giáo trình PLC cơ bản

giới thiệu về chương trình PLC..................................................................................................................................................................................................

Bộ Công thương

Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế

GIÁO TRÌNH

PLC (Lưu hành nội bộ)

Huế, tháng 7/2009

MỤC LỤC

Chương 1 Điều khiển Logic 3

1.1 Logic trạng thái 3

1.2 Mạch tổ hợp 8

1.3 Mạch trình tự 11

1.4 Grafcet 13

1.5 Lưu đồ thuật toán 18

Chương 2 Bộ điều khiển PLC 22

2.1 Cấu trúc PLC 22

2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC 51

2.3 Lĩnh vực sử dụng của PLC 61

2.4 Các ngôn ngữ lập trình PLC 61

Chương 3 Lập trình điều khiển với PLC 74

3.1 PLC Siemens S7-200 CPU 224 74

3.2 PLC Mitshubishi FX-1S 81

3.3 PLC LG Series Master K30S & K120S 87

3.4 Tập lệnh lập trình PLC 93

3.5 Các phương pháp lập trình điều khiển PLC 134

3.6 Xây dựng hệ thống điều khiển dùng PLC 138

Chương 4Ứng dụng lập trình PLC điều khiển trong dân dụng và công nghiệp141 4.1 Mạch điều khiển đèn giao thông 141

4.2 Mạch điều khiển chuông báo học 145

4.3 Mạch điều khiển máy trộn sơn 147

4.4 Mạch điều khiển máy bán nước ngọt tự động 152

4.5 Mạch điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm 157

4.6 Mạch điều khiển cánh tay rôbốt xếp hàng hóa 161

Chương 1 ĐIỀU KHIỂN LOGIC 1.1 Logic trạng thái

1.1.1 Khái niệm

Trong cuộc sống các sự vật và hiện tượng thường biểu diễn ở hai trạng tháiđối lập, thông qua hai trạng thái đối lập rõ rệt của nó con người nhận thức được sựvật và hiện tượng một cách nhanh chóng bằng cách phân biệt hai trạng thái đó.Chẳng hạn như ta nói nước sạch và bẩn, giá cả đắt và rẻ, nước sôi và không sôi,học sinh học giỏi và yếu, kết quả tốt và xấu

Trong kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điện và điều khiển, ta thường có kháiniệm về hai trạng thái: đóng và cắt như đóng điện và cắt điện, đóng máy và ngừngmáy

Trong toán học, để lượng hoá hai trạng thái đối lập của sự vật và hiệntượng người ta dùng hai giá trị: 0 và 1 Giá trị 0 hàm ý đặc trưng cho một trạngthái của sự vật hoặc hiện tượng, giá trị 1 đặc trưng cho trạng thái đối lập của sựvật và hiện tượng đó Ta gọi các giá trị 0 hoặc 1 đó là các giá trị logic Các nhàbác học đã xây dựng các cơ sở toán học để tính toán các hàm và các biến chỉ lấyhai giá trị 0 và 1 này, hàm và biến đó được gọi là hàm và biến logic, cơ sở toánhọc để tính toán hàm và biến logic gọi là đại số logic

Đại số logic cũng có tên là đại số Boole vì lấy tên nhà toán học có công đầutrong việc xây dựng nên công cụ đại số này Đại số logic là công cụ toán học đểphân tích và tổng hợp các hệ thống thiết bị và mạch số Nó nghiên cứu các mốiquan hệ giữa các biến số trạng thái logic Kết quả nghiên cứu thể hiện là một hàmtrạng thái cũng chỉ nhận hai giá trị 0 hoặc 1

Trong công nghệ có nhiều đại lượng vật lý cần điều khiển và giá trị của nótại một thời điểm có thể là lớn hay nhỏ, quá trình điều khiển đó gọi là điều khiểnquá trình Trong quá trình sản xuất, khi điều khiển nhiều lúc ta cần quan tâm tớiviệc đồng bộ quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống Khi đó ta chỉ quan tâm đếntrạng thái của các thiết bị đang làm việc hay đang nghỉ, quá trình này gọi là điềukhiển logic

Điều khiển logic xuất phát từ thực tế, ngoài việc thiết bị làm việc như thếnào người ta còn phải quan tâm tới việc khi nào cho thiết bị làm việc, khi nào chothiết bị nghỉ để đạt được hiệu quả cao trong quá trình điều khiển

Vậy trong điều khiển logic ta cần quan tâm tới 2 trạng thái đối lập: trạngthái cao (High) và trạng thái thấp (Low) (xét về mặt tín hiệu) Và thường trongthiết kế điều khiển logic, người ta ngầm qui ước thiết bị đang làm việc thì có trạngthái logic 1 hay trạng thái cao còn khi thiết bị đang nghỉ thì có trạng thái logic 0hay trạng thái thấp Tuy nhiên việc quy ước trên chỉ là tương đối, tuỳ theo thiết bị

điều khiển mà tương ứng với logic 0 là điểm nghỉ và logic 1 là điểm làm việchoặc ngược lại Hoặc có thể chủ động áp đặt logic 1 là điểm làm việc thì chọnthiết bị cho phù hợp.

Trong điều khiển logic ta cần quan tâm đến các biến đầu vào để gia côngtheo hàm logic tạo nên giá trị đầu ra Quan hệ giữa đầu ra và đầu vào nhờ chươngtrình phần mềm hay phần cứng điều khiển Các biến đầu vào được tạo nên từ cácnút ấn, công tắc, cảm biến các giá trị này phụ thuộc vào người vận hành haytrình tự của công nghệ Hàm logic đầu ra đưa tới điều khiển các đối tượng có thể

là nhóm các thiết bị như các cuộn dây điện từ của các thiết bị đóng cắt hay động

cơ của máy sản xuất…

1.1.2 Các hàm cơ bản của đại số logic

Một hàm y = f(x1, x2, ,xn) với các biến x1, x2, ,xn chỉ nhận hai giá trị:

0 hoặc 1 và hàm y cũng chỉ nhận 2 giá trị 0 hoặc 1 thì gọi là hàm logic

1.1.2.1 Hàm logic một biến: y = f(x)

Với biến x sẽ nhận hai giá trị 0 hoặc 1, nên hàm y có bốn khả năng haythường gọi là bốn hàm y0, y1, y2, y3 Các khả năng và và các kí hiệu mạch rơle vàđiện tử của hàm một biến như trong bảng 1.1

Bảng 1.1

Trong các hàm trên, hai hàm y0 và y3 luôn có giá trị không đổi nên ít đượcquan tâm, thường ta chỉ xét hai hàm y1 và y2.

1.1.2.2 Hàm logic hai biến: y = f(x1, x2)Với hai biến x1, x2 mỗi biến nhận hai giá trị 0 và 1, như vậy có 16 tổ hợplogic tạo thành 16 hàm Các hàm này được thể hiện trên bảng 1.2

Bảng 1.2

Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn)

Với hàm logic n biến, mỗi biến nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1 nên ta

có tổ hợp biến, mỗi tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 0 hoặc 1, do vậy số hàm logictổng là 2 Ta thấy với 1 biến có 4 khả năng tạo hàm, với 2 biến có 16 khả năngtạo hàm, với 3 biến có 256 khả năng tạo hàm Như vậy khi số biến tăng thì sốhàm có khả năng tạo thành rất lớn

Trong tất cả các hàm được tạo thành ta đặc biệt chú ý đến hai loại hàm làhàm tổng chuẩn và hàm tích chuẩn Hàm tổng chuẩn là hàm chứa tổng các tích

mà mỗi tích có đủ tất cả các biến của hàm Hàm tích chuẩn là hàm chứa tích cáctổng mà mỗi tổng đều có đủ tất cả các biến của hàm

Các phép tính cơ bản: Người ta xây dựng ba phép tính cơ bản giữa các biến logic

Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn)

Với hàm logic n biến, mỗi biến nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1 nên ta

có tổ hợp biến, mỗi tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 0 hoặc 1, do vậy số hàm logictổng là 2 Ta thấy với 1 biến có 4 khả năng tạo hàm, với 2 biến có 16 khả năngtạo hàm, với 3 biến có 256 khả năng tạo hàm Như vậy khi số biến tăng thì sốhàm có khả năng tạo thành rất lớn

Trong tất cả các hàm được tạo thành ta đặc biệt chú ý đến hai loại hàm làhàm tổng chuẩn và hàm tích chuẩn Hàm tổng chuẩn là hàm chứa tổng các tích

mà mỗi tích có đủ tất cả các biến của hàm Hàm tích chuẩn là hàm chứa tích cáctổng mà mỗi tổng đều có đủ tất cả các biến của hàm

Các phép tính cơ bản: Người ta xây dựng ba phép tính cơ bản giữa các

biến logic đó là:

Phép phủ định (đảo): kí hiệu bằng dấu “-“ phía trên kí hiệu của biến

Phép cộng (tuyển): kí hiệu bằng dấu “+” (song song)

Phép nhân (hội): kí hiệu bằng dấu “.” (nối tiếp)

Các phép toán và định lý của đại số Boole giúp cho thao tác các biểu thứclogic Trong kỹ thuật thực tế là bằng cách nối cổng logic của các mạch logic vớinhau (theo kết cấu đã tối giản nếu có) Để thực hiện một bài toán điều khiển phứctạp, số mạch logic sẽ phụ thuộc vào số lượng đầu vào và cách giải quyết bằngloại mạch logic nào, sử dụng các phép toán hay định lý nào Đây là một bài toántối ưu nhiều khi có không chỉ một lời giải Tuỳ theo loại mạch logic mà việc giảicác bài toán có những phương pháp khác nhau Về cơ bản các mạch logic đượcchia làm hai loại:

có phản hồi, nghĩa là trạng thái đóng mở của các phần tử tổ hợp trong mạch hoàntoàn không bị ảnh hưởng của trạng thái tín hiệu đầu ra

Sơ đồ mạch logic tổ hợp như hình 1.1

Với y1 =f(x1 ,x2 ,…,xn )

y2 =f(x1 ,x2 ,…,xn )

.

ym =f(x1 ,x2 ,…,xn )

Cũng có thể trình bày dưới dạng vector như sau :Y =F(X)

Với mạch logic tổ hợp tồn tại hai loại bài toán là bài toán phân tích và bàitoán tổng hợp

+ Bài toán phân tích có nhiệm vụ là từ mạch tổ hợp đã có, mô tả hoạt động

và viết các hàm logic của các đầu ra theo các biến đầu vào và nếu cần có thể xéttới việc tối thiểu hoá mạch

+ Bài toán tổng hợp thực chất là thiết kế mạch tổ hợp Nhiệm vụ chính làthiết kế được mạch tổ hợp thoả mãn yêu cầu kỹ thuật nhưng mạch phải tối giản.Bài toán tổng hợp là bài toán phức tạp, vì ngoài các yêu cầu về chức năng logic,việc tổng hợp mạch còn phụ thuộc vào việc sử dụng các phần tử, chẳng hạn nhưphần tử là loại: rơle - công tắc tơ, loại phần tử khí nén hay loại phần tử là bán dẫn

vi mạch Với mỗi loại phần tử logic được sử dụng thì ngoài nguyên lý chung vềmạch logic còn đòi hỏi phải bổ sung những nguyên tắc riêng lúc tổng hợp và thiết

kế hệ thống

Ví dụ: Mạch logic tổ hợp như hình 1.2

♦ Xác định nào là biến đầu vào

♦ Xác định nào là biến đầu ra

♦ Tìm ra mối liên hệ giữa chúng với nhau

Điều này đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ yêu cầu thiết kế đây là một việc khókhăn nhưng rất quan trọng trong quá trình thiết kế

Nếu số biến tương đối ít thì dùng phương pháp hình vẽ

Nếu số biến tương đối nhiều thì dùng phương pháp đại số

Được tiến hành theo sơ đồ sau:

1.2.3 Các dạng mạch tổ hợp thường gặp

Các mạch tổ hợp hiện nay thường gặp là:

Bộ mã hóa (mã hóa nhị phân, mã hóa BCD) thập phân, ưu tiên

Bộ giải mã (giải mã nhị phân, giải mã BCD_led 7 đoạn) bộ giải mã hiểnthị kí tự

Mạch trình tự hay còn gọi là mạch dãy (sequential circuits) là mạch trong

đó trạng thái của tín hiệu ra không những phụ thuộc tín hiệu vào mà còn phụthuộc cả trình tự tác động của tín hiệu vào, nghĩa là có nhớ các trạng thái Nhưvậy, về mặt thiết bị thì ở mạch trình tự không những chỉ có các phần tử đóng mở

mà còn có cả các phần tử nhớ

1.3.2 Một số phần tử nhớ trong mạch trình tự

Xét mạch logic trình tự như hình 1.3 Ta xét hoạt động của mạch khi thayđổi trạng thái đóng mở của x1 và x2 Biểu đồ hình 1.3b mô tả hoạt động củamạch, trong biểu đồ các nét đậm biểu hiện tín hiệu có giá trị 1, còn nét mảnh biểuhiện tín hiệu có giá trị 0

Từ biểu đồ ta thấy, trạng thái z = 1 chỉ đạt được khi thao tác theo trình tự x1 = 1,tiếp theo x2 = 1 Nếu cho x2 = 1 trước, sau đó x1 = 1, thì cả y và z đều không thểbằng 1

Sơ đồ logic Sơ đồ mạch điện

1.3.3 Phương pháp mô tả mạch trình tự

Để mô tả mạch trình tự ta có thể dùng bảng chuyển trạng thái, dùng đồ hìnhtrạng thái Mealy, đồ hình trạng thái Moore hoặc dùng phương pháp lưu đồ.Trong đó phương pháp lưu đồ có dạng trực quan hơn Từ lưu đồ thuật toán ta dễdàng chuyển sang dạng đồ hình trạng thái Mealy hoặc đồ hình trạng thái Moore

và từ đó có thể thiết kế được mạch trình tự

Phương pháp bảng chuyển trạng thái :

Sau khi khảo sát kỹ quá trình công nghệ, ta tiến hành lập bảng ,ví dụ ta có bảng như sau :

trạngthái tín hiệu vào tín hiệu ra x1 x2 x3 Y1 Y2

S4S5

- Các cột của bảng ghi : Biến đầu vào ( tín hiệu vào ): x1 ,x2 ,x3 ,… ; hàmđầu ra y1, y2 , y3 ,…

- Số hàng của bảng ghi rõ số trạng thái trong cần có của hệ (S1 ,S2 ,S3 ,…)

- Ô giao giữa cột tín hiệu vào xi với hàng trạng thái Sj ghi trạng thái củamạch Nếu trạng thái mạch trùng với trạng thái hàng, đó là trạng thái ổn định

- Ô giao giữa cột tín hiệu ra Yi và hàng trạng thái Sj chính là tín hiệu ratương ứng

* Điều quan trọng là ghi đầy đủ và đúng các trạng thái ở trong các ô củabảng, có hai cách ghi :

Cách 1 :

• Nắm rõ dữ liệu vào, hiểu sâu về quy trình công nghệ, ghi trạng thái ổnđịnh hiển nhiên

• Ghi các trạng thái chuyển rõ ràng (các trạng thái ổn định dễ dàng nhận ra )

• Các trạng thái không biết chắc chắn thì để trống, bổ sung sau

Đồ hình Mealy :

Đồ hình Mealy chính là sự chuyển trạng thái thành đồ hình, ta thực hiện chuyển

từ bảng trạng thái sang đồ hình :

Bảng có 5 trạng thái ; đó là năm đỉnh của đồ hình

Các cung định hướng trên đó ghi hai thông số: Biến tác động, kết quả hàm khichịu sự tác động của biến

Đồ hình Moore :

Đồ hình Moore cũng thực hiện chuyển bảng trạng thái thành đồ hình Từ bảngtrạng thái hay từ đồ hình Mealy ta chuyển sang đồ hình Moore như sau: đỉnh làcác giá trị trạng thái, cung định hướng là biến ghi tác động

* Đồ thị Moore có nhiều đỉnh hơn đồ hình Mealy, nhưng biến đầu ra đơn giảnhơn Mealy

Phương pháp lưu đồ: Phương pháp này mô tả hệ thống một cách trực quan, bao

gồm các khối cơ bản sau :

Khối biểu thị giá trị ban đầu để chuẩn bị sẵn sàng hoạc cho hệ thống hoạt độngKhối thực hiện công việc (xử lý , tính toán )

Khối kiểm tra điều kiện và đưa ra một trong hai quyết định

Khối kết thúc công việc:

Với mạch logic trình tự ta cũng có bài toán phân tích và bài toán tổng hợp

1.4 Grafcet

1.4.1 Khái niệm

Đây là ngôn ngữ được phát triển bởi các nhà khoa học Pháp vào năm 1982.Ngôn ngữ này được đặt tên từ chữ viết tất của Graphe Fonctionnel de CommandeEtapes – Transition (Đồ hoạ chức năng điều khiển giai đoạn – chuyển tiếp) do hai

cơ quan khoa học của Pháp là AFCET ( Liên hiệp Pháp về kinh tế và kỹ thuật) vàADEPA ( Hiệp hội vê phát triển nền sản xuất tự động) hợp tác soạn thảo Grafcet

là công cụ đễ biểu diễn các hoạt động điều khiển của các hệ thống tự động Trongcác hoạt động của các hệ thống vật lý thì ta có thể gặp hai dạng hoạt động: hoạtđộng kế tiếp nhau và hoạt động đồng thời Mỗi hoạt động hay mỗi trạng thái đượcthể hiện bằng một khối hình vuông hoặc hình chữ nhật Các hoạt động được liênkết với nhau bằng các đoạn thẳng, giữa các đoạn thẳng này được vạch bằng mộtgạch phân cách để chỉ trạng thái chuyển tiếp tức là kết thúc của một hoạt động vàcác điều kiện bắt đầu cho hoạt động tiếp theo Đầu vào của một khối là điều kiện

để bắt đầu của trạng thái hay của hoạt động kế tiếp và chính là kết thúc của mộthay nhiều hoạt động trước đó

Ngôn ngữ Grafcet biểu diễn các hàm logic bằng sơ đồ của các chuỗi nhiệm vụ

kế tiếp nhau Ngôn ngữ này rất đơn giản cho người sử dụng, đặc biệt là đối vớinhững người không am hiểu sâu về PLC Grafcet là công cụ được chuẩn hoá theo

theo tiêu chuẩn của Pháp AFNOR Từ Grafcet có thể chuyển sang ngôn ngữ máy,ngôn ngữ bảng lệnh, sơ đồ thang hay sơ đồ hàm logic.

Mỗi trạng thái của hệ thống được kí hiệu bởi một hình vuông có chỉ số củatrạng thái đó Chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái kia được xác định bởitác động được thực hiện tại trạng thái đứng trước

0 Trạng thái khởi động của Grafcet

Kí hiệu sử dụng để diễn tả một hoạt động tại trạng thái đã biết

Sự chuyển tiếp trạng thái của hoạt động thứ i sang hoạt động thứ j được thể hiệnbằng điều kiện chuyển tiếp CT

i

CT Dung lượng dịch chuyển

j

Sơ đồ dịch chuyển từ trạng thái i sang trạng thái j

Có thể có khả năng chuyển từ một trạng thái sang hai trạng thái khác nhau:

Trường hợp thứ nhất là trường hợp phân nhánh đơn của chương trình, tươngứng với điều kiện CT1 hay điều kiện CT2 Một trong hai điều kiện được đáp ứng,chương trình tiếp tục thực hiện các hoạt động tiếp theo Trường hợp thứ hai làtrường hợp phân nhánh song song Hoạt động của các nhánh diễn ra đồng thời khitrạng thái chuyển tiếp CT1 đuợc đáp ứng

Ngược lại cũng có khả năng từ hai hay nhiều trạng thái chuyển về một trạngthái: Trường hợp1 Trường hợp 2

+ Điều khiển hoàn toàn tự động, lúc này chỉ cần sự chỉ huy chung của nhân viênvận hành hệ thống

+ Điều khiển bán tự động, quá trình làm việc có liên quan trực tiếp đến các thaotác liên tục của con người giữa các chuỗi hoạt động tự động

+ Điều khiển bằng tay, tất cả hoạt động của hệ đều do con người thao tác Trongquá trình làm việc để đảm bảo an toàn, tin cậy và linh hoạt, hệ điều khiển cần có

sự chuyển đổi dễ dàng từ điều khiểu bằng tay sang tự động và ngược lại, vì nhưvậy hệ điều khiển mới đáp ứng đúng các yêu cầu thực tế

Trong quá trình làm việc sự không bình thường trong hoạt động của dâytruyền có rất nhiều loại, khi thiết kế ta phải cố gắng mô tả chúng một cách đầy đủnhất Trong số các hoạt động không bình thường của chương trình điều khiển mộtdây truyền tự động, người ta thường phân biệt ra các loại sau:

+ Hư hỏng một bộ phận trong cấu trúc điều khiển Lúc này cần phải xử lý riêngphần chương trình có chỗ hư hỏng, đồng thời phải lưu tâm cho dây truyền hoạtđộng lúc có hư hỏng và sẵn sàng chấp nhận lại điều khiển khi hư hỏng được sửachữa xong

+ Hư hỏng trong cấu trúc trình tự điều khiển

+ Hư hỏng bộ phận chấp hành (như hư hỏng thiết bị chấp hành, hư hỏng cảmbiến, hư hỏng các bộ phân thao tác )

Khi thiết kế hệ thống phải tính đến các phường thức làm việc khác nhau đểđảm bảo an toàn và xử lý kịp thời các hư hỏng trong hệ thống, phải luôn cóphương án can thiệp trực tiếp của người vận hành đến việc dừng máy khẩn cấp,

xử lý tắc nghẽn vật liệu và các hiện tượng nguy hiểm khác Grafcel là công cụ rấthữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động cho các quátrình công nghệ kể trên

Grafcet là từ viết tắt của tiếng Pháp “Graphe fonctionnel de commande étapetransition” (chuỗi chức năng điều khiển giai đoạn - chuyển tiếp), do hai cơ quanAFCET (Liên hợp Pháp về tin học, kinh tế và kỹ thuật) và ADEPA (tổ chức nhànước về phát triển nền sản xuất tự động hoá) hợp tác soạn thảo tháng 11/1982được đăng kí ở tổ chức tiêu chuẩn hoá Pháp Như vậy, mạng grafcet đã được tiêuchuẩn hoá và được công nhận là một ngôn ngữ thích hợp cho việc mô tả hoạtđộng dãy của quá trình tự động hoá trong sản xuất

Mạng grafcet là một đồ hình chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm việccủa hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái và sự chuyển đổi

từ trạng thái này sang trạng thái khác, đó là một đồ hình định hướng được xácđịnh bởi các phần tử là: tập các trạng thái, tập các điều kiện chuyển trạng thái.Mạng grafcet mô tả thành chuỗi các giai đoạn trong chu trình sản xuất

Mạng grafcet cho một quá trình sản xuất luôn luôn là một đồ hình khép kín từtrạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu

- Một trạng thái (giai đoạn) được biểu diễn bằng một hình vuông có đánh số thứ

tự chỉ trạng thái Gắn liền với biểu tượng trạng thái là một hình chữ nhật bêncạnh, trong hình chữ nhật này có ghi các tác động của trạng thái đó hình 1.4a vàMột trạng thái có thể tương ứng với một hoặc nhiều hành động của quá trình sảnxuất

- Trạng thái khởi động được thể hiện bằng 2 hình vuông lồng vào nhau, thứ tựthường là 1 hình 1.4c

Trạng thái hoạt động (tích cực) có thêm dấu “.” ở trong hình vuông trạng tháihình 1.4d

Hình 1.5 Kí hiệu grafcet 2

- Việc chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ có thể được thực hiệnkhi các điều kiện chuyển tiếp được thoả mãn Chẳng hạn, việc chuyển tiếp giữacác trạng thái 3 và 4 hình 1.5a được thực hiện khi tác động lên biến b, còn chuyểntiếp giữa trạng thái 5 và 6 được thực hiện ở sườn tăng của biến c hình1.5b, ở hình1.5c là tác động ở sườn giảm của biến d Chuyển tiếp giữa trạng thái 9 và 10 hình1.5d sẽ xảy ra sau 2s kể từ khi có tác động cuối cùng của trạng thái 9 được thựchiện

1.4.2 Phương pháp xây dựng sơ đồ Grafcet

Để xây dựng mạng grafcet cho một quá trình nào đó thì trước tiên ta phải mô tảmọi hành vi tự động bao gồm các giai đoạn và các điều kiện chuyển tiếp, sau đólựa chọn các dẫn động và các cảm biến rồi mô tả chúng bằng các kí hiệu, sau đókết nối chúng lại theo cách mô tả của grafcet

Với cách phân tích sơ đồ như trên thì khó đánh giá được các mạng có độ phứctạp lớn Do đó ta phải xét một cách phân tích mạng grafcet là dùng phương phápgiản đồ điểm

Để thành lập giản đồ điểm ta đi theo các bước sau:

+ Vẽ một ô đầu tiên cho giản đồ điểm, ghi số 0 Xuất phát từ giai đoạn đầu trêngrafcet được coi là đang tích cực, giai đoạn này đang có dấu “.”, khi có một điềukiện được thực hiện, sẽ có các giai đoạn mới được tích cực thì:

- Đánh dấu “.” vào các giai đoạn vừa được tích cực trên grafcet

- Xoá dấu “.” ở giai đoạn hết tích cực trên grafcet

- Tạo một ô mới trên giản đồ điểm sau điều kiện vừa thực hiện

- Ghi hết các giai đoạn tích cực của hệ (có dấu “.”) vào ô mới vừa tạo

+ Từ các ô đã thành lập khi một điều kiện nào đó lại được thực hiện thì các giaiđoạn tích cực lại được chuyển đổi, ta lại lặp lại bốn bước nhỏ trên

+ Quá trình cứ như vậy tiếp tục, ta có thể vẽ hoàn thiện được giản đồ điểm(sơ đồtạo thành mạch liên tục, sau khi kết thúc lại trở về điểm xuất phát) hoặc không vẽhoàn thiện được Nhìn vào giản đồ điểm ta sẽ có các kết luận sau:

- Nếu trong quá trình vẽ đến giai đoạn nào đó không thể vẽ tiếp được nữa (khônghoàn thiện sơ đồ) thì sơ đồ đó là sơ đồ có nhánh chết.

- Nếu vẽ được hết mà ở vị trí nào đó có các điểm làm việc cùng tên thì là sơ đồkhông sạch

- Nếu vẽ được hết và không có vị trí nào có các điểm làm việc cùng tên thì là sơ

Mạng grafcet cho một quá trình sản xuất luôn luôn là một đồ hình khép kín từtrạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu

1.4.4 Bài tập

+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống đèn giao thông ngã tư

Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ

+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống trộn nhiên liệu

Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ

+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống phân loại sản phẩm

Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ

+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống thang máy chở hàng hóa

Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ

1.5 Lưu đồ thuật toán

1.5.1 Khái niệm

+Lưu đồ thuật toán là công cụ dùng để biểu diễn thuật toán, việc mô tảnhập input), dữ liệu xuất (output) và luồng xữ lý thông qua các kí hiệu hình học Qua lưu đồ thuật toán này, người lập trình có thể khái quát các nhiệm vụ vàhướng giải quyết các vấn đề của bài toán; sau đó dựa vào lưu đồ để viết nênchương trình cụ thể

+Các cấu trúc cơ bản của bài toán điều khiển

- Điều khiển tuần tự: Diễn biến chương trình điều khiển sẽ đượcthực hiện theo tuần tự tiến trình từ trên xuống, xong tác vụ này đếntác vụ khác

- Cấu trúc phân kỳ: Thông qua biểu thức điều kiện, hướng đi củachương trình sẽ rẽ thành 2 nhánh: hoặc đi theo hướng đúng, hoặc đitheo hướng sai Trong cấu trúc phân kỳ này ta có cấu trúc lặp vàđược sử dụng khá phổ biến trong các chương trình

+Phương pháp xử lý trong lưu đồ: Xử lý theo trình tự từ trên xuống, từ tráiqua

+Các kí hiệu dùng trong lưu đồ.

