Đồ án Mô hình máy đóng chai tụ động sử dụng điều khiển bằng PLC

Mô hình máy đóng chai tự động Chương I : Lý thuyết các thành phần liên quan 1 1. Động cơ DC 1 1.1 Cấu tạo 1 1.2 Nguyên lý hoạt động 3 1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC 3 2. Băng tải 4 2.1. Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải 4 2.2. Nguyên tắc kiểm tra băng tải tốt xấu 5 2.3. Các loại băng tải 5 2.3.1. Băng tải bố NN 5 2.3.2 Băng tải con lăng 7 2.3.3. Băng tải cáp thép 7 2.3.4. Băng tải bố EP 9 2.4. Tỷ lệ truyền của băng tải 9 3. Encoder 10 3.1 Cấu tạo chính của Encoder 10 3.2 Nguyên lý cơ bản 12 4. Các phần tử khí nén 12 4.1. Máy nén khí 12 4.2. Bình trích chứa khí nén 13 4.3. Mạng đường ống dẫn khí nén 13 4.4. Van đảo chiều 13 4.5. Van tiết lưu 19 4.6. Cơ cấu chấp hành 20 4.6.1. Nhiệm vụ 20 4.6.2. Xi lanh 20 5. Động cơ bước 21 5.1. Các đặc tính cơ bản 21 5.2. Ưu điểm của động cơ bước 22 5.3. Nhược điểm của động cơ bước 23 5.4. Phân loại động cơ bước 24 5.5. Cấu tạo chung của đông cơ bước 24 5.6. Nguyên tắc hoạt động 25 6.Cảm Biến 27 6.1. Các khái niệm về cảm biến 27 6.1.1.Phần tử nhạy 27 6.1.2.Chuyển đổi đo lường 27 6.2. Cảm biến đo lường 28 6.2.1. Phân loại cảm biến theo đại lượng vào và ra 28 6.2.2. Phân loại theo tính chất vật lý 28 6.2.3. Phân loại theo tính chất nguồn điện 28 6.2.3. Phân loại theo phương pháp đo 29 6.3. Cảm biến quang 29 6.3.1. Khái niệm cơ bản về ánh sang 29 6.3.2.Cảm biến quang điện 31 6.3.3.Photo Diot 32 6.3.4. Photo transitor 34 6.3.5.Cảm biến phát xạ ( Tế bào quang điện) 35 6.4. Cảm biến điện từ 38 6.4.1.Khái niệm 38 6.4.2.Ứng dụng của cảm biến điện cảm vả cảm biến hỗ cảm 40 7. Khái quát về họ PLC S7-200 của Siemens 41 7.1 Giới thiệu về PLC 41 7.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC S7-200, CPU 224 42 7.2.1 Cấu trúc 42 7.2.2 Nguyên lý hoạt động 43 7.3 High Speed Counter (HSC) 45 7.3.1. Mode 0,1,2 45 7.3.2. Mode 3,4,5 46 7.3.3. Mode 6,7,8 46 7.3.4. Mode 9,10,11 47 7.3.5. Mode 12 48 7.4. Xuất xung tốc độ cao (PWM,PTO) 51 7.4.1. Điều rộng xung 50% (PTO) 51 7.4.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) 52 Chương II : Thiết kế và thi công 55 1.Thiết kế phần cơ khí 55 1.1 Vận hành của toàn hệ thống 55 1.2 Vận hành của từng bộ phận 56 2. Linh kiện sử dụng trong đồ án 60 2.1. PLC 60 2.2. Cảm biến 60 2.3. Động cơ bước 64 3.Thiết kế mạch điều khiển 64 3.1. Khối Nguồn 64 3.2. Khối điều khiển tốc độ động cơ (PWM) và chọn chiều động cơ 64 3.3. Khối Step motor 67 3.4. Khối van khí và đảo chiều van 67 3.5. Khối công tắc hành trình 68 3.6. Khối cảm biến 68 Chương III : Lưu đồ giải thuật và chương trình 69 1. Chương trình chính 69 2. Băng chuyền 1 : Rót nước vào chai 72 3. Băng chuyền 2 : Bộ phận đặt nắp chai 76 4. Băng chuyền 3 : Bộ phận vặn nắp chai 77 5. Băng chuyền 4, 5, tay máy 86 6. Băng chuyền 5 88 Chương IV : Phụ lục 95

doc95 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 12/06/2013 | Lượt xem: 3903 | Lượt tải: 23download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Mô hình máy đóng chai tụ động sử dụng điều khiển bằng PLC, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
26: Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều. * Ký hiệu của van đảo chiều Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, … a o b b a Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’. Ký hiệu Port của van ISO 5599 ISO 1219 Port cấp nguồn (từ bộ lọc khí) 1 P Port điều khiển (làm việc) 2, 4, 6… A, B, C.. Port xả 3, 5, 7… R, S, T… Port nối tín hiệu điều khiển 12, 14… X, Y… a b Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b. Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang. 1 0 Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn 2(A) 4(B) 5(S) 1(P) 3(R) Nối với nguồn khí nén Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn 14(Z) Cửa nối điều khiển 12(Y) Cửa nối điều khiển Cửa 1nối với cửa 2 Cửa 1nối với cửa 4 Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 Trong đó: 5 : chỉ số cửa. 2 : chỉ số vị trí. Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều: TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều 4/2 Van đảo chiều 5/2 * 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 Tác bằng khí nén. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp bằng dòng khí nén vào Trực tiếp bằng dòng khí nén ra Trực tiếp bằng đường khí nén vào với 2 đầu nòng van có đường kính khác nhau Gián tiếp bằng dòng khí nén ra có van phụ trợ Tác động bằng cơ TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Đầu dò Cừ chặn bằng con lăn tác động 2 chiều Cừ chặn bằng con lăn tác động 1 chiều Lò xo Nút nhấn có rãnh định vị Tác động nam châm điện. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp Bằng nam châm điện và van phụ trợ Tác động theo hướng dân cụ thể Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo 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: R 1 0 P Y 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. 4.5. Van tiết lưu Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van tiết lưu có tiết diện không đổi: Khe hở của van có tiết diện không thay đổi do đó lưu lượng dòng khí chảy qua cũng không thay đổi. Van tiết lưu có tiết diện thay đồi: Lưu lượng dòng khí nén chảy qua van thay đổi nhờ một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện khe hở. Ký hiệu chung: Có mối nối ren: Không có mối nối ren: · · A B A B Van tiết lưu điều chỉnh bằng tay: Dòng khí nén chỉ có thể đi theo chiều từ A qua B mà không thể đi theo chiều ngược lại. Van tiết lưu 1 chiều điều chỉnh bẵng cữ chặn: Dòng khí nén chỉ có thể đi 1 chiều từ A qua B. Tuỳ vào vị trí của cữ chặn mà tiết diện khe hở của van thay đổi làm cho lưu lượng dòng chảy thay đổi. A · · · B 4.6. Cơ cấu chấp hành. 4.6.1. Nhiệm vụ Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). 4.6.2. Xi lanh. Xilanh tác dụng đơn - Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò xo tác động. - Một số loại xilanh tác động 1 chiều: a b Hình 24. Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b) Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép). - Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đi vào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh. Xilanh quay - Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay. Hai ngõ vào điều khiển để điều khiển pittong có răng di chuyển qua lại. Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1 bánh răng làm bánh răng quay. Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động. Ưu nhược điểm của khí nén: Ưu điểm: Không gây ô nhiễm môi trường. Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp. Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. Nhược điểm: Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi. Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh. 5. Động cơ bước: Động cơ bước có thể xem là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các xung điện áp thành các chuyển động cơ học liên tục. 5.1. Các đặc tính cơ bản - Trục của động cơ quay theo từng bước liên tục khi có các xung điệu điều khiển được cung cấp theo một chuổi tuần tự thích hợp. Trạng thái quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với chuổi xung cung cấp. - Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xung nhập điều khiển và bề dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển 5.2. Ưu điểm của động cơ bước - Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. - Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. -Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển. 5.3. Nhược điểm của động cơ bước - Có thể xãy ra trạng thái cộng hưởng nếu không được điều khiển thích hợp. - Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị tốc độ rất cao. 5.4. Phân loại động cơ bước Theo các tài liệu kỹ-thuật hiện nay, chúng ta có 3 loại động cơ bước. - Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor – Permanent Magnet Stepper Motor ) - Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor – Variable Reluctance Stepper Motor). - Động cơ buớc đa hợp (Hybrid Stepper motor) 5.5. Cấu tạo chung của đông cơ bước - Gồm một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) do thanh nam châm tạo ra tạo thành hệ thống đường sức kín có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào ở cực nam. - Tính chất lưởng cực của thanh nam châm vỉnh cửu có thể được cảm ứng trong từ trường tạo bởi dòng điện khi đi qua cuộn dây quấn. Cực tính của từ trường tạo bởi dòng điện (khi đi qua dây quấn) phụ thuộc vào hướng dòng điện đi vào dây quấn. Tính chất của cục từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện qua cuộn dây dẫn. - Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thể quay tự do như phần ứng của máy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn phần cảm stator Hình trên cho ta thấy lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cân bằng (tại vị trí trục từ trường của phần cảm và trục từ trường phần ứng thẳng hàng) Momen quay được tính theo công thức sau : M = 2R.Fn Có thể xem động cơ bước hoạt động tương tự như động cơ đồng bộ, với từ trường quay tạo bởi hệ thống xung điện áp cấp tuần tự vào các dây quấn trên các cặp cực từ bố trí liên tiếp lân cận trên stator. 5.6. Nguyên tắc hoạt động - Đa số các động cơ bước là động cơ một pha, hai pha hoặc nhiều pha. Khác với động cơ đồng bộ thông thường là roto của nó không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy ) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số . Roto của động cơ có thể được kích thích hoặc không được kích thích Sơ đồ động cơ bước m pha Xung điện áp cấp cho cuộn dây stator a. Xung một cực ; b. Xung hai cực Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khi cung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ +U đến –U. Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator theo từng cuộn riêng lẻ hay theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rotor trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ : nếu các cuộn dây của động cơ trên hình cung cấp cho từng cuộn dây riêng lẻ theo trình tự 1,2,3 . . . m bởi các xung một cực thì rotor động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình (a)) Trong thực tế để tăng cường sức từ động tổng của stator do đó làm tăng từ thông và momen đồng bộ , người ta thường cung cấp đồng thời cho hai hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với vectơ sức từ động tổng F . Trên hình (b) sức từ động F khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (trường hợp này hai hay nhiều cuộn dây được cung cấp điện một cách đồng thời ) Trên hình (c) sức từ động tổng F khi cung cấp đồng thời cho ba cuộn dây (một số lẻ cuộn dây). Trong cả hai trường hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộn dây và cung cấp cho một số lẻ cuộn dây ), rotor động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rotor được tính : - Nếu cung cấp theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số chẳn cuộn dây, Ví dụ : 1&2 – 2 – 2&3 – 3 . . . – m thì số vị trí cân bằng của rotor sẽ tăng gấp đôi là 2m . - Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hay một số lẻ cuộn dây) được gọi là đối xứng. - Nếu số lượng cuộn dây luôn luôn thay đổi (ví dụ : điều khiển theo trình tự chẵn – lẽ – chẵn … ) được gọi là không đối xứng . Số bước trong khoảng từ 0 đến 360o là : K = m . n1 . n2 . p Trong đó : p : là số đôi cực của rotor . m : làsố cuộn dây điều khiển trê stator . n1: là hệ số ( n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng , n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng) n2 : là hệ số ( n2 = 1 ứng với điều khiển bằng xung một cực) n2 = 2 ứng với điều khiển bằng xung hai cực) Với bước quay của rotor trong không gian thì : α = 360o 6.Cảm Biến: 6.1. Các khái niệm về cảm biến: Trong các hệ thống đo lường và điều khiển, mọi quá trình điều khiển đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như: nhiệt độ , áp suất, lưu lượng, tốc độ….. Để thực hiện quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến. Để hiểu rõ về cảm biến ta cần nắm được một số khái niệm và định nghĩa sau : 6.1.1.Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu trực tiếp của đại lượng đo. Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia. 6.1.2.Chuyển đổi đo lường: Là một khâu cùa thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng ( biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác). 6.2. Cảm biến đo lường: Là phương tiện ( thiết bị) đo thực hiện biến đổi ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ số liệu (nhưng không quan sát được) Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các cảm biến tăng nhanh và đa dạng .Với mục dích nghiên cứu và ứng dụng có thể phâm loại cảm biến theo các phương pháp sau: 6.2.1. Phân loại cảm biến theo đại lượng vào và ra Cảm biến điện _ điện : trong đó các đại lượng vào và ra là các thông số điện. Cảm biến không điện _ điện: là cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng không điện là áp suất, nhiệt độ , lưu lượng ,…. Thành các hông số như điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động …. Cảm biến khí nén _ điện : được ứng dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy nổ. 6.2.2. Phân loại theo tính chất vật lý Cảm biến điện trở. Cảm biến điện từ. Cảm biến tĩnh điện. Cảm biến nhiệt điện. Cảm biến điện tử_ion. Cảm biến hóa điện. Cảm biến y sinh. 6.2.3. Phân loại theo tính chất nguồn điện Cảm biến phát điện (Active). Cảm biến thụ động (Passive). 6.2.3. Phân loại theo phương pháp đo Cảm biến biến đổi trực tiếp. Cảm biến kiểu bù 6.3. Cảm biến quang 6.3.1. Khái niệm cơ bản về ánh sáng Tính chất của ánh sáng: Các cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện . Ánh sáng có hai tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Ánh sáng lan truyền trong chân không với tốc độ v = 299792 km/s. Trong vật chất ánh sáng có vận tốc v=c/n, (n là chiết suất của môi trường). Tính chất hạt của thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Trong vật chất, các điện tử liên kết trong nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Nói chung, loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu chiếu sáng.Khi chiếu sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh thiết, các điện tích được giải phóng là cặp điện tử _ lỗ trống. Với bán dẫn pha tạp khi bị chiếu sáng nó sẽ giải phóng điện tử và lỗ trống tùy thộc vào chất pha tạp. Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang. Các đơn vị đo quang: Các đơn vị đo năng lượng: Năng lượng bức xạ Q: Là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thu dưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J). Quang thông : là công suất hấp thụ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oát ( W) là đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng : Cường độ sáng I : là nguồn năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oát/steradian: Độ chói năng lượng (L) : là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác dịnh và diện tích hình chiếu vuông góc với phần tử bề mặt dAn; có đơn vị là oát/steradian.m2 Độ rọi năng lượng (E): là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của bề mặt đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2. Đơn vi đo thị giác: Mắt người cảm nhận ánh sáng có phổ từ 0,38um đến 0.76um với độ nhạy tương đối phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Độ nhạy của mắt cực đại ở bước song = 0.555um và giảm về hai phía , như Hình 9: Hình 9: Đường cong độ nhạy tương đối của mắt người. Nguồn sáng: Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ . Việc sử dụng các chuyển đổi quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng ( phổ, quang thông , tần số). Nguồn sáng bao gồm: Đèn sợi đốt: Đèn sợi đốt là một sợi wonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt. Ưu điểm của đèn sợi đốt là dải phổ rộng nhưng hệ suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ và dộ bền cơ học thấp. Diot phát quang: Diot phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử_lỗ trống gần phần chuyển tiếp N_P làm phát sinh ra các photo. Đặc điểm của đèn LED là thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns. Có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi. Quang thông của LED nhỏ ( cỡ mW) và nhạy với nhiệt độ , do đó hạn chế phạm vi sử dụng của đèn. Lazer : Laze là nguồn sáng đơn sắc có định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh ( cùng phân cực, cùng pha) vì vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định. Laze có bước sóng đơn sắc , thông lượng lớn độ định hướng cao và truyề đi xa với khoảng cách lớn. 6.3.2.Cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cùa chúng . Tế bào quang dẫn ( quang điện trở): Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức xạ đó. Tế bào quang dẫn là càm biến quang điện có độ nhạy cao . Cơ sở vật lý của tế bào quang điện là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Vật liệu chế tạo cảm biến quang điện . Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ: Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe Các tính chất cùa cảm biến quang điện. Điện trở tối R0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước , nhiệt độ và bản chất của vật liệu. Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có điện trở tối từ 104 đến 109 ở 250C SbIn, SbAs có điện trở tối từ 10 đến 103 ở 250C Độ nhạy: Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn được định nghĩa theo biểu thức: Ví dụ: Điện áp đặt U=10v , diện tích bề mặt tế bào bẳng 1cm2 Độ nhạy phổ khoảng 0.1 đến 10A/W. 6.3.3.Photo Diot. Nguyên lý hoạt động: Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại n và loại p ( vùng chuyển tiếp P_N) tạo nên vùng nghèo hạt dẫn vì ở tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb (hình 10) .Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên vùng chuyển tiếp (U=0) dòng điện qua chuyển tiếp I=0 . Hình 10 : Cấu tạo của photo diot Khi đặt một điện áp lên diot, vói điện áp ngược đủ lớn Ud >> , chiều cao của hàng rào thế tăng lên và tên diot chỉ còn dòng điện ngược Ir = I0 (I0 – dòng điện tối). Khi chiếu sáng diot bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặp điện tử _ lỗ trống, dưới tác dung của điện truong các cặp điện tử _ lỗ trống chuyển động và dòng điện ngược Ir tăng lên rất nhanh. Các vật liệu dùng chế tao Photo diot là Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn thấy) và GaAs, InAs, InSb ( vùng hồng ngoại). Chế độ hoạt động: Chế độ quang dẫn : sơ đồ nối photo diot gồm nguồn E , phân cực ngược diot và điện trở R như Hình 11. Hình 11 : sơ đồ nối photo diot Từ hình vẽ ta có : E = UR - Ud Chế độ quang thế : trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào diot. Photo diot hoạt động như một nguồn dòng. Hình 12 : Mạch đo ở chế độ quang thế Đặc điểm của chế độ làm việc này là không có dòng tối do không có nguồn điện phân cực ngoài, do đó có thể giảm nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ. 6.3.4. Photo transitor. Photo transitor là các transitor silic loại npn mà vùng bazơ được chiếu sáng, không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyền tiếp B-C phân cực ngược như Hình 13 . Điện áp đặt chủ yếu là phần chuyển tiếp B-C ( phân cực ngược) trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổi không đáng kể Khi phần chuyển tiếp B_C được chiếu sáng , sự hoạt động của photo transitor giống như photo diot ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược: Ir = I0 + Ip Với : Ir : dòng điện ngược I0 : dòng điện tối Ip : dòng điện sang HìHình 13: Photo transitor 6.3.5.Cảm biến phát xạ ( Tế bào quang điện). Nguyên lý hoạt động: Cảm biến phát xạ là biến hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở điện cực catot khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào . Số lượng điện tử phát xạ tỷ lệ với số photon chiếu vào cực cactot . Cảm biến phát xạ được phân thành: Tế bào quang điện chân không. Đèn ion khí. Bộ nhân quang điện. Cơ chế hoạt động cùa tế bào quang điện như sau: Khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào, catot hấp thụ photon và giải phóng điện tử , các điện tử này di chuyển lên bề mặt và thoát ra ngoài. Các vật liệu dùng làm photon cactot là: AgOCs nhạy với vùng hồng ngoại. Cs2Sb, K2CsSb nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại. Tế bào quang điện chân không. Tế bào quang điện chân không là một ống hình trụ được hút chân không tới áp suất 10-6 đến 10-8 mmHg. Trong ống đặt một cactot có khả năng phát xạ khi được chiếu sáng và một anot như Hình 14. Hình 14 : Tế bào quang điện Tế bào quang điện có khí: Tế bào quang điện có khí cấu tạo tương tự như chân không , bên trong đèn được điền đầy khí trơ (argon), với áp suất cỡ 10-1 đến 10-2 mmHg. Bộ nhân quang: Khi bề mặt chất rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng lượng đủ lớn, nó có thể phát xạ các điện tử (phát xạ thứ cấp). Hình 15 : Sơ đồ thiết bị nhân quang Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số điện tử tới sẽ có khả năng khuếch đại tín hiệu. Sự khuếch đại này ứng dụng làm thiết bị nhân quang. Các điện tử tới ( điện tử sơ cấp) được phát xạ từ một photo catot đặt trong chân không bị chiếu sáng. Chúng được tiêu thụ trên điện cực thứ nhất của dãy các điện cực. Bề mặt các điện cực phủ vật liệu có khả năng phát xạ thứ cấp. Các điện cực mắc nối tiếp nhau với điện thế tăng dần thông qua các điện trở sao cho các điện tử bị hút lien tiếp bởi các điện cực tiếp theo làm số điện tử thứ cấp tăng lên. Cáp quang: Dạng cáp quang đơn giản bao gồm một lõi có chiết suất , bán kính và vỏ. Vật liệu chế tạo cáp quang là: SiO2 tinh thiết hoặc pha tạp. Thủy tinh , thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3 , B2O3. Polime. Ứng dụng của cảm biến quang: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle: Sơ đồ Hình 16a dùng điều khiển trực tiếp rơle , hình 16b điều khiển thông qua transitor khuếch đại.Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển là khi chưa có ánh sang chiếu vào tế bào quang dẫn , dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ để rơle tác động .Khi bị chiếu sáng , điện trờ của quang dẫn giảm đi rất nhanh dòng điện qua quang dẫn tăng lên đủ lớn để rơle tác động . Hình 16: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle Ứng dụng photodiot và transitor trong điều khiển: Tùy thuộc vào mục đích sử dụng photo diot và photo transitor ta có thể thực hiện các đại lượng khác nhau hoặc điều khiển trong quá trình sản xuất như: quay tốc độ quay cùa động cơ đếm số lượng vật , đo cường độ ánh sáng, điều khiển đóng mở các rơle….. Hình 17 : Ứng dụng transitor quang đóng mở các rơle Hình 17 là sơ đồ ứng dụng photo transitor trong chế độ chuyển mạch để điều khiển. Trong trường hợp này người ta sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân : có hay không có ánh sáng hoặc ánh sáng lớn hơn hoặc nhỏ hơn ngưỡng chiếu sáng. Transitor khóa hoặc thông cho phép điều khiển trực tiếp hoặc qua khuếch đại như một rơle, điều khiển cổng logic hoặc thyristor .Hình 18 ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di chuyển và tốc độ quay. Hình 18 : Ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di chuyển và tốc độ quay Ngoài ra có thề ứng dụng photo transitor đề chế tạo ra dụng cụ đo ánh sáng (luxmet) như Hình 19. Hình 19: Luxmet Các photo transitor làm việc trong chế đô tuyến tính và có thể đo được ánh sáng không đổi hoặc thay đổi. 6.4. Cảm biến điện từ 6.4.1.Khái niệm Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến với nguyên lý hoạt động dựa theo qui luật điện từ. Đại lượng cần đo làm thay đổi giá trị điện cảm, hỗ cảm, từ thông hoặc độ từ thẩm của lõi thép và cuộn dây. Cảm biến điện từ được phân thành: cảm biến điện cảm, cảm biến kiểu biến áp và cảm biến cảm ứng. Cảm biến điện cảm: Cảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường kính từ 0,02mm đến 0,1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí( mạch từ hở) với các dạng khác nhau. Dưới tác động của đại lượng đo (Xv) phần ứng 3 dịch chuyển làm cho khe hở không khí D thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ ( Rm) thay đổi và điện cảm L( hoặc tổng trở Z) cũng thay đổi theo. Mạch từ được làm bằng thép dẫn từ như Ferit. Hình 20: Cảm biến điện cảm Cảm biến hỗ cảm (Biến áp): Cảm biến hỗ cảm giống như cảm biến điện cảm về cấu tạo mạch từ và hình dạng, chỉ khác ở chỗ ngoài cuộn dây kích thích (sơ cấp) còn có cuộn dây đo( thứ cấp). Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên hiện tượng điện từ. Khi có đại lượng vật lý tác động, làm cho lõi động di chuyển, khe hở không khí D thay đổi và từ trở Rm thay đổi do đó từ thông φ móc vòng qua cuộn dây thứ cấp tạo nên sức điện động hỗ cảm. Hình 21: Cảm biến hỗ cảm Cảm biến hỗ cảm có đặc tính phi tuyến khi D thay đổi và tuyến tính khi tiết diện S thay đổi. Ngoài ra độ nhạy cảm của cảm biến tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. Sai số của cảm biến gây nên do nguồn cung cấp điện áp không ổn định, điện áp thay đổi 1% gây sai số 1%. Tần số nguồn cung cấp thay đổi cũng gây sai số. Với sự thay đổi tần số 1% gây sai số 0,2% . Đặc tính của cảm biến điện cảm và hỗ cảm phụ thuộc vào hệ thống cơ nối phần động. Tần số làm việc khá rộng từ 500Hz đến vài KHz. 6.4.2.Ứng dụng của cảm biến điện cảm vả cảm biến hỗ cảm Do đặc điểm của cảm biến điện cảm và cảm biến hỗ cảm giống nhau nên chúng được ứng dụng đo các đại lượng vật lý như nhau. Đo độ dịch chuyển: Hình 22 là sơ đồ ứng dụng cảm biến hỗ cảm đo dịch chuyển. Cung cấp điện áp cho mạch sơ cấp cảm biến là một máy phát hình sin tần số 1,5Khz. Điện áp ra của cảm biến được khuếch đại xoay chiều sau đó qua chỉnh lưu nhạy pha lọc thông thấp để được điện áp một chiều. Hình 22: sơ đồ khối mạch ứng dụng cảm biến hỗ cảm đo dịch chuyển. Tín hiệu một chiều được khuếch đại để tăng độ lớn với điện áp đưa ra chỉ thị Analog. Nếu thể hiện kết quả dưới dạng số, tín hiệu ra được đưa qua mạch chuẩn hóa đến bộ biến đổi A/D và hiển thị dưới dạng số, mặt khác có thể gửi tín hiệu đo được qua một hệ thống khác với mạch giao tiếp BCD. Bộ so sánh thực hiện điều khiển “dịch chuyển hay không dịch chuyển” với hai giới hạn điều chỉnh được cho hệ thống. Đo độ dày của vật không dẫn từ: Hình 23 là sơ đồ nguyên lý của cảm biến điện cảm đo độ dày của vật không dẫn từ. Trong đó độ dày được xác định như khe hở giữa hai phần mạch từ (δ) và điện cảm L. Hình 23: Ứng dụng cảm biến điện cảm đo độ dày vật không dẫn từ. 7. Khái quát về họ PLC S7-200 của Siemens: 7.1 Giới thiệu về PLC PLC được viết tắt từ cụm từ (Programmable Logic Control) nghĩa là điều khiển logic khả trình. Đây là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện các phép toán bằng các mạch số. Do đó PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thộng tin với môi trường xung quanh ( với các loại PLC khác hoặc với máy tính). Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích ( ngõ vào ) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay các sự kiện được đếm. Thông thường, một PLC được cấu tạo bởi 7 module phần cứng sau: Module nguồn, module đơn vị xử lý trung tâm, module bộ nhớ chương trình và dự liệu, module đầu vào, module đầu ra, modul phối ghép, module chức năng. Panel lập trình, vận hành, giám sát. Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ dữ liệu Nguồn Đơn vị xử lý trung tâm Khối ngõ vào Khối ngõ vào Quản lý việc phối ghép Hình 1.11: Các Modul của một PLC. 7.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC S7-200, CPU 224. 