SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN PLC CƠ BẢN NGÀNHNGHỀ Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ Cao đẳng Ban hành kèm theo Quyết định số 234QĐ CĐN ngày 05 tháng 8 năm. GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN PLC CƠ BẢN NGÀNHNGHỀ Điện công nghiệp
Giới thiệu chung về PLC
PLC là gì?
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là bộ điều khiển có khả năng lập trình được và hoạt động như một máy tính công nghiệp, thực hiện một chuỗi các quá trình sản xuất và thường được gắn trực tiếp trên dây chuyền sản xuất Nói cách khác, PLC là thiết bị điều khiển được trang bị các chức năng logic, tạo xung, đếm thời gian và thực hiện nhiều phép tính kỹ thuật ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất một cách linh hoạt và tin cậy.
Khả năng ứng dụng của PLC
Bộ điều khiển PLC được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp:
- Tự động hoá quá trrình cung cấp vật liệu cho quá trình sản xuất
- Tự động hoá các máy gia công cơ khí như: Máy khoan, Tiện, phay…
- Điều khiển hệ thống trạm bơm thuỷ lợi
- Điều khiển hệ thống đèn đường giao thông
- Đèn đường thắp sáng tự động…
- Tự động hoá lắp ráp các linh kiện điện - điện tử
- Điều khiển các thiết bị nâng chuyển như: Băng tải, cầu trục, cầu thang máy……
- Điều khiển rôbôt công nghiệp……
Đặc điểm của PLC
- Đấu nối các thiết bị ngoại vi với PLC đơn giản, rút ngắn thời gian lắp đặt công trình
- Dễ ràng thay đổi công nghệ cũng như nội dung chương trình
- Kết cấu mạch điện trong PLC nhỏ gọn, giảm được kích thước định hình
- Dễ thay đổi thiết kế nhờ phần mềm
- Ứng dụng điều khiển rộng rãi
- Thích ứng môi trường khắc nhiệt: Nhiệt độ, độ ẩm, điện áp không ổn định, tiếng ồn
- Phải có kiến thức về tin học
- Giá thành tương đối cao.
Điều khiển kết nối cứng và điều khiển lập trình
Điều khiển kết nối cứng là loại điều khiển có các chức năng được cố định bằng cách nối dây, vì vậy thay đổi chức năng đồng nghĩa với việc thay đổi kết nối điện Loại điều khiển này có thể thực hiện qua các tiếp điểm như rơ-le, khởi động từ, hoặc thông qua các mạch điện tử, mang lại sự ổn định và tin cậy cho hệ thống khi cần cấu hình điều khiển cố định.
Điều khiển lập trình (PLC) là loại hệ thống điều khiển có chức năng được cố định thông qua một chương trình, còn được gọi là bộ nhớ chương trình PLC gồm một thiết bị điều khiển kết nối với đầy đủ các bộ phát tín hiệu và đối tượng điều khiển cần thiết cho một chức năng cụ thể Khi chức năng điều khiển cần thay đổi, chỉ cần thay đổi chương trình bằng thiết bị chương trình tương ứng hoặc cắm một bộ nhớ chương trình đã lập trình sẵn khác vào trong điều khiển, giúp nâng cao tính linh hoạt và dễ bảo trì hệ thống.
Hình 1: Hai sơ đồ điều khiển trong công nghiệp
1.5 So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác a PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle
Việc phát triển hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đang dần thay thế hệ thống điều khiển bằng rơ le trong các quá trình sản xuất Khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, kỹ sư phải cân nhắc giữa hai phương án: hệ thống điều khiển lập trình và hệ thống điều khiển bằng rơ le, và thường lựa chọn PLC nhờ nhiều lợi ích nổi bật PLC mang lại sự linh hoạt trong lập trình, khả năng mở rộng và tích hợp dễ dàng với các hệ thống HMI/SCADA, giảm thiểu dây nối, tăng độ tin cậy và rút ngắn thời gian triển khai Bên cạnh đó, chi phí vận hành và bảo trì được giảm nhờ cấu trúc modular và khả năng chẩn đoán sự cố từ xa, giúp tối ưu hiệu suất sản xuất.
