do an PLC Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác mà thông qua CIM Computer Intergrated Manufacturing để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… Ngoài ra các nhà th

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC

2.1 Sơ lược lịch sử phát triển

Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời (Rơle, Timer, Contactor …) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa, bảo trì do đó giá thành cao Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động nào đó

Một hệ thống điều khiển ưu việt cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành

hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đã giải quyết được vấn đề trên

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản

và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Rơle và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ (Arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (Data Manipulation)

Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay

đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẻ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (Word of Memory) Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (Scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác mà thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… Ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (Intelligence) còn gọi là các siêu PLC (Super PLCs) cho tương lai

2.2 Đặc điểm cơ bản của PLC

PLC viết tắc của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển logic cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic qua một ngôn ngữ lập trình, bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu:

 Lập trình dễ dàng vì ngôn ngữ lập trình dễ học

 Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, tu sửa

 Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

 Giao tiếp với các thiết bị thông tin máy tính, nối mạng các Module mở rộng

 Giá cả phù hợp

2.3 Cấu trúc của bộ điều khiển lập trình PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng Rơle và thiết bị cồng kềnh nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản PLC còn thực hiện các nhiệm vụ định thời và đếm làm tăng khả năng điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết

bị bên ngoài tương ứng, S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens cấu trúc theo kiển Module có các Module mở rộng, các Module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0)

Hệ thống PLC sẽ không cảm nhận được thế giới bên ngoài nếu không có các cảm biến và cũng không thể điều khiển được hệ thống sản xuất nếu không có các động cơ, xylanh hay các thiết bị ngoại vi khác nếu cần thiết có thể sử dụng các máy tính chủ tại các vị trí đặc biệt của dây chuyền sản xuất

Mỗi một thành phần trong hệ thống điều khiển có một vị trí quan trọng như được trình bài trong hình vẽ sau:

Hình 2.1 - Mô hình hệ thống điều khiển PLC [1]

2.3.1 Khối xử lý trung tâm

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý

Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo

chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra

Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả đến đầu

ra Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (Scan) Thời gian vòng quét phụ thuộc vào tầm vóc của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU Nói chung chu kỳ một vòng quét như hình 2.2

Hình 2.2 - Chu kỳ quét của PLC

Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1Kbyte

và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC Với nhiều loại thiết bị thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc hơn Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt

đi những lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được Nếu các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn

2.3.2 Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp một chiều cấp cho bộ vi xử lý (thường là 5VDC) và cho các mạch điện trong các Module còn lại (thường là 24VDC)

4 Chuyển dữ liệu từ

bộ đệm ảo ra ngoại vi

3 Truyền thông và tự

kiểm tra lỗi

1 Nhập dữ liệu từ ngoại

vi vào bộ đệm ảo

2 Thực hiện chương trình

2.3.3 Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân

2.3.4 Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành Module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống Đây là một phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer, Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:

Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác

Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất điện Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin

Bộ nhớ EPROM: giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp

Bộ nhớ EEPROM kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn

2.3.5 Giao diện vào/ra

Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây Contactor, các Rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện như

hình 2.3.

Hình 2.3 - Tín hiệu vào / ra [3]

Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng Các kênh vào/ra đã có các chức năng cách ly và điều hòa tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang như hình 2.4

Hình 2.4 - Mạch tín hiệu vào [5]

Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5VDC, 24VDC, 110VAC, 220VAC Các PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhận tín hiệu 24VDC Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, có thể cách ly kiểu Rơle hay cách ly kiểu quang như hình 2.5 Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24V, 100mA; 110V, 1A một chiều;

thậm chí 240V, 1A xoay chiều tùy loại PLC Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu

ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các Module ra thích hợp

Hình 2.5 - Mạch tín hiệu ra [5]

Hình 2.6 - Mô hình của hệ thống PLC [3]

2.4 Vai trò của PLC

PLC được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC, PLC thường xuyên kiểm tra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị nhập để từ đó

có thể đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị xuất

PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển đơn giản và được lập đi lập lại theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ khác hoặc máy tính chủ thông qua một kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp

2.5 Phân loại PLC

Hiện nay trên thị trường gồm có các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi, Alenbratlay…

Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo

PLC Misubishi có các họ: Fx, Fx0, FxON

Đầu tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người

sử dụng cần những loại PLC nào mà họ cần Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dễ dàng lựa chọn

Hình 2.7 - cho ta các “bậc thang” phân loại các loại PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng

có số I/O thấp nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao (ví dụ: ngoài các cổng vào ra tương tự (Analog) còn có cổng vào ra số (Digital)) Thường người ta sử dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết

Hình 2.7 - Độ khó của hệ thống

Các nhà thiết kế chia PLC ra thành các loại sau:

2.5.1 Loại 1 : Micro PLC (PLC siêu nhỏ).

Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ) Các PLC này thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay, một vài Micro PLC còn có khả năng hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (Analog) (ví dụ:việc điều khiển nhiệt độ) Các tiêu chuẩn của một Micro PLC như sau:

 32 ngõ vào/ra

 Sử dụng vi xử lý 8 bit

 Thường dùng thay thế Rơle

 Bộ nhớ có dung lượng 1K

 Ngõ vào/ra là tín hiệu số

 Có Timers và Counters

 Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay

2.5.2 Loại 2 : PLC cỡ nhỏ (Small PLC).

Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (ví dụ: điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức năng của các PLC này thường được giới hạn trong việc thực hiện chuổi các mức logic, điều khiển thay thế Rơle Các tiêu chuẩn của một small PLC như sau:

 Có 128 ngõ vào/ra (I/O)

 Dùng vi xử lý 8 bit

 Thường dùng để thay thế các Rơle.

 Dùng bộ nhớ 2K

 Lập trình bằng ngôn ngữ dạng hình thang (Ladder) hoặc liệt kê

 Có Timers/Counters/thanh ghi dịch (Shift Registers)

 Đồng hồ thời gian thực

 Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay

Chú ý vùng A trong sơ đồ Hình 1.7 - Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng tăng cường của PLC cỡ lớn hơn như: thực hiện được các thuật toán cơ bản, có thể nối mạng, cổng vào ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự

2.5.3 Loại 3 : PLC cỡ trung bình (Medium PLCS).

PLC trung bình có hơn 128 đường vào/ra, điều khiển được các tín hiệu tương

tự, xuất nhập dữ liệu, ứng dụng được những thuật toán, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm) các thông số của PLC trung bình như sau:

 Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O)

 Dùng vi xử lý 8 bit

 Thay thế Rơle và điều khiển được tín hiệu tương tự

 Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên 8K

 Tín hiệu ngõ vào/ra là tương tự hoặc số

 Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao

 Có Timers/Counters/Shift Register

 Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…)

 Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao

 Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…)

 Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…)

 Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay

 Có đường tín hiệu đặc biệt ở Module vào/ra

 Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS232

 Có khả năng hoạt động với mạng

 Lập trình qua CRT (Cathode Ray Tube) để dễ quan sát.

Chú ý tới vùng B (Hình 1.7) PLC ở vùng B thường trực được dùng do có nhiều bộ nhớ hơn, điều khiển mạng PID có khả năng thực hiện những chuỗi lệnh phần lớn về thuật toán hoặc quản lý dữ liệu

2.5.4 Loại 4: PLC cỡ lớn (Large PLC).

Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu,

có thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận… Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng Tiêu chuẩn PLC

cỡ lớn: Ngoài các tiêu chuẩn như PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn còn có thêm các tiêu chuẩn sau:

 Có 2048 cổng vào/ra (I/O)

 Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit

 Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32K

 Local và Remote I/O

 Điều khiển hệ thống Rơle (MCR: Master Control Relay)

 Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts)

 PID hoặc làm việc với hệ thống phần mềm PID

 Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS232

 Nối mạng

 Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, Hexa …)

 Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các Module

2.5.5 Loại 5: PLC rất lớn (Very Large PLCs).

Very Large PLC được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xác cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn Ngoài ra PLC loại này còn có thể giao tiếp I/O với các chức năng đặc biệt, tiêu chuẩn PLC loại này ngoài các chức năng như PLC loại lớn còn có thêm các chức năng:

 Có 8192 cổng vào/ra (I/O)

 Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit