TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU - Center - Processing - Unit)
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần chủ chốt trong PLC, chịu trách nhiệm điều khiển và quản lý mọi hoạt động bên trong Quá trình trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và các khối vào ra diễn ra liên tục, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và chính xác.
Bộ nhớ chương trình EPROM
Nguồn pin CPU bộ vi xử lý
Bộ nhớ hệ thống ROM
Bộ nhớ dữ liệu RAM
Bộ lọc Pannsel lập trình
Bus hệ thống (Vào/Ra)
Mạch giao tiếp trong hệ thống bus được điều khiển bởi CPU, với một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock chuẩn, thường là 1 hoặc 8 MHz, tùy thuộc vào loại bộ xử lý Tần số xung clock này xác định tốc độ hoạt động của PLC và giúp đồng bộ hóa tất cả các phần tử trong hệ thống.
Bộ nhớ và bộ phận khác
- Tất cả các PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:
ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc đơn giản nhất, bao gồm các thanh ghi, mỗi thanh ghi lưu trữ một từ với tín hiệu điều khiển cho phép đọc từ bất kỳ vị trí nào ROM là loại bộ nhớ không thay đổi, chỉ có thể nạp chương trình một lần duy nhất.
RAM (Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên) là loại bộ nhớ phổ biến được sử dụng để lưu trữ chương trình và dữ liệu của người dùng.
Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất khi mất điện Do đó điều này được giải quyết bằng cách luôn nuôi RAM bằng một nguồn pin riêng.
EEPROM là loại bộ nhớ điện tử kết hợp giữa khả năng truy xuất linh hoạt của RAM và tính ổn định của ROM Nội dung trong EEPROM có thể được xóa và ghi lại bằng điện, tuy nhiên số lần ghi lại bị giới hạn.
Bộ nguồn cung cấp cho PLC hoạt động với hai loại điện áp là AC và DC, thường sử dụng điện áp từ 100 đến 240V với tần số 50/60 Hz Đối với nguồn DC, các giá trị phổ biến bao gồm 5V và 24V.
Nguồn nuôi bộ nhớ, thường là pin, giúp kéo dài thời gian lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ Khi dung lượng pin cạn kiệt, bộ nhớ sẽ tự động chuyển sang trạng thái tích cực để bảo vệ dữ liệu, do đó cần thay pin kịp thời để tránh mất mát thông tin quan trọng.
+ Cổng truyền thông: PLC luôn dùng cổng truyền thông để trao đổi dữ liệu chương trình, các loại cổng truyền thông thường dùng là: RS232, RS432,
RS 485.Tốc độ truyền thông tiêu chuẩn: 9600baud.
Dung lượng bộ nhớ của PLC loại nhỏ thường cố định, thường là 2K, chỉ đáp ứng khoảng 80% nhu cầu điều khiển công nghiệp Tuy nhiên, do giá thành bộ nhớ ngày càng giảm, các nhà sản xuất PLC đang trang bị bộ nhớ lớn hơn cho sản phẩm của họ.
Khối vào ra
Tất cả các hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC diễn ra ở mức điện áp 5V DC và 15V DC (thích hợp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển từ bên ngoài có thể có điện áp lớn hơn nhiều, thường dao động từ 24V DC đến 240V DC với dòng điện lớn.
Khối vào ra là mạch giao tiếp quan trọng giữa mạch vi điện tử của PLC và các mạch công suất bên ngoài, giúp kích hoạt các cơ cấu tác động Nó thực hiện việc chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly Đặc biệt, khối vào ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ dưới 2A, loại bỏ sự cần thiết của các mạch công suất trung gian hay rơle trung gian.
Có thể lựa chọn các thông số cho các ngõ ra, vào với các yêu cầu điều khiển cụ thể:
- Ngõ vào: 24V DC; 110V AC hoặc 220V AC
- Ngõ ra: Dạng rơle, transistor hay triac.
+ Loại ngõ ra dùng rơle: có thể nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp AC hay DC, cách ly dạng cơ nên đáp ứng chậm.
Triac là loại ngõ ra cho phép kết nối giữa cơ cấu tác động và nguồn điện AC hoặc DC với điện áp từ 5V đến 242V Mặc dù chịu dòng nhỏ hơn so với rơle, triac có tuổi thọ cao hơn và tần số đóng mở nhanh hơn, mang lại hiệu quả sử dụng tốt hơn trong nhiều ứng dụng.
+ Loại ngõ ra dùng transistor: Chỉ nối cơ cấu tác động làm việc với điện áp từ 5V đến 30V DC, tuổi thọ cao và tần số đóng mở nhanh.
Tất cả các ngõ vào và ra của hệ thống đều được cách ly quang bằng các khối cách ly quang, bao gồm một diode phát quang và một transistor quang Mạch cách ly này cho phép tín hiệu nhỏ đi qua, đồng thời giảm thiểu các tín hiệu điện áp cao xuống mức tiêu chuẩn Hơn nữa, mạch còn có khả năng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn điện cung cấp, có thể lên tới 1500V.
Thiết bị lập trình
Trên các PLC loại lớn, việc lập trình thường được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm VDU (Visual Display Unit), trong đó bàn phím và màn hình được kết nối với PLC qua cổng nối tiếp RS485 Các VDU không chỉ giúp lập trình ngôn ngữ ladder mà còn cho phép thêm chú thích vào chương trình, làm cho mã nguồn dễ đọc và dễ hiểu hơn.
GIỚI THIỆU VỀ PLC ZEN CỦA OMRON
Giới thiệu PLC
PLC, viết tắt của "Programmable Logic Controller", là bộ điều khiển có khả năng lập trình, cho phép con người lập trình và nạp vào bộ nhớ để thực hiện các quy trình điều khiển Nó là một mô-đun hóa của quá trình điều khiển thiết bị bằng vi mạch (IC) và được thiết kế dựa trên nguyên tắc kiến trúc máy tính PLC hoạt động như một máy tính công nghiệp, thực hiện các quy trình sản xuất và thường được lắp đặt ngay tại nơi sản xuất để tiện cho việc vận hành và giám sát.
- Hiện nay trên thế giới PLC được sản xuất rất đa dạng về chủng loại, do các hãng sản xuất như: Mitsubisi, Omron, Siements, Fefaus…
Giới thiệu bộ điều khiển lập trình ZEN của Omron
a, Các đặc trưng cơ bản cũng là ưu điểm của ZEN:
– Tiết kiệm khi điều khiển tự động hoá cỡ nhỏ.
Bộ xử lý trung tâm này có 12 đầu vào và 8 đầu ra, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển nhỏ như hệ thống cung cấp nước cho nhà cao tầng và điều khiển ánh sáng cho văn phòng.
– 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.
– Bảng điều khiển nhỏ hơn.
Zen có kích thước rất nhỏ 90 x 70 x 56 mm ( chiều cao x chiều rộng x chiều sâu ) rất thuận lợi cho việc lắp đặt.
– Dễ dàng trong việc lắp ráp và nối dây.
Việc lắp đặt trở nên đơn giản với một rãnh nhỏ ở mặt sau Các Timer và Counters có sẵn giúp người dùng chỉ cần nối dây cho nguồn cấp và các cổng vào ra Quá trình kết nối dễ dàng chỉ cần sử dụng 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 duy trì lưu trữ chương trình và dữ liệu cài đặt hệ thống ngay cả khi không có nguồn điện cho ZEN Thời gian, counter, holding timer và các bit làm việc vẫn được bảo toàn nhờ vào một nguồn nuôi dự phòng.
– Dễ dàng lưu trữ và copy chương trình.
Việc sử dụng băng từ nhớ giúp dễ dàng lưu trữ và sao chép chương trình, đồng thời cho phép lập trình và theo dõi hoạt động từ một máy vi tính.
Phầm mềm Zen Support cung cấp một cách hoàn chỉnh cho quá trình mô phỏng trên máy vi tính.
– Dung lượng đóng cắt lớn hơn.
Công tắc đầu ra có thể chịu dòng 8A (250VAC) Các công tắc đều độc lập với nhau.
