Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1. Hệ thống các bài thực hành điều khiển logic và PLC 3.1.1. Yêu cầu chung
Chương trình đào tạo điều khiển lôgic và PLC của nghề Điện công ngiệp trong nhà trường bao gồm cả kiến thức cơ sở, kiến thức nâng cao và kỹ năng thực hành. Yêu cầu học sinh phải nắm được kiến thức chung nhất của điều khiển logic và PLC, kết nối được phần cứng của PLC với các thiết bị ngoại vi đồng thời phải ứng dụng được trong các bài toán công nghiệp đơn giản.
Các bài thực hành cơ bản:
Bài 1: Chương trình điều khiển ĐCXC 3 pha bằng khởi động từ kép Bài 2: Chương trình điều khiển khởi động ĐCXC 3 pha bằng phương pháp đổi nối
/
Bài 3:Chương trình điều khiển khởi động ĐCXC 3 pha roto dây quấn dùng 2 hoặc 3 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian.
Bài 4: Khởi động ĐCĐ một chiều qua 3 cấp điện trở phụ, điều khiển đảo chiều quay, hãm động năng.
Bài 5: Một số chương trình điều khiển dây chuyền sản xuất đơn giản - Chương trình điều khiển dây chuyền sản xuất (băng tải)
- Chương trình điều khiểndây chuyền tự động đóng gói sản phẩm - Chương trình điều khiển đèn tín hiệu GT của một ngã tư
- ………….
3.1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với mô hình thực hành
Các mô hình thí nghiệm/thực hành được đưa vào giảng dạy phải đạt được một số tiêu chí sau:
Mô hình phải đặc trưng được cho những dây chuyền, hệ thống sản xuất tự động thông dụng nhất.
Cho phép học sinh thực hành điều khiển trên các thiết bị điều khiển khả lập trình thông dụng và nâng cao như S7-200, S7-300, ngôn ngữ lader và grafcet tiêu chuẩn.
Lắp ráp mạch khí nén, đấu nối mạch điện điều khiển dễ thao tác. Cài đặt biến tần cho động cơ kéo băng tải, điều khiển động cơ bước thuận tiện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế sữa chữa. Đảm bảo tính thẩm mỹ và gọn gàng. Các phần truyền động, kết nối phải đảm bảo bền và cứng vững.
Mô hình phải có tính ứng dụng và khả năng mở rộng cao. Tuổi thọ của mô hình phải cao.
Do vậy việc lựa chọn và xây dựng các mô hình phù hợp đạt được các tiêu chí trên cần phải được nghiên cứu, cân nhắc kỹ càng.
3.2. Đặc điểm chung và cấu hình bộ thực hành điều khiển logic và PLC
Hệ thống thiết bị thí nghiệm PLC S7-200 là hệ thống thí nghiệm có thể tiến hành nhiều thí nghiệm điều khiển, nhất là điều khiển logic. Hệ thống có cấu trúc tiện lợi cho việc tiến hành các thí nghiệm. Khi thực hiện các thí nghiệm khác nhau ta tiến hành lập trình theo yêu cầu của bài thí nghiệm, việc lập trình được thực hiện trên máy tính (có thể lập trình trên máy lập trình PG nếu có), sau đó đổ chương trình sang PLC, tiến hành các thao tác điều khiển và quan sát các đáp ứng của hệ thống điều khiển. Tín hiệu vào/ra của hệ thống có thể là tín hiệu điều khiển thực (được thực hiện qua giắc cắm trên khối thí nghiệm, tất nhiên tín hiệu vào/ra thực phải phù hợp), cũng có thể chỉ là các tín hiệu ảo (được thực hiện qua các nút bấm, công tắc và các đèn để quan sát tín hiệu vào/ra trên khối thí nghiệm). Hệ thống thí nghiệm có thể cung cấp nhiều hiểu biết về quá trình điều khiển nhất là điều khiển logic.
Hệ thống thí nghiệm giúp cho học sinh nắm chắc vấn đề, nâng cao kỹ năng thực hành và khả năng tư duy giúp các em tự tin khi phân tích các hệ thống sản xuất thực tế.
Hệ thống thí nghiệm này có các khối chính đó là:
Hình 3.1-Cấu hình tổng quát một bài thực hành
Thiết bị LT Thiết bị TG PLC S7-200 Đối tượng ĐK Tín hiệu vào (Nút ĐK, tín hiệu cảm biến,…)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2.1. Thiết bị lập trình
Máy tính công nghiệp có phần mềm lập trình tương ứng với hệ thống thí nghiệm, hoặc máy lập trình PG.
