đại học tháI nguyên
Trường 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
Trường 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


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

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


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



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



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 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

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.


/>

4

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

Mođun
Vào / Ra

Mođun
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

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).

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.


/>

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:

Thu thập dữ liệu đầu vào
Chạy chương trình
Cập nhật đầu ra
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

Kiểm tra
Nạp chương trình cho
PLC

Chạy tốt
N
O

YE

Sửa chữa chương
trình

Nạp vào EPROM
Chạy mô phỏng và tìm
lỗi

Chạy lỗi

Tạo tài liệu chương trình

Chấm dứt

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

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