– Đầu vào xoay chiều. Đối với CPU có nguồn cấp đầu vào xoay chiều, có thể kết nối trực tiếp với điện áp từ 100V đến 240V
Có thể đặt cho bit đầu ra 3 sự hoạt động khác nhau.
Mỗi Timer hỗ trợ 5 kiểu hoạt động và 3 kiểu thang chia thời gian, cùng với 8 holding Timers giúp duy trì trạng thái Timer ngay cả khi nguồn cấp bị ngắt Ngoài ra, Counter có khả năng đếm tăng và đếm giảm.
Có sẵn 16 Counter có thể điều khiển đếm tăng hoặc đếm giảm Sử dụng bộ so sánh có thể lập trình cho nhiều đầu ra từ 1 Counter.
Hỗ trợ Timer hoạt động linh hoạt theo ngày hoặc theo mùa, với khối CPU tích hợp chức năng đồng hồ và lịch Thiết bị này cho phép sử dụng 16 Weekly Timer và Calendar Timer, trong đó Calendar Timer hỗ trợ điều khiển theo mùa, còn Weekly Timer cho phép điều khiển theo từng ngày và giờ cụ thể.
– Đầu vào tương tự trực tiếp.
Khối CPU với đầu vào nguồn cấp 1 chiều có 2 đầu vào tương tự ( từ 0V đến 10V ) và 4 bộ so sánh tương tự.
– Bảo dưỡng dễ dàng hơn.
Sử dụng chức năng hiển thị của khối CPU để hiển thị tin nhắn do người sử dụng cài đặt về ngày, thời gian và các dữ liệu khác.
– Đèn màn hình sáng lâu hơn trong điều kiện làm việc tối.
Bạn có thể tùy chỉnh thời gian tắt đèn màn hình sau 2, 10 hoặc 30 phút, hoặc chọn chế độ đèn luôn sáng Ngoài ra, đèn màn hình sẽ tự động bật sáng khi có tin nhắn hiển thị.
Mạch lọc nhiễu đầu vào ngăn chặn nhiễu đầu vào.
– Sử dụng rộng rãi trên thế giới.
Có thể hiển thị 6 ngôn ngữ Hỗ trợ chức năng phân biệt giờ theo mùa. – Bảo mật chương trình.
Chương trình có thể được bảo vệ nhờ cài đặt password. b Phân loại Zen
Bộ lập trình Zen được phân biệt dựa vào các yếu tố sau:
– Sử dụng nguồn AC hay DC
Zen xoay chiều ( nếu nguồn cấp AC)
Zen một chiều ( nếu nguồn cấp DC)
– Có đồng hồ thời gian theo tuần và năm hay không.
– Có đầu vào Analog hay không.
Các loại ZEN phiên bản V2
Bộ xử lý trung tâm 10 cổng vào ra:
Bộ xử lý trung tâm 20 cổng vào ra:
Nối nguồn –ngõ vào – ngõ ra cho ZEN
- Cấu trúc bên ngoài của Zen
-Nối ngõ vào ra cho Zen
Đặc tính kỹ thuật
1 Đặc tính ngõ vào cho loại dùng nguồn AC Điện áp ngõ vào :100V đến 240v (+10%-15%) 50/60Hz
Tổng trở ngõ vào :0,15mA ở 100VAC,0,35mA ở 240VAC Điện áp đóng (mức 1); 80VAC min Điện áp đóng (mức 0); 25VAC max
Thời gian đáp ứng cần thiết cho trạng thái đống cắt là 50ms hoặc 70ms ở 100VAC (khi sử dụng chức năng lọc nhiễu ngõ vào) và 50ms hoặc 120ms ở 240VAC (cũng khi sử dụng chức năng lọc nhiễu ngõ vào) Đặc tính ngõ vào sử dụng nguồn DC với điện áp ngõ vào là 24VDC (+10%-15%).
Dòng điện ngõ vào ;5mA Điện áp đóng (mức 1); 16VDC min Điện áp đóng (mức 0); 5VDC max
3.Đặc tính ngõ ra alalog (I4,I5)
Khoảng điện áp ngõ vào :0Vđến 10v
Tổng trở ngõ vào :150kΩ Độ phân dải;0.1V
Dòng điện cực đại của tiếp điểm : 8A ở 250VAC,5V ở 24VAC
Tuổi Thọ của rơ le: VỀ điện 50.000 lần vận hành.
Về cơ 10 triệu lần vận hành
Thời gian đáp ứng cần thiết khi đóng :15 ms
Thời gian đáp ứng cần thiết khi ngắt :5 ms
5.Đặc tính kỹ thuật chung
Loại AC: 100VAC đến 240 VAC (cho phép 85 VAC-264VAC)
Loại DC: 24VDC (cho phép 20.4 VDC -26.4 VDC)
Loại DC 6,5VA max Điện trở cách nhiệt giữ nguồn AC cung cấp và đầu nối ngõ ra,đầu nối ngõ vào: 20MΩ min (ở 500VDC)
Nhiệt độ môi trường cho phép: 0 độ C đến 55 độ C Độ ẩm môi trường cho phép : 10% đến 90%
PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHÙ HỢP
Đặt vấn đề
Trước sự gia tăng nhanh chóng của phương tiện giao thông và sự phức tạp của hệ thống giao thông, tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng nghiêm trọng Để đảm bảo an toàn và thông suốt cho giao thông, việc áp dụng các hệ thống tín hiệu điều khiển và phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cần đáp ứng các yêu cầu quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn cho người tham gia giao thông.
- đảm bảo hoạt động một cách chính xác, liên tục trong một thời gian dài
- đảm bảo làm việc ổn định lâu dài
- dễ quan sát cho người đi đường
- chi phí nhỏ, tiết kiệm năng lượng.
Nguyên tắc hoạt động của đèn giao thông
Hệ thống đèn giao thông, hay còn gọi là đèn điều khiển giao thông, bao gồm hai cột đèn chính được lắp đặt ở hai đầu của các làn đường tại ngã tư Mỗi cột đèn có ba đèn chính: đèn xanh, đèn vàng và đèn đỏ.
Mỗi hệ thống đèn được trang bị một hộp điều khiển, nơi phát ra tín hiệu điều khiển cho đèn Tín hiệu này được truyền từ CPU qua các cổng ra, đi qua các rơle và cuối cùng đến hệ thống dây nối để điều khiển các đèn.
Từ 6 giờ -> 7 giờ các đèn làm việc ở chế độ 1
Từ 8 giờ -> 11 giờ các đèn làm việc ở chế độ 2
Từ 11 giờ -> 14 giờ các đèn làm việc ở chế độ 1
Từ 14 giờ -> 17 giờ các đèn làm việc ở chế độ 2
Từ 17 giờ -> 19 giờ các đèn làm việc ở chế độ 1
Từ 19 giờ -> 22 giờ các đèn làm việc ở chế độ 2
Từ 22 giờ -> 6 giờ ngày hôm sau các đèn làm việc ở chế độ 3
Chế độ 1: Xanh 10 giây, đỏ 20 giây, vàng 5
Chế độ 2: Xanh 20 giây, đỏ 30 giây, vàng 10
Chế độ 3: đèn vàng nhấp nháy 2 giây, tắt 2 giây
Lựa chọn phần cứng
Hệ Thống phần cứng sử dụng gồm :
+ PLC ZEN của OMRON loại PLC 10C4DR-D-V2
+ Cột tín hiệu giao thông bát giác 2,6-3,9m
+ Modul mở rộng ZEN-8E1DR
+ Đèn giao thông D200-Xanh-Vàng –Đỏ
+ Cáp lập trình ZEN-CIF01 cho PLC ZEN
Bộ CPU loại kinh tế có LCD
Nguồn đầu vào 6 (100-240VAC,12-24vDC
Số đầu vào 6(100-240VAC,12-24VDC),số đầu ra 4 role
Lịch đồng hồ có Đầu vào tương tự có
Mở rộng (module mở rộng tối đa được 3 mudule), số đầu vào ra 8 số đầu vao 4 số đầu ra 4 role
Phương phái điều khiển :Điều khiển theo chương trình đã lưu.
