá trị

đang đếm bằng lệnh RESET.

Bộ ngắt trễ dùng để đưa giá trị đầu ra về 0 trễ một khoảng thời gian sau khi

đầu vào IN về 0. Khi đầu vào IN được đặt bằng 1 thì bit trạng thái của bộ ngắt trễ

cũng bằng 1 đồng thời giá trị đếm của nó cũng bị xóa về 0. Khi đầu vào IN về 0 bộ

định thời bắt đầu đếm và đếm cho đến khi đạt giá trị đặt trước PT. Lúc đó bit trạng

thái của bộ ngắt trễ sẽ về 0 đồng thời nó cũng ngừng đếm. Nếu đầu vào IN chỉ bằng

0 trong khoảng thời gian ngắn hơn giá trị đặt trước PT rồi quay lại bằng 1 thì trạng

thái của bộ định thời vẫn giữ nguyên bằng 1. Bộ ngắt trễ chỉ bắt đầu đếm khi có

sườn thay đổi từ 1 thành 0 ở đầu vào IN.

Trang 72


Ví dụ về các loại bộ định thời và biểu đồ thời gian.

Trang 73


Hình 4.25. Bộ định thời TON và biểu đồ thời gian.

Hình 4.26. Bộ định thời TONR và biểu đồ thời gian.

Trang 74


Hình 4.27. Bộ định thời TOF và biểu đồ thời gian.

4.4.9. Các lệnh điều khiển Counter.

Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xung trong S7-200. Các bộ đếm

của S7-200 được chia ra làm 3 loại: bộ đếm lên (Count Up), bộ đếm xuống (Count

Down) và loại bộ đếm có thể vừa đếm lên vừa đếm xuống (Count Up/Down).

Bộ đếm lên CTU đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số

lần thay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu. Bộ đếm lên đếm cho giá trị tối

đa của nó (32767). Khi giá trị đếm (Cxxx) lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PV

thì bit trạng thái (Cxxx) sẽ có giá trị 1 (ON). Bộ đếm có thể bị xóa (Reset) bởi mức

1 ở đầu vào reset (R), lúc đó cả giá trị đếm lẫn bit trạng thái sẽ bị xóa về 0.

Bộ đếm xuống CTD đếm từ giá trị đặt trước (PV) mỗi khi có sườn lên ở đầu

vào. Khi giá trị đếm (Cxxx) bằng 0, bit trạng thái Cxxx bằng 1 đồng thời bộ đếm

Cxxx ngừng đếm. Mức cao ở đầu vào LD xóa bit trạng thái về 0 và tải giá trị đặt

trước PV vào giá trị đếm.

Trang 75


Bộ đếm vừa đếm lên vừa đếm xuống đếm lên khi có sườn lên ở đầu vào đếm

lên (CU) và đếm xuống khi có sườn lên ở đầu vào đếm xuống (CD). Khi giá trị đếm

(Cxxx) lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PV thì bit trạng thái (Cxxx) sẽ có giá trị

1 (ON). Ngược lại thì bit trạng thái (Cxxx) sẽ có giá trị 0 (OFF). Bộ đếm có thể bị

xóa (RESET) bởi mức 1 ở đầu vào reset (R), lúc đó cả giá trị đếm lẫn bit trạng thái

sẽ bị xóa về 0.

Số hiệu các bộ đếm Cxxx từ C0 đến C255.

Lệnh khai báo sử dụng bộ đếm trong LAD và STL

Hình 4.28. Bộ đếm CTD và biểu đồ thời gian.

Trang 76

NETWORK 1

LD I0.0

LD I0.1

CTD C1, +3

NETWORK 2

LD C1

= Q0.0


Hình 4.29. Bộ đếm CTUD và biểu đồ thời gian.

Trang 77

NETWORK 1

LD I0.0

LD I0.1

LD I0.2

CTUD C48, +4

NETWORK 2

LD C48

= Q0.0


4.4.10. Các lênh số học.

Cú pháp dùng lệnh cộng và trừ hai số nguyên 16 bit trong LAD và STL như sau:


+I IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép cộng các

số nguyên 16-bit IN1 và IN2.

Trong LAD kết quả là một số

nguyên 16-bit được ghi vào

OUT, tức là:

IN1 + IN2 = OUT.

Còn trong STL, kết quả cũng là

một giá trị 16-bit nhưng được ghi

vào IN2, tức là:

IN1 + IN2 = IN2.

IN1, IN2: VW,

IW, QW, MW,

SW, SMW, T, C,

AC, LW, AIW,

Constant, *VD,

*LD, *AC.

OUT: VW, IW,

QW, MW, SW,

SMW, T, C, LW,

AC, *VD, *LD,

*AC.

-I IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép trừ các số

nguyên 16-bít IN1 và IN2.


nguyên 16-bít được ghi vào

OUT, tức là:

IN1 - IN2 = OUT.


một giá trị 16-bít nhưng được ghi


IN1 - IN2 = IN2.

Cú pháp dùng lệnh cộng và trừ hai số nguyên 32 bit trong LAD và STL như sau:


Trang 78


+DI IN1, IN2





OUT, tức là:

IN1 + IN2 = OUT.




IN1 + IN2 = IN2.

IN1, IN2: VD,

ID, QD, MD,

SMD, SD, LD,

AC, HC,

Constant, *VD,

*LD, *AC.

OUT: VD, ID,

QD, MD, SMD,

SD, LD, AC,

*VD, *LD, *AC.

-DI IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép trừ các số

nguyên 32-bit IN1 và IN2.



OUT, tức là:

IN1 - IN2 = OUT.




IN1 - IN2 = IN2.

Cú pháp dùng lệnh cộng và trừ hai số thực trong LAD và STL như sau:


+R IN1, IN2


số thực 32-bit IN1 và IN2.


thực 32-bit được ghi vào OUT,

tức là:

IN1 + IN2 = OUT.


một giá trị thực 32-bit nhưng

được ghi vào IN2, tức là

IN1 + IN2 = IN2

IN1, IN2: VD,

ID, QD, MD, SD,

SMD, LD, AC,

Constant, *VD,

*LD, *AC.

OUT: VD, ID,

QD, MD, SD,

SMD, LD, AC,

*VD, *LD, *AC.-R IN1, IN2 Là lệnh thực hiện phép trừ các số

Trang 79


thực 32-bit IN1 và IN2.



tức là:

IN1 - IN2 = OUT.



được ghi vào IN2, tức là:

IN1 - IN2 = IN2

Trang 80


Cú pháp dùng lệnh nhân và chia hai số nguyên 16 bit trong LAD và STL:


*I IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép nhân các




OUT, tức là:

IN1 * IN2 = OUT.




IN1 * IN2 = IN2.

IN1, IN2: VW,

IW, QW, MW,

SW, SMW, T, C,

LW, AC, AIW,

Constant, *VD,

*LD, *AC.

OUT: VW, IW,

QW, MW, SW,

SMW, LW, T, C,

AC, *VD, *LD,

*AC.

/I IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép chia các




OUT, tức là:

IN1/IN2 = OUT.




IN1/IN2 = IN2.

Cú pháp dùng lệnh nhân và chia hai số nguyên 32 bit trong LAD và STL:


Trang 81


*DI IN1, IN2





OUT, tức là:

IN1 * IN2 = OUT.




IN1 * IN2 = IN2.

IN1, IN2: VD,

ID, QD, MD,

SMD, SD, LD,

HC, AC,

Constant, *VD,

*LD, *AC.

OUT: VD, ID,

QD, MD, SMD,

SD, LD, AC,

*VD, *LD, *AC.

/DI IN1, IN2

Là lệnh thực hiện phép chia các




OUT, tức là:

IN1/IN2 = OUT.




IN1/IN2 = IN2.

Cú pháp dùng lệnh nhân và chia hai số thực trong LAD và STL như sau:


*R IN1, IN2





tức là:

IN1 * IN2 = OUT.



được ghi vào IN2, tức là

IN1 * IN2 = IN2

IN1, IN2: VD,

ID, QD, MD,

SMD, SD, LD,

AC, Constant,

*VD, *LD, *AC.

OUT: VD, ID,

QD, MD, SMD,

SD, LD, AC,

*VD, *LD, *AC./R IN1, IN2 Là lệnh thực hiện phép chia các

Trang 82





tức là:

IN1/IN2 = OUT.



được ghi vào IN2, tức là:

IN1/IN2 = IN2

Trang 83


Cú pháp dùng lệnh căn bậc hai trong LAD và STL như sau:


SQRT IN, OUT

Là một lệnh thực hiện

lấy căn bậc hai của số

thực 32-bít IN. Kết quả

cũng là một số 32-bít

được ghi vào từ kép

OUT.

IN: VD, ID, QD, MD,

SMD, SD, LD, AC,

Constant, *VD, *LD,

*AC.

OUT: VD, ID, QD, MD,

SMD, SD, LD, AC,

*VD, *LD, *AC.

Những bit nhớ đặc biệt có nội dung bị ảnh hưởng bởi các lệnh số học:

SM1.0 = 1 nếu kết quả bằng 0.

SM1.1 = 1 nếu tràn.

SM1.2 = 1 nếu kết quả âm.

SM1.3 = 1 nếu chia cho 0.

4.4.11. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh đảo giá trị thanh ghi.

