Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất hiện đại, việc ứng dụng các giải pháp điều khiển tự động nhằm thay thế các cơ cấu cam cơ khí và hệ thống rơ-le truyền thống đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất lao động, giảm thiểu sai sót kỹ thuật và đảm bảo chất lượng gia công cơ khí. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong các dây chuyền công nghiệp nhờ tính linh hoạt, khả năng mở rộng và độ ổn định cao trong môi trường vận hành thực tế.

Đề tài "Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình khoan 2 giai đoạn ứng dụng điều khiển bằng PLC S7-200" được thực hiện bởi sinh viên Khắc Văn Tiến (MSV: 1412102103, Lớp ĐC1801, Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng), dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn ThS. Nguyễn Đức Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản đề tài xác định như sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý luận và cấu trúc phần cứng của dòng bộ điều khiển lập trình PLC, trọng tâm là dòng thiết bị Simatic S7-200 (CPU 224) của hãng Siemens.
  2. Tìm hiểu nguyên lý công nghệ khoan tự động 1 lỗ qua 2 giai đoạn gia công, bao gồm quá trình định vị phôi và quá trình dịch chuyển tịnh tiến của mũi khoan.
  3. Nghiên cứu, khảo sát và phân loại các chủng loại cảm biến đo vị trí, dịch chuyển trong công nghiệp (cảm biến Hall, cảm biến siêu âm, cảm biến quang, cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm) để tích hợp vào hệ thống điều khiển.
  4. Thu thập các thông số kỹ thuật, số liệu tính toán và xây dựng nguyên lý điều khiển quá trình khoan hai giai đoạn đáp ứng yêu cầu công nghệ.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tự động quá trình khoan 2 giai đoạn và bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng công nghệ PLC S7-200 (CPU 224) kết hợp các thiết bị ngoại vi và cảm biến công nghiệp trong môi trường gia công cơ khí.
  • Thời gian thực hiện: Đề tài được giao ngày 12 tháng 3 năm 2018 và hoàn thành trước ngày 21 tháng 5 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật cảm biến công nghiệp:

  • Khung lý thuyết điều khiển lập trình: Lý thuyết về cấu trúc phần cứng hệ vi xử lý PLC, chu trình vòng quét (Scan Cycle), tổ chức các vùng nhớ hệ thống và tập lệnh điều khiển logic (ngôn ngữ lập trình LAD - Ladder Logic và STL - Statement List).
  • Khung lý thuyết công nghệ cảm biến: Nguyên lý biến đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện áp/dòng điện của các dòng cảm biến tiếp xúc và không tiếp xúc (hiệu ứng Hall, phản xạ sóng siêu âm, cảm ứng điện từ, biến thiên điện dung và thu phát quang học).
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết bị tự động hóa Siemens và công nghệ gia công khoan tự động.
    • Phương pháp khảo sát và mô hình hóa chức năng phần cứng (cấu hình cổng vào/ra I/O, ghép nối truyền thông RS-485 chuẩn PPI).
    • Phương pháp thực nghiệm mô phỏng và thu thập dữ liệu kỹ thuật từ các module cảm biến (như cảm biến Hall tuyến tính, module siêu âm SRF02, SRF05).
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật chuẩn của dòng PLC Simatic S7-200 (Siemens), thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất linh kiện cảm biến công nghiệp và các tiêu chuẩn quản lý chất lượng (ISO 9001:2008, ISO 9001:2015).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về PLC và cấu trúc họ phần cứng PLC S7-200

Chương này trình bày toàn diện về lịch sử hình thành, kiến trúc phần cứng, nguyên lý làm việc và các tập lệnh cơ bản của bộ điều khiển logic lập trình:

  • Lịch sử và tiến trình phát triển của PLC:

    • Bộ điều khiển lập trình đầu tiên được sáng chế năm 1968 bởi các kỹ sư thuộc hãng General Motors (Hoa Kỳ) nhằm đáp ứng yêu cầu dễ lập trình, cấu trúc module dễ sửa chữa và độ tin cậy cao.
    • Năm 1969, hệ thống điều khiển cầm tay (Programmable controller Handle) ra đời giúp đơn giản hóa việc nạp chương trình.
    • Từ năm 1970 đến 1975 và các năm tiếp theo, PLC được tích hợp thêm các chức năng định thì (Timer), đếm sự kiện (Counter), xử lý toán học, xử lý tín hiệu tương tự, truyền thông nối tiếp và kết nối mạng công nghiệp.

  • Cấu trúc phần cứng tổng quát:

    • Hệ điều hành: Quản lý vòng quét, phân bổ bộ nhớ RAM và điều phối hoạt động I/O.
    • Bộ nhớ chương trình: Lưu giữ các lệnh điều khiển, không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
    • Bộ đệm đầu vào/ra (Buffer): Vùng đệm trong bộ nhớ RAM ánh xạ trạng thái các tiếp điểm vật lý.
    • Bộ xử lý trung tâm (CPU): Xử lý tuần tự các lệnh logic và giao tiếp với các module mở rộng qua hệ thống bus địa chỉ, bus điều khiển và bus dữ liệu.

  • Phân loại hệ thống PLC:

Phân loại Cấu trúc đặc trưng Các dòng tiêu biểu
Micro PLC Cấu trúc On-board nhỏ gọn, dùng trong ứng dụng dân dụng, đóng cắt đơn giản Siemens LOGO!, Omron ZEN
Mini PLC On-board tích hợp nguồn, I/O, bộ đếm tốc độ cao (HSC), bộ định thời Siemens S7-200, S5-900, Omron CPM1, IDEC MicroSmart
Medium PLC Cấu trúc Module linh hoạt, dùng trong các hệ thống công nghiệp quy mô vừa Siemens S7-300, Mitsubishi A1SHCPU, IDEC FA
Great PLC Dạng module lớn, hỗ trợ mạng truyền thông phức hợp, điều khiển phân tán DCS Siemens S7-400, các hệ thống PCS/DCS

  • Chế độ làm việc và vòng quét Scan:

    • PLC vận hành theo 4 chế độ chính: Chế độ nghỉ (Stop mode), Chế độ chạy (Run mode), Chế độ làm việc trung gian và Chế độ báo lỗi (Error).
    • Chu trình vòng quét gồm 4 giai đoạn nối tiếp: (1) Đọc dữ liệu từ cổng vào số/tương tự (DI/AI) vào vùng đệm đầu vào; (2) Thực hiện chương trình điều khiển; (3) Truyền dữ liệu từ bộ đệm ra các đầu ra điều khiển (DO/AO); (4) Thực hiện truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi phần cứng/phần mềm.

  • Thông số kỹ thuật bộ điều khiển PLC Simatic S7-200 CPU 224:

    • Kích thước vật lý: $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$.
    • Dung lượng bộ nhớ chương trình: $4096\text{ Word}$; dung lượng bộ nhớ dữ liệu: $2560\text{ Word}$.
    • Cấu hình I/O tích hợp: 14 cổng vào số (Digital Input) và 10 cổng ra số (Digital Output).
    • Tài nguyên tích hợp: 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter - HSC).
    • Khả năng duy trì dữ liệu: Lưu trữ toàn bộ bộ nhớ trong 190 giờ sau khi mất điện.
    • Khả năng mở rộng: Kết nối tối đa 7 module mở rộng thông qua bus tích hợp ở mặt sau.
    • Truyền thông: Cổng nối tiếp chuẩn RS-485, 9 chân, hỗ trợ giao thức PPI tốc độ 9600 baud hoặc kết nối mạng Profibus.
    • Hệ thống đèn trạng thái: Đèn SF (đỏ - lỗi hệ thống), RUN (xanh - đang chạy), STOP (vàng - dừng), đèn báo trạng thái từng cổng vào Ixx và cổng ra Qxx.

  • Cấu trúc phân vùng bộ nhớ S7-200:

    • Vùng nhớ chương trình: Lưu trữ mã lệnh thực thi.
    • Vùng nhớ tham số: Lưu thông số trạm, mật khẩu bảo vệ.
    • Vùng nhớ dữ liệu: Bao gồm vùng biến $V$ (Variable memory), thanh ghi ảnh đầu vào $I$ (Input image register), thanh ghi ảnh đầu ra $Q$ (Output image register), bit nhớ nội $M$ (Internal memory bits) và vùng nhớ đặc biệt $SM$ (Special memory bits).
    • Quy cách địa chỉ và con trỏ: Hỗ trợ truy cập theo Bit (V150.4), Byte (VB150), Từ đơn 16-bit (VW150), Từ kép 32-bit (VD150). Ký hiệu toán tử con trỏ địa chỉ sử dụng & (ví dụ: AC1 = &VB150).
    • Vùng nhớ đối tượng: Bao gồm thanh ghi tích lũy $AC0 \div AC3$, bộ đếm $C0 \div C255$, bộ đếm tốc độ cao $HSC0 \div HSC2$, bộ đệm analog vào/ra $AIW/AQW$, bộ định thời $T0 \div T255$.

  • Tập lệnh lập trình cơ bản:

    • Lệnh gán tiếp điểm ra (OUTPUT), lệnh gán mức logic Set (S) và xóa mức Reset (R).
    • Các loại Timer trễ: TON (bật có trễ), TOF (tắt có trễ), TONR (bật có trễ và có nhớ tích lũy).
    • Các loại Counter: CTU (đếm tiến, giới hạn tối đa 32767), CTD (đếm lùi về 0), CTUD (đếm tiến/lùi kết hợp).

Chương 2: Giới thiệu khái quát về công nghệ khoan

Chương này đi sâu vào quy trình công nghệ khoan tự động và nguyên lý hoạt động của các thiết bị cảm biến phản hồi vị trí:

  • Bản chất quá trình công nghệ khoan tự động:

    • Khoan 1 lỗ 2 giai đoạn là quá trình tạo lỗ trên bề mặt vật thể với kích thước và chiều sâu định trước.
    • Quá trình công nghệ bao gồm hai khâu tự động hóa cốt lõi:
      1. Khâu cấp phôi và định vị: Đưa vật thể vào vị trí gá đặt chính xác dưới bàn máy, kẹp chặt và xác định tọa độ lỗ khoan.
      2. Khâu dẫn tiến và gia công: Điều khiển đầu khoan tịnh tiến tiếp cận bề mặt phôi, thực hiện gia công qua các giai đoạn tốc độ/hành trình định trước, sau đó rút mũi khoan nhanh về vị trí xuất phát ban đầu để chuẩn bị chu kỳ tiếp theo.

  • Khảo sát các dòng cảm biến công nghiệp phục vụ định vị và đo dịch chuyển:

  1. Cảm biến Hall (Hall Effect Sensor):

    • Hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall đo điện áp xuất hiện khi có từ trường tác động vuông góc lên dòng điện chạy qua chất bán dẫn.
    • Kết hợp nam châm đĩa tròn (Ring Magnet) gắn trực tiếp trên trục động cơ quay.
    • Tín hiệu ra tuyến tính trong dải từ trường $-640\text{ Gauss} < B < 640\text{ Gauss}$, chuyển đổi thành dải điện áp $0 \div 10\text{ VDC}$ tương ứng với góc quay $0^\circ \div 360^\circ$ của trục động cơ, cho phép xác định chính xác góc quay và vị trí dịch chuyển.

  2. Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor):

    • Xác định khoảng cách bằng phương pháp phát sóng siêu âm và tính thời gian sóng phản hồi từ vật thể về bộ biến âm.
    • Cấu tạo gồm: bộ biến âm, đế nhựa tổng hợp, bộ phận giảm âm, vỏ kim loại và lớp vỏ bọc bảo vệ.
    • Các module khảo sát:
      • Module SRF02: Hỗ trợ chuẩn giao tiếp $I^2C$ và nối tiếp, tích hợp thuật toán tự động cân chỉnh (Autotune), điều khiển liên tục 64 bước, dễ dàng kết nối qua module USBI2C.
      • Module SRF05: Điện áp cấp $5\text{ V}$, dòng tiêu thụ $4\text{ mA}$, tần số phát $40\text{ kHz}$, phạm vi đo từ $1\text{ cm} \div 4\text{ m}$, kích thước nhỏ gọn $43\text{ mm} \times 20\text{ mm} \times 17\text{ mm}$, nhận tín hiệu kích hoạt xung TTL tối thiểu $10\mu\text{s}$.

  3. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi:

    • Dựa trên hiện tượng truyền sóng âm trong vật chất rắn/đàn hồi để xác định vị trí; phân loại thành cảm biến sử dụng phần tử áp điện và cảm biến âm từ.

  4. Cảm biến quang (Optical Sensor):

    • Sử dụng cặp nguồn phát quang (LED/Laser) và đầu thu quang (photodiode/phototransistor).
    • Phân loại: Cảm biến quang phản xạ (Retro-reflective) và cảm biến quang rọi thấu (Thru-beam).
    • Ứng dụng rộng rãi trong nhận biết chi tiết máy CNC, đếm sản phẩm, hệ thống định vị góc quay trục khuỷu, bướm ga xe cơ giới (hệ thống ETCS-i) và cảm biến lùi xe ô tô.

  5. Cảm biến điện dung:

    • Cấu tạo gồm bản cực tĩnh và bản cực động (hoặc vật thể cần đo đóng vai trò bản cực/chất điện môi). Khi khoảng cách hoặc diện tích đối diện thay đổi, điện dung của tụ điện thay đổi tương ứng.
    • Phân loại: Cảm biến tụ đơn, cảm biến tụ kép vi sai; dùng đo chênh áp chất lỏng/khí, đo áp suất nước và đo độ dịch chuyển vi mô.

  6. Cảm biến điện cảm:

    • Làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ khi vật thể kim loại đi vào vùng từ trường làm thay đổi độ tự cảm của cuộn dây.
    • Phân loại: Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên, cảm biến tự cảm đơn, cảm biến tự cảm kép lắp vi sai và cảm biến có lõi từ di động.

Thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển

Căn cứ trên các phân tích phần cứng và yêu cầu công nghệ, hệ thống điều khiển tự động quá trình khoan được thiết kế tích hợp các khối chức năng:

  • Cấu hình phần cứng điều khiển trung tâm:

    • Sử dụng CPU Siemens Simatic S7-200 CPU 224 làm trung tâm xử lý logic.
    • Phân bổ các cổng vào số (I0.0 đến I1.5) tiếp nhận tín hiệu từ các nút bấm vận hành (Start, Stop, chuyển chế độ Auto/Manual) và các cảm biến xác định vị trí hành trình phôi, giới hạn trên/dưới của đầu khoan.
    • Phân bổ các cổng ra số (Q0.0 đến Q1.1) điều khiển rơ-le trung gian đóng/cắt động cơ quay trục chính mũi khoan, van điện từ điều khiển xi lanh kẹp phôi và cơ cấu dẫn tiến khoan qua hai giai đoạn tốc độ.

  • Cấu trúc môi trường lập trình phần mềm:

    • Quá trình xây dựng chương trình điều khiển được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng (Step 7 Micro/WIN).
    • Quy trình lập trình gồm: Khai báo cấu hình phần cứng (System Block / Hardware Configuration), tạo bảng ký hiệu biến số (Symbol Table), soạn thảo thuật toán bằng ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD) chia theo từng Network logic, thực hiện kiểm tra lỗi cú pháp và nạp chương trình (Download) xuống CPU qua cáp PC/PPI (RS-485, 9600 baud).

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chính:

    • Hệ thống hóa được cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, cấu trúc tổ chức bộ nhớ động ($V, I, Q, M, SM, AC, T, C$) và tập lệnh logic của dòng PLC Siemens S7-200 CPU 224.
    • Tổng hợp chi tiết thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của 6 nhóm cảm biến đo vị trí, dịch chuyển trong công nghiệp (Hall, siêu âm SRF02/SRF05, sóng đàn hồi, quang điện, điện dung, điện cảm).
    • Xác định rõ chu trình điều khiển công nghệ khoan 2 giai đoạn kết hợp khâu định vị phôi và khâu tịnh tiến mũi khoan hồi vị tự động.

  • Đóng góp của đồ án:

    • Cung cấp tài liệu tổng quan, có hệ thống về phương pháp tích hợp PLC Siemens S7-200 vào điều khiển máy công cụ cắt gọt kim loại.
    • Làm rõ mối tương quan giữa đặc tính cảm biến công nghiệp với các yêu cầu giám sát hành trình trong cơ cấu gia công cơ khí chính xác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Thuyết minh tập trung chủ yếu vào cơ sở lý thuyết phần cứng PLC S7-200 và khảo sát nguyên lý cảm biến; chưa đi sâu vào việc xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chi tiết cho từng giai đoạn khoan thực tế.
    • Chưa trình bày chi tiết chương trình mã nguồn LAD/STL hoàn chỉnh cho toàn bộ hệ thống cơ khí thực nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng lập trình thuật toán điều khiển mờ hoặc điều khiển PID cho việc điều chỉnh tốc độ ăn dao của mũi khoan khi vật liệu có độ cứng thay đổi.
    • Thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (HMI/SCADA) để theo dõi trực quan trạng thái vận hành của máy khoan 2 giai đoạn từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện Công nghiệp, Cơ điện tử và Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến:

  • Kỹ thuật lập trình và cấu hình phần cứng dòng PLC Siemens Simatic S7-200.
  • Cách thức lựa chọn, tính toán thông số và phối ghép các loại cảm biến vị trí (quang, điện dung, điện cảm, siêu âm, Hall) trong các dây chuyền sản xuất tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển lập trình được sử dụng chính trong đề tài là loại nào và có thông số I/O ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Siemens Simatic S7-200 CPU 224, tích hợp sẵn 14 cổng vào số (Digital Input) và 10 cổng ra số (Digital Output), hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module.

2. Chu trình công nghệ khoan 2 giai đoạn gồm những khâu chuyển động cơ bản nào? Quá trình gồm 2 khâu tự động hóa chính: (1) Tự động hóa đưa vật thể vào vị trí định trước (xác định tọa độ lỗ khoan và kẹp phôi); (2) Tự động hóa dẫn tiến mũi khoan vào gia công chi tiết theo 2 giai đoạn hành trình, sau đó tự động rút đầu khoan về vị trí ban đầu.

3. Vùng nhớ dữ liệu của S7-200 được phân chia thành những miền nhớ nào? Vùng nhớ dữ liệu được phân chia thành các miền: $V$ (Variable memory), $I$ (Input image register), $Q$ (Output image register), $M$ (Internal memory bits), và $SM$ (Special memory bits), có thể truy cập dưới dạng Bit, Byte, Word hoặc Double Word.

4. Cảm biến siêu âm SRF05 có phạm vi đo và tần số hoạt động như thế nào? Cảm biến SRF05 hoạt động ở tần số $40\text{ kHz}$, sử dụng điện áp $5\text{ V}$, dòng tiêu thụ $4\text{ mA}$, có phạm vi đo khoảng cách từ $1\text{ cm}$ đến $4\text{ m}$ với độ rộng xung kích khởi tối thiểu $10\mu\text{s}$.

5. Cảm biến Hall đo góc quay và vị trí dựa trên nguyên lý gì trong mô hình thực nghiệm? Cảm biến Hall kết hợp với một nam châm đĩa tròn (Ring Magnet) gắn trên trục động cơ. Khi trục quay, từ trường biến thiên qua cảm biến tạo ra điện áp ra tuyến tính $0 \div 10\text{ VDC}$ trong vùng từ trường $-640\text{ Gauss} < B < 640\text{ Gauss}$, tương ứng với góc quay $0^\circ \div 360^\circ$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình khoan 2 giai đoạn ứng dụng điều khiển bằng PLC S7-200" của sinh viên Khắc Văn Tiến đã tổng hợp đầy đủ cơ sở lý thuyết về kiến trúc phần cứng và tập lệnh của dòng PLC Siemens S7-200 CPU 224. Công trình cũng tiến hành phân loại và làm rõ nguyên lý hoạt động của các chủng loại cảm biến đo vị trí, dịch chuyển trong công nghiệp phục vụ cho bài toán gia công tự động. Nội dung nghiên cứu đáp ứng được các yêu cầu về mặt lý luận chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp và cung cấp cơ sở tài liệu phục vụ việc thiết kế, chế tạo các máy khoan tự động trong thực tế sản xuất.