nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm điều khiển logic và plc cho công tác đào tạo nghề điện công nghiệp trường trung cấp kỹ thuật nghiệp vụ sông hồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng đẫn PGS.TS Nguyễn

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

-

BÙI THỊ NGOAN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG TRUNG

CẤP KỸ THUẬT NGHIỆP VỤ SÔNG HỒNG

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Bùi Thị Ngoan

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC 1

1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển lôgic và PLC 2

1.2 Đặc điểm chung của hệ điều khiển Logic và PLC 3

1.2.1 Cấu hình phần cứng của một bộ PLC 3

1.2.1.1 Bộ xử lý 4

1.2.1.2 Bộ nguồn 6

1.2.1.3 Thiết bị lập trình 6

1.2.1.4 Bộ nhớ 6

1.2.2 Cấu tạo chung của PLC 8

1.2.3 Các vấn đề về lập trình 9

1.2.3.1 Khái niệm chung 9

1.2.3.2 Các phương pháp lập trình 11

1.2.3.3 Một số ký hiệu chung 11

1.2.3.4 Phương pháp hình thang LAD (Ladder Logic) 13

1.2.3.5 Phương pháp liệt kê 1ệnh STL (Statement List) 14

1.2.3.6 Phương pháp lưu đồ điều khiển CSF (ControlSystemFlow) 15

1.2.4 Các rơle nội 16

1.2.5 Các rơle thời gian 16

1.2.6 Các bộ đếm 17

1.3 Ưu nhược điểm của hệ điều khiển logic và PLC 17

1.4 Ứng dụng của hệ điều khiển logic và PLC 20

1.4.1.Giám sát &Điều khiển các nhà máy công nghiệp 20

1.4.2.Điều khiển các dây chuyền sản xuất 21

Hệ thống tự động hóa Dây chuyền chế biến thực phẩm 21

1.4.3 Giám sát, điều khiển giao thông 23

1.4.4 Giám sát Điều khiển tòa nhà cao ốc thông minh 24

Trang 4

1.4.5 Ứng dụng trong truyền tải điện năng 24

CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ TỔ CHỨC DẠY PLC TRONG NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TẠI TRƯỜNG TRUNG CẤP KT – NV SÔNG HỒNG 25

2.1 Thực trạng 26

2.1.1 Thực trạng về cơ sở vật chất và đội ngũ giáo viên 26

2.1.1.1 Giới thiệu 26

2.1.1.2 Các ngành nghề đào tạo trong trường 26

2.1.2 Đội ngũ giáo viên và cơ sở vật chất nghề Điện công nghiệp 28

2.1.2.1 Đội ngũ giáo viên khoa Điện công nghiệp 28

2.1.2.2 Cơ sở vật chất giảng dạy nghề Điện công nghiệp 29

2.1.3 Kết quả đạt được trong 3 năm gần đây 35

2.2 Nhu cầu về điều khiển logic và PLC ở các cơ sở gần trường 36

2.3 Cấu trúc nội dung chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp 37

2.3.1 Chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp 37

2.3.2 Nội dung chương trình môn học PLC cơ bản 39

2.3.2.1 Mục tiêu môn học 39

2.3.2.2 Nội dung môn học và phân bố thời gian 39

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC 41

3.1 Hệ thống các bài thực hành điều khiển logic và PLC 42

3.1.1 Yêu cầu chung 42

3.1.2 Các yêu cầu cơ bản đối với mô hình thực hành 42

3.2 Đặc điểm chung và cấu hình bộ thực hành điều khiển logic và PLC 43

3.2.2 Khối PLC S7-200 44

3.2.2.1 Giới thiệu các tính năng của PLC S7-200 44

3.2.2.2 Cấu tạo bên ngoài của PLC S7-200 CPU 224 45

3.2.2.3 Bộ mô phỏng thí nghiệm của PLC S7-200 CPU 224 46

3.2.3 Các thiết bị trung gian 47

3.2.4 Đối tượng điều khiển 47

3.3 Xây dựng bài thực hành: Điều khiển đèn giao thông 48

3.3.1 Giới thiệu mô hình 48

Trang 5

3.3.2 Các yêu cầu kỹ thuật 48

3.3.4 Lập trình STL và giản đồ thang 49

3.3.4.1 Khai báo biến 49

3.3.4.2 Lập trình bằng STL 50

3.3.4.3 Lập trình bằng giản đồ thang 51

3.3.5 Mô phỏng hoạt động theo thời gian thực 54

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 57

I Kết luận 57

II Hướng nghiên cứu tiếp theo 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1- Sơ đồ hệ thống bộ PLC 4