1.5.2 Phương pháp xây dựng lưu đồ thuật toán

+Phương pháp:

Để xây dựng lưu đồ thuật toán, trước tiên ta phải xem bài toán điều khiển thuộc cấu trúc tuần tự hay cấu trúc phân kỳ

- Xây dựng lưu đồ thuật toán với cấu trúc tuần tự:

Bước 1: Phân tích yêu cầu bài toán: Nhận biết các điều kiện thực hiệntương ứng với các yêu cầu thực hiện

Bước 2: Xây dựng sơ đồ hình cây theo thứ tự thực hiện yêu cầu của bàitoán

Bước 3: Vẽ lưu đồ thuật toán từ sơ đồ hình cây với đúng các kí hiệu tronglưu đồ thuật toán

- Xây dựng lưu đồ thuật toán với cấu trúc phân kỳ:

Bước 1: Phân tích yêu cầu bài toán: Nhận biết các điều kiện thực hiệntương ứng với các yêu cầu thực hiện Nhận biết các vòng lặp với các điềukiện tương ứng

Bước 2: Xây dựng sơ đồ hình cây theo thứ tự thực hiện yêu cầu của bàitoán kết hợp điều kiện của các vòng lặp, để xây dựng cấu trúc lặp đúng vớiđiều kiện bài toán

Bước 3: Vẽ lưu đồ thuật toán từ sơ đồ hình cây với đúng các kí hiệu tronglưu đồ thuật toán

+Ví dụ 1: Lưu đồ thuật toán của hệ thống sản xuất bún theo hai chế độ: tự động hoặc thủ công

+ Ví dụ 2: Lưu đồ thuật toán của hệ thống điều khiển lưu lượng theo hai

chế độ: Chế độ tự động có chọn giá trị đặt và chế độ thủ công

Chương 2

BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.1 Cấu trúc PLC

ta không thể dùng các mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điềukhiển logic Trước đây các hệ thống điều khiển logic được sử dụng là hệ thốnglogic rơle Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điềukhiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiệnvào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơle Càng ngày PLC càng trởnên hoàn thiện và đa năng Các PLC ngày nay không những có khả năng thaythể hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thếcác thiêt bị điều khiển tương tự Các PLC được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp

Lịch sử phát triển của PLC: Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa

ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên cho thiết bị điêù khiển logic khả lập trình Mụcđích đầu tiên là thay thế cho các tủ điêu khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điệnnăng và thường xuyên phải thay thể các rơle do hỏng cuộn dây hay gẫy cácthanh lò xo tiếp điểm Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều bị điều khiển có tínhlinh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển Các yêu cầu kỹ thuật nàychính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lậptrình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất Với thiết bị điều khiểnkhả lập trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khảnăng hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất.Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra cácthiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC

Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm

1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơle Cácthiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong cácxưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơle Các ứng dụng củaPLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác

Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy

cao và khả năng lập trình dễ dàng Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi cácmạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp Các mạchvào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu đượcdầu, bụi và nhiệt độ cao Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như

sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển logic, nên các kỹ sư đã làm quen với

sơ đồ thang, dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua mộtquá trình đào tạo nào Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trongthời gian đầu bị thất bại, cũng chính vì việc học sử dụng các phần mềm máy tínhkhông dễ dàng ngay cả với các kỹ sư

Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, cáckhả năng cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn Các PLC có trang bị

vi xử lý có khả năng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều nàylàm tăng khả năng ứng dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp CácPLC không chỉ dừng lại ở chổ là các thiết bị điều khiển logic, mà nó còn có khảnăng thay thế cả các thiết bị điều khiển tương tự Vào cuối những năm bảy mươiviệc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của côngnghiệp điện tử Các PLC có thể điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trămmét Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển qua trình sảnxuất trở nên dễ dàng hơn

Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệpdùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thaythế cho các thiết bị “cứng” như các rơle trung gian, thời gian, các bộ đếm, bộ sosánh

Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng côngnghiệp Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biếndầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước vàchất thải, công nghiệp dược phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân,trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trongcác hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điềukhiển robot, điều khiển máy công cụ CNC Các PLC có thể được kêt nối vớicác máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá trình điềukhiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến,thay đổi chương trình điều khiển từ xa Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệthống quản lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điềukhiển trong các các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các vănphòng công sở

Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm tám mươi đã nângcao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và

quá trình sản xuât Các PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiết bịlập trình và là giao diện giữa người vận hành và hệ thống điêu khiển Nhờ sựphát triển của các phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, các PLC cũngđược trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể mô phỏng hoặc hiển thị các hoạtđộng của từng bộ phận trong hệ thống điều khiển Điều này có ý nghĩa đặc biệtquan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo khả năng mô phỏng trước quá trìnhgia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai Máy tính cá nhân PC và PLC đềuđược sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản xuất và cả trong các hệthống dịch vụ.

PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lýhoạt động, các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sửdụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi hãng PLCkhác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điềuhành Khi hoạt động thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớcủa nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác Một số hãng sản xuất PLClớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley,Rocwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới Các PLC củacác hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tựđộng hoá

Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạtcho các hệ thống công nghiệp Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC,quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quảhơn PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơle hay máy tính tiêu chuẩn domột số lý do sau:

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay

tủ điều khiển rơle để thực hiện cùng một cức năng

- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả cácmáy tính thông thường

- Giá thành thấp : Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơle, nhưng nó có khảnăng thay thế hàng trăm rơle

- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từcác vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rungđộng và nhiễu Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này

- Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để cóthể giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao diệntrực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồthang, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơle thông thường

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanhchóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng

bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng

Phân loại PLC: Căn cứ vào số lượng các đầu vào/ ra, ta có thể phân PLC thành

bốn loại sau:

- Micro PLC là loại có dưới 32 kênh vào/ ra

- PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ ra

- PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra

- PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra

Các micro – PLC thường có ít hơn 32 đầu vào/ra Trên hình 1.2 là ví dụ vềmicro PLC họ T100MD-1616 do hãng Triangle Research International sản xuất.Cấu tạo tương đối đơn giản và toàn bộ các bộ phận được tích hợp trên một bảngmạch có kích thước nhỏ gọn Micro – PLC có cấu tạo gồm tất cả các bộ phậnnhư bộ xử lý tín hiệu, bộ nguồn, các kênh vào/ra trong một khối Các micro –PLC có ưu điểm hơn các PLC nhỏ là giá thành rẻ, dễ lắp đặt

Hình 2.1 Micro PLC họ T100MD-1616

Một loại micro PLC khác là DL05 của hãng Koyo, loại này có 30 kênh vào/ ra

Hình 2.2 Micro PLC họ DL05 của hãng Koyo

Một loại micro-PLC khác là loại xê ri 90 của Fanuc, hình 1.4 Loại này có 8

kênh vào và 8 kênh ra.

Hình 2.3 Micro-PLC xê ri 90 của Fanuc

PLC loại nhỏ có thể có đến 256 đầu vào/ra Trên hình 1.5 là PLC của hãngOMRON loại ZEN – 10C Loại PLC này có 34 kênh vào/ ra gồm: 6 kênh vào và

4 kênh ra trên mô đun CPU, còn lại 3 mô đun vào/ ra, với 4 kênh vào và 4 kênh

ra cho mỗi mô đun

Hình 2.4 PLC loại ZEN-10C của Omron

Hãng Siemens có các PLC loại nhỏ như S5-90U, S5-95U, S5-100U, S7 – 200 làcác loại PLC loại nhỏ, có số lượng kênh vào/ ra nhỏ hơn 256 Cấu tạo của cácPLC loại nhỏ cũng tương tự như cấu tạo của các PLC loại trung bình, vì đều làdạng mô đun Điểm khác biệt là dung lượng bộ nhớ, số lượng kênh vào/ ra củacác mô đun khác nhau về độ lớn và tốc độ xử lý thông tin cũng khác nhau PLCcủa Siemens được dùng rộng rãi ở trong hầu hết các nước có nền công nghiệpphát triển.

