Ứng dụng plc trong các hệ điều khiển số và truyền thông công nghiệp tập bài giảng

Học viện kĩ thuật Quân Sự Khoa kĩ thuật điều khiển Pgs ts đo hoa việt Tập bi giảng ứng dụng plc hệ điều khiển số v truyền thông công nghiệp H Nội 2005 CHơNG Bộ điều khiển logic khả trình Trong chng 1, chỳng ta tìm hiểu vấn đề điều khiển logic khả trình nói chung điều khiển logic khả trình S7-200 hãng SIEMENS nói riêng Những vấn đề trọng tâm khái niệm điều khiển logic khả trình, ưu điểm ứng dụng; cấu trúc điều khiển logic khả trình, đáng ý tổ chức mạch ghép nối vào/ra nguyên lý hoạt động Đối với điều khiển logic khả trình S7-200 SIEMENS, nội dung chương sâu tìm hiểu tổ chức nhớ, kiểu vùng nhớ ứng dụng, chức có liên quan đến đầu vào/ra Đó nội dung trước lập trình cho điều khiển 1.1 Khái quát chung điều khiển logic khả trình 1.1.1 Giới thiệu điều khiển logic khả trình Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller - PLC) loại thiết bị điều khiển đặc biệt dựa vi xử lý, thiết kế chuyên dùng công nghiệp để điều khiển trình từ đơn giản đến phức tạp Thuật ngữ khả trình có nghĩa người sử dụng viết chương trình biên dịch chương trình (bằng thiết bị lập trình chuyên dụng) nạp vào nhớ PLC Sau đó, PLC thực q trình điều khiển đối tượng theo logic chương trình lưu nhớ Bằng cách thay đổi chương trình nhớ thay đổi logic điều khiển hệ thống Như vậy, áp dụng hệ thống phần cứng điều khiển cho đối tượng khác Thuật ngữ logic thể chức ban đầu chức chủ yếu PLC thực thao tác logic chuyển mạch 2 Nhu cầu điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt có giá thành thấp thúc đẩy phát triển hệ thống điều khiển lập trình (programmable control systems) – hệ thống sử dụng vi xử lý (CPU) nhớ để điều khiển máy móc hay q trình Bộ điều khiển lập trình (Programmable Logic Controller - PLC) đời nhằm thay hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơ-le thiết bị rời cồng kềnh Nó tạo khả điều khiển thiết bị dễ dàng linh hoạt dựa việc sử dụng lệnh logic Ngồi ra, PLC cịn thực tác vụ khác định thời, đếm…làm tăng khả điều khiển cho hoạt động phức tạp, với loại PLC nhỏ Thiết bị điều khiển lập trình (Programmable Controller) nhà thiết kế cho đời năm 1968 (công ty General Motor - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến hệ thống làm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Nhưng việc lập trình cho hệ thống cịn khó khăn lúc khơng có thiết bị lập trình chun dùng hỗ trợ cho cơng việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đời vào năm 1969 Điều tạo phát triển thực cho kỹ thuật điều khiển lập trình Các nhà thiết kế bước chuẩn hóa ngơn ngữ lập trình, ngơn ngữ lập trình dùng giản đồ hình thang (Ladder Diagram) Các nhà sản xuất liên tục đưa công cụ (cả phần mềm thiết bị) hỗ trợ cho việc lập trình, giám sát gỡ rối Hoạt động PLC kiểm tra tất trạng thái tín hiệu ngõ vào đưa từ trình điều khiển, thực chương trình nhớ tạo tín hiệu điều khiển thiết bị bên Với mạch ghép nối khối vào khối PLC cho phép kết nối trực tiếp với cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ ngõ mạch chuyển đổi tín hiệu (transducers) ngõ vào Tuy nhiên, cần phải có mạch khuếch đại cơng suất trung gian PLC điều khiển thiết bị có cơng suất lớn Việc sử dụng PLC cho phép hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà khơng cần có thay đổi mặt kết nối dây.Ta cần thay đổi chương trình điều khiển nhớ thơng qua thiết bị lập trình chun dùng Ngồi , chúng cịn có ưu điểm thời gian lắp đặt đưa vào hoạt động nhanh so với hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực việc nối dây phức tạp thiết bị rời Về phần cứng, PLC tương tự máy tính thơng thường - coi máy tính xử lý liệu, chuyên dùng với chức xử lý liệu hiển thị PLC máy tính điều khiển q trình, hay cịn gọi máy tính cơng nghiệp chúng có đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển cơng nghiệp, là: -Được thiết kế để hoạt động tốt môi trường công nghiệp (rung động, tiếng ồn, nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu) -Cấu trúc dạng module cho phép thay dễ dàng, có khả mở rộng nâng cấp -Có sẵn mạch ghép nối cho phép ghép nối trực tiếp với số thiết bị bên ngồi -Được tích hợp chức chun dùng đếm, định thời, điều khiển PID, điều khiển động cơ, truyền thông công nghiệp -Việc kết nối dây mức điện áp tín hiệu ngõ vào ngõ chuẩn hóa -Ngơn ngữ lập trình chun dùng dễ sử dụng nhờ hỗ trợ thiết bị lập trình -Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng 4 Những đặc điểm làm cho PLC sử dụng nhiều việc điều khiển máy móc cơng nghiệp điều khiển q trình cơng nghiêp (process control) Bộ điều khiển lập trình ý tưởng nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968 nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển cơng nghiệp Ban đầu sử dụng để thay cho hệ thống điều khiển sử dụng rơle Cùng với phát triển công nghệ vi điện tử cơng nghệ máy tính, PLC ngày phát triển phần cứng phần mềm hỗ trợ Tập lệnh từ lệnh logic đơn giản phát triển thêm lệnh định thời, lệnh đếm; sau lệnh tốn học, xử lý liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính tốn số liệu thực 32 bit, xử lý thời gian thực… Sự phát triển phần cứng đạt nhiều kết quả: nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều module chuyên dùng hơn, đặc biệt tốc độ thực nhanh PLC điều khiển máy riêng lẻ, mà ngày trở thành thành phần quan trọng dây truyền sản xuất công nghiệp, hệ thống điều khiển giám sát với phát triển chuẩn truyền thơng cơng nghiệp Có số thuật ngữ dùng để mơ tả điều khiển lập trình : PC: Programmable Controller (Anh) PLC: Programmable Logic Controller (Mỹ) PBS: Programmable Binary Systems (Thụy Điển) Hai thuật ngữ sau thể điều khiển lập trình làm việc với tín hiệu nhị phân Trong thực tế, tất điều khiển trừ điều khiển loại nhỏ có khả xử lý tín hiệu liên tục (analog signal), nên thuật ngữ khơng nói lên hết khả điều khiển lập trình Do thuật ngữ Programmable Controller - PC thể ý nghĩa tổng quát điều khiển lập trình Tuy nhiên, để tránh nhầm lẫn với thuật ngữ máy tính cá nhân (Personal Computer - PC) PLC thường dùng thay cho PC Hiện nay, PLC nhiều hãng khác sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi Theo xu hướng chuẩn hóa module hóa PLC hãng khác có cấu trúc phần cứng tập lệnh tương tự 1.1.2 Ưu điểm PLC Có thể nêu số ưu điểm sử dụng PLC sau: -Tính linh hoạt: sử dụng điều khiển cho nhiều đối tượng khác với thuật toán điều khiển khác -Dễ dàng thiết kế thay đổi logic điều khiển: với hệ thống điều khiển sử dụng rơle, thay đổi logic điều khiển cần có nhiều thời gian để nối lại dây cho thiết bị panel điều khiển, cơng việc phức tạp Với hệ thống điều khiển sử dụng PLC, thay đổi logic điều khiển cách thay đổi chương trình thơng qua thiết bị lập trình ngơn ngữ lập trình chun dùng Điều làm giảm đáng kể thời gian thiết kế hệ thống -Tối ưu logic điều khiển: hỗ trợ công cụ mô gỡ rối trực tuyến trực quan làm cho hệ thống thiết kế có tính tối ưu -Tốc độ thực nhanh -Nhỏ, gọn giá thành thấp -Khả bảo mật hệ thống sử dụng mã khóa -Khả mở rộng nâng cấp hệ thống: chế tạo dạng modul chuẩn hóa cho phép ghép nối thành phần khơng nhà sản xuất Đây yêu cầu thiếu hệ thống điều khiển đại 1.1.3 Cấu trúc hoạt động PLC PLC thiết bị điều khiển dựa vi xử lý, thành phần gồm: -Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) -Bộ nhớ (Internal Memory) -Bus hệ thống (System Bus) -Khối ghép nối vào/ra (Input/Output Interface) -Khối nguồn (Power Supply) Khối nguồn Bộ nhớ CPU Bus hệ thống Khối ghép nối vào Khối ghép nối Hình 1.1: Cấu trúc PLC 1.1.3.1 Khối xử lý trung tâm CPU Đây não hệ thống, có chức điều khiển giám sát tồn hoạt động hệ thống cách thực lệnh nhớ Bên CPU gồm mạch điều khiển, khối thuật toán logic, ghi chuyên dụng ghi liệu tạm thời Hoạt động CPU là: đọc lệnh từ nhớ, giải mã lệnh, phát tín hiệu điều khiển thành phần khác xử lý liệu 1.1.3.2 Bộ nhớ Bộ nhớ loại nhớ bán dẫn, có ưu điểm tương thích kích thước mức logic với thành phần khác hệ thống; tốc độ truy nhập cao; lượng tiêu thụ thấp PLC sử dụng loại nhớ sau đây: -ROM hệ thống: chứa chương trình hệ thống (hệ điều hành) liệu cố định CPU sử dụng Dữ liệu ROM nhà sản xuất nạp vào không thay đổi suốt trình sử dụng sau -RAM chứa chương trình liệu người sử dụng -RAM làm đệm cho tín hiệu vào/ra cho đối tượng khác (bộ đếm, định thời ) -EEPROM để lưu cố định chương trình người sử dụng liệu cần thiết mà người dùng lựa chọn Một phần tồn RAM ni tụ điện nguồn pin bên ngồi Chương trình người sử dụng nạp vào RAM, sau tự động nạp vào EPPROM để lưu trữ vĩnh cửu 1.1.3.3 Khối ghép nối vào Khối ghép nối vào có chức sau: nhận tín hiệu vào từ thiết bị nhập (ví dụ cảm biến, chuyển mạch ); biến đổi tín hiệu vào thành mức điện áp chiều; thực cách ly tĩnh điện ghép nối quang; tạo tín hiệu logic chuẩn đưa đến mạch PLC Do mạch ghép nối vào có khối sau: -Bộ biến đổi -Mạch cách ly tĩnh điện -Mạch logic Sơ đồ mạch ghép nối vào: Đầu vào Bộ biến đổi Mạch cách ly tĩnh điện Mạch logic Hình 1.2: Sơ đồ mạch ghép nối vào Đến đệm Khối nhận tín hiệu từ cảm biến, chuyển mạch Nếu tín hiệu vào điện áp xoay chiều biến đổi chỉnh lưu thành điện áp chiều có giá trị nhỏ Đầu biến đổi không đưa trực tiếp đến mạch PLC nhằm tránh cho khỏi ảnh hưởng mạch ngồi Ví dụ trường hợp biến đổi làm việc khơng xác, điện áp xoay chiều lớn đưa đến PLC làm hỏng hệ thống, hầu hết mạch xử lý làm việc với điện áp 5V chiều Do phải có mạch cách ly để bảo vệ mạch PLC Mạch cách ly thường sử dụng ghép nối quang, Tín hiệu chuẩn hóa mức logic để đưa vào hệ thống Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối vào: PLC Đầu vào +V - Đến đệm + LED Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối vào 1.1.3.4 Khối ghép nối Khối ghép nối hoạt động tương tự khối ghép nối vào: tín hiệu chiều chuẩn từ PLC qua mạch biến đổi đến đầu vật lý, cho phép điều khiển trực tiếp tải chiều xoay chiều công suất nhỏ với mức điện áp khác Bộ ghép nối quang sử dụng để tránh cho mạch bên PLC khỏi ảnh hưởng thiết bị bên Từ đệm Mạch logic Mạch cách ly tĩnh điện Mạch giao tiếp Hình 1.4: Sơ đồ mạch ghép nối Đầu Mạch giao tiếp sử dụng rơle, tranzitor, triac cho phép nối trực tiếp PLC với tải công suất nhỏ Khi nối đầu với tải cơng suất lớn cần có mạch cơng suất bên ngồi Mạch giao tiếp kiểu rơle: tín hiệu từ PLC sử dụng để điều khiển rơle, có khả chuyển mạch dịng điện lớn mạch tải Ngồi rơle cịn có chức cách ly PLC với mạch ngồi Rơle có khả chịu tải thời gian ngắn Tuy nhiên, nhược điểm rơle tốc độ chuyển mạch chậm Mạch rơle sử dụng cho tải chiều xoay chiều +V PLC Từ mạch logic Đầu LED Hình 1.5: Mạch giao tiếp kiểu rơle Mạch giao tiếp kiểu tranzitor: tín hiệu từ PLC điều khiển tranzitor làm việc chế độ khóa Ưu điểm tranzitor tốc độ chuyển mạch nhanh Nhưng dễ bị hư hỏng tải chuyển từ trạng thái thông sang khóa Do phải sử dụng mạch bảo vệ Mạch tranzitor dùng cho điện áp chiều +V LED Từ mạch logic Đầu PLC Hình 1.6: Mạch giao tiếp kiểu tranzitor ... nhanh PLC điều khiển máy riêng lẻ, mà ngày trở thành thành phần quan trọng dây truyền sản xuất công nghiệp, hệ thống điều khiển giám sát với phát triển chuẩn truyền thông công nghiệp Có số thuật... control) Bộ điều khiển lập trình ý tưởng nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968 nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển cơng nghiệp Ban đầu sử dụng để thay cho hệ thống điều khiển sử dụng rơle Cùng... chuyên dụng) nạp vào nhớ PLC Sau đó, PLC thực trình điều khiển đối tượng theo logic chương trình lưu nhớ Bằng cách thay đổi chương trình nhớ thay đổi logic điều khiển hệ thống Như vậy, áp dụng hệ