Bài giảng Điều khiển logic và PLC

Phân loại hệ thống điều khiển tự động Trang 4 Chương 1 1.1 Giới thiệu chung • PLC - Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình.. Trang 5 Chương 1 1.2 Tự động hóa quá

ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ

PLC

Giảng viên : Vũ Minh Quang

Đại học Thủy Lợi Tài liệu tham khảo:

1 Programmable Logic Controller An Emphasis on Design

and Application Kelvn T Erickson- Missouri

2 Điều khiển Logic lập trình thiết kế và ứng dụng- ĐHTL

3 Bài giảng 2020- ĐHTL

ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC

Chương 1 Giới thiệu chung về PLC

Chương 2 Ngôn ngữ lập trình bậc thang

Chương 1 – Giới thiệu chung về PLC

1 Giới thiệu chung

2 Tự động hóa quá trình sản xuất

3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

4 Lịch sử hình thành và phát triển của PLC

5 PLC cạnh tranh với các công nghệ khác

6 Cấu trúc cơ bản của PLC

Chương 1 1.1 Giới thiệu chung

• PLC - Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình

• PLC dần thay thế các công nghệ khác và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động

Chương 1 1.2 Tự động hóa quá trình sản xuất

và những công việc có tính chất lặp lại

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển tự động

Cảm biến vào

Bộ điều khiển logic khả trình Chấp

hành Tín hiệu điều

khiển Tín hiệu đo

Đối tượng

 Thành phần cơ bản:

 Cảm biến: Có nhiệm vụ chuyển đổi các đại

lượng vật lý sang đại lượng điện

 Bộ điều khiển khả trình: Có nhiệm vụ đọc các

đại lượng điện, tính toán và đưa ra tín hiệu

điều khiển

 Cơ cấu chấp hành: Có nhiệm vụ chuyển đổi tín

hiệu điều khiển thành các tín hiệu vật lý điều

khiển quá trình sản xuất

Chương 1

1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

 Số: các cảm biến và cơ cấu chấp hành là các thiết bị số

 Tương tự: các cảm biến và cơ cấu chấp hành là các thiết bị tương tự

Bộ điều khiển logic khả trình Cảm biến trạng thái

Van chấp hành đóng/mở

Lá chắn thông gió

Van điện từ

Bộ điều khiển Cảm biến

lưu lượng khí

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển tự động HVAC

Chương 1

1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

 Quá trình liên tục: Đầu ra của hệ thống luôn được điều khiển một

cách liên tục Trong hệ thống, trạng thái đầu ra mong muốn luôn tồn tại không phụ thuộc vào thời gian vận hành của hệ thống (ISA, 1995) Ngành công nghiệp hóa chất thuộc loại hệ thống điều khiển quá trình liên tục

 Điều khiển quá trình gián đoạn

Hình 1.3 Hệ thống cán thép liên tục

Áp suất nén

Tốc độ cao Thép mỏng

Trục cán Thép khối dày

Tốc độ chậm

Chương 1

1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

điều khiển:

 Quá trình điều khiển theo

mẻ: số lượng nguyên liệu

đầu vào của quá trình sẽ

phụ thuộc vào số lượng

sản phẩm đầu ra của hệ

thống thông qua một hay

nhiều thiết bị trong quá

trình

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển theo mẻ

Động cơ khuấy

Bể chứa 2

Chương 1

1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

 Quá trình điều khiển từng phần riêng biệt: đầu ra điều khiển hệ

thống sẽ có tích lũy số lượng phụ thuộc vào từng phần của quá trình trong hệ thống và số lượng được xác định duy nhất, được duy trì với mỗi thiết bị của hệ thống (ISA, 1995)

