thiết kế và thi công hệ thống phối trộn chất lỏng dùng PLC S 7- 200

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

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHA TRỘN

CHẤT LỎNG I/ Yêu cầu đề tài :

Thiết kế và thi công mô hình hệ thống phối trộn chất lỏng

Các nhiệm vụ :

- Nghiên cứu công nghệ của hệ thống

- Nghiên cứu PLC , cảm biến và các phần tử chấp hành

- Thiết kế và thi công mô hình

- Viết chương trình trên PLC và máy tính

II/ Ý tưởng :

Dùng cảm biến áp suất đo mực chất lỏng ( cảm biến xuất ra dòng ) lấy tín hiệu cảm biến đưa vào module analog và lập trình điều khiển bằng PLC S7-200 theo đúng tỷ lệ phối trộn

Mô hình hệ thống phối trộn

CHƯƠNG II:

GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ DÙNG

TRONG MÔ HÌNH I/ Giới thiệu về CPU 214 của Siemens S7-200:

Bộ điều khiển S7-200 CPU 214

Sơ đồ đấu nối phần cứng Đầu vào:

- Kiểu đầu vào IEC 1131-2

- Tầm ở trạng thái ON:15-30 VDC,dòng nhỏ nhất 4 mA;35VDC ở thời gian tức thời 500ms

- Trạng thái ON bình thường: 24 VDC, 7mA

- Trạng thái OFF lớn nhất: 5 VDC, 1mA

- Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5: có thể chỉnh từ 0,2 đến 8,7

- Dòng tải tối đa: 2A/ điểm; 8A/common

- Quá dòng: 7A với contact đóng

- Điện trở cách li: nhỏ nhất 100 M

- Thời gian chuyển mạch: tối đa 10 ms

- Thời gian sử dụng: 10000000 với công tắc cơ khí; 100000 với tốc độ tải

- Điện trở công tắc: tối đa 200 m

- Sự cách li:

+ Cuộn dây đến công tắc: 1500 VAC 1 min

+ Công tắc đến công tắc: 750 VAC 1 min (giữa hai công tắ hở)

- Chế độ bảo vệ ngắn mạch: không có

Nguồn cung cấp:

- Tầm áp/tần số: 85 đến 264 VAC ở tần số 47 đến 63 Hz

- Dòng vào: 45 VA, CPU chịu được dòng lớn nhất là 50mA

- Thời gian quét (tốc độ refesh): nhỏ nhất là 20ms ở áp 110 VAC

- Dòng đột biến: trị đỉnh 20 A ở 264 VAC

- Cầu chì: 2 A-250 V

- Tải dòng 5 VDC: 340 mA cho CPU; 660 mA cho các I/O mở rộng

- Cách li: có sử dụng máy biến áp 1500 VAC 1 min

Cung cấp nguồn DC cho cảm biến

- Tầm áp: 20,4 đến 28,8 VDC

- Độ gợn sóng/ nhiễu (<10 Mhz) tối đa 1 V trị đỉnh-đỉnh

- Dòng cho phép ở 24 VDC là 280 mA

- Giới hạn dòng ngắn mạch: < 600 mA

- Cách li: không có

CPU 214 có các đặc tính như sau:

- 2048 từ nhớ chương trình ( chứa trong ROM điện )

- 2048 từ nhớ dữ liệu ( trong đó 256 từ chứa trong ROM điện )

- 14 ngõ vào và 10 ngõ ra digital kèm theo trong khối trung tâm

- Hỗ trợ tối da 7 modul mở rộng kể cả modul analog

- Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào/ra digital

- 128 Timer chia ra làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 timer 1mS, 16 Timer 10mS và 108 Timer có độ phân giải 100mS

- 128 bộ đếm chia làm 2 loại: 96 đếm lên và 32 đếm lên xuống

- 256 ô nhớ nội bộ

- 688 ô nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Có phép tính số học

- Ba bộ đếm tốc độ cao với nhiệp 2 KHz và 7KHz

- Hai bộ điều chỉnh analog

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm : ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

-Toàn bộ vùng nhớ không bi mất dữ liệu trong khoảng thời gian190 giờ khi PLC

bị mất nguồn nuôi

Mô tả các đèn báo trên CPU 214:

SF Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng Đèn SF sáng lên khi PLC ( Đèn đỏ ) có hỏng hóc

RUN Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực ( Đèn xanh ) hiện chương trình nạp vào máy

STOP Đèn vành STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng Dừng

( Đèn vàng ) chương trình đang thực hiện lại

I x.x Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng ( x.x ( Đèn xanh ) =0.0 –1.5 ) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá tri

của cổng

Q y.y Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng (

y.y = 0.0 – 1.1 ) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

Chọn chế độ làm việc cho PLC

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm ở phía trên, có ba vị trí cho phép chọn chế

độ làm việc khác nhau của PLC :

- RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

- STOP cưỡng bức PLC dừng chế độ đang chạy và chuyển sang chế độ STOP

Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp, xóa một chương trình

- TERM cho phép máy lặp trình tự quyết định một trong hai chế độ làm việc cho PLC hoặc RUN hoặc STOP qua tín hiệu gõ từ bàn phím

Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục

vụ cho việc ghép nối với các thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 baud đến 38.400 baud

Truyền thông giữa CPU và PC qua cổng PPI

II/ Giới thiệu về module analog EM235 của Siemens

Sơ đồ đấu nối phần cứng

Đặc tính chung:

- Kích thước vật lí: 90x80x62 mm

- Khối lượng 0.2 Kg

- Công suất tiêu tán: 2W

- Gồm ba ngõ vào analog và một ngõ ra analog

Đầu vào:

-Trở kháng vào >= 10M

- Bộ lọc đầu vào –3Db @3.1Khz

- Điện áp cực đại ngõ vào: 30VDC

- Dòng điện cực đại ngõ vào: 32mA

- Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit)

- Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250s

- Đáp ứng đầu vào của tín hiệu tương tự: 1.5ms đến 95%

- Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng của chế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V

-Kiểu dữ liệu đầu vào:Kiểu không dấu tầm từ 0 đến 32000,

Kiểu có dấu tầm từ –32000 đến 3200

Đầu ra

- Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V

- Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 - > 20mA

- Độ phân giải toàn tầm: Điện áp: 12 bit

Dòng điện: 11 bit

- Có LED báo trạng thái

- Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh GAIN

- Kiểu dữ liệu đầu ra: Kiểu dữ liệu không dấu: tầm từ 0 đến 32000

Kiểu dữ liệu có dấu: tầm từ –32000 đến 32000

- Thời gian gửi tín hiệu đi: Điện áp 100us

- Mạch điều khiển sử dụng nguồn cung cấp 24VDC:Điện áp đầu ra 5000; Dòng điện đầu ra 500 

- Có các contact để lựa chọn phạm vi áp ngõ vào (contact ở một trong hai vị trí

ON và OFF): contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp đơn cực, OFF với áp lưỡng cực; contact 3, 5, 7, 9, 11 chọn phạm vi điện áp

Các bước chỉnh đầu vào:

1 Tắt nguồn của Module, chọn tầm đầu vào theo yêu cầu

2 Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để cho hoạt động ổn định trong 15 phút

3 Sử dụng nguồn dòng hoặc áp chuẩn dùng để đưa tín hiệu 0 vào 1 trong 3 đầu vào

4 Đọc giá trị mà PLC đọc được bằng kênh đầu vào thích hợp

5 Chỉnh giá trị Offset có thể cho đến khi giá trị đọc vào là 0 hoặc nhận ra giá trị Data

6 Đặt giá trị tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào, đọc giá trị mà CPU nhận được

7 Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc được là 32000 hay nhận được giá trị Data

8 Lặp lại các quá trình chỉnh Gain và Offset cho đến khi đạt yêu cầu

Chỉnh đầu vào EM 235

Bảng chỉnh đầu vào EM 235

Sơ đồ đấu nối phần cứng

Sơ đồ khối ngõ vào của EM235

*Tín hiệu tương tự được đưa vào các đầu vào A+, A-, B+, B-, C+, C-, sau đó qua các bộ lọc nhiễu, qua bộ đệm, bộ suy giảm, bộ khuếch đại rồi đưa đến khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 12 bit 12 bit dữ liệu này được đặt bên trong từ ngõ vào analog của CPU như sau:

Sơ đồ khối của ngõ ra EM235:

12 bit dữ liệu được đặt bên trong từ ngõ ra analog của CPU như sau:

AQWxx 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 0 0

12 bit dữ liệu trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DAC được canh trái trong từ

dữ liệu ngõ ra Bit MSB là bit dấu: 0 để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương 4 bit thấp

có giá trị 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệu này được đưa vào bộ chuyển đổi DAC Các bit này không ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra

Các chú ý khi cài đặt ngõ vào EM235:

1 Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp cho cảm biến không bị nhiễu

và ổn định

2 Xác định được Module

3 Dùng dây cảm biến ngắn nhất nếu có thể

4 Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây chỉ dùng cho một mình cảm biến thôi

5 Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào không sử dụng

6 Tránh gọt các đầu dây quá nhọn

7 Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây có năng lượng cao Nếu hai bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng về góc bên phải

III/Cảm biến áp suất :

Hình dáng của cảm biến

Biểu đồ làm việc của cảm biến

Đặc tính chung:

- Trọng lượng : 250g

- Điện áp đầu vào : 12 đến 24 Vdc

- Dòng điện ngõ ra : 4 đến 20 mA

- Áp suất đầu vào : 0 đến 10 kg/cm2( 0 đến 980 kPa )

Sơ đồ đấu dây :

III./GIỚI THIỆU VỀ MÀN HÌNH TD-200 CỦA SIEMENS:

Màn hình TD200

1./ Giới thiệu chung:

TD-200 là một thiết bị hiển thị text (Text Display), nó cho phép giao tiếp với người vận hành Thiết bị này được thiết kế chỉ dùng giao tiếp với họ PLC S7-200 + Một số tính năng của TD-200:

- Hiển thị tin nhắn và các biến của PLC

- Cho phép điều chỉnh các biến trong chương trình

- Có khả năng cài đặt thời gian thực của PLC

- Nguồn cung cấp: 24 Vdc Có thể cấp cho TD-200 theo 2 cách:

+ Nguồn cấp chung: cấp nguồn cho TD-200 thông qua cáp TD/CPU (chiều dài 2.5m)

+ Nguồn cấp riêng: cấp nguồn cho 200 thông qua đầu nối bên phải

TD-200 (được sử dụng khi khoảng cách giữa TD-TD-200 và CPU lớn hơn 2.5m)

Lưu ý: không đồng thời vừa cấp nguồn chung vừa cấp nguồn riêng, như vậy sẽ

làm hỏng thiết bị

- Cáp TD/CPU:

Sơ đồ có cấp nguồn:

Sơ đồ không có cấp nguồn:

- phím: gồm có 9 phím được chia thành 2 loại: phím hệ thống và phím chức năng + Phím hệ thống (5 phím ) : shift, esc, enter, up, down

+ Phím chức năng (4 phím ) : gồm 8 chức năng từ F1đến F8 Mỗi phím được gắn với một bit trong vùng nhớ M

3./ Giao tiếp TD-200 và PLC:

Giao tiếp giữa một TD và một CPU:

Giao tiếp giữa nhiều TD và nhiều CPU:

IV/ Van điện từ :

- Điện áp đầu vào : 24 Vdc

ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau 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

II-SƠ LƯỢC VỀ SỰ PHÁT TRIỂN:

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 làm cho 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 hổ 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 được một sự phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống 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 hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh hơn với các chức năng mở rộng: Hệ thống ngõ 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 thểtăng 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

III-BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH:

1./ Đặc điểm bộ điều khiển lập trình:

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình (programmable-control systems) – hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình (PLC – Programmable Logic Controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ-le và thiết bị rời cồng kềnh, và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng

và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm, v.v…, làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất

Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích

ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu (transducers) ở ngõ vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây; sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những

hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thống”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

- Khả năng kháng nhiễu tốt;

- Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm modul

mở rộng vào/ra) và thêm chức năng (nối thêm modul chuyên dùng);

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

- Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – ladder, instruction và function chart – dễ hiểu

và dễ sử dụng

- Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển các máy móc công nghiệp và trong điều khiển quá trình (process-control)

2./ Khái niệm cơ bản:

Bộ điều khiển lập trình là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng Ganeral Motors vào năm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển trong công nghiệp :

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong nhà máy;

- Cấu trúc dạng modul để dễ dàng bảo trì và sửa chữa;

- Tin cậy hơn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp;

- Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ-le chức năng tương đương;

- Giá thành cạnh tranh

Những chỉ tiêu này tạo sự quan tâm của các kỹ sư thuộc nhiều ngành nghiên cứu

về khả năng ứng dụng của PLC trong công nghiệp Các kết quả nghiên cứu đã đưa

ra thêm một số yêu cầu cần phải có trong chức năng của PLC : tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản được hỗ trợ thêm các lệnh về tác vụ định thì, tác vụ đếm; sau đó là các lệnh xử lý toán học, xử lý bằng dữ liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính toán số liệu

số thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch, v.v… Song song đó, sự phát triển

về phần cứng cũng đạt được nhiều kết quả : bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều modul chuyên dùng hơn Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200m

Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu suất Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ với 20 ngõ vào/ra và dung lượng bộ nhớ chương trình 500 bước, đến các PLC có cấu trúc modul nhằm dễ dàng mở rông thêm khả năng và chức năng chuyên dùng :

- Xử lý tín hiệu liên tục (analog);

- Điều khiển động cơ servo, động cơ bước;

- Truyền thông;

- Số lượng ngõ vào/ra;

- Bộ nhớ mở rộng

Với cấu trúc dạng modul cho phép chúng ta mở rộng hay nâng cấp một hệ thống điều khiển dùng PLC với chi phí và công suất ít nhất

PC hay PLC

Có một số thuật ngữ dùng để mô tả bộ điều khiển lập trình :

-PC Programmable Controller (Anh)

-PLC Programmable Logic Controller (Mỹ)

-PBS Programmable Binary Systems (Thụy Điển)

Hai thuật ngữ sau đều thể hiện bộ điều khiển lập trình làm việc với tín hiệu nhị phân Trong thực tế, tất cả bộ điều khiển trừ bộ điều khiển loại nhỏ đều có khả năng

xử lý tín hiệu analog, nên các thuật ngữ đó không nói lên được hết khả năng của bộ điều khiển lập trình Vì lý do này và một số lý do khác mà thuật ngữ Programmable Controller, viết tắt là PC, thể hiện ý nghĩa tổng quát nhất về bộ điều khiển lập trình Tuy nhiên, để tránh sự hiểu lầm với thuật ngữ máy vi tính cá nhân ‘PC’ thì PLC thường được dùng thay cho PC

So sánh với các hệ thống điều khiển khác

So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển Chỉ tiêu

Mất nhiều thời gian lập trình

Lập trình

và lắp đặt đơn giản Khả năng điều

khiển tác vụ

phức tạp

bảo trì

Kém – Có rất nhiều công tắc

Kém – nếu IC được hàn

Kém – có rất nhiều mạch điện tử chuyên dùng

Tốt – các modul được tiêu chuẩn hóa 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

3./ PLC – Cấu trúc phần cứng:

PLC gồm ba khối chức năng cơ bản : bộ xử lý, bộ nhớ và khối vào/ra Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm, PLC thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm; sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các ‘tiếp điểm’ kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng

3.1 Bộ xử lý trung tâm:

Bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong PLC Việc trao đổi thông tin giữa CPU, 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 clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MHz, tùy thuộc vào bộ xử lý sử dụng Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và được dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử trong hệ thống

3.2 Bộ nhớ:

Tất cả PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau :

- ROM (Read Only Memory)

- RAM (Random Access 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 sử dụng

bộ nhớ EEPROM Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ

nhớ RAM có nuồn nuôi và bộ nhớ EEPROM Ngoài ra PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các chức năng sau :

- Bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra

- Bộ nhớ tạm cho các tác vụ định thì, đếm, truy xuất cờ

Đối với PLC loại nhỏ thường có dung lượng cố định đủ đáp ứng khoảng 80% hoạt động trong công nghiệp Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn cho các sản phẩm của họ

3.3 Khối vào/ra:

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

Khối vào/ra đóng vai trò là mạch chuyển tiếp giữa vi mạch PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động : nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly Tuy nhiên, khối vào/ra cho phép PLC kết nối với các mạch công suất nhỏ không cần khâu rơ-le trung gian

- Chỉ nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp DC từ 5V DC đến 30V DC

- Tuổi thọ cao, tần số đóng ngắt nhanh

Lưu ý : Có hai dạng kết nối ngõ ra loại transistor là dạng sink và dạng source,

do đó phải mắc đúng cực tính khi kết nối ngõ ra với cơ cấu tác động

phát quang và một transistor quang gọi là bộ Opto-coupler Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua, và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn Mạch này có tác dụng chống nhiễu và bảo vệ quá áp Đối với các PLC loại nhỏ, các ngõvào/ra vật lý được bố trí cùng với CPU Đối với các PLC loại lớn hơn, các ngõ vào/ra được bố trí theo dạng modul vì vậy ta có thể mở rộng các khối vào/ra

Các modul vào/ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối với các cơ cấu chấp hành và cảm biến vào PLC Tất cả ngõ vào/ra của PLC đều được thiết kế có các đầu nối cho phép mở rộng và thay thế modul

-Ứng với mỗi modul đặt trên PLC có một địa chỉ xác định dùng để nhận dạng các ngõ vào/ra khi lập trình cũng như khi thực hiện chức năng giám sát Trạng thái vào/ra từng ngõ được hiển thị bằng Led nằm trên PLC hoặc trên modul Các đèn Led này có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và các cơ cấu chấp hành

IV- Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC:

1./Cấu trúc:

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU:

Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình Trong đó :

- Thiết bị đầu vào gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển như nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình

- Input, Output các cổng nối phía đầu vào ra của PLC hay các của các Module mở rộng

- Cơ cấu chấp hành: gồm các thiết bị được điều khiển như: chuông, đèn, contactor, động cơ, van khí nén, heater, máy bơm, LED hiển thị vv

- Chương trình điều khiển: định ra quy luật thay đổi tín hiệu Output đầu ra heo tín hiệu Input đầu vào như mong muốn Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng cách sử dụng bộ lập trình chuyên dụng cầm tay(Hand-hold programmer PG) hoặc chạy bằng phần mềm điều khiển trên máy vi tính sau đó được nạp vào PLC thông qua cáp nối giữa PLC với máy tính (hay PG)

- Khối điều khiển trung tâm (CPU: Central Processing Unit) gồm ba phần: bộ xử

lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Có nhiều loại bộ nhớ để cho người sử dụng lựa chọn theo mục đích hay yêu cầu sử dụng:

- ROM (Read Only Memory) bộ nhớ chỉ đọc không xoá dùng lưu trữ chương trình

cố định, không thay đổi thường dùng cho nhà sản xuất PLC

0RAM (Random Access Memory) : bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình cho người sử dụng

- EPROM: ROM lập trình có thể xoá được

- EEPROM: Electrically EPROM

Power Supply

2./ Hoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ

…) Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình,sau đó

là truyền thông nội bộ và kiểm lỗi sau đó CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (update) tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua Module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình ,truyền thông nội và tự kiểm tra lỗivà gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scanning)

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp với cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt thì chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì điểm nào trong vòng quét

Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (scan) như sau:

Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào

bộ đệm ảo

Chuyển dữ kiệu từ bộ

đệm ảo ra ngoại vi

Thực hiện chương trình Truyền thông và

kiểm tra lỗi

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hiệu

ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra Khi xử lý kết thúc chương trình

xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị

ở ngõ ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu thời gian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu

kỳ quét thì vi xử lý xem như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời,dùng bộ đếm tốc độ cao (High Speed

Counter) các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

6 Nối với nguồn 5 VDC có điện trở trong là 100  7

Nối với nguồn 24 VDC dòng tối đa là 120 mA

V./ Ưu nhược điểm của PLC:

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn

đề phức tạp trong điều khiển hệ thống

Ưu điểm đầu tiên của PLC là hệ thống diều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra …), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay), khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn

PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (Electrical Noise), vùng

có từ truờng mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ vàđộ ẩm môi trường cao …

Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm cho việc sửa chữa thuận lợi hơn

VI./ Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC:

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các úng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :

- 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, …)

Unsigned Range Signed Range

Data Size: Decimal: Hexadecimal: Decimal: Hexadecimal:

B (Byte) 0 - 255 0 - FF -128 - +127 80 - 7F

W (Word) 0 - 65535 0 - FFFF -32768 - +32767 8000 - 7FFF

DW 0 - 4294967295 0 - -2147483648 - 8000 0000 -

FFFF FFFF +2147483647 7FFF FFFF Data Size: Real (Positive) Real (Negative)

DW +1.175495E-38 - +3.402823E+38 -1.175495E-38 - - 3.402823E+38

Truy cập trên Bit Truy cập trên

byte

Truy cập trên word Truy cập trên

Dword V: 0.0 đến

VW: 0 đến 4094 T: 0 đến 127 C: 0 đến127 IW: 0 đến 6 QW: 0 đến 6 MW: 0 đến 30 SMW: 0 đến 84 AC: 0 đến 3 AIW: 0 đến 30 AQW:0 đến 30 Hằng số

VD: 0 đến 4094 ID: 0 đến 4 QD: 0 đến4 MD: 0 đến 28 SMD: 0 đến 82 AC: 0 đến 3 HC: 0 đến 2 Hằng số

Kiểu và các thuộc tính của các toán hạng

Mô tả Truy

cập Bit

Truy cập Byte

Truy cập Word

Truy cập

DW

Khả năng giữ

Không

T-current R/W

Không

C-current R/W

Địa chỉ truy cập sẽ được CPU quản lí theo công thức sau:

Truy cập theo BIT: Tên miền (+) địa chỉ byte (+) (+) chỉ số BIT

Ví du: V36.7 chỉ bit thứ 7 của byte 36 thuộc miền V

Truy cập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền

Ví dụ: VB36 để chỉ byte 36 thuộc miền V

Truy cập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ của Word trong miền (một từ bằng hai byte)

Ví dụ: VW150 chỉ từ đơn gồm hai byte 150 và 151 thuộc miền V trong đó byte

150 là byte cao của trong từ

Truy cập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ Byte cao của từ trong miền

Ví dụ: VD150 là một từ kép gồm 4 byte 150,151,152,153 thuộc miền V, trong

đó byte 150 có vai trò là byte cao

Tất cả các byte trong miền đều có thể được truy cập bằng con trỏ Con trỏ được định nghĩa trong miền V hoặc trong thanh ghi tích lũy (AC ) Mỗi con trỏ địa chỉ gồm 8 byte (1 từ kép) Quy ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau:

& địa chỉ byte cao: là toán hạng dùng để lấy địa chỉ của byte,word hay double word

Ví dụ:AC1=&VB150 thanh ghi AC1 chứa địa chỉ byte 150 thuộc miền V VD100=&vw150 từ kép VD100 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ đơn VW150 Con trỏ:là toán hạng lấy nội dung của byte, word hay double word mà con trỏ đang chỉ vào

Ví dụ: nếu đã được gán như trên thì

*AC1 lấy nội dung của byte VB150

*VD100 lấy nội dung của từ đơn VW150

STL NOT

*AC,Const STL S bit n

*AC,Const STL R bit n