Hình 1.2- Cấu hình phần cứng của bộ PLC 4

Hình 1.3- Chu kỳ một vòng quét của PLC 5

Hình 1.4- Hệ thống tín hiệu vào/ra PLC 7

Hình 1.5- Tín hiệu vào PLC 7

Hình 1.6- Tín hiệu ra của PLC 8

Hình 1.7- PLC kiểu hộp đơn 8

Hình 1.8- PLC kiểu module ghép nối 9

Hình 1.9- Hình dáng bộ PLC 9

Hình 1.10 Quy trình lập trình 10

Hình 1.11- Phương pháp lập trình thang LAD 14

Hình 1.13- Phương pháp lập trình CSF 15

Hình 1.12- Sơ đồ dùng Rơle nội 16

Hình 1.14- Quan hệ giá thành 19

Hình 1.15- Dây chuyền sản xuất chế biến thực phẩm 21

Hình 1.16- Cấu hình hệ thống dây chuyền chế biến thực phẩm 23

Hình 1.17- Sơ đồ điều khiển tín hiệu giao thông 23

Hình 2.1- Mô hình nguyên lý động cơ ba pha 29

Hình 2.2- Mô hình cắt bổ động cơ điện xoay chiều một pha 29

Hình 2.3- Mô hình thí nghiệm máy điện một chiều 30

Hình 2.4- Mô hình thí nghiệm máy biến áp một pha và ba pha 30

Hình 2.5- Mô hình thí nghiệm máy điện 30

Hình 2.6- Mô hình thí nghiệm mạch điện một chiều 31

Hình 2.7- Mô hình thí nghiệm mạch điện xoay chiều một pha 31

Hình 2.8- Mô hình thí nghiệm mạch điện xoay chiều ba pha 32

Hình 2.9 - Mô hình thí nghiệm đo lường 32

Hình 2.10- Mô hình thực hành điều khiển tốc độ động cơ điện 33

Hình 2.11- Mô hình thực hành điều khiển động cơ điện 33

Hình 2.12- Mô hình thực hành Điện công nghiệp 34

Hình 2.13- Mô hình tủ điều khiển 34

Hình 2.14- Mô hình tủ điều khiển động cơ máy bơm 35

Hình 2.15- Mô hình thực hành tủ điều khiển 35

Hình 3.1-Cấu hình tổng quát một bài thực hành 43

Hình 3.2- Cấu tạo bên ngoài của PLC S7_200 CPU 224 44

Trang 7

Hình 3.3- Kết nối máy tính với PLC 46

Hình 3.4- Bộ thí nghiệm PLC S7-200 46

Hình 3.6- Sơ đồ tổng quan 54

Hình 3.7- Đèn báo trạng thái Xanh trục A – Đỏ trục B 54

Hình 3.8 – Đèn báo trạng thái Vàng trục A – Đỏ trục B 54

Hình 3.9- Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Xanh trục B 55

Hình 3.10- Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Vàng trục B 55

Hình 3.11- Mô phỏng bằng phần mềm S7-200 55

Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1- Một số ký hiệu của các hãng sản xuất 13

Bảng 1.2 - Một số ký hiệu các rơle nội: 16

Bảng 1.3 So sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC 20

Bảng 2.1- Nội dung đào tạo nghề Điện Công nghiệp 37

Bảng 2.2- Nội dung môn học PLC cơ bản 39

Trang 8

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay việc ứ ng dụng tự động hóa cụ thể là các dây chuyền sử dụng PLC rất rộng rãi và phổ biến Việc sử dụng các dây chuyền này vừa nâng cao hiệu suất công việc , tiết kiệm được thời gian và nguyên vật liệu vừa nâng cao chất lượng sả n phẩm Bên cạnh đấy, khi sử dụng các dây chuyền này cũng đòi hỏi người vận hành có trình độ

có hiểu biết về điều khiển Logic và PLC

Việc đào tạo về PLC đã có sự phát triển mạnh ở nhiều trường nghề Có rất nhiều trường đã đưa công tác giảng dạy về PLC vào chương trình dạy Tại những trường này học sinh được học tập cả về lý thuyết và thực hành cơ bản

do vậy khi ra trường các em đã được trang bị cơ bản về điều khiển lôgic và PLC đáp ứng được yêu cầu của nhà tuyển dụng Bên cạnh đấy vẫn còn một số

