Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành đa năng tại trường Đại học Công nghiệp Việt Hung

đại học tháI nguyên
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp







T TH DUNG




NGHIấN CU, NG DNG PLC XY DNG
H THNG THC HNH A NNG TI TRNG

I HC CễNG NGHIP VIT- HUNG





Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Thái Nguyên - 2014



S húa bi Trung tõm Hc liu />

đại học tháI nguyên
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp





T TH DUNG



NGHIấN CU, NG DNG PLC XY DNG
H THNG THC HNH A NNG TI TRNG
I HC CễNG NGHIP VIT- HUNG


Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khoa chuyên môn
Trởng khoa
ngời hớng dẫn khoa học




PGS.TS N
GUYN THANH H

Phòng quản lý đt sau đại học



Thái Nguyên - 2014
S húa bi Trung tõm Hc liu />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 (P
rogrammable 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 />

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 />

4


module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào
vv.

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
Mođun
nguồn
CPU
Mođun nhớ
Thiết bị lập
trình
Mođun
Vào / Ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />

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 />

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 />

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 />

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 />

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 />

10



Hình 1.6. Giai đoạn thực hiện chương trình
1.3.3. Cập nhật đầu ra
Sao chép lại toàn bộ các trạng thái logic hình ảnh của đầu ra (lưu trong bộ nhớ
dữ liệu) ra các module đầu ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài.

Hình 1.7. Giai đoạn cập nhật đầu ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />

11


Như vậy, ta có thể khái quát một chu trình làm việc của PLC như sau:

Hình 1.8. Chu trình làm việc của PLC
1.4. Trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC
Đối với một bài toán thiết kế điều khiển PLC ta cần theo các bước sau:
- Tìm hiểu, phân tích yêu cầu công nghệ
- Xác định đối tượng điều khiển của hệ thống
- 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
- Chạy mô phỏng và kiểm tra lỗi
- Nạp chương trình vào PLC
- Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi
- Chạy thử và kiểm tra
- Nếu tốt ta tiến hành nạp chương trình vào EPROM và tạo tài liệu chương trình





Thu thập dữ liệu đầu vào
Chạy chương trình
Cập nhật đầu ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />

12



Hình 1.9. Trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC

1.5. Phân tích lựa chọn chủng loại PLC
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemen, Omron,
ABB, Mitshubishi, LG mỗi hãng đều có những tính năng và ưu điểm riêng. Hiện tại,
phòng thực hành PLC của trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung đã có PLC của các
hãng Siemen, LG, Mitsubitshi. Với mục đích đa dạng về chủng loại để các em được
làm quen với các hãng PLC khác nhau, vì vậy đề tài lựa chọn bộ PLC Zen của hãng
Omron để nghiên cứu. Bộ PLC Zen là bộ PLC đơn giản của hãng Omron, bộ Zen phù
Kiểm tra
Chấm dứt
Tạo tài liệu chương trình
Nạp vào EPROM
Chạy thử chương trình
Kiểm tra dây nối
K
ết nối các thiết bị I/O v
ào PLC


Chạy tốt
Xác định yêu cầu
của hệ thống
Vẽ lưu đồ điều khiển
Liệt kê các thiết bị I/O tương
ứng với các đầu I/O của PLC
Soạn thảo chương trình
N
ạp ch
ương tr
ình cho
PLC

Sửa chữa chương
trình
Ch
ạy mô phỏng v
à tìm
lỗi
Chạy lỗi
N
O

YE
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />

13


hợp với các yêu cầu điều khiển tự động đơn giản và phù hợp với hệ thống bài tập thực
hành dành cho sinh viên tại trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung
Căn cứ vào yêu cầu bài tập và số lượng đầu vào, ra của 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
Đưa ra được trình tự các bước thiết kế bài toán điều khiển PLC từ đó chọn được
chủng loại PLC sử dụng trong luận văn
Trên cơ sở những nghiên cứu bước đầu về PLC trong chương 1, chương 2 sẽ đi
sâu nghiên cứu về bộ điều khiển lập trình Zen của OmRon.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />

14


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.
Một bộ xử lý trung tâm cung cấp 12 đầu vào và 8 đầu ra (đối với khối CPU 20
cổng vào ra). Thích hợp sử dụng cho các điều khiển cỡ nhỏ như hệ thống cung cấp
nước cho nhà cao tầng hay điều khiển ánh sáng cho các văn phòng công sở…
• Hoạt động dễ dàng với một hệ điều khiển giá rẻ.

Lập trình ladder trực tiếp từ bộ xử lý trung tâm. Chương trình ladder có thể dễ
dàng được copy.
• Zen có kích thước rất nhỏ thuận lợi cho việc lắp đặt.
• Dễ dàng trong việc lắp ráp và nối dây.
Việc gá đặt dễ dàng với một rãnh nhỏ phía mặt sau. Sẵn có các Timer và
Counter vì vậy chỉ cần nối dây cho nguồn cấp và các cổng vào ra. Thao tác kết nối đơn
giản chỉ cần dùng một tuốc nơ vít.
• Có thể kết hợp với các module mở rộng tăng số lượng các đầu vào ra. Số
lượng đầu vào ra của Zen có thể lên tới 24 đầu vào và 20 đầu ra nhờ kết hợp thêm 3
module mở rộng.
• Biện pháp khắc phục khi mất điện.
EEPROM vẫn lưu trữ chương trình và dữ liệu cài đặt hệ thống khi không cấp
điện tới ZEN. Các dữ liệu về thời gian, counter, holding timer và các bit làm việc vẫn
được lưu nhờ sử dụng một nguồn nuôi.
• Dễ dàng lưu trữ và copy chương trình.
Sử dụng một băng từ nhớ có thể dễ dàng lưu trữ và copy chương trình
• Có thể lập trình và kiểm tra hoạt động từ một máy vi tính. Phần mềm Zen
Support cung cấp một cách hoàn chỉnh cho quá trình mô phỏng trên máy vi tính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu />