Giáo trình PLC cơ bản

Giáo trình Giáo trình PLC cơ bản gồm có những nội dung chính sau: Bài 1: Đại cương về điều khiển lập trình; Bài 2: Cấu trúc và phương thức hoạt động của PLC; Bài 3: Kết nối giữa PLC và thiết bị ngoại vi; Bài 4: Các phép toán nhị phân của PLC; Bài 5: Phép toán số của PLC; Bài 6: Xử lý tín hiệu analog; Bài 7: Các bài tập ứng dụng trong điều khiển động cơ. Mời các bạn cùng tham khảo.

LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng nghiệp u cầu tự động hố ngày tăng, địi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng yêu cầu Để giải nhiệm vụ điều khiển thực phương pháp điều khiển Rơle, khởi động từ thực chương trình nhớ Hệ điều khiển Rơle hệ điều khiển lập trình có nhớ khác phần xử lý: thay dùng Rơle, tiếp điểm dây nối phương pháp lập trình có nhớ chúng thay mạch điện tử Như thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay phần mạch điện điều khiển khâu xử lý số liệu Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển người ta cần thay đổi mạch điều khiển cách lắp lại mạch, thay đổi phần tử hệ thống điều khiển Rơle điện Trong khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ta cần thay đổi chương trình soạn thảo hệ điều khiển lập trình có nhớ ưu việt hệ thống điều khiển sử dụng PLC Giáo trình PLC viết cho học sinh học nghề, hệ Cao Đẳng nghề ngành Điện tử công nghiệp, tài liệu quan trọng giúp học sinh trình học nghề Giáo trình viết tích hợp theo chương trình khung hệ Cao đẳng nghề Điện tử cơng nghiệp BLĐTB&XH Trong q trình biên soạn tài liệu lựa chọn từ nhiều nguồn khác nhau, nhiều bạn đọc khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chỳng tụi mong nhận tham gia đóng góp từ người học , chuyên gia, thầy giáo để giáo trình ngày hồn thiện đáp ứng nhu cầu người học bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Bài 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH Tổng quan điều khiển 1.1 Điều khiển, hệ thống điều khiển Trên thực tế ngành sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng suất lao động số lượng chất lượng sản phẩm giải đường gia tăng mức độ tự động hố q trình thiết bị sản suất Việc tự động hố nhằm mục đích tăng sản lượng hoặc cải thiện chất lượng độ xác sản xuất Những hệ thống có khả khởi động, kiểm sốt, dừng trình sản xuất theo yêu cầu giám sát đo đếm giá trị biến xác định trình nhằm đạt kết mong muốn sản phẩm đầu máy thiết bị gọi hệ thống điều khiển Quá trình tự động hoá sản xuất nhằm thay phần tồn thao tác vật lý cơng nhân vận hành máy móc, thiết bị thơng qua hệ thống điều khiển Những hệ thống điều khiển tự động hố điều khiển q trình sản xuất với độ tin câỵ cao, ổn định mà khơng cần cần can thiệp người 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Một hệ thống điều khiển mô tả theo sơ đồ khối sau: Khối vào Khối xử lý Khối Xử lý Điều khiển Bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ vào Cơ cấu tác động Tín hiệu vào Kết xử lý Hình 1-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Khối vào: Các tín hiệu vào thường qua chuyển đổi để chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện (đã chuyển đổi chuẩn hố) Các chuyển đổi nút nhấn (Button), công tắc (Switch), cảm biến (sensor) cảm biến nhiệt hay điện trở đo sức căng … tuỳ theo loại chuyển đổi mà tín hiệu khỏi chuyển đổi dạng số (tiếp điểm) dạng liên tục (Analog) Khối xử lý: Thay người vận hành thực thao tác đảm bảo q trình hoạt động có điều khiển, nhận thơng tin tín hiệu từ khối vào xử lý tín hiệu vào theo luật đặt theo u càu cơng nghệ xuất tín hiệu đến khối để thực tác động đến thiết bị Khối ra: Tín hiệu kết q trình xử lý hệ thống điều khiển Các tín hiệu sử dụng để tạo hoạt động đáp ứng cụ thể cho máy thiết bị ngõ động cơ, van, xy lanh khí nén hay dầu ép, bơm, rơ le… Chẳng hạn động biến đổi tín hiệu điện thành chuyển động quay ( thiết bị ngõ có dạng chuyển đổi vào theo chiều ngược lại) Các thiết bị ngõ làm việc với tín hiệu dạng on/off tín hiệu liên tục Từ thơng tin tín hiệu đầu vào hệ thống điều khiển tự động phải tạo tín hiệu cần thiết đáp ứng yêu cầu điều khiển xác định phận xử lý Yêu cầu điều khiển thực theo hai cách: dùng mạch điện kết nối cứng, dùng chương trình điều khiển Mạch điện kết nối cứng dùng trường hợp yêu cầu điều khiển không thay đổi, phần tử hệ thống kết nối với theo mạch cố định Trong đó, hệ thống dùng chương trình điều khiển hoạt động theo chương trình lập sẵn lưu nhớ, chương trình điều chỉnh cần thiết thay chương trình khác 1.3 Các phương pháp điều khiển 1.3.1 Hệ thống điều khiển hở (Open loop control system): Đối với hệ thống hở khâu đo lường không dùng đến Sự thay đổi tín hiệu đầu khơng phản ánh thiết bị điều khiển Sơ đồ hình (1-2) hệ thống điều khiển hở Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở lý thuyết rơ le ( Relay) lý thuyết aptomat hữu hạn Dạng điều khiển đơn giản điều khiển vòng hở ý tưởng điều khiển thiết lập hệ thống hoạt động đạt đến mức độ xác cần thiết cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động ngõ hệ thống Khơng có tín hiệu phản hồi đến điều khiển để xác định điều chỉnh tín hiệu ra, hệ thống dùng điều khiển dạng cho tín hiệu với sai số lớn Tín hiệu vào Controller Object Tín hiệu Ví dụ: Hình 1-2 Hệ thống điều khiển vịng hở Hình 13: sơ đồ điều khiển động DC Trong sơ đồ tốc độ động phụ thuộc vào tín hiệu đặt cịn chịu ảnh hưởng tải.Tải nặng quay chậm ngược lại Đặt tín hiệu điều khiển control signal DCmotor Driving torque Tải (load) output speed Hình 1-3 Điều khiển động kiểu vòng hở 1.3.2 Hệ thống điều khiển kín (Closed loop control system) Hệ thống điều khiển kín hệ thống điều khiển phải có tín hiệu phản hồi (Feed back) có nghĩa tín hiệu đo lường đưa thiết bị điều khiển Tín hiệu phản hồi kết hợp với tín hiệu vào để tạo tín hiệu điều khiển để khống chế đầu theo mong muốn Sơ dồ khối hệ điều khiển kín mơ tả hình 1-4 Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín lý thuyết điều khiển tự động Hệ thống ĐKTĐ hệ thống xây dựng từ ba phận chủ yếu: - Thiết bị điều khiển C (Controller) Thiết bị điều khiển tất hệ thống điều khiển thể hệ rơ le contactor hay PLC - Đối tượng điều khiển O (Object) - Thiết bị đo lường M (Measuring device) Noise R Y X e Controller Object Z Measuring device Hình 1- 4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Các tín hiệu tác động hệ thống: R - (Refrence) tín hiệu đặt hay tín hiệu chủ đạo Y - tín hiệu OUTPUT X - Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (Object) thường gọi tín hiệu vào khâu e - Sai lệch điều khiển (error) Z- Tín hiệu phản hồi Đơi kí hiệu F ( Feed back) N- Tín hiệu nhiễu (Noise) tác động từ vào hệ thống Hệ điều khiển kín hệ điều khiển tự động tức để đạt vấn đề điều khiển tự động hệ thống định phải có khâu phản hồi Trong hệ truyền động tín hiệu phản hồi thường lấy tín hiệu từ đầu sau đối tượng điều khiển ví dụ cảm biến nhiệt hệ điều khiển nhiệt độ, phản hồi tốc độ để ổn định tốc độ động cơ… 1.4 Thiết bị điều khiển lập trình (PLC) 1.4.1 Lich ̣ sử phá t triể n: Thiế t bi ̣ điề u khiể n lâ ̣p trı̀ nh đầ u tiên (programmable controller) đã đươ ̣c nhữ ng nhà thiế t kế cho đờ i năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ) Tuy nhiên, ̣ thố ng nà y cò n khá đơn giả n và cồ ng kề nh, ngườ i sử du ̣ng gă ̣p nhiề u khó khăn viê ̣c vâ ̣n hà nh ̣ thố ng Vı̀ vâ ̣y cá c nhà thiế t kế từ ng bướ c cả i tiế n ̣ thố ng đơn giả n, go ̣n nhe ̣, dễ vâ ̣n hà nh, viê ̣c lâ ̣p trı̀ nh cho ̣ thố ng cò n khó khăn, lú c nà y không có cá c thiế t bi ̣lâ ̣p trı̀ nh ngoa ̣i vi hổ trơ ̣ cho công viê ̣c lâ ̣p trı̀ nh Để đơn giả n hó a viê ̣c lâ ̣p trı̀ nh, ̣ thố ng điề u khiể n lâ ̣p trı̀ nh cầ m tay (Programmable Controller Handle) đầ u tiên đươ ̣c đờ i và o năm 1969 Điề u nà y đã ta ̣o mô ̣t sự phá t triể n thâ ̣t sự cho kỹ thuâ ̣t điề u khiể n lâ ̣p trı̀ nh Trong giai đoa ̣n nà y cá c thố ̣ ng điề u khiể n lâ ̣p trı̀ nh (PLC) chı̉ đơn giả n nhằ m thay thế ̣ thố ng Relay và dây nố i ̣ thố ng điề u khiể n cổ điể n Qua quá trı̀ nh vâ ̣n hà nh, cá c nhà thiế t kế đã từ ng bướ c ta ̣o đươ ̣c mô ̣t tiêu chuẩ n mớ i cho ̣ thố ng, tiêu chuẩ n đó là lập trı̀ nh dù ng giả n đồ hı̀ nh thang,ký hiê ̣u là LAD Trong nhữ ng năm đầ u thâ ̣p niên 1970, nhữ ng ̣ thố ng PLC cò n có thêm khả khác, đó là sự hỗ trơ ̣ bở i nhữ ng thuâ ̣t toá n, vâ ̣n hà nh vớ i cá c dữ liê ̣u câ ̣p nhâ ̣t Mă ̣t khá c, sự phá t triể n củ a mà n hı̀ nh dù ng cho má y tı́ nh nên viê ̣c giao tiế p giữ a ngườ i điề u khiể n để lâ ̣p trı̀ nh cho ̣ thố ng cà ng trở nên thuâ ̣n tiê ̣n Sự phá t triể n củ a ̣ thố ng phầ n cứ ng và phầ n mề m từ năm 1975 cho đế n đã là m cho ̣ thố ng PLC phá t triể n ma ̣nh mẽ vớ i cá c chứ c mở rô ̣ng: ̣ thố ng ngõ và o/ra có thể tăng lên đế n 8.000 cổ ng và o/ra, dung lươṇ g bô ̣ nhớ chương trı̀ nh tăng lên 128.000 từ bô ̣ nhớ (word of memory) Ngoà i cá c nhà thiế t kế cò n ta ̣o kỹ thuâ ̣t kế t nố i vớ i cá c ̣ thố ng PLC riêng lẻ thà nh mô ̣t ̣ thố ng PLC chung, tăng khả củ a từ ng ̣ thố ng riêng lẻ Tố c đô ̣ xử lý củ a ̣ thố ng đươ ̣c cả i thiê ̣n, chu kỳ qué t (scan)nhanh là m cho ̣ thố ng PLC xử lý tố t vớ i nhữ ng chứ c phứ c ta ̣p số lươṇ g cổ ng ra/và o lớ n Trong tương lai ̣ thố ng PLC không chı̉ giao tiế p vớ i cá c ̣ thố ng khá c thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điề u khiể n cá c ̣ thố ng: Robot, Cad/Cam… mà cá c nhà thiế t kế cò n xây dựng cá c loa ̣i PLC vớ i cá c chứ c điề u khiể n thông minh go ̣i là cá c siêu PLC (super PLC) 1.4.2 Đặc điểm PLC: PLC (Programmable Logic Controller) thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực linh họat thuật toán điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình PLC sử dụng nhiều lập trình ứng dụng khác có lợi ích như: - PLC dễ dàng thay thay đổi chương trình điều khiển để thích ứng u cầu mà giữ nguyên thiết kế phần cứng, đầu nối dây… - PLC điều khiển nhiều chức khác từ thao tác đơn giản, lặp lại, liên tục đến thao tác địi hỏi xác, phức tạp - PLC dễ dàng hiệu chỉnh xác cơng việc điều khiển xử lý nhanh chóng lệnh, từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm (Counter), định thời (time), chương trình (SBS) v.v… - Giao tiếp dễ dàng với thiết bị ngoại vi, module thiết bị phụ trợ hình hiển thị - Có khả chống nhiễu công nghiệp - Ngôn ngữ lập trình cho PLC đơn giản, dễ hiểu Với ưu điểm thiết bị PLC trở thành thiết bị việc điều khiển thiết bị cơng nghiệp Điều khiển nối cứng điều khiển lập trỡnh Trong công nghiệp yêu cầu tự động hoá ngày tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng yêu cầu Để giải nhiƯm vơ ®iỊu khiĨn ng­êi ta cã thĨ thùc hiƯn hai cách: thực nối cứng: Rơle, khởi động từ thực chương trình nhớ, điều khiển lập trình Hệ điều khiển Rơle hệ điều khiển lập trình có nhớ khác phần xử lý: thay dùng Rơle, tiếp điểm dây nối phương pháp lập trình có nhớ chúng thay cách mạch điện tử Như thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay phần mạch ®iƯn ®iỊu khiĨn kh©u xư lý sè liƯu NhiƯm vụ sơ đồ mạch điều khiển xác định số hữu hạn bước thực xác định gọi "chương trình" Chương trình mô tả bước thực gọi tiến trình điều khiển, tiến trình lưu vào nhớ nên gọi "điều khiển lập trình có nhớ" Trên sở khác khâu xử lý số liệu ta cã thĨ biĨu diƠn hai hƯ ®iỊu khiĨn nh­ sau: 2.1 Phương pháp điều khiển nối cứng C¸c b­íc thiết lập sơ đồ điều khiển nối cứng ( Điều khiển rơ le): Xác định nhiệm vụ điều khiển Sơ đồ mạch điện Chọn phần tử mạch điện Dây nối liên kết phần tử Kiểm tra chức Hình 1-5: Lưu đồ điều khiển dùng Rơle Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển người ta cần thay đổi mạch điều khiển cách lắp lại mạch, thay đổi phần tử hệ thống điều khiển Rơle ®iƯn Trong ®ã thay ®ỉi nhiƯm vơ ®iỊu khiển ta cần thay đổi chương trình soạn thảo ®èi víi hƯ ®iỊu khiĨn b»ng lËp tr×nh cã nhí 10 Sự khác hệ điều khiển Rơle điện lập trình có nhớ minh hoạ b»ng mét vÝ dơ sau: §iỊu khiĨn hƯ thèng máy bơm nước qua khởi động từ K1, K2, K3 Trình tự điều khiển sau: Các máy bơm hoạt động nghĩa K1 đóng trước tiếp đến K2 cuối K3 đóng Để thực nhiệm vụ theo yêu cầu mạch điều khiển ta thiết kế sau: Trong nút ấn S1, S2, S3, S4 phần tử nhập tín hiệu Các tiếp điểm K1, K2, K3 mối liên kết phần xử lý Các khởi động từ K1, K2, K3 kết xử lý S1 S2 K1 S3 K2 S4 K1 K1 K2 K3 K2 K3 Hình 1-6: Sơ đồ điều khiển 2.2 Phng pháp điều khiển lập trình Để thiế t kế chuơng trı̀ nh điề u khiể n lập trình cho mô ̣t hoa ̣t đô ̣ng bao gồ m nhữ ng bướ c sau: B1: Xá c đinh ̣ qui trı̀nh công nghê:̣ Trướ c tiên, ta phả i xá c đinh ̣ thiế t bi ̣hay ̣ thố ng nà o muố n điề u khiển Mu ̣c đı́ch cuố i cù ng củ a bô ̣ điề u khiể n là điề u khiể n mô ̣t ̣ thố ng hoa ̣t đô ̣ng Sự vâ ̣n hà nh củ a ̣ thố ng đươ ̣c kiể m tra bở i cá c thiế t bi ̣ đầ u và o Nó nhâ ̣n tı́ n hiê ̣u và gở i tı́ n hiê ̣u đế n CPU, CPU xử lý tı́ n hiê ̣u và gở i nó đế n thiế t bi ̣ xuấ t để điề u khiể n sự hoa ̣t đô ̣ng củ a ̣ thố ng lâ ̣p trı̀ nh sẵ n chương trı̀ nh B2: Xá c đinh ̣ ngõ và o, ngõ ra: Tấ t cả cá c thiế t bi ̣ xuấ t, nhâ ̣p bên ngoà i đề u đươ ̣c kế t nố i vớ i bô ̣ điề u khiể n lâ ̣p trı̀nh Thiế t bi ̣ nhâ ̣p là nhữ ng contact, cả m biế n Thiế t bi ̣ xuấ t là nhữ ng cuô ̣n dây, van điê ̣n từ , motor, bô ̣ hiể n thi.̣ 11 Sau xá c đinh ̣ tấ t cả cá c thiế t bi ̣xuấ t nhâ ̣p cầ n thiế t, ta đinh ̣ vi cá ̣ c thiế t bi va ̣ ̀o tương ứ ng cho từ ng ngõ và o, PLC trướ c viế t chương trı̀ nh B3: Viế t chương trı̀nh, sửa lỗi: Khi viế t chương trı̀ nh theo sơ đồ hı̀ nh bâ ̣c thang (ladder ) phả i theo sự hoa ̣t đô ̣ng tuầ n tự từ ng bướ c củ a ̣ thố ng, theo da ̣ng STL Sau tiến hành sửa lỗi có B4: Na ̣p chương trı̀nh và o bô ̣ nhớ : Chú ng ta có thể cung cấ p nguồ n cho bô ̣ điề u khiể n có lâ ̣p trı̀ nh thông qua cổ ng I/O Sau đó na ̣p chương trı̀ nh và o bô ̣ nhớ thông qua má y tı́ nh có chứ a phầ n mề m lâ ̣p trı̀ nh hı̀ nh thang Sau na ̣p xong, kiể m tra la ̣i bằ ng hà m chuẩ n đoá n Nế u đươ ̣c mô phỏ ng toà n bô ̣ hoa ̣t đô ̣ng củ a ̣ thố ng để chắ c chắ n rằ ng chuơng trı̀ nh đã hoa ̣t đô ̣ng tố t B5: Cha ̣y chương trı̀nh: Trướ c nhấ n nú t Start, phả i chắ cchắ n rằ ng cá c dây dẫn nố i cá c ngõ và o, đế n cá c thiế t bi nhâ ̣ ̣p, xuấ t đã đươ ̣c nố i đú ng theo chı̉ đinh ̣ Lú c đó PLC mớ i bắ t đầ u hoa ̣t đô ̣ng thực sự Trong cha ̣y chương trı̀ nh, nế u bi lỗ ̣ i thı̀ má y tı́ nh sẽ bá o lỗ i , taphả i sữ a la ̣i cho đế n nó hoa ̣t đô ̣ng an toà n Sau là lưu đồ phương phá p thiế t kế bô ̣ điề u khiể n: 12 Xá c đinh ̣ yêu cầ u củ a ̣ thố ng điề u khiể n Vẽ lưu đồ chung củ a ̣ thố ng điề u khiể n Liê ̣t kê tấ t cả cá c ngõ ra, ngõ và o nố i tương đố i đế n cá c cổ ng I/O củ a PLC Chuyể n lưu đồ sang sơ đồ hı̀ nh thang Na ̣p lâ ̣p trı̀ nh sơ đồ hı̀ nh thang thiế t kế cho PLC Mô phỏ ng chương trı̀ nh và sử a lỗi phầ n mề m Hiê ̣u chı̉ nh chương trı̀ nh cho phù hơp̣ Chương trı̀ nh OK Kế t nố i toà n bô ̣ thiế t bi ̣ và o, vớ i PLC Kiể m tra tấ t cả cá c tiế p điể m và o, 13 ... vi mạch - Kiểm tra trình sản xuất 18 Bài 2: CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA PLC Cấu trúc hoạt động PLC 1.1 Cấu trúc phần cứng PLC PLC Pa-len lâp trình Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ liệu Bộ... lập trình PLC sử dụng nhiều lập trình ứng dụng khác có lợi ích như: - PLC dễ dàng thay thay đổi chương trình điều khiển để thích ứng u cầu mà giữ nguyên thiết kế phần cứng, đầu nối dây… - PLC. .. cá c loa ̣i PLC vớ i cá c chứ c điề u khiể n thông minh go ̣i là cá c siêu PLC (super PLC) 1.4.2 Đặc điểm PLC: PLC (Programmable Logic Controller) thiết bị điều khiển lập trình, cho phép