Thêng trong mçi PLC cã mét ®¬n vÞ xö lý trung t©m, ngoµi ra cßn cã mét sè lo¹i lín cã tíi hai ®¬n vÞ xö lý trung t©m dïng ®Ó thùc hiÖn nh÷ng chøc n¨ng ®iÒu khiÓn phøc t¹p vµ quan trä[r]
Trang 1Lời nói đầu
PLC : Programmable Logic Control
Là thiết bị Logic lập trình được, cho phép thực hiện các phép toán logic thông qua ngôn ngữ lập trình Thành phần cơ bản của các PLC S7 200 là khối vi
xử lý trung tâm, khối VXL này điều khiển các ứng dụng thông qua các modul ( modul có sẵn và các module mở rộng)
Chính những đặc điểm này cộng với khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp và tính tin cậy cao nên ngày nay PLC được ứng dụng rất nhiều trong hầu hết các ngành công nghiệp: Điều khiển nhiệt độ lò nung, điều khiển băng tải, các trạm trộn, thang máy…
Do tính ứng dụng cao của PLC nên ngày nay tất cả các ngành tự động hoá nói riêng và ngành điện - điện tử nói chung trong tất các các trường đều đưa PLC vào trong chương trình đào tạo của mình nhằm giúp cho sinh viên có thêm có hội tiếp cận với công nghệ mới, đồng thời tăng khả năng làm việc của sinh viên Nội dụng chính của tài liệu bao gồm 6 chương:
Chương 1: Đại cương về điều khiển lập trình
Chương 2: Các phép toán nhị phân của PLC
Chương 3: Các phép toán số của PLC
Chương 4: Xử lý tín hiệu Analog
Chương 5: PLC của các hãng khác
Chương 6: Lắp đặt mô hình điều khiển bằng PLC
Biên soạn
Trang 2Chương 1: Đại cương về điều khiển lập trình
Bài 1.1: Tổng quát về điều khiển lập trình
I Điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình
Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho nó các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh)
PLC có khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình, trên các lệnh logic cơ bản: khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ, khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ
Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp:
• Khả năng kháng nhiễu rất tốt
• Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp
• Có những modul chuyên dụng để thực hiện những chức năng đặc biệt hay những modul truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet
• Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động
• Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ
Hỡnh 1.1 Hỡnh daùng thửùc teỏ PLC
Trang 3cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được
• Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại cách nối dây
Như vậy, với chương trình điều
khiển của PLC, PLC trở thành bộ
điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi
thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi
thông tin với môi trường xung quanh
(với các PL khác hoặc với máy tính)
Toàn bộ chương trình điều khiển
được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới
dạng các khối chương trình (khối
OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp
theo chu kỳ của vòng quét
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải
có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ
điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có
Hỡnh 1.3 Heọ thoỏng ủieàu khieồn PLC
Hỡnh 1.2 Keỏt noỏi cụ baỷn cho PLC
Trang 4thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) , và những khối hàm chuyên dụng
II So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác
1 Hệ thống điều khiển rơ le( truyền thống)
Khi hình thành PLC, đó là sự bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt vào những năm 1960 & 1970, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơ – le cơ điện Những rơ – le này được lắp đặt cố định bên trong bảng
điều khiển Trong một vài trường hợp, bảng điều khiển rộng chiếm không gian Mọi kết nối ở ngõ rơ – le phải được thực hiện dẫn đến đi dây điện thường không hoàn hảo, nó phải mất nhiều thời gian vì những rắc rối hệ thống và đây là vấn đề rất tốn thời gian đối với nhà sử dụng Hơn nữa, các rờ – le bị hạn chế về tiếp điểm Nếu khi có yêu cầu hiệu chỉnh hay cải tiến thì máy phải ngừng hoạt
