Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành tại trường đại học công nghiệp quảng ninh

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong chương trình đào tạo ngành cơng nghệ kĩ thuật điện, điện tử trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, mơn học điều khiển logic lập trình PLC đưa vào giảng dạy Tuy nhiên, ngành triển khai đào nên thiết bị thực hành hệ thống tập chưa đầy đủ Do vậy, đề xuất việc nghiên cứu ứng dụng PLC thiết kế thực hành PLC có tích hợp số thiết bị ngoại vi giúp sinh viên lập trình tập đơn giản thực cần thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, tơi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh ” Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tổng quan thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC Thiết kế thực hành PLC có tích hợp số thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc thực hành PLC giảng viên, sinh viên Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu giảng lý thuyết mơn lập trình PLC để từ đưa cách xây dựng thí nghiệm để củng cố kiến thức lý thuyết Dùng phần mềm học (STEP7) để mô thí nghiệm Phạm vi nghiên cứu đề tài Trong luận văn nghiên cứu thực hành Còn khác xin phép nghiên cứu tiếp sau Nội dung luận văn Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển logic khả trình PLC S7-200, S7-300 Chương 2: Giới thiệu chung trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300 trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Chương 3: Xây dựng giảng thực hành với S7-300 Kết luận kiến nghị Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Xây dựng thực hành, mơ phần mềm STEP7 giúp cho sinh viên nhìn tổng quan sâu sắc vai trò phần mềm STEP7 mô PLC Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp cho người đọc tài liệu hữu ích thực hành, thí nghiệm mơn PLC Đề tài nghiên cứu phục vụ công tác đào tạo cho Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh phù hợp với xu phát triển Nhà trường 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ TỔNG QUAN VỀ S7-200, S7-300 1.1 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển logic khả trình (PLC) Sự khác biệt điều khiển logic khả trình điều khiển theo kết nối là: Sự kết nối dây khơng cịn nữa, thay vào chương trình Chương trình mơ tả bước thực gọi tiến trình điều khiển, tiến trình lưu vào nhớ nên gọi điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình Trên sở khác khâu xử lý số liệu biểu diễn hai hệ điều khiển sau: Hệ điều khiển PLC có ưu điểm sau: Độ tin cậy cao, dễ dàng thay đổi chương trình; Chuẩn bị vào hoạt động nhanh; Thích ứng với nhiệm vụ điều khiển khác nhau; Khả thay đổi đơn giản trình đưa thiết bị vào sử dụng; Tiết kiệm không gian lắp đặt…Hệ thống điều khiển lập trình PLC sử rộng rộng rãi ngành khác nhau: Điều khiển thang máy, sản suất bia, Hệ thống rửa ô tô tự động 1.1.2 Cấu trúc PLC Hình 1.2: Cấu trúc chung điều khiển lập trình PLC 1.1.3 Các khối PLC Các khối khác PLC cho hình 1.3 5 Hình 1.3 Các khối PLC 1.1.4 Phương thức thực chương trình PLC Hình 1.5 Chu kỳ quét PLC 1.2 Tổng quan S7-200, S7-300 1.2.1 Tổng quan S7-200 1.2.1.1 Giới thiệu chung họ S7-200 Hinh 1.6 Bộ PLC S7-200 1.2.1.2 Cấu trúc chung họ PLC S7-200 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc bên PLC hãng SIEMENS 1.2.1.2.2 Thực chương trình PLC thực chương trình theo vịng lặp (scan) 1.2.1.3 Phương pháp lập trình với PLC Các chương trình cho PLC S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm: Chương trình (main program) sau chương trình chương trình xử lý ngắt 1.2.2 Tổng quan S7-300 1.2.2.1.Cấu tạo chung PLC S7-300 SIMATIC S7-300 thiết bị điều khiển trình dùng để điều khiển hệ thống cơng nghiệp ví dụ: Điều khiển xí nghiệp cơng nghiệp, công nghiệp chế tạo, lắp ráp, điều khiển đèn giao thông….