NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG PLC để xây DỰNG hệ THỐNG THỰC HÀNH đa NĂNG tại TRƯỜNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TẠ THỊ DUNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC HÀNH ĐA NĂNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT- HUNG Chuyªn ngµnh: kü thuËt ®iÒu khiÓn vµ tù ®éng hãa M· sè: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 2: PGS.TS. Lại Khắc Lãi Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 08 giờ 15, ngày 19 tháng 4 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển của các ngành tự động hóa, kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ thông tin đã góp phần quan trọng vào hiện đại hóa các hệ thống sản xuất nhằm nâng cao năng xuất lao động và chất lượng sản phẩm. Trong đó, hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng toàn bộ hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong chương trình đào tạo ngành công nghệ kĩ thuật điện, điện tử của trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung, môn học điều khiển logic khả lập trình PLC đã được đưa vào giảng dạy. Tuy nhiên, là ngành mới được triển khai đào tạo trình độ đại học, cao đẳng nên các thiết bị thực hành và hệ thống bài tập chưa đầy đủ. Do vậy, đề xuất việc nghiên cứu ứng dụng PLC và thiết kế bộ thực hành PLC có tích hợp một số thiết bị ngoại vi giúp sinh viên có thể lập trình các bài tập đơn giản là thực sự cần thiết. Xuất phát từ thực tiễn đó, em chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học công nghiệp Việt - Hung” Mục tiêu của luận văn: - Nghiên cứu tổng quan về thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC. - Thiết kế bộ thực hành PLC đa năng có tích hợp một số thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc thực hành PLC của giảng viên, sinh viên. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan PLC để ứng dụng vào xây dựng hệ thống thực hành đa năng. - Thiết kế, chế tạo mô hình và lập trình một số bài tập thực hành PLC. Nội dung của luận văn: Với mục tiêu của luận văn, nội dung của luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC Chương 2: Bộ điều khiển lập trình Zen của Omron Chương 3: Xây dựng hệ thống thực hành đa năng ứng dụng PLC Zen Chương 4: Xây dựng bài giảng thực hành Zen 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC 1.1.1. Khái niệm về PLC Thiết bị điều khiển logic khả trình (P rogrammable Logic C ontrol), viết tắt thành PLC là loại thiết bị được ứng dụng rất rộng rãi trong tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và rất nhiều lĩnh vực khác. Thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, các thuật toán này có thể sửa đổi và thay thế một cách nhanh chóng và dễ dàng cho phù hợp với từng yêu cầu công nghệ. 1.1.2. Lịch sử phát triển của PLC Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đầu tiên cho thiết bị điều khiển logic khả lập trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điều khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thế các rơ le do hỏng cuộn hút hay gãy các thanh lò xo tiếp điểm. Mục đích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển. 1.1.3. Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hoá. Tất cả mọi hoạt động của hệ thống từ đơn giản đến phức tạp đều được PLC điều khiển vì vậy PLC đóng vai trò rất quan trọng trong một hệ thống điều khiển, PLC có thể được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC. 1.2. Cấu trúc chung của PLC Một bộ PLC bao giờ cũng gồm có 5 thành phần cơ bản: - Module xử lý tín hiệu - Module nhớ - Module nguồn - Mô đun vào/ra 3 - Thiết bị lập trình 1.2.1. Bộ xử lý tín hiệu Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là bộ phận chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra. 1.2.2. Bộ nhớ Bộ nhớ của PLC có vai trò rất quan trọng, bởi vì nó được sử dụng để chứa toàn bộ chương trình điều khiển, các trạng thái của các thiết bị phụ trợ. Thông thường các bộ nhớ được bố trí trong cùng một khối với CPU. Thông tin chứa trong bộ nhớ sẽ xác định việc các đầu vào, đầu ra được xử lý như thế nào. Bộ nhớ bao gồm các tế bào nhớ được gọi là bit 1.2.3. Bộ nguồn Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V). 