Giáo trình Điều khiển lập trình PLC: Phần 1 - CĐ Giao thông Vận tải

Giáo trình Điều khiển lập trình PLC: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về điều khiển lập trình; Cấu trúc và phương thức hoạt động của PLC; Các phép toán nhị phân của PLC; Các phép toán số của PLC. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Một vài năm gần đây, do yêu cầu tự động hóa công nghiệp trong xã hội ngày càng tăng, các trường đào tạo kỹ thuật đều có thêm ngành học mới với nhiều tên gọi khác nhau như: Điều khiển tự động, tự động hóa, điều khiển học, … nhằm mục đích đào tạo cho xã hội những kỹ sư, công nhân

kỹ thuật để phục vụ trong trong các cơ quan, xí nghiệp được trang bị những

hệ thống tự động điều khiển với qui mô lớn và hiện đại Do chương trình đào tạo của các trường hiện nay chưa được thống nhất và tài liệu về chuyên ngành này chưa được hệ thống hóa, điều này làm cho người dạy và người học trong lĩnh vực này gặp nhiều khó khăn khi cần tham khảo

“Giáo Trình Điều Khiển Lập Trình PLC” được biên soạn theo

chương trình khung, trình độ cao đẳng chính quy nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy và học các môn chuyên ngành kỹ thuật trong trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TPHCM Đồng thời, giáo trình cũng là tài liệu tham khảo của cán bộ, công nhân kỹ thuật nhằm củng cố thêm kiến thức chuyên ngành, tiếp cận nhanh với các thiết bị tự động hiện đại được sử dụng trong

Trang Chương 1: Tổng quan về điều khiển lập trình 1 1.1 Các loại điều khiển trong công nghiệp 1

1.3 Các ứng dụng của PLC trong thực tế 2 Chương 2: Cấu trúc và phương thức hoạt động của PLC 4

Chương 5: Xử lý tín hiệu Analog EM235 47

Chương 6: Thao tác trên phần mềm S7 – 200 64

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 1.1 Các loại điều khiển trong công nghiệp

1.1.1 Hệ thống điều khiển là gì ?

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử, nó dùng để vận hành một quá trình một cách chính xác và thông suốt

1.1.2 Hệ thồng điều khiển dùng rơle

Trước khi có PLC người ta điều khiển hệ thống bằng contactor, rơle điện

từ, bộ định thời, bộ đếm Hệ thống này được liên kết với nhau để trở thành một

hệ thống hoàn chỉnh Hệ thống dùng relays rất phức tạp : nhiều dây kết nối, thiết

bị cồng kềnh rất khó sửa chữa bảo trì khi hư hỏng, không thể thực hiện được những công việc mang tính phức tạp cao, hơn nữa khi có yêu cầu thay đổi về điều khiển thì bắt buộc phải thiết kế lại và nối dây lại từ đầu

1.1.3 Hệ thống điều khiển dùng vi xử lý :

Hệ thống điều khiển dùng vi xử lý ra đời đã khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống dùng rơle như sơ đồ nối dây và một số ưu điểm khác như khả năng nhớ và thực hiện được những chức năng phức tạp mà hệ thống điều khiển bằng rơle không thực hiện được Tuy nhiên, hệ thống điều kiển bằng vi xử lý vẫn tồn tại một số nhược điểm là : khó lập trình và vấn đề xử lý nhiễu

1.2 Ưu điểm của PLC

Người ta sử dụng PLC nhiều trong công nghiệp vì PLC có những ưu điểm :

- Độ ổn định, độ tin cây cao

- Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống

ống dẫn, cân đong trong ngành hóa …

- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại,… -Bột giấy, giấy, xử

lý giấy : điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt, …

- Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân

đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy, …

- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm

soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây, …), cân đong, đóng gói, hòa trộn, …

- Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm

tra chất lượng

- Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các

turbin, …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ, …)



CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

Câu 1: Trình bày những ưu điểm của PLC trong kỹ thuật điều khiển?

Câu 2: Hãy so sánh những ưu, khuyết điểm của các hệ thống đều khiển

rơle, hệ thống điều khiển vi xử lý và hệ thống điều khiển PLC?

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA PLC

2.1 Cấu trúc của một PLC

PLC của hãng Siemens hiện có các loại sau : S7-200, S7-300, S7 – 400 PLC S7–200 có các loại CPU sau : CPU 212, CPU 214, CPU 216, CPU 221, CPU 222, CPU224 …

2.1.1 Cấu trúc phần cứng

Hình 2.1: Cấu trúc phần cứng của PLC S7-200

Trong đó:

1: Chân cắm cổng ra

2: Chân cắm cổng vào 3: Các đèn trạng thái: SF, RUN, STOP

4: Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng vào

5: Cổng truyền thông 6: Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng ra

- Có thể thêm vào 7 Modul mỡ rộng kể cả Modul Analog

- Có 128 timer, 180 couter, 688 bits nhớ đặc biệt

- STOP : PLC dừng công việc thực hiện chương trình ngay lập tức

- TERM: Cho phép máy lập trình quyết định chế độ làm việc của PLC Dùng phần mềm điều chỉnh RUN, STOP

 Pin và nguồn nuôi bộ nhớ:

Nguồn nuôi dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trình mới Nguồn pin được sử dụng để tăng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu có trong bộ nhớ Nguốn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực nếu dung lượng

tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu trong bộ nhớ không

bị mất đi

2.1.2 Cấu trúc bộ nhớ:

Bộ nhớ của S7-200 được chia làm 3 vùng :

 Vùng nhớ chương trình: Dùng để lưu trữ các lệnh chương trình

 Vùng nhớ dữ liệu: lưu trữ dữ liệu chương trình, kết quả phép toán, hằng

số được định nghĩa trước, nó có thể truy nhập theo từng byte, bit hoặc từ

 Vùng dữ liệu: Lưu giữ dữ liệu chương trình : kết quả phép tình, hằng số được định nghĩa trong chương trình Là vùng nhớ động nó có thể truy nhập theo từng Bit, Byte, Word và Double Word

o Miền V (variable) : V0  V4095

o Vùng đệm cổng vào I: I0.x  I7.x (x có gía trị từ 0 7)

o Vùng đệm cổng ra Q: Q0.x  Q7.x (x có gía trị từ 0 7)

o Vùng nhớ nội M ( Internal Memory) : M0.x M31.x (x = 0 7 )

o Vùng nhớ đặc biệt: Specisal memory bits SM0.x –SM85.x (x =0 7)

o Vùng đệm cổng vào tương tự AIW0 – AIW30

o Vùng đệm cổng ra tương tự AQW0 – AQW62

o Thanh ghi : Ac 0, AC 1 ,AC 2, AC 3

o Bộ đếm tốc độ cao : hight counter HSC0  HSC4

 Vùng nhớ thông số: Lưu trữ các từ khoá, địa chỉ tạm thời

Ngoài ra CPU 224 cho phép mỡ rộng nhiều nhất 7 modul Các modul tương tự và số đều có trong S7-200 Có thể mở rộng cổng vào ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về phía bên phải của CPU thành một móc xích Địa chỉ của các modul được xác định bằng kiểu vào ra và vị trí của các modul trong móc xích

Modul 3

8 ra

Modul 4 3/1 analog

Hình 2.2: Khối Program Block

Trong một chương trình, luôn mặc định có một chương trình chính Main, chương trình con SBR_0, và chương trình ngắt INT_0 Ta có thể thêm hoặc xóa một hoặc nhiều chương trình con và chương trình ngắt, bằng cách Click chuột phải rồi chọn Insert Subroutine hay Interrupt Tuy nhiên, chương trình chính của một chương trình thì chỉ có một

2.2.2 Khối Data Block:

Khối chứa dữ liệu của một chương trình, ta có thể định dạng trước dữ liệu cho khối này và khi Download xuống PLC thì toàn bộ dữ liệu này sẽ được lưu trong bộ nhớ

2.2.3 Khối System Block:

Có 10 khối chính:

 Communication pots: Định dạng cho cổng giao tiếp bao gồm: Địa chỉ PLC (PLC Address) Địa chỉ mặc định cho PLC là 2, ta có thể thay đổi địa chỉ cho PLC khác 2, việc định địa chỉ cho PLC đóng vai trò quan trọng trong việc

kết nối máy Ngoài ra trong Port giao tiếp ta cũng cần chọn, tốc độ Baud cho việc truyền thông Tốc độ Baud mặc định là 9600

 Retentive Ranges: Trong S7_200 cho phép ta chọn 5 phân vùng có thể lưu trữ dữ liệu khi mất điện, nếu ta chon vùng dữ liệu nào trong Retentive thì giá trị của vùng đó sẽ vẫn không thay đổi khi mất điện, ngược lại giá trị đó sẽ bị reset về 0 khi mất điện

 Password: S7_200 có 3 mức (Level Password): để bảo đảm bảo mật về bản quyền thông thường người sử dụng nên chọn mức Password cao nhất Số ký

tự trong Pasword tối đa là 8 ký tự

Trường hợp PLC đã cài Password thì người không có password không thể upload chương trình từ PLC, nhưng ngược lại có thể Download chương trình

mới xuống PLC bằng cách gõ Clear PLC khi phần mềm hỏi Password khi

download Trường hợp khi ta gõ clear PLC thì toàn bộ dữ liệu cũ sẽ hoàn toàn mất

 Output table: Ngõ ra của PLC cho phép ta chọn trạng thái ON hay OFF khi PLC chuyển từ trạng thái Run sang trạng thái Stop, chế độ mặc định của phần mềm là tất cả trạng thái ngõ ra OFF khi chuyển trạng thái

 Input Filter: S7-200 cho phép ta chọn thời gian lọc của các tín hiệu ngõ vào, thời gian lọc là thời gian mà ngõ vào phải không đổi trạng thái, trong khoảng thời gian loc đó thì PLC mới cho phép nhận trạng thái đó

Thời gian lọc mặc định: 6.4ms: Ngõ vào phải giữ trạng thái ON trong khoảng thời gian >= 6.4ms thì PLC mới hiểu ngõ vào đó lên mức cao (mức 1)

 Pulse catch bits: PLC cho phép người sử dụng chọn ngõ vào có thể bắt những tín hiệu nhanh khi chu kỳ quét chưa kịp quét, tín hiệu đó sẽ giữ cho đến khi chu kỳ quét đó thực hiện

 Configure led: PLC cho phép định dạng trạng thái của Led System fault, hoặc Led diagnostics, trạng thái Led này cho phép ta định dạng màu cam, đó, … khi chương trình gặp sự cố

Hình 2.3: Khối System Block

24 VDC Nguồn cung cấp cho PLC

Nguồn cung cấp cho ngõ vào PLC

24 VDC

Hình 2.4: Sơ đồ kết nối PLC loại DC/DC/DC

2.3.2 Loại AC /DC / Rơle:

 Nguồn cung cấp : 85-264 VAC

 Đầu vào số : 24 VAC

 Đầu ra số : 5-30 VDC hoặc 5-250 VAC, Imax = 2A

1L 0.0 0.1 0.2 0.3  2L 0.4 0.5 0.6  3L 0.7 1.0 1.0 N L

1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2M 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 M L

Nguồn cung cấp cho ngõ vào PLC24 VDC

Nguồn cung cấp cho PLC 85/264 VAC

Nguồn tải 5-30 VDC hoặc 5-250 VAC, I max = 2A

- CPU tự kiểm tra và chẩn đoán lỗi

- Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ra các ngõ ra

Đọc ngõ vào

Gửi đến ngõ ra

Tự chẩn đoán

Xử lý các yêu cầu

Hình 2.6: Vòng quét (Scan) của PLC

AC/DC/RƠLE

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp, mỗi vòng lập được gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số, tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Số vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Thời gian thực hiện vòng quét phụ thuộc vào số câu lệnh trong một chương trình và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó Như vậy giữa việc đọc dữ liệu đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian thực hiện vòng quét càng ngắn thì thời gian thực hiện chương trình càng cao và ngược lại

2.4.3 Quy trình thiết kế hệ thống điều kiển dùng PLC :

Để chương trình gọn gàng, dễ quan sát và không nhầm lẫn địa chỉ trong quá trình thảo chương trình cần thực hiện các yêu cầu sau :

 Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống

 Xác định có bao nhiêu tín hiệu vào ra

 Lập bảng phân phối nhiệm vụ I / O (symbol table)

 Xây dựng giải thuật

Nếu chương trình được viết trong LAD thì thiết bị lập trình sẽ tạo một chương trình theo kiểu STL tương ứng Ngược lại không phải mọi chương trình viết trong STL đều chuyển sang LAD được

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP

Câu 1: Hãy trình bày chức năng của các khối trong PLC?

Câu 2: Hãy vẽ sơ đồ kết nối cổng vào ra của các loại PLC?

Câu 3: Hãy trình bày quy trình thiết kế một chương trình dùng PLC? Nêu mục

đích khi lập quy trình thiết kế?

CHƯƠNG 3: CÁC PHÉP TOÁN NHỊ PHÂN CỦA PLC

3.1 Các liên kết logic

3.1.1 Các liên kết Logic

a Hệ thống số :

PLC sử dụng hệ thống nhị phân được biểu diễn bằng hai con số 0 và 1 Số

0 còn được định nghĩa là mức logic thấp, công tắt hay nút nhấn đang hở, trạng thái không làm việc của động cơ, đèn… Số 1 được định nghĩa là mức logic cao, công tắt nút nhấn đang đóng, trạng thái làm việc của động cơ, đèn…

Số nhị phân có thể chuyển thành số thập phân bằng cách :

Giá trị =  mức logic * số mũ của cơ số 2

Ví dụ: số nhị phân 101 có giá trị là : 1.22

+ 0.21 + 1.20 = 5 (thập phân) Ngoài sử dụng số nhị phân, PLC còn sử dụng hệ thống số Hex hệ thập lục phân

Hệ thập lục phân sử dụng 16 con số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D,

E, F

Chuyển qua hệ thập phân :

Ví dụ : 2AB = 2.162 + A.161 + B.160 = 683

b Các khái niệm xử lý thông tin :

Bit : là giá trị ô nhớ có giá trị logic là 0 hoặc 1

word

Double word

1Kbyte = 210 byte

1M byte = 220 byte

3.1.2 Các phương pháp truy nhập:

a Truy nhập theo bit :

Tên miền + địa chỉ byte +.+ chỉ số bit

VD : V150.4 : chỉ bit 4 của byte 150 thuộc miền V

b Truy nhập theo byte :

Tên miền + B + địa chỉ byte

VD : VB5 : chỉ byte 5 thuộc miền V

c Truy nhập theo từ :

Tên miền + W + địa chỉ byte thấp của từ trong miền

VD : VW100 : chỉ từ đơn 2 byte 100 và 101 thuộc miền V Trong đó byte

100 có vai trò byte thấp

d Truy nhập theo từ ghép:

Tên miền + D + địa chỉ byte thấp của từ trong miền

VD : VD150 : chỉ từ ghép gốm 4 byte 150, 151, 152, 153 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte thấp

3.1.3 Lệnh Logic và đại số Boole :

Giản đồ thời gian :

Q0.0 I0.0 I0.1

I0.0 I0.1

Q0.0

Q0.0

NOT

b Lệnh vào tiếp điểm (input):

n Tiếp điểm thường hở sẽ được đóng

khi n có giá trị logic 1 n = I, Q, M, SM, T, C

n Tiếp điểm thường đóng sẽ được mở

khi n có giá trị logic 1 n = I, Q, M, SM, T, C

c Lệnh ra tiếp điểm (output):

Tiếp điểm sẽ đóng khi có dòng điện chạy qua n = Q, M

Q0.0

n

LAD MÔ TẢ TOÁN HẠNG

Hình 3.7: Giản đồ thời gian lệnh Set, Reset

e Các lệnh đặc biệt về tiếp điểm:

Tiếp điểm phát xung chu kỳ 1s

 Tiếp điểm phát hiện cạnh lên

Ký hiệu:

P

Khi đầu vào lên mức cao thì tiếp điểm cho ra một xung

 Tiếp điểm phát hiện cạnh xuống

Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu đầu ra so với đầu vào

Trong S7 –200 CPU 224 có 128 bộ timer chia làm thành hai loại khác nhau

 Timer tạo thời gian trễ không nhớ TON (On Delay Timer)

 Timer tạo thời gian trễ có nhớ TONR (Retentive On Delay Timer)

 Timer tạo thời gian trễ không nhớ TOF (Off Delay Timer)

T37  T63 T101  T225

T32 , T96

T33  T36 T97  T100

T37  T63 T101  T225

T0 , T64

T1  T4 T65  T68

T69  T95 T5  T31

c Hoạt động :

Cả hai loại timer TON và TONR tạo thời gian trễ khi tín hiệu đầu vào lên mức cao Nếu giá trị (thời gian ) tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước thì ngõ ra tương ứng của bộ định thời được kích hoạt

Txx

PT

IN TONR Txx

Tín hiệu đầu vào xuống mức thấp thì TON tự động Reset còn TONR thì không tự động Reset mà cần đến một tín hiệu tác động

Thông thường dùng lệnh Reset là phương pháp duy nhất để đưa bộ TONR

Hình 3.10: Giản đồ thời gian lệnh Timer On-Off delay

3.4 Counter

Counter là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn lên của xung trong S7 – 200 Chia làm 2 loại :

 Bộ đếm lên CTU (counter up), bộ đếm xuống CTD (counter down)

 Bộ đếm lên đếm xuống (counter up down)

CU

R

PV

Cxx CTD

CD

LD

PV