Khi hoàn thành chương này, bạn sẽ hiểu các nguyên tắc cơbản của bộ điều khiển lập trình Bộ điều khiển lập trình, còn được gọi là bộ điều khiển logic hoặc PLCProgrammable Logic Controler,
Trang 1Tất cả các lĩnh vực của ngành công nghiệp - từ sản xuất năng lượng, hệthống sơn xe đến bao bì thực phẩm đều sử dụng bộ điều khiển lập trình để
mở rộng và tăng hiệu quả sản xuất Trong giáo trình này, bạn sẽ học về tất
cả các đặc tính của những công cụ mạnh mẽ và linh hoạt này Chương này
sẽ giới thiệu cho bạn những điều cơ bản của bộ điều khiển có thể lập trình
-từ hoạt động cơ bản của chúng đến các ứng dụng nâng cao Trong đó, bạn
sẽ có một cái nhìn bên trong về triết lý thiết kế, cùng với lịch sử ngắn gọn
về sự phát của bộ lập trình Chúng ta cũng sẽ so sánh bộ điều khiển chươngtrình với các loại điều khiển khác để làm nổi bật những ưu và nhược điểmcủa từng loại, cũng như những trường hợp mà bộ điều khiển lập trình hoạtđộng tốt nhất Khi hoàn thành chương này, bạn sẽ hiểu các nguyên tắc cơbản của bộ điều khiển lập trình
Bộ điều khiển lập trình, còn được gọi là bộ điều khiển logic hoặc PLC(Programmable Logic Controler), là thiết bị có phần cứng trong họ hệthống máy tính, sử dụng phần mềm là chương được tích hợp bởi các lệnhlogic để thực hiện chức năng điều khiển thay cho các thiết bị cơ điện(relay,timer,counter, ) Nó có khả năng lưu trữ, xử lý các thông tin, chẳnghạn như trình tự, thời gian, đếm, tính toán số học, thao tác dữ liệu vàtruyền thông,… để kiểm soát các máy móc và quy trình công nghiệp Hình1-1 minh họa khái niệm của bộ lập trình PLC
Hình 1- 1 : khái niệm bộ lập trình PLC
Bộ điều khiển lập trình có nhiều định nghĩa Tuy nhiên, PLC có thể được coi
là các máy tính công nghiệp với cấu trúc được thiết kế đặc biệt và các
CHAPTER
HIGHLIGHTS
1-1 KHÁI NIỆM
Trang 2mạch giao tiếp của nó với các thiết bị bên ngoài (kết nối với các thiết bị đầuvào/đầu ra – gọi tắc là thiết bị vào/ra) Bộ điều khiển lập trình là bộ điềukhiển công nghiệp với các thiết kế dựa trên các nguyên tắc đơn giản và ứngdụng thực tiễn.
Bộ phận Hydramatic của Tổng công ty General Motors đã đưa ra các tiêuchuẩn thiết kế cho bộ điều khiển lập trình đầu tiên vào năm 1968 Mục tiêuchính của họ là loại bỏ chi phí cao của các hệ thống điều khiển cơ điện hoặc
kỹ thuật số, yêu cầu hệ thống có thiết bị điều khiển với sự linh hoạt củamáy tính trong môi trường công nghiệp, được lập trình và bảo trì dễ dàngbởi các kỹ sư và kỹ thuật viên nhà máy, và có thể dùng lại được Hệ thốngđiều khiển như vậy sẽ làm giảm thời gian ngừng máy và có khả năng mởrộng cho tương lai Một số thông số kỹ thuật ban đầu bao gồm:
• Hệ thống điều khiển mới phải có giá cả cạnh tranh với việc sử dụng hệthống relay
• Hệ thống phải có khả năng sử dụng trong môi trường công nghiệp
• Giao diện đầu vào và đầu ra phải dễ dàng thay thế
• Bộ điều khiển phải được thiết kế theo dạng mô-đun, do đó các bộ phậnnhỏ có thể được tháo dỡ dễ dàng để thay thế hoặc sửa chữa
• Hệ thống điều khiển có khả năng truyền dữ liệu đến trung tâm
• Hệ thống phải được tái sử dụng khi thay đổi yêu cầu công nghệ hoặc mởrộng
• Phương pháp, ngôn ngữ sử dụng để lập trình cho bộ điều khiển phải đơngiản, dễ hiểu
Việc thực hiện sản phẩm để đáp ứng các yêu cầu của Hydramatic được tiếnhành vào năm 1968 Đến năm 1969, bộ điều khiển lập trình đầu tiên đã rađời Những bộ điều khiển ban đầu này đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật banđầu và mở ra cánh cửa cho sự phát triển của công nghệ điều khiển mới.Chúng đã đáp ứng yêu cầu về mô đun, khả năng mở rộng, lập trình, và dễ
1-2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
BỘ ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG TRÌNH ĐẦU TIÊN
Trang 3sử dụng trong môi trường công nghiệp Những bộ điều khiển này được lắpđặt dễ dàng, sử dụng ít không gian hơn và có thể sử dụng lại được Chươngtrình điều khiển sử dụng ngôn ngữ hình thang (Ladder) Trong một khoảngthời gian ngắn, việc sử dụng bộ điều khiển lập trình bắt đầu lan truyền sangcác ngành khác Đến năm 1971, PLC đã được sử dụng như là bước đầu để
tự động điều khiển trong các ngành công nghiệp khác, như thực phẩm vànước giải khát, kim loại, sản xuất bột giấy và giấy
Các bộ điều khiển lập trình đầu tiên được thiết kế chủ yếu là dạng relay.Chức năng chính của chúng là thực hiện các thao tác tuần tự Các hoạtđộng này bao gồm điều khiển ON/OFF và quy trình yêu cầu các hoạt độnglặp đi lặp lại, chẳng hạn như truyền động cho máy nghiền, máy khoan Tuynhiên, các bộ điều khiển lập trình này là một cải tiến lớn so với các hệthống rơle trước đây Chúng được lắp đặt dễ dàng, sử dụng không gian vànăng lượng ít hơn, có các chỉ số chẩn đoán giúp khắc phục sự cố và đượctái sử dụng khi dự án bị loại bỏ hoặc mở rộng
Mặc dù các chức năng của PLC, chẳng hạn như tốc độ hoạt động, giao tiếp
và khả năng xử lý dữ liệu đã được cải tiến trong suốt nhiều năm, nhưngthông số kỹ thuật của chúng vẫn giữ nguyên như ban đầu của các nhà thiết
kế, đó là: chúng dễ sử dụng, lắp đặt, bảo dưỡng và vận hành
Nhiều tiến bộ công nghệ trong ngành công nghiệp điều khiển lập trìnhđược tiếp tục phát triển cho tới ngày nay Những tiến bộ này không chỉ cảitiến thiết kế bộ điều khiển lập trình, mà còn là cách tiếp cận mới để kiểmsoát cấu trúc hệ thống Thay đổi bao gồm cả phần cứng (các thành phầnvật lý) và nâng cấp phần mềm (chương trình điều khiển) Sau đây là một sốcải tiến phần cứng gần đây của PLC:
• Thời gian quét nhanh hơn bằng cách sử dụng vi xử lý mới, tiên tiến hơn
và ứng dụng các công nghệ điện tử
• Các PLC nhỏ, chi phí thấp (xem Hình 1-2), có thể thay thế 4 đến 10 rơ le,
có nhiều khả năng hơn so với thiết bị trước
KẾ HOẠCH THIẾT KẾ PLC
THIẾT BỊ LẬP TRÌNH NGÀY NAY
Trang 4• Các Mô-đun ngõ vào/ra (I/O - Input/Output) mật độ cao (xem hình 1-3)cung cấp các giao diện không gian hiệu quả với chi phí thấp (các mô-đun I/
O nhỏ làm giảm diện tích)
• Các mô-đun I/O thông minh, sử dụng bộ vi xử đa năng Các tính năngđiển hình bao gồm PID (tỉ lệ- tích phân), Mạng, CANbus, fieldbus, giao tiếpASCII, định vị, máy tính lưu trữ và các mô-đun ngôn ngữ (ví dụ BASIC,Pascal)
• Cải tiến thiết kế cơ khí bao gồm vỏ bọc I/O, các module mở rộng
• Giao tiếp đặc biệt cho phép các thiết bị nhất định được kết nối trực tiếpvới bộ điều khiển Các thiết bị điển hình bao gồm các cặp nhiệt điện, bộ đolực và đầu vào đáp ứng nhanh của bộ đếm tốc độ cao (Hight speedcounter)
• Thiết bị ngoại vi đã được cải tiến các kỹ thuật giao diện điều hành
Hình 1- 2 PLC nhỏ với bộ xử lý I/O tích hợp và thiết bị lập trình cầm tay có
thể tháo dỡ
Trang 5Hình 1- 3 Hệ thống PLC có I/O mật độ cao (mô-đun 64 ngõ I/O).Tất cả những cải tiến phần cứng đã dẫn tới sự phát triển của các bộ điềukhiển lập trình cấu trúc như thể hiện trong hình 1-4 Các cấu trúc này baogồm một dòng sản phẩm từ các PLC rất nhỏ, chỉ với 10 ngõ I/O, đến rất lớn,PLC phức tạp có tới 8.000 ngõ I/O và bộ nhớ có 128.000 từ (word) Nhữngthành phần trong cấu trúc, sử dụng các mô-đun I/O phổ biến và các thiết bịlập trình ngoại vi có thể giao tiếp với một mạng truyền thông nội bộ Sự cảitiến cấu trúc giúp tiết kiệm chi phí quan trọng cho người sử dụng.
Hình 1- 4 Một số bộ điểu khiển PLC của hang MitsubishiGiống như các cải tiến phần cứng, những cải tiến phần mềm dưới đây đãlàm các PLC trở nên mạnh mẽ hơn:
• Các PLC đã kết hợp các công cụ lập trình hướng đối tượng (Objectoriented programming - OOP) và nhiều ngôn ngữ dựa trên tiêu chuẩn IEC1131-3
Trang 6• Các PLC nhỏ đã được phần mềm, ngôn ngữ mạnh mẽ, mở rộng phạm viứng dụng.
• Các ngôn ngữ bậc cao, như BASIC và C, đã được thực hiện trong một sốmô-đun của bộ điều khiển để cung cấp sự linh hoạt trong lập trình lớn hơnkhi giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và thao tác dữ liệu
• Nâng cao các khối lệnh chức năng (block) được thực hiện cho ngôn ngữdạng Ladder để tăng cường khả năng phần mềm từ các lệnh lập trình đơngiản
• Chẩn đoán và phát hiện lỗi đã được mở rộng từ chẩn đoán hệ thống,chẩn đoán sự cố bộ điều khiển, bao gồm chẩn đoán máy, chẩn đoán hỏnghóc của máy hoặc hệ thống điều khiển Các lệnh toán học có thể được ứngdụng thực hiện các phép tính toán phức tạp trong các ứng dụng điều khiểnđòi hỏi sự tính toán, cân bằng và thống kê
• Các lệnh xử lý dữ liệu và điều khiển đã được cải tiến và đơn giản hóa đểđáp ứng các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển phức tạp việc lưu trữ,theo dõi và truy xuất số lượng lớn dữ liệu Bộ điều khiển lập trình hiện nay
là hệ thống điều khiển lớn mạnh cung cấp nhiều khả năng hơn so với dựkiến Nó có khả năng giao tiếp với các hệ thống điều khiển khác, chức năngbáo cáo sản xuất, lên kế hoạch sản xuất, và chẩn đoán lỗi của chính nó vàcủa máy móc hoặc hệ thống Những cải tiến này đã làm cho bộ điều khiểnlập trình đóng góp quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng cao vềchất lượng và năng suất Mặc dù các bộ điều khiển lập trình đã trở nênphức tạp hơn nhiều, nhưng chúng vẫn giữ được sự đơn giản và dễ vậnhành như trong thiết kế ban đầu
Tương lai của bộ điều khiển lập trình không chỉ dựa trên sự phát triển củasản phẩm mới, mà còn về sự tích hợp của PLC với các thiết bị điều khiển vàquản lý nhà máy khác PLC được kết hợp thông qua mạng, các hệ thống sảnxuất tích hợp máy tính (CIM), kết hợp với các điều khiển số, robot, hệthống CAD/CAM, hệ thống quản lý thông tin và các hệ thống dựa trên máytính Các bộ điều khiển lập trình sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nhàmáy ở tương lai
BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH TRONG TƯƠNG LAI
Trang 7Những tiến bộ mới trong công nghệ PLC bao gồm các tính năng như giaotiếp người dùng tốt hơn, giao diện đồ họa (GUI), và nhiều giao diện người/máy (như sử dụng mô-đun nhận dạng giọng nói) Chúng bao gồm cả việcphát triển các giao diện cho phép truyền thông với thiết bị, phần cứng vàphần mềm được hỗ trợ trí thông minh nhân tạo, chẳng hạn như các mô-đun I/O logic mờ.