động, không gian lắp đặt bị giới hạn, và nối dây phải được làm để phù hợp những thay đổi của công nghệ
Bảng điều khiển chỉ có thể được sử dụng cho những quá trình riêng biệt nào
đó không đòi hỏi thay đổi ngay thành hệ thống mới Trong quá trình bảo trì, các
Hỡnh 1.4 Heọ thoỏng ủieàu khieồn duứng PLC
Trang 5kỹ thuật viên phải được huấn luyện tốt và giỏi trong việc giải quyết những sự cố của hệ thống điều khiển Nói tóm lại, bảng điều khiển rờ – le cổ điển là rất kém linh hoạt và không thể thay thế được
*Nhược điểm của hệ thống điều khiển cổ điển
+ Có quá nhiều dây trong bảng điều khiển
+ Sự thay đổi hoàn toàn khó khăn
+ Việc sửa chữa vô cùng phiền phức vì bạn phải cần đến nhà kỹ thuật giỏi + Tiêu thụ điện năng lớn khi cuộn dây của rờ – le tiêu thụ điện
+ Thời gian dừng máy quá dài khi sự cố xảy ra, vì phải mất một thời gian dài để sửa chữa bảng điều khiển
+ Nó gây ra thời gian dừng máy lâu hơn khi bảo trì và điều chỉnh khi các bản vẽ gốc không còn nguyên vẹn qua thời gian nhiều năm
2 Hệ thống điều khiển bằng vi sử lý
Là cách dùng hệ thống điều khiển thông qua bộ vi sử lý và viết chương trình để hướng dẫn bộ vi sử lý đáp ứng với mỗi tín hiệu đầu vào
Do đó bằng cách thay đổi lệnh thì có thể sử dụng cùng 1 vi sử lý để điều khiển nhiều tình huống khác nhau
3 Thiết bị điều khiển lập trình
- Được dựa vào bộ vi sử lý và sử dụng bộ nhớ chương trình để lưu các lệnh
và thực hiện các chức năng như phép toán lôgic, định giờ, đếm, thuật toán
- Với sự xuất hiện của bộ điều khiển khả lập trình, những quan điểm và thiết kế điều khiển tiến bộ to lớn Có nhiều ích lợi trong việc sử dụng bộ điều khiển lập trình
- Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng
được các tính năng cũng như lợi ích của nó trong hoạt động công nghiệp
- Điện năng tiêu thụ giảm đáng kể vì PLC tiêu thụ ít điện năng Chức năng
tự chẩn đoán của PLC cho phép sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sát giữa người và máy (HMI)
- Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ nhưng bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống Chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt, đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay),
- Khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC
để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau),
- Hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn Độ tin cậy cao vì PLC được thiết
Trang 6kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (Electrical Noise), vùng có từ truờng mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao Khả năng quyền lực mà PLC thực hiện được đó là sự phối hợp giữa các thiết điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một mạng sản xuất toàn cầu: giám sát, điều khiển
và thu thập dữ liệu (SCADA)
- PLC có thể sử dụng cùng 1 thiết bị điều khiển cơ bản cho cả 1 hệ thống
điều khiển Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc đang được sử dụng người ta chỉ cần nhập 1 tập lệnh khác mà không cần mắc nối lại dây, nhờ đó hệ
thống linh hoạt và hiệu quả
Trang 7Bài 1.2: Cấu trúc phần cứng của PLC
1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Procesing Unit)
Thường trong mỗi PLC có một đơn vị xử lý trung tâm, ngoài ra còn có một
số loại lớn có tới hai đơn vị xử lý trung tâm dùng để thực hiện những chức năng
điều khiển phức tạp và quan trọng gọi là hot standby hay redundant
* Đơn vị xử lý "một -bit": Thích hợp cho những ứng dụng nhỏ, chỉ đơn thuần là logic ON/OFF, thời gian xử lý dài, nhưng kết cấu đơn giản nên giá
thành hạ vẫn được thị trường chấp nhận
* Đơn vị xử lý "từ - ngữ":
• Xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép tính, đo lường, đánh giá, kiểm tra
• Cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều
Hỡnh 1.5 Heọ thoỏng caỏu truực phaàn cửựng PLC
Trang 8• Giá thành cao
- Nguyên lý hoạt động:
+ Thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình gọi tuần tự (do đã được điều khiển và kiểm soát bởi bộ đếm chương trình do đơn vị xử lý trung tâm khống chế)
+ Bộ xử lý liên kết các tín hiệu (dữ liệu) đơn lẻ (theo một quy định nào đó -
