Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 3 - TS. Nguyễn Anh Tuấn

Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 3 - TS. Nguyễn Anh Tuấn được biên soạn nhằm giúp các bạn sinh viên nắm được các kiến thức trọng tâm về: Các phần tử cơ bản trong PLC; Cấu trúc và hoạt động của Accu và các bộ nhớ Register; Cách ghi địa chỉ; Cấu trúc chương trình điều khiển; Các ngôn ngữ lập trình 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

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

Mục lục

7 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp

Trang 5

3 Cấu trúc và NLHĐ của PLC 3.1 Các phần tử cơ bản của PLC

Mô-đun đầu ra

Mô-đun truyền thông

Cấu trúc cơ bản của PLC

 Cấu trúc chung:

Trang 6

Mô đun nguồn

CPU,

Bộ nhớ

Mô đun vào/rasố

Mô đun vào/ra tương tự

Môđuntruyềnthông

Trang 7

Trang 8

CPU, Bộ nhớ,

Mô đun nguồn

Mô đun vào/ra số/tương tự

Mô đun

truyền thông

Trang 9

Cấu trúc chung của PLC

Trang 10

3 Cấu trúc và NLHĐ của PLC

3.1 Các phần tử cơ bản của PLC

 Cung cấp nguồn điện cho CPU, các mô-đun vào/ra

 Có thể được tích hợp sẵn trên PLC hoặc có thể là mô-đun độc lập

 Các mức điện áp phổ biến 220VAC, 110VAC hoặc 24 VDC

 MÔ-ĐUN NGUỒN

Simatic S7-300 PLC Module PS307 24V/5A

Technical Specifications

Made in Germany Label Siemens PLC Module Serial No 6ES7307-1EA01-0AA0 Product Class Siemens PLC S7-300 Product PS 307

Power supply 24 V/5 A Input 1-phase AC Output Controlled, isolated DC voltage Weight 0.6 kg

Trang 11

 CPU, bộ điều khiển (Controller) hay bộ xử lý (Proccessor) là bộ não của PLC

 CPU có chức năng xử lý chương trình, quản lý bộ nhớ, đưa ra các quyết địnhcần thiết để vận hành và giao tiếp với các mô-đun khác

 Bộ vi xử lý có thể khác nhau về tốc độ xử lý và tùy chọn bộ nhớ

 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM CPU ( Central Processing Unit ):

CPU

Hệ điều hành Bộ nhớ trung

gian Bit nhớ Timer Counter Bus

Cấu trúc CPU của PLC

Trang 12

Chu kỳ quét của PLC khoảng 1 - 100 ms

Trang 13

Vòng quét PLC khoảng 1 - 100 ms

Trang 14

 Mô-đun đầu vào là kênh để kết nối với

các thiết bị ngoại vi: Các công tắc, các

loại tiếp điểm, cảm biến,… và truyền tín

hiệu tới bộ vi xử lý

 Mỗi cổng INPUT được PLC sử dụng có

một địa chỉ duy nhất

 Đầu vào có thể là tín hiệu số (DI) hoặc

tín hiệu tương tự (AI)

 Nguồn sử dụng cho mô đun đầu vào có

thể là nguồn điện 24VDC, hoặc nguồn

điện xoay chiều 110VAC, 220VAC

 CÁC MÔ-ĐUN ĐẦU VÀO (INPUT)

Kết nối đầu vào các thiết bị(PLC Allen Bradley)

Trang 15

 CÁC MÔ-ĐUN ĐẦU RA (OUTPUT)

 Mô-đun đầu ra là kênh để kết nối với

các tải ở ngõ ra như cuộn dây của

relay, contactor, đèn tín hiệu, các bộ

ghép quang,…

 Mỗi cổng OUTPUT (DO/AO) được

PLC sử dụng có một địa chỉ duy nhất

 Nguồn sử dụng cho mô-đun đầu ra có

thể là nguồn điện 24VDC, hoặc

nguồn điện xoay chiều 110VAC,

220VAC

Kết nối đầu ra với các thiết bị (PLC Allen Bradley)

Trang 16

 KẾT NỐI SINK/SOURCE ĐẦU VÀO/ RA (I/O)

Input SINK: tức dòng đi VÀO, đấu COM

or S/S với (+) Cũng có thể gọi kiểu đấu

nối này là NPN

Output PLC source: tức dòng đi RA, đấu COM or S/S với (+), xuất (+) cho tải

Output PLC sink: dòng đi VÀO, đấu COM or S/S với (-), xuất (-) cho tải

Input SOURCE: tức dòng đi RA, đấuCOM or S/S với (-), cảm biến, nút ấn xuất (+) vào input PLC Kiểu đấu nối này là PNP, kiểu này phổ biến hơn NPN

Trang 17

 KẾT NỐI SINK/SOURCE ĐẦU VÀO/ RA (I/O)

Input PLC source: tức dòng đi ra, đấu com (-), cảm biến, nút ấn

xuất (+) vào input PLC.

Input PLC sink ngược lại.

Output PLC source: tức dòng đi ra, đấu com (+), xuất (+) cho tải Output PLC sink: dòng đi vào, đấu com (-), xuất (-) cho tải

Input PLC source Output PLC source

Trang 18

 BỘ NHỚ

a ROM (Read Only Memory)

b RAM (Random Access Memory)

c PROM (Programable Read Only

Memory)

d EPROM (Erasable Programable Read

Only Memory)

e EAPROM (Electronically Alterable

Programable Read Only Memory)

f FLASH (Bộ nhớ tĩnh điện kiểu NAND or

NOR, có thể đọc ghi trên từng ô nhớ (cell))

Trang 20

chiều của các tế bào nhớ, mỗi tế

bào có thể chứa một bit đơn của

thông tin dưới dạng là giá trị 0

hay 1

 Bit nhớ được bật lên trạng thái

ON nếu giá trị lưu trên đó là 1

và OFF nếu là lưu giá trị 0 M3.4: Truy suất bit thứ 4 của byte thứ

3 thuộc vùng nhớ M

Trang 21

3.2 Cấu trúc và hoạt động của các ACCU và bộ nhớ

 Bit nhớ

 Một byte được định nghĩa là một nhóm nhỏ nhất của các bit mà CPU có

thể xử lý được đồng thời trong một lần Trong các thiết bị điều khiển PLC

byte có cỡ thông thường là 8 bit và một Word có cỡ là 2 byte hay 16 bit

IB1

MW2

Trang 22

3.2 Cấu trúc và hoạt động của các ACCU và bộ nhớ

 Thanh ghi (Register)

- Thanh ghi là bộ nhớ 16 bit hay 32 bit để lưu

trữ tạm thời khi PLC thực hiện quá trình tính

toán.

- Thanh ghi chốt (Latch register) duy trì nội

dung cho đến khi nó được chồng lên bằng nội

dung mới

- Thanh ghi chuyên dùng (Special register)

- Thanh ghi tập tin hay thanh ghi bộ nhớ

chương trình (Program memory registers)

- Thanh ghi điều chỉnh giá trị được từ biến

trở bên ngoài (External adjusting register)

- Thanh ghi chỉ mục (Index register).

Trạng thái tác động ON

Trang 23

3.3 Cách ghi địa chỉ trong PLC

 Mỗi đầu vào/ra phải có một địa chỉ xác định trong bộ nhớ của PLC

 Bộ xử lý tín hiệu sẽ lấy các giá trị của bit nhớ tương ứng với biến vào vàbiến ra, nơi mà chúng được gán địa chỉ trong chương trình điều khiển củaPLC, để xử lý và tạo tác động điều khiển ra thiết bị bên ngoài

 Mỗi điểm đấu trên các mô đun vào/ra, có thể được nối dây đến thiết bịhiện trường, chiếm 1 bit trong bộ nhớ của PLC tương ứng với miền nhớvào hoặc miền nhớ ra

