Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 1 - TS. Nguyễn Anh Tuấn

Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 1 - TS. Nguyễn Anh Tuấn được biên soạn nhằm giúp các bạn sinh viên hiểu về cấu trúc chung, nguyên lý làm việc của PLC; Nắm vững khái niệm các hệ thống điều khiển và các phần tử trong hệ thống điều khiển logic, lập trình PLC, mạng công nghiệp; Sử dụng PLC vào các ứng dụng điều khiển hệ thống công nghiệp; Vận hành, khai thác được các hệ thống tự động, bảo dưỡng bảo trì, hiệu chỉnh, thiết kế và cải tiến các hệ thống tự động sử dụng PLC. Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài giảng tại đây.

Trang 1

Bài giảng

PLC và Mạng Công Nghiệp

PLC and Industrial system

(ME 4501)

Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn

Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà nội

Email: tuan.nguyenanh@hust.edu.vn bktuan2000@gmail.com

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Trang 2

 MỤC TIÊU HỌC PHẦN ( ME 4501 2(2-1-0-4))

 Hiểu về cấu trúc chung, nguyên lý làm việc của PLC

 Nắm vững khái niệm các hệ thống điều khiển và các phần tửtrong hệ thống điều khiển logic, lập trình PLC, mạng côngnghiệp

 Sử dụng PLC vào các ứng dụng điều khiển hệ thống công nghiệp

 Vận hành, khai thác được các hệ thống tự động, bảo dưỡng bảotrì, hiệu chỉnh, thiết kế và cải tiến các hệ thống tự động sử dụngPLC

Trang 3

 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Dự lớp: đầy đủ theo quy chế.

- Bài tập: hoàn thành các bài tập của học phần.

- Bài tập lớn: hoàn thành đầy đủ các yêu cầu.

 Đánh giá kết quả: KT/BT(0.3)-T(TN/TL:0.7)

1- Điểm quá trình: trọng số 0.3

+ Điểm BTL, có báo cáo và bảo vệ

+ Kiểm tra giữa kỳ

2- Thi cuối kỳ (trắc nghiệm và tự luận): trọng số 0.7

Trang 4

STT Tài liệu tham khảo

[1] Bài giảng PLC và mạng công nghiệp (slide bài giảng)

[2] TS Nguyễn Trọng Doanh, Điều khiển PLC, NXB KHKT, 2013

[3] Dag H Hansen: Programmable Logic Controller, 2015

[4] Frank D Petruzella: Programmable Logic Controllers, 2017

[5] Phần mềm TIA Portal của Siemems

Trang 5

Mục lục

5 Cấu trúc và hoạt động của bộ nhớ PLC

4 Các mô đun vào ra

3 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC

2 Logic cứng và sự phát triển của PLC

1 Tổng quan về điều khiển logic

6 Mạng công nghiệp và các giao thức kết nối

7 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp

Trang 6

1.1 Các khái niệm cơ bản

1.2 Điều khiển logic

1.3 Đại số logic (Đại số Boole)

1.5 Hàm chính tắc

1.4 Các phương pháp biểu diễn hàm logic

1.Tổng quan về điều khiển logic

1.6 Tối thiểu hóa hàm logic

Trang 7

 Điều khiển (Control):

Ví dụ 1: Lái xe giữ vận tốc ổn định ở 45 km/h.

- Quan sát đồng hồ tốc độ => Thu thập thông tin

- Bộ não điều khiển: Nếu v <45km/h, tăng tốc, nếu v>45km/h,giảm tốc => Xử lý thông tin

- Giảm ga hoặc tăng ga => Tác động vào hệ thống (cơ cấu chấphành)

Kết quả là xe chạy với vận tốc “gần” bằng 45km/h

Trang 8

(cơ cấu chấp hành)

Hình 1.1 Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

=> Điều khiển được

hiểu là quá trình thu

thập, xử lý thông tin và

tác động đến hệ thống

nhằm đáp ứng với mục

đích đã định trước

Trang 9

 Điều khiển tự động

Hình 1.2 Điều khiển tự động nhiệt độ lò nhiệt

Cảm biến nhiệt

Bộ điều khiển

Van điều khiển

Trang 10

 Hệ thống điều khiển:

 Hệ thống điều khiển : là một hệ thống mà đầu ra của nó có thể được quản lý, kiểm soát hoặc điều chỉnh bằng cách thay đổi đầu vào.

HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN

Hình 1.3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển

Trang 11

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển vòng hở

MÁY GIẶT

Tín hiệuđiều khiển

Trang 12

 Hệ thống điều khiển

 Hệ thống điều khiển vòng kín : là hệ thống có tác động điều

khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ ra Hệ thống điều khiển vòng kín

còn được gọi là hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control

systems)

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Tín hiệu vào

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển vòng kín

CẢM BIẾN

Tín hiệu ra

Sai lệch

CƠ CẤU CHẤP HÀNH

TínhiệuĐK

SO SÁNH

Trang 13

1 Tổng quan điều khiển logic

Hành trình thực tế Sai lệch

Hình 1.5 Điều khiển lái trên ô tô

Trang 14

 Hệ thống điều khiển

6

 Ví dụ về hệ thống điều khiển vòng kín

Trang 15

Trang 16

= 4096 + 2560 + 176 + 3 = 683510

Trang 17

Trang 18

 Cách chuyển đổi các hệ đếm

 Chuyển từ hệ a sang b ta cần phải thông qua hệ số 10.

- Khi chuyển 1 số có n số hạng từ một hệ số bất kì qua hệ số 10 ta lấytổng của các số hạng nhân với hệ số đó mũ i, i = 0  n-1,

VD: 1010102 = 1*25 + 0*24 + 1*23 + 0*22 + 1*21 + 0*20

= 32 + 0 + 8 + 0 + 2 + 0 = 42101AB316 = 1*163 + A*162 + B*161 + 3*160

= 4096 + 2560 + 176 + 3 = 683510

12

- Khi chuyển từ hệ 10 sang các hệ số

khác (R), ta chia dư cho hệ đó (ví

dụ từ hệ 10 sang hệ 2 ta chia 2, từ

hệ 10 sang hệ 16 ta chia 16) hay ta

phân tích số đó thành tổng các số Ri

Trang 19

 Cách chuyển đổi các hệ đếm

 Chú ý: Do mỗi chữ số của hệ

thập lục phân được biểu diễn

bằng 4 bit nhị phân, nên ta

thường nhóm thành 4 bit một

rồi chuyển từ nhị phân sang

thập lục phân theo 4 bit đó

Trang 20

Trang 21

 Mã BCD (Binary Coded Decimal)

 Hệ thống BCD cung cấp phương tiện chuyển đổi mã do con người xử lý (thập phân) thành mã do thiết bị xử lý (nhị phân) dễ dàng.

 Mã BCD là mã gán thẳng của mã nhị phân tương ứng

 Hệ thống BCD sử dụng 4 bit (1 Nibble) từ 0000 đến 1001

để biểu diễn mỗi chữ số thập phân từ 0 đến 9 (Bảng 2).

 Trọng số của mã BCD là 8, 4, 2, 1 (4 bit trọng số)

Trang 22

Trang 23

Ví dụ chuyển 48910 sang BCD

Ví dụ chuyển 0011 0100 1001 0101 từ mã BCD sang thập phân

Trang 24

Ví dụ: Ứng dụng mã BCD trong thực tế:

Bộ công tắc vòng xoay trong PLC:

số thập phân được chọn

Bảng mạch kết nối cho mỗi bit

Đầu ra công tắc vòng xoay tương đương với

dữ liệu BCD 4 bits

Mô đun đầu vào PLC

Ta dùng hệ BCD khi

các thông tin thập

phân cần trực tiếp

đưa vào đầu vào và ở

đầu ra cho thấy kết

Trang 25

Ví dụ: Ứng dụng mã BCD trong thực tế:

Hiển thị LED bằng PLC

Để hiện thị các số thập

phân, người ta sử dụng

bộ giải mã 4/7 bit, với 4

bit đầu vào mã BCD và 7

bit đầu ra tương ứng với

một chữ số thập phân

biễu diễn bằng tinh thể

thạch anh lỏng (LED 7

đoạn)

Trang 26

 Mã Gray (Gray code)

 Mã Gray hay còn gọi là

từ số này sang số tiếp

theo, chỉ có một bit thay

đổi

Trang 27

 Mã Gray (Gray code)

Sử dụng mã Gray 4 bit để phát hiện những thay đổi về vị trí góc (Encorder)

Trang 28

 Mã ASCII ( American Standard Code for Information

Trang 29

 Mã ASCII (American Standard Code for Information

Trang 30

 Ví dụ về điều khiển logic

Trang 31

 Điều khiển logic giải quyết các vấn đề sau:

 Hệ thống có các chế độ làm việc khác nhau, tuân theo

lệnh điều khiển từ bên ngoài

 Chuyển từ chế độ này sang chế độ khác theo một trình tự,

điều kiện xác định

 Đảm bảo trình tự thời gian và sự tương tác giữa các bộ

phận

 Phản ứng tức thời trước một số sự kiện

Trang 32

 Các lĩnh vực nghiên cứu của điều khiển logic

 Khoa học máy tính (Computer Science)

 Lập trình (Programming)

 Mô phỏng (Simulation)

 Truyền thông (Communication)

 Các hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial systems control)

Trang 33

 Mức logic

Trang 34

Trang 35

Trang 36

 Logic hai trạng thái

 Trong đời sống: Các tính từ chỉ hai trạng thái đối lập nhau như: Sạch  Bẩn; Đắt  Rẻ; Sáng  Tối; Tốt  Xấu; Giỏi  Dốt;

=> 0 hoặc 1 được gọi là giá trị logic

Trang 37

 Logic hai trạng thái

 Giá trị “ 0 ” đặc trưng cho trạng thái của một sự vật hiện tượng, giá trị “ 1 ” đặc trưng cho trạng thái đối lập của sự vật hiện tượng đó.

 Xây dựng các cơ sở toán học để tính toán các hàm và biến chỉ lấy hai giá trị 0 và 1 => hàm và biến logic

 Cơ sở toán học để tính toán các hàm và biến logic gọi là đại

số logic hay đại số Boole

Trang 38

 Đại số Boole được phát minh bởi nhà toán học Anh George Boole vào năm 1854

 Đại số Boole để nghiên cứu các sự vật, hiện tượng có hai trạng thái đối lập.

 Để biểu diễn (lượng hóa) trạng thái đối lập: 0 và 1.

Trang 39

 Tương tự các hệ đại số khác được xây dựng thông qua những

vấn đề cơ bản sau:

 Miền (domain) là tập hợp (set) các phần tử (element)

 Các phép toán (operation) thực hiện được trên miền

 Các định đề (postulate), hay tiên đề (axiom) được công nhận

không qua chứng minh

 Tập các hệ quả (set of consequences) được suy ra từ định đề,

định lý (theorem), định luật (law) hay luật(rule)

Trang 40

 Các phép toán trong đại số Boole thực hiện trên các biến có 2

giá trị 0 và 1.

 Các phép toán trong đại số Boolean gồm

 Cộng luận lí (cộng logic): ‘+’ hay OR

 Nhân luận lí (nhân logic): ‘ ‘ hay AND

 Phép bù: ‘-’ hay NOT

  A A NOT  A AND B  A . B A OR B  A  B

B A B

A B

NOR

B A

AB B

NAND

Trang 41

Trang 42

1.3 Đại số Boole

 Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, …, xn)

1 biến nhận 2 giá trị (0 hoặc 1) → n biến nhận 2n tổ hợp biến; mà

1 tổ hợp biến nhận 2 giá trị (0 hoặc 1)

Trang 43

 Các hàm logic cơ bản- Hàm 1 biến: y = f(x), 2^(2n) = 4 hàm

35

1

Hàm luôn =0

Hàm luôn =1

Trang 44

 Các hàm logic cơ bản- Hàm 2 biến: y = f(x1, x2), 2^(2n) = 16 hàm

35

y0

Trang 45

 Các hàm logic cơ bản- Hàm 2 biến: y = f(x1, x2)

35

Trang 46

Trang 47

Ta nhận thấy rằng, các hàm đối xứng nhau qua trục nằm giữa y7 và y8, nghĩa là

Trang 48

 Các tính chất cơ bản

Trang 51

 Một số hệ thức cơ bản thường dùng

Trang 52

 Để biểu diễn hàm logic, ta có thể biểu diễn bằng 4 cách:

 Biểu diễn bằng bảng trạng thái

 Biểu diễn bằng phương pháp hình học

 Biểu diễn bằng biểu thức đại số

 Biểu diễn bằng bảng Karnaugh (bìa Các nô)

Trang 53

 Biểu diễn bằng bảng trạng thái

Để biểu diễn hàm lô gíc n biến thì bảng trạng thái phải bao gồm n+1 cột (n cột cho tương ứng với n biến và một cột cho giá trị hàm) và 2 n hàm tương ứng với 2 n tổ hợp biến.

Ta nhận thấy rằng phương pháp này là dễ nhìn, ít nhầm lẫn Tuy nhiên phù hợp với các hàm có số biến nhỏ, vì với số biến lớn bảng sẽ cồng kềnh.

Ví dụ: Đối với hàm ba

biến f(x1, x2, x3), ta có

bảng trạng thái như sau:

Trang 54

 Phương pháp biểu diễn bằng hình học

Với phương pháp hình học hàm n biến được biểu diễn trong không gian n chiều, mỗi tổ hợp biến được biểu diễn thành một điểm trong không gian Phương pháp này rất phức tạp khi số biến lớn nên thường ít dùng.

 Phương pháp biểu diễn bằng biểu thức đại số

Với bất kỳ hàm logic n biến nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng hàm tổng chuẩn đầy đủ hay hàm tích chuẩn đầy đủ của các biến.