Hình 2.5 PLC S5-100U của Siemens

Các PLC trung bình có thể có đến 1024 đầu vào/ra Loại CJ1M của Omron trênhình 1.8 có 320 kênh vào/ ra

Hình 2.6 PLC loại CJ1M của Omron

Loại PLC CQM1 hay CQMIH của Omron trên hình 1.9 có 512 kênh vào ra

Hình 2.7 PLC loại CQM1 của Omron

Hãng Siemens có một số xê ri S7-200 là cácloại PLC hạng trung bình Số lượngkênh vào/ ra của S-300 có thể trong khoảng từ 256 đến 1024

Các PLC loại lớn có nhiều hơn 1024 đầu vào/ra Loại này có tốc độ xử lý rất cao,dung lượng bộ nhớ lớn và thường được dùng trong điều khiển các hệ thống thiết

bị công nghệ phức tạp Hãng Omron có PLC loai CJ1 trên hình 2.8, là loại có tới

1280 kênh vào/ ra và loại CJ1H có tới 2560 kênh vào/ra

Hình 2.8 PLC loại CJ1 của Omron

Hãng Omron còn có loai CS1 trên hình 2.9, là loại PLC cỡ lớn với 5120 kênhvào/ ra

Hình 2.9 PLC loại CS1 của Omron

Các PLC loại lớn của Siemens là các loại xê ri S7-300, S7-400 Các loại này có

số lượng kênh vào/ ra rất lớn Các kênh này không thể đấu trực tiếp lên PLC màphải thông qua các bộ dồn kênh và tách kênh (demultiplexeur và multiplexeur).PLC S7-400 của Siemens Đây là loại PLC mạnh nhất của Siemens hiệnnay( hình 2.10)

Hình 2.10 PLC S7-400 của Siemens

Các PLC trung bình và lớn có các mô đun vào/ra có thể lắp ráp với nhau trêncùng một giá đỡ tiêu chuẩn, cho phép lắp thêm hoặc tháo bớt ra mà không cầntắt nguồn Các PLC được kết nối với nhau thông qua mạng ETHERNET côngnghiệp

a b

Hình 2.11 a, Cấu trúc của S7-400; b, Sơ đồ kết nối của S-400

Các PLC loại lớn thường dùng để điều khiển ở mức cao, ở mức thấp thường làcác thiết bị điều khiển tương tự, hay thiết bị điều khiển số với các PLC loại nhỏ,hay loại trung bình, ở mức thấp, chủ yếu là các thiết bị điều khiển trực tiếp cácthiết bị công nghệ, các cơ cấu chấp hành, các động cơ, bơm, van, cuộn dây, đènhiệu Điều khiển ở mức cao bao gồm các điều khiển liên quan đến phần quản

lý hệ thống và quản lý dữ liệu của hệ thống điều khiển, ở mức này, các dữ liệu

có thể được thu thập từ các các thiết bị điều khiển mức thấp hoặc từ bên ngoài

hệ thống thông qua mạng nội bộ và mạng Internet Các dữ liệu từ các PLC đượctruyền về các máy tính trung tâm để lưu trữ và xử lý Trường hợp các hệ thốngsản xuất tự động có điều khiển bằng thống kê, đây chính là điều khiển ở mứccao, tương ứng với cấu trúc quản lý của hệ thống Hoạt động của hệ thống điềukhiển được điều chỉnh dựa theo kết quả phân tích, đánh giá từ các dữ liệu thống

kê, như vậy giúp cho việc sản xuất luôn ở dạng tối ưu nhất và hiệu quả nhất.PLC S7-400 của Siemens là một trong những loại PLC lớn và rất mạnh trongcác hệ thống điều khiển sản xuất qui mô như các nhà máy công nghiệp LoạiPLC này có thể kết nối trực tiếp qua mạng Ethernet công nghiệp với các thiết bịđiều khiển mức cao hơn để trao đổi dữ liệu hoặc thông các các các kênh giaodiện khác như MPI , PROFIBUS, EIB hay giao diện AS để thu thập dữ liệu vàđiều khiển

Hình 2.12 Sơ đồ kết nối mạng của S7-400 trong công nghiệp

2.1.2 Sơ đồ cấu trúc PLC

PLC trong công nghiệp thường có cấu hình đơn giản nhất, bởi vì cácchương trình trình điều khiển quá trình công nghệ hay máy móc thường đượchoạt động 24/24 và không cần bất cứ sự can thiệp của con người trong quá trìnhđiều khiển PLC chỉ dừng quét chương trình điều khiển khi ngắt nguồn hoặc khicông tắc ngừng được kích hoạt Sơ đồ khối đơn giản hoá của PLC được thể hiệntrên hình 2.13

Hình 2.13 Sơ đồ khối của một bộ PLC đơn giản

Trên đầu vào của PLC có thể có các kênh tín hiệu tương tự hoặc các kênh tínhiệu số Các kênh tín hiệu này xuất phát từ các cảm biến, từ các công tắc hànhtrình, công tắc đóng ngắt mạch điện hoặc từ các biến logic tương ứng với các cáctrạng thái của máy móc, thiết bị Tín hiệu vào được bộ xử lý trung tâm xử lý nhờcác phép tính logic hay số học và kết quả là các tín hiệu ra Các tín hiệu tín hiệu

ra là các tín hiệu truyền điện năng đến cho các cơ cấu chấp hành như cuộn dâyđiện từ, đèn hiệu, động cơ v.v

Điện áp trên đầu vào của PLC là điện áp công suất thấp, tương ứng với mức từ0V đến 5V một chiều Khi ta nối các đầu vào có mức điện áp cao hơn 5V,thường phải dùng các kênh có các mạch chuyển đổi để biến điện áp vào thànhđiện áp tương đương với mức +/- 5VDC Điện áp trên đầu ra của PLC có thể cónhiều mức điện áp khác nhau, nhưng đều có mức năng lượng thấp Nếu cần phảiđiều khiển cơ cấu chấp hành có mức năng lượng cao hơn, ta phải sử dụng cácthiết bị khuếch đại công suất

2.1.3 Các module của PLC

Nếu không nhìn về khía cạnh giá thành, kích thước, mức độ phức tạp, tất cả cácPLC đều có những thành phần cơ bản và đặc điểm chức năng giống nhau MộtPLC bao giờ cũng gồm có 6 thành phần cơ bản:

- Mô đun xử lý tín hiệu

- Mô đun nguồn

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của PLC

Mô đun xử lý tín hiệu:

Đây là bộ phận xử lý tín hiệu trung tâm hay CPU của PLC Bộ xử lý tínhiệu có thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý

hổ trợ cùng với các mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính logic, điềukhiển và ghi nhớ các chức năng của PLC Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào,thực hiện các phép tính logic theo chương trình, các phép tính đại số và điềukhiển các đầu ra số hay tương ứng Phần lớn các PLC sử dụng các mạch logicchuyên dụng trên cơ sở bộ vi xử lý và các mạch tích hợp tạo nên đơn vị xử lýtrung tâm CPU

Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụtrợ, thực hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiệncác tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC Bộ vi xử lý nâng caokhả năng logic và khả năng điều khiển của PLC Các PLC thế hệ cuối cho phépthực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử

lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ

Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình Chu kỳ này

Mô đun vào/ra

Mô đun nguồn

CPU

Đầu vào

Đầu ra

được gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thòi gian thực hiện xong mộtvòng các lệnh của chương trình điều khiển Chu kỳ quét được minh hoạ trênhình 2.15.

Bắt đầu chu kỳ

Quét đầu ra Quét đầu vào

(Bơm, van, cuộn dây) (Công tắc, nút ấn )

Chu kỳ quét

Quét chương trình điều khiển

Hình 2.15 Chu kỳ quét của PLC

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vàonhư các công tắc, cảm biến Trạng thái của các tín hiệu vào được lưu tạm thờivào bảng ảnh đầu vào hoặc vào một mảng nhớ Trong thời gian quét chươngtrình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng cáctrạng thái của tín hiệu vào trong mãng nhớ để xác định các đầu ra sẽ được nạpnăng lượng hay không Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảngnhớ Từ dữ liệu của mảng nhớ tín hiệu ra, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện năng chocác mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳ quét của PLC có thể kéodài từ 1 đến 25 mi li giây Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường rất ngắn sovới chu kỳ quét của PLC

từ (word) có thể là 8 bit Các PLC thương có bộ nhớ từ 1K đến 64K, phụ thuộcvào mức độ phức tạp của chương trình điều khiển Trong các PLC hiện đại có sửdụng một số kiểu bộ nhớ khác nhau Các kiểu bộ nhớ này có thể xếp vào hai

nhóm: bộ nhớ có thể thay đổi và bộ nhớ cố định Bộ nhớ thay đổi là các bộ nhớ

có thể mất các thông tin ghi trên đó khi mất điện Nếu chương trình điều khiểnchứa trong bộ nhớ mà bị mất điện đột xuất do tuột dây, mất điện nguồn thìchương trình phải được nạp lại và lưu vào bộ nhớ Bộ nhớ cố định ngược lại với

bộ nhớ thay đổi là có khả năng lưu giữ thông tin ngay cả khi mất điện Các loại

bộ nhớ hay sử dụng trong PLC gồm :

c PROM (Programable Read Only Memory)

d EPROM (Erasable Programable Read Only Memory)

e EAPROM (Electronically Alterable Programable Read Only Memory)

mở rộng thêm nên bộ nhớ cũng phải tăng thêm Chương trình điều khiển đơngiản chỉ cần dung lượng bộ nhớ bé, ngược lại các chương trình phức tạp cần bộnhớ dung lượng lớn

Bộ nhớ động được sử dụng rộng rãi đó là bộ nhớ RAM (Random AccesMemory) Bộ nhớ RAM hoạt động nhanh và là tạo ra và lưu các chương trìnhứng dụng Để chống lại khả năng mất dữ liệu khi mất điện, các PLC thường sửdụng pin

Bộ nhớ tĩnh ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ không bị thay đổi khi

dữ liệu nhớ khi tắt nguồn hoặc mất điện Bộ nhớ ROM dùng để nhớ các lệnh cơbản và các hàm toán học của PLC EEPROM (Ellectrically ErasableProgramable Read Only Memory) là bộ nhớ tĩnh có khả năng xoá bằng lập trìnhlại EEPROM dùng để ghi chương trình ứng dụng

Người sử dụng có thể truy cập vào hai vùng nhớ của PLC là vùng nhớchương trình và vùng nhớ dữ liệu Vùng nhớ chương trình là nơi chứa chươngtrình điều khiển ứng dụng, các chương trình con và các lỗi của chương trình Vùng nhớ dữ liệu lưu trữ các dữ liệu liên quan đến chương trình điều khiển như

dữ liệu vào/ra; giá trị đầu, giá trị tức thời và giá trị cuối của bộ đếm lệnh hay bộđến thời gian; các hằng số và các biến của chương trình điều khiển Hai vùngnhớ này được gọi là bộ nhớ dành cho người sử dụng Bộ xử lý tín hiệu còn có bộ

nhớ hệ thống dùng để ghi các dữ liệu trung gian trong quá trình thực hiện cácphép tính, các lệnh của chương trình và phối hợp giữa chúng; quét các dữ liệuvào và gửi cá dữ liệu ra mới đến mô đun ra Bộ nhớ hệ thống do nhà sản xuấtlập trình từ khi xuất xưởng nên không thể thay đổi được và người sử dụng cũngkhông thể truy cập được.

Mô đun vào/ra

Hệ thống các mô đun vào/ ra có khả năng kết nối giữa các thiết bị côngnghệ với bộ vi xử lý Hệ thống này dùng các mạch vào khác nhau để ghi nhậnhoặc đo lường các đại lượng vật lý của quá trình công nghệ như chuyển động,cao độ, nhiệt độ, áp xuất, lưu lượng, vị trí, tốc độ vv Trên cơ sở các dữ liệu thuđược, bộ xử lý tín hiệu tiến hành các phép tính logic hay số học để xác định giátrị mới của tín hiệu ra Các mô đun ra được nối để điều khiển các van, động cơ,bơm và báo động khi thực hiện quá trình điều khiển máy hoặc điều khiển hệthống sản xuất Trên hình 1.17 là sơ đồ kết nối của một bộ micro PLC với cácthiết bị của môi trường làm việc Điện áp 24 VDC không chạy từ bên trái quabên phải sơ đồ thang như các mạch rơle “cứng” Điện áp ở đây chỉ đóng vai tròthể hiện các biến logic đầu vào Mạch logic của PLC sẽ đảm bảo tính liên tụccủa logic cho đến đầu ra Nguồn trên mạch ra được cấp đến các thiết bị bênngoài nếu logic của các kênh ra được đảm bảo bảo thông suốt từ bên trái quabên phải của từng bậc trong sơ đồ thang

Hình 2.16 Sơ đồ kết nối của PLC với các thiết bị vào/ ra

Trường hợp micro – PLC không có mô đun nguồn riêng biệt, thì nguồnđiện được lắp trực tiếp trên CPU Trên hình 1.18 là ví dụ về sơ đồ đấu dây trênmicro – 1000 PLC của hãng Allan Bradley

Nguồn điện áp vào cũng chính là nguồn đi đến các thiết bị đầu ra như bộkhởi động của bơm, bộ công tắc nhiệt Nguồn điện +24VDC là nguồn lấy ra từđầu ra của bộ nguồn, lại cấp cho các thiết bị đầu vào như: công tắc áp lực, côngtắc hành trình, công tắc phụ bên ngoài của bơm Nguồn vào xoay chiều 110VACđược đấu đến các cầu có kí hiệu VAC tương ứng với các kênh ra: kênh đến bộ

khởi động bơm, kênh ra công tắc nhiệt.

Đầu vào và đầu ra của PLC thường được gộp vào các mô đun Các mô đunvào/ra có thể tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như công tắc, cảm biếnquang, công tắc tiệm cận Các tín hiệu được chuyển đổi từ điện áp 110VAC,220VAC, +24DC thành tín hiệu ± 5 VDC Bộ vi sử lý sẽ lấy tín hiệu này để xácđịnh tín hiệu ra tương ứng Điện áp 5 VDC được gửi ra mô đun ra, từ đây đượckhuyếch đại lên mức 110VAC, 220VAC hay 24VDC tuỳ theo yêu cầu Thôngthường một bộ chuyển đổi tín hiệu có giao diện phụ trợ được sử dụng để chuyểntrạng thái của các đầu vào từ bên ngoài đến một vùng nhớ đệm xác định Vùngnhớ đệm này được định nghĩa trong chương trình chính của PLC Nạp các tínhiệu vào CPU tức là nạp nội dung ghi ở vùng nhớ đệm vào sổ ghi của CPU Nộidung trong từng vị trí nhớ sẽ được thay đổi kế tiếp nhau Mô đun Vào/ Rathường tách khỏi mô đun CPU và được gá trên ray chung Các đèn báo trên môđun Vào/Ra báo hiệu trạng thái làm việc hay sự cố Các mô đun này được cáchđiện và có cầu chì để đảm bào an toàn cho bộ vi xử lý Trong mô đun Vào/Rathông thường gồm các mạch sau:

Nguồn AC vào/ra hoặc nguồn DC vào/ra

Các kênh vào/ra số

Các kênh vào/ra tương tự

Các môđun chuyên dụng: điều khiển động cơ bước, thiết bị điều khiển PID, bộđếm thời gian cao tốc, mô đun điều khiển servo

Các mô đun vào/ra thường nối với nguồn năng lượng mức cao nên phảicách điện tốt với mô đun CPU Các kênh vào tương tự sử dụng cho việc lấy tínhiệu từ các cảm biến tương tự :

- Cảm biến lưu lượng

- Các van và các động cơ, xi lanh thuỷ khí

- Các thiết bị đo tương tự

Các kênh vào số thường nối với các cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt (On/Of) như:

- Cảm biến quang điện,

- Cảm biến tiệm cận

- Cảm biến xung điện

- Các công tắc

Các kênh ra số có thể nối với các thiết bị như:

- Các cuộn dây cho van điện từ

- Các động cơ bước

- Các cơ cấu đóng ngắt

Các dạng đầu vào

Các tín hiệu vào từ các thiết bị hay từ các cảm biến cung cấp các dữ liệu

và thông tin cần thiết để bộ xử lý tín hiệu thực hiện các phép tính logic yêu cầu

quyết định đến việc điều khiển máy hoặc quá trình Các tín hiệu vào có thể lấy từ

các thiết bị khác nhau như nút ấn, công tắc, can nhiệt, ten zô mét, vv Tín hiệu

vào được nối vào các mô đun vào để lọc tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu về mức

năng lượng thấp để bộ xử lý có thể sử dụng được Đầu vào có hai dạng là đầu

vào dạng số và đầu vào dạng tương tự Đầu vào dạng số được kết nối với các cầu

nối kênh trên mô đun vào số, các kênh này chỉ có các tín hiệu hai trạng thái 0

hay 1 Đầu vào tương tự có thể là tín hiệu điện áp, dòng điện từ các cảm biến

tương tự Địa chỉ kênh

Q0

VDC Q1

Hình 2.17 Sơ đồ đấu dây của Micro-1000PLC của Allen Bradley

Các dạng đầu ra

Đầu ra của PLC là các tín hiệu cấp hay ngắt năng lượng để điều khiểnmáy hay quá trình Các tín hiệu này là các tín hiệu điện áp từ các mạch ra và nóichung là chúng có mức năng lượng thấp Các tín hiệu này thông thường khôngtruyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành, mà truyền đến các bộ khuyếch đại côngsuất, hoặc các bộ chuyển mạch từ công suất thấp sang công suất cao hơn Ví dụtín hiệu điều khiển đóng mở van, tín hiệu này truyền đến cuộn dây của khởiđộng từ của động cơ, kích hoạt khởi động từ và mạch điện cấp vào động cơđược đóng, động cơ chạy và bắt đầu đóng hoặc mở van tùy theo chiều quay củađộng cơ Đầu ra cũng có hai dạng tín hiệu là dạng tín hiệu số hoặc tín hiệu tươngtự

Cấu trúc của các mô đun vào/ ra

Hệ thống các đầu vào/ra cung cấp các kết nối vật lý giữa các thiết bị bênngoài và bộ xử lý trung tâm CPU Các mạch giao diện được sử dụng để chuyểnđổi tín hiệu từ cảm biến hay độ lớn của các đại lượng đo được như tốc độchuyển động, cao độ, nhiệt độ, áp suất và vị trí, thành các tín hiệu logic để PLC

có thể sử dụng được Dựa trên cơ sở của các giá trị cảm nhận được hay đo được,chương trình điều khiển trong PLC sẽ sử dụng các mạch điện ra khác nhau hoặccác mô đun ra để kích hoạt các thiết bị như bơm, van, động cơ, báo động để thựchiện điều khiển máy và quá trình Các mạch vào I (Input) và các mạch ra O(Output) hoặc các mô đun được lắp ráp trong vỏ của thiết bị, trong trường hợpmicro-PLC thì các kênh I/O là một phần của của vỏ PLC Phần lớn vỏ của cácPLC có thể cài bất kỳ mô đun I/O vào một rắc cắm I/O nào đó Vỏ của PLCđược thiết kế để tháo các mô đun I/O mà không cần tắt nguồn xoay chiều AC(Alternative Current) hay tháo các dây nối Đa số các mô đun I/O sử dụng côngnghệ mạch in và các bảng mạch đều có rắc nối để cắm vào phích cắm ở bảngmạch chính trên giá đỡ Bảng mạch chính cũng là mạch in có chưac các cổnggiao tiếp song song hoặc các kênh truyền thông tin đến bộ xử lý Nguồn điệnmột chiều DC (Direct Current) được cấp đến để kích hoạt mạch logic và cácmạch chuyển đổi tín hiệu trong các mô đun I/O

PLC được sản xuất theo dạng mô đun hoá, để thay thế, bổ sung hoặc sửachữa dễ dàng Trên hình 2.18 là cấu tạo đặc trưng của các mô đun vào/ ra Các

mô đun này có cấu tạo là các mạch in chứa trong các hộp tiêu chuẩn hoá, cókênh truyền dữ liệu song song để có thể kết nối với nhau và truyền dữ liệu vào

bộ xử lý Mặt sau của các hộp này là các cầu nối và nguồn điện áp một chiều đểcung cấp cho mạch in hoạt động Các hộp chứa các môđun vào/ra có thể lắp lên

tủ điều khiển chính hoặc các tủ phụ nhờ các giá đỡ tiêu chuẩn

Các kênh vào số thuộc nhóm lớn nhất của tín hiệu bên ngoài trong các hệthống PLC Thiết bị ngoại vi cung cấp tín hiệu vào số với hai giá trị khác hẳnnhau về bản chất, đặc trưng cho hai trạng thái đóng/mở, hay bật/tắt.

Các thiết bị gián đoạn thường xuất hiện phần lớn trong các ứng dụng điềukhiển quá trình bao gồm:

+ Tiếp điểm khởi động động cơ

+ Cảm biến quang điện

Phần lớn các thiết bị này tạo ra dạng tín hiệu là đóng hoặc ngắt (ON hayOFF) Riêng cảm biến quang điện có thể có các tiếp điểm rơle trên đầu ra haytín hiệu điện áp ON/OFF tương ứng với mức 0 hay 5 VDC

Nếu thiết bị gián đoạn được đóng, tức là điện áp được truyền qua thiết bị,trên mạch vào của PLC thu được tín hiệu điện áp cấp đến Để chỉ thị trạng tháicủa thiết bị và chuyển đổi thành tín hiệu logic, mạch logic vào biến đổi tín hiệu

về mức tương đương với điện áp mà CPU có thể xử lý được Giá trị logic 1tương ứng với trạng thái bật (ON) hay đóng (CLOSED), và logic 0 tương ứngtrạng thái tắt (OFF) hay ngắt (OPENED)

Điều khiển các đại lượng ra gián đoạn chỉ giới hạn trong các thiết bị cóyêu cầu một trong hai trạng thái được chọn là ON/OFF, OPEN/CLOSED haykéo /nén Các thiết bị gián đoạn thường gặp trong quá trình điều khiển máy vàquá trình công nghệ gồm:

+ Thiết bị truyền tín hiệu

+ Báo động bằng tín hiệu ánh sáng

+ Rơle điều khiển bằng điện

+ Quạt điện