Các cải tiến về phần mềm tạo kết nối tốt hơn giữa các loại thiết bị khácnhau, sử dụng các tiêu chuẩn truyền thông thông qua các hệ thống mạng.Các dòng PLC mới được phát triển thêm trí thông minh vào bộ điều khiển.Khái niệm về hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) sẽ là triết lý điều khiển củatương lai Tương lai sẽ tiếp tục đưa ra các bộ điều khiển lập trình như mộtthành phần quan trọng trong nhà máy Các chiến lược điềukhiển sẽ đượcphân phối với "trí thông minh" thay vì tập trung Các siêu PLC sẽ được sửdụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính toán phức tạp, truyền thông mạng, vàgiám sát các PLC nhỏ hơn trong bộ điều khiển máy
Một bộ điều khiển lập trình, như minh họa trong hình 1-5, bao gồm haiphần cơ bản:
• Bộ phận xử lý trung tâm
• Các ngõ vào/ra
Hình 1- 5 Sơ đồ khối điều khiển
1-3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Trang 8Bộ xử lý trung tâm (CPU) điều khiển tất cả các hoạt động PLC Ba thànhphần sau tạo thành CPU, thể hiện trong hình 1-6:
là chu kỳ quét Hình 1-7 minh họa một chu kỳ quét
Trang 9Hình 1- 7 Minh họa một chu kỳ quétMô-đun ngõ vào/ra kết nối thiết bị đầu vào/đầu ra với bộ điều khiển (xemhình 1-8) Nhiệm vụ chính của mô-đun này là nhận tín hiệu từ các thiết bịđầu vào đưa vào CPU để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển từ CPU ra cácthiết bị đầu ra Các thiết bị đầu vào cung cấp tín hiệu vào dạng số (digital)hoặc tương tự (analog), chẳng hạn như: nút nhấn, công tắc, công tắc giớihạn,cảm biến quang, cảm biến từ, cảm biến dung, cảm biến nhiệt, cảmbiến lưu lượng, cảm biến áp suất,… được nối tới đầu cuối trên mô-đun ngõvào Các thiết đầu ra, chẳng hạn như: bộ khởi động động cơ, van điện từ,đèn báo, được kết nối với các đầu cuối của mô-đun ngõ ra Nguồn điệncủa hệ thống cung cấp tất cả các điện áp cần thiết cho hoạt động của các
bộ phận PLC
Trang 10Hình 1- 8 Mô-đun ngõ vào/raMặc dù không được xem là một bộ phận của bộ điều khiển, nhưng thiết bịdùng để lập trình, thông thường là máy tính cá nhân hoặc bàn phím lậptrình mini được sử dụng để nhập chương trình điều khiển vào bộ nhớ (xemhình 1-9) Thiết bị dùng để lập trình phải được kết nối với bộ điều khiển khinhập hoặc theo dõi chương trình điều khiển.
Hình 1- 9 (a) Máy tính cá nhân được sử dụng lập trình; (b) Bàn lập trình
mini
Trong nhiều năm, câu hỏi của nhiều kỹ sư, giám đốc nhà máy và các nhàsản xuất là: "Tôi có nên sử dụng bộ điều khiển lập trình không?" Phần lớnthời gian của kỹ sư hệ thống đã bỏ ra để xác định tính hiệu quả và chi phícủa một PLC trên điều khiển chuyển tiếp Ngay cả ngày nay, nhiều nhà thiết
kế hệ thống điều khiển vẫn nghĩ rằng họ đang phải đối mặt với vấn đề này.Tuy nhiên, một điều chắc chắn là nhu cầu của ngày hôm nay về chất lượng
và năng suất cao khó có thể được đáp ứng một cách kinh tế nếu không cóthiết bị điều khiển điện tử Với sự phát triển nhanh của công nghệ và sựcạnh tranh ngày càng tăng, chi phí bộ điều khiển lập trình đã giảm xuốngđến mức mà các nghiên cứu chi phí về PLC so với chi phí mạch relay khôngcòn cần thiết nữa Các ứng dụng bộ điều khiển lập trình bây giờ có thểđược đánh giá dựa trên hiệu quả của chúng
1-4 KẾT NỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHÁC
KẾT NỐI PLC VỚI RELAY
Trang 11Khi quyết định sử dụng một hệ thống PLC hay hệ thống mạch relay, ngườithiết kế phải đặt một số câu hỏi Một số trong những câu hỏi này là:
• Có cần sự linh hoạt trong thay đổi logic điều khiển?
• Có nhu cầu về độ tin cậy cao không?
• Các yêu cầu về không gian có quan trọng không?
• Có cần tăng số lượng đầu vào và đầu ra không?
• Có yêu cầu thu thập dữ liệu không?
• Sẽ có sự thay đổi logic điều khiển thường xuyên?
• Liệu có cần sửa đổi nhanh không?
• Phải sử dụng logic điều khiển tương tự trên các máy khác nhau?
• Có nhu cầu phát triển trong tương lai?
• Chi phí tổng thể là gì?
Các thành tựu của hệ thống PLC làm cho chúng đặc biệt phù hợp với cácứng dụng, trong đó các yêu cầu ở trên đặc biệt quan trọng đối với tính khảthi về mặt kinh tế của máy móc hoặc quá trình hoạt động Một hệ thốngPLC thể hiện trong hình 1-10, cho thấy sự nhỏ gọn, đơn giản trong kết nốicủa nó Nếu hệ thống điều khiển này sử dụng các relay và timer sẽ làm chobảng điều khiển trở thành hệ thống dây nối phức tạp và không gian lắp đặtlớn
Trang 12Hình 1- 10 Bảng điều khiển gọn gàng của hệ thống PLC được cài đặtNếu các yêu cầu của hệ thống đòi hỏi tính linh hoạt hoặc mở rộng trongtương lai, bộ điều khiển lập trình sẽ mang lại lợi nhuận cao hơn bất kỳ lợithế chi phí ban đầu nào của hệ thống điều khiển relay Ngay cả trongtrường hợp không có sự linh hoạt hoặc mở rộng trong tương lai, một hệthống lớn có thể có lợi rất nhiều từ các công cụ khắc phục sự cố và trợ giúp
do PLC cung cấp Thời gian chu kỳ quét cực ngắn của PLC cho phép năngsuất tăng lên đáng kể Ngoài ra, mặc dù mạch điều khiển bằng relay có thể
ít tốn kém ban đầu, nhưng lợi thế này sẽ bị mất do thời gian khắc phục lỗitrong sản xuất vì tỉ lệ lỗi cao của hệ thống
Cấu trúc của một CPU của PLC về cơ bản giống với máy tính tiêu chuẩn Tuynhiên, một số đặc điểm quan trọng đã tách chúng ra khỏi nhau Thứ nhất,không giống như máy tính, PLC được thiết kế đặc biệt để tồn tại trong điềukiện khắc nghiệt của môi trường công nghiệp Một PLC được thiết kế tốt cóthể được đặt trong một khu vực có nhiều tiếng ồn điện, nhiễu điện từ, rungđộng học và độ ẩm
Một sự khác biệt thứ hai của PLC là phần cứng và phần mềm của chúngđược thiết kế để sử dụng dễ dàng Các giao diện phần cứng để kết nối cácthiết bị trường là một phần của PLC và dễ dàng trong kết nối Các mô-đun
tự chẩn đoán có thể xác định lỗi, và hơn thế nữa, có thể dễ dàng tháo gỡ vàthay thế Ngoài ra, chương trình phần mềm sử dụng các kí hiệu Laddertruyền thống hoặc các ngôn ngữ dễ học khác, quen thuộc với kỹ thuật viênnhà máy
Trong khi máy tính có khả năng thực hiện một số chương trình hoặc nhiệm
vụ cùng một lúc và theo bất kỳ thứ tự nào thì PLC thực hiện một chươngtrình đơn lẻ theo trình tự đầu tiên đến cuối Tuy nhiên, PLC là một hệ thốngđang trở nên thông minh hơn Các hệ thống PLC phức tạp hiện nay cungcấp khả năng đa xử lý và đa nhiệm, một PLC có thể điều khiển một sốchương trình trong một CPU duy nhất với một số bộ vi xử lý (xem hình 1-11)
KẾT NỐI PLC VỚI MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN