Giáo trình Kỹ thuật PLC ( Programable Logic Controller)

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC: Programmable Logic Control là loại thiết bịcho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình,thay cho vi

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC

TỔ MÔN ĐIỆN TỬ

-KỸ THUẬT PLC

(Programmable Logic Controller)

Tài liệu lưu hành nội bộ

Chương 1 -TỔNG QUAN VỀ PLC

I Các kiến thức cơ bản về PLC (Programmable Logic Control)-Bộ điều khiển logic khả trình)

Hình thành từ nhóm các kỹ sư hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu làthiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

 Dễ dàng sửa chữa thay thế

 Ổn định trong môi trường công nghiệp

 Giá cả cạnh tranh

Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại thiết bịcho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình,thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số

Với mạch số:

Các bộ điều khiển có thể lập trình được – hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong các

hệ thống điều khiển tự động cũng như trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp CácPLC đầu tiên được thiết kế vào giữa những năm 70 để thay thế cho các hệ thống điều khiểnbằng relay Ban đầu chúng chỉ bao gồm một bộ xử lý một bit với bộ nhớ chương trình, mộtthanh ghi tích lũy và một số ngõ vào ngõ ra, về chức năng chúng chỉ có thể thực hiện đượccác thao tác logic đơn giản và chỉ xử lý được với các ngõ vào ra số Ngày nay PLC đã pháttriển mạnh và có thể thao tác với tín hiệu tương tự cũng như thực hiện các phép toán phứctạp như điều khiển PID, điều khiển mờ Chúng được dùng hầu như trong tất cả các giaiđoạn của quá trình sản xuất và điều khiển quá trình

Không giống như các hệ thống đấu dây phần cứng truyền thống, PLC có khả năng lậptrình lại, có thể giám sát on-line, và có khả năng phát hiện lỗi trong bản thân PLC và cácthiết bị được kết nối với chúng

Quá trình thực thi của PLC bao gồm 3 giai đoạn: giám sát các ngõ vào, tính toán trên

cơ sở chương trình của nó và điều khiển các ngõ ra để tự động hóa các quá trình hay công

cụ

I0.0 I0.1

Q0.0

I0.0

PLC hiện diện trong rất nhiều các ứng dụng cụ thể Chúng là các thiết bị làm việc rấtlâu bền, có thể làm việc trong điều kiện môi trường sản xuất bao gồm độ ẩm, nhiễu, cácthay đổi nhiệt độ và các chấn động

Tất cả các hệ thống PLC đều gồm có các thành phần cơ bản cần thiết để thao tác vớicác dữ liệu vào, xử lý dữ liệu và điều khiển ngõ ra Các khối cơ bản của một PLC bao gồm

bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, bộ giao tiếp ngõ vào và bộ giao tiếp ngõ ra Ngoài ra,PLC có thể tích hợp các khối nguồn, xung clock và giao tiếp truyền thông để nạp chươngtrình, giám sát trạng thái của PLC hay nối mạng các PLC với nhau Ngõ vào của PLC cóthể đưa vào các tín hiệu số hay tương tự từ các thiết bị khác nhau (cảm biến) và biến đổithành tín hiệu logic để CPU sử dụng Bộ xử lý trung tâm CPU tính toán và thực thi cácphép tính điều khiển dựa trên các lệnh điều khiển trong bộ nhớ Bộ giao tiếp ngõ ra biến đổicác lệnh điều khiển từ CPU thành tín hiệu số hay tương tự để có thể dùng điều khiển cácthiết bị chấp hành khác nhau (actuator)

Một thiết bị lập trình được dùng để nhập các lệnh mong muốn, những lệnh này quyếtđịnh PLC sẽ làm gì khi tác động các ngõ vào cụ thể Một thiết bị giao tiếp (operatorinterface) cho phép thông tin quá trình được hiển thị và để nhập các thông số điều khiểnmới

Bộ nhớ của PLC nói chung được chia thành 3 phần: bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữliệu và vùng nhớ lưu các thông số cấu hình hệ thống

Bộ nhớ chương trình lưu trữ các lệnh sơ đồ lập trình LAD hay STL Vùng nhớ này sẽđiều khiển cách thức sử dụng vùng nhớ dữ liệu và các I/O Các lệnh LAD hay STL đượcviết bằng các thiết bị lập trình (PC) và được nạp (tải) vào vùng nhớ chương trình của PLC

Hình 1: Cấu trúc chung của PLC

Bộ nhớ dữ liệu được dùng như một vùng làm việc bao gồm vùng nhớ cho các phéptính, vùng lưu trữ tạm thời cho các kết quả tạm và các hằng số Vùng nhớ dữ liệu bao gồmcác vùng nhớ cho các thiết bị như: vùng nhớ timer (T) (word và bit), counter (C) (word vàbit), bộ đếm tốc độ cao (HC), và vùng nhớ ngõ vào (I), vùng nhớ ngõ ra (Q), ngõ vào tương

tự (AI), ngõ ra tương tự (AQ), vùng nhớ biến (V), vùng nhớ bên trong (M), vùng nhớ đặcbiệt (SM),…

Bộ nhớ thông số gồm các ô nhớ lưu trữ các thông số cài đặt, mật khẩu, địa chỉ thiết bịđiều khiển và các thông tin về các không gian nhớ có thể sử dụng

PLC hoạt động theo một cách thức đơn giản bằng việc lặp lại quá trình sau Dữ liệuvào từ bên ngoài được chuyển đổi qua bộ giao tiếp ngõ vào thành dạng mà CPU có thểdùng CPU tính toán dựa trên các dữ liệu vào theo chương trình người dùng được lưu trữtrong bộ nhớ Các kết quả của quá trình tính toán này được đưa tới bộ giao tiếp ngõ ra đểchuyển đổi thành dạng mà các thiết bị kết nối với PLC có thể sử dụng

II Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển dùng PLC

PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiênbản (version) trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với mức

độ bài toán đơn giản hay phức tạp Ngoài ra còn có các bộ ghép nối mở rộng cho phép liênkết nhiều bộ PLC nhỏ (thành mạng PLC) để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giaotiếp với máy tính để tạo thành một mạng tích hợp, thực hiện việc theo dõi, kiểm tra, điềukhiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất Mặc dù vậy,một hệ thống điều khiển dùng bất kỳ loại PLC nào cũng đều có cấu trúc như hình 2

Hình 2: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC

Trong đó:

● Ngõ vào dạng số: gồm hai trạng thái ON và OFF Khi ở trạng thái ON thì ngõ vào

số được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao Khi ở trạng thái OFF thì ngõ vào số cóthể được coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp

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

1 - Cảm biến quang điện,

Các kênh vao tương tự sử dụng cho việc lấy tín hiệu từ các cảm biến tương tự :

5 - Cảm biến lưu lượng

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

12 - Các cuộn hút cho van điện từ

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

17 - Các thiết bị đo tương tự

● Thiết bị đầu vào: gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, thường là nút nhấn,cảm biến …

* Cảm biến: là thiết bị nhằm biến đổi một trạng thái vật lý thành tín hiệu điện để PLC

sử dụng Cảm biến được nối với ngõ vào của PLC Một ví dụ là sử dụng nút nhấn nối vớiđầu vào của PLC, một tín hiệu điện được gửi tới PLC chỉ ra trạng thái (đóng/mở) của tiếpđiểm nút nhấn

● Thiết bị chấp hành (Actuator): là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tácđộng vật lý Actuator được nối với ngõ ra của PLC Một ví dụ của actuator là sử dụng mộtSoft Starter (bộ khởi động mềm) được nối ở đầu ra PLC, tùy thuộc vào tín hiệu ngõ ra PLC

mà bộ Soft Starter sẽ khởi động hay dừng động cơ

Hình 3 Các dạng tín hiệu ngõ vào của PLC

● Chương trình điều khiển: một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thựchiện một nhiệm vụ cụ thể Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập hợp cáclệnh Có nhiều cách để lập trình cho PLC như: dạng lập trình hình thang (LAD), dạng câulệnh (STL), hay dạng sơ đồ khối chức năng (FBD) Chương trình điều khiển định ra quiluật thay đổi tín hiệu output phía đầu ra của PLC theo sự thay đổi của tín hiệu input phíađầu vào theo như mong muốn Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng cách sử dụng

bộ lập trình chuyên dụng cầm tay (hand-held programmer hay PG = programmer) hoặcchạy phần mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào PLC thông qua cáp, nối giữaPLC và PC hoặc PG

Cần chú ý là chương trình để điều khiển hệ thống chạy trên PLC, do đó không cần cómáy tính hay bộ lập trình để chạy PLC, chúng chỉ đóng vai trò bộ lập trình hay bộ giám sáthoạt động thông qua việc trao đổi thông tin với PLC

Chương trình của các PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình chính (mainprogram), các chương trình con (subroutine) và chương trình ngắt (interrupt) Nhờ đó cấutrúc của chương trình trở nên dễ đọc và rõ ràng hơn

Chương trình PLC được thực thi theo các chu kỳ quét liên tục Chương trình PLCthực thi là một phần của một quá trình lặp lại: chu kỳ quét Chu kỳ quét của PLC bắt đầu

dụng trạng thái của các đầu vào này Khi chương trình này thực hiện xong thì CPU sẽ bắtđầu quá trình tự chẩn đoán và các tác vụ giao tiếp Chu kỳ quét kết thúc bởi việc cập nhậtcác ngõ ra, sau đó lại lặp lại từ đầu Thời gian thực hiện chu kỳ quét phụ thuộc vào kíchthước của chương trình, số lượng các ngõ vào/ra cần được giám sát của PLC và vào sốlượng yêu cầu giao tiếp

Hình 4 Chu kỳ (vòng) quét của PLC

● Thiết bị lập trình (PG/PC): chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuốngPLC

● Cáp kết nối (cáp PPI): thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình đếnPLC

1 􀂙Quy trình thiết kế hệ điều khiển dùng PLC: Bao gồm các bước cơ bản như sau:

1- Xác định quy trình điều khiển: trong bước này cần phải biết về đối tượng điềukhiển của PLC Các thay đổi của đối tượng điều khiển được kiểm tra thường xuyên bởi cácthiết bị đầu vào, các thiết bị này gởi tín hiệu đến PLC để tính toán xuất các tín hiệu ra đếncác thiết bị đầu ra để điều khiển hoạt động của đối tượng

2- Xác định tín hiệu vào ra: trong bước này cần xác định cách kết nối các thiết bị đầuvào, ra với PLC Thiết bị vào có thể là tiếp điểm, cảm biến,… Thiết bị ra có thể là các loạicuộn dây điện từ , đèn, …

3- Soạn thảo chương trình: chương trình được viết dưới dạng LAD, STL, hay dạngFBD

4- Nạp chương trình cho PLC

5- Chạy chương trình: trước khi khởi động hệ thống cần kiểm tra nối dây từ PLC đếncác thiết bị ngoại vi và trong quá trình chạy kiểm tra có thể cần thực hiện các bước tinhchỉnh hệ thống để đảm bảo an toàn khi đưa vào hoạt động thực tế

Trong bài thí nghiệm với PLC S7-200 (của hãng Siemens) cần quan tâm tới hai vấn

III Giới thiệu PLC S7-200

PLC có thể được phân thành hai loại: Micro PLC và Modular PLC

- Micro PLC là loại PLC mà các ngõ vào, bộ xử lý, các ngõ ra và bộ nguồn đều đượcđặt chung trong cùng một khối Các PLC này thì khá rẻ và thường được dùng trong cácngành công nghiệp nhẹ mà ở đó các điện áp cao không cần thiết Chúng có những cấu hìnhkhác nhau về ngõ vào, ngõ ra, khả năng bộ nhớ và có thể làm việc lâu dài để thỏa mãn cácứng dụng khác nhau Họ PLC S7-200 của Siemens thuộc loại PLC này

