ĐO TỐC ĐỘ BẲNG TẢI SỬ DỤNG CẢM BIẾN
ENCODER MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM
FACTORY IO, CÓ CODE


MỤC LỤC

PHỤ LỤC

27

1
2
3
4
5
6

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1.3.1: PHẦN MỀM TIA PORTAL V15

2


HÌNH 1.3.2: PHẦN MỀM FACTORY IO

2

HÌNH 1.3.3: CẢM BIẾN ENCODER

3

HÌNH 2.1.2: SƠ ĐỒ CẤU TẠO PLC

4

HÌNH 2.1.5: PLC 1211C

5

HÌNH 2.2.1: ENCODER

6

HÌNH 2.2.2: CẤU TẠO CỦA ENCODER

7

HÌNH 2.2.3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ENCODER

8

HÌNH 2.2.4: ENCODER TƯƠNG ĐỐI ABZ

8

HÌNH 2.2.5: ENCODER TUYỆT ĐỐI


9

HÌNH 2.3.1: MƠ HÌNH CỦA FACTORY IO

10

HÌNH 2.4.1: LỆNH NO

10

HÌNH 2.4.2: LỆNH NC

11

HÌNH 2.4.3: LỆNH TO

11

HÌNH 2.4.4: LỆNH SO SÁNH

11

HÌNH 2.4.5: LỆNH INC

11

HÌNH 2.4.6: LỆNH DEC

12


HÌNH 2.4.7: LỆNH BẮT XUNG CẠNH LÊN

12

HÌNH 2.4.8: LỆNH NORM_X

12

HÌNH 2.4.9: LỆNH SCALE_X

13

HÌNH 2.4.10: LỆNH HSC

14

HÌNH 2.5.1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

15

HÌNH 3.1: CHƯƠNG TRÌNH CODE LAD TRÊN TIA PORTAL V15

16

HÌNH 3.2: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

21

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


PLC : Programmable Logic Controller
LAD : Ladder


Trang 5/33

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Giới thiệu đề tài
Trong vài năm trở lại đậy, ngành tự động hóa phát triển mạnh mẽ và cụm tự động
hóa được biết đến nhiều hơn nhất đối với ngành nghề trong công nghiệp. Các ngành
nghề liên quan đến sản xuất yêu cầu các dây chuyền sản xuất chạy tự động và đồng
bộ nhất quán với nhau . Để các dây chuyền đồng bộ với nhau thì ta phải điều khiển
được tốc độ mỗi băng tải với một tốc độ nhất định và duy trì tốc độ đó thì ta ln
cần phải đọc được tốc độ động cơ kéo băng tải đó chuyển động thông qua cảm biến
encoder để giám sát tốc độ.
2 Mục đích nghiên cứu
Ứng dụng kiến thức lập trình PLC Siemens và cảm biến encoder đã được học trên
trường qua hai mơn học lập trình PLC và Điều khiển q trình. Tìm hiểu cảm biến
encoder đóng vai trị gì và ứng dụng của cảm biến đối với ngành công nghiệp sử
dụng các máy tự động. Cịn đối với PLC tìm hiểu về bộ đọc xung tốc độ cao của
PLC Siemens như cách lập trình để đọc được giá trị , tính tốn từ giá trị đầu vào của
encoder sang giá trị xung trên giây hay vòng trên phút , đấu nối giữa cảm biến
encoder và s7 -1200 series.
3 Đối tượng nghiên cứu


1

Phần mềm TIA PORTAL V15


Trang 6/33

Hình 1.3.1: Phần mềm TIA PORTAL V15
2

Phần mềm Factory IO

Hình 1.3.2: Phần mềm Factory IO

3

Cảm biến Encoder


Trang 7/33

Hình 1.3.3: Cảm biến encoder

4 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài được giao đo tốc độ băng tải sử dụng cảm biến encoder và mô phỏng trên
Factory IO nên sẽ nghiên cứu khối đếm xung tốc độc cao trên PLC Siemens, cách
cấu hình cho PLC sử dụng đọc xung từ cảm biến encoder và cảm biến encoder.
Ngồi ra chương trình sẽ được viết trên Tia Portal V15 và mô phỏng chạy với
chương trình Factory IO.

5

Dự kiến kết quả

Chương trình sẽ đọc được tốc độ mà đã đề ra và tự điều chỉnh về giá trị đặt tốc độ
mình muốn khi băng tải chạy không đúng tốc độc đã đặt.

CHƯƠNG 2.
1
9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

PLC
PLC là gì

PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển
Logic có thể lập trình được). Khác với các bộ điều khiển thơng thường chỉ có một


Trang 8/33

thuật tốn điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy
biến do người sử dụng viết thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Do vậy, nó cho
phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài tốn điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật Bản),
Mitsubishi (Nhật Bản), Delta (Đài Loan) ...
Ngơn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Dạng hình thang), FBD
(Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List - Liệt kê lệnh) và
Ladder logic là ngơn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất. PLC dựa vào

các tín hiệu ngõ vào và các thuật toán điều khiển bên trong do người lập trình viết,
nó sẽ xuất các tín hiệu ngõ ra để điều khiển các thiết bị khác.
10
Cấu tạo của PLC
Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau:
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM
- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trị xử lý các thuật tốn
- Các modul vào /ra tín hiệu

Hình 2.1.2: Sơ đồ cấu tạo PLC
11
Ngun lý hoạt động
Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (như các sensor, contact, …) được đưa
vào CPU thơng qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ
xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được
điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn. Một chu kỳ bao
gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thơng nội, tự kiểm tra lỗi,
gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vịng qt (Scan
Cycle).Thường thì việc thực hiện một vịng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ
1ms-100ms). Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh
của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại
vi.
12
Ưu điểm


Trang 9/33

- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.

- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở
rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hồn tồn làm việc tin cậy trong mơi trường công
nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền
thơng với các thiết bị khác.
13
Nhược điểm
- Giá thành cao
- Có kiến thức thì mới sử dụng được

Hình 2.1.5: PLC 1211C
2
1

Cảm biến Encoder
Encoder hay cịn gọi là bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị

cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu
đầu ra analog hoặc kỹ thuật số. Encoder đcượ dùng để phát hiện vị trí, hướng di
chuyển, tốc độ …. của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục. Trong
máy CNC encocder đucợ dùng gia công cơ khí chính xác hồn tồn tự đụng. Điều
khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thị trên máy tính là


Trang 10/33

đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ. Cịn đối với robot tự đọng, cảm biến encoder
được dùng để xác định tọa độ cánh tay robot,…..


Hình 2.2.1: Encoder
1

Cấu tạo chính của encoder:

+ Đĩa quang trịn có rảnh nhỏ quay quanh trục: Trên đĩa được đục lỗ (rãnh), khi đĩa
này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt quãng xảy ra. Các rãnh
trên đĩa chia vịng trịn 360o thành các góc bằng nhau. Và một đĩa có thể có nhiều
dãy rãnh tính từ tâm trịn.
+ Bộ cảm biến thu (photosensor)
+ Nguồn sáng (Light source)


Trang 11/33

Hình 2.2.2: Cấu tạo của encoder
2

Nguyên lý hoạt động:

Khi đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua (Led).
Chỗ có rãnh thì ánh sáng xun qua được, chỗ khơng có rãnh ánh sáng khơng xun
qua được. Với các tín hiệu có/khơng người ta ghi nhận đèn Led có chiếu qua hay
khơng.
Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe. Ví dụ trên đĩa chỉ
có 100 khe thì cứ 1 vịng quay, encoder đếm được 100 tín hiệu. Đây là nguyên lý
hoạt động của loại Encoder cơ bản, còn đối với với nhiều chủng loại khác thì đương
nhiên đĩa quay sẽ có nhiều lỗ hơn và tín hiệu thu nhận cũng sẽ khác hơn.
Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục, từ đó:

+ Tạo ra các tín hiệu dạng xung vng.
+ Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị
trí/ tốc độ của động cơ.