Hình 1.6 Hệ thống đóng gói sản phẩm

Băng tải vào

Băng tải ra Hộp bìa

Cơ cấu đẩy sản phẩm vào hộp

Cơ cấu đưa sản phẩm tới

Cơ cấu chặn

Cơ cấu chặn Nạp sản phẩm vào

Chương 1

1.4 Lịch sử hình thành và phát triển PLC

Lò xo

Cuộn hút

Phần ứng

Tiếp điểm chung

Tiếp điểm chung

Hình 1.7 Relay điện từ: (a) không có tác động điện; (b) có tác động

điện

Năm Chi tiết

1968 Ra đời ý tưởng về PLC

1969 PLC ra đời với bộ nhớ 1K và 128 đầu vào ra

1971 Lần đầu tiên được ứng dụng cho lĩnh vực ngoài sản xuất ô tô

1972 PLC có thêm bộ định thời và bộ đếm sự kiện

1973 PLC có thêm các bộ tính toán số học và có khả năng truyền dữ liệu với máy tính

1974 Vài bộ vi xử lý tích hợp bên trong PLC, bộ nhớ 12K, 1024 đầu vào ra, màn hình lập trình, giám sát

1975 Tích hợp bộ điều khiển PID

1976 Thêm hệ thống điều khiển, giám sát từ xa

1977 Bộ điều khiển PLC nhỏ dựa trên nền vi xử lý ra đời

1977 Truyền thông giữa các PLC ra đời

1980 Các đầu vào ra thông minh ra đời

1983 Bộ PLC cỡ lớn ra đời với bộ nhớ 4MB và 8192 đầu vào ra

1985 GM phát triển bộ giao thức truyền thông MAP

1986 Phát triển các ngôn ngữ lập trình khác cho PLC

1993 Phát triển kết nối Ethernet cho PLC

Chuẩn ngôn ngữ lập trình cho PLC IEC 61131-3 ra đời

1994 Chuẩn cho các đầu vào ra phân tán

1996 Máy tính điều khiển công nghiệp ra đời cạnh tranh với PLC

2000 Chuẩn truyền thông cho PLC là IEC 61158 ra đời

 Các loại PLC thông dụng trên thị trường

Chương 1

1.5 PLC cạnh tranh với các công nghệ khác

Đặc tính kỹ thuật Hệ thống rơ le điện từ Hệ thống PC Hệ thống PLC

Không nên Có khả năng Có khả năng

Lắp đặt hệ thống Phức tạp Trung bình Đơn giản

Bảo trì hệ thống Khó khăn Dễ Rất dễ

Phục hồi hệ thống sau

khi mất nguồn

 PLC của OMRON

 MicroPLC: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ khoảng 140I/O có các

loại CPU sau:

 PLC của OMRON

 Medium PLC: Ứng dụng cho các hệ thống khoảng 5120I/O

có các loại CPU sau:

17

CS1D

 PLC của MITSUBISHI

 Alpha Serie: Ứng dụng cho hệ thống nhỏ khoảng 24I/O

19

 PLC của MITSUBISHI

 PLC dòng Q Serie: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ và vừa

21

 PLC của MITSUBISHI

 PLC dòng AnSH Series: Ứng dụng cho các hệ thống lớn nó có

khả năng quản lý 8192I/O và có thể nối mạng 4000 bộ điều khiển:

22

 PLC của SCHNEIDER

 Twido: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ từ 10-100I/O

23

 Modicon TSX Micro: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ 484I/O

 PLC của ABB

25

 Logic Module A010: Ứng dụng cho các hệ thống cực nhỏ

 Small and Compact : Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ

 PLC của ABB

 PLC AC500 and AC31: Ứng dụng cho các hệ thống vừa phải

26

AC 800M Family

S800 I/O Family S800L I/O Family

 PLC của AB

28

 PLC của AB

 PLC-5 System: Ứng dụng cho các hệ thống lớn

29

 PLC của SIEMENS

 LOGO: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ khoảng vài chục I/O

30

PLC của SIEMENS

 Simatic S7-200: Ứng dụng cho các hệ thống nhỏ có số lượng

I/O khoảng 148 S7-200 có các loại CPU sau: CPU 221; CPU22; CPU224; CPU 224XP; CPU226

31

 PLC của SIEMENS

 Simatic S7-300: Ứng dụng cho các hệ thống vừa có số lượng vào ra hàng vài

ngàn điểm vào ra Bộ S7-300 CPU318 có khả năng quản lý: 65,536 đầu vào số, 65,536 đầu ra số, 4096 đầu vào tương tự, 4096 đầu ra tương tự

 Simatic S7-300 có các loại CPU sau:CPU 312; CPU 313; CPU314; CPU 315; CPU317; CPU318;

32

 PLC của SIEMENS

 SIMATIC S7-400:

 Ứng dụng cho các hệ thống lớn 1 bộ S7-400 có khả năng quản

lý được 131072 đầu vào số,131072 đầu ra số, 8192 đầu vào tương

Ứng dụng của PLC S7-200 trong công nghiệp

Với giá hợp lý hiện nay PLC S7-200 được sử dụng rất rộng rãi

 Một số ví dụ ứng dụng PLC trong thực tế

35

Máy tiện tự động trong cơ khí chế tạo máy

Hệ thống chia thư tự động trong Bưu chính viễn thông

36

 Một số ví dụ ứng dụng PLC trong thực tế

Hệ thống lưu kho tự động trong sản xuất

37

 Một số ví dụ ứng dụng PLC trong thực tế

Thang máy trong sinh hoạt

hàng ngày

38

 Một số ví dụ ứng dụng PLC trong thực tế

Chương 1

1.6 Cấu trúc cơ bản của PLC

Hình 1.11 Cấu trúc cơ bản của PLC

Thiết bị vào ra đặc biệt

Hình 1.15 Hệ thống PLC Allen-Bradley SLC-500

Bộ xử lý

Module vào/ra Nguồn cấp

Bộ xử lý

Module vào/ra Nguồn cấp Module vào/ra

Giao diện truyền thông

Bộ xử lý

Hình 1.16 Hệ PLC Allen-Bradley Control

Logix

Chương 1

1.6 Cấu trúc cơ bản của PLC

Bộ xử lý Module vào/ra Nguồn cấp

Hình 1.18 Hệ PLC S7-300 của Siemens Các đầu vào:

Các tiếp điểm

Thiết bị lập trình Nguồn cấp

Các đầu ra: Các cuộn hút điện từ, động cơ

Cánh tay robot

Máy đục lỗ CNC

Băng tải

Vị trí nâng

Buồng chứa

“Quá trình sản xuất”

Các đầu vào số

Chương 2 Ngôn ngữ lập trình dạng bậc thang

1 Giới thiệu

2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

3 Các ký hiệu cơ bản trong ngôn ngữ dạng bậc thang

4 Sơ đồ logic dạng bậc thang

5 Chu kì quét của PLC

6 Lập trình với tiếp điểm thường đóng

7 START/STOP

8 Chuyển đổi sơ đồ rơle sang sơ đồ dạng hình thang

Chương 2 2.1 Giới thiệu

• Ngôn ngữ phổ biến lập trình cho PLC là ngôn ngữ dạng bậc thang

• Các kí hiệu được dùng trong ngôn ngữ bậc thang và sơ đồ lập trình dạng bậc thang

• Quá trình làm việc của PLC theo vòng quét với các đầu vào và đầu

ra

• Mỗi bậc thang gồm các tiếp điểm, khối chức năng ghép nối với cuộn hút rơle

Chương 2 2.2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

• Ví dụ 1

Hình 2.2 Sơ đồ mạch (a) và bảng chân lý của mạch OR

Đèn

Dây trung tính

Đèn

Dây trung tính

Đèn

Chương 2 2.2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

Dây trung tính

Đèn

Đèn Dây trung tính

Hình 2.3 Sơ đồ mắc song song:

(a) Sơ đồ rơle; (b) Sơ đồ bậc thang với rơle ; (c) Lập trình với PLC

Chương 2 2.2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

• Ví dụ 2

Chương 2 2.2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

Chương 2 2.2 Ngôn ngữ dạng bậc thang

• Ví dụ 3

Chương 2

2.3 Các ký hiệu cơ bản trong ngôn ngữ dạng bậc thang

Tiếp điểm thường hở (NO): Tiếp điểm kín mạch khi cuộn hút điều khiển tiếp điểm tích cực

Tiếp điểm thường đóng (NC): Tiếp điểm kín mạch khi cuộn hút điều khiển tiếp điểm không tích cực

Đầu ra hay cuộn hút của rơle Nếu nhánh được kín mạch từ trái sang phải thì đầu ra được cấp điện Nếu nhánh hở mạch thì đầu ra không được cấp điện

Chương 2

2.3 Các ký hiệu cơ bản trong ngôn ngữ dạng bậc thang

• Chuẩn IEC 61131-3

Tiếp điểm thường hở (NO)

Tiếp điểm thường đóng (NC)

Tiếp điểm phát hiện sườn dương

Tiếp điểm phát hiện sườn âm

Cuộn hút hay đầu ra tích cực của PLC

Cuộn hút hay đầu ra không tích cực của PLC

Cuộn hút xác lập trạng thái

Cuộn hút khởi tạo trạng thái

Cuộn hút xác lập theo sườn dương

Cuộn hút xác lập theo sườn âm

Cuộn hút ảo ghi nhớ trạng thái

Cuộn hút ghi nhớ xác lập trạng thái

Cuộn hút ghi nhớ khởi tạo trạng thái

Chương 2

2.3 Các ký hiệu cơ bản trong ngôn ngữ dạng bậc thang

• Simens S7

Tiếp điểm thường hở (NO):

Tiếp điểm thường đóng (NC):

Tiếp điểm phát hiện sườn dương

Tiếp điểm phát hiện sườn âm

Tiếp điểm phủ định trạng thái

Cuộn hút hay đầu ra tích cực của PLC

Cuộn hút trung gian

Cuộn hút xác lập trạng thái

Cuộn hút khởi tạo trạng thái

Chương 2 2.4 Sơ đồ logic dạng bậc thang

Chương 2 2.4 Sơ đồ logic dạng bậc thang

Chương 2 2.4 Sơ đồ logic dạng bậc thang

Chương 2 2.5 Chu kì quét của PLC

 Có thể chia quá trình hoạt

động của PLC làm ba giai

đoạn:

 Đọc trạng thái đầu vào

của PLC

 Thực hiện các thuật toán

theo chương trình viết

Chương 2 2.5 Chu kì quét của PLC

 Có thể chia quá trình hoạt

động của PLC làm ba giai

đoạn:

 Đọc trạng thái đầu vào

của PLC

 Thực hiện các thuật toán

theo chương trình viết

theo ngôn ngữ dạng bậc

thang

 Đặt các trạng thái đầu ra

của PLC

Chương 2 2.5 Chu kì quét của PLC

1 Xử lý chương trình theo nhánh

 Ví dụ 2.6

 Sơ đồ dạng bậc thang của ví dụ

được mô tả trong hình 2.21 Nút bấm sẽ xác lập trạng thái đầu vào

PB, đầu ra của PLC là PL1, PL2, PL3 và PL4

Chương trình mỗi vòng được quét từ trái qua phải trong mỗi lad Từ trên xuống dưới trong toàn sơ đồ

Chương 2 2.5 Chu kì quét của PLC

2 Xử lý chương trình theo cột

 Ví dụ 2.8 Tín hiệu vào/ra nét liền

Tín hiệu nhớ nội nét đứt

Bài tập chương 2.1-2.7

Chương 2

2.6 Lập trình với tiếp điểm thường đóng

 Không cần quan tâm tới tiếp điểm bên ngoài, nguyên tắc cơ bản

Chương 2

2.7 Lập trình Start/Stop

Khi nút stop bên ngoài thường mở thì stop trong chương trình thường đóng

Chương 2

2.8 Chuyển đổi sơ đồ rơle sang sơ đồ dạng hình thang

 2 bước cơ bản:

đồ rơle sang sơ đồ dạng bậc thang

Chương 3 3.1 Giới thiệu

• Chuẩn IEC 61131-3 là chuẩn không bắt

buộc về bộ nhớ và tổ chức chương trình của PLC

• Cấu trúc chung gồm bộ nhớ chương trình

dữ liệu, máy tính và phần mềm có thể viết dạng:

– STL lệnh

– FBD khối chức năng

– LAD

– SFC tuần tự chức năng

Chương 3

3.2 Kiểu bộ nhớ trong chuẩn IEC 61131-3

• Cấu hình (Configuration) của hệ thống

PLC bao gồm chương trình và dữ liệu

• Tài nguyên (Resource) cung cấp các hàm

trong chương trình

• Chương trình (Program) bao gồm các

liên kết giữa các khối chức năng

• Tác vụ (Task) điều khiển việc thực thi

một hay nhiều chương trình, khối chức

năng một cách tuần hoàn hay theo sự

kiện

• Biến cục bộ (Local Program Variables)

• Biến toàn cục (Global Program Variables)

• Các biến truy cập trực tiếp (Global and

directly represented variables)

Hình 3.1 Kiểu bộ nhớ của chuẩn IEC 61131-3

Bộ nhớ ROM VB0.0, VB0, VW0,VD0

Cổng ra số Q Q0.0, QB0

Cổng ra tương tự

AQ AQW0,AQW2

Relay Đèn

Hiển thị, Điều khiển tương tự

Cổng vào số I I0.0, IB0

Cổng vào tương

tự AI AIW0,AIW2

BỘ NHỚ CỔNG VÀO/RA

 Cổng vào số (Digital Input):

Ký hiệu vùng nhớ I (ví dụ I0.0, IB0) bắt đầu từ I0.0 dùng để giám sát các tín hiệu đo dạng số về: Ví dụ trạng thái của động cơ đang chạy hay

dừng

 Cổng ra số (Digital Output):

Ký hiệu là vùng nhớ Q(Ví dụ Q0.0,QB0) có giá trị bắt đầu từ từ Q0.0

dùng để điều khiển các thiết bị dạng số: Ví dụ đó cắt Contactor để chạy

và dừng động cơ

 Cổng vào tương tự (Analog Input):

Ký hiệu vùng nhớ AIW (Ví dụ AIW0, AIW2… ) dùng để đọc các tín hiệu

đo tương tự: ví dụ như tín hiệu đo nhiệt độ

 Cổng ra tương tự (Analog Output):

Ký hiệu vùng nhớ AQW (Ví dụ AQW0, AQW2…) dùng để điều khiển các thiết bị với đầu vào tương tự: Ví dụ như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%

Chương 3

3.3 Tổ chức bộ nhớ của Siemens S7

CÁC KIỂU DỮ LIỆU

 Kiểu logic(Kiểu Boolean) :

Có giá trị 0 và 1 Lưu trữ bằng 1 bit Ví dụ M0.0, M0.1,VB0.0, SM0.0…

 Kiểu Integer:

Có giá trị từ -32768 đến 32768, Lưu trữ bằng ô nhớ 16Bit Ví dụ MW0, MW2, VW0, AIW0, AQW0…

 Kiểu Double Integer:

Có giá trị từ -65536 đến 65536, Lưu trữ bằng ô nhớ 32Bit Ví dụ MD0, MD4, VD0

Chương 3

3.3 Tổ chức bộ nhớ của Siemens S7

– Mỗi khối tổ chức có thể coi là một tác vụ Chương trình trong khối tổ

chức OB1 thực thi một lần trong một vòng quét

– Khối tổ chức OB90 là khối chạy nền, chỉ thực thi khi thời gian chương

trình ngắn hơn thời gian tối thiểu của một vòng quét

– Chương trình trong khối OB1 thực thi giống như phần 2.5 đã mô tả

• Đọc trạng thái đầu vào vật lý,

• Thực thi chương trình theo thứ tự từ trên xuống

• Cập nhật trạng thái đầu ra vật lý

Chương 3

3.3 Tổ chức bộ nhớ của Siemens S7

4 Địa chỉ đầu vào/ra

 PL2: Module đầu ra, thanh gá tập trung, khe 8, nhóm 1 kênh 7 với địa chỉ module là 16

 SS1: Module đầu vào, thanh gá mở rộng, khe 7, nhóm 0 kênh 5, địa chỉ module là 44

 PB5: Module đầu vào, thanh gá mở rộng, khe 5, nhóm 1 kênh 1, địa chỉ module là 68

 LS7: Module đầu vào, thanh gá cục bộ, khe 6, nhóm 1 kênh 0, địa chỉ module là 8

 SS1: I44.5 Địa chỉ byte = 44 + (nhóm) 0 = 44

 PB5: I69.1 Địa chỉ byte = 68 + (nhóm) 1 = 69

 LS7: I9.0 Địa chỉ byte = 8 + (nhóm) 1 = 9

• Sơ đồ logic dạng bậc thanh được mô tả trong hình 3.44 Địa chỉ của từng tiếp điểm và cuộn hút cũng được thể hiện trong hình vẽ

Hình 3.44 Sơ đồ logic của ví dụ 3.4

Chương 3

3.4 Tổ chức bộ nhớ của GE FANUC

3 Bộ nhớ dữ liệu

 Các biến trong PLC GE Fanuc cũng tương tự như trong chuẩn IEC 61131-3

Tên các biến có thể lấy bằng các chuỗi chữ, số, gạch chân và hỗ trợ độ dài tối

đa là 32 ký tự theo qui ước:

• Ký tự đầu tiên không được phép là chữ số

• Không sử dụng hai lần gạch chân cho một tên biến