Các lệnh tăng, giảm và đảo giá trị thanh ghi sử dụng những ô nhớ đặc biệt

SM1.0 đến SM1.3 để thông báo trạng thái kết quả phép tính. Tên lệnh và những ô

nhớ đặc biệt mà lệnh đó sử dụng được trình bày trong bảng sau:

LệnhSM1.0

(Kết quả 0)

SM1.1

(Báo tràn)

SM1.2

(Kết quả âm)

SM1.3

(Chia cho 0)

INV_B Có Không Không Không

INV_W Có Không Không Không

INV_D Có Không Không Không

INC_B Có Có Có Không

INC_W Có Có Có Không

INC_D Có Có Có Không

DEC_B Có Có Có Không

DEC_W Có Có Có Không

DEC_D Có Có Có Không

Trang 84


Cú pháp dùng lệnh tăng một giá trị trong LAD và STL như sau:


INCB OUT

Thêm một đơn vị từ một

Byte được định địa chỉ ở

đầu vào IN. Kết quả được

lưu vào Byte được định địa

chỉ ở đầu ra OUT.

[IN] + 1 = [OUT]

IN: VB, IB, QB, MB, SB,

SMB, LB, AC, Constant,

*VD, *LD, *AC

OUT: VB, IB, QB, MB, SB,

SMB, LB, AC, *VD, *LD,

*AC

INCW OUT

Thêm một đơn vị từ một từ

đơn được định địa chỉ ở


lưu vào từ đơn được định

địa chỉ ở đầu ra OUT.

[IN] + 1 = [OUT]

IN: VD, ID, QD, MD, SD,

SMD, LD, AC, HC,

Constant, *VD, *LD, *AC

OUT: VD, ID, QD, MD, SD,

SMD, LD, AC, *VD, *LD,

*AC

INCD OUT

Thêm một đơn vị từ một từ

kép được định địa chỉ ở


lưu vào từ kép được định


[IN] + 1 = [OUT]


SMD, LD, AC, HC,




*AC

Cú pháp dùng lệnh giảm một giá trị trong LAD và STL như sau:


DECB OUT

Giảm một đơn vị từ một

Byte được định địa chỉ ở


lưu vào Byte được định địa

chỉ ở đầu ra OUT.

[IN] - 1 = [OUT]



*VD, *LD, *AC



*AC

DECW OUT

Giảm một đơn vị từ một từ

đơn được định địa chỉ ở


lưu vào từ đơn được định


[IN] - 1 = [OUT]


SMD, LD, AC, HC,




*AC

Trang 85


DECD OUT

Giảm một đơn vị từ một từ

kép được định địa chỉ ở


lưu vào từ kép được định

địa chỉ ở đầu ra OUT.A

[IN] - 1 = [OUT]


SMD, LD, AC, HC,




*AC

Cú pháp dùng lệnh đảo giá trị thanh ghi trong LAD và STL như sau:


INVB OUT

Lệnh đảo giá trị từng bit

của byte IN ở đầu vào. Kết

quả được lưu vào byte

OUT ở đầu ra.



*VD, *AC, *LD



*AC

INVW OUT


của từ đơn IN ở đầu vào.

Kết quả được lưu vào từ

đơn OUT ở đầu ra.


SMD, LD, AC, HC,




*AC

INVD OUT


của từ kép IN ở đầu vào.

Kết quả được lưu vào từ

kép OUT ở đầu ra.


SMD, LD, AC, HC,




*AC

Trang 86


Ví dụ: Về lệnh tăng giảm một giá trị.

Ví dụ: Về lệnh đảo giá trị thanh ghi.

Trang 87


4.4.12. Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ.


MOVB IN, OUT

Lệnh sao chép nội

dung của byte IN

sang byte OUT.

IN: VB, IB, QB, MB, SB, SMB,

LB, AC, Constant, *VD, *LD,

*AC.


SMB, LB, AC, *VD, *LD, *AC.

MOVW IN, OUT


dung của từ đơn

IN sang từ đơn

OUT.

IN: VW, IW, QW, MW, SW,

SMW, LW, T, C, AIW,

Constant, AC, *VD, *AC, *LD.

OUT: VW, T, C, IW, QW, SW,

MW, SMW, LW, AC, AQW,

*VD, *AC, *LD.

MOVD IN, OUT


dung của từ kép

IN sang từ kép

OUT.

IN: VW, IW, QW, MW, SW,

SMW, LW, T, C, AIW,

Constant, AC, *VD, *AC, *LD.

OUT: VW, T, C, IW, QW, SW,

MW, SMW, LW, AC, AQW,

*VD, *AC, *LD.

MOVR IN, OUT


dung của số thực

IN sang số thực

OUT.


SMD, LD, AC, Constant, *VD,

*LD, *AC.


SMD, LD, AC, *VD, *LD, *AC.

Trang 88

Documents

Bai Giang He Thong Co Dien Tu 1