Trang 55

- Hàm tổng chuẩn đầy đủ sẽ là tổng của các tích đó.

Ví dụ: Với hàm 3 biến thể hiện trên bảng được biểu diễn dưới dạng tổng

chuẩn đầy đủ là:

Trang 56

Trong mỗi tổng các biến có giá trị 0 được

giữ nguyên, còn các biến có giá trị 1 được

lấy đảo; Các tổng gọi là Maxtec Mi

- Hàm tích chuẩn đầy đủ sẽ là tích của các tổng đó.

Ví dụ: Với hàm 3 biến trên bảng, biểu diễn dưới dạng tích chuẩn đầy đủ là

= M1 M3 M4 M6 M7

Trang 57

 Biểu diễn bằng bìa Karnaugh

- Bìa Karnaugh là một công cụ dùng để đơn giản hóa các biểu thức trong đại số Boole.

- Bìa Karnaugh là một bảng biểu diễn trạng thái của các tổ hợp biến Với một hàm có n biến sẽ có 2 n ô tương ứng với số tổ hợp biến trạng thái Đánh số thứ tự các ô trong bảng tương ứng với giá trị của tổ hợp biến.

- Giá trị các biến được sắp xếp theo thứ tự mạch vòng Các ô cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chỉ cho phép khác nhau về giá trị của một biến.

- Trong các ô ghi giá trị của hàm tương ứng với giá trị của tổ hợp biến đó.

- Bìa Karnaugh phù hợp nhất trong khoảng từ 2 đến 6 biến,

Trang 58

 Biểu diễn bằng bìa Karnaugh

Ví dụ: Bảng Karnaugh của Hàm 2 biến, y=1,2 và N=3

Ví dụ: Bảng Karnaugh của Hàm 3 biến, y=1,3,5 và N=2,4,7

Trang 59

Trang 60

1.5 Hàm logic dạng chính tắc

 Bảng so sánh

Người ta chứng minh được rằng, một hàm logic n biến bất kỳ bao giờ cũng

có thể biểu diễn thành các hàm tổng chuẩn đầy đủ và tích chuẩn đầy đủ

Trang 61

 Ví dụ

Xét hàm 3 biến y = f (x1, x2, x3) với giá trị của hàm được cho trong bảng trạng thái/ chân lý

Trang 62

 Ví dụ

 Hàm dạng tổng chuẩn đầy đủ Mỗi tích được gọi là mintec mi

 Hàm dạng tích chuẩn đầy đủ Mỗi tổng được gọi là Maxtec Mi

= M1 M4 M5 M7

 Hàm biểu diễn bằng bảng Karnaugh (bìa Các nô)

- Lập bảng có 2 n ô, mỗi ô đánh số thứ tự tương ứng với 1 tổ hợp biến

- Các ô cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chỉ cho phép khác nhau về giá trị của 1 biến.

- Trong các ô ghi giá trị của hàm tương ứng với giá trị tổ hợp biến

Trang 63

 Mỗi hàm lô gíc có thể được biểu diễn bằng các biểu thức lô gíc khác nhau, mỗi biểu thức này sẽ tương ứng với một mạch điện thực hiện chức năng của hàm Biểu thức đơn giản thì hàm sẽ đơn giản

 Một biểu thức gọi là tối giản nếu nó có số lượng số hạng và số biến ít nhất.

 Có 2 phương pháp tối thiểu hóa thông dụng: Tối thiểu bằng biến đổi đại số

và tối thiểu bằng dán bìa Karnaugh

 Tối thiểu hóa mang ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật lớn, đặc biệt là khi tổng hợp các mạch lô gíc phức tạp

 Khi chọn được một sơ đồ tối giản sẽ có số biến thiết bị cũng như các thiết bị kết nối tối giản => giảm được chi phí vật tư cũng như giảm đáng kể xác suất hỏng hóc do số phần tử lớn.

Trang 64

 Tối thiểu hóa bằng biến đổi đại số

 Phương pháp này sử dụng các tiên đề và tính chất của đại số Boole.

 Ví dụ tối thiểu hàm logic y  abc  abc  abc  abc

Dựa và tính chất đại số Boole: abc + abc + …+ abc = abc

Nên ta có

 Ta thấy rằng do tính trực quan của phương pháp nên nhiều khi kết quả đưa

ra vẫn không biết rõ là đã tối thiểu hay chưa Như vậy đây không phải là phương pháp chặt chẽ để cho phép tự động hoá quá trình tối thiểu hoá hàm logic.

Tiêu đề	Bài giảng PLC và Mạng Công Nghiệp
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Anh Tuấn
Trường học	Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công nghệ Thông tin và Điện tử
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,88 MB