do thuật toán điều khiển) rút ra kết quả là các lệnh cho đầu ra
+ Sự thao tác tuần tự của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ rồi sau
đó lại bắt đầu lại từ đầu thời gian đó gọi là "thời gian quét"
+ Đo thời gian mà bộ xử lý xử lý 1 Kbyte chương trình để làm chỉ tiêu đánh giá giữa các PLC! Như vậy bộ vi xử lý quyết định khả năng và chức năng của PLC
Bộ xử lý một - bit Bộ xử lý từ - ngữ
Xử lý trực tiếp các tín hiệu đầu vào (địa
chỉ đơn)
Các tín hiệu vào/ra chỉ có thể được địa chỉ hoá thông qua từ ngữ
Cung cấp lệnh nhỏ hơn, thông thường
chỉ là một quyết định có/ không
Cung cấp tập lệnh lớn hơn, đòi hỏi phải
có những kiến thức về vi tính
Ngôn ngữ đầu vào đơn giản, không cần
kiến thức tính toán
Ngôn ngữ đầu vào phức tạp dùng cho việc cung cấp lệnh lớn
Khả năng hạn chế trong việc xử lý dữ
liệu số (không có chức năng toán học
và logic)
Thu thập và xử lý dữ liệu số
Chương trình thực hiện liên tiếp, không
bị gián đoạn, thời gian của chu trình
tương đối dài
Các quá trình thời gian tới hạn được
địa chỉ hoá qua các lệnh gián đoạn hoặc chuyển đổi điều khiển khẩn cấp Chỉ phối được với máy tính đơn giản Phối ghép với máy tính hoặc hệ thống
các máy tính
Khả năng xử lý các tín hiệu tương tự
bị hạn chế
Xử lý tín hiệu tương tự ở cả đầu vào
và đầu ra
2 Bộ nhớ: Bao gồm cả RAM, ROM, EEPROM
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O
Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay
Trang 9Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong
bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở
đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này
có khả năng chứa 2000 -16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các
bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng
RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy, đã
được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM
Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoăùc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường
được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài
* Kích thước bộ nhớ :
- Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ữ1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo
- Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ữ 16K, có khả năng chứa từ 2000 -
16000 dòng lệnh
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM
3 Khối vào/ra
Hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC: 5VDC, 15VDC (điện áp cho họ TTL & CMOS) Trong khi đó tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể lớn hơn khoảng 24VDC đến 240VDC hay 110VAC đến 220VAC với dòng lớn
Khối giao tiếp vào ra có vai trò giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với mạch công suất bên ngoài Thực hiện chuyển mức điện áp tín hiệu và cách ly bằng mạch cách ly quang (Opto-isolator) trên các khối vào ra Cho phép tín hiệu
Trang 10nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu có mức cao xuống mức tín hiệu chuẩn Tác dụng chống nhiễu tốt khi chuyển công tắc bảo vệ quá áp từ nguồn cung cấp điện lên
đến điện áp 1500V
• Ngõ vào: nhận trực tiếp tín hiệu từ cảm biến
• Ngõ ra: là các transistor, rơle hay triac vật lý
4 Thiết bị lập trình
Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là
- Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tương ứng
- Máy tính có cài đặt phần mềm là công cụ lý tưởng nhất
5 Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :
- Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác
nhau
- Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu
- Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và
điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó
sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1- 8 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,
đồng hồ của hệ thống
6 Modul quản lý việc phối ghép
Dùng để phối ghép bộ PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị
lập trình, bảng vận hành và mạng truyền thông công nghiệp
7 Bài tập: Khảo sát phần cứng của PLC