Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất có ảnh hưởng đến cấu tạo, tính chất và các đại lượng vật lý của vật chất. Ví dụ: Sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là rất cần thiết. Trong các lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh… Điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết định cho sản phẩm ấy. Trong ngành luyện kim cần phải đạt đến một nhiệt độ nhất định để cho kim loại nóng chảy và cũng cần đạt tới một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống rỉ sét... Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản… Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động mà còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy. Để áp dụng lý thuyết với thực tế chúng em được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài là: “Thiết kế mô hình điều khiển – Sử dụng PLC Q mitsubishi để ổn định nhiệt độ lò gia nhiệt”. Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của giáo hướng dẫn cô Bùi Thị Hải Linh và các thầy cô giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ GIA NHIỆT
Giới thiệu về lò gia nhiệt
Lò điện là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để nấu chảy vật liệu, nung nóng và trong quá trình nhiệt luyện.
Lò điện được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiêp, trong ngành y tế v.v…
1.1 Đặc điểm của lò điện
- Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ
- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và năng suất cao
- Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh, khống chế nhiệt và chế độ nhiệt
Lò có khả năng giữ kín, cho phép nung trong môi trường chân không hoặc khí bảo vệ, giúp giảm thiểu đáng kể độ cháy tiêu hao kim loại.
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao
- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói
1.2 Các phương pháp biến đổi điện năng
Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule-Lence cho thấy khi dòng điện chạy qua dây dẫn, sẽ sinh ra một lượng nhiệt Nhiệt lượng này có thể được tính toán bằng công thức cụ thể, phản ánh mối liên hệ giữa điện năng và nhiệt năng trong quá trình dẫn điện.
Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A
R- điện trở dây dẫn, Ω; t - thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, s
Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 1.1
Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở a) Đốt nóng trực tiếp b) đốt nóng gián tiếp
1 Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2 Cầu dao; 3 Biến áp; 4 Đầu cấp điện
5 Dây đốt (dây điện trở); 6 Vật liệu được nung nóng trực tiếp
Phương pháp cảm ứng điện từ dựa trên định luật Faraday cho thấy khi dòng điện đi qua cuộn cảm, điện năng chuyển hóa thành năng lượng từ trường biến thiên Khi một khối kim loại được đặt trong từ trường này, nó sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng, hay còn gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault) Nhiệt năng từ dòng điện xoáy này sẽ làm nóng khối kim loại.
Ngyên lý làm việc của lò cảm ứng được biểu diễn trên hình 1.2
Hình 1.2 Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng a) lò cảm ứng có mạch từ b) lò cảm ứng không có mạch từ
1 vòng cảm ứng, 2 mạch từ; 3 nồi lò; 4 tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt
1.2.3 Phương pháp hồ quang điện
Phương pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí
Trong điều kiện bình thường, khí không dẫn điện, nhưng khi bị ion hóa và dưới tác dụng của điện trường, khí có thể dẫn điện Khi hai điện cực gần nhau, ngọn lửa hồ quang sẽ xuất hiện giữa chúng Nhiệt năng từ ngọn lửa hồ quang được tận dụng để gia công vật nung hoặc nấu chảy.
Nguyên lý làm việc của hồ quang điện được biểu diễn trên hình 1.3
Hình 1.3 Nguyên lý làm việc của lò quang điện a) lò hồ quang trực tiếp b) lò hồ quang gián tiếp
1 điện cực, 2 ngọn lửa hồ quang; 3 vật gia nhiệt (kim loại); 4 tường lò
Một số loại lò điện thực tế
Lò điện trở là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt, giúp truyền nhiệt đến vật cần gia nhiệt bằng bức xạ, đối lưu và truyền dẫn Thiết bị này thường được sử dụng trong các quá trình nung, nhiệt luyện và nấu chảy kim loại màu cùng hợp kim màu.
Hình 1.4 Lò nung điện trở 1200 độ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Kích thước ngoài: 400mm x 500mm x 400mm
Kích thước trong: 200mm x 200mm x 200mm
Nhiệt độ tối đa: 1200 độ C Điện áp vào: 220V, 50Hz
Lò cảm ứng, hay còn gọi là lò nấu cảm ứng điện từ, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, nơi các vòng dây quấn quanh tường lò tạo ra từ thông biến thiên Khi kim loại trong lò tiếp xúc với từ trường này, nó sẽ phát sinh dòng điện bên trong, dẫn đến việc nung nóng và làm chảy kim loại Lò cảm ứng có công suất đa dạng, từ dưới 1 kg đến 100 tấn, và được sử dụng để nấu các loại kim loại như gang, thép, đồng, nhôm và các kim loại quý khác.
Lò nấu cảm ứng nổi bật hơn hẳn so với nhiều công nghệ nấu chảy kim loại khác nhờ vào đặc tính sạch sẽ, hiệu quả năng lượng cao và khả năng kiểm soát quá trình nấu dễ dàng.
Hình 1.5 Lò điện cảm ứng
Lò hồ quang điện là loại lò dùng năng lượng của hồ quang điện làm nóng và đun chảy loại vật liệu chất vào lò
Lò hồ quang điện có công suất đa dạng, từ khoảng 1 tấn cho các xưởng đúc sản xuất gang thỏi đến 400 tấn cho luyện thép thứ cấp Trong khi đó, lò hồ quang điện trong phòng thí nghiệm hoặc cơ sở nha khoa chỉ có công suất vài chục gram Các lò công nghiệp có thể đạt nhiệt độ lên đến 1.800 °C (3.272 °F), trong khi lò thí nghiệm có thể vượt qua 3.000 °C (5.432 °F).
Hình 1.6 Lò hồ quang điện
Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò
3.1 Điều khiển kiểu đóng – ngắt (ON-OFF)
Hệ thống điều nhiệt đơn giản cho lò điện bao gồm rơ le nhiệt và khởi động từ Điện thế V2 được cung cấp cho dây đốt lò thông qua khởi động từ SW1 Khi khởi động từ đóng, lò nhận điện và khi ngắt, lò sẽ tắt Cuộn điều khiển của khởi động từ nhận điện V1 qua tiếp điểm của rơ le nhiệt trong lò, thường sử dụng nguồn điện chung V(~220VAC) cho cả V1 và V2.
Rơ le nhiệt trong hệ thống điều khiển nhiệt độ sẽ tự động đóng hoặc ngắt khi nhiệt độ lò vượt quá hoặc thấp hơn giá trị cài đặt Quá trình này kích hoạt hoặc ngắt điện cho dây đốt lò thông qua khởi động từ, tạo thành một hệ điều khiển kiểu ON-OFF hiệu quả.
Quá trình nhiệt trong lò có quán tính, dẫn đến việc nhiệt độ điều khiển vẫn tăng thêm một giá trị nào đó khi cắt điện và giảm khi đóng điện Nhiệt độ của lò dao động quanh giá trị trung bình, và sự dao động này gia tăng khi có sự mất nhiệt Phương pháp điều khiển ON-OFF cho thấy độ dao động nhiệt độ điều khiển từ vài đến 10% tùy thuộc vào mức độ mất nhiệt.
3.2 Điều khiển kiểu tương tự
Hệ thống điều nhiệt điện tử khác biệt so với nguyên tắc điều khiển ON-OFF truyền thống, cho phép kiểm soát liên tục quá trình đốt lò thông qua khoá điện tử Lò được điều khiển bằng các xung điện có chu kỳ điều chỉnh theo trạng thái nhiệt, với chu kỳ xung ngắn khi nhiệt độ chưa đạt yêu cầu và thưa dần khi gần tới nhiệt độ đặt Trong trạng thái dừng, khi nhiệt độ lò đạt mức yêu cầu, thiết bị sẽ cung cấp nhiệt cho lò tương ứng với lượng nhiệt thất thoát do truyền nhiệt ra môi trường và trong quá trình gia công sản phẩm.
Có thể thấy nguyên tắc điều khiển này thuộc kiểu PID trong đó chứa các kiểu điều khiển:
- Tác động điều khiển tỷ lệ với sai lệch nhiệt độ (P)
- Tác động điều khiển liên tục khi có sai lệch nhiệt độ (I)
- Tác động điều khiển tỷ lệ với tốc độ sai lệch nhiệt độ (D)
Do vậy, phương pháp điều nhiệt này có độ chính xác cao (~ 1%) so với phương pháp điều khiển ON-OFF
Hệ điều khiển nhiệt bao gồm các mảng chức năng:
- Cảm biến nhiệt loại cặp nhiệt điện (Thermocouple): kiểu J hoặc K , có thông số kỹ thuật cho trong bảng 3
Bộ khuếch đại thế đo trên IC A1 bao gồm hai biến trở quan trọng: P2 (OFFSET-MEAS) cho phép điều chỉnh điểm "0" của thang đo, và P1 (GAIN-MEAS) cho phép điều chỉnh hệ số khuếch đại của bộ đo Kết quả đầu ra của bộ khuếch đại thế đo là giá trị thế ra (Cm) âm.
Bộ khuếch đại thế đặt (SP) trên IC A2 bao gồm các biến trở P4 và P5, cho phép điều chỉnh điểm "0" của thang đặt và hệ số khuếch đại tương ứng Biến trở P3, được gọi là SETPOT, được sử dụng để thiết lập nhiệt độ lò sau khi đã thực hiện quá trình chuẩn nhiệt Đặc biệt, bộ khuếch đại thế đặt cung cấp giá trị thế ra (SP) âm.
Bộ đo nhiệt độ là thiết bị đo điện tử (Digital Voltmeter) được thiết kế với ADC 10 bits, cho phép hiển thị nhiệt độ trên màn hình LED 7 đoạn với 3 1/2 chữ số, có khả năng đo nhiệt độ lên tới 1999 °C.
- Bộ đo có thể đo nhiệt độ của lò hoặc nhiệt độ đặt, tuỳ thuộc vào vị trí công tắc SW1 - MEAS hoặc SET
Bộ khuếch đại giá trị sai lệch (e) trên IC A3 giúp khuếch đại hiệu số giữa thế đặt SP và thế đo Cm, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển cho phần công suất.
Thế ra của bộ khuếch đại giá trị sai lệch = k.e = k (SP- Cm) Trong đó giá trị k có thể chỉnh nhờ P6 - Dải tỷ lệ - PROP BAND
Khi nhiệt độ lò vượt quá mức đặt, thế ra của bộ khuếch đại A1 tác động vào lối vào dương A3 sẽ thấp hơn thế ra từ bộ khuếch đại A2 Sự sai lệch này từ A3 tạo ra thế âm ở lối ra A4, dẫn đến việc cấm Q3 và ngắt tín hiệu kích cho Triac TR1, từ đó ngừng quá trình đốt lò.
Khi nhiệt độ lò thấp hơn mức đặt, bộ khuếch đại đo A1 sẽ tạo ra điện áp dương tại đầu vào A3, ít hơn so với điện áp từ bộ khuếch đại đặt A2 Điều này dẫn đến bộ khuếch đại sai lệch A3 phát ra điện áp dương, qua A4-A, kích hoạt Q3 và tạo tín hiệu cho Triac TR1 dẫn điện, từ đó cung cấp năng lượng cho lò.
Việc điều khiển đốt lò được thực hiện đồng bộ nhờ vào các máy phát xung Máy phát xung đa hài với tần số 1kHz chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ đầu ra A3, A4 thành chuỗi xung 1kHz, tác động qua Q3 để kích thích TR1 thông qua biến thế cách ly.
Máy phát xung răng cưa đối xứng với tần số thấp (~ 10sec), tác động vào lối vào âm A4, biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3 thành các xung
3.3 Điều khiển số với bộ vi xử lý
Hệ điều khiển số sử dụng bộ vi xử lý với cấu trúc khác biệt so với hệ thống điều khiển tương tự Thiết bị điều khiển trung tâm bao gồm CPU, bộ nhớ dữ liệu và chương trình (ROM-RAM), cùng với các thiết bị vào ra Tất cả hoạt động của hệ thống được CPU điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ (ROM).
Cảm biến đo nhiệt độ kết nối với bộ biến đổi tương tự số (ADC) trong khối vào/ra tương tự, chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành mã số và lưu trữ trong bộ nhớ RAM CPU sẽ so sánh mã số này với giá trị từ bàn phím, xử lý kết quả và tạo tín hiệu số để điều chỉnh độ rộng điều khiển phần công suất đốt lò Kiểu điều khiển PID có thể được chọn qua phần mềm.
PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG
I Phân tích và chọn biến vào/ra
Khi nhấn nút Start, cảm biến trong lò sẽ đo nhiệt độ hiện tại và gửi dữ liệu về màn hình HMI để so sánh với nhiệt độ cài đặt Nếu nhiệt độ chưa đạt giá trị mong muốn, hệ thống sẽ điều khiển điện trở sấy để tăng nhiệt độ lò Ngược lại, khi nhấn nút Stop, hệ thống sẽ dừng lại và có thể khởi động lại bằng cách nhấn nút Start.
1.2 Xác định biến vào ra
- m: Nút ấn Start (thường mở)
+ m = 0: Nút ấn không được ấn
- d: Nút ấn Stop (thường đóng)
+ d = 0: Nút ấn không được ấn
- X1 : Cảm biến nhiệt độ lò
II Xây dựng bài toán điều khiển
2.1 Xây dựng bài toán điều khiển và mô tả cho hệ thống
2.1.1 Xây dựng bài toán điều khiển
- Cấu trúc điều khiển PID
PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín phổ biến trong công nghiệp, kết hợp ba thành phần: tỉ lệ, tích phân và vi phân Bộ điều khiển này có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, cải thiện tốc độ đáp ứng và giảm hiện tượng vọt lố khi các thông số được lựa chọn phù hợp.
Hình 2.1: cấu trúc điều khiển thuật toán PID
- P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu
I (Integral) là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, giúp điều chỉnh tín hiệu để giảm độ sai lệch về 0 Phương pháp điều khiển tích phân cho phép theo dõi tổng sai số tức thời theo thời gian và sai số tích lũy trong quá khứ Khi thời gian lấy mẫu càng nhỏ, tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, dẫn đến độ lệch càng nhỏ.
D (Derivative) là vi phân của sai lệch, giúp điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi của sai lệch đầu vào Thời gian càng dài, phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, cho phép bộ điều chỉnh phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi đầu vào.
Phân phối của khâu tích phân, hay còn gọi là reset, tỉ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) giúp chúng ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số này được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.
- Thừa số tích phân được cho bởi:
Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, có khả năng tăng tốc độ chuyển động của quá trình đến điểm đặt và giảm thiểu sai số ổn định, với tỷ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể dẫn đến hiện tượng giá trị hiện tại vượt quá giá trị đặt, gây ra độ lệch theo các hướng khác nhau Việc điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình được xác định thông qua độ dốc của sai số theo thời gian, tức là đạo hàm bậc một theo thời gian Tốc độ này sau đó được nhân với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân, thường được gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển bị giới hạn bởi độ lợi vi phân.
- Thừa số vi phân được cho bởi:
Khâu vi phân trong bộ điều khiển giúp làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra, qua đó hỗ trợ đạt điểm đặt hiệu quả Nó được sử dụng để giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra, đồng thời tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, việc vi phân tín hiệu có thể khuếch đại nhiễu, làm cho khâu này trở nên nhạy cảm hơn với sai số và có thể dẫn đến sự không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân quá lớn Do đó, một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn, như mạch bù sớm pha, thường được áp dụng để cải thiện hiệu suất.