Phương pháp điều khiển đàu vào ra : Quét theo chu kỳ
Ngôn ngữ lập trình : Bậc thang
Dung lượng chương trình 96 dòng (gồm 3 đầu vào dòng vaf 1 dầu ra dòng 0
Số I/O tối đa của thiết bị là 44 đầu Đối với đầu vào AC, điện áp ON tối thiểu là 80VAC và điện áp OFF tối đa là 25VAC Còn đối với đầu vào DC, điện áp ON tối thiểu là 8VDC và điện áp OFF tối đa là 5VDC.
Bằng EEPROM hoặc card nhớ tùy chọn: chương trình điều khiển Thông số thiết lập
Ram lưu bằng tụ hoặc card nhớ tùy chọn : Bít có lưu Timer có counter có lưu bằng tụ hoặc card nhớ tùy chọn :Lịch đồng hồ
3.3.2 Cột tín hiệu giao thông bát giác 2.6-3.9m
Cột đèn tín hiệu giao thông , thân cột hình bát giác ,kiểu cột đơn chiều cao từ 2.6-3.9m ,lắp đèn giao thông dọc thân cột
3.3.3 Modul mở rộng ZEN-8E1DR
ZEN-8E1DR Modul mở rộng 4 vào DC, 4 ra role ,12-24 DC
3.3.3 Đèn giao thông D200-Xanh –Vàng –Đỏ Đèn giao thông D200-Xanh –Vàng –Đỏ Đèn tín hiệu giao thông do Châu Gia Phát sản xuất từ các linh kiện của Đài Loan,chuyên dụng cho đèn giao thông , có độ bền vượt trội
3.3.4 Cáp lập trình ZEN –CIP01 cho PLC ZEN
Cáp lập trình ZEN-CIF01 cho PLC ZEN Omron
Cáp lập trình ZEN-CIF01 cho PLC ZEN Omron
Hệ điều hành tương thích: Windows 2000 / XP / WIN 7, WIN 8.
Cáp lập trình ZEN-CIF01 hỗ trợ định dạng dữ liệu UART, cho phép người dùng dễ dàng sử dụng với hầu hết các ngôn ngữ lập trình.
Gọn nhẹ dễ dàng di chuyển mang theo, lắp đặt.
Cáp cho phép nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp.
Cáp lập trình ZEN-CIF01 có tốc độ xử lý dữ liệu nhanh, độ chính xác cao.
Chất liệu nhựa cao cấp, dây cáp mềm.
Nhiệt độ làm việc: -40 ° C ~ + 85 ° C.Chiều dài cáp: 3 m.
Nút nhấn chọn loại thường hở có đèn 16mm LA16-11M một cái.
THUẬT TOÁN, CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM
Giới thiệu phần mềm mô phỏng
Phần mềm mô phỏng ZEN-SOFT01-V4 thực hiện mô phỏng các PLC ZEN và các module mở rộng kèm theo.
Cho phép lựa chọn các loại PLC ZEN.
Cho phép giám sát các bít nhớ trong PLC khi đang hoạt động
Mô phỏng chương trình điều khiển đèn giao thông 3 chế độ
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Dưới sự hỗ trợ nhiệt tình của thầy Đoàn Ngọc Anh và các thầy cô trong khoa, nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án chuyên ngành đúng yêu cầu và thời gian quy định Trong quá trình thực hiện, chúng em đã hoàn thành nhiều công việc quan trọng.
Khảo sát phần mềm lý thuyết:
Giới thiêu tổng quan về PLC
Giới thiệu về phần cứng, phần mềm PLC ZEN của OMRON
Giới thiệu chương trình mô phỏng cho chương trình PLC
Viết chương trình điều khiển đèn giao thông tại các ngã tư.
Mặc dù nhóm đã nỗ lực hết mình, nhưng do hạn chế về kiến thức và thời gian, vẫn còn một số thiếu sót và nhầm lẫn Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn sinh viên để hoàn thiện đồ án này tốt hơn Sự bổ sung của quý vị sẽ giúp chúng tôi nâng cao chất lượng của đồ án.
Ưu điểm của phương pháp:
Chương trình hoạt động ổn định không bị nhiễu.
Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình.
Các timer đều được hỗ trợ nhiều kiểu hoạt động và trạng thái chia thời gian.