Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG PLC để xây DỰNG hệ THỐNG THỰC HÀNH đa NĂNG tại TRƯỜNG đại học CÔNG NGHIỆP VIỆT HUNG

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.. Xuất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CễNG NGHIỆP

TẠ THỊ DUNG

NGHIấN CỨU, ỨNG DỤNG PLC ĐỂ XÂY DỰNG

HỆ THỐNG THỰC HÀNH ĐA NĂNG TẠI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC CễNG NGHIỆP VIỆT- HUNG

Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TểM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thỏi Nguyờn, 2014

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

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

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

Control), 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:

- 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

1.3 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

 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

- 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

- 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

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

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

- 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

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

Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết bị đầu vào nối tới đầu vào của Zen

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

Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị đầu ra nối tới đầu ra của Zen

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

Hãy xác định nguyên nhân gây lỗi và thực hiện các biện pháp

xử lý ngay nếu có xuất hiện chữ ERR hoặc thông báo lỗi trên màn hình LCD

2.5.2.Các thông báo lỗi

- Bật điện nhưng không chạy

Thông báo lỗi Nguyên nhân Giải pháp có thể

thẻ nhớ

Ghi một chương trình không có lỗi vào thẻ nhớ

Chú ý: Dùng phần mềm ZEN để đọc các thông báo lỗi cho loại ZEN không có màn hình

2.5.3 Xoá các thông báo lỗi

Bấm bất kỳ nút 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

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC HÀNH ĐA NĂNG

ỨNG DỤNG PLC ZEN

giúp sinh viên thực hành các bài tập: Khởi động động cơ ở chế độ tam giác, Điều khiển bãi đỗ xe tự động, Mở cử tự động, Trò chơi đường lên đỉnh Olympia, Điều khiển đèn giao thông, tác giả dự định thiết kế

sao-mô hình thành từng modul bài tập nhỏ

3.1 Thiết kế bố trí module chứa bộ điều khiển ZEN

Mô hình hoàn thiện sau khi thiết kế

Hình 3.2 Mô hình hoàn thiện Modul chứa bộ điều khiển Zen

3.2 Mô hình thực hành khởi động động cơ ở chế độ sao-tam giác

3.2.1 Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt module

3.2.2 Xây dựng mô hình thực hành

Mô hình thực hành có dạng như hình vẽ

Hình 3.5 Mô hình hoàn thiện Modul đổi nối sao - tam giác

3.2.3 Chương trình điều khiển

Bảng phân công tín hiệu vào ra:

Stop : I0; FOR : I1; REV : I2

Khởi động từ KT : Q1 ; Khởi động từ KN : Q2

Hình 3.6 Chương trình điều khiển

3.3 Mô hình thực hành lập trình cửa tự động

3.3.1 Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt modul

3.3.2 Xây dựng mô hình thực hành

Mô hình thực hành có dạng như hình vẽ

Hình 3.8 Mô hình hoàn thiện modul đóng mở cửa tự động

3.3.3 Chương trình điều khiển

Bảng phân công tín hiệu vào ra:

Start : I1; Stop : I0 ; Sen sơ S1: I2 ; Sen sơ S2 : I3

Công tắc giới hạn mở cửa: I4; Công tắc giới hạn đóng cửa: I5

Rơ le mở cửa: Q1; Rơ le đóng cửa: Q2

Hình 3.9: Chương trình điều khiển

3.4 Mô hình trò chơi đường lên đỉnh Olympia

3.4.1 Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt 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

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 Mô hình hoàn thiện modul bãi đỗ xe tự động

3.5.4 Chương trình

Bảng phân công địa chỉ vào-ra:

Nút Stop: I0; Nút Start: I1; Sen so S1: I2 Giới hạn mở cửa: I4; Giới hạn đóng cửa: I5

Đèn xanh: Q1; Mở cửa: Q2 ; Đóng cửa: Q3; Đèn đỏ: Q4

Hình 3.17 Chương trình điều khiển 3.6 Mô hình thực hành điều khiển đèn giao thông tại ngã tư

3.6.1 Yêu cầu điều khiển

Hệ thống đèn giao thống gồm 10 đèn của lộ 1: X1, V1, Đ1, XĐB1,ĐĐB1 và 10 đèn của lộ 2: X2, V2, Đ2, XĐB2,ĐĐB2

Hệ thống điều khiển đèn giao thông được khởi động bằng nút ấn Start, dừng bằng nút Stop và hoạt động với 3 chế độ:

 Chế độ giờ cao điểm: Từ 6h30 đến 8h30 và từ 16h30 đến 18h30, ở chế độ này

Đèn X1 sáng trong 30s, đèn V1 sáng trong 5s, đèn Đ1 sáng trong 60s, đèn X2 sáng trong 55s, đèn V2 sáng trong 5s, đèn Đ2 sáng trong 35s Ngoài ra khi đèn X của lộ này sáng thì đèn ĐĐB của lộ kia sáng và ngược

 Chế độ bình thường: Từ 8h30 đến 16h30 và từ 18h30 đến 22h30, ở chế độ này Đèn X1 sáng trong 30s, đèn V1 sáng trong 5s, đèn Đ1 sáng trong 35s, đèn X2 sáng trong 30s, đèn V2 sáng trong 5s, đèn Đ2 sáng trong 35s Ngoài ra khi đèn X của lộ này sáng thì đèn ĐĐB của lộ kia sáng và ngược

 Chế độ nghỉ: Từ 22h30 đến 6h30 ngày hôm sau, ở chế độ này tất cả đèn đỏ và đèn xanh đều tắt, tất cả đèn vàng nhấp nháy với chu kì 1s

3.6.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm

Hình 3.23 Mô hình hoàn thiện modul đèn giao thông

3.6.3 Chương trình điều khiển

Phân công địa chỉ vào ra:

Stop: I0; Start: I1; Đèn xanh 1: Q0; Đèn vàng 1: Q1; Đèn đỏ 1: Q2

Đèn xanh đi bộ 2: Q3; Đèn xanh 2: Q4; Đèn vàng 2: Q5

Đèn đỏ 2: Q6; Đèn xanh đi bộ 1: Q7

Hình 3.24 Chương trình điều khiển

Hình 3.25 Toàn bộ các mô hình sau khi hoàn thiện

3.7 Kết luận chương 3

Nội 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

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

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

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 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 sinh viên làm quen với phần mềm ZEN Support Software, các lệnh cơ bản ,cách lập trình và cách mô phỏng bằng phần mềm ZEN Support Software

4.2.2 Thực hành với Timer và Counter

 Mục đích:

Timer và Counter

 Yêu cầu:

4.2.2 1 Thiết lập thông số cho các Timer thông thường

4.2.2.2 Thiết lập thông số cho Holding Timer (trễ có nhớ)