Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ thống thực hành tại trường đại học công nghiệp quảng ninh

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong chương trình đào tạo ngành công nghệ kĩ thuật điện,
điện tử của trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, môn học
điều khiển logic lập trình PLC đã được đưa vào giảng dạy. Tuy
nhiên, là ngành mới được triển khai đào 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,
tôi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây
dựng hệ thống thực hành tại trường Đại học Công nghiệp
Quảng Ninh ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu tổng quan về thiết bị điều khiển logic khả lập
trình PLC. Thiết kế bộ thực hành PLC có tích hợp một số thiết
bị ngoại vi phục vụ cho việc thực hành PLC của giảng viên,
sinh viên.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các bài giảng lý thuyết của môn lập trình
PLC để từ đó đưa ra cách xây dựng các bài thí nghiệm để củng
1
cố kiến thức lý thuyết. Dùng các phần mềm đã học (STEP7) để
mô phỏng các bài thí nghiệm trên.
4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Trong bản luận văn tôi nghiên cứu 5 bài thực hành cơ bản. Còn
các bài khác xin được phép nghiên cứu tiếp sau này.
5. Nội dung của luận văn
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình
PLC và S7-200, S7-300.
Chương 2: Giới thiệu chung về trường Đại học Công nghiệp

Quảng Ninh và xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC
S7-300 tại trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh.
Chương 3: Xây dựng bài giảng thực hành với S7-300.
Kết luận và kiến nghị.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Xây dựng các bài thực hành, mô phỏng các
bài đó trên phần mềm STEP7 giúp cho sinh viên nhìn tổng quan
và sâu sắc hơn vai trò phần mềm STEP7 trong mô phỏng PLC.
Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp cho người đọc một tài liệu hữu
ích trong thực hành, thí nghiệm môn PLC. Đề tài nghiên cứu
phục vụ công tác đào tạo cho Trường đại học Công nghiệp
Quảng Ninh phù hợp với xu thế phát triển của Nhà trường.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ TỔNG QUAN VỀ S7-200, S7-300
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình
(PLC)
Sự khác biệt cơ bản giữa điều khiển logic khả trình và
điều khiển theo kết nối là: Sự kết nối dây không còn nữa, thay vào
đó là chương trình. Chương trình mô tả các bước thực hiện gọi
một tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ
nên được gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều
khiển khả trình. Trên cơ sở khác nhau ở khâu xử lý số liệu có
thể biểu diễn hai hệ điều khiển như sau:
Hệ điều khiển PLC có những ưu điểm sau: Độ tin cậy cao,
dễ dàng thay đổi chương trình; Chuẩn bị vào hoạt động nhanh;
Thích ứng với những nhiệm vụ điều khiển khác nhau; Khả năng
3
thay đổi đơn giản trong quá trình đưa thiết bị vào sử dụng; Tiết
kiệm không gian lắp đặt…Hệ thống điều khiển lập trình PLC

được sử rộng rất rộng rãi trong các ngành khác nhau: Điều
khiển thang máy, sản suất bia, Hệ thống rửa ô tô tự động
1.1.2. Cấu trúc của một PLC
Hình 1.2: Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC
1.1.3. Các khối của PLC
Các khối khác nhau của một PLC được cho như hình 1.3.
4
Hình 1.3. Các khối trong một PLC
1.1.4. Phương thức thực hiện chương trình trong PLC
Hình 1.5. Chu kỳ quét trong PLC
1.2. Tổng quan về S7-200, S7-300
1.2.1. Tổng quan về S7-200
1.2.1.1. Giới thiệu chung về họ S7-200
5

Hinh 1.6. Bộ PLC S7-200
1.2.1.2. Cấu trúc chung của họ PLC S7-200
Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC của hãng SIEMENS
6
1.2.1.2.2. Thực hiện chương trình
PLC thực hiện chương trình theo vòng lặp (scan).
1.2.1.3. Phương pháp lập trình với PLC
Các chương trình cho PLC S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm:
Chương trình chính (main program) và sau đó là các chương
trình con và các chương trình xử lý ngắt.
1.2.2. Tổng quan về S7-300
1.2.2.1.Cấu tạo chung của PLC S7-300.
SIMATIC S7-300 là một thiết bị điều khiển quá trình dùng để
điều khiển các hệ thống công nghiệp ví dụ: Điều khiển các xí
nghiệp công nghiệp, công nghiệp chế tạo, lắp ráp, điều khiển

đèn giao thông….Ưu điểm lớn nhất của S7-300 so với S7-200
là truyền thông, tốc độ xử lý nhanh hơn, tốc độ truyền nhanh
hơn và cấu tạo mở rộng thêm các modul vào/ra số…
1.2.2.2. Phân loại PLC theo cấu trúc: PLC có cấu trúc
Onboard; PLC có cấu trúc module (Great PLC)
7
1.2.2.3. Kết nối hệ SIMATIC PLC S7-300

1.3. Kết luận chương 1
-Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC, ưu
nhược điểm và ứng dụng của PLC trong sản xuất và đời sống.
-Nghiên cứu phương thức thực hiện chương trình trong PLC.
-Tổng quan về S7-200, S7-300.
8
Chương 2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH VÀ XÂY DỰNG HỆ
THỐNG THỰC HÀNH ỨNG DỤNG PLC S7-300 TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
2.1. Giới thiệu chung về Trường Đại học Công nghiệp
Quảng Ninh
2.2. Xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300
2.2.1. Thiết kế bố trí module chứa bộ điều khiển lập trình
PLC S7-300
* Mô hình hoàn thiện sau khi thiết kế:
1. Mô hình thực hành điều khiển khởi động động cơ một
chiều kích từ độc lập quay theo hai chiều thuận nghịch
*Sơ đồ nguyên lý mạch lực và mạch điều khiển
9
L1
N

ONT
OFF
T
T
H
TG1
N
N
T
N
ONN
T
N
TG1
Ð2
T
N
Ð1
H
Rh
CKT
TT
NN
* Sơ đồ kết nối PLC
ONT
ONN
OFF
24V
I0.0
COM IN

Ð1
Ð2
T
N
H
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
I0.1
I0.2
Ð3
Q0.5
COM OUT
* Mô hình hoàn thiện sau khi thiết kế:
* Mô phỏng, chạy chương trình:
10
2. Mô hình thực hành điều khiển đảo chiều động cơ một
chiều kích từ độc lập ĐK theo nguyên tắc hành trình
* Sơ đồ nguyên lý điều khiển
11
ON
OFF
CB1
24V
I0.0
220V
Ð1
Ð2

T
N
Q0.0
COM OUT
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
I0.1
I0.2
CB3
Ð3
I0.3
CB2
I0.4
K1
OFF
K2
CB2
N
K1
K1
T
Ð3
Ð2
L1
N
ON
T
K2 T

Ð1
CB1
TG
TG
N
* Sơ đồ kết nối PLC
* Mô hình hoàn thiện:
* Mô phỏng, chạy chương trình
12
L1
N
ON
OFF
K11
K1
Ð1
K12
TG1
TG1
1K
1K
TG2
TG2
2K
2K
TG3
TG3
3K
TG4
K13

K14 TG4 H
Ð2
ON
OFF
24V
I0.0
COM IN
220V
Ð1
Ð2
K1
1K
2K
Q0.0
COM OUT
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
I0.1
Q0.5
Q0.6
3K
H
3. Mô hình thí nghiệm điều khiển khởi động động cơ qua
các cấp điện trở phụ
* Sơ đồ động lực và điều khiển của hệ thống:
* Sơ đồ kết nối PLC
13
* Mô hình hoàn thiện:

* Mô phỏng, chạy chương trình
14
4. Mô hình thực hành điều khiển đèn giao thông tại ngã tư
* Sơ đồ kết nối PLC
* Mô hình hoàn thiện:
15
* Mô phỏng, chạy chương trình
16
L1
N
ON
OFF
K1
K1 F2
Ð1
K3
TG
K3 TG1
K2
K2
TG2
K3
K3
Ð2
Q1
L1
L2
L3
N
K1

K3
K2
F2
A
B
C
Z
Y
X
5. Mô hình thực hành khởi động, động cơ không đồng bộ sử
dụng phương pháp đổi nối sao - tam giác
* Sơ đồ mạch điều khiển bằng Role, khởi động từ như sau:

* Sơ đồ
kết nối PLC
ON
OFF
F2
24V
I0.0
COM IN
220V
Ð1
Ð2
K1
K2
K3
Q0.0
COM OUT
Q0.1

Q0.2
Q0.3
Q0.4
I0.1
I0.2
* Mô hình thực hành hoàn chỉnh:
17
* Mô phỏng, chạy chương trình
18
2.6. Kết luận chương 2
- Giới thiệu chung về trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
và đánh giá thực trạng hệ thống phòng thí nghiệm hiện tại và xu
thế phát triển của Nhà trường. Nghiên cứu xây dựng một số bài
tập ứng dụng S7-300. Mô phỏng, chạy chương trình sử dụng
phần mềm PLCSIM của Step7.
Chương 3. XÂY DỰNG BÀI GIẢNG THỰC HÀNH VỚI
PLC S7-300
3.1. Cơ sở lý thuyết chung của PP dạy học thực hành
3.2. Xây dựng bài thực hành lập trình ĐK với PLC S7-300
3.2.1. Tiếp cận thiết bị và thực hành với đầu vào ra
19
Bài toán: Viết chương trình điều khiển đảo chiều quay trực
tiếp động cơ một chiều kích từ độc lập
Ấn nút ONT động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ, đèn báo
hiệu động cơ chạy thuận sáng. Ấn nút ONN động cơ quay
ngược chiều kim đồng hồ, đèn báo hiệu động cơ chạy nghịch
sáng. Ấn nút D động cơ dừng, đèn báo hiệu động cơ dừng sáng
3.2.2. Thực hành với Timer và Counter
Bài 1: Khởi động động cơ ở chế độ sao-tam giác
Ấn nút ON khởi động từ K

1
và K
2
làm việc động cơ
khởi động ở chế độ nối sao, sau 6s khởi động từ K1, K
3
làm
việc, K2 ngắt động cơ được khởi động và chạy ở chế độ đấu
tam giác, động cơ đang chạy đèn báo Đ1 sáng. Ấn nút OFF,
động cơ dừng, đèn báo dừng Đ2 sáng.
Bài 2: Khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập qua 3
cấp điện trở phụ
Ấn nút ON động cơ được cấp nguồn và khởi động với 3
cấp điện trở phụ, sau 6s cắt cấp điện trở phụ thứ nhất, 6s tiếp
theo cắt cấp điện trở phụ thứ hai, 6s tiếp theo nữa cắt cấp điện
trở phụ thứ ba, lúc này động cơ khởi động không còn cấp điện
trở phụ, động cơ chạy đèn báo Đ1 sáng. Ấn nút OFF động cơ
dừng, đèn Đ2 sáng.
3.2.3. Bài thực hành tổng hợp và nâng cao về PLC S7-300
20
Bài 1: Điều khiển, khởi động động cơ một chiều kích từ độc
lập theo nguyên tắc hành trình (cảm biến)
Nhấn nút ON: Xe đang ở vị trí cảm biến 1 sẽ di chuyển từ trái
sang phải. Khi cảm biến 2 tác động xe dừng lại 3s rồi quay lại
vị trí cảm biến 1. Xe di chuyển từ trái qua phải đèn Đ1 sáng, xe
di chuyển từ phải qua trái, đèn Đ2 sáng. Nhấn nút OFF động cơ
dừng, đèn Đ3 sáng.
Bài 3: Điều khiển hệ thống đèn giao thông
Khởi động bằng nút ấn Start ,dừng bằng nút Stop và trình tự
bật, tắt đèn trên các hướng đi tuyến 1 và tuyến 2 là: Xanh 10s,