ít trường cũng đã đưa PLC vào trong chương trình học nhưng mới chỉ dừng lại ở những khái niệm chung nhất và lý thuyết cơ bản mà chưa đi sâu vào thực hành Trường Trung cấp Kỹ thuật - Nghiệp vụ Sông Hồng là một trong những trường như thế Để nâng cao chất lượng đào tạo nghề điện công nghiệp nhà trường đang tiến hành xây dựng và bổ xung các nội dung đào tạo dựa trên các yêu cầu của thực tế sản xuất

Chính vì vậy việc nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm điều khiển lôzic và PLC cho công tác đào tạo nghề Điện công nghiệp trong trường Trung cấp Kỹ thuật - Nghiệp vụ Sông Hồng là cần thiết hiện nay

Nội dung của đề tài được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về Điều khiển Logic và PLC

Chương 2: Giới thiệu về chương trình và tổ chức đào tạo nghề điện công nghiệp trong trường Trung cấp Kỹ thuật – Nghiệp vụ Sông Hồng

Chương 3: Xây dựng mô hình thí nghiệm/ thực hành về điều khiển logic và PLC

Trang 9

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận

tình của thầy hướng đẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển và bản thân tác giả cũng

cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quí báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hướng dẫn tận tình và chu

đáo của thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển cùng các thầy, cô giáo,

bạn bè đồng nghiệp, sự giúp đỡ về chuyên môn và các tài liệu của các thầy,

cô đã làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc

Em xin chân thành cảm ơn Phòng QLĐT Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để em hoàn thành khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 01 năm 2013

Người thực hiện

Bùi Thị Ngoan

Trang 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC

Nội dung của chương này là tập trung nghiên cứu những đặc điểm chung nhất của điều khiển Logic và PLC Đặc biệt đi sâu vào những ứng dụng của điều khiển Logic và PLC Từ đó xác định hướng nghiên cứu của đề tài

1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển Logic và PLC

1.2 Đặc điểm chung của hệ điều khiển Logic và PLC

1.3 Ưu nhược điểm của hệ điều khiển Logic và PLC

1.4 Ứng dụng của hệ điều khiển Logic và PLC (Một số dây chuyền sản xuất dùng PLC)

Trang 11

1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển lôgic và PLC

Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính

Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được phát triển từ những năm 1968 -1970

*1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors

* 1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford), được GM sử dụng trong công nghiệp ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)

* 1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô

* 1973: PLC “thông minh” với khả năng tính toán, điều khiển máy in,

xử lý dữ liệu, giao diện màn hình

* 1975: PLC với bộ điều khiển PID

* 1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sản xuất

* 1977: MP-based PLC

* 1980: Các module vào/ra thông minh

* 1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu

* 1982: PLC với 8192 I/O (lớn nhất)

* 1992: Chuẩn IEC 61131 ra đời

* 1996: Slot-PLC, Soft-PLC,

Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải

có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao Ngày nay các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao

Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành

Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài đặt hoặc thay đổi chương trình Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương

Trang 12

trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản (ngôn ngữ điều khiển) Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình

Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp Vì vậy các PLC:

+ Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn + Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra

+ Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch

Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống như chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là:

+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến, + Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mởcác mạch phù hợp với công nghệ,

+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được,

+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp

Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC điều khiển tập trung

1.2 Đặc điểm chung của hệ điều khiển Logic và PLC

1.2.1 Cấu hình phần cứng của một bộ PLC

Bộ PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra và thiết bị lập trình Sơ đồ hệ thống như hình 1.1

Trang 13

Giao diện vào

Giao diện

ra

Trang 14

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

Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả điều khiển tới đầu ra Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan) Thời gian một vòng quét phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU

Nói chung chu kỳ một vòng quét như hình 1.3

Hình 1.3- Chu kỳ một vòng quét của PLC

Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi

bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1Kbyte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC Với nhiều loại PLC thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc hơn Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi những lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được Nếu các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn

1 Nhập dữ liệu từ TB ngoại

vi vào bộ đệm ảo

2 Thực hiện chương trình

3 Truyền thông và kiểm tra lỗi

4 Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra

TB ngoại vi

Trang 15

1.2.1.2 Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 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)

1.2.1.3 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

1.2.1.4 Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều

khiển Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM

- Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ chỉ đọc, trong PLC bộ nhớ này dùng để lưu giữ chương trình điều hành do nhà sản xuất nạp và chỉ nạp một lần