7.2.1 Cấu trúc. a/ Một bộ PLC gồm 5 thành phần chính: Khối nhận ( Modul Input ) tập trung bên trong các cổng dùng để kết nối với các thiết bị nhập. Khối xuất ( Modul Output ) tập trung bên trong các cổng dùng để kết nối với các thiết bị xuất. Khối xử lý ( CPU ) có công dụng xử lý chương trình cài đặt trên PLC. Khối bộ nhớ ( Memory ) lưu trữ chương trình và dữ liệu, bao gồm: * Bộ nhớ chương trình ( Program Memory ) dùng để chứa chương trình cài đặt trên PLC. * Bộ nhớ dữ liệu ( Data Memory ) dùng để cung cấp các vùng nhớ trống có tác dụng hỗ trợ cho chương trình vận hành ( User Memory ). Khối nguồn ( Power Supply ) có công dụng cung cấp nguồn cho hệ thống. Hình 1.12: Cấu trúc của PLC. b/ Đối với loại CPU 224 DC/DC/DC: Điện áp cấp cho nguồn: 24VDC. Ngõ vào tích cực mức cao: 24VDC. Ngõ ra tích cực mức cao: 24VDC. Hình 1.13: Sơ đồ khối của CPU224DC 7.2.2 Nguyên lý hoạt động: a/ Đơn vị xử lý trung tâm: CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. b/Hệ thống bus: Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. Data Bus: Bus dùng truyền dữ liệu. Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC. Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. c/Bộ nhớ: PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thì cho các kênh trạng thái IN/OUT Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay d/Các ngõ vào ra I/O: Các đường tín hiệu từ các cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối nối với các modul ra (các đầu ra của PLC). Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra họat động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản. Thực hiện chương trình: PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét ( scan ). Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc các dữ liệu từ các cổng vào vùng đệm, 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 END. 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 tới các cổng ra. Lặp lại chu kỳ quét 1.Nhập dữ liệu từ ngoài vào 2. Thực hiện chương trình 3.Truyền thông và tự kiểm tra lỗi. 4.Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ra ngoại vi. Hình 1.14: Chu kỳ quét của PLC 7.3 High Speed Counter (HSC): Để đọc xung tốc độ cao (HSC), là Encoder. Tùy từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều Mode đọc xung tốc độ cao khác nhau, có tất cả 12 Mode đọc xung tốc độ cao như sau: 7.3.1. Mode 0,1,2 : Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit nội. - Mode 0: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset - Mode 1: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start - Mode 2: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài. Hình 1.15: Giản đồ xung Mode 0, 1, 2 7.3.2. Mode 3,4,5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit ngoại, tức là có thể chọn từ ngõ vào input. - Mode 3: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset - Mode 4: Đếm tăng hoặc giảm,có bit Reset nhưng không có bit Start - Mode 5: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài. Hình 1.16: Giản đồ xung Mode 3,4 và 5 7.3.3. Mode 6,7,8 : Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung dùng để đếm tăng và một xung đếm giảm. - Mode 6: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset. - Mode 7: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start - Mode 8: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài. Hình 1.17: Giản đồ xung Mode 6, 7, 8. 7.3.4. Mode 9,10,11 : Dùng để đếm xung A/B của Encoder,có 2 dạng: a/ Dạng 1 (Quadrature 1x mode): Đếm tăng 1 khi có xung A/B quay theo chiều thuận, và giảm 1 khi có xung A/B quay theo chiều ngược. Hình 1.18: Giản đồ xung Mode 9, 10,11 khi nhân 1 b/ Dạng 2 (Quadrature 4x mode): Đếm tăng 4 khi có xung A/B quay theo chiều thuận, và giảm 4 khi có xung A/B quay theo chiều ngược. Hình 1.19: Giản đồ xung Mode 9, 10,11 khi nhân 4. - Mode 9: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset. - Mode 10: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start. - Mode 11: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài. 7.3.5. Mode 12 : Dùng để đếm xung A/B của Encoder,có 2 dạng: Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát ra từ Q0.0 và HSC3 đếm số xung phát ra từ Q0.1 ( Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh) mà không cần đấu phần cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong. Hình 1.20: Các bit điều khiển cho các HSC và các chức năng của chúng cho từng chế độ. Các Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC: a/ HDEF Control Bits(used only when HDEF is executed) Chọn mức tích cực cho việc reset, start và chế độ đếm. HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description SM37.0 SM47.0 SM57.0 SM147.0 Active level control bit for Reset**: 0 = Reset active high 1 = Reset active low SM47.1 SM57.1 Active level control bit for Start**: 0 = Start active high 1 = Start active low SM37.2 SM47.2 SM57.2 SM147.2 Counting rate selection for Quadrature counters: 0 = 4x counting rate 1 = 1x counting rate b/ SM Control Bits for HSC Parameters Chọn hướng đếm tăng hay giảm, cập nhật hướng đếm hay không, cho phép cập nhật giá cài đặt ban đầu hay không, cho phep cập nhật giá trị hiện tại hay không, cho phép HSC hoạt động hay không. HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description SM37.3 SM47.3 SM57.3 SM137.3 SM147.3 SM157.3 Counting direction control bit: 0 = count down 1 = count up SM37.4 SM47.4 SM57.4 SM137.4 SM147.4 SM157.4 Write the counting direction to the HSC: 0 = no update 1 = update direction SM37.5 SM47.5 SM57.5 SM137.5 SM147.5 SM157.5 Write the new preset value to the HSC: 0 = no update 1 = update preset SM37.6 SM47.6 SM57.6 SM137.6 SM147.6 SM157.6 Write the new current value to the HSC: 0 = no update 1 = update current SM37.7 SM47.7 SM57.7 SM137.7 SM147.7 SM157.7 Enable the HSC: 0 = disable the HSC 1 = enable the HSC c/ Các bit trang thái: Các Bit trạng thái cho các HSC: HSC0, HSC1, HSC2, HSC3, HSC4, HSC5: HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description SM36.0 SM46.0 SM56.0 SM136.0 SM146.0 SM156.0 Not used SM36.1 SM46.1 SM56.1 SM136.1 SM146.0 SM156.1 Not used SM36.2 SM46.2 SM56.2 SM136.2 SM146.0 SM156.2 Not used SM36.3 SM46.3 SM56.3 SM136.3 SM146.0 SM156.3 Not used SM36.4 SM46.4 SM56.4 SM136.4 SM146.0 SM156.4 Not used SM36.5 SM46.5 SM56.5 SM136.5 SM146.0 SM156.5 Current counting direction status bit: 0 = counting down; 1 = counting up SM36.6 SM46.6 SM56.6 SM136.6 SM146.0 SM156.6 Current value equals preset value status bit: 0 = not equal; 1 = equal SM36.7 SM46.7 SM56.7 SM136.7 SM146.0 SM156.7 Current value greater than preset value status bit: 0 = less than or equal; 1 = greater than 7.4. Xuất xung tốc độ cao (PWM,PTO) CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0 ,Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài. Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard. Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM). 7.4.1. Điều rộng xung 50% (PTO) Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ( PTO) trước hết ta phải thực hiện các bước định dạng sau: Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình. Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1. Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau: Result of executing the PLS instruction Control Register (Hex Value) Enable Select Mode PTO Segment Operation Time Base Pulse Count Cycle Time 16#81 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load 16#84 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load 16#85 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load Load 16#89 Yes PTO Single 1 ms/cycle Load 16#8C Yes PTO Single 1 ms/cycle Load 16#8D Yes PTO Single 1 ms/cycle Load Load 16#A0 Yes PTO Multiple 1 µs/cycle 16#A8 Yes PTO Multiple 1 ms/cycle Các Byte sử dụng cho việc định dạng: SMB67 (cho Q0.0), SMB77 ( cho Q0.1). Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 Chức năng SMW68 SMW78 Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 Xác định số xung điều khiển 7.4.2. Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ( PWM) trước hết ta phải thực hiện các bước định dạng sau: Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình. Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1. Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau: Result of executing the PLS instruction Control Register (Hex Value) Enable Select Mode PWM Update Method Time Base Pulse Width Cycle Time 16#D1 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load 16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load 16#D3 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load Load 16#D9 Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load 16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load 16#DB Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load Load Các Byte cho việc định dạng SMB67 ( cho Q0.0), SMB77 ( cho Q0.1). Ngoài ra: Q0.0 Q0.1 Chức năng SMW68 SMW78 Xác định chu kì thời gian SMW70 SMW80 Xác định chu kì phát xung SMD72 SMD82 Xác định số xung điều khiển Ngoài ra để thực hiện được điều xung nhiều trang thái của xung thì còn dùng nhiều đến lệnh ngắt ATCH: Bit EN : tín hiệu cho phép thực hiện lệnh ATCH INT : Chương trình ngắt được gọi khi có sự kiện ngắt xảy ra EVNT : Số thứ tự sự kiện ngắt Bảng thông số ngắt và các sự kiện ngắt. Lệnh DTCH: lệnh cấm ngắt. Bit EN : tín hiệu cho phép thực hiện lệnh DTCH. EVNT : Số thứ tự sự kiện ngắt bị cấm. CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 1.Thiết kế phần cơ khí: 1.1 Vận hành của toàn hệ thống Bật CB để cấp nguồn vào hệ thống. Khi nhấn Start thì hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động. Khi nhấn Stop hệ thống sẽ ngừng hoạt động sau khi đã hoàn thành xong một khâu. *** Lưu ý : Các khối trong hệ thống luôn được vận hành liên tục độc lập với nhau. 1.2 Vận hành của từng bộ phận. Bộ phận chiết nước : Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai. Bộ phận đặt nắp chai : Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng chuyền 3. Bộ phận vặn nắp chai : Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được Set để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4. Bộ phận tay máy đóng hộp : Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định ban đầu để chờ chai tiếp theo. Quá trình lại tiếp tục tuần tự các quá trình trên . 2/ Linh kiện sử dụng trong đồ án: 2.1. PLC Sử dụng PLC S7-200/CPU224 Có 14 input/ 10 out put. Điện áp nguồn nuôi 220V AC. Điện áp ra DC/ Relay (24VDC) Sử dụng 2 module EM 223 8 input/ 8 out put 2.2. Cảm biến Mô hình sử dụng các loại cảm biến sau: Cảm biến quang: A3R-1MX: KPS- AN20DS: E3C-JC4: * Cảm biến dung (E2K-C) 2.3. Động cơ bước : 3.Thiết kế mạch điều khiển: 3.1. Khối Nguồn 3.2. Khối điều khiển tốc độ động cơ (PWM) và chọn chiều động cơ Phân tích mạch: (Xét Opamp lý tưởng) với A là hệ số khuếch đại của Opamp. A rất lớn Thay V14=V13 vào: Xét pt dòng điện tại nút 2: Khi ở mức cao (đo được ) Thay vào pt trên: 9,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’ với là điều kiện đầu của V1 V1 giảm tuyến tính Đo được giá trị đỉnh của V1 là 6V,giá trị đáy của V1 là 4,7V Khoảng TG V1 giảm là: Khi ở mức thấp (đo được ) Thay vào pt trên: 0,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’ với là điều kiện đầu của V1 V1 tăng tuyến tính Khoảng TG V1 tăng là: Suy ra dạng sóng của V1 là dạng sóng tam giác chu kỳ 0,58ms Điện áp từ chân 1 được đưa vào chân 10 so sánh với điện áp ở chân số 9 để cho ra sóng vuông ở chân 8. Điện áp ở chân 9 được điều chỉnh bằng biển trở, khi điện áp ở chân 9 thay đổi sẽ kéo theo độ rộng xung ở chân 8 thay đổi Điều khiển tốc độ động cơ băng chuyền bằng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM bằng LM324 qua Fet IRF540. - Đảo chiều động cơ dùng PLC đóng ngắt RELAY. - Diode D65 dùng để dập tắt dòng ngược khi dừng hoặc đảo chiều Motor. Chống nhiễu. 