Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung

Chia sẻ: Thị Huyền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

239
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 hướng đến mục tiêu thiết kế chế tạo được mô hình bài tập thực hành PLC; nghiên cứu hệ lệnh của PLC ZEN và khả năng ứng dụng của ZEN trong thực tế; xây dựng được hệ thống bài tập thực hành PLC; xây dựng được đề cương hướng dẫn thực hành PLC. Mời các bạn cùng tìm hiểu và tham khảo nội dung thông tin vấn đề.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung

®¹i häc th¸I nguyªn Trêng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp 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 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt Chuyªn ngµnh: kü thuËt ®iÒu khiÓn vµ tù ®éng hãa Th¸i Nguyªn - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
®¹i häc th¸I nguyªn Trêng ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp 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 LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt Khoa chuyªn m«n ngêi híng dÉn khoa häc Trëng khoa PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ Phßng qu¶n lý ®t sau ®¹i häc Th¸i Nguyªn - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Tạ Thị Dung Sinh ngày: 10 tháng 11 năm 1966 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Tạ Thị Dung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo phòng Quản lý đào tạo sau đại học, khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên thuộc Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS-TS. Nguyễn Thanh Hà đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy giáo, cô giáo. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Tác giả luận văn Tạ Thị Dung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..............................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..............................................................................vii LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC .............................................................................................................................2 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC ............................2 1.1.1. Khái niệm về PLC.......................................................................................2 1.1.2. Lịch sử phát triển của PLC..........................................................................2 1.1.3. Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hoá. ..............................................3 1.2. Cấu trúc chung của PLC ....................................................................................3 1.2.1. Bộ xử lý tín hiệu .........................................................................................4 1.2.2. Bộ nhớ ........................................................................................................5 1.2.3. Bộ nguồn ....................................................................................................6 1.2.4. Module vào - ra..........................................................................................6 1.2.5. Thiết bị lập trình .........................................................................................7 1.3. Nguyên lý hoạt động của PLC ...........................................................................9 1.3.1. Đọc tín hiệu đầu vào ...................................................................................9 1.3.2. Thực hiện chương trình...............................................................................9 1.3.3. Cập nhật đầu ra .........................................................................................10 1.4. Trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC .........................................11 1.5. Phân tích lựa chọn chủng loại PLC.................................................................12 1.6. kết luận chương 1 ............................................................................................13 CHƯƠNG 2: BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ZEN CỦA OMRON ..........................14 2.1. Tổng quan về ZEN của OMRON. ...................................................................14 2.1.1. Các đặc điểm cơ bản của Zen....................................................................14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iv 2.1.2. Giới thiệu các loại Zen..............................................................................15 2.1.3. Đặc tính kỹ thuật của ZEN -20C3AR-A-V2..............................................16 2.2. Các vùng nhớ của Zen .....................................................................................18 2.2.1. Các bit vào/ ra, các bit làm việc và các bit có lưu ......................................18 2.2.2. Timer ........................................................................................................19 2.2.3. Counter .....................................................................................................22 2.3. Lập trình và cài đặt thông số trên ZEN ............................................................22 2.3.1. Lựa chọn ngôn ngữ hiển thị ......................................................................22 2.3.2. Nối dây đầu vào/ra và hoạt động bên trong ...............................................23 2.3.3. Viết chương trình bậc thang ......................................................................24 2.3.4. Sửa chương trình bậc thang.......................................................................24 2.4. Các chức năng đặc biệt của ZEN .....................................................................31 2.4.1. Bảo vệ chương trình.................................................................................31 2.4.2. Xoá password đã đăng ký .........................................................................33 2.5. Xử lý lỗi ..........................................................................................................33 2.5.1. Xử lý lỗi....................................................................................................33 2.5.2.Các thông báo lỗi ......................................................................................33 2.5.3. Xoá các thông báo lỗi ...............................................................................35 2.6. Kết luận chương 2 ...........................................................................................36 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC HÀNH ĐA NĂNG ỨNG DỤNG PLC ZEN...................................................................................................................37 3.1. Thiết kế bố trí module chứa bộ điều khiển ZEN ..............................................37 3.2. Mô hình thực hành khởi động động cơ ở chế độ sao-tam giác .........................39 3.2.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển khởi động động cơ ở chế độ sao tam giác ...........................................................................................................................39 3.2.2. Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt module.................................................40 3.2.3. Xây dựng mô hình thực hành ....................................................................41 3.2.4. Chương trình điều khiển ...........................................................................41 3.3. Mô hình thực hành lập trình cửa tự động .........................................................42 3.3.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển cửa tự động .........................................42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
v 3.3.2. Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt modul ..................................................43 3.3.3. Xây dựng mô hình thực hành ....................................................................44 3.3.4. Chương trình điều khiển ...........................................................................44 3.4. Mô hình trò chơi đường lên đỉnh Olympia.......................................................45 3.4.1. Tổng quan về trò chơi đường lên đỉnh Olympia ........................................45 3.4.2. Thiết kế bố trí thiết bị trên bề mặt modul ..................................................46 3.4.3. Xây dựng mô hình thực hành ....................................................................46 3.4.4. Chương trình.............................................................................................47 3.5. Mô hình thực hành lập trình điều khiển bãi đỗ xe tự động ...............................48 3.5.1. Tổng quan về hệ thống đóng điều khiển bãi đỗ xe tự động........................48 3.5.2. Bố trí thiết bị trên bề mặt modul ...............................................................51 3.5.3. Xây dựng mô hình thực hành ....................................................................52 3.5.4. Chương trình.............................................................................................53 3.6. Mô hình thực hành điều khiển đèn giao thông tại ngã tư..................................53 3.6.1. Tổng quan về hệ thống đèn giao thông......................................................53 3.6.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm...................................................................57 3.6.3. Chương trình điều khiển ...........................................................................59 3.7. Kết luận chương 3 ...........................................................................................62 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG BÀI GIẢNG THỰC HÀNH ZEN ................................63 4.1. Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp dạy học thực hành.............................63 4.1.1. Khái niệm về thực hành và dạy học thực hành kỹ thuật.............................63 4.1.2. Nhiệm vụ của dạy học thực hành ..............................................................63 4.1.3. Phương pháp dạy học thực hành kĩ thuật...................................................64 4.2. Xây dựng bài thực hành lập trình điều khiển Zen ............................................64 4.2.1. Tiếp cận thiết bị và thực hành với đầu vào ra. ...........................................65 4.2.2. Thực hành với Timer và Counter ..............................................................76 4.2.3. Bài thực hành tổng hợp và nâng cao về Zen ..............................................83 4.3. Kết luận chương 4 ...........................................................................................88 KẾT LUẬN ...............................................................................................................89 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT KÝ HIỆU DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ 1 PLC Programmable Logic Controller 2 CPU Bộ xử lý trung tâm 3 RAM Random access Memory - Bộ nhớ cho phép đọc và ghi 4 ROM Read Only Memory - Loại bộ nhớ chỉ đọc 5 PROM Programmable Read Only Memory - Loại bộ nhớ cải tiến từ ROM 6 EPROM Erasable Programmable Read Only Memory - Bộ nhớ cải tiến lên từ PROM 7 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory - là loại kết hợp ưu điểu của cả RAM và EPROM 8 AC Nguồn điện xoay chiều 9 DC Nguồn điện một chiều 10 MT Nút mở máy quay động cơ theo chiều thuận 11 MN Nút mở máy quay động cơ theo chiều ngược 12 D Nút dừng động cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bảng các loại Zen phiên bản V2.................................................................16 Bảng 