TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH PLC
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC
PLC, viết tắt của "Programmable Logic Controller" (bộ điều khiển logic khả trình), là thiết bị kiểm soát tự động trong công nghiệp Ngày nay, ngoài chức năng điều khiển logic thông thường, PLC còn tích hợp nhiều chức năng điều khiển cao cấp, biến nó thành một máy tính công nghiệp đa năng Nhờ đó, PLC đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa nhà máy và các hệ thống điều khiển phức tạp.
1.2 Lịch sử ra đời của PLC
PLC ra đời từ ý tưởng ban đầu của nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor của Mỹ vào năm 1968, nhằm cải thiện các nhược điểm của bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở nên ngày càng phổ biến trong tự động hóa công nghiệp, trở thành giải pháp lý tưởng để điều khiển các quá trình sản xuất tự động PLC được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy, linh hoạt và khả năng mở rộng trong hệ thống điều khiển công nghiệp.
Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ đọc
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
Hoàn toàn tin cậy trong m i trường công nghiệp
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị th ng minh khác nhƣ: máy tính, kết nối mạng, các Modul mở rộng
Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển cổ điển
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển PLC
Ví dụ, hệ thống sử dụng các nút nhấn tự phục hồi S1, S2, S3 để điều khiển hoạt động tuần tự của ba máy bơm nước M1, M2, M3 thông qua công tắc tơ Để dừng tất cả các máy bơm, người dùng chỉ cần nhấn nút S4 Các nút nhấn này giúp đảm bảo vận hành liên tục và dễ dàng kiểm soát hệ thống bơm nước tự động Đây là giải pháp tối ưu cho các hệ thống cần kiểm soát nhiều máy bơm một cách linh hoạt và an toàn.
Các phần tử đầu vào gồm: 4 nút nhấn S1, S2, S3, S4
Các phần tử đầu ra: 3 động cơ bơm M1, M2, M3
Sơ đồ mạch động lực 3 máy bơm nước truyền động bởi động cơ kh ng đồng bộ một pha rotor lồng sóc đƣợc thể hiện trên hình 1.3
Hình 1.3 Sơ đồ mạch động lực 3 máy bơm nước
Sơ đồ hệ thống điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển cổ điển đƣợc thể hiện trên hình 1.4
Hình 1.4 Sơ đồ mạch điều khiển 3 máy bơm nước sử dụng bộ điều khiển cổ điển
Hình 1.5 Sơ đồ mạch điều khiển 3 máy bơm nước sử dụng bộ điều khiển logic khả trình
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các quá trình công nghệ của hệ thống Bộ điều khiển thực hiện các tác vụ dựa trên chương trình đã được lập trình sẵn và lưu trữ trong bộ nhớ của PLC Để thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần cập nhật hoặc thay đổi chương trình trong bộ nhớ của PLC, mang lại tính linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh hệ thống tự động hóa.
Hình 1.6 trình bày mô phỏng chương trình trong bộ nhớ của PLC, thiết bị điều khiển tự động phổ biến trong công nghiệp Các hãng PLC nổi bật trên thị trường bao gồm Omron (Nhật Bản), Siemens (Đức), Mitsubishi (Nhật), Fujisu (Nhật), LG (Hàn Quốc) và nhiều hãng khác Tại Việt Nam, việc sử dụng bộ điều khiển PLC bắt đầu phổ biến từ năm 1990, đặc biệt trong các nhà máy sản xuất xi măng như nhà máy xi măng Hoàng Thạch, đã sử dụng bộ điều khiển S5 của hãng Siemens để tự động hóa quy trình sản xuất.
Việc kết nối các cổng vào ra của PLC với các thiết bị ngoại vi đƣợc mô phỏng nhƣ hình 1.7
Hình 1.7 Mô phỏng tín hiệu kết nối cổng vào/ra của PLC
Các khái niệm cơ bản:
Đầu vào/ra số (Digital) trong PLC gồm các tín hiệu rời rạc, nơi đầu vào chỉ nhận dạng "CÓ" hoặc "KHÔNG" từ các thiết bị như nút nhấn, cảm biến hành trình hoặc cảm biến tiệm cận Đầu ra số cũng là tín hiệu rời rạc, chỉ ở trạng thái "ĐÓNG" hoặc "MỞ", thường được kết nối với các thiết bị như Relay, contactor, đèn hoặc van Ví dụ, hệ thống điều khiển bật/tắt đèn bằng công tắc là một ứng dụng điển hình của đầu ra số trong tự động hóa.
Đầu vào/ra tương tự (Analog) là các tín hiệu biến thiên liên tục, thể hiện qua dòng điện và điện áp, được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động Đầu vào tương tự nhận các tín hiệu năng lượng liên tục, như cảm biến đo mức nước trong bình, gửi dữ liệu vào PLC để xử lý Sau đó, PLC xuất ra tín hiệu tương tự để điều khiển các thiết bị như van nhằm điều chỉnh lưu lượng chất lỏng trong hệ thống, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả.
Hình 1.8 Đầu vào/ra số của PLC
Hình 1.9 Hệ thống điều khiển lưu lượng.
CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC
Cấu trúc chung của một PLC gồm các bộ phận nhƣ hình 1.10
Hình 1.10 Cấu trúc chung của một bộ PLC
CPU, hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm, đảm nhiệm vai trò điều khiển và quản lý mọi hoạt động bên trong PLC Nó điều phối việc trao đổi thông tin giữa bộ nhớ, các cổng vào/ra, và các thành phần khác thông qua hệ thống các bus dưới sự kiểm soát của CPU, đảm bảo hoạt động của hệ thống diễn ra trôi chảy và hiệu quả.
Tất cả các dòng PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ sau:
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory) trong PLC là loại bộ nhớ chỉ đọc, được sử dụng để lưu giữ chương trình điều khiển do nhà sản xuất nạp lần đầu tiên Bộ nhớ này giúp đảm bảo chương trình hoạt động liên tục và an toàn, vì không thể bị sửa đổi hoặc xóa sau khi đã nạp Chính vì vậy, ROM đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ hệ thống điều khiển cố định của PLC.
Bộ nhớ RAM (Random Access Memory) trong PLC dùng để lưu giữ dữ liệu hoặc kết quả tạm thời của các phép toán Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất khi mất nguồn cấp điện, do đó, PLC thường được trang bị nguồn dự phòng như tụ điện hoặc pin để duy trì dữ liệu khi mất điện Nguồn tụ điện có thể cung cấp năng lượng cho RAM trong vài giờ, trong khi pin có thể duy trì dữ liệu từ vài ngày đến vài tháng Việc thay pin cho RAM cần thực hiện khi PLC đang còn nguồn điện để đảm bảo an toàn và tránh mất dữ liệu.
Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read-Only Memory) là loại bộ nhớ ROM có khả năng xóa và nạp lại dữ liệu bằng tín hiệu điện, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu ghi và sửa dữ liệu nhiều lần Tùy thuộc vào loại EEPROM, khả năng xóa và nạp lại có thể lên đến hàng nghìn hoặc hàng chục nghìn lần, giúp bộ nhớ này trở thành lựa chọn tối ưu để lưu trữ chương trình ứng dụng trong PLC.
Bộ nhớ của PLC đƣợc chia thành 3 vùng chính:
Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng nhớ này được chia thành 3 miền:
OB1 (Organisation Block): là miền chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này lu n đƣợc quét
Sub (Subroutine) là phần chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu Chương trình con sẽ được thực thi khi gọi trong chương trình chính, giúp tối ưu hóa cấu trúc mã nguồn và tăng tính modular của ứng dụng.
Int (Interrup) là miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với tất cả các chương trình khác trong hệ thống Chương trình ngắt này được thực hiện khi có một sự kiện ngắt xảy ra, ví dụ như ngắt thời gian hoặc ngắt xung tốc độ cao, giúp hệ thống phản ứng nhanh và điều phối các hoạt động một cách hiệu quả.
Vùng nhớ tham số của hệ điều hành: Vùng nhớ này đƣợc chia thành 5 miền nhớ:
Là miền nhớ đệm dữ liệu cổng vào số, vùng nhớ này lưu trữ giá trị logic của tất cả các cổng vào trước khi chương trình thực thi Trước khi tiến hành xử lý, PLC sẽ đọc và lưu trữ các trạng thái của cổng vào vào bộ đệm I, giúp tránh việc trực tiếp truy cập vào cổng vào trong quá trình hoạt động Thông thường, chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà lấy dữ liệu từ bộ đệm I để đảm bảo độ ổn định và chính xác trong quá trình điều khiển.
Q (Output) là vùng nhớ đệm dữ liệu các cổng ra số của PLC Sau khi chương trình thực thi xong, PLC sẽ chuyển các giá trị logic trong bộ đệm Q tới các cổng ra số để điều khiển thiết bị phù hợp Đây là bước quan trọng trong quá trình tự động hoá, đảm bảo các tín hiệu xuất ra được chính xác và kịp thời.
M (Internal) là miền nhớ nội, nơi lưu trữ trung gian của chương trình Các biến trong miền nhớ này dùng để lưu các tham số cần thiết và có thể truy cập theo đơn vị Bit (M), Byte (MB), từ (MW) hoặc từ kép (MD), giúp đảm bảo quá trình thực thi của ứng dụng diễn ra hiệu quả và linh hoạt hơn.
T (Timer) là bộ nhớ chuyên dụng dành cho bộ đếm thời gian, gồm các thành phần quan trọng như giá trị đặt trước (PV - Preset Value), giá trị tức thời của bộ đếm (CV - Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ thời gian Các thành phần này giúp quản lý chính xác quá trình thời gian và thiết lập các trạng thái theo yêu cầu trong hệ thống tự động Timer đóng vai trò thiết yếu trong việc điều khiển các quá trình theo thời gian, đảm bảo hoạt động đồng bộ và hiệu quả.
C (Counter) là một miền nhớ quan trọng trong hệ thống điều khiển, đảm nhiệm chức năng lưu trữ các giá trị liên quan đến bộ đếm như giá trị đặt trước (PV – Preset Value), giá trị tức thời (CV – Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm Việc hiểu rõ về chức năng của C giúp tối ưu hóa quá trình lập trình và vận hành các hệ thống tự động, đảm bảo kiểm soát chính xác các quá trình đếm và đáp ứng yêu cầu của hệ thống tự động hóa.
Vùng nhớ các khối dữ liệu: Vùng nhớ này đƣợc chia thành 2 miền:
DB (Data Block) là khu vực chứa dữ liệu được tổ chức thành các khối, với kích thước và số lượng khối do người dùng quy định phù hợp từng mục đích điều khiển cụ thể Chương trình có thể truy cập dữ liệu này theo các dạng khác nhau như từng Bit (DBX), byte (DBB), Word (DBW) hoặc Double Word (DBD), nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý và quản lý dữ liệu trong hệ thống tự động hóa.
Miền dữ liệu địa phương (L – Local data block) được các khối chương trình chính, chương trình con và chương ngắt tổ chức để sử dụng cho các biến nháp tạm thời, có thể truy cập theo bit, byte, word hoặc double word Nội dung của khối dữ liệu này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng, đảm bảo quản lý dữ liệu tạm thời hiệu quả trong quá trình thực thi.
Trong PLC, mọi hoạt động bên trong đều sử dụng mức điện áp 5VDC hoặc 15VDC để cấp cho các IC TTL hoặc CMOS Trong khi đó, tín hiệu điều khiển từ bên ngoài theo tiêu chuẩn công nghiệp là 24VDC hoặc 240VAC Khối cổng vào/ra đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa các vi mạch điện tử nội bộ của PLC và các mạch công suất bên ngoài, có nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu và cách ly tín hiệu để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành Các dạng cổng vào/ra trong PLC bao gồm nhiều loại phù hợp với từng ứng dụng cụ thể trong điều khiển tự động.
Cổng vào một chiều (hình 1.11):
Cổng vào một chiều có cấu trúc đơn giản, sử dụng tín hiệu đầu vào số để điều khiển Mức logic 1 được xác định khi điện áp đầu vào từ 18 đến 24VDC, trong khi đó mức logic 0 tương ứng với điện áp đầu vào dưới 18VDC Hình 1.11 minh họa rõ ràng cấu trúc của cổng vào này, giúp người dùng dễ dàng hiểu cách hoạt động của tín hiệu số trong hệ thống điều khiển tự động.
Hình 1.12 Cấu trúc cổng ra kiểu Rơle
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC
Quá trình hoạt động của PLC dựa trên nguyên lý chu kỳ quét, trong đó PLC thực hiện các chu kỳ quét liên tiếp nhau Mỗi chu kỳ bắt đầu bằng việc kiểm tra trạng thái tín hiệu tại các cổng vào và ghi nhận các tín hiệu này vào bộ đệm Sau đó, CPU dựa trên dữ liệu từ bộ đệm cổng vào để thực thi chương trình logic đã lập trình sẵn, từ đó đưa kết quả ra bộ đệm cổng ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài, đảm bảo hoạt động chính xác và liên tục của hệ thống tự động.
Thời gian cần thiết cho một vòng quét thay đổi từ 1ms30ms, thời gian này phụ thuộc vào độ dài của mỗi chương trình ứng dụng.
TỔ CHỨC CHƯƠNG TRÌNH VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PLC THEO TIÊU CHUẨN IEC61131-3
Chuẩn IEC 61131 là một bộ tiêu chuẩn quốc tế về bộ điều khiển khả trình (PLC) và các thiết bị ngoại vi đi kèm, trong đó phần 3 (IEC 61131-3) quy định các ngôn ngữ lập trình cho PLC và phương pháp lập trình điều khiển sử dụng các ngôn ngữ này Mô hình lập trình theo IEC 61131-3 mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong lập trình PLC, chuẩn hóa quy trình phát triển hệ thống điều khiển tự động, đồng thời dễ dàng tích hợp và bảo trì hệ thống Các ngôn ngữ lập trình được quy định trong tiêu chuẩn này bao gồm ladder diagram, chức năng khối, chuẩn STL, cấu trúc văn bản và liên kết điều khiển, mang lại sự đa dạng và phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Cho phép dùng kết hợp nhiều ngôn ngữ lập trình điều khiển trong cùng một chương trình
Khả năng tái sử dụng các khối chương trình
Thư viện chuẩn các hàm và khối chương trình rất phong phú
Các công cụ đặt cấu hình
Công cụ lập trình tiện lợi, hỗ trợ tối đa việc lập trình điều khiển
Lập tài liệu dự án một cách tiện lợi và nhanh chóng
Có 5 ngôn ngữ lập trình đƣợc quy định trong IEC 61131-3 cùng với một phương pháp tổ chức chương trình điều khiển theo biểu đồ chức năng trình tự (SFC):
Ladder Diagram (LAD) là ngôn ngữ hình thang phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt ở Mỹ Ngôn ngữ này dựa trên trình bày đồ họa của Relay Ladder Logic, giúp người lập trình dễ dàng thiết kế và hiểu hệ thống điều khiển Đa số các PLC hiện nay đều hỗ trợ ngôn ngữ LAD, bất kể tuân thủ tiêu chuẩn IEC61131-3 hay không Ngôn ngữ LAD thường được dùng trong tự động hóa nhờ tính trực quan và dễ vận hành, phù hợp cho các hệ thống kiểm soát công nghiệp phức tạp.
Danh sách lệnh (STL) là phần liệt kê các câu lệnh trong lập trình PLC, tương tự như ngôn ngữ lập trình ladder nhưng dưới dạng văn bản hoặc mã viết Đặc điểm nổi bật của STL là có cấu trúc giống như ngôn ngữ máy assembly, giúp người lập trình dễ dàng hiểu và kiểm soát quá trình điều khiển tự đồng Ví dụ về các câu lệnh trong STL giúp mô tả chính xác các thao tác trong hệ thống tự động hóa, từ đó tối ưu hóa vận hành và giảm thiểu lỗi trong quá trình lập trình PLC.
Ngôn ngữ khối (Function Block Diagram - FBD) là phương pháp mô tả các chức năng và kết nối của hệ thống dưới dạng các khối đồ họa liên kết với nhau, giúp dễ dàng hình dung và lập trình hệ thống tự động FBD thể hiện các khối chức năng được kết nối giống như sơ đồ mạch điện tử quen thuộc, hỗ trợ xây dựng chương trình một cách trực quan và hiệu quả Đây là công cụ phổ biến trong lập trình hệ thống điều khiển và tự động hóa, giúp người thiết kế dễ dàng theo dõi và tối ưu hóa luồng xử lý.
Ngôn ngữ Structured Text (SCL) là một ngôn ngữ lập trình kiểu cấu trúc cao cấp mạnh mẽ dùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal và C SCL cho phép định nghĩa các khối chức năng phức tạp và có thể lồng ghép trong các ngôn ngữ lập trình khác, giúp tối ưu hóa quá trình lập trình tự động hóa Nhờ đặc điểm là ngôn ngữ cấp cao, SCL rất trực quan và dễ hiểu, phù hợp với các kỹ sư và lập trình viên PLC.
Dòng đồ tuần tự (Sequential Function Chart - SFC hoặc Graph) là một kiểu lập trình dạng đồ họa mạnh mẽ để mô tả các trạng thái tuần tự của hệ thống điều khiển SFC giúp hình dung rõ ràng quá trình hoạt động theo trình tự, tăng tính trực quan và dễ dàng lập trình các hành trình phức tạp trong hệ thống tự động hóa Đây là công cụ hiệu quả để xác định các bước và luồng điều khiển trong chương trình, góp phần nâng cao độ chính xác và dễ bảo trì. -Nắm bắt sức mạnh của [Sequential Function Chart (SFC)] để lập trình hệ thống điều khiển tuần tự chính xác và trực quan hơn ngay hôm nay!
Các thành phần cơ bản trong lập trình PLC bao gồm kiểu dữ liệu, biến, đơn vị tổ chức chương trình (POU) và tác vụ, trong đó các đơn vị tổ chức chương trình đóng vai trò là các khối nhỏ nhất xây dựng nên chương trình Phương pháp lập trình có cấu trúc được sử dụng để thay thế lập trình tuyến tính, với các khối như OB, FB, và DB, phân loại dựa trên nội dung và chức năng của chúng Các khối chức năng (FB) và khối dữ liệu (DB) thường được tách riêng theo nguyên tắc modular, giống như trong ngôn ngữ Pascal hoặc C Tiêu chuẩn IEC 61131-3 mở rộng phân chia POU thành ba loại chính: Hàm (FUN), khối chức năng (FB) và chương trình (PROG), trong đó dữ liệu của khối chức năng không nằm riêng mà được đóng gói ngay trong khối đó, phản ánh nguyên tắc lập trình hướng đối tượng Để lập trình PLC, cần các thành phần cơ bản như PLC, thiết bị lập trình (PC, PG), cáp truyền thông và phần mềm lập trình phù hợp.
Hình 1.16 Sơ đồ kết nối máy tính với PLC S7 - 1200 của hãng Siemens
Có 3 loại ngôn ngữ thường được sử dụng để lập trình cho PLC: LAD, STL, FBD
Một số ký hiệu cơ bản trong phần mềm lập trình LAD:
Tiếp điểm: Chương trình PLC sử dụng các bit giống như các tiếp điểm, có hai loại tiếp điểm là thường đóng (NC) (hình 1.17a) và thường mở (NO) (hình 1.17b):
Tiếp điểm thường mở (NO) sẽ đóng lại khi bit địa chỉ của nó có giá trị bằng 1, cho phép dòng điện chạy qua và kích hoạt thiết bị liên kết Ngược lại, khi bit địa chỉ của tiếp điểm này có giá trị bằng 0, tiếp điểm mở ra, ngăn chặn dòng điện và vô hiệu hóa thiết bị Đây là nguyên lý hoạt động của tiếp điểm thường mở trong các hệ thống điều khiển tự động, giúp đảm bảo phản hồi chính xác theo trạng thái của bit địa chỉ Các kỹ thuật viên có thể điều chỉnh trạng thái của tiếp điểm dựa trên giá trị của bit địa chỉ để kiểm soát quá trình tự động một cách hiệu quả.
Tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra khi bit địa chỉ của tiếp điểm này có giá trị bằng 1, đồng thời đóng lại khi bit địa chỉ có giá trị bằng 0 Điều này giúp kiểm soát quá trình hoạt động của hệ thống tự động dựa trên trạng thái của các bit địa chỉ, đảm bảo tính chính xác trong quá trình điều khiển Việc sử dụng tiếp điểm thường đóng trong điều khiển tự động mang lại hiệu quả cao trong việc thay đổi trạng thái của mạch theo các yêu cầu kỹ thuật.
Cuộn dây relay hoạt động khi tất cả các tiếp điểm phía trước của nó đóng, làm cho bit địa chỉ của phần tử này có giá trị bằng 1 Các tiếp điểm của bit địa chỉ này còn có thể được sử dụng tại các vị trí khác trong chương trình để điều khiển các chức năng liên quan, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả trong lập trình điều khiển tự động.
Trong chương trình PLC, khối có nhiều chức năng khác nhau, mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ nhất định khi có tín hiệu tại đầu vào, như bộ đếm, bộ định thời (timer) hay các chức năng khác (Hình 1.17d).
Hình 1.17 Các ký hiệu cơ bản trong phần mềm lập trình kiểu LAD.
CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
5.1 Biểu diễn thuật toán điều khiển bằng Flowchart
Flowchart, hay lưu đồ thuật toán, là sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình xử lý của hệ thống điều khiển bằng các khối hình học được kết nối bằng mũi tên thể hiện dòng điều khiển Sơ đồ này giúp lập trình viên kiểm tra tính khả thi của lập trình, xây dựng giải thuật để phát triển chương trình nhanh chóng và hiệu quả Khi viết lưu đồ thuật toán, nên thiết kế chương trình điều khiển theo dạng module, chia nhiệm vụ lớn thành các nhiệm vụ nhỏ hơn, mỗi nhiệm vụ nhỏ thực hiện bởi chương trình con, và các chương trình con liên kết với nhau qua chương trình chính.
Các ký hiệu cơ bản dùng trong Flowchart:
Bắt đầu/Kết thúc chương trình
Xử lý/Tính toán/Gán
Kiểm tra điều kiện để rẽ nhánh Điểm nối
Luồng xử lý Khối chương trình con
Ví dụ hệ thống bơm trong hình 1.18 hoạt động để vận chuyển nước từ bể dưới lên bể trên, sử dụng các cảm biến CB1, CB2 và CB3 để xác định chính xác mức nước trong các bể Hệ thống bơm sẽ tự động ngưng hoạt động khi nước trong bể dưới đạt mức cạn hoặc khi nước trong bể trên đã đầy, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Hình 1.18 Hệ thống bơm nước từ Bể dưới lên Bể trên
Hình 1.19 Lưu đồ thuật toán điều khiển máy bơm nước tự động
5.2 Biểu diễn thuật toán điều khiển bằng Grafcét
Grafcét là sơ đồ chức năng dùng để mô tả các trạng thái hoạt động của hệ thống và thể hiện quá trình điều khiển chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái khác một cách rõ nét Mỗi công nghệ đều có sơ đồ Grafcét riêng biệt, được xác định bởi các phần tử quan trọng như các trạng thái, các điều kiện chuyển đổi và các hành động thực hiện khi chuyển đổi trạng thái Sử dụng sơ đồ Grafcét giúp người thiết kế dễ dàng phân tích, tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu quả hệ thống tự động hóa Đây là công cụ quen thuộc trong kỹ thuật điều khiển, tự động hóa quy trình sản xuất và các hệ thống điều khiển phức tạp.
Tập hợp các trạng thái của hệ thống được ký hiệu là E = {E1, E2, , Em}, trong đó mỗi trạng thái được biểu diễn bằng một vùng có đánh số Trạng thái khởi đầu thường được đánh dấu bằng hai ô vuông lồng vào nhau để phân biệt Mỗi trạng thái phản ánh các tác động của phần điều khiển và trong từng trạng thái, các hành vi điều khiển không thay đổi Một trạng thái có thể hoạt động hoặc không hoạt động, và khái niệm điều khiển ở đây đề cập đến việc thực hiện các mệnh đề logic chứa biến vào và biến ra nhằm xác định trạng thái hệ thống, điều này cũng chính là trạng thái của Grafcét.
Tập hợp các chuyển trạng thái, ký hiệu là T = {t₁, t₂, , t_k}, là điều kiện cần thiết để hệ thống có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Trong biểu đồ Grafcét, các chuyển trạng thái được thể hiện bằng ký hiệu "├", giúp mô tả quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái một cách rõ ràng và trực quan Việc hiểu rõ các trạng thái và chuyển đổi trong Grafcét là nền tảng quan trọng để phân tích và thiết kế hệ thống state machine hiệu quả.
A a a 1, 2, ,a n là tập hợp của n cung định hướng nối giữa các trạng thái, cung định hướng thể hiện tuần tự xảy ra của các trạng thái trong hệ thống
Tập hợp M = {m₁, m₂, , m_m} là tập hợp các giá trị logic của m trạng thái E Mỗi giá trị logic của trạng thái i (i=0 ÷ m) chỉ có thể là 0, biểu thị trạng thái không hoạt động của i (ký hiệu m_i -), hoặc 1, thể hiện trạng thái đang hoạt động của i (ký hiệu m_i +) Điều này giúp mô tả chính xác trạng thái hoạt động hoặc không hoạt động của từng phần tử trong hệ thống.
Ví dụ: Buồng thang máy đang ở tầng 2, khách đang ở tầng 1 và muốn lên tầng 5
Phân tích yêu cầu công nghệ:
- Khách ở tầng 1, muốn gọi buồng thang đang ở tầng 2 thì phải nhấn nút gọi tầng 1GT đặt ngoài cửa tầng 1 Lúc đó buồng thang sẽ đi xuống tầng 1
Khi buồng thang đã dừng ở tầng 1, khách hàng muốn lên tầng 5, chỉ cần nhấn nút đến tầng 5 trên bảng điều khiển trong buồng thang Sau đó, buồng thang sẽ bắt đầu di chuyển và dừng lại chính xác tại sàn tầng 5, đảm bảo sự thuận tiện và an toàn cho người sử dụng.
Biểu diễn yêu cầu công nghệ bằng Grafcét:
4 Trạng thái buồng thang nâng lên N
3 Trạng thái buồng thang hạ xuống H
2 Trạng thái buồng thang đang ở tầng 2 1GT
Hình 1.20 minh họa sơ đồ Grafcét của quy trình điều khiển buồng thang Để thang máy di chuyển từ tầng 1 lên tầng 5 (trạng thái nâng N), hệ thống cần đã xác định quá trình từ tầng 2 xuống tầng 1 (trạng thái 2) Nếu có điều kiện chuyển trạng thái 1GT (tín hiệu từ nút gọi tầng tại tầng 1), thì buồng thang sẽ hạ xuống tầng 1 (trạng thái phù hợp để tiếp tục hành trình).
Khi buồng thang đã đến tầng 1, khách hàng nhấn nút gọi thang số 5ĐT (đặt trong buồng thang để gọi đến tầng 5), thang sẽ di chuyển lên đến tầng 5 (trạng thái 4) rồi dừng lại Công nghệ Grafcét thể hiện quá trình này rõ ràng, như minh họa trong hình 1.20, giúp kiểm soát hành trình di chuyển của thang hiệu quả.
QUY TRÌNH THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PLC
6.1 Trình tự thiết kế hệ thống PLC
Dựa trên quy mô của hệ thống, hệ thống sản xuất theo dây chuyền có thể phân thành nhiều cụm dựa trên đặc điểm công nghệ để tối ưu hóa hoạt động Mỗi cụm hoạt động độc lập, đảm bảo sự linh hoạt và giảm thiểu rủi ro ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình Khoảng cách dây nối đến cảm biến và cơ cấu chấp hành phải không vượt quá chiều dài quy định phù hợp với từng loại, nhằm đảm bảo tín hiệu chính xác và ổn định Việc lựa chọn số I/O phù hợp nằm trong phạm vi cho phép của các loại PLC là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống vận hành mượt mà và hiệu quả.
Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển thực hiện qua các bước sau:
Bước đầu tiên trong quá trình phân tích hệ thống là chia nhỏ các cụm công nghệ, sau đó tiến hành phân tích chi tiết quy trình công nghệ, hệ truyền động và trang bị điện Việc mô tả chính xác sự liên kết giữa các thành phần của hệ thống giúp xây dựng sơ đồ thời gian hoặc lưu đồ thuật toán rõ ràng, đặc biệt lưu ý đến các lỗi có thể xảy ra trong quá trình vận hành bình thường của máy móc Điều này đảm bảo khả năng dự báo và phòng tránh các sự cố kỹ thuật, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
Bước 2: Tính chọn thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành:
Nếu đầu vào chỉ có chức năng logic 0&1 thì tính chọn cho đầu vào Digital
Trong quá trình thiết kế hệ thống giám sát hoặc điều khiển có phản hồi, nếu cần phân tích tín hiệu để đo nhiệt độ, độ ẩm, mức, lưu lượng, khối lượng hoặc lực tác dụng, phải chọn đầu vào Analog phù hợp Việc này đảm bảo chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống tự động hóa Chọn lọc đúng loại đầu vào Analog giúp tối ưu hóa quá trình giám sát, cải thiện độ tin cậy và độ chính xác của các dữ liệu phân tích.
Nếu điều chỉnh động cơ theo phương pháp PID thì phải tính chọn cho đầu ra Analog
Trong quá trình thiết kế hệ thống, việc lựa chọn cơ cấu chấp hành phù hợp gồm piton thủy lực hoặc khí nén, cần tính toán và chọn van thủy lực hoặc khí nén tương ứng để đảm bảo hoạt động hiệu quả Để điều khiển các van này chính xác, cần xác định số đầu ra phù hợp, ngoại trừ những trường hợp đặc biệt không yêu cầu điều khiển mở rộng Chọn đúng van phù hợp giúp tối ưu hiệu suất và độ bền của hệ thống, đồng thời nâng cao khả năng kiểm soát và vận hành linh hoạt.
Hệ thống van tiết lưu hoặc van phần trăm điều khiển bằng động cơ yêu cầu lựa chọn biến tần hoặc bộ điều chỉnh phù hợp để đảm bảo hoạt động hiệu quả Ngoài ra, có thể áp dụng bộ điều khiển PID để kiểm soát chính xác các van này, trong đó cần tính toán và chọn đầu ra Analog phù hợp để tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Cơ cấu chấp hành cần xem xét có cần thiết phải điều khiển tốc độ hay không; nếu có, cần tính toán lựa chọn biến tần, bộ điều chỉnh điện áp cho động cơ một chiều hoặc module điều khiển vị trí cho động cơ bước Trong trường hợp chỉ đơn thuần khởi động và dừng động cơ, không nhất thiết phải kết nối biến tần qua cổng truyền thông, mà chỉ cần dùng các đầu ra số để điều khiển Tuy nhiên, nếu cần giám sát dòng điện, điện áp, nhiệt độ hoặc đặt lại tốc độ, phải kết nối biến tần với PLC qua cổng truyền thông theo giao thức riêng của hãng Hiện nay, hai giao thức phổ biến nhất cho biến tần MicroMaster là [điền tên giao thức nếu có].
430, 440 là USS protocol và Mudbus protocol
Tính chọn công tắc, nút ấn trên panel điều khiển bằng tay
Khi lựa chọn cơ cấu chấp hành cho hệ thống điều khiển, cần xem xét dòng ra phù hợp với từng loại thiết bị Đối với PLC loại DC/DC/RLY, dòng ra cần lớn hơn 1,5A (I ch), trong khi đối với loại DC/DC/DC, dòng ra yêu cầu tối thiểu là 0,2A (Ich) Đặc biệt, trong các trường hợp này, dòng ra phải thông qua các bộ phận trung gian như rơ le, transistor, Tiristor hoặc Triac để đảm bảo an toàn và hoạt động ổn định của hệ thống.
Các ứng dụng sử dụng đầu ra phát xung nhanh thì nhất thiết phải chọn PLC đầu ra Transistor (loại DC/DC/DC)
Nếu không yêu cầu ứng dụng có đầu ra phát xung nhanh, bạn nên chọn PLC loại đầu ra là Rơle (DC/DC/RLY) Loại này mang lại sự đơn giản hơn trong quá trình giao tiếp và kết nối với các cơ cấu chấp hành, đảm bảo vận hành hiệu quả và dễ dàng bảo trì.
Xem xét nếu sử dụng cổng truyền thông vào những mục đích nhƣ điều khiển biến tần, kết nối panel, OPs (Operation), PC hay mạng thì nên sử dụng PLC có hai cổng truyền thông PPI, ví dụ nhƣ CPU 2224XP, 226, 226XM của hãng Siemens
Bước 4: Nếu hệ thống làm việc dây chuyền thì phải thiết kế mạng để kết nối các PLC lại với nhau
6.2 Thiết kế chương trình PLC
Trình tự thiết kế chương trình của PLC thực hiện theo các bước sau đây:
Bước 1: Trên cơ sở giản đồ thời gian hay lưu đồ thuật toán dựa theo bài toán công nghệ Tiến hành phân tích địa chỉ vào/ra, thiết lập những vùng nhớ để phục vụ cho quá trình xử lý dữ liệu Liệt kê các bộ đếm, bộ trễ thời gian cần thiết phải sử dụng trong chương trình, các bit, byte… trong vùng nhớ đặc biệt Liệt kê các chương trình con, chương trình xử lý ngắt
Bước 2: Sau đó tiến hành biên dịch từ giản đồ thời gian hay lưu đồ thuật toán sang ngôn ngữ của PLC
Bước 3, người dùng có thể kiểm tra chương trình PLC bằng cách sử dụng các công tắc, đèn LED hoặc phần mềm mô phỏng để chạy thử ở chế độ offline Việc này giúp đánh giá mức độ tối ưu của chương trình, đảm bảo code ngắn gọn và tin cậy, đặc biệt là các chương trình xử lý ngắt và xử lý sự cố Các bước kiểm tra này là tiêu chuẩn quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trước khi vận hành thực tế.
6.3 Chạy thử chương trình PLC Đây là quá trình chạy trên máy ở chế độ online Trước khi chạy ở chế độ này phải thực hiện các bước sau:
Bước 1 trong quá trình kiểm tra hệ thống điện tự động là xác định mức độ tiếp xúc của dây nối và kiểm tra địa chỉ ở đầu vào của công tắc, nút nhấn hoặc công tắc hành trình Hướng dẫn này giúp đảm bảo các đèn trạng thái trên đầu vào của PLC hoạt động chính xác, phản ánh đúng tín hiệu đầu vào Ngoài ra, cần sử dụng đồng hồ để đo đạc các tín hiệu tương tự, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.
Trước khi tiến hành chạy thử nghiệm, cần kiểm tra kỹ dây nối đến các cơ cấu chấp hành để đảm bảo đã đấu nối đúng theo sơ đồ kỹ thuật Đồng thời, cần xác định điện áp trên các cơ cấu chấp hành đã đạt yêu cầu hay chưa để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn Việc kiểm tra lần cuối này giúp tránh các lỗi kỹ thuật và đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.
Trong bước 3, có thể viết các đoạn chương trình nhỏ để kiểm tra trạng thái hoạt động của từng đầu ra, đặc biệt đối với các cơ cấu thủy lực và khí nén Đây là bước quan trọng khi thực hiện cho các máy móc công nghệ phức tạp nhằm đảm bảo hoạt động chính xác Đối với các máy móc đơn giản, có thể bỏ qua bước này Cuối cùng, cần đưa các cơ cấu về trạng thái ban đầu đúng với quy trình đã thiết kế, theo sơ đồ thời gian hoặc lưu đồ thuật toán, để đảm bảo hoạt động liên tục và chính xác của hệ thống.
Bước 4 trong quá trình lập trình PLC là nạp chương trình vào thiết bị và vận hành hệ thống liên động toàn bộ Sau khi chạy thử, cần xem xét và đánh giá độ tin cậy của chương trình để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác Nếu phát hiện vấn đề hoặc chưa đạt yêu cầu, có thể thực hiện hiệu chỉnh thêm để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của chương trình PLC.
MỘT SỐ DÒNG PLC THÔNG DỤNG
Gồm những dòng sản phẩm sau:
- PLC – S5: Là loại PLC đầu tiên của Siemens
Logo của Siemens là dòng PLC nhỏ gọn tích hợp màn hình hiển thị và các phím giao tiếp có thể lập trình, cho phép người dùng thay đổi thông số và mô phỏng trực tiếp mà không cần sử dụng máy tính Đây là giải pháp điều khiển đơn giản, linh hoạt, phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa nhỏ và tiết kiệm chi phí Với khả năng lập trình dễ dàng, Logo Siemens giúp tối ưu hóa quy trình vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.
PLC logo sử dụng trong các hệ thống nhỏ, không sử dụng đƣợc trong các hệ thống lớn do số lƣợng đầu vào ra ít
PLC S7-200 cho phép tự động hóa tối đa với chi phí thấp nhất
Cài đặt lập trình và vận hành đơn giản
Đƣợc ứng dụng trong các điều kiện đơn giản và phức tạp
Tất cả các PLC có thể dùng độc lập, kết nối mạng hay dùng trong hệ phân tán
CPU tính hợp sẵn tín hiệu vào ra Khả năng mở rộng các module linh hoạt
Tích hợp bộ đếm tốc độ cao
Làm việc trong thời gian thực và khả năng kết nối truyền thông mạch
Số đầu vào ra ít nên chỉ sử dụng cho các hệ thống vừa và nhỏ
Không có khả năng điều khiển qua mạng Enternet
S7 – 300 đƣợc tích hợp cho các hệ thống điều khiển tự động hóa từ trung bình đến cao cấp
Sử dụng linh hoạt nhờ cấu trúc phân tán và khả năng kết nối mạng linh hoạt
Khả năng mở rộng của hệ thống dễ dàng
Với thẻ nhớ có khả năng lưu trữ dữ liệu và chương trình dễ dàng hơn cho c ng việc bảo trì
Hệ thống Module toàn diện và các CPU thích nghi tối ƣu với công việc tự động hóa
Đƣợc thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn S/L 3, IEC 61508, Ak6, DIN V19250 và bốn nhóm chuẩn EN951 – 1
Khả năng mở rộng có thể mở rộng tối đa 8 module tín hiệu và 3 Module truyền thông là RS232 và RS 485
Giao tiếp có tích hợp sẵn cổng PROFINET (ETHERNET)
Lập trình giao tiếp với thiết bị giao diện người mày HMI
Có sẵn đầu vào tương tự trên CPU
Có thêm tính năng bảo mật
Không có nút Run Stop trên CPU
Có các tính năng và cấu trúc chương trình gần giống với S7 - 300/400 nhưng S7
- 1200 Thường dùng cho các hệ thống vừa và nhỏ Do có ít đầu vào ra số và tương tự
Hãng Omron đã chế tạo một số dòng PLC: CPM1A/A, CPM1, C200HS, CP1E, CP1H, CP1L, CJ1M, ZEN
PLC của hãng Omron thường có những ưu điểm sau:
Thiết kế nhỏ gọn hơn và linh hoạt
Sử dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản vừa và nhỏ và giá thành rẻ và dễ sử dụng
Chỉ cần sử dụng phần mền lập trình CX – PROGRAM để lập trình cho tất cả các PLC của Omron
Gồm những dòng sản phẩm thông dụng sau:
PLC FX0S là dòng PLC siêu nhỏ, lý tưởng cho các ứng dụng có số lượng đầu vào ra dưới 30, giúp giảm chi phí và kích thước bảng điều khiển, phù hợp với các dự án yêu cầu tiết kiệm không gian và ngân sách.
Tích hợp sẵn bộ đếm tốc độ cao và các bộ tạo ngắt, cho phép xử lý tốt các ứng dụng phức tạp
Không có khả năng mở rộng số lƣợng đầu vào ra, không có khả năng nối mạng, thời gian thực hiện chương trình lâu
Có thể mở rộng thêm 8 đầu vào ra
Tăng cường khả năng truyền thông, kết nối mạng, cho phép tham gia nhiều mạng khác nhau nhƣ Ethernet, ProfileBus, CC-Link, CanOpen, Devicenet
Có các bộ đếm tốc độ cao
Thích hợp cho các ứng dụng điều khiển van, hệ thống máy nâng, thang máy, hệ thống xử lý nước thải, sản xuất xe hơi
Bộ điều khiển lập trình có kích thước siêu nhỏ gọn, lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi tiết kiệm không gian lắp đặt Thiết bị phù hợp với nhiều lĩnh vực công nghiệp yêu cầu sự linh hoạt và hiệu quả trong thiết kế Nhờ thiết kế compact, bộ điều khiển này dễ dàng tích hợp vào các hệ thống có không gian hạn chế Sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn cao về hiệu suất và độ bền, mang lại sự tin cậy cho các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác cao Với khả năng tùy biến linh hoạt, bộ điều khiển phù hợp với nhiều yêu cầu của các ngành công nghiệp hiện đại.
FX2NC là thiết bị được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất thức ăn, giúp điều khiển các băng tải và dây chuyền đóng gói hiệu quả Ngoài ra, FX2NC còn phù hợp trong lĩnh vực xây dựng và các hệ thống bơm, hỗ trợ các bài toán điều khiển liên quan đến môi trường Với khả năng tích hợp đa dạng, FX2NC tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống tự động hóa.
PLC dòng Q nổi bật với công nghệ đa bộ xử lý (multi-processor), cho phép cùng lúc 4 CPU hoạt động song song để xử lý các quá trình điều khiển máy móc, điều khiển vị trí và truyền thông hiệu quả hơn This thiết kế giúp nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và khả năng xử lý dữ liệu lớn trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
Các chức năng mạng của hệ thống được nâng cấp đáng kể, cho phép thiết lập mạng MelsecNet với khả năng truyền dữ liệu lên đến 13,6 km Tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt 25Mbps, giúp cải thiện hiệu suất giao tiếp và mở rộng phạm vi kết nối mạng trong các ứng dụng công nghiệp.
PLC dòng Q đƣợc hỗ trợ chức năng nối mạng Internet, cho phép truyền các email cảnh báo đến cấp điều khiển cao hơn ở khoảng cách rất xa
Dòng Qn PLC được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp yêu cầu mức độ tự động hoá cao Nó đóng vai trò quan trọng trong công nghệ bán dẫn, truyền thông (IT), tự động hóa dây chuyền đóng gói sản phẩm, hệ thống máy dệt, cũng như điều khiển các hệ thống phun sơn và hàn đường.
Ngoài các hãng Siemens, Omron, Mitsubishi sản xuất PLC ra còn có một vài hãng khác nhƣ: LG, Schneider, ABB, Panasonic
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG 1
1) Webb J.W and Reis R.A (1995) Programmable Logic Controllers Principles and
2) M Morris Mano and Charles R Kime (2004) Logic and Computer Design Fundamentals 3rd Ed.Prentice-Hall
3) Karl-Heinz John (1995) IEC 61131-3: Programming industrial automation systems
4) Mai Xuân Vũ (2003) Sổ tay hướng dẫn lập trình PLC Nhà xuất bản trẻ.
1 PLC là gì? Nêu cấu trúc phần cứng của một bộ PLC nói chung
2 Phân biệt tín hiệu vào/ra tương tự và số của một bộ PLC?
3 Nêu sự khác nhau giữa các loại cổng ra rơle, diac, transistor của PLC?
4 Nêu quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển sử dụng PLC?
5 Khi tính chọn PLC cho một hệ thống điều khiển tự động cần quan tâm đến những yếu tố nào?
6 Nêu quy trình thiết kế một chương trình PLC?
Chương 2 THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH CỦA HÃNG SIEMENS S7 - 1200
Chương này giới thiệu về cấu trúc phần cứng của PLC S7-1200 và các tập lệnh cơ bản cần thiết để thiết kế hệ thống điều khiển Hiểu rõ các thành phần phần cứng của PLC giúp tối ưu hóa quá trình lập trình và vận hành hệ thống điều khiển trong các quy trình công nghiệp Các tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200 đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các chương trình điều khiển hiệu quả và chính xác cho các quy trình công nghệ đơn giản Nhờ kiến thức về cấu trúc phần cứng và tập lệnh, người thiết kế hệ thống có thể áp dụng vào việc giải quyết các bài toán điều khiển tự động trong các dự án công nghiệp thực tế.
I ĐẶC ĐIỂM PHẦN CỨNG CỦA PLC S7 – 1200
1.1 Cấu trúc phần cứng của S7 - 1200
PLC S7-1200 được thiết kế dạng module linh hoạt, tích hợp nhiều tính năng, phù hợp với các ứng dụng tự động hóa từ nhỏ đến trung bình Điểm nổi bật của S7-1200 là tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet Ethernet, giúp kết nối dễ dàng trong hệ thống tự động hóa Sản phẩm sử dụng chung phần mềm Simatic Step 7 Basic, giúp việc lập trình PLC và HMI trở nên đơn giản và nhanh chóng Nhờ đó, quá trình thiết kế, lập trình và thi công hệ thống điều khiển được tối ưu hóa, tiết kiệm thời gian và công sức.
Trong CPU chứa bộ vi xử lý tích hợp sẵn các nguồn cung cấp, mạch đầu vào và đầu ra, giúp điều chỉnh và kiểm soát dữ liệu theo chương trình người dùng CPU hoạt động dựa trên mức logic (0 và 1), có khả năng thực hiện các hàm toán học, điều chỉnh các đầu ra và truyền thông với các thiết bị thông minh khác Ngoài ra, CPU còn bao gồm các thành phần như bộ đếm, bộ định thời để nâng cao hiệu suất xử lý dữ liệu.
1 Trạng thái đèn hiển thị tín hiệu I/O
2 Trạng thái đèn hiển thị cho sự vận hành của CPU
5 Bộ nối dây người sử dụng lắp đặt
Hình 2.1 Module CPU của PLC S7-1200
Các đặc điểm nổi bật của SIMATIC S7 – 1200:
- Cổng truyền th ng Profinet (Ethernet) đƣợc tích hợp sẵn:
Dùng để kết nối với máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông giữa các PLC với nhau
Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
Hỗ trợ kết nối Ethernet
Giao thức TCP/IP, ISO on TCP và S7 protocol
Tốc độ truyền thông 10/100 Mbit/s
- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
CPU có 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counters) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
Có 2 ngõ ra PTO 100KHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)
Có ngõ ra độ rộng xung PWM, điều chỉnh tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt đ
Có các bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điều khiển
Bạn có thể dễ dàng mở rộng các tín hiệu vào ra bằng cách sử dụng board tín hiệu mở rộng (signal board) Các module tín hiệu này được gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng chức năng tín hiệu mà không ảnh hưởng đến kích thước của hệ điều khiển Điều này mang lại khả năng tùy chỉnh linh hoạt và dễ dàng nâng cấp hệ thống theo nhu cầu.
Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào / ra
Có 2 ngõ vào analog (0 ÷ 10V) đƣợc tích hợp trên CPU
CPU có thể kết nối tối đa 3 module truyền th ng vào CPU để mở rộng khả năng truyền thông Ví dụ: module RS232 hay RS485
PLC S7 – 1200 có thêm thẻ nhớ SIMATIC dùng khi cần mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware
Có khả năng chuẩn đoán online/offline
Board tín hiệu là một module mở rộng tín hiệu vào/ra có thiết kế nhỏ gọn, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng cần mở rộng số lượng tín hiệu ít Với khả năng tích hợp linh hoạt, nó phù hợp cho các hệ thống yêu cầu mở rộng tín hiệu hạn chế, tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí đầu tư.
Có các module tín hiệu tương tự với 1 cổng tín hiệu ra tương tự 12 bit (10VDC, 0 ÷ 20 mA)
Có các module tín hiệu số, có 2 cổng tín hiệu vào số và có 2 cổng tín hiệu ra số
Hình 2.2 Module board tín hiệu mở rộng
- Module mở rộng tín hiệu vào/ra (SMs):
Các module mở rộng tín hiệu vào ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU, giúp mở rộng khả năng kết nối và xử lý tín hiệu của hệ thống Đối với các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, việc sử dụng linh hoạt các module này là yếu tố quan trọng để tăng khả năng tùy biến và thích ứng của CPU S7 với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
CPU S7 – 1200 có hỗ trợ thêm một vài đặc tính bảo mật giúp bảo vệ truy cập tới CPU và chương trình điều khiển
- Mỗi CPU đều cung cấp Password để bảo vệ và cho phép bạn thiết lập cấu hình truy cập tới các chức năng của CPU
- Sử dụng chức năng “know-how protection” để bảo vệ các block riêng của người sử dụng Ƣu điểm của PLC S7 1200:
Khả năng mở rộng có thể mở rộng tối đa 8 module tín hiệu và 3 Module truyền thông là RS232 và RS 485
Giao tiếp có tích hợp sẵn cổng PROFINET (ETHERNET)
- Để giao tiếp với phần mền lập trình
- Để giao tiếp với HMI
- Để giao tiếp với các PLC khác
- Điều khiển qua mạng Internet
Lập trình giao tiếp với thiết bị giao diện người mày HMI
Có sẵn đầu vào tương tự trên CPU
Có thêm tính năng bảo mật
Không có nút Run Stop trên CPU
Có các tính năng và cấu trúc chương trình gần giống với S7 - 300/400 nhưng S7
- 1200 Thường dùng cho các hệ thống vừa và nhỏ Do có ít đầu vào ra số và tương tự
Giá thành của S7 - 300/400 rất đắt, có khả năng quản lý rất nhiều các đầu vào ra
34 nên thường sử dụng trong các hệ thống lớn
PLC S7 – 1200 gồm các họ sau: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C
* Đặc điểm của các họ PLC S7 – 1200:
Bảng 2.1 Các đặc tính kỹ thuật của S7 – 1200 Đặc điểm CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Đầu vào ra tương tự
Quá trình xử lý kích thước ảnh 1024 bytes ( đầu vào ) và 1024 bytes ( đầu ra )
Mở rộng các module tín hiệu
Không có module mở rộng
Có thể mở rộng thêm 2 module tín hiệu
Có thể mở rộng thêm
Các module truyền thông Hỗ trợ lên tới 3 module truyền th ng
Các bộ đếm tốc độ cao 3 4 6
Các xung đầu ra Có 2 xung đầu ra PROFINET Có 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực hiện hàm toỏn học 18 às/lệnh
Tốc độ thực hiện hàm
1.3 Các Module mở rộng của PLC S7 - 1200
S7 – 1200 có 4 loại module mở rộng là các module signal (SMs), các Board signal (SBs), các module truyền th ng RS485, các module truyền th ng RS232
Sự khác nhau giữa 2 module mở rộng tín hiệu đầu vào ra của các module SM và
Module SM có khả năng mở rộng nhiều đầu vào ra số tối đa là 16 đầu vào ra số
Có khả năng mở rộng tối 8 đầu vào và 4 đầu ra analog Module SM đƣợc gắn ở bên phải CPU
Module SB có khả năng mở rộng tối đa hai đầu vào ra số và chỉ mở rộng được một đầu ra analog, giúp nâng cao khả năng linh hoạt và mở rộng hệ thống tự động hóa Đây là module được thiết kế để gắn trực tiếp trên CPU S7-1200, đảm bảo tích hợp dễ dàng và tối ưu hiệu suất vận hành Các module tín hiệu SMs đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng chức năng của hệ thống tự động hóa, cung cấp các giải pháp phù hợp cho yêu cầu kiểm soát và truyền tín hiệu chính xác.
* Các module đầu vào số:
Bảng 2.2 Các module đầu vào số của S7 – 1200
Số đầu vào số Có 8 đầu vào số Có 6 đầu vào số Điện áp đầu vào 24VDC 24VDC
* Các module đầu ra số:
Bảng 2.3 Các module đầu ra số của S7 – 1200
Số đầu ra số Có 8 đầu ra Có 16 đầu ra Có 8 đầu ra Có 16 đầu ra Điện áp đầu ra
* Các module đầu vào/ra số:
Bảng 2.4 Các module đầu vào/ra số của S7 – 1200
SM 1223 DI 16x24 VDC, DQ16x24VDC
Số đầu vào Có 8 đầu vào Có 16 đầu Có 8 đầu vào số Có 16 đầu vào số
36 số số vào số Điện áp đầu vào 24VDC tải 4mA
Có 8 đầu ra số Có 16 đầu ra số
Có 8 đầu ra số Có 16 đầu ra số Điện áp đầu ra
* Các module đầu vào/ra tương tự:
Bảng 2.5 Các module đầu vào/ra tương tự của S7 – 1200
Số đầu vào tương tự
Có 4 đầu vào tương tự Kh ng có đầu vào tương tự Điện áp đầu vào ±10V, ±5V, ±2.5 hoặc 0 ÷20mA -
Phạm vi tỉ lệ số nguyên (dữ liệu Word) Điện áp: -27,648 ÷ 27,648
Số đầu ra tương tự
Kh ng có đầu ra tương tự
Có đầu ra tương tự
Phạm vi đầu ra - ±10V hoặc 0 ÷ 20mA b Các module tín hiệu SBs:
* Module đầu vào và đầu ra số:
Bảng 2.6 Các module đầu vào/ra số SBs của S7 – 1200
Tên module SB 1223 DI 2×24VDC, DQ2×24VDC
Số đầu vào số Có 2 đầu vào số
Phạm vi điện áp đầu vào 24VDC tải 4mA
Số đầu ra số Có đầu ra số
Phạm vi điện áp đầu ra 20.4 ÷ 28.8 VDC
* Module đầu ra tương tự:
Bảng 2.7 Các module đầu ra tương tự SBs của S7 – 1200
Tên module SB 1232 AQ 1×12bit
Số đầu ra tương tự Có 1 đầu ra tương tự Phạm vi điện áp đầu ra ±10V hoặc 0 ÷ 20mA c Module truyền thông RS485 (CM 1241 RS485):
Sử dụng để kết nối nhiều thiết bị với nhau qua các giao thức truyền thông PtP, USS, Modbus d Module truyền thông RS232 (CM 1241 RS232) e Thẻ nhớ SIMATIC:
Có 2 loại thẻ nhớ là:
Loại dung lương 24MB (mã sản phẩm: 6ES7 954-8LF00-0AA0)
Loại dung lƣợng 2 MB (mã sản phẩm: 6ES7 954-8LB00-0AA0) Ứng dụng:
Sử dụng thẻ nhớ để lưu giữ chương trình, sao chép chương trình, cập nhật chương trình
1.4 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ
Kiểu dữ liệu Mô tả
BOOL gồm 1bit có giá trị là 0 hoặc (đúng hoặc sai)
BYTE gồm có 8 bít, thường dùng để biểu diễn 1 số nguyên dương trong khoảng từ 0 đến 255 (6#00 ÷16#FF)
WORD gồm các bytes để biểu diễn một số nguyên dương từ 0 đến 65535
CHAR gồm 8 bits dùng để biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 255 SINT gồm 8 bits dùng để biểu diễn một số nguyên từ -128 đến 127
INT gồm 2 bytes dùng để biểu diễn 1 số nguyên từ -32768 đến 32767
DINT gồm 4 bytes để biểu diễn 1 số nguyên từ -2,147,483,648 đến
USINT gồm 8 bits để biều diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 255
UINT gồm 2 bytes để biều diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65,535
UDINT gồm 4 bytes để biều diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 4,294,967,295
REAL gồm 4 bytes dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động từ +/- 1.18 × 10 38 đến +/- 3.40 × 10 38
LREAL gồm 64 bits dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động từ +/-
- Cấu trúc bộ nhớ của CPU:
Bộ nhớ của S7 – 1200 đƣợc chia thành 3 vùng chính:
Vùng nhớ chương trình ứng dụng: được chia thành 3 miền:
OB (Organisation Block): Miền chứa chương trình tổ chức
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi
FB (Function Block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức theo hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ khối chương trình nào khác
Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng: được chia thành các miền khác nhau:
I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số
Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
Trong chương trình ứng dụng, miền các biến chờ (Miền các biến chờ) được sử dụng để lưu trữ các tham số cần thiết Vùng nhớ này cho phép truy cập dữ liệu theo các đơn vị khác nhau như bit (M), byte (MB), từ (MW) và từ kép (MD), giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý và quản lý bộ nhớ một cách linh hoạt.