Ưu điểm lớn S7-300 so với S7-200 truyền thông, tốc độ xử lý nhanh hơn, tốc độ truyền nhanh cấu tạo mở rộng thêm modul vào/ra số… 1.2.2.2 Phân loại PLC theo cấu trúc: PLC có cấu trúc Onboard; PLC có cấu trúc module (Great PLC) 1.2.2.3 Kết nối hệ SIMATIC PLC S7-300 1.3 Kết luận chương -Tổng quan hệ thống điều khiển logic khả trình PLC, ưu nhược điểm ứng dụng PLC sản xuất đời sống -Nghiên cứu phương thức thực chương trình PLC -Tổng quan S7-200, S7-300 9 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC HÀNH ỨNG DỤNG PLC S7-300 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH 2.1 Giới thiệu chung Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 2.2 Xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300 2.2.1 Thiết kế bố trí module chứa điều khiển lập trình PLC S7-300 * Mơ hình hồn thiện sau thiết kế: Mơ hình thực hành điều khiển khởi động động chiều kích từ độc lập quay theo hai chiều thuận nghịch *Sơ đồ nguyên lý mạch lực mạch điều khiển 10 N L1 ONT OFF N T T CKT ONN T T H N T N Ð1 Rh T N N N * Sơ đồ kết nối PLC T N TG1 TG1 ONT I0.0 T Q0.2 Ð2 COM IN Q0.3 N Q0.4 Ð3 Q0.5 24V Q0.1 I0.2 OFF Ð1 I0.1 ONN Q0.0 H COM OUT * Mơ hình hồn thiện sau thiết kế: * Mơ phỏng, chạy chương trình: Ð2 H 11 Mơ hình thực hành điều khiển đảo chiều động chiều kích từ độc lập ĐK theo nguyên tắc hành trình * Sơ đồ nguyên lý điều khiển 12 N L1 ON K1 OFF K2 T Ð1 T CB1 K1 TG CB2 K2 TG N T K1 N Ð2 Ð3 * Sơ đồ kết nối PLC ON I0.0 Ð3 Q0.3 T I0.4 CB2 Ð2 Q0.2 I0.3 CB3 Ð1 Q0.1 I0.2 CB1 Q0.0 I0.1 OFF Q0.4 N COM OUT 24V * Mơ hình hồn thiện: * Mơ phỏng, chạy chương trình 220V 13 Mơ hình thí nghiệm điều khiển khởi động động qua cấp điện trở phụ * Sơ đồ động lực điều khiển hệ thống: N L1 ON OFF K1 Ð1 K11 TG1 K12 TG1 1K ON I0.0 * Sơ đồ kết nối PLC TG2 Q0.1 Ð2 COM IN 24V Q0.0 I0.1 OFF 1K TG2 Q0.2 Ð1 TG3 2K K1 Q0.3 TG3 Q0.4 2K 1K K13 Q0.5 Q0.6 2K 3K K14 TG4 H COM OUT 220V 3K TG4 Ð2 H 14 * Mơ hình hồn thiện: * Mơ phỏng, chạy chương trình 15 Mơ hình thực hành điều khiển đèn giao thông ngã tư * Sơ đồ kết nối PLC * Mơ hình hồn thiện: 16 * Mơ phỏng, chạy chương trình 17 Mơ hình thực hành khởi động, động không đồng sử dụng phương pháp đổi nối - tam giác * Sơ đồ mạch điều khiển Role, khởi động từ sau: L1 L2 N L1 ON L3 OFF K1 N F2 Ð1 Q1 K1 K1 K3 F2 A B * TG1 TG K2 C K2 K3 X K3 Z K3 Y Sơ K2 kết TG2 Ð2 đồ nối PLC ON I0.0 Ð2 Q0.2 K1 COM IN 24V Ð1 Q0.1 I0.2 F2 Q0.0 I0.1 OFF Q0.3 K2 Q0.4 K3 COM OUT 220V * Mô hình thực hành hồn chỉnh: K3 18 * Mơ phỏng, chạy chương trình 19 2.6 Kết luận chương - Giới thiệu chung trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh đánh giá thực trạng hệ thống phịng thí nghiệm xu phát triển Nhà trường Nghiên cứu xây dựng số tập ứng dụng S7-300 Mơ phỏng, chạy chương trình sử dụng phần mềm PLCSIM Step7 Chương XÂY DỰNG BÀI GIẢNG THỰC HÀNH VỚI PLC S7-300 3.1 Cơ sở lý thuyết chung PP dạy học thực hành 3.2 Xây dựng thực hành lập trình ĐK với PLC S7-300 3.2.1 Tiếp cận thiết bị thực hành với đầu vào 20 Bài tốn: Viết chương trình điều khiển đảo chiều quay trực tiếp động chiều kích từ độc lập Ấn nút ONT động quay thuận chiều kim đồng hồ, đèn báo hiệu động chạy thuận sáng Ấn nút ONN động quay ngược chiều kim đồng hồ, đèn báo hiệu động chạy nghịch sáng Ấn nút D động dừng, đèn báo hiệu động dừng sáng 3.2.2 Thực hành với Timer Counter Bài 1: Khởi động động chế độ sao-tam giác Ấn nút ON khởi động từ K1 K2 làm việc động khởi động chế độ nối sao, sau 6s khởi động từ K1, K làm việc, K2 ngắt động khởi động chạy chế độ đấu tam giác, động chạy đèn báo Đ1 sáng Ấn nút OFF, động dừng, đèn báo dừng Đ2 sáng Bài 2: Khởi động động chiều kích từ độc lập qua cấp điện trở phụ Ấn nút ON động cấp nguồn khởi động với cấp điện trở phụ, sau 6s cắt cấp điện trở phụ thứ nhất, 6s cắt cấp điện trở phụ thứ hai, 6s cắt cấp điện trở phụ thứ ba, lúc động khởi động khơng cịn cấp điện trở phụ, động chạy đèn báo Đ1 sáng Ấn nút OFF động dừng, đèn Đ2 sáng 3.2.3 Bài thực hành tổng hợp nâng cao PLC S7-300 21 Bài 1: Điều khiển, khởi động động chiều kích từ độc lập theo ngun tắc hành trình (cảm biến) Nhấn nút ON: Xe vị trí cảm biến di chuyển từ trái sang phải Khi cảm biến tác động xe dừng lại 3s quay lại vị trí cảm biến Xe di chuyển từ trái qua phải đèn Đ1 sáng, xe di chuyển từ phải qua trái, đèn Đ2 sáng Nhấn nút OFF động dừng, đèn Đ3 sáng Bài 3: Điều khiển hệ thống đèn giao thông Khởi động nút ấn Start ,dừng nút Stop trình tự bật, tắt đèn hướng tuyến tuyến là: Xanh 10s, vàng 2s, đỏ 12s Thứ tự bật, tắt đèn hướng lệch pha nhau: Khi bật đèn đỏ tuyến bật đèn xanh đèn vàng tuyến ngược lại 3.3 Kết luận chương Nội dung chương xây dựng hệ thống giảng thực hành với PLC S7-300 Nghiên cứu sở lý thuyết chung phương pháp dạy học thực hành Xây dựng thực hành lập trình điều khiển PLC S7-300 gồm bước: tiếp cận thiết bị thực hành với đầu vào/ra, thực hành với timer counter, xây dựng thực hành tổng hợp nâng cao S7300 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau tháng tìm hiểu nghiên cứu, bảo giúp đỡ tận tình thầy phịng Quản lý đào tạo Sau đại học, khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt thầy PGS-TS Nguyễn Thanh Hà, đến luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh” hồn thành đạt kết sau: Nghiên cứu tổng quan hệ thống điều khiển logic khả trình PLC Nghiên cứu điều khiển lập trình PLC S7-300 Siemen Tìm hiểu cách kết nối PLC với thiết bị ngoại vi Xây dựng hệ thống thực hành đa ứng dụng PLC S7-300 Trong luận văn xây dựng chi tiết thực hành PLC phù hợp với kiến thức, nội dung đào tạo sinh viên chuyên ngành điện trường Kết luận văn đạt là: thiết kế, chế tạo hệ thống mơ hình thực hành đa dùng PLC S7-300, xây dựng hệ thống giảng, tập thực hành lập trình PLC S7-300 Sau trực tiếp thực hành thiết bị chế tạo, nhận thấy hệ thống hồn tồn đáp ứng yêu cầu đề Hướng phát triển đề tài 23 Với thời gian nghiên cứu chưa nhiều, kiến thức kinh nghiệm thực tế có hạn nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng hệ thống PLC S7-300 thực tế sản xuất, ví dụ lĩnh vực tự động hóa mỏ, nhà máy nhiệt điện, xi măng, Một lần em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy cô giáo dạy bảo em thời gian vừa qua, đặc biệt PGS-TS Nguyễn Thanh Hà tận tình hướng dẫn bảo để em hoàn thành luận văn TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Mạnh Tùng, TS Nguyễn Như Hiển, Điều khiển logic PLC, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 Trường ĐHBKHN, PLC for automation, 2007 Th.s Châu Chí Đức, Kỹ thuật điều khiển Lập trình PLC Simatic S7-200, Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2008 24 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Tự động hoá với Simatic S7-200, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2000 Tăng Văn Mùi, TS Nguyễn Tiến Dũng, Điều khiển logic lập trình PLC, NXB Thống kê 2006 Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dụng, NXBKHKT, 2000 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hoá với Simatic S7-300, NXB KHKT, 2006 8.Hà Văn Trí, Bài giảng PLC S7-300, TNHH TM&DV SIS http://www.siemens.com.vn, http://plcsiemens.vn/plc-s7- 200.html 10.“Automation with PLC SIMATIC S7-200” Siemens, Germany [11] Statement List for S7-300 and S7-400 Programming” Siemens, Germany  ... HỆ THỐNG THỰC HÀNH ỨNG DỤNG PLC S7-300 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH 2.1 Giới thiệu chung Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh 2.2 Xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300... trình PLC S7-200, S7-300 Chương 2: Giới thiệu chung trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300 trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Chương 3: Xây dựng. .. Sau đại học, khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt thầy PGS-TS Nguyễn Thanh Hà, đến luận văn ? ?Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành trường Đại học