2.2. Các bit vào ra, các bit làm việc và các bit có lưu........................................18 Bảng 2.3. Phương pháp đặt thông số trong trang thiết lập thông số ............................27 Bảng 2.4. Thông báo lỗi bật điện nhưng không chạy..................................................34 Bảng 2.5. Thông báo lỗi khi bật điện hay khi đang chạy ............................................35 Bảng 2.6. Lỗi khi truyền chương trình từ card nhớ.....................................................35 Bảng 4.1. Yêu cầu cấu hình máy tính.........................................................................65 Bảng 4.2. Gán địa chỉ vào/ra......................................................................................76 Bảng 4.3. Bảng tùy chọn Timer .................................................................................77 Bảng 4.4: Sai số của Timer ........................................................................................78 Bảng 4.5 Các thông số đặt cho Weekly Timer ...........................................................79 Bảng 4.6 Các thông số cho Calendar timer.................................................................80 Bảng 4.7 Các thông số đạt cho Counter .....................................................................82 Bảng 4.8 Gán địa chỉ vào/ra.......................................................................................83 Bảng 4.9 Gán địa chỉ vào/ra.......................................................................................88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc chung của PLC...............................................................................4 Hình 1.2. Đầu vào - ra của bộ PLC ..............................................................................7 Hình 1.3. Lập trình PLC bằng máy tính .......................................................................8 Hình 1.4. Thiết bị lập trình xách tay.............................................................................8 Hình 1.5. Đọc tín hiệu đầu vào....................................................................................9 Hình 1.6. Giai đoạn thực hiện chương trình ...............................................................10 Hình 1.7. Giai đoạn cập nhật đầu ra ...........................................................................10 Hình 1.8. Chu trình làm việc của PLC .......................................................................11 Hình 1.9. Trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC ....................................12 Hình 2.1. Đồ thị thời gian của Timer on delay ...........................................................19 Hình 2.2. Đồ thị thời gian của OFF delay...................................................................20 Hình 2.3. Đồ thị thời gian của One-shot pulse timer...................................................20 Hình 2.4. Đồ thị thời gian của Flashing pulse timer ...................................................20 Hình 2.5. Đồ thị thời gian của Twin timer..................................................................21 Hình 2.6. Đồ thị thời gian của Holding timer .............................................................21 Hình 2.7. Đồ thị mô tả hoạt động của count ...............................................................22 Hình 2.8. Lập trình và cài đặt thông số trên ZEN .......................................................23 Hình 2.9. Nối dây đầu vào/ra và hoạt động bên trong của ZEN..................................23 Hình 2.10. Viết chương trình bậc thang .....................................................................24 Hình 2.11. Đầu vào tương tự và bộ so sánh tương tự..................................................26 Hình 2.12. Khi đầu vào analog I4 ≥ 5.2V...................................................................26 Hình 2.13. Khi đầu vào analog I5 ≥ I4 .......................................................................26 Hình 2.14. Đặt thông số trong trang thiết lập thông số ...............................................27 Hình 2.15. Thiết lập khi hiển thị chữ2.3.5. Dùng các bit nút bấm (B).........................29 Hình 2.16. Dùng các bit nút bấm...............................................................................30 Hình 2.17. Thiết lập bảo vệ chương trình ...................................................................32 Hình 2.18. Xóa password đã đăng ký .........................................................................33 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí thiết bị modul chứa bộ điều khiển ZEN ...................................38 Hình 3.2. Mô hình hoàn thiện Modul chứa bộ điều khiển Zen....................................38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ix Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý đổi nối sao - tam giác .......................................................39 Hình 3.4. Sơ đồ bố trí thiết bị modul đổi nối sao - tam giác .......................................40 Hình 3.5. Mô hình hoàn thiện Modul đổi nối sao - tam giác.......................................41 Hình 3.6. Chương trình điều khiển.............................................................................42 Hình 3.7. Sơ đồ bố trí thiết bị modul đóng mở cửa tự động.......................................43 Hình 3.8. Mô hình hoàn thiện modul đóng mở cửa tự động ......................................44 Hình 3.9: Chương trình điều khiển.............................................................................45 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thiết bị trò chơi đường lên đỉnh Olympia...............................46 Hình 3.11: Mô hình hoàn thiện trò chơi đường lên đỉnh Olympia ..............................46 Hình 3.12. Chương trình điều khiển...........................................................................48 Hình 3.13: Sơ đồ mặt bằng bãi đỗ xe tự động ............................................................49 Hình 3.14: Hình ảnh một bãi đỗ xe trong thực tế........................................................50 Hình 3.15: Sơ đồ bố trí thiết bị modul bãi đỗ xe tự động............................................52 Hình 3.16. Mô hình hoàn thiện modul bãi đỗ xe tự động............................................52 Hình 3.17. Chương trình điều khiển...........................................................................53 Hình 3.18. Hình ảnh một hệ thống đèn giao ở ngã tư .................................................54 Hình 3.19. Sơ đồ thời gian chế độ giờ cao điểm.........................................................56 Hình 3.20. Sơ đồ thời gian chế độ bình thường ..........................................................57 Hình 3.21. Hình ảnh bố trí đèn giao thông ở ngã tư....................................................58 Hình 3.22. Sơ đồ bố thiết bị modul đèn giao thông ....................................................58 Hình 3.23. Mô hình hoàn thiện modul đèn giao thông................................................59 Hình 3.24. Chương trình điều khiển...........................................................................61 Hình 3.25. Toàn bộ các mô hình sau khi hoàn thiện ...................................................62 Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc chương trình theo ngôn ngữ LAD .......................................66 Hình 4.2: Hình giản đồ thời gian của Counter ............................................................81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây với sự phát triển của khoa học công nghệ, thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đã được ứng dụng rộng rãi trong tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và rất nhiều lĩnh vực khác. PLC có thể coi như trái tim của hệ thống điều khiển nhằm tăng năng suất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm. PLC là một môn học thực sự cần thiết đối với một kỹ sư điều khiển tự động. Với mục đích bổ sung cơ cở vật chất tại trường ĐHCN Việt - Hung nhằm đào tạo đội ngũ kỹ sư Điện có tay nghề cao, lập trình PLC thành thạo. Với ý nghĩa đó, 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” là một đề tài thiết thực, có tính ứng dụng cao. Mục tiêu của luận văn: - Thiết kế chế tạo được mô hình bài tập thực hành PLC - Nghiên cứu hệ lệnh của PLC ZEN và khả năng ứng dụng của ZEN trong thực tế - Xây dựng được hệ thống bài tập thực hành PLC - Xây dựng được đề cương hướng dẫn thực hành PLC Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển PLC - Nghiên cứu hệ lệnh của bộ PLC ZEN của hãng Omron - Xây dựng hệ thống bài tập thực hành PLC cơ bản và các yêu cầu công nghệ điều khiển trong thực tế. - Lựa chọn chủng loại và cấu hình của bộ PLC - Thiết kế phần cơ khí các modul bài tập thực hành PLC - Viết chương trình điều khiển đáp ứng hệ thống bài tập thực hành PLC - Download chương trình, kết nối với các modul và chạy kiểm tra - Xây dựng đề cương hướng dẫn thực hiện các bài tập thực hành Bố cục của luận văn : Luận văn được chia thành 4 chương 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 bài tập thực hành ứng dụng PLC ZEN Chương 4: Xây dựng bài giảng thực hành ZEN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
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 (Programmable Logic 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. PLC được thiết kế có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra và có thể lập trình với ngôn ngữ lập trình đơn giản và dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch, cho phép các kĩ sư không yêu cầu cao về máy tính và ngôn ngữ máy tính cũng có thể sử dụng được. PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và dễ trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc với máy tính 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. Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơ le. Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác. Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao và khả năng lập trình dễ dàng. Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch vào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao. Vào cuối những năm bảy mươi việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử. Các PLC có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3 điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn. PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất. PLC khác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành. Khi được bật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác. Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley,Rocwel,Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá. 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. Thông qua các tín hiệu đầu vào (các tín hiệu ở dạng logic ON/OFF) mà PLC sẽ cho các tín hiệu đầu ra để điều khiển hoạt động các thiết bị của hệ thống. 1.2. Cấu trúc chung của PLC Nếu không nhìn về khía cạnh giá thành, kích thước, mức độ phức tạp, tất cả các PLC đều có những thành phần cơ bản và đặc điểm chức năng giống nhau. Một PLC bao giờ cũng gồm có 5 thành phần cơ bản: - Module xử lý tín hiệu -Module nhớ - Module nguồn - Mô đun vào/ra - Thiết bị lập trình Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn trên hình 1.1 Ngoài các module chính này, các PLC còn có các module phụ trợ như module kết nối mạng, các module đặc biệt để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4 module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào vv. Mođun Mođun Vào / Ra nguồn CPU Mođun nhớ Thiết bị lập trình Hình 1.1. Cấu trúc chung của PLC 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. Bộ xử lý tín hiệu có thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý hỗ trợ cùng với các mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính logíc, điều khiển và ghi nhớ các chức năng của PLC. Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính logíc theo chương trình, các phép tính đại số và điều khiển các đầu ra số hay tương ứng. Phần lớn các PLC sử dụng các mạch logic chuyên dụng trên cơ sở bộ vi xử lý và các mạch tích hợp tạo nên đơn vị xử lý trung tâm CPU. Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Bộ vi xử lý nâng cao khả năng logic Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5 và khả năng điều khiển của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độxử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ. Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển. 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. Mỗi bit có hai trạng thái 0 hoặc 1. Đơn vị thông dụng của bộ nhớ là K, 1K = 1024 từ(word), 1 từ(word) có thể là 8 bit. Các PLC thường có bộ nhớ từ 1K đến 64K, phụ thuộc vào mức độ phức tạp của chương trình điều khiển. Trong các PLC hiện đại có sử dụng một số kiểu bộ nhớ khác nhau. Các kiểu bộ nhớ này có thể xếp vào hai nhóm: bộ nhớ có thể thay đổi và bộ nhớ cố định. Bộ nhớ thay đổi là các bộ nhớ có thể mất các thông tin ghi trên đó khi mất điện. Nếu chương trình điều khiển chứa trong bộ nhớ mà bị mất điện đột xuất do tuột dây, mất điện nguồn thì chương trình phải được nạp lại và lưu vào bộ nhớ. Bộ nhớ cố định ngược lại với bộ nhớ thay đổi là có khả năng lưu giữ thông tin ngay cả khi mất điện. Bộ nhớ có thể chia làm các loại sau: - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random access Memory): đó là bộ nhớ cho phép đọc và ghi. Dữ liệu trong RAM dễ dàng sửa được nhưng sẽ bị mất đi khi PLC mất điện. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường dùng pin để lưu trữ dữ liệu và chương trình trong RAM. - ROM (Read Only Memory): là loại bộ nhớ chỉ đọc, không thể thay đổi được dữ liệu trong ROM, ROM do nhà chế tạo chế sẵn chỉ nạp dữ liệu được một lần. - PROM (Programmable Read Only Memory): là loại bộ nhớ cải tiến từ ROM, là bộ nhớ trắng được ghi do nhà thiết kế. Tuy nhiên chương trình và dữ liệu được ghi trong PROM không thể xoá được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
6 - EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): là bộ nhớ cải tiến lên từ PROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng pin. Nội dung dữ liệu và chương trình chứa trong EPROM có thể xoá được bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó ghi dữ liệu mới vào máy bằng máy nạp. - EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): là loại kết hợp ưu điểu của cả RAM và EPROM, dữ liệu trong EEPROM có thể xoá và nạp băng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn. 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. * Các dạng đầu vào: Các tín hiệu vào từ các thiết bị hay từ các cảm biến cung cấp các dữ liệu và thông tin cần thiết để bộ xử lý tín hiệu thực hiện các phép tính logic yêu cầu quyết định đến việc điều khiển máy hoặc quá trình. Các tín hiệu vào có thể lấy từ các thiết bị khác nhau như nút ấn, công tắc, can nhiệt, ten zô mét, vv. Tín hiệu vào được nối vào các module vào để lọc tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu về mức năng lượng thấp để bộ xử lý có thể sử dụng được. Đầu vào có hai dạng là đầu vào dạng số và đầu vào dạng tương tự. Đầu vào dạng số được kết nối với các cầu nối kênh trên module vào số, các kênh này chỉ có các tín hiệu hai trạng thái 0 hay1. Đầu vào tương tự có thể là tín hiệu điện áp, dòng điện từ các cảm biến tương tự. * Các dạng đầu ra Đầu ra của PLC là các tín hiệu cấp hay ngắt năng lượng để điều khiển máy hay quá trình. Các tín hiệu này là các tín hiệu điện áp từ các mạch ra và nói chung là chúng có mức năng lượng thấp. Các tín hiệu này thông thường không truyền trực tiếp đến cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7 cấu chấp hành, mà truyền đến các bộ khuyếch đại công suất, hoặc các bộ chuyển mạch từ công suất thấp sang công suất cao hơn. Ví dụ tín hiệu điều khiển đóng mở van, tín hiệu này truyền đến cuộn hút của khởi động từ của động cơ, kích hoạt khởi động từ và mạch điện cấp vào động cơ được đóng, động cơ chạy và bắt đầu đóng hay mở van tuỳ theo chiều quay của động cơ. Đầu ra cũng có hai dạng tín hiệu là dạng tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic.... Mỗi điểm vào/ ra có một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng. Hình 1.2. Đầu vào - ra của bộ PLC 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. - Lập trình nhờ các phần mềm lập trình trên máy tính và nạp chương trình lên PLC qua cổng RS232 hay qua cổng kết nối với mạng LAN hay mạng Internet. Máy tính cá nhân là phương tiện lập trình tốt nhất cho PLC, bởi vì chúng ta có thể quan sát được nhiều dòng lệnh trên màn hình, soạn thảo và truy cập vào chương trình dễ dàng. Điều bất tiện là máy tính cá nhân không thích hợp lắm với môi trường công nghiệp và khả năng di chuyển kém. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
8 Hình 1.3. Lập trình PLC bằng máy tính Lập trình bằng thiết bị lập trình xách tay: lập trình trực tiếp vào bộ nhớ của PLC. Thiết bị này không dễ sử dụng như máy tính, nhưng lại tiện cho việc mang đi theo người. Lập trình được thực hiện từng dòng lệnh tương ứng với từng bậc của sơ đồ thang. Hình 1.4. Thiết bị lập trình xách tay - Lập trình trên máy tính, nạp lên thẻ nhớ và sau đó nạp từ thẻ nhớ vào PLC qua cổng tiêu chuẩn. Các thẻ nhớ EEPROM là các bộ nhớ ROM có thể xoá và lập trình lại được bằng điện. Ưu điểm của EEPROM là nó có thể thay đổi chương trình của PLC bằng cách cắm vào cổng của PLC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
9 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. Hình 1.5. Đọc tín hiệu đầu vào 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/