2.2 Đặc tính thuật toán PID
Hình 2.2: Đặc tính của thuật toán PID
Độ lợi tỷ lệ là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển; giá trị càng cao, phản ứng càng nhanh nhưng đồng thời cũng làm tăng sai số và yêu cầu bù khâu tỷ lệ lớn hơn Nếu giá trị độ lợi tỷ lệ quá lớn, hệ thống có thể trở nên mất ổn định và xuất hiện dao động không mong muốn.
Độ lợi tích phân càng lớn thì sai số ổn định được khử càng nhanh, nhưng đồng thời cũng dẫn đến độ vọt lố lớn hơn Điều này có nghĩa là mọi sai số âm trong quá trình tích phân phải được triệt tiêu bởi sai số dương trước khi hệ thống đạt được trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất hệ thống; giá trị càng lớn sẽ giảm thiểu độ vọt lố nhưng đồng thời làm chậm đáp ứng quá độ Điều này có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong quá trình vi phân sai số.
2.3 Ứng dụng thuật toán điều khiển PID
Hình 2.3: Cấu trúc điều khiển Trong đó:
BBĐ : Bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều
SV: Giá trị đặt ( oC)
PV: tín hiệu phản hồi âm nhiệt độ (oC)
E(t): tín hiệu sai lệch đưa vào bộ điều khiển
Can nhiệt : Đọc nhiệt độ từ lò về
Trong đồ án của mình, chúng em sử dụng MATLAB-SIMULINK để mô phỏng cho hệ thống của mình
2.4.2: Giới thiệu phần mềm Matlab
Matlab là ngôn ngữ lập trình cao cấp, chuyên dụng cho việc giải quyết các bài toán kỹ thuật Nó kết hợp tính toán, hiển thị kết quả và lập trình, mang lại giao diện thân thiện cho người dùng Thư viện dữ liệu phong phú và được lập trình sẵn giúp người sử dụng dễ dàng phát triển nhiều ứng dụng khác nhau.
- Sử dụng các hàm có sẵn trong thư viện, các phép tính toán học thông thường
- Cho phép lập trình tạo ra các ứng dụng mới
- Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế
- Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu
- Phần mềm đồ họa mạnh
- Cho phép giao tiếp, phát triển với một số phần mềm khác như C++, Fotran
Matlab là một hệ thống tương giao mạnh mẽ, với dữ liệu được lưu trữ dưới dạng mảng và các phép toán ma trận, giúp tăng tốc độ tính toán so với lập trình C hay Fortran Khả năng tính toán của Matlab có thể được mở rộng dễ dàng thông qua các toolbox, là tập hợp các hàm Matlab (M-file) được thiết kế để giải quyết các bài toán cụ thể Người dùng có thể viết code tính toán và mô phỏng bằng cách chọn New File M-file, sau đó lưu lại dưới định dạng *.m.
Simulink là phần mềm mạnh mẽ dùng để xây dựng mô hình, mô phỏng và tính toán hệ thống tự động Phần mềm này hỗ trợ mô tả các hệ thống tuyến tính và phi tuyến, cũng như các mô hình hoạt động trong thời gian gián đoạn, liên tục hoặc kết hợp cả hai Giao diện đồ họa (GUI) của Simulink cho phép người dùng dễ dàng tạo ra mô hình thông qua các khối (block).
Matlab cung cấp công cụ tự động để lựa chọn giá trị cho bộ điều khiển PID, giúp người dùng tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của hệ thống Người dùng có thể truy cập vào thuật toán điều chỉnh thông qua lệnh pidtune hoặc sử dụng giao diện đồ họa (GUI) với pidTuner Thuật toán này giúp cân bằng giữa thời gian đáp ứng, biên độ và mức độ ổn định của hệ thống.
2.4.3: Các khối sử dụng trong phần mô phỏng
1 Khối nguồn – Tín hiệu vào (Source)
2 Khối tải– Thiết bị khảo sát ngõ ra (Sink)
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
I Bộ điều khiển logic khả trình PLC:
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện các trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các ngõ vào hoặc qua thời gian định thì và các sự kiện đếm PLC thay thế các mạch relay trong thực tế và hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu ra và đầu vào; khi có thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ thay đổi tương ứng Ngôn ngữ lập trình PLC thường là Ladder hoặc State Logic, và hiện nay có nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric và General.
Khi sự kiện được kích hoạt, thiết bị điều khiển bên ngoài, hay còn gọi là thiết bị vật lý, sẽ được bật hoặc tắt Bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục thực hiện "lặp" theo chương trình do người sử dụng thiết lập, chờ đợi tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã được lập trình.
Plc thường được cấu tạo bởi 3 thành phần chính đó là phần nguồn thường là
PLC có thể hoạt động với nguồn điện 220v hoặc 24v, và một số loại ít phổ biến sử dụng nguồn 5v hoặc 3.7v Tốc độ xử lý, bộ nhớ lưu trữ chương trình và khả năng mở rộng của CPU tùy thuộc vào từng loại PLC và ứng dụng cụ thể Ngoài ra, PLC còn bao gồm các khối ngoại vi như in/out, truyền thông, module phát xung và analog.
Hình 3.1: Cấu trúc bộ điều khiển khả trình
Phần đầu vào của hệ thống PLC bao gồm các thiết bị như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào thực tế khác, kết nối với PLC qua đường ray đầu nối đầu vào Ngược lại, phần đầu ra có thể là động cơ, solenoid, đèn hoặc lò sưởi, hoạt động dựa trên sự thay đổi của các tín hiệu đầu vào.
CPU (Bộ xử lý trung tâm) là thành phần chính trong hệ thống PLC, chịu trách nhiệm thực hiện chương trình và xử lý tín hiệu I/O Nó kết nối trực tiếp với các thiết bị I/O thông qua các đường dây thích hợp bên trong PLC, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Thiết bị lập trình là nền tảng quan trọng cho việc viết chương trình hoặc logic điều khiển Nó có thể là một thiết bị cầm tay, máy tính xách tay hoặc máy tính chuyên dụng, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.
Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện khoảng 24
V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra
Bộ nhớ máy tính được chia thành hai loại chính: bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Thông tin chương trình, bao gồm logic điều khiển, được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình, từ đó CPU sẽ tìm nạp các lệnh cần thiết Ngoài ra, tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như tín hiệu bộ định thời và bộ đếm được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng.
Bộ điều khiển khả trình (PLC) hoạt động thông qua CPU, nơi mà bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ Sau đó, nó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, điều khiển việc đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được gửi đến các thiết bị liên kết để thực hiện, và toàn bộ quá trình thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển trong bộ nhớ.
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 để truyền dữ liệu
• Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC, dữ liệu được truyền giữa bộ vi xử lý và các mô-đun vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus có 8 đường, cho phép truyền đồng thời 8 bit của 1 byte trong cùng một thời điểm.
Khi một modul đầu vào nhận địa chỉ trên Bus Địa Chỉ, nó sẽ truyền tất cả trạng thái đầu vào của mình lên Bus Dữ Liệu Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Bus Địa Chỉ, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Bus Dữ Liệu Bus Điều Khiển sẽ gửi các tín hiệu để theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển qua các Bus tương ứng trong một khoảng thời gian giới hạn.
Hệ thống Bus có vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O Đồng thời, CPU nhận được một xung Clock với tần số từ 1 đến 8 MHz, xung này không chỉ quyết định tốc độ hoạt động của PLC mà còn cung cấp các yếu tố về định thời và đồng hồ cho toàn bộ hệ thống.
4 Tổng quan PLC Mitsubishi Q-series:
PLC dòng Q được thiết kế theo dạng module rời, cho phép người dùng linh hoạt lựa chọn cấu hình CPU và module mở rộng với in/out phù hợp cho dự án Dòng PLC này nổi bật với tốc độ xử lý cao và khả năng hỗ trợ nhiều tập lập trình phức tạp liên quan đến điều khiển vị trí, PID và truyền thông Điều này giúp nó đáp ứng hiệu quả cho nhiều ứng dụng trong máy móc, dây chuyền sản xuất lớn, hoặc những yêu cầu về độ chính xác và tốc độ cao.
Bộ PLC dòng Q được phát triển để đáp ứng nhu cầu mở rộng của các hệ thống sản xuất hiện đại, tích hợp các kỹ thuật mới và cải thiện khả năng truyền thông, vượt qua những hạn chế của các bộ lập trình truyền thống Điểm nổi bật của PLC dòng Q là công nghệ multi-Processor, cho phép đồng thời 4 CPU xử lý các quá trình điều khiển, nâng cao hiệu suất và giảm thời gian quét vòng chương trình xuống chỉ còn 0,5 – 2ms Hệ thống mạng trong PLC Q Series cũng được cải thiện đáng kể, cho phép cấu hình mạng Melsec Net với khoảng cách truyền thông lên đến 13,6 km và tốc độ tối đa 25Mbps Đặc biệt, PLC Q Series hỗ trợ kết nối internet, cho phép gửi email cảnh báo đến các cấp điều khiển từ xa.
Hình 3.3: Cấu trúc của hệ PLC-Q
5 Base ( Đơn vị cơ sở ): Để gắn được các modul nguồn, CPU, các modul mở rông khác thì ta cần có các base để kết nối lại với nhau
Hình 3.4: Bộ đầu nối module
Hình 3.5: Bộ đầu nối module Địa chỉ của các modul được quy ước theo hệ cơ số 16
Hình 3.6: Địa chỉ của các modul được quy ước theo hệ cơ số 16
Bộ nguồn PLC Mitsubishi Q61P thiết kế nhỏ gọn với nguồn cấp 100-240V-
50Hz dòng ra 5VDC-6A thích hợp cho các bộ lập trình PLC Mitsubishi dòng Q như: Q00UCPU, Q002UCPU, Q03ECPU
Hình 3.6: Các loại modul nguồn
7 Module CPU Q00U: Được gọi là bộ xử lý, bộ xử lý trung tâm, hoặc bộ vi xử lý, CPU (Central Processing Unit) là bộ xử lý trung tâm của PLC
Móc được dùng để cố định các mô đun với đế (Lắp chắc chắn)
Hiển thị chế độ của từng mô-đun CPU Sáng: Chế độ Q
Kiểm tra mô-đun trong điều kiện đang được thực thi Đầu vào/ra mở rộng tương ứng chức năng bật/tắt được thực thi
Chỉ ra chể độ đang hoạt động của CPU Bật: Trong suốt quá trình hoạt động với công tắc RUN/STOP/RESET
Tắt: Trong suốt quá trình dừng với công tắc RUN/STOP/RESET
Khi một lỗi dừng hoạt động được phát hiện Flash:
Để bật LED RUN sau khi viết các chương trình, hãy thiết lập công tắc RUN/STOP/RESET ở chế độ "STOP" và sau đó chuyển đổi sang chế độ "RUN".
• Thiết lập công tắc RUN/STOP/RESET " RUN
• Thực hiện thiết lập lại với công tắc RUN/STOP/RESET
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
4.1.1 Tổng quan về phần mềm GX Work 2
- Gx Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX
Developer với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình khác như là FBD (Function Block
Diagram), SFC (Sequential Function Chart)
4.1.2 Giao diện màn phần mềm
Hình 4.1 Giao diện phần mềm
Bước 1: Click trên thanh công cụ và chọn [Project] → [New Project] ( Ctrl + N)
- Bước 2 : Click vào “Project Type”-> Danh mục “Project Type” hiện lên
- Bước 3: Click the “PLC Series” list button -> Danh mục “PLC Series” hiện lên Select “QCPU (Q mode)”
- Bước 4: Click vào nút “PLC Type”-> Danh sách “PLC Type” hiện ra
- Bước 5: Hoàn thành dự án mới