- Bộ nhớ RAM (Random Acess Memory): là bộ nhớ truy câp ngẫu nhiên, trong bộ nhớ này dùng để lưu giữ dữ liệu hoặc kết quả tạm thời cua các phép toán Dữ liệu lưu trong RAM sẽ bị xóa khi xỷ ra mất nguồn nuôi Người

ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAMcó thể là nguồn pin hoặc nguồn tụ điện để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể

- Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erasabel Progamble ROM): là bộ nhớ ROM có thể xóa và nạp lại từ vài nghìn đến vài chục nghìn lần được dùng để lưu giữ chương trình ứng dụng trong PLC

Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm

1.2.1.5 Giao diện vào/ra

Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các công

Trang 16

tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện như hình 1.4

Hình 1.4- Hệ thống tín hiệu vào/ra PLC

Mỗi điểm vào ra có một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng

Các kênh vào/ra đã có các chức năng cách ly và điều hoá tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác

Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang như hình 1.5

Hình 1.5- Tín hiệu vào PLC

Tín hiệu

vào

Tín hiệu đến CPU Ghép nối quang

Diode bảo vệ

Mạch phân

áp PLC

Nút bấm và

các công tắc

logic giới hạn

Bộ chuyển mạch, công tắc hành trình, giới hạn

Các tham số điều khiển như t 0

áp suất, áp lực

Các tín hiệu báo động

Bộ PLC

Trang 17

Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5v, 24v, 110v, 220v Các PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhập tín hiệu 24v

Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, có thể cách ly kiểu rơle như hình 1.6a, cách ly kiểu quang như hình 1.6b Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24v, 100mA; 110v, 1A một chiều, thậm chí 240v, 1A xoay chiều tuỳ loại PLC Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các module ra thích hợp

Hình 1.6- Tín hiệu ra của PLC

1.2.2 Cấu tạo chung của PLC

Các PLC có hai kiểu cấu tạo cơ bản là: kiểu hộp đơn và kiểu modulle nối ghép

Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các giao diện vào/ra Kiểu hộp đơn thường vẫn có khả năng ghép nối được với các module ngoài để mở rộng khả năng của PLC Kiểu hộp đơn như hình 1.7

PLC

a,

ra Ghép nối quang

PLC

b,

Trang 18

module mờ, module PID các module được lắp trên các rãnh và được kết nối với nhau Kiểu cấu tạo này có thể được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình với mọi kích cỡ, có nhiều bộ chức năng khác nhau được gộp vào các module riêng biệt Việc sử dụng các module tuỳ thuộc công dụng cụ thể Kết cấu này khá linh hoạt, cho phép mở rộng số lượng đầu nối vào/ra bằng cách

bổ sung các module vào/ra hoặc tăng cường bộ nhớ bằng cách tăng thêm các đơn vị nhớ

Hình 1.8- PLC kiểu module ghép nối

Hình 1.9- Hình dáng bộ PLC

1.2.3 Các vấn đề về lập trình

1.2.3.1 Khái niệm chung

PLC có thể sử dụng một cách kinh tế hay không phụ thuộc rất lớn vào thiết bị lập trình Khi trang bị một bộ PLC thì đồng thời phải trang bị một thiết bị lập trình của cùng một hãng chế tạo Tuy nhiên, ngày nay người ta có thể lập trình bằng phần mềm trên máy tính sau đó chuyển sang PLC bằng

Bộ nguồn Bộ xử lý Các module vào/ra

Trang 19

mạch ghép nối riêng Sự khác nhau chính giữa bộ điều khiển khả trình PLC

và công nghệ rơle hoặc bán dẫn là ở chỗ kỹ thuật nhập chương trình vào bộ điều khiển như thế nào Trong điều khiển rơle, bộ điều khiển được chuyển đổi một cách cơ học nhờ đấu nối dây "điều khiển cứng", còn với PLC thì việc lập trình được thực hiện thông qua một thiết bị lập trình và một ngoại vi chương trình Có thể chỉ ra quy trình lập trình theo giản đồ hình 1.10

Hình 1.10 Quy trình lập trình

Để lập trình người ta có thể sử dụng một trong các mô hình sau đây:

+ Mô hình dãy

+ Mô hình các chức năng

+ Mô hình biểu đồ nối dây

+ Mô hình logic

Việc lựa chọn mô hình nào trong các mô hình trên cho thích hợp là tuỳ thuộc vào loại PLC và điều quan trọng là chọn được loại PLC nào cho phép giao lưu tiện lợi và tránh được chi phí không cần thiết Đa số các thiết bị PLC lưu hành trên thị trường hiện nay là dùng mô hình dãy hoặc biểu đồ nối dây Những PLC hiện đại cho phép người dùng chuyển từ một phương pháp nhập này sang một phương pháp nhập khác ngay trong quá trình nhập Trong thực

tế khi sử dụng biểu đồ nối dây thì việc lập trình có vẻ đơn giản hơn vì nó có cách thể hiện gần giống như mạch rơle công tắc tơ

Trang 20

Tuy nhiên, với những người đã có sẵn những hiểu biết cơ bản về ngôn ngữ lập trình thì lại cho rằng dùng mô hình dãy dễ dàng hơn, đồng thời với các mạch cỡ lớn thì dùng mô hình dãy có nhiều ưu điểm hơn Mỗi nhà chế tạo đều có những thiết kế và phương thức thao tác thiết bị lập trình riêng, vì thế khi có một loại PLC mới thì phải có thời gian và cần phải được huấn luyện để làm quen với nó

1.2.3.2 Các phương pháp lập trình

Từ các cách mô tả hệ tự động các nhà chế tạo PLC đã soạn thảo ra các phương pháp lập trình khác nhau Các phương pháp lập trình đều được thiết

kế đơn giản, gần với các cách mô tả đã được biết đến

Từ đó nói chung có ba phương pháp lập trình cơ bản là

- Phương pháp bảng lệnh STL,

- Phương pháp biểu đồ bậc thang LAD và

- Phương pháp lưu đồ điều khiển CSF

Trong đó, hai phương pháp bảng lệnh STL và biểu đồ bậc thang LAD được dùng phổ biến hơn cả

3 Đối tượng lệnh, là phần mà lệnh tác động theo yêu cầu điều khiển, trong đối tương lệnh lại có hai phần:

Trang 21

4 Loại đối tượng, có trường hợp sau loại đối tượng có dấu ":", có các loại đối tượng như tín hiệu vào, tín hiệu ra, cờ (rơle nội)

5 Tham số của đối tượng lệnh để xác định cụ thể đối tượng, cách ghi tham số cũng phụ thuộc từng loại PLC khác nhau

1.2.3.3.2 Ký hiệu thường có trong mỗi lệnh

Các ký hiệu trong lệnh, quy ước cách viết với mỗi quốc gia có khác nhau, thậm chí mỗi hãng, mỗi thời chế tạo của hãng có thể có các ký hiệu riêng Tuy nhiên, cách ghi chung nhất cho một số quốc gia là:

+ Tham số của lệnh dùng cơ số 10

+ Phía trước đối tượng lệnh có dấu %

+ Giữa các số của tham số không có dấu chấm

Ví dụ: AND% I09; out%Q10

* Nhật:

+ Đầu vào ký hiệu là X, đầu ra ký hiệu là Y

+ Các lệnh hầu như được viết tắt từ tiếng Anh

+ Lệnh ra (gán) là out

+ Tham số của lệnh dùng cơ số 8

Ví dụ: A X 10; out Y 07

* Tây đức

+ Đầu vào ký hiệu là I, đầu ra ký hiệu là Q

+ Các lệnh hầu như được viết tắt từ tiếng Anh

+ Lệnh ra (gán) là = + Tham số của lệnh dùng cơ số 8

+ Giữa các số của tham số có dấu chấm để phân biệt khe và kênh

Trang 22

Ví dụ: A I 1.0; = Q 0.7

Ngoài các ký hiệu khá chung như trên thì mỗi hãng còn có các ký hiệu riêng, các bộ lệnh riêng Ngay cùng một hãng ở các thời chế tạo khác nhau cũng có đặc điểm khác nhau với bộ lệnh khác nhau Do đó, khi sử dụng PLC thì mỗi loại PLC phải tìm hiểu cụ thể hướng dẫn sử dụng của nó

Một số ký hiệu khác nhau với các lệnh cơ bản được thể hiện rõ trên bảng 1.1

Bảng 1.1- Một số ký hiệu của các hãng sản xuất

IEC

Telemec- anique

Phần tử nối tiếp có tiếp

1.2.3.4 Phương pháp hình thang LAD (Ladder Logic)

Phương pháp hình thang có dạng của biểu đồ nút bấm Các phần tử cơ bản của phương pháp hình thang là:

+ Tiếp điểm: thường mở

Thường kín + Cuộn dây (mô tả các rơle)

