Giáo trình Kỹ thuật điều khiển lập trình - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Nội dung giáo trình gồm 4 chương được trình bày như sau: Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình, ngôn ngữ lập trình PLC, kỹ thuật lập trình PLC, truyền thông trên PLC. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của giáo trình.

Lời nói đầu Trong những năm gần đây, việc ứng dụng Bộ điều khiển lô gic khả trình (PLC-Programmable Logic Controller) được xem như một giải pháp điều khiển

lý tưởng cho việc tự động hoá qúa trình sản xuất Lý do khiến cho bộ PLC được các nhà sản xuất lựa chọn đó là nhờ những tính năng ưu việt nổi trội trong điều khiển như kết cấu nhỏ gọn, linh hoạt trong điều khiển, dễ dàng trong lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, đơn giản trong sửa chữa, độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp, đặc biệt là khả năng truyền thông cho phép nối mạng các cấp phục vụ cho điều khiển giám sát từ xa hay từ trung tâm điều khiển, với giá thành thấp phù hợp với mọi lĩnh vực sản xuất công nghiệp

Hiện tại trong nước gần như chưa có giáo trình tiếng việt nào viết đầy đủ

về bộ PLC phục vụ học tập và nghiên cứu Qua nhiều năm giảng dạy và thực tế sản xuất, tham khảo các tài liệu về PLC của các hãng SIEMENS, OMRON, MITSUBISHI, tài liệu “Tự động hoá với Simatic S7-300” của PGS-TS Phan Xuân Minh, Tài liệu “Bộ điều khiển lập trình và ứng dụng” của PTS Lê Hoài Quốc –

KS Chung Tấn Lâm, chúng tôi biên soạn giáo trình “Kỹ thuật điều khiển lập trình” nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Giáo trình được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học “kỹ thuật điều khiển lập trình” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ

kỹ thuật điện, công nghệ điện - điện tử, công nghệ tự động Nội dung của giáo trình gồm bốn chương như sau:

Chương 1: Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình

Để có được giáo trình “Kỹ thuật điều khiển lập trình” này chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám Hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Giáo trình được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi mong nhận được các ý kiến góp ý của các bạn đồng nghiệp và các em sinh viên

Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển Khoa Điện

-Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (Phòng 301 nhà C)

Nam định, tháng 6 năm 2010

Các tác giả

Mục lục

Lời nói đầu 1

Chương 1 Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình 6

1.1 Hệ thống điều khiển 6

1.1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển 6

1.1.2 Các phương pháp điều khiển 7

1.1.3 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 9

1.2 Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) 11

1.2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển dùng PLC 11

Các Mô đun SM thường có: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374 Trong đó: 33

Mô đun vào/ ra số: 33

Mô đun Analog in: 33

1.2.2.2 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ 38

a) Toán hạng là dữ liệu 43

b) Toán hạng là địa chỉ 44

Bảng 1-3: ý nghĩa vùng nhớ của PLC S7-300 49

c) Thanh ghi trạng thái 49

a) Vòng quét chương trình 50

b) Những khối OB đặc biệt 52

Câu hỏi chương 1 55

Ngôn ngữ lập trình PLC 56

2.1 Các dạng ngôn ngữ lập trình PLC 56

2.1.1 Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder) 56

2.1.2 Ngôn ngữ lập trình FBD (Function block Diagram) 56

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình STL (Statement List) 57

2.1.4 Ngôn ngữ lập trình SCL (Structured Control Language) 57

2.1.5 Ngôn ngữ lập trình S7-Graph 58

2.2 Tập lệnh cơ bản của SIMATIC S7-300 và ứng dụng 58

2.2.1 Nhóm lệnh bit logic 58

2.2.2 Nhóm lệnh so sánh 61

2.2.3 Nhóm lệnh đổi kiểu dữ liệu 63

2.2.4 Nhóm lệnh thực hiện chức năng làm tròn (đổi kiểu dữ liệu) 65

2.2.5.Nhóm lệnh toán học 66

2.2.5.1 Nhóm lệnh làm việc với số nguyên 16 bít 66

2.2.6 Nhóm lệnh đảo giá trị các bít 73

2.2.7 Nhóm lệnh đổi dấu 74

2.2.8 Nhóm lệnh làm việc với Bộ thời gian: (Timer) 75

2.2.9 Nhóm lệnh làm việc với Bộ đếm COUNTER 83

2.2.10 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu (Move) 86

2.2.11 Nhóm lệnh ghi dịch và quay số liệu trên thanh ghi 87

2.2.12 Nhóm lệnh Logic thực hiện trên thanh ghi 90

Chương 3 95

Kỹ thuật lập trình 95

3.1 Cấu trúc chương trình 95

3.1.1 Giới thiệu chung 95

3.1.2 Cấu trúc và khai báo phần cứng 99

3.2 Lập trình tuyến tính 99

Lập trình tuyến tính ứng dụng cho các bài toán điều khiển nhỏ và vừa mức độ phức tạp không cao ví dụ như điều khiển động cơ, bình trộn, 100

3.3 Lập trình có cấu trúc và ứng dụng 102

3.3.1 Khai báo local block cho FC 104

3.3.2 Gọi khối FC và thủ tục truyền tham trị 107

3.3.3 Local block của FB 108

3.3.4 Instance block và thủ tục gọi khối FB 110

Ví dụ 4 113

3.4 Nghiên cứu các khối OB và ứng dụng 117

3.4.2 Khối OB1 118

3.4.3 Các khối OB đặc biệt 119

3.4.4 ứng dụng của các khối OB 121

3.4.4.1 Các khối OB chứa chương trình ứng dụng xử lý ngắt 122

3.4.4.2 Các OB chứa chương trình khởi động (Initialization) 126

3.4.4.3 Các khối OB xử lý lỗi hệ thống 127

3.5 Những hàm chuẩn quản lý ngắt 136

3.5.1 Nghiên cứu các ngắt 136

3.5.1.1 Xử lý ngắt 136

3.5.1.2 Ngắt phần cứng (Hardware interrupts) 137

3.5.1.4 Ngắt tại một thời điểm định trước (Time-of-day Interrupts) 139

3.5.1.5 Ngắt trễ thời gian 140

3.5.2 Những hàm chuẩn quản lý ngắt 141

3.5.3 Một số ứng dụng của ngắt 143

3.5.3.1 Ngắt tại một thời điểm định trước 143

3.5.3.2 Ngắt chu kỳ 147

3.5.3.3 Ngắt cứng 147

Câu hỏi chương 3: 149

4.1 Khái quát về truyền thông trên PLC 154

4.2 Các yếu tố cơ bản về truyền thông 154

4.2.1 Tham số truyền thông 154

4.2.2 Các cổng truyền thông 156

4.2.3 Khoảng cách truyền thông 160

4.2.4 Điều khiển đường tín hiệu truyền thông 160

4.2.5 Nghi thức truyền thông 160

4.3 PLC và hệ thống mạng 163

4.3.1 Khái quát 163

4.3.2 Mạng AS-I 164

4.3.3 Mạng MPI 166

4.3.4 Mạng PROFIBUS 168

Câu hỏi chương 4: 185

Chương 1

Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình 1.1 Hệ thống điều khiển

1.1.1 Khái quát về hệ thống điều khiển

Trên thực tế ở mọi ngành sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng năng suất lao