- Modular PLC là loại PLC dùng trong các ứng dụng công nghiệp nặng thường là các

hệ thống dạng mô đun Các loại PLC này có các cấu hình khác nhau về ngõ vào/ngõ ra,nguồn cung cấp, dạng tín hiệu (rời rạc hay tương tự), các ứng dụng mạng và điều khiển từ

xa Các hệ thống PLC này bao gồm các mô đun xử lý, mô đun ngõ vào/ngõ ra, thanh gắn,

mô đun nguồn, bộ lập trình và các mô đun giao tiếp nếu cần thiết Họ PLC S7-300, S7-400của Siemens thuộc loại này

- Bộ xử lý của cả PLC loại Micro hay Modular đều bao gồm CPU, bộ nhớ, các cổnggiao tiếp và các cổng ngoại vi Không phải tất cả các PLC đều có cấu hình giống nhau mà

có thể khác nhau về bộ nhớ, các cấu hình ngõ vào/ngõ ra, cấu hình mạng và nhiều đặc tínhkhác

Sau đây sẽ giới thiệu một vài loại CPU họ S7-200 được sử dụng trong nội dung thínghiệm:

a Bộ S7-200/CPU 212 có một số tính năng như sau:

– Số cổng vào/ra (I/O): 8 ngõ vào số/6 ngõ ra số (có địa chỉ I0.0 ÷ I0.7, Q0.0 ÷ Q0.5) – Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 2 (với tối đa 64 ngõ vào số /64 ngõ ra số).– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 1.2 μs/lệnh s/lệnh

– Bộ đếm thời gian (timer): 64 bộ

– Bộ đếm (counter): 64 bộ

– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 1 (2 kHz-software)

b Bộ S7-200/CPU 216 có các tính năng sau:

– Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ ra số số (có địa chỉ I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷Q1.7)

– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 7

– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.8 μs/lệnh s/lệnh

– Bộ đếm thời gian (timer): 256 bộ

– Bộ đếm (counter): 256 bộ

– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 3 (1 software – 2 hardware)

– Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB

– Cổng giao tiếp: 2

c Bộ S7-200/CPU 226 có các tính năng sau:

– Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ ra số (địa chỉ từ I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷Q1.7)

– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 7

IV Sơ đồ nối dây thực của S7 – 200

Sơ đồ nối dây của CPU 212:

Hình 5 Sơ đồ nối dây của PLC S7-200, CPU 212

Với cách nối dây như sơ đồ đã thể hiện, khi một công tắc (hay nút nhấn) ở ngõ vàonào đó được tác động, ngõ vào đó sẽ ở trạng thái logic là 1 (trạng thái ON) Nếu công tắc bịngắt (hay không nhấn nút nữa), ngõ vào tương ứng sẽ ở trạng thái logic là 0 (trạng tháiOFF) Nguyên tắc chung là khi có điện áp trong khoảng quy định trước (thông thường là 15– 30 VDC) so với điểm chuẩn điện áp (các ngõ vào ký hiệu là COM) đặt vào một ngõ vàonào đó thì ngõ vào đó ở trạng thái 1, nếu không có điện áp đủ lớn so với điểm chuẩn điện

áp đặt vào ngõ vào thì ngõ vào đó ở trạng thái 0

Các CPU 216 và CPU 226 cũng được nối dây tương tự với CPU 212

Chú ý:

• PLC nhận tín hiệu ngõ vào 24V, vì vậy ngõ ra relay (3 và 4) của

SIKOSTART phải cấp tín hiệu 24V về cho PLC

• PLC có ngõ ra là các tiếp điểm relay được nối chung với nhau,

chưa nối nguồn bên trong, vì vậy có thể điều khiển các contactor

bằng cấp điện áp 220V

• Do các ngõ ra relay của PLC đã được nối chung:

Cách đấu đầu ra với các thiết bị chấp hành của PLC

V Giới thiệu chương trình STEP7 – Micro/WIN

1 Dạng lập trình: STEP7 – Micro/WIN hỗ trợ hai dạng lập trình sau:

a Dạng STL (Statement List): dạng ngôn ngữ sử dụng danh sách các câu lệnh

b Dạng LAD (ladder): dạng ngôn ngữ đồ hoạ sử dụng các ký hiệu tương tự như các

sơ đồ mạch điện (hình thang)

c Dạng FBD (Function Block Diagram): dạng ngôn ngữ đồ hoạ sử dụng các ký hiệutương tự sơ đồ các khối logic AND, OR

Các Menu công cụ thường dùng:

• New (File Menu) Tạo mới

• Open (File Menu) Mở file

• Cut (Edit menu) Cắt

• Paste (Edit Menu) Dán

• Copy (Edit Menu) Sao chép

• Download (PLC Menu) Tải xuống

• Network (Insert) Chèn network mới

• Program Elements (Insert) Mở cử sổ các phần tử lập trình

• Clear/Reset (PLC) Xóa chương trình hiện thời trong PLC

• LAD, STL, FBD (View) Hiển thị dạng ngôn ngữ yêu cầu

Các phần tử lập trình thường dùng (cửa sổ Program Elements):

Lệnh logíc tiếp điểm Lệnh đếm Lệnh đồng hồ Lệnh chuyển đổii dữ

liệu

So sánh Số nguyên Số thực

2 Các lệnh cơ bản của chương trình dạng LADDER:

– C: tiếp điểm do bộ đếm đ.khiển– T: tiếp điểm do timer điều khiển

– C: tiếp điểm do bộ đếm đ.khiển – T: tiếp điểm do timer điều khiển

Lệnh phát hiện

cạnh lên P

Lênh này chỉ tác động khi pháthiện tín hiệu phía trước lệnhchuyển từ OFF sang ON (cạnh

Khi lệnh RESET tác động, bit nchuyển sang OFF và giữ luôn

T96 (CPU216, 226)

* T33 – T36: - 10ms T97–T100 (CPU216, 226)

* T37 – T63: - 100ms

T101–T255 CPU216,226) – IN: tín hiệu vào – PT: hệ số thời gian trễ.

– Khi IN từ 0 lên 1 thì sau thờigian định bởi PT, Txxx sẽ chuyển

sang trạng thái ON (1)

– Bất cứ khi nào IN từ 1 xuống 0

thì Txxx sẽ chuyển sang OFF (0)

– CU: tín hiệu đếmlên

– CD: tín hiệu đếmxuống

– R: tín hiệu reset – PV: giá trị đặt(preset trạng thái của

– CU: tín hiệu đếmlên (CTU)

– CTU sẽ đếm lên một đơn vị mỗikhi tín hiệu chuyển từ 0 lên 1 ởchân CU

– CTD sẽ đếm xuống một đơn vịmỗi khi tín hiệu chuyển từ 0 lên 1

xuống (CTD)

– R: tín hiệu reset – PV: giá trị đặt(preset value)

LD (CTD) thì giá trị đếm củaCxxx được set về giá trị đặt PV

_Byte _Word (Integer) _Double Word _Real

Giải thích thêm:

1 Lập trình kiểu FBD

2 Thời gian của bộ định thời Timer

Đối với bộ định thời gian đóng trễ TON:

Công thức tính giá trị thời gian đặt:

k

C

T

PT 

với T: thời gian cần làm trễ (s)

Ck: độ phân giải (đơn vị tính thời gian) của bộ định thời (1 ms, 10 ms, và 100 ms)

3 Các ô nhớ đặc biệt:

SM0.0 Bit này luôn luôn ON

SM0.1 Bit này chỉ ON trong chu kỳ quét đầu tiên của PLC

SM0.5 Bit này tạo xung clock 1 giây (0,5s ON và 0,5s OFF)

SM0.4 Bit này tạo xung clock 1 phút

4 Cấu trúc ô nhớ trong PLC Siemens:

1 Byte = 8 Bit QB0 ≡ Q0.0→Q0.7

1 Word = 2 Byte = 16 Bit (liên tiếp) QW0 ≡ QB0→QB1

1 Double Word = 4 Byte = 32 Bit (liên tiếp) QD0 ≡ QB0→QB3

5 Cấu trúc ô nhớ của dữ liệu số:

Số Byte (B) 1 byte ~ Byte

Số Integer (I): 2 byte ~ Word

Số Long Integer (D) 4 byte ~ Double Word

Số Real (R) 4 byte ~ Double Word