vàng 2s, đỏ 12s. Thứ tự bật, tắt đèn trên các hướng lệch pha
nhau: Khi bật đèn đỏ tuyến 1 thì bật đèn xanh và đèn vàng
tuyến 2 và ngược lại.
3.3. Kết luận chương 3
Nội dung chương 3 đã xây dựng được hệ thống bài
giảng thực hành với PLC S7-300. Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết
chung của phương pháp dạy học thực hành. Xây dựng bài thực
hành lập trình điều khiển PLC S7-300 gồm các bước: tiếp cận
thiết bị và thực hành với đầu vào/ra, thực hành với timer và
counter, xây dựng bài thực hành tổng hợp và nâng cao về S7-
300.
21
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau 5 tháng tìm hiểu và nghiên cứu, được sự chỉ bảo
giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong phòng Quản lý đào tạo
Sau đại học, khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên, đặc biệt là thầy PGS-TS. Nguyễn Thanh Hà, đến
nay luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng PLC để xây dựng hệ
thống thực hành tại trường Đại học Công nghiệp Quảng
Ninh” đã hoàn thành và đạt được các kết quả sau:
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả
trình PLC. Nghiên cứu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-300
của Siemen. Tìm hiểu cách kết nối bộ PLC với các thiết bị
ngoại vi. Xây dựng được hệ thống thực hành đa năng ứng dụng
PLC S7-300. Trong luận văn đã xây dựng chi tiết được 5 bài
thực hành về PLC phù hợp với kiến thức, nội dung đào tạo sinh
viên chuyên ngành cơ điện của trường.
Kết quả của luận văn đã đạt được là: thiết kế, chế tạo
được hệ thống mô hình thực hành đa năng dùng PLC S7-300,
xây dựng được hệ thống các bài giảng, bài tập thực hành lập

trình PLC S7-300. Sau khi trực tiếp thực hành trên bộ thiết bị
đã chế tạo, có thể nhận thấy hệ thống đã hoàn toàn đáp ứng
được các yêu cầu đề ra.
Hướng phát triển của đề tài
22
Với thời gian nghiên cứu chưa nhiều, kiến thức và kinh
nghiệm thực tế có hạn cho nên nội dung luận văn còn một số
hạn chế. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn để có thể
áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau
này, nhất là áp dụng hệ thống PLC S7-300 trong thực tế sản
xuất, ví dụ như trong lĩnh vực tự động hóa trong các mỏ, nhà
máy nhiệt điện, xi măng,
Một lần nữa em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với
các thầy cô giáo đã dạy bảo em trong thời gian vừa qua, đặc biệt
là PGS-TS. Nguyễn Thanh Hà đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo
để em hoàn thành bản luận văn này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Nguyễn Mạnh Tùng, TS. Nguyễn Như Hiển, Điều khiển
logic và PLC, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.
2. Trường ĐHBKHN, PLC for automation, 2007
3. Th.s Châu Chí Đức, Kỹ thuật điều khiển Lập trình PLC
Simatic S7-200, Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2008.
23
4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Tự động hoá với
Simatic S7-200, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2000.
5. Tăng Văn Mùi, TS. Nguyễn Tiến Dũng, Điều khiển logic lập
trình PLC, NXB Thống kê 2006.
6. Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dụng,
NXBKHKT, 2000.
7. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động

hoá với Simatic S7-300, NXB KHKT, 2006.
8.Hà Văn Trí, Bài giảng PLC S7-300, TNHH TM&DV SIS
9. , />200.html
10.“Automation with PLC SIMATIC S7-200” Siemens, Germany.
[11] Statement List for S7-300 and S7-400 Programming”
Siemens, Germany.
24