Trang 12/33

Hình 2.2.3: Nguyên lý hoạt động của encoder
3

Encoder tương đối và encoder tuyệt đối

Incremental encoder (Tương đối): Tương ứng đĩa 2bit, cho ngõ ra dạng xung
vuông pha AB, hoặc ABZ hoặc ABZA|B|Z| (đọc là A đảo, B đảo, Z đảo). Loại
Encoder có 2 tín hiệu xung A và B là phổ biến nhất. Tín hiệu khe Z là tín hiệu để
xác định động cơ quay được một vòng.Từ số xung, Encoder có số dây tương

ứng: 6 hoặc 4 dây tùy loại. Các dây bao gồm : 2 dây nguồn, 2 dây pha A và
B, 1 dây pha Z...

Hình 2.2.4: Encoder tương đối ABZ


Trang 13/33

Absolute encoder (Tuyệt đối): Tương ứng đĩa quay 8bit hay 8 dãy rãnh,cho ngõ ra
dạng mã kỹ thuật số(BCD), Binary (nhị phân), Gray code

Hình 2.2.5: Encoder tuyệt đối
3


FACTORY IO

Factory I/O là một phần mềm thiết kế và mô phỏng trực quan các hệ thống điều
khiển tự động hoá theo cách trực quan nhất. Phần mềm có thể giao tiếp gần như với
mọi PLC. Với bộ thư viện phong phú, phần mềm Factory IO mô phỏng được các hệ
thống, đối tượng thơng dụng trong hệ thống tự động hố dưới dạng 3D. Factory I/O
được thiết kế sẵn 20 mơ hình dựa theo các ứng dụng cơng nghiệp phổ biến. Ngồi
ra, các bạn có thể sử dụng các đối tượng được cung cấp sẵn trong thư viện Factory
IO để thiết kế các dây chuyền, hệ thống riêng. Kết nối của Factory IO rất đa dạng và
hỗ trợ nhiều loại PLC để ta có thể học tập lập trình trên Factory IO.


Trang 14/33

Hình 2.3.1: Mơ hình của Factory IO
4

Các câu lệnh LADDER cơ bản

Lệnh thường hở (NO) và thường đóng (NC) thường dùng cho các nút bấm ON, OFF
và các tín hiệu của cảm biến.
Lệnh thường hở NO có kiểu dữ liệu bit và mặc định giá trị 0, khi kích vào tiếp điểm
thường hở sẽ thay đổi trạng thái thành 1 và trở về 0 khi ngừng kích hoạt.

Hình 2.4.1: Lệnh NO
Lệnh thường đóng NC cũng giống như lệnh thường hở NO nhưng mặc định giá trị
bit là 0, khi kích hoạt sẽ thay đổi thành 0 và trở về mặc định khi ngừng kích hoạt.



Trang 15/33

Hình 2.4.2 Lệnh NC
Lệnh TON được dùng để cài đặt thời gian bật tín hiệu hay tạo xung với tùy mục
đích của người sử dụng. Cách cài đặt cấu hình cho TON với IN là ngõ vào chờ tín
hiệu kích vào để bật cho TON hoạt động, PT là thời gian được cài đặt khi tín hiệu
ngõ vào IN được giữ đủ thời gian đặt thì sẽ đưa tín hiệu ngõ ra OUT lên mức 1, ET
là vùng nhớ của TON.

Hình 2.4.3 Lệnh TON
Lệnh so sánh dùng để so sánh các giá trị với nhau để bật tắt các tín hiệu theo ý
muốn người lập trình.

Hình 2.4.4 Lệnh so sánh
Lệnh Increment (INC) với cấu trúc EN chờ tín hiệu xung cạnh lên thì giá trị trên
IN/OUT sẽ tăng lên cho tới khi nào tín hiệu xung cạnh lên ở ngõ vào EN khơng cịn
nữa thì giá trị mới hết tăng.

Hình 2.4.5 Lệnh INC


Trang 16/33

Lệnh Decreament (DEC) cấu trúc tương tự như lệnh INC nhưng giá trị sẽ giảm đi
thay vì tăng lên.

Hình 2.4.6 Lệnh DEC
Lệnh bắt xung sườn lên là các tiếp điểm phát hiện cạnh lên và chỉ tích cực trong
một chu kì quét của PLC ( tiếp điểm chuyển từ OFF sang ON)


Hình 2.4.7: Lệnh bắt xung cạnh lên
Lệnh NORM_X làm chuẩn hóa thơng số VALUE bên trong phạm vi giá trị được xác

định bởi các thông số MIN và MAX: OUT = (VALUE – MIN) / (MAX – MIN) với
(0,0 <= OUT <= 1,0).Đối với lệnh NORM X, các thông số MIN, VALUE và MAX
phải là kiểu dữ liệu giống nhau.

Hình 2.4.8: Lệnh NORM_X
Lệnh SCALEX định tỷ lệ của thơng số số thực được chuẩn hóa VALUE, với (0,0 <=
VALUE <= 1,0) thành kiểu dữ liệu và phạm vi giá trị được xác định bởi các thông
số MIN và MAX: OUT = VALUE (MAX – MIN) + MIN.


Trang 17/33

Hình 2.4.9: Lệnh SCALE_X
Lệnh HSC đếm xung tốc độ cao với cấu trúc gồm:
4
Chân EN là chân kích hoạt bộ đếm xung tốc độ cao. Chân này nối trực tiếp
với nhánh nguồn hoặc tín hiệu enable lên 1
1
HSC là giá trị quy định bộ HSC sử dụng 257 ứng với HSC1, bạn xem mã của
từng HSC như phần config ở mục trên.
2

DIR: chân chọn chiều đếm lên hay đếm xuống.

3
CV là chân khi chuyển từ 0=>1 thì giá trị bộ đếm sẽ chuyển về giá trị ở chân
NEW_CV

4

Tương tự cho chân RV và NEW_RV.

5
PERIOD và NEW_PERIOD dùng trong trường hợp lệnh này ở chế độ đọc
frequency
Khi sử dụng lệnh HSC thì ứng với hsc1 thì giá trị đếm được sẽ lưu vào ID1000 như
phần cài đặt. Các bạn dùng giá trị này để đọc hay so sánh trong quá trình lập trình.


Trang 18/33

Hình 2.4.10: Lệnh HSC

5

Sơ đồ khối của một hệ thống

Hình 2.5.1 Sơ đồ khối hệ thống


Trang 19/33

1

Khối nguồn

Cung cấp nguồn điện 24V cho PLC, các cảm biến, các nút nhấn và các phần tử hiển
thị.

2

Khối cảm biến

Khối Sensor gốn các loại cảm biến nhận tín hiệu tự động trong hệ thống như là cảm
biến màu sắc, cảm biến quang. Các cảm biến này sẽ trã giá trị bit là 1 khi có tí hiệu
tự vật thể và 0 khi ở trạng thái bình thường
3

Khối PLC

PLC Siemens được nạp chương trình đọc tốc độ động cơ từ cảm biến encoder và
thay đổi tốc độ theo giá trị đặt đồng thời kiểm tra tốc độ có ổn định và điều chỉnh lại
tốc độ cho ổn định lại , sẽ dừng khi tốc độ vẫn không ổn định sửa lại để không
nhiễu hay vấn đề khách quan cho hệ thống chạy ổn định.
4

Khối bang tải

Khối băng tải gồm các linh kiện nhận tín hiệu từ PLC sau khi được xừ lý:
-Động cơ băng tải dùng để vận chuyển sản phẩm từ chưa xữ lý tới phân loại và tới
kho riêng biệt.
-Đèn báo dùng đễ bào hiệu trạng thái hoạt động của hệ thống.
5

Khối hiển thị và nút nhấn

Là các nút nhấn gồm bật tắt hệ thống và màng hình led 7 đoạn hiển thị thơng số tốc
độ băng tải đo từ cảm biến encoder.