1.2.4. Module vào - ra Module vào - ra là phương thức liên lạc vật lý giữa hệ thống PLC với thế giới bên ngoài. Cho phép thực hiện các kết nối, thông qua các kênh vào - ra đến module vào và module ra. Cũng thông qua module vào - ra chương trình được nạp vào bộ nhớ. Module vào - ra có thể là số hoặc tương tự. 1.2.5. Thiết bị lập trình Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân. 1.3. Nguyên lý hoạt động của PLC Khi chạy, một chương trình PLC chia làm 3 giai đoạn chính:  Đọc tín hiệu đầu vào  Thực hiện chương trình 4  Xuất kết quả ra 1.3.1. Đọc tín hiệu đầu vào Giai đoạn này bộ vi xử lý “chụp lại” trạng thái logic của các đầu vào rồi truyền hình ảnh nhận được vào bộ nhớ dữ liệu. 1.3.2. Thực hiện chương trình Thực hiện các phép toán logic chứa trong bộ nhớ chương trình lần lượt từ đầu đến cuối bằng cách sử dụng “hình ảnh” của trạng thái đầu vào chứa trong bộ nhớ dữ liệu. Kết quả của mỗi phép toán logic ( hình ảnh đầu ra ) lại được lưu trong bộ nhớ dữ liệu. 1.3.3. Cập nhật đầu ra Sao chép lại toàn bộ các trạng thái logic hình ảnh của đầu ra (lưu trong bộ nhớ dữ liệu) ra các module đầu ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài. Như vậy, ta có thể khái quát một chu trình làm việc của PLC như sau: Hình 1.8. Chu trình làm việc của PLC 1.4. Trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC Đối với một bài toán thiết kế điều khiển PLC ta cần theo các bước sau: - Tìm hiểu, phân tích yêu cầu công nghệ - Xác định đối tượng điều khiển của hệ thống Thu thập dữ liệu đầu vào Chạy chương trình Cập nhật đầu ra 5 - Xác định loại và số lượng tín hiệu đầu vào và ra, lập bảng phân công địa chỉ vào/ra - Vẽ giản đồ thời gian hoặc lưu đồ thuật toán cho các tín hiệu vào/ ra - Lựa chọn ngôn ngữ lập trình và loại PLC tương ứng - Viết chương trình điều khiển 1.5. Phân tích lựa chọn chủng loại PLC Căn cứ vào yêu cầu bài tập và số lượng đầu vào, ra của từng bài tập tác giả lựa chọn bộ PLC ZEN -20C3AR-A-V2 1.6. Kết luận chương 1 Nội dung chương 1 đã nghiên cứu được về những vấn đề sau : Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC Tìm hiểu về vai trò của PLC trong hệ thống tự động hóa Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của PLC 6 CHƯƠNG 2 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ZEN CỦA OMRON 2.1. Tổng quan về ZEN của OMRON. 2.1.1. Các đặc điểm cơ bản của Zen Zen là một loại PLC cỡ nhỏ được cung cấp bởi hãng OMRON (Nhật). Zen còn được gọi là hệ rơle lập trình được (Programable relays) với nhiều ưu điểm nổi bật: • Tiết kiệm khi điều khiển tự động hoá cỡ nhỏ. • Hoạt động dễ dàng với một hệ điều khiển giá rẻ. • Zen có kích thước rất nhỏ thuận lợi cho việc lắp đặt. • Dễ dàng trong việc lắp ráp và nối dây. 2.1.2. Giới thiệu các loại Zen. Nói chung Zen được phân biệt dựa vào các yếu tố sau: + Zen xoay chiều (nếu dùng nguồn AC) + Zen một chiều (nếu dùng nguồn DC) 2.1.3. Đặc tính kỹ thuật của ZEN -20C3AR-A-V2 2.1.3.1. Đặc tính đầu vào - Điện thế đầu vào: 100V đến 240VAC (-15% /+10%, cho phép 85 ÷ 246 VAC) 50/60Hz, - Số đầu vào 12 AC 2.1.3.2. Đặc tính đầu ra - Số đầu ra: 8 đầu ra rơ le - Dòng điện cực đại của tiếp điểm 8A ở 250VAC, 5A ở 24 VDC - Tuổi thọ của Rơle: Về điện: 50.000 lần vận hành 2.1.3.3. Công suất tiêu thụ - Loại AC: 30VA max 2.1.3.4. Các thông số khác - 16 timer với nhiều loại: ON-delay/OFF-delay timer, One-shot timer, Flashing-pulse timer - 8 Holding timer với trạng thái được lưu kể cả khi mất điện - 16 counter có thể đếm lên