Giáo trình PLC cơ bản (Nghề: Điện công nghiệp-CĐ) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

Giáo trình PLC cơ bản được chia làm 6 bài học, trong đó Bài mở đầu có nội dung là 8 giờ. Cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất về thiết bị lập trình PLC S7-300. Trên cơ sở đó giúp người học có thể thiết kế được những hệ thống điều khiển cơ bản và đơn giản, ngoài ra giúp học tốt mô đun PLC Nâng cao.

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN: PLC CƠ BẢN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số: / QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm

2017 của Trường cao đẳng nghề Cơ giới Ninh Bình

Ninh Bình, năm 2018

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Mô đun PLC Cơ bản được biên soạn theo chương trình khung đào tạo hệ Cao Đẳng nghề Điện công nghiệp được Bộ Lao động- Thương binh- Xã hội thông qua năm 2017

Mô đun PLC Cơ bản là môn chuyên nghành quan trọng trong nghành Điện công nghiệp, không những thế nó còn được sử dụng cho các nghành khác như: Cơ khí chế tạo máy, Điện tử… Mô đun PLC cơ bản học sau các mô đun chuyên môn nghề, nên học cuối cùng trong khóa học, trước khi học mô đun PLC Nâng cao, Chuyên đề Điều khiển lập trình cỡ nhỏ

Toàn bộ nội dung mô đun gồm 120 giờ được chia làm 6 bài học, trong

đó Bài mở đầu có nội dung là 8 giờ Mô đun PLC Cơ bản nhằm cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất về thiết bị lập trình PLC S7-300 Trên

cơ sở đó giúp người học có thể thiết kế được những hệ thống điều khiển cơ bản và đơn giản, ngoài ra giúp học tốt mô đun PLC Nâng cao

Ninh Bình, ngày 5 tháng 6 năm 2018

Tham gia biên soạn

1 Bùi Thị Thủy

3 Bài toán điều khiển và giải quyết bài toán điều khiển

4 Bài 1: Đại cương về điều khiển lập trình 36

4 Nhóm lệnh chuyển đổi dữ liệu (Converter)

5 Nhóm lệnh toán học (Integer Function)

6 Đồng hồ thời gian thực

1 Tín hiệu Analog

2 Biểu diễn giá trị Analog

3 Kết nối ngõ vào-ra Analog

4 Các hàm xử lý tín hiệu tương tự FC105, FC106

5 Giới thiệu về module Analog PLC S7-300

8 Bài 5: Lắp đặt mô hình điều khiển bằng PLC 130

1 Mô hình xe chuyển nguyên liệu

2 Đo chiều dài và sắp xếp vật liệu

3 Thiết bị nâng hàng

4 Thiết bị vô nước chai

MÔ ĐUN: PLC CƠ BẢN

Mã mô đun: MĐ21

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

- Vị trí: Mô đun PLC cơ bản học sau các mô đun chuyên môn nghề, nên học cuối cùng trong khóa học, trước khi đi thực tập tốt nghiệp

- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề

- Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:

Mục tiêu của mô đun:

Tên các bài trong mô đun

Thời gian ( giờ) Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra*

1 Bài mở đầu: Giới thiệu chung về

PLC và bài toán điều khiển

2 Tổng quan về PLC của các hãng 5

3 Bài toán điều khiển và giải quyết

bài toán điều khiển

1 Mô hình xe chuyển nguyên liệu 0,5 7,5

2 Đo chiều dài và sắp xếp vật liệu 0,5 7,5

BÀI MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU PLC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN

MÃ BÀI: MĐ21-00

Mục Tiêu:

Kiến thức: Trình bày được khái niệm và đặc điểm của PLC

Kỹ năng: Phân tích được các dạng bài toán điều khiển và giải bài toán điều khiển

Thái độ: Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo

Nội dung chính:

1 Giới thiệu chung về PLC

Mục tiêu: Mô tả được cấu trúc PLC, ưu điểm của PLC so với điều khiển

thông thường khác

1.1 Sự ra đời của bộ điều khiển lập trình PLC

Vào những năm của thập niên 20 cho đến 50, khoa học kỹ thuật của một

số nước trên thế đã bước qua một giai đoạn phát triển, một số nhà sản xuất tìm và nghiên cứu đưa ra những giải pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất như tự động hóa các công đoạn trong sản xuất, giảm bớt các lỗi được sinh ra ở những công đoạn phức tạp, hay là đơn giản hóa các thành phần điều khiển tạo ra những thuận lợi trong lắp đặt, bảo trì và thay thế, giảm thiểu tối

đa không gian lắp đặt Năm 1968 thiết bị đầu tiên có khả năng đáp ứng được các nhiệm vụ của các nhà sản xuất đó là: thiết bị điều khiển lập trình (Programmable Controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời (công ty General Motor - Mỹ) Tuy nhiên, thiết bị 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 thiết bị làm cho thiết bị 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 hổ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, thiết bị điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra được một sự phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các thiết bị điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm 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: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The Diagram Format)

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 công nghệ thông tin và mạch tích hợp điện tử vào những năm cuối thập niên 80 đã dần dần tạo ra hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn thiện về tốc độ, tin cậy, linh động, giao tiếp… cho đến nay thiết bị PLC phát triển mạnh với các chức năng mở rộng: Hệ thống đầu vào/ra có thể tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn

128000 từ bộ nhớ (word of memory) có thể gắn thêm nhiều Module bộ nhớ

để có thể tăng thêm kích thước chương trình Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo

ra kỹ thật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ thành một hệ thống PLC chung, kết nối với các hệ thống máy tính, tăng khả năng điều khiển của từng

hệ thống riêng lẽ 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 Một số thuật toán cơ bản dùng cho điều khiển cũng được tích hợp vào phần cứng như điều khiển PID (cho điều khiển nhiệt

độ, cho điều khiển tốc độ động cơ, cho điều khiển vị trí), điều khiển mờ, lọc nhiễu ở tín hiệu đầu vào vv

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Integrated 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 PLC) cho tương lai

Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi vv Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như :các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ nhớ Cartridge thêm vào

1.2 Cấu trúc chung của PLC

Thiết bị điều khiển logic khả t

rình (Programmable Logic Controller) là loại thiết bị thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay vì phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, 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 PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu 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 (scan)

Hình 0.1 Cấu trúc bên trong của một PLC

Để 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 tất nhiên phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó nhằm phục bài toán điều khiển số, PLC còn phải có thêm một số khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) … và những khối hàm chuyên dùng

Hình 0.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC

Ưu điểm của điều khiển lập trình được so với điều khiển nối dây:

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi thay đổi yêu cầu điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

- Nhiều chức năng điều khiển

- Tốc độ cao

- Công suất tiêu thụ nhỏ

- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng

- Giá thành không cao

- Phù hợp với môi trường công nghiệp

- Độ tin cậy cao

- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới

Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động Đồng thời cho phép nâng cao tính thị trường của sản phẩm

Các ứng dụng của PLC trong sản xuất và trong dân dụng:

+ Điều khiển các Robot trong công nghiệp

+ Hệ thống xử lý nước sạch

+ Công nghệ thực phẩm

+ Công nghệ chế biến dầu mỏ

+ Công nghệ sản xuất vi mạch

+Điều khiển các máy công cụ

+ Điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất

+ Điều khiển hệ thống đèn giao thông

2 Tổng quan về PLC của các hãng

2.1 PLC của hãng Omron

2.1.1 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 không bị mất khi PLC bị mất điện thì người dùng

có thể sử dụng một Card nhớ Flash Memory

Khả năng mở rộng:

Các modul CPU có thể mở rộng thêm 3 modul

mở rộng, mỗi module mở rộng có từ 30-40 I/O

Chức năng lọc tín hiệu ngõ vào:

Các ngõ vào có khả năng đáp ứng nhanh, nhận

biết trạng thái tín hiệu ngõ vào trong vòng 0,2 ms và có khả năng chống nhiễu

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

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

Dưới đây là toàn bộ các Module họ CPM1A

2.1.2 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 tryền thông cho các Modul ASCII và Basic Modul )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 module tách rời với CPU

Cấu hình của 1 PLC họ C200H Backplane và các modul mở rộng

2.1.3 PLC loại Micro

Gồm có các loại PLC: CPM1A, CPM2A, CPM2C

Hình 0.3 PLC loại Micro của OMRON

Các PLC này có kích thước dạng Modul nhỏ gọn, có tích hợp sẵn các bộ đếm tốc độ cao, ngõ ra xung, đặt chỉnh được ngõ vào analog, thích hợp trong việc lắp đặt trong các máy công cụ

Ngoài ra PLC loại này còn có một số đặc điểm sau:

- Số lượng ngõ vào ra tối đa từ 100 đến 140 ngõ tùy loại CPU

- Có khả năng mở rộng các ngõ vào ra với các modul mở rộng

- Bộ nhớ chương trình từ 2 4kWord tùy loại

- Có khả năng kết nối mạng

PLC CPM2A

- Có giao diện RS232; mở rộng tối đâ 120 I/O

- Xử lý tốc độ cao với quét và ngắt tốc độ cao

- Bộ đếm đầu vào tốc độ cao 20kHz

- Điều khiển xung đồng bộ cho điều chỉnh thời

- Có chức năng đồng hồ thời gian thực

- Có thể sử dụng điều khiển analog phân tán

Thông tin CPU

Diễn giải

Số đầu vào

Số đầu

ra

Nguồn điện

Số model Các đầu ra rơle Các đầu ra

TZT Các CPU

- Cấu hình hệ thống:

- Tới 3 modul mở rộng có thể kết nối với CPU bằng cáp nối I/O (chỉ có 1 modul mở rộng hoặc 1 modul I/O mở rộng có thể được kết nối nếu 1 bộ tiếp hợp NT-AL001 được nối với cổng RS232C bởi vì nguồn điện 5VDC của CPU

bị hạn chế)

2.1.4 PLC ZEN

Bộ lập trình đơn giản với 44 đầu vào ra

ZEN là bộ điều khiển lập trình dễ sử dụng và đơn giản cho các ứng dụng

tự động hóa nhỏ: điều khiển đèn chiếu sáng , điều hòa, bơm cấp thoát nước, của tự động, thang cuốn, quạt thông gió, máy

công cụ…

- Màn hình LCD với 8 phím chức năng

ở mặt trước cho phép lập trình dạng bậc

thang

- Tình năng HOLDING TIMERS và

HOLDING BITS (bit lưu) giúp hoạt động ổn

định sau khi mất điện

- Tính năng MEMORY CASSETTES (card nhớ) tiện cho người sử dụng

- Mô phỏng không cần kết nối trực tiếp (ở chế độ offline)

- 16 bit timers, 8 holding timers, 16 counters, 16 timer tuần, 16 timer tháng, 16 timer bit hiển thị

2.1.5 PLC loại Mini: CQM1/CQM1H

PLC này được ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt Nó được thiết để dễ dàng mở rộng hệ thống và tự động thích hợp với yêu cầu điều khiển của người dùng Có các modul truyền thông tốc độ cao và các modul I/O đặc biệt

- Ngoài ra còn có các chức năng điều khiển đặc biệt khác như: vào

ra analog, điều khiển nhiệt độ, giao tiếp sensor tuyến tính, điều khiển tốc độ cao ….ồ

- Có khả năng truyền thông: Ethernet, Controller Link, SYSMAC Link, CompoBus/D (DeviceNet), CompoBus/S, Profibus-DP, Modbus, Host Link,

NT Link, Protocol Macro

- Các chức năng điều khiển đặc biệt khác: Analog I/O, Temperature Sensor, Temperature Controller, Fuzzy Logic, Hight-Speed Counter, Cam Positioner, Basic Processor, PID Control, Motion/Position control, I/D Sensor, Voice, Analog Timer, B7A Interface, Interrupt Input

2.2 PLC của hãng Mitsubishi

Trong phần này chỉ đề cập tới các CPU họ FX1S, FX 1N, FX2N, FX2NC, cụ thể là các CPU họ FX 2NC Các CPU loại này sử dụng phần mềm FX-WIN

và GPP-WIN, chúng có một số đặc điểm sau:

+ 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,

Hình 7.2 PLC cực nhỏ loại Alpha 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 không có 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 hiển thị năm (4 số)

- Bộ nhớ loại EEPROM có khả năng mở rộng

- Các ngõ vào có thể nhận tín hiệu dạng số hoặc tín hiệu liên tục (analog) tuỳ việc lập trình

- Các ngõ ra rơle hoặc transistor có thể tùy chọn; ngõ ra rơle chịu dòng đến 10A

- Có tính năng bảo mật tránh trường hợp chương trình bị thay đổi bởi người

lạ

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

2.2.2 PLC loại FXO, FXOS

Các loại PLC này được thiết kế đủ mạnh, thật nhỏ gọn thích hợp cho việc lắp trên các máy đơn giản hoạt động độc lập (hình 1.2) 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

Hình 0.4 PLC loại FXO, FXOS

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 modul mở rộng vào/ra

- Không có khả năng kết nối với modul chức năng chuyên dùng

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

- Bộ nhớ nhỏ 2 không và không tăng được dung lượng

2.2.3 PLC loại FXON, FX, FX2C, FX2N

Các loại PLC này có cấu trúc modul 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 modul chuyên dùng bao gồm:

- Modul xử lý tín hiệu analog

- Modul dùng với cặp nhiệt điện

- Modul 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

Hình: 0.5 PLC loại FXON, FX, FX2C, FX2N 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 modul 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 ra riêng lẻ

2.3 PLC của hãng Siemens (trung bình và lớn)

Tùy theo loại CPU có thể đặt địa chỉ tự do

Bộ nhớ chương trình khi có gắn thêm card nhớ có thể lên đến 16 MB

Có thể nối mạng: MPI, PROFIBUS, Ethernet công nghiệp

Có khả năng địa chỉ tự do

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

2.4 PLC của hãng Allenbradley

2.4.1 PLC – 5 System Controller

Là loại PLC dùng để điều khiển hệ thống lớn với khoảng từ 5 đến 125 ngõ vào/ra

Bộ nhớ sử dụng 6K đến 100K words Tất

cả loại PLC – 5 đều có khả năng điều khiển ngõ/ra định vị từ xa

2.4.2 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, cuonter 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 hiện 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…

2.5 PLC của hãng Telemecanique

2.5.1 PLC loại XPS MF 60:

Là loại PLC an toàn, cung cấp những line điều khiển tự động liênkết với máy tính Có tính năng an toàn cao cho người sử dụng và cho các thiết bị Được thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 64508 và EN 954 – 11

Tín hiệu vào có thể là số/tương

tự Tín hiệu ra có thể là số/ tương tự hoặc rơle

Giao tiếp với mạng Ethernet, truy cập theo đường 4 RJ45

Sử dụng phần mềm chương trình SSV1XPS MF Win

Bộ nhớ sử dụng 500 Kb Chịu được dòng tải cực đại là 30A

Nguồn cung cấp 24 VDC

Khối vào/ra có thể di chuyển được

2.5.2 PLC loại XPS MF 1-2-3

Nguồn cung cấp : 24 VDC Dòng tải : 0,8A đến 14A

2.5.3 PLC loại XPS MF 31-30-35

20 ngõ vào số – 8 ngõ ra số Nguồn cung cấp 24 VDC

Bộ nhớ 250Kb

Dòng tải cực đại: 8A

3 Bài toán điều khiển và giải quyết bài toán điều khiển

3.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là một nhóm các phần tử (hay các hệ thống phụ trợ)

được liên kết lại với nhau nhằm duy trì một kết quả mong muốn bằng cách tác động vào giá trị của một biến nào đó trong hê thống

Ví dụ: Lò sưởi sản sinh ra nhiệt lượng do quá trình đốt cháy nhiên liệu Đối tượng điều khiển: Nhiệt độ lượng nhiên liệu Van nhiên liệu

Các phần tử bao gồm: Cơ cấu tác động cho các van nhiên liệu, cảm biến nhiệt

độ (thermostats)

Hệ thống điều khiển đơn giản hình thành khi có một giá trị ngõ ra (đáp ứng – response) ứng với một ngõ vào

Trong ứng dụng các công nghệ khoa học vào sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng năng suất lao động được giải quyết bằng con đường tăng mức

độ tự động hoá các quá trình và thiết bị sản xuất nhằm mục đích tăng sản lượng, cải thiện chất lượng và độ chính xác của sản phẩm

Tự động hoá trong sản xuất nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ các thao tác vật lý của công nhân vận hành máy thông qua hệ thống điều khiển Những hệ thống điều khiển này có thể điều khiển quá trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần sự tác động nhiều của người vận hành Điều này đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có khả năng khởi động, kiểm sốt, xử lý

và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã được xác định nhằm đạt được kết quả mong muốn ở sản phẩm đầu ra của máy hay thiết bị Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống điều khiển

Trong kỹ thuật tự động điều khiển, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

- Điều khiển nối cứng

- Điều khiển logic khả trình (PLC) Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần:

- Khối vào

- Khối xử lý – điều khiển

- Khối ra

+Khối vào:

Để chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là các nút nhấn, cảm biến, điện trở đo sức căng.v.v… và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có dạng ON/OFF (Binary) hoặc dạng liên tục (Analog)

Bộ chuyển đổi Đại lượng đo Đại lượng ra Công tắc Sự dịch chuyển/ vị trí Điện áp nhị phân(on/off)

ết quả

Tế bào quang điện

Thiết bị ở ngõ ra Đại lượng ra Đại lượng tác động

Xy-lanh – Piston Chuyển động thẳng/áp lực Dầu ép/khí ép

Solenoid Chuyển động thẳng/áp lực Điện

Lò xấy/ lò cấp nhiệt Nhiệt Điện

Van Tiết diện cưả van thay đ ổi Điện/dầu ép/khí ép

R ơ-le Tiếp điểm điện/chuyển động

vật lý có giới hạn

Điện

3.2 Ưu điểm của điều khiển lập trình so với điều khiển khác

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay không thể nào sánh được :

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ nên dễ dàng di chuyển, lắp đặt

- Dễ bảo quản, sửa chữa

- Bộ nhớ có dung lượng lớn , nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp

- Độ chính xác cao

- khả năng xử lý nhanh

- Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác, máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển khác

Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệ thống điều khiển bằng Relay, Contactor thông thường Ta hãy thử

so sánh ưu khuyết điểm của hai hệ thống trên:

3.2.1 Hệ thống điều khiển thông thường:

- Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn và relay trên bảng điều khiển

- Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt

- Tốc độ hoạt động chậm

- Công suất tiêu thụ lớn

- Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian

-Khó bảo quản và sửa đổi

3.2.2 Hệ thống điều khiển bằng PLC:

- Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn

- Công suất tiêu thụ ít hơn

- Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính

-Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

-Bảo trì và bảo quản dễ dàng hơn

- Độ bền và độ tin cậy vận hành cao

- Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

- Có thiết bị chống nhiễu

- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

- Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó

- Các module rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

Do những lý do trên PLC thể hiện rõ ưu điểm của nó so với thiết bị điều khiển thông thường khác PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tùy theo yêu cầu của công nghệ Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC Ta

có thể so sánh PLC với các hệ thống khác qua bảng tóm tắt sau:

Mất thời gian thiết kế

Mất nhiều thời gian lập trình

Lập trình

và lắp đặt đơn giản

trì

Kém- có quá nhiều công tắc

Kém- nếu IC được hàn

Kém- có rất nhiều mạch điện tử chuyên dùng

Tốt-các mô-đun được tiêu chuẩn hoá Theo bảng so sánh, PLC có những đặc điểm về phần cứng và phần

mềm làm cho nó trở thành bộ điều khiển công nghiệp được sử dụng rộng rãi

Các ứng dụng của PLC trong thực tế

Do những đặc điểm nổi bật của PLC trong điều khiển, nên ngày nay nó

được sử dụng rất rộng rãi trong các giải pháp tự động hoá trong công nghiệp ở

rất nhiều lãnh vực:

- Điều khiển thang máy, thiết bị nâng, hạ hàng

- Điều khiển các quy trình sản xuất: đóng gói bao bì, xi măng,

bia…v.v

- Tự động hoá các hệ thống dịch vụ: trạm xăng, trạm rửa xe ôtô, máy

bơm nước, máy bán nước tự động…v.v

- Tự động hoá các máy công cụ: lò sấy, xi mạ…v.v

Tuy nhiên không phải bất cứ hệ thống điều khiển nào cũng sử dụng PLC

mà tùy vào yêu cầu cụ thể và so sánh về yếu tố kinh tế mà ta chọn phương án

điều khiển thích hợp 3.3 Giải quyết bài toán điều khiển

- Phân tích yêu cầu điều khiển

- Chọn phương án điều khiển

- Lắp ráp mạch điều khiển

- xây dựng lưu đồ thuật toán

- Viết chương trình điều khiển

- Chạy thử và đưa vào ứng dụng

BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

MÃ BÀI: MĐ21-01 Mục tiêu:

- Trình bày được các ưu điểm của điều khiển lập trình so với các loại điều khiển khác và các ứng dụng của chúng trong thực tế

- Trình bày được cấu trúc và nhiệm vụ các khối chức năng của PLC

- Thực hiện được sự kết nối giữa PLC và các thiết bị ngoại vi

- Lắp đặt được các thiết bị bảo vệ cho PLC theo yêu cầu kỹ thuật

- Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận trong công việc

Nội dung chính:

1 Giới thiệu PLC S7-300

PLC S7 – 300 là PLC loại trung bình, thích hợp cho những ứng dụng vừa phải

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Programmable Logic

Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số

Ưu điểm: + Nhỏ gọn

+ Dễ thay đổi thuật toán + Dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính)

Các bộ phận chính của PLC:

- Bộ vi xử lí trung tâm (CPU)

sử dụng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng

có module chính (module CPU, module nguồn) Các module còn lại là những module truyền nhận tín hiệu với các đối tượng điều khiển, chúng được gọi là các module mở rộng Tất cả các module đều được gá trên một thanh Rack

Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau:

Hình 1.3: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300

Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời,

bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có các cổng vào/ra số Các cổng vào/ra tích hợp trên CPU gọi là cổng vào ra onboard

PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ

vi xử lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…

Những Module cùng có chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard, khác nhau về các khối hàm đặc biệt có sẵn trong thư viện của

hệ điều hành được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm từ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ Module CPU314 IFM

Ngoài ra còn có các loại Module CPU với hai cổng truyền thông, trong

đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP (Distributted Port) trong tên gọi Ví dụ Module CPU 314C-2DP…

Hình vẽ sau minh họa một số CPU của PLC S7-300:

CPU 312 IFM CPU 314C-2PIP CPU 314 CPU 314C-2DP

Hình 1.1: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300

Hình 1.2 Cổng giao tiếp của các PLC Module mở rộng: chia làm 5 loại

o PS ( Power Supply): Module nguồn nuôi Có 3 loại 2A, 5A và 10A

o SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

o DI (Digital Input): Module 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 Module

SM321; DI 32 x DC 24V

(6ES7321-1BL00-0AA0)

o DO (Digital Output): Module 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 Module

SM 322; DO 32 x 24 VDC/ 0.5 A;

(6ES7322-1BL00-0AA0)

o DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số Số các cổng vào/ra số có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc từng loại Module

VD: SM 323; DI 16/DO 16 x DC 24 V/0.5 A;

(6ES7323-1BL00-0AA0)

o AI (Anolog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất chúng là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module Tín hiệu vào có thể là áp, dòng, điện trở

Ví dụ: Module SM 331; AI 2 x 12 bit; (6ES7331-7KB02-0AB0)

Độ phân giải 12 bit

o AO (Anolog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Chúng

là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits (DA) Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module Tín hiệu ra có thể là áp hoặc dòng

VD: SM 332 AO 4 x 12 Bit; (6ES7332-5HD01-0AB0)

o AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra tương

tự Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy từng loại Module

o IM (Interface Module): Module ghép nối Đây là loại module dùng

để kết nối từng nhóm các module mở rộng thành một khối và được quản lý bởi một module CPU Thông thuờng các module mở rộng được gá liền nhau trên một thanh rack Mỗi thanh rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module

mở rộng (không kể module CPU và module nguồn) Một module CPU có thể làm việc nhiều nhất với 4 thanh rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM

Hình 1.4 Thanh rack