động số lượng và chất lượng sản phẩm được giải quyết bằng cách tăng mức độ tự

động hoá các quá trình sản suất Những hệ thống có khả năng khởi động, kiểm soát, và dừng một quá trình sản xuất theo yêu cầu giám sát hoặc đo đếm giá trị các biến đã được xác định của quá trình nhằm đạt được kết quả mong muốn ở sản phẩm đầu ra của máy hoặc thiết bị thì được gọi là hệ thống điều khiển

Quá trình tự động hoá sản xuất nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ các thao tác vật lý của công nhân vận hành máy móc, hoặc thiết bị thông qua hệ thống điều khiển Những hệ thống điều khiển đã được tự động hoá có thể điều khiển quá trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần hoặc cần rất ít

sự can thiệp của con người

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được mô tả theo sơ đồ khối sau:

Khối vào :

Các tín hiệu vào thường qua bộ chuyển đổi để chuyển đổi các tín hiệu vật

lý thành các tín hiệu điện (đã được chuyển đổi chuẩn hoá) Các tín hiệu vào thường là bộ nút nhấn (Button), công tắc (Switch), cảm biến (sensor) … tuỳ theo yêu cầu đầu vào của bộ điều khiển mà các tín hiệu ra khỏi bộ chuyển đổi có thể

là dạng số (digital) hoặc dạng tương tự (Analog) và phải tuân theo một chuẩn nào đó về dòng hay áp

Bộ điều khiển:

Bộ điều khiển thay thế người vận hành thực hiện các thao tác đảm bảo quá trình hoạt động có sự điều khiển Nó nhận thông tin là các tín hiệu từ khối vào và thực hiện xử lý tín hiệu vào này theo một luật nào đó được đặt ra theo yêu cầu công nghệ và xuất ra các tín hiệu đến khối ra để thực hiện các tác động đến cơ cấu chấp hành

Khối ra:

Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của bộ điều khiển Các tín hiệu này được sử dụng để tạo ra những hoạt động đáp ứng cụ thể cho các máy hoặc

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cơ bản

thiết bị ở ngõ ra như động cơ, các van, xy lanh khí nén hay dầu ép, bơm, rơ le… Chẳng hạn, động cơ biến đổi các tín hiệu điện thành chuyển động quay (các thiết

bị ngõ ra cũng có cấu trúc của bộ chuyển đổi vào nhưng theo chiều ngược lại) Các thiết bị ngõ ra có thể làm việc với tín hiệu dạng on/off hoặc các tín hiệu liên tục Từ thông tin của tín hiệu đầu vào bộ điều khiển tự động phải tạo ra được những tín hiệu ra cần thiết đáp ứng yêu cầu điều khiển đã xác định trong bộ phận

xử lý Yêu cầu điều khiển có thể thực hiện theo hai cách: dùng mạch điện kết nối cứng, hoặc dùng chương trình điều khiển Mạch điện kết nối cứng được dùng trong trường hợp yêu cầu điều khiển không thay đổi, trong đó các phần tử trong

hệ thống được kết nối với nhau theo mạch cố định Trong đó, hệ thống dùng chương trình điều khiển hoạt động theo chương trình lập sẵn lưu trong bộ nhớ và chương trình có thể được điều chỉnh hoặc khi cần thiết thay bằng chương trình khác

1.1.2 Các phương pháp điều khiển

1.1.2.1 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open loop control system)

Đối với hệ thống hở khâu đo lường không được dùng đến Sự thay đổi của tín hiệu đầu ra không được phản ánh về thiết bị điều khiển Sơ đồ hình (1-2) là

hệ thống điều khiển hở Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở là lý thuyết

về rơ le (Relay) và lý thuyết aptomat hữu hạn

Dạng điều khiển đơn giản nhất là điều khiển vòng hở, ý tưởng cơ bản của

điều khiển này là thiết lập một hệ thống hoạt động đạt đến mức độ chính xác cần thiết bằng cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động ngõ ra của hệ thống Không có tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển để xác định hoặc điều chỉnh tín hiệu ra vì vậy

hệ thống dùng điều khiển dạng này có thể cho tín hiệu ra với sai số lớn

Ví dụ: Hình 1-3 sơ đồ điều khiển động cơ DC Trong sơ đồ này tốc độ động cơ phụ thuộc vào tín hiệu đặt và nó còn chịu ảnh hưởng của tải Tải nặng thì động cơ quay chậm và ngược lại

Hình 1-2: Hệ thống điều khiển vòng hở

Máy sản xuất

1.1.2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed loop control system)

Hệ thống điều khiển kín là hệ thống điều khiển phải có tín hiệu phản hồi (Feed back) có nghĩa là tín hiệu ra được đo lường và đưa về thiết bị điều khiển Tín hiệu phản hồi kết hợp với tín hiệu vào để tạo ra tín hiệu điều khiển để khống chế đầu ra theo mong muốn Sơ đồ khối của hệ điều khiển kín được mô tả như hình 1-4 Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín chính là lý thuyết điều khiển tự động

Hệ thống ĐKTĐ là hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu:

- Thiết bị điều khiển C (Controller)

Thiết bị điều khiển chỉ tất cả các hệ thống điều khiển có thể thể là hệ rơ le contactor hay PLC

- Đối tượng điều khiển O (Object)

- Thiết bị đo lường M (Measuring device)

Hình 1- 4: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển kín

e - Sai lệch điều khiển (Error)

F- Tín hiệu phản hồi (Feed back)

N- Tín hiệu nhiễu (Noise) tác động từ ngoài vào hệ thống

Hệ điều khiển vòng kín chính là hệ điều khiển tự động Có thể nói một hệ

có khả năng điều khiển tự động thì hệ thống nhất định phải có khâu phản hồi Trong các hệ truyền động thì tín hiệu phản hồi thường lấy tín hiệu từ đầu ra sau

đối tượng điều khiển ví dụ cảm biến nhiệt trong hệ điều khiển nhiệt độ, phản hồi tốc độ để ổn định tốc độ động cơ…

Bộ điều khiển Đối tượng

Thiết bị đo lường

1.1.3 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp

Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Với mô hình này các chức năng được phân cấp thành nhiều cấp khác nhau như được minh hoạ trên hình vẽ 1-5 Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn

và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một cấp chức năng

ở trên được thực hiện dựa theo các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần xử lý trao đổi lại lớn hơn

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay thế cho

“mạng” với lý do phần lớn các hệ thống mạng đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus

1.1.3.1 Bus trường, bus thiết bị

Bus trường (Fieldbus) là khái niệm chung (dùng nhiều trong công nghiệp chế biến) để chỉ các hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành,

Bus trường Bus thiết bị Bus cảm biến Chấp hành

Hình 1-5: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp

hay các thiết bị trường Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền

động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (Sensor, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (Actuator) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông

Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý

và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,ímtới vài miligiây Trong khi đó yêu cầu về lượng thông tin trong bức

điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông chỉ cần ở phạm vi Mbit/s

Các hệ thống bus trường thường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, Controlnet, INTERBUS, CAN, Foundation Fieldbus, DeviceNet, ASi 1.1.3.2 Bus hệ thống, bus điều khiển

Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (System bus) hay bus quá trình (Process bus) Thông tin được trao đổi theo chiều dọc và cả chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua các bus hệ thống Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây Trong khi đó yêu cầu về lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường, tốc độ truyền thông trong phạm vi

từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s

Khi bus hệ thống được sử dụng để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển Vai trò của bus

điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính thời gian thực cao

Các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet như: Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, PROFIBUS-FMS, ControlNet và Modbus Plus

1.1.3.3 Mạng xí nghiệp

Mạng xí nghiệp thực ra là mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật các số liệu tính toán thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành

Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi số lượng lớn tới hàng Mêgabyte Có hai loại mạng được dùng phổ biến cho mạng xí nghiệp là: Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX 1.1.3.4 Mạng công ty

Mạng công ty nằm trên lớp trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hay mạng máy tính diện rộng

Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và các khách hàng như thư viện điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh cung cấp dịch vụ truy cập internet và thương mại điện tử Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như công nghệ được áp dụng tuỳ thuộc vào đầu tư của công ty

Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ

sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao Các công nghệ đang được áp dụng là fast Ethernet, FDDI, ATM

1.2 Bộ điều khiển logic khả trình (PLC)

1.2.1 Khái quát về hệ thống điều khiển dùng PLC

1.2.1.1 Sự ra đời của bộ điều khiển logic khả trình

- Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng Đến năm 1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ chính xác tới 6 con số thập phân

- Năm 1808, Joseph M.Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự động thực hiện các mẫu hàng phức tạp

- Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới

- Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC Chiếc máy tính này bao gồm: 18.000 đèn điện tử chân không; 500.000 mối hàn thủ công; Chiếm diện tích

1613 ft2; Công suất tiêu thụ điện 174 kW; 6000 nút bấm; Khoảng vài trăm phích cắm Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư hỏng đã xuất hiện Việc sửa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất

đến cả tuần Tới năm 1948 áp dụng kỹ thuật bán dẫn được áp dụng đưa vào sản xuất công nghiệp, thì tới năm 1956 thì những máy tính điện tử lập trình mới được sản xuất và thương mại hoá

- Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật điều khiển tự động

+ Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959

+ Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965

+ Bộ vi xử lý - năm 1974

+ Dữ liệu chương trình - điều khiển

+ Kỹ thuật lưu giữ

Những phát minh này đẫ đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC, CNC, lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân biệt

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - 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 Điều này

đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai

đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nh”m thay thế hệ thống Relay 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 “lập trình dùng giản đồ hình thang” ký hiệu là LAD Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng khỏc, đó là sự hỗ trợ bởi những thuật toán, vận hành với các dữ liệu cập nhật Mặt khác, do sự phát triển của màn hình dùng cho máy tính 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 mẽ 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

Đến cuối thập kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể những

hệ thống máy tính chứ không điều khiển đơn lẻ từng máy 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);

Hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… mà các nhà thiết kế còn xây dựng các loại PLC với các chức năng

điều khiển thông minh gọi là các siêu PLC (super PLC)

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, gửi 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 Những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp đó là

từ xa

H×nh 1-6: H×nh ¶nh m« t¶ hÖ thèng ®iÒu khiÓn dïng PLC

H×nh 1-7: H×nh ¶nh PLC trong tñ ®iÒu khiÓn lß nÊu thÐp

1.2.1.2 Giới thiệu một số nhóm PLC phổ biến trên thế giới

a) PLC của Siemens (Đức)

- PLC Logo

+ Điện áp vào 24VDC, 220VAC

+ 8 ngõ vào số, 4 ngõ ra rơ le 10A

PLC S7-400 Đây là loại CPU PLC có khả năng trung

bình đến cao cấp, có nhiều loại CPU khác nhau theo

ký hiệu CPU 41x Nó có các đặc điểm sau:

- Khả năng các cổng vào/ra: tuỳ từng loại CPU có thể

- Có khiều khả năng xử lý song song (có đến 4 CPU được dùng ở rãnh trung tâm)

- Có thể gắn thêm nhiều khối chức năng đặc biệt khác như: điều khiển vòng kín, định vị, đếm

(Tham khảo trang Web: Siemens.de.com)

b) PLC của hãng Omron

* Loại ZEN:

Đây là loại PLC nhỏ nhất của OMRON có

6 đầu vào số và 4 đầu ra rơ le

*Các PLC họ CPM1A:

- Các PLC loại này là các PLC

có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng

nhất một khối, trên mỗi CPU có sẵn

từ 10, 20, 30, 40 ngõ I/O Tất cả các

CPU dạng này đều có ngõ ra Rơle

- Để dữ liệu trong RAM khôngbị

mất khi PLC bị mất điện thì người

- Bộ đếm tốc độ cao: Bộ đếm tốc độ cao cho phép tăng khả năng đếm lên hoặc xuống và không bị ảnh hưởng bởi chu kỳ quét của CPU

-Timer: Các Timer có khả năng trì hoãn từ 0.5 ms đến 999,9s, có tổng số

128 Timer

Hình 1-10: PLC S7-300 của Siemens

Hình 1-11: PLC ZEN của OMRON

Hình 1-12: PLC CPM1A của OMRON

- Chức năng chỉnh định tín hiệu Analog: Trên CPU có 2 biến trở nhỏ cho phép chỉnh định giá trị cài đặt của tín hiệu Analog

- Truyền thông: Các PLC CPM1A có khả năng kết nối với các máy tính cá nhân PC, chuyển đổi giao tiếp RS 232 cho truyền thông 1-1 và bộ chuyển đổi giao tiếp RS-422 cho truyền thông 1-n

* Các CPU họ C200H :

Các PLC họ C200H là họ các PLC cỡ trung bình, được phát triển dựa trên các PLC họ C200H Các CPU C200H có nhiều ưu điểm như bộ nhớ được mở rộng hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, được hỗ trợ Protocol Marco (thủ tục truyền thông cho các Mô đun ASCII và Basic Mô đun) và có thể tùy chọn gắn thêm các card PCMCIA Dưới đây là một số đặc điểm của các PLC thuộc họ này:

+ Có 11 loại CPU thuộc họ này

+ Nguồn cung cấp là mô đun tách rời với CPU

+ Sử dụng phần mềm SYSMAC V1.2 hoặc SYSWIN V3.0 trở lên

+ Tính hiệu quả cao

+ Có thể soạn thảo chương trình ở 3 dạng là LAD, STL và FBD

+ Kết nối: có khả năng kết nối với tất cả các CPU của Mitsubishi, CC Link, Profibus, AS-i và các mạng khác

+ Sử dụng trong các lĩnh vực điều khiển có số lượng ngõ vào ra tới 256 I/O

Hình 1-13: PLC FX của Mitsubishi

* PLC cực nhỏ loại Alpha:

PLC này chuyên dùng để điều khiển

cho các ứng dụng nhỏ PLC này có một số

đặc tính như sau:

- Màn hình hiển thị tinh thể lỏng cho phép lập trình trực tiếp, hiển thị dữ

liệu, nhập số liệu cho PLC, truy xuất dữ liệu

bộ nhớ mà không cần cáp nối, đặc biệt có

thể hiển thị chuỗi 10 ký tự thông báo, thuận

tiện cho việc bảo trì ở những nơi khôngcó

máy tính

- Chức năng đồng hồ thời gian thực có khả năng lập trình cho các tác vụ

hàng ngày, hàng tuần hay hàng tháng với

- Có khả năng nối mạng với bo mạch truyền thông gắn thêm

* PLC loại FXO, FXOS:

Các loại PLC này được thiết kế đủ mạnh, nhỏ gọn thích hợp cho việc lắp trên các máy đơn giản hoạt động độc lập Chúng chủ yếu thay thế các mạch điều khiển truyền thống dùng rơle, timer, counter rời , , và thực hiện các tác vụ

điều khiển ít, không phức tạp

PLC loại này có đủ các điều khiển cơ bản thông qua các lệnh cơ bản, một số lệnh ứng dụng điều khiển trình tự, các tác vụ chuẩn như định thời và đếm Việc lập trình được hỗ trợ với các ngôn ngữ như Instruction, Ladder và Function Chart Tuy nhiên, PLC này có một số đặc điểm mà người sử dụng cần lưu ý như sau:

- Không có khả năng kết nối với mô đun mở rộng vào/ra

- Không có khả năng kết nối với mô đun chức năng chuyên dùng

- Không có khả năng kết nối với vào hệ thống mạng

Hình 1-14: PLC ALpha của Mitsubishi

- Bộ nhớ nhỏ và không tăng được dung lượng

* PLC loại FXON, FX, FX2C, FX2N:

Các loại PLC này có cấu trúc mô đun thuận lợi cho việc mở rộng khả năng

và chức năng điều khiển của hệ thống Đặc điểm này cho phép ta nâng cấp hay

mở rộng hệ thống điều khiển dễ dàng

Các mô đun chuyên dùng bao gồm:

- Mô đun xử lý tín hiệu analog

- Mô đun dùng với cặp nhiệt điện

- Mô đun điều khiển vị trí

- Bộ giao tiếp kết nối song song

- Bộ giao tiếp RS232-RS485

PLC loại này được hỗ trợ chức năng truyền thông, cho phép PLC tham gia vào một hệ thống mạng điều khiển phân tán

Trường hợp khoảng cách điều khiển xa thì việc thực hiện nối dây trực tiếp

đến từng cơ cấu tác động cũng như cảm biến là không kinh tế Cách giải quyết cho vấn đề này là đặt các mô đun vào/ra ở xa và dùng kỹ thuật truyền thông để nhận tín hiệu ở ngõ vào và cập nhật trạng thái cho ngõ ra thông qua cáp truyền thông Tín hiệu được chuyển từ dạng dữ liệu nối tiếp thành tín hiệu kích các ngõ

* Loại Pico Controllers: Có kích thước nhỏ, gọn và rất linh động Pico controller

có khả năng thực hiện những phép toán logic đơn giản, điều khiển timer, counter

và đồng hồ thời gian thực Để tăng khả năng và hiệu quả điều khiển, hãng AB đã cho ra đời thêm loại PLC Pico GFX, sử dụng màn hình hiển thị sinh động và đặc tính điều khiển chương trình giống như điều khiển PID Tốc độ đếm cao Pico

được ứng dụng nhiều ở những nơi không đòi hỏi điều khiển quá phức tạp, rẻ tiền như đèn giao thông, đèn khu bãi đậu xe …

Hình 1-14: PLC Pico của ALLENBRADLEY

ALLENBRADLEY của Siemens

e) Hãng TELEMECANIQUE

* PLC loại XPS MF 60:

- Là loại PLC an toàn, cung cấp

những line điều khiển tự động liên kết

với máy tính Có tính năng an toàn

cao cho người sử dụng và cho các

thiết bị Được thiết kế theo tiêu chuẩn

- Chịu được dòng tải cực đại là 30A

- Nguồn cung cấp 24 VDC

- Khối vào/ra có thể di chuyển được

* PLC loại XPS MF 1-2-3:

Nguồn cung cấp : 24 VDC

Dòng tải : 0,8A đến 14A

Hình 1-15: PLC của TELEMECANIQUE

Hình 1-16: PLC XPS MF 1 của TELEMECANIQUE

1.2.1.3 Cơ cấu chung của hệ thống PLC

Có 2 kiểu cơ cấu thông dụng đối với các hệ thống PLC: Kiểu hộp đơn (Compact) và kiểu Modun ghép

- Kiểu hộp đơn thường dùng cho các thiết bị lập trình cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn, bộ vi xử lý, bộ nhớ và các thiết bị nhập xuất Thông thường kiểu PLC loại này có thể có

40 điểm nhập xuất và bộ nhớ có thể lưu trữ khoảng 300-1000 lệnh hướng dẫn, (Hình 1-17)

Các PLC loại này thường có như LOGO của Siemens, Zen của OMRON

nó được sử dụng nhiều trong trong các hệ thống điều khiển nhỏ, có giá thành không cao ví dụ dùng thay thế sửa chữa cho các máy công cụ nhỏ và vừa có số lượng ngõ vào ra (I/O) không nhiều Một số loại PLC khác ví dụ PLC S7-300 cũng có loại Compact như CPU 312C, 314C-2DP

- PLC kết cấu kiểu mô đun gồm các mô đun riêng biệt (hình 1-22), có thể kết nối với nhau bộ nguồn (PS), bộ vi xử lý (CPU) các mô đun vào ra (I/O)…v.v chúng thường được lắp trên thanh đỡ (cài) kim loại gọi là Rack Các PLC loại này có kích thước lớn hơn, số lượng đầu ra và đầu vào có thể thay đổi thêm vào

dễ dàng nên nó thích hợp với các hệ thống điều khiển phức tạp Các PLC loại

Phía các ngõ vào

Phía các ngõ ra

Hình 1-17: PLC loại một khối (Compact)

này thường có như C200Hx của OMRON, S7-300, S7- 400 … của SIEMENS … nói chung các PLC ngày nay đều có xu hướng chế tạo theo kiểu này

Chương trình được đưa vào bộ nhớ của PLC (download) từ thiết bị lập trình thông qua cáp truyền thông Sau khi chương trình đã được tải vào bộ nhớ của PLC và khi PLC hoạt động (chế độ RUN) thì không cần phải nối tới thiết bị lập trình trừ khi có yêu cầu giám sát chuơng trình hoạt động

Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay (CONSOLE), máy vi tính với phần mềm chuyên dụng cho mỗi PLC Các CONSOLE có bàn phím nhỏ với màn hình hiển thị LCD, nó thuận tiện cho việc kiểm tra sửa chữa chương trình mà không cần đến máy tính Các máy tính cá nhân được lập cấu hình như các trạm làm việc phát triển chương trình Một máy tính cá nhân muốn làm việc với một PLC thì phải có phần mềm tương ứng Số khác chỉ cần thẻ mạch truyền thông chuyên dùng để giao tiếp với PLC ưu điểm khi sử dụng máy tính là các chương trình có thể lưu giữ và sao chép Chương trình chỉ được chuyển vào bộ nhớ của PLC khi đã viết được hoàn chỉnh trên thiết bị lập trình

1.2.1.4 Cấu trúc phần cứng PLC

Hình 1-19: Cấu trúc phần cứng PLC

Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ dữ liệu

Khối ngõ vào Khối ngõ ra

Bộ xử lý trung tâm Nguồn cấp điều khiển

Mạch giao tiếp và cảm biến Mạch công suất và cơ cấu tác động

a) Bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit)

CPU điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong PLC Việc trao đổi thông tin giữa PLC, bộ nhớ và khối vào /ra được thực hiện thông qua hệ thống Bus dưới sự điều khiển của CPU Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung nhịp tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 Mhz tuỳ thuộc vào bộ xử lý sử dụng Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử trong hệ thống

b) Bộ nhớ

Tất cả PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:

- ROM (Read Only Memory)

- RAM ( Random Acess Memory)

- EEPROM (Electronic Erasable Programmable Read Only Memory) Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ, nên hầu như các PLC đều dùng bộ nhớ EEPROM Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ RAM có nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM Ngoài ra, PLC cần bộ nhớ RAM cho các chức năng khác như: Bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra; Bộ nhớ tạm cho tác vụ định thì, tác vụ đế, truy xuất cờ

Dung lượng bộ nhớ: Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dụng lượng cố

định, thường là 2k Dung lượng này là đủ đáp ứng cho khoảng 80% điều khiển hoạt động trong công nghiệp Do giá thành bộ nhớ giảm liên tục, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ

c) Khối vào/ra

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5 vol DC và 15 vol DC (điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể lớn hơn nhiều, thường 24 vol DC đến 240 vol DC với dòng lớn

Khối vào/ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện chuyển đổi các mức điện tín hiệu và cách ly, tuy nhiên, khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống không cần các mạch công suất trung gian hay rơle trung gian

Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ra thích hợp với các yêu cầu điều khiển cụ thể:

- Ngõ vào: 24 vol DC , 110 vol AC, hay 220 vol AC

- Ngõ ra: Dạng rơle, transistor hay triac

Các mô đun vào/ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành và cảm biến vào PLC Tất cả các cổng vào/ra được thiết kế sao cho nhanh chóng lắp ráp và thay thế khi bị hỏng Tại các cổng vào/ra đều được đánh

số địa chỉ để dễ khi lập trình hay thực hiện chức năng giám sát (monitor) trạng thái của chúng Trạng thái của các cổng vào/ra được báo hiệu bằng đèn LED chỉ báo ngay trên PLC có tác dụng kiểm tra tính hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động kết nối với PLC được tiện lợi hơn

Thông số cho các ngõ vào/ra có thể lựa chọn thích hợp các yêu cầu điều khiển cụ thể:

* Các kiểu đầu ra:

- Loại ngõ ra dùng zơle

Đặc điểm:

+ Đóng cắt cho cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều

+ Chịu được tần số đóng cắt thấp

+ Tuổi thọ thấp, phụ thuộc vào dòng tải đi qua zơle và tần số đóng tiếp

điểm - Imax= 2A

Hình 1-20: Kiểu đầu ra dùng rơ le

- Loại ngõ ra dùng Transistor:

Đặc điểm: + Đóng cắt cho nguồn một chiều

* Các kiểu đầu vào:

- Kiểu đầu vào một chiều:

Hình 1-21: Kiểu đầu vào một chiều

- Kiểu đầu vào xoay chiều:

Hình 1-22: Kiểu đầu vào xoay chiều

d) Pa-len lập trình

Trên các PLC loại lớn thường lập trình bằng cách dùng VDU (Visual Display Unit) với đầy đủ các bàn phím và màn hình, được nối với PLC thông qua cổng nối tiếp, thường là RS 442 Các VDU hỗ trợ rất tốt cho việc lập trình dạng ngôn ngữ Ladder kể cả các chú thích trong môi trường soạn thảo chương trình làm cho chương trình dễ đọc hơn Hiện nay máy vi tính được xử dụng rất phổ biến để lập trình cho PLC, với CPU xử lý nhanh, màn hình đồ hoạ chất lượng cao, bộ nhớ lớn và giá thành ngày càng hạ, máy vi tính rất lý tưởng cho việc lập trình bằng ngôn ngữ Ladder, ngoài ra bộ lập trình cầm tay (Console) thường

được sử dụng thuận tiện trong công tác sửa chữa và bảo trì

C

R

CT

R1 R2

Diot phát quang

1.2.1.5 So sánh các hệ thống điều khiển khác với hệ thống điều khiển dùng PLC

a) Hệ thống điều khiển dùng rơ le

Rơ le là một công tắc điện có khả năng chịu được dòng cao, được tác động gián tiếp bởi dòng điện điều khiển có cường độ thấp, nó là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển hiện đại Nhiệm vụ chính của rơ le là tạo ra sự giao tiếp giữa các tín hiệu ở mức điện áp thấp (5 - 24vol) từ các bộ điều khiển

đến các thiết bị công suất hoặc cơ cấu tác động làm việc với điện áp cao và dòng cao

Tất cả các rơ le đều có cấu tạo về cơ để đóng/mở các tiếp điểm, chính cấu tạo này làm hạn chế tốc độ tác động, tuổi thọ và tin cậy, một số nhược điểm nữa

là cồng kềnh, chiếm nhiều không gian trong tủ điều khiển và không kinh tế trong trường hợp chỉ làm nhiệm vụ như một công tắc đơn giản Toàn bộ hệ thống nối cứng nên không thể thay đổi khi thay đổi yêu cầu công nghệ, khi đó cách duy nhất là lắp mới hệ thống khác Bằng cách nối kết các tiếp điểm ở ngõ vào và ngõ

ra của các rơle theo kiểu nối tiếp hoặc song song có thể tạo ra các logíc điều khiển, (logic OR, AND …), việc tổ hợp các phần tử logic khác nhau có thể dùng

để tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp

b) Hệ thống điều khiển dùng mạch điện tử

Transistor được dùng như công tắc đóng mở, với kích thước nhỏ và không

có cấu tạo cơ khí, ứng dụng điều khiển của transistor không bị hạn chế khi thực hiện chuyển trạng thái với hai trạng thái 0 và 1 tương ứng với trường hợp transistor dẫn bão hoà, hoặc ngưng dẫn Các mạch transistor được thiết kế để thực hiện nhiều loại tổ hợp logic và kích tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển Hệ thống cũng là hệ nối cứng, không thể thay thế, khó sửa chữa, số lượng các đầu vào ra điều khiển hệ thống có hạn,

Khoa học kỹ thuật phát triển các mạch điện tử được tích hợp trên cùng một chip silicon, việc thiết kế các mạch điều khiển thực hiện bằng cách lựa chọn các

vi mạch chức năng kết nối thích hợp với nhau

c) Hệ thống điều khiển dùng vi mạch số

Những IC số đầu tiên được sản xuất chỉ có một số ít các cổng logic trên mỗi

vi mạch Mỗi cổng bao gồm diode hoặc transistor, điện trở và tụ điện phân cực, các cổng logíc hoạt động với tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các mạch rơ le Hệ này tác dộng mạch tương đối nhanh, ít bị nhiễu Tuy nhiên, mạch nối cứng nên cũng là nhược điểm lớn như các hệ điều khiển trên Một khó khăn nữa là hệ thống rất khó thiết kế và không có khả năng mở rộng các đầu vào ra,

… Dẫu sao hệ diêu khiển số cũng là một thành tựu lớn trong lĩnh vực điều khiển

d) Hệ thống điều khiển dùng máy tính

Đến giữa thập niên 1970 chỉ có rất ít ứng dụng điều khiển bằng máy tính vào sản xuất Nhưng sau đó, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, các

máy tính càng nhỏ gọn và tốc độ xử lý ngày càng nhanh hơn, giá thành ngày càng hạ hơn, giúp cho công việc ứng dụng máy tính trong điều khiển có hiệu quả kinh tế và hấp dẫn các nhà thiết kế hệ thống điều khiển Mỗi máy vi tính có thể

điều khiển tốt cho từng thiết bị và thực hiện được khả năng giao tiếp truyền thông bao gồm truyền và nhận dữ liệu Vì vậy, máy vi tính có thể thực hiện các dạng điều khiển:

- Điều khiển trình tự thông qua tín hiệu ở ngõ vào đóng mở các tín hiệu ở ngõ ra Việc áp dụng máy vi tính vào điều khiển đối tượng vật lý đòi hỏi phải thực hiện qua mạch giao tiếp tín hiệu giữa máy vi tính điều khiển với phần thiết

bị công suất ở bên ngoài thông qua các bộ đệm

- Điều khiển tín hiệu liên tục, để điều khiển quá trình liên tục, xử lý với các tín hiệu tương tự phải trang bị cho máy vi tính bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự -

số ở ngõ vào và bộ chuyển đổi tín hiệu số - tương tự ở ngõ ra

e) Hệ thống điều khiển dùng PLC

Bộ điều khiển logic lập trình PLC (Programmable logic controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và thiết bị rời cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng, linh hoạt dựa vào các lập trình trên các lệnh logic cơ bản Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi này chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng Mặt khác sử dụng PLC trong điều khiển cho phép lắp đặt và đưa hệ thống vào hoạt động nhanh hơn so với hệ điều khiển truyền thống đòi hỏi việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Những đặc điểm nổi bật của điều khiển PLC: PLC có đầy đủ các ưu điểm của các hệ điều khiển trên ngoài ra nó còn có các đặc điểm nổi trội sau:

- Khả năng chống nhiễu tốt

- Cấu trúc dạng mô đun cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm mô đun mở rộng vào/ra) và thêm chức năng (nối thêm mô đun chuyên dùng)

- Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ngõ vào và ra được chuẩn hoá

- Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng: Ladder, instruction và Function chart –

dễ hiểu và dễ sử dụng cho mọi đối tượng lập trình

- Thay đổi chương trình dễ dàng

- Kết nối với ngoại vi dễ dàng

- Có nhiều loại khác nhau do vậy việc lựa chọn để phù hợp về mặt kinh tế và yêu cầu công nghệ dễ dàng

1.2.1.6 ứng dụng PLC trong điều khiển

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: công nghiệp hoá dầu, công nghiệp khai thác, công nghiệp sản xuất, công nghệ chế biến thực phẩn, công nghệ toà nhà

1.2.2 PLC SIMATIC S7-300

1.2.2.1 Cấu hình phần cứng của PLC S7-300

Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các mô đun Số các số mô đun

được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một mô đun chính là mô đun CPU Các mô đun còn lại là những mô đun nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các mô đun chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ … Chúng được gọi chung là mô đun mở rộng Tất cả các mô đun được gá trên những thanh ray (Rack) hình 1-23

Hình1-23: Hình ảnh PLC S7-300

PLC S7-300 cấu trúc dạng mô đun gồm các thành phần sau:

- Mô đun CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C, 315, 315-2 DP, 316-2 DP, 318-2

Đường bus liên kết các mô đun tiếp theo

- Mô đun tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương tự/số: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332,SM334, SM338, SM374

- Mô đun chức năng FM

- Mô đun truyền thông CP

- Mô đun nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các mô đun khác, dòng 2A, 5A, 10A

- Mô đun ghép nối IM: IM360, IM361, IM365

Các mô đun được gắn trên thanh ray như hình dưới, tối đa 8 mô đun SM/FM/CP ở bên phải CPU, tạo thành một rack, kết nối với nhau qua bus kết nối gắn ở mặt sau của mô đun Mỗi mô đun được gán một số slot tính từ trái sang phải, mô đun nguồn PS là slot 1, mô đun CPU slot 2, mô đun kế mang số 4 … (hình 1-24)

Hình 1-24: PLC S7-300 chỉ có 1 Rack

Nếu có nhiều mô đun thì bố trí thành nhiều rack (Hình 1-25) CPU ở rack 0, slot 2, kế đó là mô đun phát IM360, slot 3, có nhiệm vụ kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3, trên mỗi rack này có mô đun kết nối thu IM361, bên phải mỗi mô

đun IM là các mô đun SM/FM/CP Cáp nối hai mô đun IM dài tối đa 10m Các mô đun được đánh số theo slot và dùng làm cơ sở để đặt địa chỉ đầu cho các mô

đun ngõ vào ra tín hiệu

Hình 1-25: PLC S7-300 có 4 Rack kết nối dùng mô đun IM

a) Mô đun CPU

Hình 1-26: Loại điển hình của mô đun CPU của PLC S7-300

Mô đun CPU là loại mô đun có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485), … và có thể còn có các cổng vào ra Các cổng vào ra có trên mô đun CPU được gọi là cổng vào ra onboard Trong họ PLC S7- 300 có nhiều loại mô đun CPU khác nhau Nói chung chúng

được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như mô đun CPU312, mô đun CPU314, mô đun CPU315 …

Các mô đun CPU khác nhau theo hình dạng chức năng, vận tốc xử lý lệnh Loại 312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ Loại 312IFM, 313 không có pin nuôi Loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có cổng truyền thông DP

Các CPU 312IFM, 314 IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số mô đun mở rộng:

- CPU 312IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0, …, I124.7, I125.1, I125.2; 6 ngõ ra số Q124.0…Q124.5

- CPU 313C: 24 DI I124.0 126.7, 16DO Q124.0 125.7, 5 ngõ vào tương

tự AI địa chỉ 752 761, hai ngõ ra AO 752 755

- CPU 314IFM: 20 ngõ vào số I124.0, …, I126.3; 16 ngõ ra số Q124.0,

…, Q125.7; 4 ngõ vào tương đồng PIW128, PIW130, PIW132, PIW134; Một ngõ ra tương tự PQW128

ý nghĩa các đèn báo trên CPU:

SF (system faulty) (đỏ) lỗi phần cứng hay mềm

BATF (đỏ) lỗi pin nuôi

DC5V (lá cây) nguồn 5V bình thường

FRCE (vàng ) force request tích cực

RUN (lá cây) CPU mode RUN; LED chớp lúc start-up w 1 Hz; mode HALT w 0.5 Hz

STOP mode (vàng) CPU mode STOP LED chớp khi memory reset request

BUSF (đỏ) lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện PROFIBUS Những mô đun cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/

ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của

hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (viết tắt của Intergrated Function Module) Ví dụ mô đun CPU312 IFM, mô đun CPU314IFM, …

Ngoài ra còn có các loại mô đun CPU vối hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành Các loại mô đun CPU

được phân biệt với những mô đun CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ mô đun CPU315- 2DP Bảng sau cho một số thông số chính của các CPU

20KBRAM

up to 4MB FEPROM (memory card)

40KB

up to 4MB FEPROM (memory card)

48KB RAM 48KBEEPROM

Leọnh

0.3ms/1000 leọnh nhũ phaõn

0.3ms/1000 leọnh nhũ phaõn

Data

Memory

1KB Retentivity adjustable MB0 MB71 Preset MB0 MB15

2KB Retentivity adjustable MB0 MB71 Preset MB0 MB15

2KB Retentivity adjustable MB0 MB255 Preset MB0 MB15

2KB Retentivity adjustable MB0 MB143 Preset MB0 MB15 Counter

Adjustable Retentivity C0 C31

Adjustable Retentivity C0 C63

Adjustable Retentivity C0 C63

Adjustable Retentivity C0 C63

Preset C0 C7 Preset C0 C7 Preset C0 C7 Preset C0 C7

No retentivity

T0 T127 Adjustable Retentivity T0 T31 Preset: no

T0 T127 Adjustable Retentivity T0 T127 Preset: no

T0 T127 Adjustable Retentivity T0 T71 Preset: no Digital

496 + 20 integrated

Các mô đun mở rộng được chia thành 5 loại chính: PS, SM, IM, FM, CP

* PS (Power supply): Mô đun nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A và 10A

* SM (Signal module): Mô đun mở rộng cổng tín hiệu vào/ra

Mỗi mô đun này đều có chân cấp nguồn điện áp cấp thường bằng với điện

áp của các ngõ vào ra của các mô đun đó Dạng mô đun vào/ra thường có một số loại:

- DI (Digital input): Mô đun mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại mô đun

- DO (Digital output): Mô đun mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại mô đun

- DI/DO (Digital input/ Digital output): Mô đun mở rộng các cổng vào/ra

số Số các cổng vào/ ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ thuộc vào từng loại mô đun

- AI (Analog input): Mô đun mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bít (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bít Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại mô đun

- AO (Analog output): Mô đun mở rộng các cổng ra tương tự Chúng chính

là những bộ chuyển đổi số tương tự (DA) Số các cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại mô đun

- AI/AO (Analog input/Analog output): Mô đun mở rộng các cổng vào/ra tương tự Số các cổng ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tuỳ từng loại mô đun

Các Mô đun SM thường có: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374 Trong đó:

Mô đun Analog in:

- Mô đun analog in có nhiều ngõ vào, dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở ba dây, bốn dây, nhiệt độ Có nhiều tầm đo, độ phân giải, thời gian chuyển

đổi khác nhau Cài đặt thông số hoạt động cho mô đun bằng phần mềm S7-

Simatic -> 300 Station – Hardware hoặc chương trình người dùng sử dụng hàm SFC 55, 56, 57 phù hợp hoặc cài đặt nhờ mô đun tầm đo (measuring range mô

đun) gắn trên mô đun SM Kết quả chuyển đổi là số nhị phân phụ hai với bit MSB là bit dấu

- SM331 AI 2*12: Mô đun chuyển đổi hai kênh vi sai áp hoặc dòng hoặc một kênh điện trở 2/3/4 dây, dùng phương pháp tích phân, thời gian chuyển đổi

từ 5ms đến 100ms, độ phân giải 9, 12, 14 bit + dấu, các tầm đo như sau: 80 mV; 250 mV;  500 mV; 1000 mV;  2.5 V;  5 V;1 5 V;  10 V;  3.2 mA;  10 mA;  20 mA; 0 20 mA; 4 20 mA Điện trở 150 ; 300 ; 600 ;

Đo nhiệy độ dùng cặp nhiệt E, N, J, K, L, nhiệt kế điện trở Pt 100, Ni 100 Các thông số mặc định đã được cài sẵn trên mô đun, kết hợp với đặt vị trí của mô đun tầm đo (bốn vị trí A, B, C, D) nếu không cần thay đổi thì có thể sử dụng ngay

Hình 1-27: Mô đun SM331 AI 2*12

Bảng 1-2: ý nghĩa của các vị trí trên mô đun tương tự

- SM331, AI 8*12 bit, 8 kênh vi sai chia làm hai nhóm, độ phân giải 9 (12, 14 ) bit + dấu

- SM331, AI 8*16 bit , 8 kênh vi sai chia làm 2 nhóm, độ phân giải 15 bit +

dấu

Mô đun Analog Out: Cung cấp áp hay dòng phụ thuộc số nhị phân phụ hai

- SM332 AO 4*12 bit: 4 ngõ ra dòng hay áp độ phân giải 12 bit, thời gian

Xác định địa chỉ cho mô đun mở rộng:

- Một trạm PLC được hiểu là một mô đun CPU ghép nối cùng với các mô

đun mở rộng khác (mô đun DI, DO, AI, AO, CP, FM) trên những thanh Rack

(giá đỡ), trong đó việc truy nhập của CPU vào các mô đun mở rộng được thực

hiện thông qua địa chỉ của chúng Một CPU có khả năng quản lý được 4 thanh

Rack với tối đa 8 mô đun mở rộng trên mỗi thanh Tuỳ thuộc vào vị trí lắp đặt

của các mô đun mở rộng trên mỗi thanh Rack

- Mà các mô đun có địa chỉ khác nhau Tuy nhiên ngoại lệ với loại CPU

31xC có thêm các ngõ vào ra ngay trên mô đun CPU thì địa chỉ thường được

ngầm định trước bởi nhà chế tạo Việc xác định địa chỉ cho các ngõ vào ra là hết

sức cần thiết trong lập trình cũng như lắp đặt và vận hành Hình 1-28 và 1-29

trình bày quy tắc xác định địa chỉ cho các mô đun mở rộng tuỳ thuộc vào vị trí

lắp đặt của nó

Hình 2-28: Xác định địa chỉ cho các Mô đun tương tự

- Như vậy mỗi Slot chỉ chấp nhận tối đa 16 byte địa chỉ cho ngõ vào tương tự, tối

đa 8 ngõ vào hoặc ra tương tự Thông thường khi lập trình người ta hay sử dụng

địa chỉ ngầm định (System selection), tuy nhiên có thể thay đổi được trong khi thiết lập phần cứng (hardware configuration)

Hình 2-29: Xác định địa chỉ cho các Mô đun số

* IM (Interface module): Mô đun ghép nối

Đây là loại mô đun chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các mô đun

mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một mô đun CPU Thông thường các mô đun mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh

IM

Nhận

96.0 + 99.7

4.0 + 7.7

655

656 +

671

672 +

687

688 +

703

704 +

719

720 +

735

736 +

751

752 +

767

IM

Nhận

512 +

527

528 +

543

544 +

559

560 +

575

576 +

591

592 +

607

608 +

623

624 +

639

IM

Nhận

384 +

399

400 +

415

416 +

431

432 +

447

448 +

463

464 +

479

480 +

495

496 +

511

IM

Gửi

256 +

271

272 +

287

288 +

303

304 +

319

320 +

335

336 +

351

352 +

367

368 +

383

CPU +

đỡ gọi là rack Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 mô đun mở rộng (không kể mô đun CPU, mô đun nguồn nuôi) Một mô đun CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng mô đun IM

Mô đun IM360 gắn ở rack 0 kế CPU dùng để ghép nối với mô đun IM361 đặt ở các rack 1, 2, 3 giúp kết nối các mô đun mở rộng với CPU khi số mô đun lớn hơn

8 Cáp nối giữa hai rack là loại 368 Trong trường hợp chỉ có hai rack, ta dùng loại IM365

Hình 1-30: Mô hình kết nối đa tầng dùng mô đun IM

* FM Mô đun chức năng (Function module):

Mô đun có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun điều khiển động cơ servo, mô đun PID, mô đun điều khiển vòng kín, …

* CP Mô đun truyền thông (Communication module):

Mô đun phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

1.2.2.2 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

a) Kiểu dữ liệu

Một chương trình trong S7-300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau:

* BOOL: Với dung lượng 1 bít và có giá trị là 0 hoặc 1 (đúng hoặc sai) Đây là kiểu dữ liệu cho biến hai trị

* BYTE: Gồm 8 bít, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dương trong khoảng từ 0 đến 225 hoặc mã ASCH của một kí tự

Ví dụ : L B # 16 #14

Lệnh nạp số nguyên14 viết theo hệ cơ số 16 độ dài 1 byte vào ACCU1

* WORD: Gồm 2 bytes, để biểu diễn một số nguyên dương từ 0 đến 65535

Lệnh tạo khoảng thời gian là hai tiếng một phút và 5 mili giây

* TOD: Biểu diẽn giá ttrị thời giantính theo giờ/phút/giây

Ví dụ: L TOD#5: 45: 00

Lệnh khai báo giá trị hthời gian trong ngày là 6 giờ kém 15

* DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày

Ví dụ: L DATE# 1999- 12- 8

Lệnh khai báo ngày mùng 8 tháng 12 năm 1999

* CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều kí tự (nhiều nhất là 4 kí tự)

L `E´

b) Cấu trúc bộ nhớ của CPU

Bộ nhớ của S7- 300 được chia làm ba vùng chính:

* Vùng chứa chương trình ứng dụng (Load memory):

Vùng nhớ chương trình (do người sử dụng viết) bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thư viện của hệ thống được sử dụng ( SFC, SFB) và các khối dư liệu DB Vùng nhớ chương trình ứng dụng được chia làm 3 miền:

- OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức

- FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

- FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là BD – Data block)

Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPRROM (nếu có EEPROM) Khi thực hiện xoá bộ nhớ (MRES) toàn bộ khối chương trình dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xoá Cũng như vậy khi chương trình hay khối dữ liệu được đổ (Download), từ thiết bị lập trình (Máy tính) vào mô đun CPU chúng

sẽ được ghi lên RAM của vùng nhớ Load memory

* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng (system memory):

Được phân chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:

- I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số Trước khi bắt

đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào

và cất giữ chúng trong vùng nhớ 1 Thông thường chương trình ứng dụng không

đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ

bộ đệm I

- Q (Process image output): miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số Kết thúc giai

đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng

ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q

- M: Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ những tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit (M), byte ( MB), từ (MW) hay từ kép ( MD)

- T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV – Current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian

- C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm tức thời (CV – Current value) và giá trị logic đầu

Việc truy cập, sửa đổi dữ liệu các ô nhớ thuộc vùng nhớ này được phân chia hoặc bởi hệ điều hành của CPU hoặc do chương trình ứng dụng

Có thể thấy rằng các vùng nhớ đượ trình bày trên không có vùng nhớ nào

được dùng làm bộ đêm cho các cổng vào ra tương tụ Nói cách khác các cổng vào ra tương tự không có bộ đệm và như vậy mỗi lệnh truy nhập mô đun tương

tự (Đọc hay gửi giá trị) đều có tác động tới cổng vật lý của Mô đun

* Vùng chứa các khối dữ liệu (Work memory):

Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB,FC,FB,SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với

hệ đièu hành và với các khối chương trình khác (Local Block) Vùng nhớ này

được chia thành hai loại:

- DB (Data block):

Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD)

- L (Local data block) :

Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB, FC, FB tổ chức và

sử dụng cho các biến pháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB Miền này

có thể được truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD)

Tại một thời điểm nhất định vùng word memory chỉ chứa một khối chưong trình Sau khi chương trình đó được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Word memory và nạp vào đó khối chương trình kế tiếp đến lượt thực hiện