Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
Phần mở đầu
Chương 1
Tổng quan về Zen và ứng dụng 3
I. Giới thiệu chung về PLC 5
1. Khái niệm về PLC 5
2. Lịch sử phát triển của PLC 5
3. Cấu trúc chung của PLC 5
4. Nguyên lý hoạt động của PLC 10
5. Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hoá 12
II. Bộ điều khiển logic lập trình đơn giản Zen 12
1. Ưu điểm của Zen 12
2. Các loại Zen 15
3. Đặc tính kỹ thuật của Zen 17
4. Các vùng nhớ 19
5. Ngôn ngữ lập trình 26
6. Nối đầu vào ra cho Zen 28
III. Một số ứng dụng của Zen 28
1. Điều khiển cấp nước cho bể chứa 28
2. Điều khiển máy hàn khí 30
3. Điều khiển cầu thang cuốn 31
4. Điều khiển quạt thông gió cho nhà kính 32
5. Điều khiển xếp sản phẩm theo lô 34
Chương 2
Thiết kế mô hình đèn giao thông 35
I. Bài toán thiết kế 35
II. Phõn tích 36
III. Thiết kế phần mạch điện 37
1. Mạch điều khiển rơle trung gian 37
2. Mạch điều khiển hoạt động của đèn 37
ngay với các ứng dụng thực tế thông qua làm việc trờn cỏc mô hình mô phỏng
có như vậy khi ra trường họ mới có thể đáp ứng ngay yêu cầu của công việc.
Nhưng điều này lại gặp phải một khó khăn, các sản phẩm phục vụ cho phòng thí
nghiệm/thực hành thường phải đặt mua theo bộ với giá thành rất cao nên không
phải phũng thớ nghiệm/thực hành nào cũng được trang bị đầy đủ.
Để nâng cao chất lượng và hiệu quả của môn học mà mình đảm nhiệm,
đồng thời giảm bớt chi phí cho cỏc phũng thớ nghiệm/thực hành, người giáo
viên bộ môn bằng khả năng của mình có thể tự chế tạo các mô hình đơn giản để
hỗ trợ cho quá trình dạy học.
Là một người giáo viên tương lai trong lĩnh vực dạy nghề, cùng với mong
muốn nõng cao hiểu biết của mình về các thiết bị điều khiển logic lập trình được
và ứng dụng chúng vào thực tế em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hình đèn giao
thông phục vụ dạy học thao tác lập trình với ZEN của OMRON”.
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 3
Đồ án tốt nghiệp
2. Mục đớch và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đớch:
- Nõng cao hiểu biết của mình về các thiết bị điều khiển lập trình được
đặc biệt là Zen của Omron.
- Ứng dụng vào thực tiễn để đáp ứng được các lĩnh vực đòi hỏi yêu cầu tự
động hoá trong sản xuất cũng như trong cuộc sống hàng ngày.
Nhiệm vụ:
- Giới thiệu tổng quan về thiết bị điều khiển logic lập trình được.
- Giới thiệu tổng quan về Zen và lập trình với Zen của Omron.
- Thiết kế và chế tạo mô hình đèn giao thông .
3. Phạm vi nghiên cứu
Bản đồ án mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế chế tạo mô hình đèn giao thông
phục vụ cho dạy học thao tác lập trình Zen. Và phương pháp lập trình cho các
khối chức năng cơ bản của Zen như: các đầu vào ra, các loại Timer và Counter.
Ứng dụng điều khiển các bài toán cỡ nhỏ như: hệ thống điều khiển đèn giao
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.
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 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 góy cỏc thanh lò xo tiếp điểm. Mục
đích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoại trong việc thay đổi
chương trình điều khiển. Các yêu cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy
tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ
thuật viên và các kỹ sư sản xuất. Với thiết bị điều khiển logic lập trình, người ta
có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 5
Đồ án tốt nghiệp
thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất. Một số nhà sản xuất
thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã xuất ra các thiết bị điều khiển logic lập
trình còn gọi là PLC.
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 đú chớnh 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. Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự
như sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển logic, nờn các kỹ sư đã làm quen
với sơ đồ thang dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua một
3. Cấu trúc chung của PLC
Hình 1.1 là sơ đồ cấu trúc chung của PLC
Hình 1.1 Cấu trúc chung của PLC
3.1 Nguồn
Cung cấp năng lượng cho hệ thống điều khiển. Bộ nguồn trong PLC
thường gồm 2 loại:
Nguồn nuôi: Có thể là điện áp xoay chiều hoặc một chiều cung cấp năng
lượng cần thiết cho bộ xử lý trung tâm, các mạch điện trong các module vào/ra
và toàn bộ các hoạt động của PLC.
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 7
Cơ cấu
tiền tác
động
Cảm
biến
Nguồn
Bộ xử lí
trung tâm
Bộ nhớ
Khối trung tâm
Module
vào/ra
Bus
Đồ án tốt nghiệp
Nguồn pin: Thường là các lọi pin khụ hoỏ học, có thể được sử dụng để
mở rộng thời gian lưu trữ cho các dữ liệu có trong bộ nhớ. Nguồn pin được tự
động chuyển sang trạng thái tích cực nếu như dung lượng của tụ nhớ bị cạn kiệt
và nó thay thế vào vị trí đó để dữ liệu lưu trong bộ nhớ không bị mất đi.
3.2 Bộ xử lý trung tâm CPU
Là bộ não của PLC, điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong PLC.
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.
- 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.
3.5 Module vào/ra
Module vào/ra là phương thức liên lạc vật lý giữa hệ thống với thế giới
bên ngoài. Cho phép thực hiện các kết nối, thông qua các đầu vào/ra đến modul
vào và modul ra. Cũng thông qua modul vào/ra chương trình được nạp vào bộ
nhớ.
- Module vào: Được nối với các công tắc, nút ấn, các bộ cảm biến… Các
đầu vào được kí hiệu theo thứ tự I
1
,
I
2
,
Đầu vào n
Đầu vào n mức logic 1
Đầu vào 2 mức logic 1
Đầu vào 1 mức logic 0
Đầu vào 0 mức logic 1
Đầu vào 0 mức logic 1
Đầu vào 1 mức logic 0
Đầu vào 2 mức logic 1
Đầu vào n mức logic 1
Chụp lại
+
Truyền
Đầu vào 1
24 V
+ 24 V
+ 24 V
Bộ nhớ
dữ liệu
Module
vào
+ 24 V
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.3 Giai đoạn thực hiện chương trình
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 modul đầu ra để điều khiển các
thiết bị bên ngoài.
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 11
Bằng cách
sử dụng hình
ảnh đầu vào
……
………………………
………
…
…
Chương trình
………………………
.
………………………
.
………………………
.
………………………
.
………………………
.
………………………
.
………………………
.
Đầu ra 0
OV
Đầu ra 0 mức logic 1
Đầu vào 0 mức logic 1
Đầu vào 1 mức logic 1 Đầu ra 1 mức logic 0
Đầu vào 2 mức logic 0 Đầu ra 2 mức logic 1
—
—
—
—
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.
PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển đơn giản và được
lập đi lập lại theo chu kỳ. Đối với các hệ thống mà trong đó có rất nhiều các
thiết bị mà sự hoạt động của các thiết bị đó độc lập với nhau và có độ phức tạp
khác nhau, muốn điều khiển hệ thống một các linh hoạt thì cần phải liên kết các
PLC lại hoặc liên kết PLC với máy tính chủ thông qua một kiểu hệ thống mạng
truyền thông để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp.
II. Bộ điều khiển logic lập trình đơn giản Zen
1. Ưu điểm của ZEN
• 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…
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 12
Thu thập dữ liệu đầu
vào
Chạy chương trình
Cập nhật đầu ra
Đồ án tốt nghiệp
• Lập trình dễ dàng
Lập trình ladder trực tiếp từ 8 phím bấm trờn mỏy.
• Bảng điều khiển nhỏ hơn.
Zen có kích thước rất nhỏ 90x70x56mm rất 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
• Hỗ trợ Timer hoạt động theo ngày hoặc theo mùa.
Khối CPU với sẵn có chức năng đồng hồ và lịch hỗ trợ 16 Weekly Timer
và Calendar Timer. Calendar Timer hỗ trợ điều khiển theo mùa, còn Weekly
Timer hỗ trợ điều khiển theo ngày giờ.
• Đèn màn hình sỏng lõu hơn trong điều kiện làm việc tối.
Có thể đặt cho đèn màn hình tắt sau 2, 10 hay 30 phút, cũng có thể đặt chế
độ đốn luụn sỏng. Với chức năng hiển thị, đèn màn hình cũng có thể bật sáng
khi một tin nhắn hiển thị.
• Lọc nhiễu đầu vào. Mạch lọc nhiễu đầu vào ngăn chặn nhiễu đầu vào.
• Bảo mật chương trình. Chương trình có thể được bảo vệ nhờ cài đặt
password.
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 15
Đồ án tốt nghiệp
2. Các loại Zen
Nói chung Zen được phân biệt dựa vào các yếu tố sau:
- Sử dụng nguồn nuôi AC hay DC:
+ Zen xoay chiều ( nếu dùng nguồn AC )
+ Zen một chiều ( nếu dùng nguồn DC )
- Có màn hình tinh thể lỏng LCD (đi kèm phím ấn) hay không có.
- Có đồng hồ thời gian theo tuần và năm hay không.
- Có đầu vào Analog hay không.
Dưới đây là bảng các loại Zen phiên bản V2
2.1 Bộ xử lý trung tâm với 10 cổng vào/ra
Hình dạng
Nguồn cấp/điện
áp đầu vào
Số
đầu
vào
Số đầu ra
ZEN-10C3DR-D-V2
Kiểu
truyền
thông
100 đến 240VAC
50,60Hz
3 Không
ZEN-10C4AR-A-V2
12 đến 24 VDC Có
ZEN-10C4DR-D-V2
Kiểu LED không có
màn hình hiển thị
100 đến 240VAC,
50/60Hz
4 Không
ZEN-10C2AR-A-V2
12 đến 24 VDC 4 Có
ZEN-10C2DR-D-V2
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 16
Đồ án tốt nghiệp
12 đến 24 VDC Transistors Có
ZEN-10C2DT-D-V2
2.2 Bộ xử lý trung tâm với 20 cổng vào/ra
Hình dạng Nguồn cấp
Số
đầu
vào
Số đầu ra
Đầu
vào
100 đến 240VAC
50/60Hz Không
ZEN-20C2AR-A-V2
2 đến 24 VDC Có
ZEN-20C2DR-D-V2
12 đến 24 VDC Transistors Có
ZEN-20C2DT-D-V2
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 17
Đồ án tốt nghiệp
3. Đặc tính kỹ thuật của Zen
3.1 Đặc tính đầu vào cho loại dùng nguồn AC
- Điện thế đầu vào: 100V đến 200V ( +10% / -15% ), 50/60Hz
- Tổng trở đầu vào: 680kΩ
- Dòng điện đầu vào: 0,15mA ở 100VAC và 0,35mA ở 240 VAC
- Điện thế đóng ( mức 1 ): 80 VAC min
- Điện thế ngắt ( mức 0 ): 25VAC max
- Thời gian đáp ứng cần thiết cho trạng thái đóng hay ngắt:
• Ở 100 VAC là 50ms hay 70ms ( dùng chức năng lọc nhiễu ngõ vào )
• Ở 240 VAC là 100ms hay 120ms ( dùng chức năng lọc nhiễu ngõ
vào )
3.2 Đặc tính đầu vào cho loại dùng nguồn DC
- Điện thế đầu vào: 25VDC ( +10% / -15% )
- Tổng trở đầu vào: 4,8kΩ
- Dòng điện đầu vào: 5mA
- Điện thế đóng ( mức 1 ): 16VDC min
- Điện thế ngắt ( mức 0 ): 5VDC max
- Thời gian đáp ứng cần thiết cho trạng thái đóng hay ngắt là 15ms hay 50ms
( dùng chức năng lọc nhiễu đầu vào )
3.3 Đặc tính đầu vào Analog
- Khoảng điện thế đầu vào: 0V đến 10V
Chức năng
Bit đầu vào
bộ xử lý
trung tâm
I 0 đến 5 6
CPU có 10
cổng vào/ra
Phản ánh trạng thái
đóng/mở của thiết bị
đầu vào nối tới đầu
vào của Zen.
0 đến b 12
CPU có 20
cổng vào/ra
Bit đầu vào
khối
module mở
rộng
X 0 đến b 12
Phản ánh trạng thái đóng/mở của thiết
bị đầu vào nối tới đầu vào của khối
module mở rộng
Bit đầu vào
nút ấn
B 0 đến 7 8
Bật ON khi các nút hoạt động được ấn
trong chê độ RUN
Bit so sánh
tương tự
A 0 đến 3 4
module mở
rộng
Y 0 đến b 12
Đưa ra trạng thái đóng/mở cho thiết bị
đầu ra nối tới đầu ra của khối module
mở rộng
Các bit làm
việc
M 0 đến f 16
Chỉ được sử dụng bên trong chương
trình. Không thể đưa ra đến thiết bị bên
ngoài
Bit có lưu
H 0 đến f 16
Làm việc giống như các bit làm việc tuy
nhiên bit này lưu được trạng thái
đóng/mở khi mất điện
• Các bit đầu vào có 2 trạng thái: Thường mở và thường đóng
• Các bit đầu ra có 4 trạng thái:
- ‘[‘ Đẩu ra hoạt động bình thường: Đầu ra hoàn toàn phụ thuộc
đặc tính của đầu vào. Khi được nối điện thì đầu ra có điện, khi mất
nối điện thì đầu ra mất điện.
- ‘S’ Thiết lập bit đầu ra: Khi được nối điện thì trạng thái của đầu
ra được thiết lập lên 1 mà không phụ thuộc vào việc còn nối điện
cho đầu ra nữa hay không.
- ‘R’ xóa bit đầu ra: Khi được nối điện thì trạng thái của đầu ra
được xóa về 0 mà không phụ thuộc vào việc còn nối điện cho đẩu
ra nữa hay không.
- ‘A’ Thay đổi trạng thái đầu ra theo sườn lên của xung kích đầu
vào: Mỗi khi được nối điện trạng thái của đầu ra sẽ chuyển sang
T0
RT0
TT0
4.2.2 Timer có lưu (Holding Timer (#)) : Từ #
0
đến #
7
Bật sau một khoảng thời gian đặt trước khi đầu vào trigger lên ON. Giá trị
hiện hành vẫn được lưu khi timer chuyển từ RUN sang STOP hoặc khi bị ngắt
điện. Timer lại tiếp tục khi đầu vào kớch lờn ON. Bít đầu ra của Timer cũng
được giữ nguyên trạng thái khi Timer đếm xong.
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 22
Đồ án tốt nghiệp
4.2.3 Weekly Timer ( Mạch định thời theo tuần)
Trong Zen có 16 mạch định thời theo tuần dùng để điều khiển ON/ OFF
theo giờ trong ngày và theo ngày trong năm, kí hiệu từ @
0
÷ @
f
và được gọi là
Weekly timer.
Weekly timer sẽ bật lên ON giữa các thời gian bật và tắt (start/ stop time)
định trước trong những ngày xác định
Khi sử dụng weekly timer màn hình cài đặt thông số cho phép cài đặt
ngày giờ hoạt động, ngày giờ tắt của Zen.
Trong màn hình cài đặt thông số cho phép cài đặt ngày/giờ (bắt đầu, kết
thúc).
Chọn ngày:
- Chỉ chọn một ngày ( chọn ngày bắt đầu và không chọn ngày kết thúc )
Zen sẽ chỉ hoạt động trong ngày ta đã chọn.
timer. Calender timer quy định cho Zen hoạt động trong bao nhiêu ngày trong
một năm bằng cách quy định ngày bắt đầu và ngày kết thúc:
Màn hình cài đặt thông số
Chọn ngày: Chia làm hai cách chọn ngày tuỳ theo điều kiện công việc
Ví dụ: Chọn ngày vận hành từ ngày tháng này đến ngày tháng khác
ON: 24/5
OFF: 24/8 => Zen vận hành từ ngày 24 tháng 5 đến ngày 24 tháng 8 thì
dừng làm việc.
ON: 7/7
OFF: 7/7 => Zen sẽ làm việc liên tục
Dưới đây là bảng tổng quát về các Timer của Zen
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 24
*0 A
ON 14/5
OFF 26/7
Cho phép hiển thị thông số
Ngày bắt đầu
Ngày kết thúc
Địa chỉ
mạch định
thời
Đồ án tốt nghiệp
SV Phạm Tuấn Thanh – SPKT Điện K49 25
Loại timer
ký hiệu
Hoạt động Loại ứng
dụng chính
X
On
khi cần hoạt
động theo
lượng ổn
định.
F
Flash-
ing
pulse
Timer
Bật và tắt lặp đi lặp
lại trong khoảng
chu kỳ đặt trước
trong khi đầu vào
trigger ở trạng thái
ON
Mạch báo
động cho còi
hay đèn nhấp
nháy
W Twin
Timer
Bật tắt lặp đi lặp lại
khi đầu vào trigger
ở trạng thái ON.
Thời gian ON và
thời gian OFF có
thể tách rời
On time
Off time
0
Hoạt động
tuần hoàn
trong các
khoảng thời
TT0
RT0
0
T0
Start
timer
Stop
timer
Start
day
Stop day
@0
Start day Stop day
*0
TT0
RT0
0
T0
Copyright: Tài liệu đại học ©