Tiểu Luận Thiết kế mô hình đèn giao thông phục vụ dạy học thao tác lập trình với ZEN của OMRON

Đề tài: Thiết kế mô hình đèn giao thông phục vụ dạy học thao tác lập trình với ZEN của OMRON

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 lư hoạt động của PLC 10
5. Vai tṛ của PLC trong hệ thống tự động hoá 12
II. Bộ điều khiển logic lập tŕnh 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 tŕnh 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 h́nh đèn giao thông 35
I. Bài toán thiết kế 35
II. Phơn 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
Chương 3
Xơy dựng bài giảng thực hành Zen 38

I. Cơ sở lư thuyết chung của phương pháp dạy học thực hành 38
1. Khái niệm về thực hành và dạy học thực hành kỹ thuật 38
2. Nhiệm vụ của dạy học thực hành 38
3. Phương pháp dạy học thực hành kỹ thuật 39
4. Cấu trúc của một bài dạy thực hành kỹ thuật 41
II. Xơy dựng bài thực hành lập tŕnh điều khiển trên Zen 43
1. Nội dung các bài thực hành trên Zen 43
2. Xơy dựng bài thực hành lập tŕnh Zen 44
Phụ lục 58
























PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Tự động hoá gắn với các thiết bị điều khiển logic lập tŕnh (PLC) đă và đang có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Các nhà máy xí nghiệp cũng đang dần nơng cao tỉ lệ tự động hoá dơy chuyền sản xuất để tăng tớnh cạnh tranh cho sản phẩm. Khi đó đ̣i hỏi người lao động phải sử dụng thành thạo các máy móc thiết bị. Chính v́ vậy, ở hầu hết các trường kỹ thuật và trường nghề người học đều được trang bị các kiến thức về PLC.
Tuy nhiên, việc học trong nhà trường c̣n nặng tính lư thuyết, ít được thực hành; cỏc phũng thớ nghiệm/thực hành th́ nghèo nàn về các mô h́nh thực hành nên hiệu quả dạy học của các môn học thuộc lĩnh vực này c̣n rất hạn chế.
Một phương pháp để nâng cao hiệu quả dạy và học của các môn học thuộc lĩnh vực này là tăng thời lượng thực hành và đầu tư nhiều hơn cho cỏc phũng thớ nghiệm/thực hành. Trong quá tŕnh học, người học được tiếp cận ngay với các ứng dụng thực tế thông qua làm việc trờn cỏc mô h́nh 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 pḥng 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 ḿnh đảm nhiệm, đồng thời giảm bớt chi phí cho cỏc phũng thớ nghiệm/thực hành, người giáo viên bộ môn bằng khả năng của ḿnh có thể tự chế tạo các mô h́nh đơn giản để hỗ trợ cho quá tŕnh dạy học.
Là một người giáo viên tương lai trong lĩnh vực dạy nghề, cùng với mong muốn nơng cao hiểu biết của ḿnh về các thiết bị điều khiển logic lập tŕnh được và ứng dụng chúng vào thực tế em đă chọn đề tài: “Thiết kế mô h́nh đèn giao thông phục vụ dạy học thao tác lập tŕnh với ZEN của OMRON”.






2. Mục đớch và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đớch:
- Nơng cao hiểu biết của ḿnh về các thiết bị điều khiển lập tŕnh được đặc biệt là Zen của Omron.
- Ứng dụng vào thực tiễn để đáp ứng được các lĩnh vực đ̣i 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 tŕnh được.
- Giới thiệu tổng quan về Zen và lập tŕnh với Zen của Omron.
- Thiết kế và chế tạo mô h́nh đèn giao thông .
3. Phạm vi nghiên cứu
Bản đồ án mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế chế tạo mô h́nh đèn giao thông phục vụ cho dạy học thao tác lập tŕnh Zen. Và phương pháp lập tŕnh 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 thông, chuông báo, đèn báo
Chưa áp dụng được với các bài toán điều khiển với số đầu vào ra lớn hay yêu cầu cầu liên kết mạng truyền thông giữa các Zen.
4. Nội dung
Bản đồ án gồm 3 phần:
Chương 1: Tổng quan về Zen và ứng dụng
Chương 2: Thiết kế mô h́nh đèn giao thông
Chương 3: Xơy dựng bài giảng thực hành Zen









CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ZEN VÀ ỨNG DỤNG

OMRON được thành lập tại Nhật bản năm 1933, OMRON được coi là một trong những hăng điện tử hàng đầu thế giới về công nghệ tự động hoá. Các thiết bị tự động của OMRON có chất lượng cao, được sản xuất với công nghệ mới nhất và rất đa dạng. Một trong những sản phẩm chính của OMRON là các bộ điều khiển logic lập tŕnh (PLC- Programmable logic controller), trong đú có bộ điều khiển logic lập tŕnh đơn giản ZEN.
ZEN được sản xuất từ năm 2001, có nhiều ưu điểm như : đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng ZEN có thể lập tŕnh được trực tiếp nhờ cỏc phớm bấm trờn mỏy mà không cần kết nối với máy tính. Tuy nhiên ZEN vẫn được thiết kế để có thể kết nối với máy tính hay bộ lập tŕnh để có thế sử dụng với các phần mềm cấp cao hơn. ZEN thường được sử dụng để lập tŕnh cho các bài toán điều khiển nhỏ và có đầy đủ tính chất của một thiết bị điều khiển logic lập tŕnh.

