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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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 TRƢỜNG TRUNG
CẤP KỸ THUẬT NGHIỆP VỤ SÔNG HỒNG
Chuyên ngành: Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2013


ii
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


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ................................................. vi
MỞ ĐẦU......................................................................................................... viii
CHƢƠNG 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


iv
1.4.5. Ứng dụng trong truyền tải điện năng ................................................. 24
CHƢƠNG 2: THỰC TRẠNG CHƢƠNG TRÌNH VÀ TỔ CHỨC DẠY PLC
TRONG NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TẠI TRƢỜNG 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
CHƢƠNG 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


v
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 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................. 57
I. Kết luận ................................................................................................. 57
II. Hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 58


vi
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


vii
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


viii
MỞ ĐẦU
Trong lĩ nh 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
dụng các dây chuyền này vừa nâng cao hiệu suất công việc
thời gian và nguyên vật liệu vừa nâng cao chất lượng sả

. Việc sử

, tiết kiệm được
n phẩm . Bên cạnh

đấy, khi sử dụng các dây chuyền này cũng đòi hỏi người vận hành có trì nh 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


ix
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


1

CHƢƠNG 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)


2
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