3.2.2. Khối PLC S7-200
Hình 3.2- Cấu tạo bên ngoài của PLC S7_200 CPU 224
3.2.2.1. Giới thiệu các tính năng của PLC S7-200
Chức năng chính của PLC là để điều khiển Logic, điều khiển tuần tự, liên động. Trong bộ lệnh của PLC S7-200 có đầy đủ các lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay các thanh ghi, các timer cho phép lập trình cho các ứng dụng điều khiển lôgic một cách dễ dàng. Đặc biệt nó có các lệnh phát ra sườn xung cho phép ta xử lý thời điểm chuyển trạng thái của tín hiệu.
* Cấu trúc phần cứng của CPU 224
+ CPU-224 bao gồm 14 cổng vào và 10 cổng ra, có khả năng mở rộng thêm 7 module về phía phải.
+ Tổng số cổng vào/ra cực đại là: 256 cổng (128 cổng vào/128 cổng ra). + 256 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: Timer 1ms, Timer 10ms và Timer 100ms.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.
+Bộ đếm tốc độ cao:
- 6 bộ đếm tốc độ cao với tần số xung nhịp 30kHz – 1 pha làm việc. - 4 bộ đếm tốc độ cao với tần số xung nhịp 20kHz – 2 pha làm việc. + Tích hợp đồng hồ thời gian thực.
+ 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. + 2 bộ điều chỉnh tương tự.
+ Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 100 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp.
3.2.2.2. Cấu tạo bên ngoài của PLC S7-200 CPU 224 *Các đèn báo trên PLC S7-200 CPU 224
+ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.
+ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.
+ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại.
*Cổng vào/ ra
+ Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị Logic của công tắc.
+ Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
*Chế độ làm việc PLC có 3 chế độ làm việc:
+ RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP.
+ STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc RUN hoặc STOP.
* Cổng truyền thông
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với zắc nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do (Free Port) là 300 # 38.400 baud.
Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI. Cáp đó đi kèm với máy lập trình.
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC /PPI với bộ chuyển đổi RS232 / RS485 [13].
Hình 3.3- Kết nối máy tính với PLC
3.2.2.3. Bộ mô phỏng thí nghiệm của PLC S7-200 CPU 224
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các chân cắm, đèn báo, công tắc trên PLC S7-200 được nối ra ngoài như hình 3.4 giúp học sinh thao tác và quan sát các bài thực hành dễ dàng, thuận tiện.
3.2.3. Các thiết bị trung gian
Do tín hiệu ra của PLC khá nhỏ nên không đủ công suất để điều khiển các quá trình công nghệ có công suất lớn và quy trình phức tạp. Để khuếch đại các tín hiệu điều khiển này phải sử dụng các thiết bị trung gian nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển.
Các thiết bị trung gian này thường là các Rơle điện từ, Côngtắctơ điện từ, Tiristor… Đặc điểm của các thiết bị trung gian này là sử dụng dòng điện nhỏ để đóng cắt, điều khiển dòng điện lớn.
3.2.4. Đối tƣợng điều khiển
Đối tượng điều khiển của PLC trong thực tế khá rộng vì PLC có mặt trong hầu hết các dây truyền sản xuất hiện đại, tham gia giám sát và điều khiển các nhà máy công nghiệp, giám sát và điều khiển giao thông, điều khiển các tòa nhà thông minh, ứng dụng trong truyền tải điện năng…
Nhưng trong chương trình đào tạo cho học sinh học nghề, đối tượng điều khiển của PLC chỉ giới hạn ở một số quy trình đơn giản
- Quy trình điều khiển ĐCXC 3 pha bằng khởi động từ kép
- Quy trình điều khiển khởi động ĐCXC 3 pha bằng phương pháp đổi nối
/
- Quy trình điều khiển ĐCKĐB 3 pha qua 2 cấp tốc độ Y/Y-Y; ∆/ Y-Y. - Quy trình điều khiển hãm động cơ bằng phương pháp hãm động năng có sử dụng nguồn một chiều.
- Quy trình điều khiển khởi động ĐCĐXC3 pha roto dây quấn dùng 3 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian
- Quy trình điều khiển ĐCĐ một chiều qua 3 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian, điều khiển đảo chiều quay.
- Quy trình điều khiểndây chuyền sản xuất (băng tải)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Quy trình điều khiển đèn tín hiệu GT của một ngã tư - Quy trình điều khiển thang máy
- Quy trình điều khiển 3 bơm xử lý nước thải - Quy trình điều khiển bơm xử lý nước sạch
3.3. Xây dựng bài thực hành: Điều khiển đèn giao thông 3.3.1. Giới thiệu mô hình
- Mô hình mô phỏng hệ thống đèn tín hiệu giao thông tại một nút giao thông ngã tư đường bộ. Mỗi một trục đèn gồm 3 đèn: Đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ.
Hình 3.5- Mô hình thí nghiệm đèn giao thông
3.3.2. Các yêu cầu kỹ thuật
Khi bật công tắc chạy chương trình: + Đèn xanh trục A sáng trong 20s + Sau đó đèn vàng trục A sáng trong 5s + Đèn đỏ trục B sáng trong 25s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Sau đó đèn vàng trục B sáng trong 5s + Đèn đỏ trục A sáng trong 25s
Ban ngày từ 5h đến 21h59’ đèn giao thông làm việc bình thường nhưng từ 22h thì chuyển sang chế độ đèn vàng nhấp nháy đến 23h59’; từ 24h đến 4h59’ sáng hôm sau thì tắt để tiết kiệm điện vì thời gian này số lượng người tham gia giao thông rất ít.
3.3.4. Lập trình STL và giản đồ thang 3.3.4.1. Khai báo biến
+ Tín hiệu vào: - Khởi động hệ thống: I 0.0 - Dừng hệ thống: I 0.1 +Tín hiệu ra: - Đèn xanh trục A: Q0.0 - Đèn vàng trục A: Q0.1 - Đèn đỏ trục A: Q0.2 - Đèn xanh trục B: Q0.3 - Đèn vàng trục B: Q0.4 - Đèn đỏ trục B: Q0.5 + Đặt địa chỉ Timer:
- T37: Bộ đếm thời gian đèn ban ngày - T38: Bộ đếm thời gian đèn vàng ban đêm. + Chọn CPU 224 REL 02.00
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.3.5. Mô phỏng hoạt động theo thời gian thực
Hoạt động của hệ thống đèn giao thông theo thời gian thực được mô phỏng bằng phần mềm S7-200 và PC_Simu trên máy tính như sau:
Hình 3.6- Sơ đồ tổng quan
Hình 3.7- Đèn báo trạng thái Xanh trục A – Đỏ trục B
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.9-Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Xanh trục B
Hình 3.10- Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Vàng trục B
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Qua kết quả mô phỏng trên nhận thấy việc giảng dạy môn điều khiển logic và PLC cho học sinh học nghề sẽ giúp các em tự tin hơn trong quá trình tham gia sản xuất thực tế. Các cơ sở sản xuất sẽ rút ngắn thời gian đào tạo lại mở rộng cơ hội việc làm cho học sinh của nhà trường.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO I. Kết luận
Luận văn đã nghiên cứu được các nội dung sau:
- Đã nghiên cứu về điều khiển logic và PLC để có cái nhìn tổng quan về cấu trúc cũng như các ứng dụng của điều khiển logic và PLC trong thực tế.
- Bằng các phương pháp phân tích, so sánh giữa nội dung giảng dạy hiện tại trong nhà trường với yêu cầu thực tế của các cơ sở sản xuất để xác định lại nội dung chương trình đào tạo và xây dựng bổ sung cơ sở vật chất cho phù hợp.
- Xây dựng mô hình giảng dạy môn điều khiển lôgic và PLC để giáo viên và học sinh nhà trường tiếp cận với thực tế sản xuất.
II. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo
Luận văn mới chỉ nghiên cứu được mô hình/ phần mềm mô phỏng trên máy tính chưa đưa ra được mô hình thật cho học sinh thực hành. Để nâng cao được tay nghề của học sinh học nghề ngoài việc bổ sung kiến thức lý thuyết về điều khiển logic và PLC cần phải có các mô hình thật để học sinh quan sát, thực hành.
Để luận văn được hoàn thiện hơn nữa cần phải nghiên cứu thiết kế các mô hình thực hành gắn liền với sản xuất phục vụ cho công tác giảng dạy của giáo viên và học sinh trong nhà trường.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh Đình Đề - Võ Trí An “Điều khiển tự động truyền động điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[2] Nguyễn Trọng Thuần, “Điều khiển logic và ứng dụng”; NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000.
[3] Phan Xuân Minh - Nguyễn Doãn Phƣớc; “Tự động hoá với PLC
S7-200”; Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội, 2000.
[4] Nguyễn Nhƣ Hiển - Nguyễn Mạnh Tùng, “Điều khiển logic và
PLC”, Nhà XB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, 2007.
[5] Đỗ Xuân Tiến, “Kỹ thuật số và vi xử lý” (1996), Học viện KTQS. [6] Đỗ Xuân Tiến, “Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống” (2003), NXB Khoa học và kỹ thuật.