I. Giới thiệu chung về PLC
1. Khái niệm về PLC
PLC hay thiết bị điều khiển logic lập tŕnh được là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt sử dụng bộ nhớ lập tŕnh được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng như: thực hiện các phép toán logic, lập chuỗi, định giờ, đếm và các thuật toán để điều khiển máy và các quá tŕnh. PLC được thiết kế có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra và có thể lập tŕnh với ngôn ngữ lập tŕnh 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.
2. Lịch sử phát triển của PLC
Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đă đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đầu tiên cho thiết bị điều khiển logic lập tŕnh. 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 ḷ xo tiếp điểm. Mục đích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoại trong việc thay đổi chương tŕnh 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 tŕnh dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất. Với thiết bị điều khiển logic lập tŕnh, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ 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 đă xuất ra các thiết bị điều khiển logic lập tŕnh c̣n gọi là PLC.
Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đă đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này được lập tŕnh 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 đă 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 tŕnh 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 tŕnh đầu tiên của PLC tương tự như sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển logic, nờn các kỹ sư đă làm quen với sơ đồ thang dễ dàng thích nghi với việc lập tŕnh mà không cần phải qua một quá tŕnh đào tạo nào. Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trong thời gian đầu bị thất bại, cũng chớnh vỡ việc học sử dụng các phần mềm máy tính không dễ dàng ngay cả với các kỹ sư.
Khi các vi xử lư được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 - 1975, các khả năng cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn. Các PLC có trang bị vi xử lư có khả năng thực hiện các tính toán và xử lư số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Các PLC không chỉ dừng lại ở chỗ là các thiết bị điều khiển logic, mà nú cũn có khả năng thay thế cả các thiết bị điều khiển tương tự. Vào cuối những năm bảy mươi việc truyền dữ liệu đă trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử. Các PLC có thể điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trăm một. Cỏc PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển quá tŕnh sản xuất trở nên dễ dàng hơn.
Như vậy, thiết bị điều khiển logic lập tŕnh PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết bị “cứng” như các rơ le, cuộn hút và các tiếp điểm.
Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng ngh́n ứng dụng công nghiệp. Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lư nước thải, công nghiệp dược phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC v v. Các PLC có thể được kết nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá tŕnh điều khiển bằng thống kê, quá tŕnh đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thay đổi chương tŕnh điều khiển từ xa. Ngoài ra PLC c̣n được dùng trong hệ thống quản lư năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn pḥng công sở.
3. Cấu trúc chung của PLC
H́nh 1.1 là sơ đồ cấu trúc chung của PLC



H́nh 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 lư trung tâm, các mạch điện trong các module vào/ra và toàn bộ các hoạt động của PLC.
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 lư trung tâm CPU
Là bộ năo của PLC, điều khiển và xử lư mọi hoạt động bên trong PLC. CPU thường xuyên đọc chương tŕnh chứa trong bộ nhớ. Theo chỉ dẫn của chương tŕnh, bộ xử lư kiểm tra các thông tin từ đầu vào (cơ cấu điều khiển, cảm biến ). Sau đó ra lệnh cho các cơ cấu tác động thông qua các đầu ra.
3.3 Bus
Bus là tập hợp các mạch nối điện song song (mạch in hoặc cáp nhiều sợi) dùng để truyền các thông tin bên trong PLC. Thông tin trong PLC được truyền theo dạng nhị phân, hay nhóm bit, mỗi bit là một trạng thái on/off. Số lượng dây dẫn tạo thành Bus phụ thuộc vào thông tin cần truyền.
Hệ thống PLC có 4 loại Bus:
- Bus dữ liệu ( Data Bus )
- Bus địa chỉ ( Address Bus )
- Bus điều khiển ( Control Bus )
- Bus hệ thống ( System Bus )
Bộ xử lư trung tâm ( CPU ) sử dụng hệ bus dữ liệu để gửi dữ liệu qua các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động nội bộ. Bus hệ thống được dùng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị vào/ra. Các loại bus này có thể là loại hai chiều (truyền cả hai chiều cùng một lúc) hoặc là loại một chiều (chỉ truyền theo một hướng) tuỳ theo mục đích sử dụng.
3.4 Bộ nhớ
Bộ nhớ là tập hợp cỏc ụ nhớ dùng để lưu trữ chương tŕnh và dữ liệu. Mỗi ô nhớ là một phần tử vật lư có hai trạng thái đóng hoặc mở, gọi là các bit. Cỏc ụ nhớ được xác định bằng cách đánh địa chỉ.
Để xác định quy mô của bộ nhớ người ta đưa ra khái niệm dung lượng bộ nhớ. Dung lượng bộ nhớ được tính bằng số từ hay số bit mà bộ nhớ có thể chứa. Đơn vị dung lượng bộ nhớ thường được tính bằng byte.