CHƯƠNG 3.
1

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hoạt động của hệ thống:

* Code chương trình được lập trình bằng phần mềm TIA PORTAL V15:


Trang 20/33


Trang 21/33


Trang 22/33


Trang 23/33

Hình 3.1: Chương trình code LAD trên TIA PORTAL V15
Ngun lý hoạt động của chương trình:
Để chương trình có thể hoạt động được trên Factory IO thì phải lơi khối FC9000 vì
khối này được lập trình bởi hãng Factory IO. Sau đó muốn hệ thống hoạt động thì ta
nhấn nút Start ở mơ hình Factory IO hoặc muốn dừng hay dừng khẩn ta có hai nút
nhấn Stop và EMERGENCY. Khi nút Start được nhấn thì đồng nghĩa chương trình
nhận đc tác động lên biến I0.2 làm cho biến M0.2 từ bit 0 sang bit 1 cho biết là hệ
thống được hoạt động và đèn báo trên tủ điện từ đèn đỏ chuyển sang đèn xanh cho
người vận hành biết là tủ đã hoạt động. Tiếp đến muốn băng tải chạy thì ta vặn nút

xoay trên tủ điện cho động cơ chạy với tốc độ mong muốn với mức độ xoay núm
trên tủ và để có thể đọc được điện áp từ núm xoay ta dùng hai lệnh NORM_X và
SCALE_X đọc từ núm và chuyển đổi qua khâu tỉ lệ về đúng mức điện áp hiển thị
đúng trên núm xoay được lưu vào giá trị MD38. Muốn hiện thị tốc độ động cơ lên
màn hình led 7 đoạn ta phải tính tốn chuyển đổi từ điện áp sang dạng tốc độ động
cơ đặt ra vì mơ phỏng trên Factory IO không thể sử dụng được khối lệnh HSC của


Trang 24/33

PLC nên ta phải tính tốn qua khối CALCULATE cho ra tốc độ đặt mong muốn mà
băng tải chạy thông qua biến MD50 là giá trị đặt, QD42 là giá trị hiển thị lên led 7
đoạn, QD58 là giá trị thay đổi tốc độ động cơ. Cài đặt xong tốc độ động cơ thì
chương trình sẽ tự so sánh tốc độ động cơ được cài đặt và tốc độ hiện tại có bằng
nhau hay lớn hơn hoặc nhỏ hơn mà để đưa ra tín hiệu về cho bộ đếm tăng lên hay
giảm xuống rồi hiển thị đúng số tốc độ lên màn hình led 7 đoạn. Chạy một thời gian
ta muốn dừng động cơ thì nhấn nút Stop trên tủ điện trong Factory IO sẽ tương ứng
tác động lên biến I0.1 trong chương trình ngắt biến M0.2 từ trạng thái bit 1 về 0 và
đèn trên tủ điện sẽ chuyển từ màu xanh về lại màu đỏ như ban đầu chưa nhấn Start
cho hệ thống chạy. Chương trình khi nhận được tín hiệu dừng hệ thống thì sẽ giảm
tốc độ băng tải từ từ cho đến khi dừng hoàn toàn để cho sản phẩm trên băng tải sẽ
được giữ ngun khơng như băng tải dừng đột ngột có thể gây 1 lực quán tính làm
cho các sản phẩm va chạm vào nhau dẫn đến hư sản phẩm. Ngoài ra khi chương
trình đọc được giá trị điều khiển động cơ khác so với giá trị cài đặt thì sẽ cảnh báo
trong 5s bằng đèn vàng cho người vận hành biết nhưng nếu sau 5s giá trị khác so
với giá trị đặt thì hệ thống sẽ dừng lại hồn tồn cho tới khi có người thấy và reset
lại lỗi.
2 Lưu đồ giải thuật:



Trang 25/33

HÌNH 3.2: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

CHƯƠNG 4.

THỰC NGHIỆM