hoặc xuống thay đổi bằng chương trình - 16 weekly/16 calendar timer 7 2.2. Các vùng nhớ của Zen 2.2.1. Các bit vào/ ra, các bit làm việc và các bit có lưu Tên Kiểu Địa chỉ bít Số bít Chức năng 0 đến 5 6 CPU có 10 cổng vào/ra Bít đầu vào bộ xử lý trung tâm I 0 đến b 12 CPU có 20 cổng vào/ra Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết bị đầu vào nối tới đầu vào của Zen Bít đầu vào khối mudule mở rộng X 0 đến b 12 Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết bị đầu vào vào nối tới đầu vào của khối module mở rộng Bít đầu vào nút ấn B 0 đến 7 8 Bật ON khi các nút hoạt động được ấn trong chế độ RUN Bít so sánh tương tự A 0 đến 3 4 Đầu ra là kết quả so sánh của đầu vào tương tự. Có thể chỉ được cho kiểu có điện áp nguồn cấp 24VDC Bít so sánh P 0 đến f 16 So sánh giá trị hiện tại của các Timer. Holding Timer và Counter. Đầu ra là kết quả so sánh Bít so sánh 8 số G 0 đến 3 4 So sánh kết quả hiện tại của bộ đếm 8 số (F) với một hằng số. Đầu ra là kết quả so sánh 0 đến 3 4 CPU có 10 cổng vào/ra Bít đầu ra bộ xử lý trung tâm Q 0 đến 7 8 CPU có 10 cổng vào/ra Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị đầu ra nối tới đầu ra của Zen Bít đầu ra khối module mở rộng Y 0 đến b 12 Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị đầu ra nối tới đầu ra của khối module mở rộng Các bít làm việc M 0 đến f 16 Chỉ được sử dụng bên trong chương trình. Không thể đưa ra thiết bị bên ngoài Bít có lưu H 0 đến f 16 Làm việc giống như các bít làm việc tuy nhiên các bít này lưu được trạng thái đóng/mở khi mất điện 8 2.2.2. Timer Gồm có các loại Timer: Timer thường (T), Holding Timer (#),Weekly Timer (@), Calender Timer(*): 2.2.3. Counter Có đến 16 bộ đếm và một bộ đếm 8 số có thể đếm tăng hoặc đếm giảm. 2.3. Lập trình và cài đặt thông số trên ZEN 2.3.1. Lựa chọn ngôn ngữ hiển thị Có thể lựa chọn tới 6 ngôn ngữ để hiển thị trên mặt hiển thị LCD của ZEN là Anh, Pháp, Italia, Đức, Tây Ban Nha và Nhật. Mặc định là tiếng Anh. 2.3.2. Nối dây đầu vào/ra và hoạt động bên trong Đối với các đầu vào ta cấp nguồn xoay chiều, các đầu ra là đầu ra rowle nên ta có thể cấp nguồn một chiều hoặc xoay chiều tùy thuộc từng loại tải 2.3.3. Viết chương trình bậc thang Cần phải chuyển ZEN về chế độ STOP mới viết hay thay đổi được chương trình. 2.3.4. Sửa chương trình bậc thang Di chuyển con trỏ về vị trí cần thay đổi đầu vào, đầu ra rồi chỉnh sửa 2.3.5. Dùng các bit nút bấm (B) Với ZEN-20C3ARA-V2 là loại có màn hình LCD, mỗi khi bấm 1 nút trên ZEN, bit nút bấm tương ứng (Button switch) sẽ thay đổi trạng thái. Có 8 bit nút bấm, ký hiệu và địa chỉ từ B0 đến B7 2.4. Các chức năng đặc biệt của ZEN 2.4.1. Bảo vệ chương trình. Chức năng bảo vệ bằng mật mã (password) sẽ bảo vệ chương trình và các thông số 2.4.2. Xoá password đã đăng ký 2.5. Xử lý lỗi 2.5.1. Xử lý lỗi [...]... dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung” đã hoàn thành và đạt được các kết quả sau: - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC - Nghiên cứu về bộ điều khiển lập trình ZEN của Omron + Tìm hiểu về cấu trúc, câu lệnh, nguyên lý làm việc, cách lập trình của bộ PLC ZEN 20C3AR-A-V2 - Xây dựng được hệ thống thực hành đa năng ứng dụng PLC ZEN - Xây dựng. .. và thực hành với đầu vào/ra, thực hành với timer và counter, xây dựng bài thực hành tổng hợp và nâng cao về zen 23 KẾT LUẬN Sau 5 tháng tìm hiểu và nghiên cứu, được sự chỉ bảo giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong phòng Quản lý đào tạo sau đại học, khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là thầy PGS-TS Nguyễn Thanh Hà, đến nay luận văn Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng. .. dung chương 3 đã xây dựng được 5 bài thực hành ứng dụng PLC Zen - Hệ thống điều khiển khởi động động cơ ở chế độ sao/tam giác, mô hình cửa tự động, mô hình trò chơi đường lên đỉnh Olympia, mô hình bãi đỗ xe tự động, mô hình đèn giao thông 19 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG BÀI GIẢNG THỰC HÀNH ZEN 4.1 Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp dạy học thực hành 4.1.1 Khái niệm về thực hành và dạy học thực hành kỹ thuật... thực hành ZEN, bao gồm viết chương trình điều khiển PLC và xây dựng được các bài thực hành: Khởi động động cơ ở chế độ sao - tam giác, đóng mở cửa tự động, điều khiển bãi đỗ xe tự động, trò chơi đường lên đỉnh Olympia, điều khiển đèn giao thông Kết quả của luận văn đã đạt được là: thiết kế, chế tạo được hệ thống mô hình thực hành đa năng dùng PLC Zen, xây dựng được hệ thống các bài giảng, bài tập thực. .. 1s 4.2.3.4 Các bước thực hiện  Thực hiện bảng gán địa chỉ vào/ra  Vẽ sơ đồ kết nối với thiết bị ngoại vi  Viết chương trình điều khiển  Mô phỏng và kiểm tra lỗi  Kết nối với thiết bi ngoại vi 4.3 Kết luận chương 4 Nội dung chương 4 đã xây dựng được hệ thống bài giảng thực hành với PLC Zen Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết chung của phương pháp dạy học thực hành Xây dựng bài thực hành lập trình điều... học, thực hành là hoạt động của sinh viên nhằm vận dụng những kiến thức, hiểu biết về kỹ thuật, rèn luyện kĩ năng kĩ xảo cần thiết 4.1.2 Nhiệm vụ của dạy học thực hành - Hoàn thiện và vận dụng những hiểu biết kĩ thuật ở mức độ khác nhau (đơn lẻ hoặc tổng hợp) vào các thao tác thực hành - Hình thành và rèn luyện kĩ năng kĩ xảo lao động 4.1.3 Phương pháp dạy học thực hành kĩ thuật Trong dạy học thực hành. .. chức năng nào để xoá thông báo lỗi Một khi các lỗi đã được loai trừ, màn hình sẽ trở về bình thường 2.6 Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã giải quyết được những vấn đề sau Nghiên cứu tổng quan về Zen của OmRon, các đặc điểm cơ bản, phân loại, đặc tính kỹ thuật, đặc tính đầu vào ra, công suất tiêu thụ Tìm hiểu về các vùng nhớ của Zen 10 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC HÀNH ĐA NĂNG ỨNG DỤNG PLC ZEN... dạy học thực hành kĩ thuật cần sử dụng linh hoạt, phối hợp nhiều phương pháp, phương tiện dạy học khác nhau, tuỳ theo mục đích và nội dung của bài học 4.2 Xây dựng bài thực hành lập trình điều khiển Zen Buổi 1: Tiếp cận thiết bị và thực hành với đầu vào ra Buổi 2: Thực hành với Timer và Counter Buổi 3: Bài thực hành tổng hợp và nâng cao 4.2.1 Tiếp cận thiết bị và thực hành với đầu vào ra Mục đích Giúp... thống các bài giảng, bài tập thực hành lập trình PLC Zen Hướng phát triển của đề tài Với thời gian nghiên cứu chưa nhiều, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn cho nên nội dung luận văn còn một số hạn chế Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn để có thể áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, nhất là áp dụng hệ thống PLC Zen trong thực tế sản xuất, ví dụ như trong lĩnh... modul 3.4.2 Xây dựng mô hình thực hành Hình 3.11: Mô hình hoàn thiện trò chơi đường lên đỉnh Olympia 3.4.4 Chương trình Bảng phân công tín hiệu vào ra Nút Start : I0; Nút Stop: I4; Nút bấm đấu thủ 1: I1; Nút bấm đấu thủ 2: I2 14 Hình 3.12 Chương trình điều khiển 3.5 Mô hình thực hành lập trình điều khiển bãi đỗ xe tự động 3.5.1 Bố trí thiết bị trên bề mặt modul 3.5.3 Xây dựng mô hình thực hành Hình 3.16 . các bài tập đơn giản là thực sự cần thiết. Xuất phát từ thực tiễn đó, em chọn đề tài luận văn: Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học công nghiệp. về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC Chương 2: Bộ điều khiển lập trình Zen của Omron Chương 3: Xây dựng hệ thống thực hành đa năng ứng dụng PLC Zen Chương 4: Xây dựng bài giảng thực hành. viên. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan PLC để ứng dụng vào xây dựng hệ thống thực hành đa năng. - Thiết kế, chế tạo mô hình và lập trình một số bài tập thực hành PLC. Nội dung