3.3. Khối Step motor: Xung cấp cho step được lấy từ xung tốc độ cao của PLC và được cách ly qua OPTO, qua cầu phân áp cấp cho IC4013. Ban đầu khi chân số 2 ở mức cao, sẽ kích Fet Q2 dẫn, chân số 2 được nối với số 9 keo theo chân 13 lên mức cao, kích Fet Q3 dẫn. Chân 13 được nối với chân số 5 sẽ kéo theo chân số 1 lên mức cao kích Fet Q1 dẫn. Khi đó chân 2 ở mức thấp kéo theo chân 12 ở mức cao kích Fet Q4 dẫn. Vậy thứ tự dịch xung là Q2, Q3, Q1, Q4. 3.4. Khối van khí và đảo chiều van Tín hiệu điều khiển van khí từ PLC điều khiển qua OPTO cách ly với 12V Dùng RELAY đảo chiều để đảo chiều van khí 3.5. Khối công tắc hành trình. O Khi công tắc hành trình tích cực thì tín hiệu 24V từ công tắc hành trình qua Opto cách ly cấp tín hiệu cho PLC 3.6. Khối cảm biến. Khi cảm biến phát hiện tín hiệu đưa ra mức thấp qua Opto cách ly đưa tín hiệu 24V cho PLC. CHƯƠNG III LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH Y N Begin Nạp số chai ban đầu = 0 Gọi chương trình con kiểm tra vị trí ban đầu của tay máy start Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 1 khâu rót nước Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 2 khâu đặt nắp chai Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 3 khâu vặn nắp Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 4, 5 và tay máy Stop Dừng 5 băng chuyền 1. Chương trình chính: * Chương trình: 2. Băng chuyền 1 : Rót nước vào chai Bơm 5s N Y Dừng bơm nước Delay 1s Cảm biến 1 N Y Begin BC1 Delay 0.5s KĐ bơm nước Delay 0.5s Dừng băng chuyền 1 Mở van khí 3 Đóng van khí 3 Chạy lại băng chuyền 1 Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai. * Chương trình: 3. Băng chuyền 2 : Bộ phận đặt nắp chai Begin BC2 Cảm biến 2 N Y Delay 0.5s Delay 0.5s Delay 0.5s Dừng băng chuyền 2 Mở van khí 5 PLC xuất xung 90 độ Delay 0.5s Mở van khí 2 Delay 0.5s Đóng van khí 2 Đóng van khí 5 Delay 0.5s KĐ băng chuyền 2 Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng chuyền 3. * Chương trình: 4. Băng chuyền 3 : Bộ phận vặn nắp chai Begin 3 Cảm biến 3 N Delay 0.5s Delay 0.5s Delay 0.5s Dừng băng chuyền 1 Mở van khí 4 Tắt motor vặn nắp Đóng van khí 6 Delay 0.5s Đóng van khí 9 KĐ băng chuyền 3 Mở van khí 9 Mở van khí 6 KĐ motor vặn nắp Delay 1s Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được mở để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4. * Chương trình: 5. Băng chuyền 4, 5, tay máy: T= DC duoi Dừng Đ/C tay máy dưới, khởi động Đ/C tay máy trên Encoder đếm đủ xung N Y Dừng Đ/C tay máy trên Delay 0.5s rồi đẩy pittong tay may trên và dưới xuống vị trí tương ứng trong hộp Delay 0.5s rồi nhả pittong kẹp chai ra để chai vao hộp Delay 0.5s rồi nhả pittong tay may trên và dưới về vị trí ban đầu Bật đảo chiều động cơ tay máy Delay 0.5s rồi khởi động Đ/C tay máy trên Begin 4 Cảm biến 4 N Y Tăng bit đếm lên 1 Delay 0.5s rồi dừng băng chuyền 4 Delay 0.5s tiếp và đẩy pittong cánh tay dưới xuống Delay 0.5s tiếp và kích cho pittong kẹp chai xuống để kẹp sản phẩm Cảm biến 5 N Y Rút pittong cánh tay dưới lên, gọi chương trình con “Nạp Delay - Encoder” Khởi động động cơ tay máy dưới Encoder đếm đủ N Y Dừng động cơ tay máy trên Bit đếm = 1 or 3 Delay 0.5s và Tắt đảo chiều động cơ tay máy Khởi động động cơ tay máy dưới Dừng động cơ tay máy dưới Delay 0.5s và Tắt đảo chiều động cơ tay máy Công tắc HT N Y Số đếm = 0 Khởi động băng chuyền 5 Begin 5 Cảm biến 5 N Y Delay 0.5s rồi dừng băng tải 5 để nhận sản phẩm từ tay máy Số đếm = 4 N Y Tay máy trở về vị trí ban đầu N Y 6. Băng chuyền 5: Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định ban đầu để chờ chai tiếp theo * Chương trình: SYMBOL TABLE CAM_BIEN_1 I0.6 CAM BIEN PHAT HIEN CHAI BOM NUOC CAM_BIEN_2 I0.1 CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE DAT NAP CAM_BIEN_3 I0.2 CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE VAN NAP CAM_BIEN_4 I0.3 CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE TAY MAY GAP CAM_BIEN_5 I0.4 CAM BIEN PHAT HIEN THUNG CB_DUNG I0.7 CONG_TAC I0.5 CONG TAC HANH TRINH TAY MAY DUOI START I1.0 STOPP I1.1 CTHT_TREN I1.2 CONG TAC HANH TRINH TAY MAY TREN ENCODER I0.0 STEP Q0.0 DAO_CHIEU_1 Q0.1 DAO CHIEU TAY MAY TREN TAY_MAY_TREN Q0.2 DAO_CHIEU_2 Q0.3 DAO CHIEU TAY MAY DUOI BANG_CHUYEN_1 Q0.4 TAY_MAY_DUOI Q0.5 BANG_CHUYEN_2 Q0.6 BANG_CHUYEN_3 Q0.7 BANG_CHUYEN_4 Q1.0 BANG_CHUYEN_5 Q1.1 VAN_KHI_1 (VK1) Q2.0 VAN TAY MAY TREN CUNG VAN_STEP_TREN (VK2) Q2.1 VAN_KHI_DO_NUOC(VK3) Q2.2 TREN BANG CHUYEN 1. EP XUONG DE DO H2O VAN_KHI_EP_CHAI(VK4) Q2.3 EP XUONG DE VAN NAP VAN_STEP_DUOI (VK5) Q2.4 VAN_KHI_VAN_NAP_1(VK6) Q2.5 VAN KEP NAP VAN_KEP_CHAI(VK7) Q2.6 VAN_KHI_2_3(VK8) Q2.7 VAN TAY MAY DUOI MOTOR_BOM_H2O Q3.0 MOTOR_VAN_NAP Q3.1 VAN_KHI_VAN_NAP2(VK9) Q3.3 CHƯƠNG IV PHỤ LỤC Chương trình tổng hợp

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docBao cao.doc
  • docBia.doc
  • pdfCHUONG TRINH MO HINH DONG CHAI (CO CHU THICH).pdf
  • pdfCHUONG TRINH MO HINH DONG CHAI.pdf
  • rarChuong trinh PLC.rar
  • doccomplete.doc
  • rarMach Orcad.rar
  • docmo dau.doc
  • docMuc luc.doc