Bài giảng điều khiển logic và plc pot

• Trong mỗi tích ứng với 1 tổ hợp các biến làm cho hàm có giá trị 1: các biến có giá trị 1 giữ nguyên, các biến có giá trị 0 lấy nghịch đảo... • Trong mỗi tổng ứng với 1 tổ hợp các biến

BÀI GIẢNG ĐKLG & PLC

Giảng viên: Nguyễn Trí Cường

Bộ môn Tự động hóa XNCN – viện Điện

Điện thoại: 0983309963

Email: cuong.nguyentri@hust.edu.vn

biệt là trong công nghiệp).

• Trang bị một số công cụ phân tích và thiết kế hệ thống tự động hóa có tính chất là các sự kiện rời rạc.

• Cung cấp các kiến thức về PLC – thiết bị điều khiển logic điển hình.

• Trang bị kiến thức về một số thiết bị chấp hành trong hệ thống tự động hóa.

• Mạch logic tổ hợp và phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp.

• Mạch logic tuần tự và phương pháp thiết kế mạch logic tuần tự.

• Giới thiệu về PLC: cấu tạo, hoạt động và ngôn ngữ lập trình.

• Thiết kế logic với PLC.

• Các thiết bị vào ra.

2 Nguyễn Trọng Thuần, “Điều khiển Logic và Ứng dụng”,

NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000.

3 Trịnh Đình Đề, Võ Trí An, “Điều khiển tự động truyền

động điện”, tập I, NXB Đại học và Trung học chuyên

nghiệp, 1983

4 L A Bryan, E A Bryan, “ Programmable Controllers,

Theory and Implementation”, Second Edition, An

Industrial Text Company Publication, Atlanta- USA, 1997.

Georgia-Edition, Elsevier, 2009.

6 “Introduction to PLC Programming and

Implementation-from relay logic to PLC logic”, Industrial Text& Video Company.

7 J R Hackworth, Frederick D Hackworth, Jr,

“Programmable Logic Controllers: Programming

Methods and Applications”, Prentice Hall, 2003.

8 Karl-Heinz John, and Michael Tiegelkamp, “IEC

61131-3: Programming Industrial Automation Systems”, 2nd Edition Springer, 2010.

9 IEC 61131 Standard.

11 Tài liệu & phần mềm PLC Mitsubishi

2 Chương 2: Mạch logic tổ hợp

CHƯƠNG 1:

đại lượng liên quan tại mọi

thời điểm theo thời gian

Quá trình rời rạc:

• VD: quá trình lắp ráp, quá trình đóng gói … (tập hợp các hoạt động, sự kiện)

• Chỉ có thể xác định giá trị các đại lượng liên quan khi

sự kiện nhất định diễn ra

Quá trình liên tục:

• Mô hình hóa:

• Các phương trình đại số, vi

phân …

• Là đối tượng nghiên cứu của

Lý thuyết điều khiển tự động

Quá trình rời rạc:

• Mô hình hóa:

• Dùng các công cụ: đại số bool, Automat hữu hạn, Petri Net, Statecharts, Stateflows, GRAFCET …

• Là đối tượng nghiên cứu của điều khiển logic.

• Coi các sự kiện chỉ có 2 trạng thái đối lập: có/không; đúng/sai;

1/0; 0V/5V; -10V/+10V …

• Là nền tảng tạo nên hệ đếm cơ số 2 – cơ sở của máy tính điện

tử.

• Phù hợp với các mạch logic điện tử, rơ le logic.

• Có khả năng mô tả hầu hết các quá trình thực tế.

• Vẫn còn có các nhược điểm:

• Gặp khó khăn khi quá trình thực tế trở nên quá phức tạp

• Ví dụ FSM điều khiển thang máy:

• Dữ liệu:

• Chỉ có 2 tầng: Ground – First

• Tín hiệu vào: Up = 1; Down = 0

• Trạng thái: Ground = 0; First = 1

• Tín hiệu ra (đèn báo): On = 1; Off = 0

• Bảng trạng thái:

Trạng thái Đầu vào Trạng thái tiếp

theo

Đèn đỏ Red

Đèn xanh Green

• Đồ thị có hướng.

• Bước chuyển – gạch đứng: các sự

kiện có thể xảy ra.

• Điều kiện – vòng tròn nhỏ: các vị trí.

• Cung có hướng – mũi tên: các trạng thái chuẩn bị, không bao

giờ nối cùng vị trí, cùng bước chuyển.

• Cung đầu vào: nối vị trí đến bước chuyển.

• Cung đầu ra: nối bước chuyển đến vị trí.

• Token (dấu hiệu) – chấm đen: mỗi vị trí có số lượng các token

nào đó.

• Là 1 dạng của statecharts được phát triển bởi Matlab.

• Tích hợp trong môi trường Simulink.

• Tự động chuyển sang dạng mã chương trình C.

• VD: mô hình hộp số tự động điều khiển ô tô.

• Có cơ sở toán học là mạng Petri Net.

chức về các tiêu chuẩn quốc tế và đánh giá mức độ

tuân theo trong lịch vực điện, điện tử và các công nghệ liên quan.

• IEC 61131: standards on programmable controllers and

their associated peripherals – tiêu chuẩn về các bộ điều khiển khả trình và ngoại vi liên kết với chúng.

• IEC 61131-1 General information

• IEC 61131-2 Equipment requirements and tests

• IEC 61131-3 Programming Languages - providing the basis

• IEC 61131-4 User Guidelines

• IEC 61131-5 Messaging service specification

• IEC 61131-6 Funtional Safety

• IEC 61131-7 Fuzzy control programming

• IEC 61131-8 Guidelines for the application and implementation

of programming languages

• Quy định 5 ngôn ngữ lập trình:

• Ladder (LD): giản đồ thang, giống sơ đồ rơ le tiếp điểm

• Function Block Diagram (FBD): sơ đồ khối chức năng, giống với các

khối chức năng trong sử dụng IC

• Sequential Function Chart (SFC): biểu đồ hàm tuần tự, được phát

triển từ GRAFCET

• Structure Text (ST): lệnh có cấu trúc, gần với ngôn ngữ lập trình cấp

cao như C, Pascal …

• Instruction List (IL): danh sách mã lệnh, gần với mã máy hoặc lập

trình ASEMBLY trên vi điều khiển

CHƯƠNG 2:

MẠCH LOGIC TỔ HỢP

1 n

1 1

n 2

1 n

2 1

x

x x

x

x x

x

x x x

x x

• Tính đối ngẫu: trong 1 hệ thức thay phép cộng bằng phép nhân, thay

0 bằng 1 và ngược lại thì ta được 1 hệ thức mới đối ngẫu Nếu hệ thức ban đầu đúng thì hệ thức sau cũng đúng

;

yx(

; x

yx

• Biểu diễn bằng bảng chân lý:

• Biểu diễn bằng biểu thức đại số: dùng các phép toán đảo, cộng logic

và nhân logic

Dễ dàng thực hiện bởi các thiết bị logic

• Có thể biễu diễn dưới dạng tổng chuẩn đầy đủ và tích chuẩn đầy đủ

3 2

1 x x

x

y  

• Biểu diễn dưới dạng tổng chuẩn đầy đủ:

• Chỉ quan tâm tổ hợp các biến làm hàm có giá trị 1.

• Trong mỗi tích ứng với 1 tổ hợp các biến làm cho hàm có giá trị 1: các biến

có giá trị 1 giữ nguyên, các biến có giá trị 0 lấy nghịch đảo.

• Biểu diễn dưới dạng tích chuẩn đầy đủ:

• Chỉ quan tâm tổ hợp các biến làm hàm có giá trị 0.

• Trong mỗi tổng ứng với 1 tổ hợp các biến làm cho hàm có giá trị 0: các

biến có giá trị 0 giữ nguyên, các biến có giá trị 1 lấy nghịch đảo.

• Ví dụ biểu diễn dưới dạng tổng chuẩn đầy đủ và tích chuẩn đầy đủ

của VD 2.1: Giá trị thập phân của tổ

• Biểu diễn bằng bảng Các nô:

• Để biểu diễn một hàm logic có n biến cần lập 1 bảng có 2 n ô Mỗi ô tương

ứng với 1 tổ hợp biến.

• Mỗi ô cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chỉ cho phép khác nhau 1 giá trị của

biến.

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

• VD 2.4: biễu diễn bảng Các nô của VD2.3.

GT thập phân x1 x2 y=f(x1,x2)

• Biểu diễn bằng bảng Các nô:

• VD 2.5: biễu diễn bảng Các nô của VD2.1.

• Biểu diễn bằng bảng Các nô:

• VD 2.6: biễu diễn bảng Các nô của hàm logic 5 biến:

• Biểu diễn bằng phần tử logic điện tử cơ bản:

• Phần tử cộng logic (OR):

• Biểu diễn bằng phần tử logic điện tử cơ bản:

• Biểu diễn bằng phần tử rơ le tiếp điểm:

• Nút nhấn thường hở:

• Nút nhấn thường kín:

• Công tắc hành trình thường hở:

• Công tắc hành trình thường kín:

• Cuộn dây rơ le điện từ:

• Tiếp điểm thường hở:

• Tiếp điểm thường kín:

• Biểu diễn bằng phần tử rơ le tiếp điểm:

• Ví dụ 2.7: biểu diễn hàm logic

2 1 2 1 ) 2 , 1 (x x x x x x f

• X = {x1, x2, …, xn} là tập các tín hiệu vào.

• Y = {y1, y2, …, ym} là tập các tín hiệu ra.

• yj = fj(x1,x2,…,xn) với j = 1, …, m

x1 x2

ym

• Phương pháp đại số là phương pháp dùng các biến đổi đại số

;

yx(

; x

yx

• Ưu điểm: khá trực quan.

• Nhược điểm:

• Khó thực hiện với hàm logic phức tạp

• Nhiều trường hợp không đánh giá được kết quả thu được đã tối ưu

chưa

• VD 2.8: rút gọn hàm logic

2 1

) 2 1 2

1 ( ) 2 1 2

1 (

2 1 2

1 2

1 )

2 , 1 (

2 1 2

1 2

1 )

2 , 1 (

x x

x x x

x x

x x

x

x x x

x x

x x

x f

x x x

x x

x x

x f y

• Các bước thực hiện:

• B2: Nhóm các ô có giá trị 1 hoặc “x” (không xác định) cạnh nhau

hoặc đối xứng nhau thành các vòng

• Số ô trong một vòng có dạng 2 m (1mN) với m lớn nhất có thể.

• Các vòng có thể giao nhau nhưng không được trùm lên nhau.

• Các vòng phải phủ hết các ô có giá trị 1 (không phải phủ hết các ô không

xác định).

• Số vòng phải là ít nhất.

• B3: mỗi vòng sẽ tương ứng với tích các biến mà giá trị không thay

đổi trong vòng đó

• Các biến có giá trị 1 được giữ nguyên.

• Các biến có giá trị 0 lấy nghịch đảo.

• VD 2.8: Tối thiểu hóa hàm logic f(x1, x2, x3) = (0,2,5,6,7)

2 3

1 )

3 , 2 , 1 ( x x x x x x x x x

1 3

1 )

3 , 2 , 1 ( x x x x x x x x x

1 )

3 , 2 , 1 ( x x x x x x x

, , , , (

) 15 , 11 , 9 , 7 , 3 , 1 ( )

, , , (

) 7 , 6 , 1 , 0 ( )

, , (

z y x w v f

z y x w f

z y x f

• Các bước thực hiện:

• B1: Ghi các tổ hợp biến làm cho hàm có giá trị bằng 1 theo mã nhị

phân Các biến bị đảo thì ghi thành 0, các biến được giữ nguyên thì ghi thành 1 Ví dụ x1x3 sẽ ghi thành 101

• B2: Nhóm các tổ hợp biến theo số chữ số 1 trong biểu diễn nhị phân

của tổ hợp biến Đặt tên nhóm i là nhóm có i chữ số 1 trong biểu diễn nhị phân Ghi các tổ hợp biến này trong 1 cột

• B3: ghép mỗi tổ hợp của nhóm thứ i với từng tổ hợp của nhóm thứ

i+1 trong cùng một cột nếu 2 tổ hợp có biểu diễn nhị phân chỉ khác nhau 1 bít ở cùng 1 vị trí Ghi sang cột bên cạnh tổ hợp mới hình thành bằng cách giữ nguyên các phần giống nhau và thay phần khác nhau bằng dấu gạch ngang (-) Đánh dấu sao (*) vào các tổ hợp biến

đã tham gia ghép và dấu v () vào các tổ hợp không thể ghép

• Các bước thực hiện:

• B4: Lặp lại bước trên với cột vừa mới hình thành cho đến khi không

kết hợp được nữa Chú ý, hai tổ hợp có dấu (-) chỉ ghép được với nhau khi mà chỉ có 1 vị trí bít khác nhau và bít đó phải là 0 và 1, không thể là “-“

• B5: Lập bảng phủ tối thiểu

• Các cột tương ứng với số tổ hợp nguyên gốc ban đầu.

• Các hàng tương ứng với số tổ hợp không thể ghép được nữa.

• Trên một hàng, nếu tổ hợp ứng với hàng đó có thể “phủ” tổ hợp ứng với

cột (nếu thay ở tổ hợp rút gọn dấu “-“ bằng số 0 hoặc 1 thì sẽ được tổ hợp nguyên gốc ứng với cột) thì ô ứng với cột đó đánh dấu “x”.

• Lập đường phủ tối thiểu: đi qua tất cả các cột và tối thiểu các hàng.

• B6: Sau khi đã tìm được số tổ hợp tối thiểu thì chuyển các tổ hợp mã

nhị phân thành tổ hợp biến tương ứng (các biến ứng với vị trí có dấu

“-“ sẽ bị rút gọn trong biểu diễn)

) 3 , 2 , 1

• VD 2.12: rút gọn hàm logic

abcd d

c ab d

c b a d c b a d c b a bcd a d bc a d c b a d c b a d c b a d

a d b a c b a d c a d

c b a

f ( , , , )     

, , , (

) 13 , 12 , 5 , 4 , 1 , 0 ( )

, , , (

) 5 , 4 , 3 , 2 ( )

, , (

z y x w f

z y x w f

z y x f

CHƯƠNG 3:

MẠCH LOGIC TUẦN TỰ

• Mạch logic tuần tự là mạch mà trong đó trạng thái của tín hiệu ra

không những phụ thuộc vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào

cả trình tự tác động của tín hiệu vào.

• Như vậy, về mặt thiết bị thì ở mạch tuần tự không những chỉ có

Z1 Z2 y2





MẠCH

TỔ HỢP

• Mạch logic tuần tự đồng bộ:

• Việc chuyển trạng thái trong mạch không những chỉ phụ thuộc vào

tín hiệu đầu vào, trạng thái trong trước đó, mà còn phụ thuộc vào xung đồng bộ

• Dùng phổ biến trong máy tính điện tử

• Mạch logic tuần tự không đồng bộ:

• Việc chuyển trạng thái trong mạch chỉ phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào,

trạng thái trong trước đó

• Không có tín hiệu đồng bộ

• Mô tả bằng giải thích:

• Ví dụ 3.1: 3 nút ấn A, B, C điều khiển động cơ M.

• Mô tả bằng biểu đồ đóng mở theo thời gian:

YZ

• Mô tả bằng đồ hình:

ma0

a1

• Mô tả bằng hàm tác động:

F = +A (+X, +Y) –B –Y +C +Z –C –Z –X +Y +D –Y

• Thường viết cho 1 chu kỳ làm việc

• Các chữ cái đầu bảng chữ cái (A,B,C): tín hiệu vào

• Các chữ cái cuối bảng chữ cái (X,Y,Z): tín hiệu ra

• Dấu cộng “+”: tín hiệu xuất hiện hoặc phần tử làm việc

• Dấu trừ “- “: tín hiệu mất đi hoặc phần tử nghỉ việc

• Dấu ngoặc “()”: xảy ra hoặc ảnh hưởng đồng thời

• Mô tả bằng bảng chuyển trạng thái:

34

• B1: Mã hóa bài toán, lập graph chuyển trạng thái.

• B2: Lập bảng chuyển trạng thái MI.

• B3: Rút gọn bảng MI, lập bảng MII.

• B4: Mã hóa biến trung gian.

• B5: Xác định hàm logic cho biến trung gian và biến ra.

• VD 3.1: thực hiện yêu cầu công nghệ mô tả trong hình vẽ

• Ban đầu thiết bị chạm vào a0 và di chuyển sang phải

• Sau đó thiết bị chạm vào a1 và di chuyển sang trái

• Tiếp theo thiết bị lại chạm vào a0 và chu trình được lặp lại

• Chú ý rằng khi thiết bị rời khỏi vị trí của cảm biến thì cảm biến lại trở

về trạng thái không tác động

A+

A-• VD 3.1: thực hiện yêu cầu công nghệ mô tả trong hình vẽ

• B1: mã hóa bài toán, lập Graph chuyển trạng thái

• Xác định biến vào là a0 và a1; biến ra là A+ (sang phải) và A- (sang trái)

• Lập Graph chuyển trạng thái:

A+

A-a0a1A+A-

(vào)(ra)

1010

0010

0101

0001

• VD 3.1:

• B2: Lập bảng chuyên trạng thái MI:

12

34

1234

a0a1

1010

0010

0101

0001

• VD 3.1:

• B3: lập bảng rút gọn MII:

12

34

1234

a0 a1

a1

X

• VD 3.1:

• B5: xác định hàm logic cho biến trung gian và biến ra:

• Biến trung gian X:

• Hàm điều khiển của biến trung gian X:

a0a1

a

X  1 0

• VD 3.1:

• B5: xác định hàm logic cho biến trung gian và biến ra:

• Biến đầu ra A+:

• Hàm điều khiển của biến đầu ra A+:

X

A  

a0a1

X

• VD 3.1:

• B5: xác định hàm logic cho biến trung gian và biến ra:

• Biến đầu ra A-:

• Hàm điều khiển của biến đầu ra A-:

X

A  

a0a1

X

• Là một đồ hình chức năng mô tả các trạng thái làm việc của hệ

thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái

chuyển.

• Đó là một graph định hướng và được xác định bởi các phần tử

sau:

G := {E, T, A, M}

• E = {E1, E2, …, Em } là tập hữu hạn các trạng thái

• T = {t1, t2, …, tp} là tập hữu hạn các chuyển tiếp (chuyển trạng thái)

• A = {a1, a2, …, an} là tập các cung định hướng

• M = {m1, m2, …, mm} là tập các giá trị 0 và 1 Nếu mi = 1 thì trạng

thái i là hoạt động, nếu mi = 0 thì trạng thái i là không hoạt động

• Một số ký hiệu dùng trong GRAFCET:

• Trạng thái: biểu diễn bởi hình chữ nhật

• Trạng thái khởi đầu được thể hiện bằng hai hình chữ nhật lồng vào

nhau

• Trạng thái đang hoạt động có thêm dấu “” ở trong hình chữ nhật

trạng thái

• Chuyển tiếp: biểu diễn bằng đường gạch “-“, bên cạnh ghi các tác

nhân kích thích (biến vào) liên quan đến chuyển tiếp đó

• VD 3.2: Lập GRAFCET cho công nghệ

A-• Hàm logic cho các trạng thái:

i i

i i

i i i

S S

S S

S S

S a S

).

(

11

• Các phối hợp chuyển trong GRAFCET:

i

i i

i

i i

i

i i

i i

S a

S

S a

S

S a

S

S S

S S

3 3

2 2

1 1

3 2

• Các phối hợp chuyển trong GRAFCET:

2 2

1 1

4

4 3

2 1

i i

i i

i

i i

i i

S a

S a

S a

S

S S

S S

• Các phối hợp chuyển trong GRAFCET:

i i

i i

i

i i

i i

S a

a a

S S

S

S S

S S

.

.

3 2

1 3

2 1

3 2

• Các phối hợp chuyển trong GRAFCET:

2 2

1 1

4

4 3

2 1

.

.

i i

i i

i

i i

i i

S a

S a

S a

S

S S

S S

• Các bước xác định hàm logic sử dụng phương pháp GRAFCET:

Lập G I

Lập G II

Xác định hàm điều khiển

Xác định sơ đồ điều khiển

Chọn sơ

bộ thiết bị

Mô tả chi tiết các trạng thái làm việc, chú thích đầy đủ các hành vi làm việc của công nghệ

Là GI nhưng mô tả được thay thế bằng các thiết bị vừa chọn (mã hóa GI dùng biến logic )

• VD 3.3: xây dựng hàm điều khiển cho công nghệ

a0

a1

A+

A-B+

B-A+

2

A+ (trạng thái đi xuống)

a1(đã ở cuối hành trình đi xuống)

A- (trạng thái đi lên)

a0.b0 (đã ở đầu hành trình đi xuống và đầu hành trình sang phải)

a0.b1 (đã ở đầu hành trình đi xuống và cuối hành trình sang phải)

B+ (trạng thái sang phải) B- sang trái) (trạng thái

a0.b1 (đã ở cuối hành trình sang phải) a0.b0 (đã ở đầu hành trình

A-B+

B-A+

3 1 0 0

0 0 1

S S

S b a S

b a S

2 0 0 3

S S

S b a S

2

1 1 2

S S

S

S a S

2 1 0 4

S S

S b a S









CHƯƠNG 4:

TỔNG QUAN VỀ PLC

• PLC: Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic lập trình được (khả trình).

• PLC: thiết bị điều khiển dựa trên nền tảng vi xử lí sử dụng trong các hệ thống điều khiển rời rạc để điều khiển các dây chuyền lắp ráp, các máy sản xuất …

• PLC: đơn giản là máy tính đặc biệt sử dụng trong môi trường công nghiệp.

• PLC: (Programmable Controller - OMRON) – thiết bị điều khiển khả trình.

• PLC: (IEC 61131-1) Programmable (Logic) Controller – là hệ thống điện tử số được thiết kế sử dụng trong môi trường công nghiệp, có

bộ nhớ khả trình với tập lệnh hướng tới người sử dụng để thực hiện các chức năng nhất định như logic, tuần tự, định thời gian, đếm và số học, thông qua các đầu vào/ra số, tương tự điều khiển nhiều loại máy và quá trình khác nhau PLC và các ngoại vi đi kèm được thiết kế để có thể dễ dàng tích hợp trong hệ thống điều khiển công nghiệp và dễ dàng sử dụng tất cả các chức năng của nó.

• PLC – system: (IEC 61131-1) hệ thống PLC là cấu hình do người dùng tạo ra bao gồm PLC và các ngoại vi liên kết cần thiết cho hệ thống tự động nhất định Nó bao gồm các thiết bị liên kết với nhau bởi dây cáp hoặc các đầu cắm để lắp đặt cố định và các dây cáp cho các ngoại vi linh động.