Chương trình điều khiển được thay đổi linh hoạt với độ tin cậy cao, kích thước thiết bị nhỏ gọn và khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra phù hợp ở dạng dòng và áp, giúp hệ thống vận hành ổn định và tiết kiệm không gian Cấu hình hệ thống máy móc sản xuất có thể dễ dàng điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu mở rộng trong tương lai mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hiện tại Đặc trưng của hệ thống điều khiển lập trình là phù hợp với các yêu cầu trên và về mặt kinh tế, thời gian, nó vượt trội so với hệ thống điều khiển cũ như rơ-le hay contactor Hệ thống này còn thuận lợi cho mở rộng trong tương lai vì không cần thay đổi hay loại bỏ hệ thống dây nối giữa điều khiển và thiết bị, chỉ cần cập nhật chương trình cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới So với máy tính cá nhân, PLC thể hiện sự khác biệt về khả năng thực thi thời gian thực, độ bền và khả năng tích hợp trong môi trường công nghiệp.
Máy tính thiếu các cổng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển và hoạt động không tối ưu trong môi trường công nghiệp Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không ở dạng ladder (hệ logic hình thang); ngoài việc dùng phần mềm chuyên biệt cho PLC, hệ thống còn phải thông qua các phần mềm trung gian khiến quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển trở nên chậm và kém tin cậy.
Qua máy tính, PLC có thể dễ dàng kết nối với các hệ thống khác và tận dụng bộ nhớ dung lượng lớn của máy tính làm bộ nhớ cho PLC Nhờ đó PLC cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả, mở rộng khả năng lưu trữ và tăng cường xử lý thông tin trong các hệ thống tự động hóa, đồng thời nâng cao tính tương tác và tích hợp giữa PLC với các thiết bị và phần mềm khác.
2 Bài toán điều khiển và giải quyết bài toán điều khiển Điều khiển hệ thống của 3 máy bơm qua 3 khởi động từ K1, K2, K3 Trình tự điều khiển như sau: Các khởi động từ chỉ được phép thực hiện tuần tự, nghĩa là K1 đóng trước, tiếp theo K2 đóng và cuối cùng K3 mới đóng Để thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu trên mạch điều khiển được thiết kế như sau:
Khởi động từ K2 sẽ đóng khi công tắc S3 đóng và K1 đã đóng trước đó, đây là một ví dụ của điều khiển tuần tự Quá trình điều khiển này được thực hiện một cách cưỡng bức, với bốn nút nhấn S1, S2, S3 và S4 đóng vai trò là các phần tử nhập tín hiệu để điều khiển quá trình khởi động.
Các tiếp điểm K1, K2, K3 và các mối nối liên kết là các phần tử xử lý Các khởi động từ K1, K2, K3 là kết quả xử lý
Nếu thay đổi mạch điện điều khiển ở phần xử lý bằng hệ PLC ta có thể biểu diễn hệ thống như sau:
- Phần tử vào: Các nút nhấn S1, S2, S3, S4 vẫn giữ nguyên
- Phần tử ra: Ba khởi động từ K1, K2, K3, để đóng và mở ba máy bơm vẫn giữ nguyên
- Phần tử xử lý: được thay thế bằng PLC
Sơ đồ kết nối với PLC được cung cấp như hình 2 Quá trình đóng mở theo thứ tự yêu cầu sẽ được lập trình và chương trình tương ứng sẽ được nạp vào bộ nhớ để thực thi.
Hình 3: Lưu đồ xử lý bằng PLC
Hình 4: Sơ đồ kết nối cứng PLC
Giả thiết nhiệm vụ điều khiển sẽ thay đổi: hệ thống vẫn gồm ba máy bơm nhưng trình tự hoạt động được điều chỉnh sao cho chỉ có thể đóng hai trong ba máy bơm hoặc cho phép mỗi máy bơm vận hành độc lập Vì vậy, hệ thống điều khiển bằng rơ-le điện sẽ phải thiết kế lại mạch để đáp ứng cả hai chế độ điều khiển này.
Hình 5 cho thấy sơ đồ mạch điều khiển cho 3 động cơ đã được thay đổi bằng một thiết kế mới Nhờ đó, mạch điều khiển sẽ thay đổi rất nhiều về cấu trúc và chức năng, nhưng các phần tử đưa tín hiệu vào và nhận tín hiệu ra vẫn giữ nguyên Vì vậy, chi phí cho nhiệm vụ mới sẽ cao hơn so với thiết kế trước, ảnh hưởng đến kế hoạch triển khai và ngân sách dự án.
Việc chuyển đổi hệ điều khiển hiện tại sang một hệ thống có nhớ PLC cho phép thực hiện các nhiệm vụ điều khiển nhanh hơn và đơn giản hơn bằng cách cập nhật lại chương trình Khi yêu cầu điều khiển thay đổi, việc sửa đổi và nạp lại chương trình trên PLC sẽ tối ưu hóa quá trình vận hành mà không cần thay đổi phần cứng, giúp tiết kiệm thời gian và tăng tính linh hoạt cho hệ thống.
Hệ điều khiển lập trình có nhớ (PLC) có những ưu điểm sau:
- Thích ứng với những nhiệm vụ điều khiển khác nhau
- Khả năng thay đổi đơn giản trong quá trình đưa thiết bị vào sử dụng
- Nhu cầu mặt bằng ít
- Tiết kiệm thời gian trong quá trình mở rộng và phát triển nhiệm vụ điều khiển bằng cách copy các chương trình
- Các thiết bị điều khiển chuẩn
- Không cần các tiếp điểm
Hệ thống điều khiển theo lập trình có nhớ được sử rộng rất rộng rãi trong các ngành khác nhau:
- Điều khiển các quá trình sản xuất khác nhau: sản suất bia, sản xuất xi măng v.v
- Hệ thống rửa ô tô tự động
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Nêu cấu trúc phần cứng của PLC S7-200, cách kết nối PLC với thiết bị ngoại vi, cách cài đặt phần mềm PLC- S7-200
- Trình bày được cấu trúc và nhiệm vụ các khối chức năng của PLC
- Xác định được cấu trúc bộ nhớ, cách xử lý chương trình và địa chỉ vào ra của PLC
- Biết được cách cài đặt phần mềm lập trình PLC
1 Cấu trúc của một PLC
Hình 1.1: Cấu trúc chung của một PLC Khối nguồn nuôi: nguồn trong các PLC thường là 24VDC
Module CPU là thành phần trọng yếu của PLC, gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ nhằm xử lý dữ liệu và điều khiển chương trình tự động Một số PLC sử dụng nguồn 220VAC cho module CPU, trong khi các PLC không có module nguồn sẽ được cấp nguồn từ nguồn bên ngoài CPU (central processing unit – đơn vị xử lý trung tâm) hoạt động kết nối với Module xuất nhập (I/O module) để nhận và xuất tín hiệu từ các thiết bị cảm biến và actuator, từ đó thực thi các chu trình điều khiển và tự động hóa trong hệ thống.
+ Module nhập (input module) được nối với các công tắc, nút ấn, các bộ sensor
… để điều khiển từ chương trình bên ngoài
+ Module xuất (output module) được nối với các tải ở ngõ ra như cuộn dây của relay, contactor, đèn tín hiệu, các bộ ghép quang …
Hệ thống bus truyền tín hiệu: hệ thống bus truyền tín hiệu gồm nhiều đường tín hiệu song song:
- Tuyến địa chỉ (address bus): chọn địa chỉ trên các khối khác nhau
- Tuyến dữ liệu (data bus): mang dữ liệu từ khối này đến khối khác
- Tuyến điều khiển (control bus): chuyển, truyền các tín hiệu định thì và điều khiển để đồng bộ các hoạt động trong PLC
Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ của PLC thông qua bộ lập trình cầm tay (programming console) hoặc bằng máy tính Hiện nay, một số loại PLC được thiết kế với các phím bấm tích hợp cho phép lập trình trực tiếp trên chính thiết bị mà không cần dùng bộ lập trình cầm tay hay máy vi tính.
2 Thiết bị điều khiển lập trình S7-200
2.1 Địa chỉ các ngõ vào/ ra a Cấu trúc phần cứng
S7-200 là một loại PLC (Programmable Logic Controller) nhỏ của hãng Siemens (CHLB Đức), có cấu trúc Modul và hệ thống các modul mở rộng cho phép ghép nối linh hoạt với nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Kiến trúc modular này cho phép người dùng chọn các module CPU, module đầu vào/đầu ra (I/O), nguồn cấp và phụ kiện đi kèm để phù hợp với yêu cầu tự động hóa cụ thể Thành phần cơ bản của S7-200 gồm bộ điều khiển CPU, các module I/O, nguồn cấp và các phụ kiện kết nối, đồng thời hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình và chuẩn giao tiếp công nghiệp nhằm tối ưu hóa quá trình triển khai hệ thống điều khiển.
200 là khối vi xử lý CPU 212, CPU 214, CPU 215, CPU 216, CPU 221, CPU 222, CPU 224, CPU 224XP, …
Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau của các loại CPU này nhận biết nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp
- CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng được mở rộng thêm bằng 2 modul mở rộng
- CPU-214(224) bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng
+ Tổng số ngõ vào / ra cực đại là 64 ngõ vào và 64 ngõ ra
+ 128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms