BÀI GIẢNG MÔN PLC CƠ BẢN

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 đế

B Ộ Đ I Ề U KHI Ể N L Ậ P TRÌNH

BÀI GIẢNG MÔN PLC (Programmable Logic Controller)

I Tổng quan về PLC:

1.Giới thiệu PLC:

•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 hổ trợ cho công việc lập trình.

Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ 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 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).

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển

dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :

• Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học

• Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính , nối mạng , các module mở rộng.

• Giá cả có thể cạnh tranh được.

2 Cấu trúc của PLC:

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

• Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể

mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ).

• Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc

ghép nối với PLC

• Các Module vào /ra.

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung

Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng

sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC

Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy

tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần:

bộ xử lý,

hệ thống bộ nhớ ,

hệ thống nguồn cung cấp

a/ Đơn vị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử

lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra

ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn

bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

b/ Hệ thống bus: là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ

b/ Hệ thống bus: là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :

• Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến

các Module khác nhau.

• Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu.

• Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín

hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

c/ Bộ nhớ:

• RAM (Random Access Memory )

• EPROM (Electrically Programmable ReadOnly Memory)

3 Các hoạt động xử lý bên trong PLC:

a Xử lý chương trình:

+ Đọc trạng thái của tất cả đầu vào

+ Thực hiện chương trình

+ Xử lý những yêu cầu truyền thông

+ Thực hiện tự kiểm tra

+ Xuất tín hiệu ngõ ra

được duy trì cho đến lần cập nhật kế tiếp.

• Phương pháp lưu ảnh quá trình xuất nhập:

Hầu hết các PLC loại lớn có thể có vài trăm I/O,

vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời

điểm

Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong chương trình

Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục, gọi là chu kỳ quét hay thời gian quét, trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào

4 Ngôn ngữ lập trình: có 5 loại ngôn ngữ dùng

để lập trình cho PLC:

• Ngôn ngữ lập trình ST ( Structure text ) hoặcSTL ( Statement List )

• VÍ DỤ:

• Ngôn ngữ lập trình IL ( Instruction List )

• VÍ DỤ:

• Ngôn ngữ lập trình FBD ( Function BlockDiagrams )

• VÍ DỤ:

• Ngôn ngữ lập trình SFC ( Sequence FunctionCharts )

• VÍ DỤ:

• Ngôn ngữ lập trình LD ( Ladder Diagram )

• VÍ DỤ:

II Gi ớ i thi ệ u m ộ t s ố PLC c ủ a hãng MITSUBISHI ELECTRIC:

• Bố trí của FX1N:

• Bố trí của FX2N:

• Bố trí của FX2NC:

• Bố trí của FX3U:

III Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi:

• Khối vào/ra là mạch giao tiếp giữa mạch vi

điện tử của PLC với các mạch công suất bên

ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động: thực hiện sựchuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly

• Tuy nhiên khối vào/ra cho phép PLC kết nốitrực tiếp với các cơ cấu tác động có công suấtnhỏ, khỏang 2A trở xuống, không cần các mạchtrung gian hay relay trung gian

• Tất cả các ngõ vào/ra đếu được cách ly với cáctính hiệu điều khiển bên ngoài bằng mạch cách lyquang (opto-isolator) trên khối vào/ra.

• Mạch cách ly quang dùng một diode phátquang và một transistor quang gọi là bộ opto-coupler

• Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua vàghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệuchuẩn Mạch này có tác dụng chống nhiễu khichuyển contact và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp

điện thường lên đến 1500V

SINK: (S/S nối 24V)

6 Đầu nối bus mở rộng (trên PLC).

7 Đầu nối bus mở rộng (trên module mở rộng).

Kết nối ngõ vào kiểu transistor NPN.

Kết nối ngõ vào kiểu transistor PNP

Kết nối với diode:

Không n ối hơn 2 LED nối tiếp. Điện áp rơi trên

diod t ối đa 4V.

2 Kết nối ngõ ra.

1 Nguồn xoay chiều 5 Đèn neon.

2 Cầu chì 6 Contactor.

3 Van solenoid 7 Bộ chống nhiễu.

4 Đèn sợi đốt 8 Nguồn 1 chiều.

9 Diode ghim áp.

Ngõ ra dùng relay (dùng điện áp xoay chiều – đáp ứng chậm)

1 Nguồn xoay chiều 4 Đèn sợi đốt.

1 Nguồn DC 3 Khóa lẫn cơ khí bên ngoài.

2 Cầu chì 4 Diode zener bảo vệ transistor.

Loại ngõ ra dùng transistor (dùng điện áp 1

chiều – đáp ứng nhanh)

1 Nguồn DC 3 Khóa lẫn cơ khí bên ngoài.

2 Cầu chì 4 Diode zener bảo vệ transistor.

CÁC THI Ế T B Ị

I Thiết bị dùng trong lập trình:

1 Ngõ vào/ra:

• Ngõ vào và ngõ ra là các bộ nhớ 1 bit, có ảnhhưởng trực tiếp đến trạng thái của các ngõ vào/ravật lý

• Ngõ vào nhận tín hiệu trực tiếp từ cảm biến vàngõ ra là các relay, transistor hay triac vật lý

• Các ngõ vào và ngõ ra cần được ký hiệu và

đánh số để có địa chỉ xác định và duy nhất

• Mỗi nhà sản xuất PLC đều có ký hiệu và cách

đánh số riêng, nhưng về ý nghĩa cơ bản là giống

nhau

• Cách đánh số của hãng Mitsubishi, theo

hệ cơ số 8(octal) Các ngõ vào hay ngõ ra liên tiếp sẽ được đánh số liên tiếp nhau.

2 Relay phụ trợ (Auxiliary relays):

Khái niệm:

• Relay là bộ nhớ 1 bit và có tác dụng như relay phụ trợ vật lý trong mạch điều khiển dùng relay truyền thống, nên được gọi là relay logic

• Ký hiệu: M

• Đánh số: thập phân

•Ví dụ : M0, M500, M8002

Phân loại :

• Relay chốt (latched relay)

• Relay phụ trợ ổn định trạng thái (General stable state auxiliary relays)

• Relay chuyên dùng (special relay)

Ví dụ: M8000: báo RUN (ON khi PLC đang trong trạng thái hoạt động)

• M8002: xung khởi động

• M8010: xung clock 1ms

• M8011: xung clock 10ms

3 Relay trạng thái (state relays).

• Relay trang thái được ký hiệu là S và được

• Relay trạng thái được chốt

• Relay trạng thái bước STL

Phân loại: 6 loại

• Thanh ghi dữ liệu (data register)

• Thanh ghi chốt (latched register)

Phân loại:

• Thanh ghi chuyên dùng (special register)

• Thanh ghi tập tin (hay thanh ghi bộ nhớ chương trình – program memory register)

• Thanh ghi điều chỉnh được từ biến trở bên ngoài (external adjusting register)

• Thanh ghi chỉ mục (index register)

7 Bộ định thì (timer).

• Dùng để định thì các sự kiện

• Bộ định thì trong PLC được gọi là bộ định thìlogic, vì nó là bộ trong PLC được tổ chức có tácdụng như là bộ định thì vật lý

• Số lượng bộ định thì tùy thuộc loại PLC

• Ký hiệu: T và được đánh số thập phân,

Phân loại:

Bộ định thì được phân loại theo độ phân giải

• Bộ định thì độ phân giải 100 mili giây :khoảng thời gian định thì từ 0,1 đến 3276,7 giây

• Bộ định thì độ phân giải 10 mili giây : khoảngthời gian định thì từ 0,01 đến 327,67 giây

• Bộ định thì độ phân giải 1 mili giây : khoảngthời gian định thì từ 0,001 đến 32,767 giây

Bảng đặc tính kỹ thuật bộ định thì trên PLC FX

Một bộ định thì khả nhớ(Retentive) có khả năng duy trì gia trị hiện hành khi công tắc nối với nó off, và khi công tắc on trở lại thì nó tiếp tục hoạt động từ giá trị trước đó.

Để reset bộ định thì khả nhớ ta tiến hành reset cưỡng bức

Ngoài ra, các bộ đếm trên có thể là

• Bộ đếm 16 bit : thường là bộ đếm chuẩn Bộ

đếm này có thể đếm được khoảng giá trị từ:

-32.768 _ +32.767

• Bộ đếm 32 bit : có thể là bộ đếm chuẩn, nhưng

nó thường là bộ đếm tốc độ cao và bộ đếm tốc độcao trên module chuyên dùng

• Khoảng đếm được có giá trị :

-2.147.483.648 _ +2.147.483.647

Bảng đặc tính kỹ thuật bộ đếm trên PLC FX

• Bộ đếm 16 bit chung/ được chốt: từ -32768 đến +32767

Các bộ đếm(Counters)

II LỆNH CƠ BẢN:

1 Lệnh LOAD (LD):

2 Lệnh LOAD INVERSE (LDI):

3.Lệnh OUT:

Ví dụ:

4 Lệnh AND và AND INVERSE (ANI):

5 Lệnh OR và OR INVERSI (ORI):

6 Lệnh OR Block (ORB):

7 Lệnh AND BLOCK (ANB):

8.Lệnh Set và Reset:

Ví dụ:

9 Lệnh Load Pluse, Load Falling Pluse:

10 Lệnh And Pluse, And Falling Pluse.

Ví dụ:

11 Lệnh OR Pluse, OR Falling Pluse:

Ví dụ:

10 Lệnh Load Pluse, Load trailing Pluse.

Ví dụ

• Khi lệnh PLS được thi hành, các thiết bị Y và M hoạt

động trong khoảng thời gian

một chu kì sau khi tín hiệu ngõ vào bậc on.

• Khi lệnh PLF được thi hành,

• Tuy nhiên nếu dùng cuộn dây có nguồn pin

nuôi(được chốt) thay cho M0 thì nó sẽ không hoạt động lại

• Đối với thiết bị được chốt để có thể hoạt động lại thì ngõ vào điều khiển phải off trong quá trình chuyển trạng thái Run/Stop/Run trước khi nó được kích lại lần nữa

Ví dụ:

• C ử a có th ể đượ c m ở t ừ bên ngoài v ớ i contact S1 và

đ óng b ở i nút nh ấ n S5 Ở phía bên trong có th ể m ở b ằ ng nút nh ấ n S2 và đ óng b ằ ng nút nh ấ n S4.

hi ệ n m ộ t ch ướ ng ng ạ i khi c ử a đ ang đ óng thì c ử a s ẽ t ự

độ ng m ở

• Hai contact gi ớ i h ạ n đượ c thi ế t l ậ p nh ầ m d ừ ng c ổ ng khi c ổ ng đ ã m ở hoàn toàn (S3) và khi đ ã đ óng hoàn toàn (S6)

Ví dụ:

• Chuông sẽ reo lên trong vòng 10s khi

• Chuông sẽ reo lên trong vòng 10s khi

có thí sinh dành quyền trả lời

• Đèn báo của thí sinh dành quyền trả lời

sẽ được bật sáng, và chỉ tắt khi người dẫn

chương trình reset

Hệ thống chế biến ( sản xuất ) tự động

Một vài ứng dụng thực tế:

Truyền thông mặt đất kỹ thuật số

Một vài ứng dụng thực tế:

Xử lý nước

Một vài ứng dụng thực tế:

Xử lý chất thải

Một vài ứng dụng thực tế:

B Ộ Đ I Ề U KHI Ể N L Ậ P TRÌNH

(Programmable Logic Controller)

I Thiết kế mạch điều khiển.

Các bước thiết kế chương trình trình tự cho PLC như sau:

Quá trình điều khiển được diễn đạt bằng lời.

Sự mô tả đó được chuyển sang dạng lưu đồ hay

• Để toàn bộ quá trình điều khiển dễ hơn ta chia

nó ra thành những chương trình con

• Mỗi chương trình con sau đó có thể được xây dựng theo dạng trình tự và khóa lẫn để thực hiện một chức năng nào đó theo yêu cầu

• Các phương pháp diễn đạt có thể tùy chọn:

logic relay (relay logic diagram),

cổng logic (logic schematic),

lưu đồ ( flowchart)

và sơ đồ chức năng (function chart)

Ví dụ:

Các phương pháp đặc tả hệ thống điều khiển logic:

(a) logic relay; (b) cổng logic;

Bắt đầu

Kiểm tra điều kiện 1

Yes

Xử lý

Điều kiện khởi động

Điều kiện chuyển bước

Bước 1 Xử lý 1

Kiểm tra điều kiện 2

Yes No

1 Phương pháp logic relay và cổng logic.

• Cả hai phương pháp có liên hệ trực tiếp đến mạch vật

lý

• Là các phương pháp lý tưởng cho các ứng dụng,

trong đó PLC thay thế cho hệ thống dùng relay

truyền thống.

• Các bảng vẽ về hệ thống nguyên thủy có thể được

• Các bảng vẽ về hệ thống nguyên thủy có thể được

dùng làm cơ sở để lập trình cho PLC.

• Các phương pháp này thường dùng cho các hệ thống

điều khiển dùng tổ hợp các ngõ vào hay các hệ thống điều khiển trình tự quy mô nhỏ, vì sơ đồ biểu diễn sẽ

trở nên phức tạp và rất khó theo dõi đối với các ứng dụng trình tự quy mô lớn

2 Phương pháp biểu diễn lưu đồ.

• Phương pháp này dùng khi thiết kế phần mềm cho

máy tính

• Là phương pháp phổ biến để biễu diễn trình tự hoạt

động của một hệ thống điều khiển

• Lưu đồ có quan hệ trực tiếp đến sự mô tả bằng lời hệ thống điều khiển, chỉ ra từng điều kiện cần kiểm tra ở từng bước và các xử lý trong bước đó theo chuỗi trình

tự

• Các xử lý trong lưu đồ được ghi trong một ô chữ nhật, trong khi các điều kiện được ghi vào các ô hình thoi

• Phương pháp này chiếm nhiều không gian khi biểu

diễn các hệ thống điều khiển lớn và sơ đồ trở nên nặng nề.

3 Phương pháp sơ đồ chức năng.

• Phương pháp này phổ biến để biểu diễn các hoạt động trình tự, cho phép thể hiện chi tiết về các xử lý cũng như trình tự các hoạt động trong quá trình điều khiển.

• Cách dùng các ký hiệu gọn và cô đọng, phương pháp này

có ưu điểm của các phương pháp trên, việc biểu diễn bước tiến trình hoạt động mạch lạc và rõ ràng.

• Trong từng bước ta có thể ghi ra các điều kiện set và

reset, điều kiện chuyển trạng thái và các tín hiệu điều

khiển khác Sơ đồ chức năng còn có thể hỗ trợ đắc lực khi kiểm tra và chạy thử hệ thống.

• Việc dùng biểu thức Boolean thường kém hiệu

quả về mặt thời gian thiết kế và không dễ hiểu đối với người chưa có kinh nghiệm về các hệ thống

điều khiển

• Giải pháp dùng Boolean tiết kiệm được không

gian biễu diễn trên giấy khi thiết kế

II Phương pháp lưu đồ giải thuật.

• Lưu đồ giải thuật là một phương pháp biểu

diễn cho một quá trình điều khiển tuần tự

• Các bước ý tưởng sẽ được thực hiện bằng

• Các bước ý tưởng sẽ được thực hiện bằng

các lệnh một cách đơn giản

Các ký hiệu sử dụng trong lưu đồ giải thuật:

Start/Stop

Điều kiện

Xử lýXuất/nhậpChương trình con

• Các khối trên được kết nối bằng mũi tên để

chỉ ra các bước liên tiếp của chương trình

• Ví d ụ 1:

Nhấn nút PB1 (START), bình nước sẽ được đổ

đầy qua valve MV1 (valve MV2 sẽ được đóng

lại) Khi bình nước đầy (TLB1 ON) hay nút PB2 (STOP) được tác động thì valve MV2 được mở, valve MV1 được đóng lại

Yes Mở MV2.

Đóng MV1

Phương pháp chung của lưu đồ giải thuật:

1 Hiểu rõ quá trình hoạt động

III Phương pháp sơ đồ chức năng.

• Thể hiện chi tiết về các xử lý cũng như trình

tự các hoạt động trong quá trình điều khiển

• Trong từng bước ta có thể ghi ra các lệnh

set và reset, điều kiện chuyển trạng thái và các tín hiệu điều khiển khác

IV Thiết kế bằng chuỗi logic.

• Các ý tưởng thiết kế có thể được chuyển

thành các phương trình của đại số Boolean Các phương trình của đại số Boolean có thể

được sắp xếp lại hay được rút gọn, sau đó được chuyển đổi thành ngôn ngữ ladder hay

sơ đồ mạch điện

• Nếu chúng ta có thể diễn tả quá trình điểu

khiển hoạt động, thì chúng ta có thể biến

đổi trực tiếp thành phương trình đại số

Boolean