+ Hộp (mô tả các hàm khác nhau, các lệnh đặc biệt)

Trang 23

Mạng LAD là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, theo thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới Quá trình quét của PLC cũng theo thứ tự này Mỗi một nấc thang xác định một số hoạt động của quá trình điều khiển Một sơ đồ LAD có nhiều nấc thang Trên mỗi phần tử của biểu đồ hình thang LAD có các tham số xác định tuỳ thuộc vào ký hiệu của từng

hãng sản xuất PLC

Ví dụ: Một nấc của phương pháp hình thang như hình 1.11

Hình 1.11- Phương pháp lập trình thang LAD Hình 1.11.a là kiểu ký hiệu của Misubishi (Nhật)

Hình 1.11.b là kiểu ký hiệu của Siemens (Tây đức)

Hình 1.11.c là ký hiệu của Allen Bradley

1.2.3.5 Phương pháp liệt kê 1ệnh STL (Statement List)

Phương pháp STL gần với biểu đồ logic Ở phương pháp này các lệnh được liệt kê thứ tự Tuy nhiên, để phân biệt các đoạn chương trình người ta thường dùng các mã nhớ, mỗi mã nhớ tương ứng với một nấc thang của biểu

đồ hình thang Để khởi đầu mỗi đoạn (tương ứng như khởi đầu một nấc thang) khi lập luôn sử dụng các lệnh khởi đầu như LD, L, A, O (bảng 3.l) Kết thúc mỗi đoạn thường là lệnh gán cho đầu ra, đầu ra có thể là đầu ra cho thiết bị ngoại vi có thể là đầu ra cho các rơle nội

Ví dụ:

+ Một đoạn STL của PLC S5 (Siemens)

0 LD I 0.0

Trang 24

1.2.3.6 Phương pháp lưu đồ điều khiển CSF (ControlSystemFlow)

Phương pháp lưu đồ điều khiển CSF trình bày các phép toán logic với các ký hiệu đồ hoạ đã được tiêu chuẩn hoá như hình 1.13 Phương pháp lưu

đồ điều khiển thích hợp với người đã quen với phép tính điều khiển bằng đại

số Boo1e

Hình 1.13- Phương pháp lập trình CSF

Trang 25

1.2.4 Các rơle nội

Trong các loại PLC có nhiều thuật ngữ dùng để chỉ các linh kiện loại này, ví dụ: rơle phụ, bộ vạch dấu, cờ hiệu, lưu trữ bít, bít nhớ Đây là linh kiện cung cấp các chức năng đặc biệt gắn liền với PLC và được dùng phổ biết trong lập trình Rơle nội này tương tự như các rơle trung gian trong sơ đồ rơle công tắc tơ Rơle nội cũng được coi là các đầu ra để nhận các lệnh gán đầu ra, nhưng thực chất đầu ra này không đưa ra ngoài (không phải thiết bị ngoại vi)

mà chỉ nằm nội tại trong PLC PLC nhỏ có thể có tới hàng trăm rơle nội, các rơle nội đều được nuôi bằng nguồn dự phòng khi mất điện

Bảng 1.2 - Một số ký hiệu các rơle nội:

Hình 1.12- Sơ đồ dùng Rơle nội

1.2.5 Các rơle thời gian

Trong các hệ thống điều khiển luôn luôn phải sử dụng rơle thời gian để duy trì thời gian cho quá trình điều khiển Trong các PLC người ta cũng gắn

Trang 26

các rơle thời gian vào trong đó Tuy nhiên, thời gian ở đây được xác định nhờ đồng hồ trong CPU Các rơle thời gian cũng có các tên gọi khác nhau nhưng thường gọi nhất là bộ thời gian (Time)

Các nhà sản xuất PLC không thống nhất về cách lập trình cho các rơle thời gian này Mỗi loại PLC (thậm chí trong cùng hãng) cũng có các ký hiệu

và cách lập trình rất khác nhau cho rơle thời gian Số lượng rơle thời gian trong mỗi PLC cũng rất khác nhau

Điểm chung nhất đối với các rơle thời gian là các hãng đều coi rơle thời gian là các đầu ra nội, do đó rơle thời gian là đầu ra của nấc thang, hay của một đoạn chương trình

Có hai loại bộ đếm cơ bản là bộ đếm tiến và bộ đếm lùi Các nhà sản xuất PLC cũng sử dụng các bộ đếm theo những cách khác nhau Tuy nhiên, cũng như các bộ thời gian, bộ đếm cũng được coi là đầu ra của PLC và đây cũng là đầu ra nội, để xuất tín hiệu ra ngoài phải qua đầu ra ngoại vi (có chân nối ra ngoài PLC)

1.3 Ƣu nhƣợc điểm của hệ điều khiển logic và PLC

Trước đây, bộ PLC thường rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình phức tạp Vì những lý do đó mà PLC chỉ được dùng trong những nhà máy và các thiết bị đặc biệt Ngày nay do giảm giá liên tục, kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến kết quả là ngày càng được áp dụng rộng rãi cho các thiết bị máy móc

Các bộ PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào và 16 kênh đầu ra thích hợp với các máy tiêu chuẩn đơn, các trang thiết bị liên hợp Còn các bộ PLC với

Trang 27

nhiều khả năng ứng dụng và lựa chọn được dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn Có thể kể ra các ưu điểm của PLC như sau:

+Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh với mọi chức năng điều khiển Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn sàng làm việc ngay Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác

dễ dàng

+ Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ-điện Độ tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần thiết còn với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dưỡng định kỳ là cần thiết

+ Dễ dàng thay đổi chương trình: Những thay đổi chương trình được tiến hành đơn giản Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang được sử dụng, người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, gần như không cần mắc nối lại dây (tuy nhiên, có thể vẫn phải nối lại nếu cần thiết) Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả

+ Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và các đầu ra thì có thể đánh giá được kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chương trình Do

đó, có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ đặt ra

+ Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều PLC với quy cách kỹ thuật giống nhau thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển rơle, đó

là do giảm phần lớn lao động lắp ráp

+ Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển rơle tương đương

+ Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển Người ta thường dùng PLC cho các quá trình tự động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi các thông số

Trang 28

+ Về giá trị kinh tế: Khi xét về giá trị kinh tế của PLC phải đề cập đến

số lượng đầu ra và đầu vào Quan hệ về giá thành với số lượng đầu vào/ra có dạng như hình 1.14

Hình 1.14- Quan hệ giá thành

Trên hình 1.14 thể hiện, nếu số lượng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle tỏ ra kinh tế hơn, những khi số lượng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn Khi tính đến giá cả của PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận phụ không thể thiếu như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt

Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp chọn bộ đóng gói phần mềm đã được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu không thể tránh khỏi, do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ năng phần mềm

Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau:

- 50% cho phần cứng của PLC

- 10% cho thiết kế khuân khổ chương trình

- 20% cho soạn thảo và lập trình

- 15% cho chạy thử nghiệm

- 5% cho tài liệu

Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên,nghĩa là hầu như chỉ còn chi phí phần cứng

Có thể so sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC như sau:

Trang 29

Bảng 1.3 So sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC

Ƣu điểm:

+ Nhiều bộ phận đã được chuẩn hoá

+ Ít nhạy cảm với nhiễu

+ Kinh tế với các hệ thống nhỏ

+ Thay đổi dễ dàng qua công nghệ phích cắm

- Thời gian lắp đặt lâu

- Thay đổi khó khăn

- Khó theo dõi và kiểm tra các hệ

thống lớn, phức tạp

- Cần bảo quản thường xuyên

- Kích thước lớn

- Giá thành cao

Bộ thiết bị lập trình thường đắt, sử dụng ít

1.4 Ứng dụng của hệ điều khiển logic và PLC

1.4.1.Giám sát &Điều khiển các nhà máy công nghiệp

1 PLC điều khiển khống chế nhiệt độ lò cao trong nhà máy gang thép

2 PLC điều khiển khống chế nhiệt độ của nhà máy nhiệt điện

3 PLC điều khiển nhà máy nước

4 PLC điều khiển tay máy robot

5 PLC điều khiển nhà máy cán thép

6 PLC định lượng và điều khiển sản lượng cho băng tải

7 PLC điều khiển quá trình sản xuất định mẻ cho nhà máy luyện kim

Trang 30

1.4.2 Điều khiển các dây chuyền sản xuất

1 Dây chuyền sản xuất đóng chai

2 Dây chuyền sản xuất đóng gói sản phẩm dạng hạt

3 Dây chuyền sản xuất

4 Dây chuyền trạm trộn BTXM

5 Thiết kế mô hình công nghệ in khăn dùng PLC S7-200

6 Thiết kế thi công mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng PLC S7-200 và giao tiếp máy tính

7 Máy cắt tole điều khiển bằng PLC dùng giao diện máy tính

8 Thiết kế và thi công hệ thống cân đóng bao tự động dùng PLC

9 Thiết kế và thi công mô hình máy trộn sơn bằng PLC

10 Thiết kế mô hình trạm trộn bê tông điều khiển bằng PLC

11 Thiết kế hệ thống điều khiển băng tải trong nhà máy sản xuất

- Truyền thông thông tin qua Internet

- Ngôn ngữ tiếng Việt

Hãng Sản xuất : SOLUTION

Model/Specification : FAS.4154

Hình 1.15- Dây chuyền sản xuất chế biến thực phẩm

Trang 31

Giới thiệu dự án:

Trong giai đoạn hiện nay, rất nhiều kỹ thuật, thiết bị chế biến thực phẩm truyền thống là quá lạc hậu để bắt kịp với tăng trưởng dân số toàn cầu hiện nay Vấn đề phức tạp vấn đề không chỉ ở chỗ chúng ta cần phải tạo ra nhiều thức ăn hơn bao giờ hết, mà nhu cầu về chất lượng thực phẩm cũng cần phải tăng lên tương ứng, buộc nhiều nhà sản xuất để thay đổi và cập nhật công thức, công nghệ và thiết bị Một trong những ưu tiên chính của nhà sản xuất thực phẩm là để tìm hệ thống xử lý tốt hơn, có thể đáp ứng nhu cầu hiện

tại cho số lượng lớn các thực phẩm chất lượng cao

Yêu cầu hệ thống:

Các khách hàng đã và đang tìm kiếm các giải pháp về điều khiển chuyển động đáp ứng được với tốc độ và độ chính xác của dây chuyền sản xuất đồng bộ, cụ thể :

 Đòi hỏi độ chính xác và đáp ứng nhanh của cacs cảm biến, khả năng điều khiển, cảnh báo, liên động cũng như khả năng tự động dừng

 Khả năng chống nhiễu truyền thông

 Các module điều khiển đáp ứng được môi trường công nghiệp khắc nghiệt : Rung, sóc, ẩm, ồn,

 Có khả năng thu thập dữ liệu, phân tích, truyền thông tin của toàn bộ quá trình công nghệ sản xuất về trung tâm điều khiển thông qua mạng điều khiển và Internet

Các bộ điều khiển đƣợc lựa chọn:

PCM-3813I 100 kS/s, 12-bit, 32-ch Isolated Analog Input PCI-104

Module PCM-3725 8-ch Relay and Isolated Digital Input PC/104 Module

PCM-3610 2-port RS-232/422/485 PC/104 Module with Isolation

Protection

Mô tả hệ thống :

Module PCM-3813I được sử dụng để giám sát liên tục các thông số lưu lượng, áp suất nhiệt, độ dầu của 03 thùng nhiên liệu (material tanks) Trong

Trang 32

khi Module PCM-3725 được dùng để điều khiển, giám sát các cảnh báo lỗi, khóa liên động và dừng khẩn cấp Module cuối cùng, PCM-3610 truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển Tất cả các tín hiệu trong suốt quá trình kiểm tra được truyền về máy tính trung tâm thông quá giao diện PC/104 hoặc PCI-104

Cấu hình hệ thống :

Hình 1.16- Cấu hình hệ thống dây chuyền chế biến thực phẩm

1.4.3 Giám sát , điều khiển giao thông

1 Điều khiển tín hiệu đèn giao thông:

Hình 1.17- Sơ đồ điều khiển tín hiệu giao thông

Trang 33

2 Giám sát nút giao thông

3 Điều khiển tàu điện, Metro

1.4.4 Giám sát Điều khiển tòa nhà cao ốc thông minh

1 Điều khiển hệ thống bơm nước cho cao ốc

2 Điều khiển thang máy

3 Điều khiển hệ thống chiếu sáng

4 Điều khiển cửa tự động

5 Điều khiển bảo vệ

6 Tiết kiệm năng lượng

7 Thiết kế hệ thống truyền động PLC biến tần để duy trì áp suất cho nhà cao tầng

8 Thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động với kỹ thuật PLC

1.4.5 Ứng dụng trong truyền tải điện năng

1 Thiết kế tủ đóng cắt trung áp tự động

2 Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển trạm BA tự động

3 Thiết kế tủ điều khiển và bảo vệ trạm biến áp sử dụng PLC

4 Tự động hóa trạm, kết nối mạng SCADA với các trạm khác

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	1,3 MB