 Phần của bộ nhớ chứa địa chỉ vào/ra được gọi là miền ảnh vào và miềnảnh ra

 Đặc điểm

Trang 24

 Cấu trúc của địa chỉ

 Địa chỉ là các chữ số, ở đó cho

biết đó là ngõ vào hoặc ngõ ra

 Mỗi đơn vị chính của các ký

hiệu I/O được gắn với hệ sơ số 8

 PLC Mitsubishi (họ PLC FX)Ngõ vào: X (X000 X007, X010÷X017,…), Ngõ ra: Y (Y000 ÷ Y007, Y0010÷Y017,…)

 PLC SiemensNgõ vào: I (I0.0  I0.7, I1.0÷I1.7,…), Ngõ ra: Q (Q0.0 ÷ Q0.7)

 PLC Allen BradlyNgõ vào : I (I001/01  I007/07, …), Ngõ ra: O (O001/01  O007/07, …)

Trang 26

 Các cổng vật lý vào/ra được cung cấp các miền nhớ ảnh I/O tương ứng (vídụ: I0.2, Q1.3) Miền nhớ ảnh này được định nghĩa khi cấu hình PLCtrong chương trình

 Để truy suất trực tiếp vào cổng vật lý ta thêm vào ký tự ‘:P’; ví dụ: I0.2:P,Q1.3:P

 Các truy suất tới cổng vật lý I_:P chỉ cho phép đọc, Q_:P chỉ cho phép ghi.Còn các truy suất I, Q có thể đọc và ghi

 Việc truy suất trực tiếp vào cổng vật lý cho phép đọc/ghi ngay lập tức dữliệu chứ không phải như trên miền bộ nhớ ảnh (I, Q) là thông tin của vòngquét cuối cùng

Trang 27

 Để truy suất các biến có kiểu dữ liệu như Int, Word, Real,… Các biếnđược xác định theo cấu trúc gồm các thành phần:

- Định danh vùng: I, Q, M

- Ký hiệu kích thước dữ liệu: B (Byte), W (Word) hay D (Double Word)

- Địa chỉ byte bắt đầu của dữ liệu

Ví dụ: IB1, MW2, QD20 IB1

MW2

Trang 28

3.4 Cấu trúc chương trình điều khiển

 Tiêu chuẩn IEC 61131-3

 Tiêu chuẩn đầu tiên về ngôn ngữ lập trình được xuất bản vào tháng 3năm 1993 và được chỉ định là IEC 61131‐3

 Tiêu chuẩn hiện đang được hầu hết các nhà sản xuất PLC lớn tuântheo ở mức độ lớn hơn hoặc thấp hơn, bao gồm các ngôn ngữ lập trìnhkhác nhau:

1 Văn bản có cấu trúc - ST 4 Danh sách hướng dẫn – IL

2 Sơ đồ khối chức năng - FBD 5 Biểu đồ chức năng tuần tự - SFC

3 Sơ đồ bậc thang – LD

Trang 29

 Cấu hình và cấu trúc chương trình

Cấu hình

- Mức cao nhất trong cấu trúc phần mềm

được gọi là cấu hình và đây là ký hiệu cho

hệ thống điều khiển khả trình.

- Các hệ thống điều khiển lớn hơn có thể bao

gồm mạng của một số cấu hình Do đó, một

cấu hình cũng được định nghĩa là một giao

diện truyền thông với các cấu hình khác.

- Các biến toàn cục và các biến địa chỉ trực

tiếp , ví dụ, I / O, cũng có thể được khai báo

ở mức cấu hình

Trang 30

Tài nguyên

Mỗi tài nguyên có thể chứa một hoặc

nhiều chương trình Trình bày trong Hình

cho thấy một cấu hình bao gồm một tài

nguyên.

Nhiệm vụ

Một nhiệm vụ có thể được sử dụng

để kiểm soát cách chương trình trong tài

nguyên được thực hiện Mỗi tài nguyên có

thể chứa một hoặc nhiều nhiệm vụ được

khai báo.

Trang 31

Các biến

- Các biến được sử dụng để xác định các đối tượng dữ liệu có thể thay đổinội dung Đây có thể là dữ liệu được liên kết với đầu vào và đầu ra hoặc

dữ liệu trong bộ nhớ của PLC

- Các biến phải được khai báo và phải đồng thời chỉ ra loại thông tin màbiến sẽ chứa bằng cách chỉ ra một trong một số kiểu dữ liệu đã xác định,

ví dụ: BOOL, INT hoặc WORD

Chương trình con, hàm và khối hàm (FB)

Thông thường một chương trình sẽ chứa các lệnh gọi hàm và FB,nhưng cũng có thể (và đơn giản) để gọi một chương trình từ một chươngtrình khác

Trang 32

3 Cấu trúc và NLHĐ của PLC 3.5 Các ngôn ngữ lập trình PLC

 Ngôn ngữ lập trình PLC chia làm 2 loại:

• LAD (Ladder Diagram)

• FBD (Function Block Diagram)

• SFC (Sequential Function Chart)

Trang 33

3.5 Các ngôn ngữ lập trình PLC

 LD (Ladder diagram) là ngôn ngữ lập trình

PLC đồ họa dạng hình thang Là ngôn ngữ

thông dụng và đơn giản.

 Cấu trúc của ngôn ngữ LD cũng tương tự

như sơ đồ lô gíc cứng của mạch điện điều

khiển

Đặc điểm cấu trúc:

+ Hai thanh nguồn (Power rails):

+ Các điều kiện: gồm các tiếp điểm NO, NC (Contacts) đại diện cho các biến lô gíc đầu vào được nối với nhau theo dạng mạch lô gíc (AND, OR,…)

+ Các hoạt động: gồm cuộn dây đầu ra (Coils) đại điện cho đầu ra

+ Tạo mạch phản hồi: tên tiếp điểm trùng với tên cuộn dây

 Ngôn ngữ LAD/LD (Ladder Diagram)

Power rails

Trang 34

Tương tự giữa mạch rơ le và LD

Chương trình sẽ được PLC đọc và xử lý

tuần tự từ trái sang phải và từ trên xuống

dưới:

PLC sẽ quét các điều kiện trên thanh

ngang 1 được thỏa mãn thì các hoạt động

trên đó cũng được thực hiện Lần lượt đến

các thanh ngang 2, 3,…

Trình tự quét chương trình

Trang 35

STT Tên Ký hiệu Chức năng

1 Tiếp điểm thường

mở NO

Khi biến có giá trị bằng 1 thì tiếp điểm này sẽ đóng lại

2 Tiếp điểm thường

đóng NC

Khi biến có giá trị bằng 0 thì tiếp điểm đóng lại

3 Tiếp điểm phát

hiện sườn lên

Phát hiện trạng thái của biến thay đổi từ 0 lên 1 và cho giá trị bằng 1 tại thời điểm đó.

4 Tiếp điểm phát

hiện sườn xuống

Phát hiện trạng thái của biến thay đổi từ 1 lên 0 và cho giá trị bằng 1 tại thời điểm đó.

5 Cuộn dây Trạng thái của cuộn dây được xác định từ trạng thái của

các tiếp điểm đầu vào bên trái.

6 Cuộn dây SET Trạng thái của cuộn dây được SET lên 1 khi trạng thái đầu

vào bên trái bằng 1 Nó sẽ duy trì cho đến khi có tín hiệu RESET

7 Cuộn dây RESET Trạng thái của cuộn dây được RESET về 0 khi trạng thái

đầu vào bên trái bằng 1

Bảng ký hiệu các tiếp điểm thường gặp

Trang 36

Một số quy tắc với LD

+ Mỗi mạng LAD phải kết thúc bằng một cuộn hay một lệnh dạng hộp

+ Một nhánh không thể cho kết quả là một dòng tín hiệu theo chiều ngược lại

+ Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch.

Tín hiệu ngược Ngắn mạch

Ưu điểm

+ Trực quan dễ lập trình, dễ hiểu: giống sơ đồ mạch điện

+ Dễ bảo dưỡng: có khả năng chẩn đoán lỗi online, từ

đó định vị được lỗi lô gíc hoặc lỗi thiết bị

Trang 37

Ví dụ một số mạch LD (Siemens):

Bài 1 Lô gíc AND: Động cơ := (Nút ấn 1) AND (Nút ấn 2)

Địa chỉ: Nút ấn 1 := I0.0; Nút ấn 2 := I0.1; Động cơ :=Q0.0

Bài 2 Lô gíc OR: Động cơ := (Nút ấn 1) OR (Nút ấn 2)

Trang 38

Bài 3: Mạch duy trì khởi động và dừng bơm:

PUMP:= (START OR PUMP) AND (NOT STOP)

Địa chỉ: START:= I0.0; STOPS:= I0.1; PUMP:=Q0.0

Trang 39

Là ngôn ngữ diễn tả kết nối của các chức năng (F), khối chức năng (FB) và chương trình dưới dạng một tập hợp các khối đồ họa được kết nối với nhau Nó trông giống như trong sơ đồ mạch điện tử mà chúng ta thường thấy.

Đặc điểm:

+ Chương trình gồm nhiều khối chức năng (FB)

+ Tín hiệu chạy từ đầu ra của FB này đến đầu vào của FB khác

+ Đầu ra của FB được cập nhật kết quả từ tính toán các giá trị đầu vào

+ Tín hiệu chay trong FB từ trái sang phải

Cấu trúc:

 Ngôn ngữ FBD (Funtion Block Diagram)

Trang 40

 Ngôn ngữ FBD (Funtion Block Diagram)

Ưu điểm:

+ Trực quan và dễ dàng hơn với một số người dùng

+ Tương tự các mạch IC trong điện tử

+ Kết hợp chức năng điều khiển lô gíc và mạch duy trì

+ Có thể gộp nhiều dòng lệnh thành một khối chức năng

+ Phù hợp với các chức năng điều khiển chuyển động

Trang 41

 Ngôn ngữ IL (Instruction List)

+ Là một ngôn ngữ bậc thấp bao gồm chuỗi các câu lệnh, mỗi câu lệnhmột dòng

+ Mỗi một câu lệnh bao gồm một toán tử và một hay nhiều toán hạng

Cấu trúc:

Trang 42

Mitsubishi OMRON Siemens Telemecanic Chú thích

Trang 43

+ Tối ưu hóa bộ nhớ và tốc độ thực thi

+ Có thể mô đun hóa và tái sử dụng

Nhược điểm:

+ Là ngôn ngữ bậc thấp, khó theo dõi

+ Thanh ghi chỉ có 1 giá trị tại một thời điểm

Trang 44

 Ngôn ngữ SFC (Sequential Function Chart)

- SFC là một trong năm loại ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn được đề cập trong phiên bản IEC61131-3 được công bố năm 2003.

- SFC là ngôn ngữ được phát triển từ Grafcet Có thế mạnh trong mô tả hệ thống điều khiển tuần tự.

- Có thể sử dụng kết hợp với các ngôn ngữ còn lại

Trang 45

 Ngôn ngữ SFC (Sequential Function Chart)

Các khối của chương trình:

Trang 46

 Quy trình thiết kế chương trình PLC

Bước 1: Xác định quy trình công nghệ:

+ Xác định các yêu cầu công nghệ của hệ thống cần điều khiển, tìm hiểu sơ đồ công nghệ Các thức điều khiển, vận hành và hướng khắc phục sự cố nếu có.

+ Xác định số lượng các thiết bị đầu vào và ra của hệ thống điều khiển

Bước 2: Thiết kế

+ Lựa chọn phần cứng của PLC để đáp ứng các yêu cầu điều khiển từ bước 1 bao gồm: Số lượng I/O lô gíc, tương tự; các I/O đặc biệt (HSC, PMW); phương thức truyền thông (inthernet, profilbus, Modbus, RS 232,…); tốc độ xử lý; dung lượng bộ nhớ

+ Phân địa chỉ tín hiệu: phân các biến I/O theo chức năng (các biến có cùng trình tự tác động, hoặc cùng một đối tượng nên có địa chỉ gần nhau)

=> sơ đồ đấu dây phần cứng

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	Điều khiển tự động, Mạng công nghiệp
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	3,13 MB