Giáo trình PLC cơ bản (Nghề Điện công nghiệp CĐTC)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: PLC CƠ BẢN NGÀNH, NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257 /QĐ-TCĐN-ĐT ngày 13 tháng năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 MỤC LỤC ĐỀ MỤC Trang Lời tựa Mục lục Giới thiệu mô đun Sơ đồ mối liên hệ mô đun môn học Các hình thức học tập Bài Đại cương điều khiển lập trình 1.1 Tổng quát điều khiển 1.2 Điều khiển nối cứng điều khiển lập trình 1.3 So sánh PLC với thiết bị điều khiển thông thường khác 1.4 Các ứng dụng PLC thực tế Bài Cấu trúc phương thức hoạt động PLC 2.1 Cấu trúc PLC 2.2 Thiết bị điều khiển lập trình S7 - 200 2.3 Địa ngõ vào / 2.4 Cấu trúc nhớ S7 – 200 2.5 Xử lý chương trình Bài Kết nối dây PLC thiết bị ngoại vi 3.1 Kết nối dây PLC thiết bị ngoại vi 3.2 Kiểm tra việc nối dây phần mềm 3.3 Cài đặt sử dụng phần mềm Step 7-Micro/win 3.2 Bài Các phép toán nhị phân PLC 4.1 Các liên kết logic 4.2 Các lệnh ghi / xóa giá trị cho tiếp điểm 4.3 Timer 4.4 Counter 4.5 Các tập ứng dụng 10 Bài Các phép toán số PLC 5.1 Chức truyền dẫn 5.2 Chức so sánh 5.3 Chức dịch chuyển 5.4 Chức chuyển đổi 5.5 Chức toán học 10 11 11 12 13 15 16 16 19 20 21 23 27 27 35 37 39 39 49 55 66 71 81 81 83 85 86 89 11 Bài Xử lý tín hiệu analog 98 6.1 Tín hiệu analog 98 6.2 Biểu diễn giá trị analog 98 6.3 Kết nối ngõ vào / analog 6.4 Hiệu chỉnh tín hiệu analog 6.5 Giới thiệu mô đun analog PLC S7 200 12 Bài PLC hãng khác 7.1 PLC hãng Omron 99 101 103 107 107 7.2 PLC hãng Mitsubishi 7.3 PLC hãng Siemens (trung bình lớn) 7.4 Hãng ALLENBRADLEY 7.5 Hãng TELEMECANIQUE 13 Bài Lắp đặt mơ hình điều khiển PLC 8.1 Giới thiệu 8.2 Cách kết nối dây 8.3 Tóm tắt mơ hình tập ứng dụng 14 Tài liệu tham khảo 111 114 115 116 117 117 118 119 165 GIỚI THIỆU VỀ MƠ ĐUN Vị trí, ý nghĩa, vai trị mơ đun: Ngày khoa học kỹ thuật ngày phát triển Trong xí nghiệp có nhiều hệ thống máy sản xuất sử dụng điều khiển lập trình Trên giới có nhiều hãng sản xuất điều khiển lập trình khác hãng: Siemens, Omron, Telemecanique, Allen Bredlay, Về chúng có tính tương tự, tài liệu đề cập sâu đến điều khiển lập trình lọai nhỏ S7 – 200, sử dụng nhiều Việt Nam Mô đun kỹ thuật điều khiển lập trình (PLC bản) mô đun chuyên môn học viên ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp Mô đun nhằm trang bị cho học viên trường công nhân kỹ thuật trung tâm dạy nghề kiến thức điều khiển lập trình, với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Mô đun làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Mục tiêu mơ đun Sau hồn tất mơ đun này, học viên có lực: Trình bày ngun lý hệ điều khiển lập trình PLC; So sánh ưu nhược điểm với điều khiển có tiếp điểm lập trình cỡ nhỏ khác  Phân tích cấu tạo phần cứng nguyên tắc hoạt động phần mềm hệ điều khiển lập trình PLC  Thực kết nối dây PC - CPU thiết bị ngoại vi  Thực số tốn ứng dụng đơn giản cơng nghiệp  Lắp đặt, sửa chữa phần động lực cho mạch điều khiển sử dụng PLC  Phân tích luận lý số chương trình đơn giản  Lắp ráp mạch bảo vệ tín hiệu hệ thống điều khiển nói  Thực ứng dụng dân dụng công nghiệp Mục tiêu thực mô đun  Học xong mơ đun này, học viên có lực:       Trình bày nguyên lý hệ điều khiển lập trình PLC; So sánh ưu nhược điểm với điều khiển có tiếp điểm lập trình cỡ nhỏ khác theo nội dung Phân tích cấu tạo phần cứng nguyên tắc hoạt động phần mềm hệ điều khiển lập trình PLC Thực kết nối dây PC - CPU thiết bị ngoại vi theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện Phân tích xác luận lý số chương trình đơn giản Lắp ráp thành thạo mạch bảo vệ tín hiệu hệ thống điều khiển nói đảm bảo kỹ thuật an toàn Thực số tốn ứng dụng đơn giản cơng nghiệp theo u cầu Nội dung mơ đun: Mơ đun PLC gồm nội dung sau: Bài Đại cương điều khiển lập trình Bài Cấu trúc phương thức họat động PLC Bài Kết nối dây PLC thiết bị ngọai vi Bài Các phép toán nhị phân PLC Bài Các phép toán số PLC Bài Xử lý tín hiệu analog Bài PLC hãng khác Bài Lắp đặt mơ hình điều khin bng PLC sơ đồ mối liên hệ mô-đun môn học chương trình máy đIện -17 cung cấp đIện - 19 vẽ kt khí- 10 q -dây máy đIện -18 trang bị đện - 26 kü thuËt nguéi - 12 trang bÞ đIện - 21 ĐầU VàO Plc -27 kü tht ®IƯn - 08 kü tht sè - 25 vật liệu đIện -13 k-thuật cảm biến - 24 Các môn học chung ĐầU RA Thực tập sản suất khí ®IƯn - 14 ®IƯn tư øng dơng - 23 Chính trị - 01 đo lường đIện - 16 PHáP LUậT - 02 kt lắp đặt đIện - 20 vÏ ®IƯn - 11 THĨ CHÊT - 03 t-h trang bị đIện - 22 đIện tử - 09 Q phßNG - 04 TIN HäC - 05 thiÕt bị đIện gd - 15 ANH VĂN - 06 Một mô-đun bổ trợ Atlđ - 07 Ghi chỳ: K thut điều khiển lập trình (PLC bản) mô đun chuyên môn ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp Trước học mô đun học viên phải hồn tất mơ đun trang bị điện 1, kỹ thuật số, kỹ thuật cảm biến, vi tính qua kiểm tra đầu vào Mọi học viên phải học đạt kết chấp nhận kiểm tra đánh giá thi kết thúc đặt chương trình đào tạo CÁC HÌNH THỨC HỌC TẬP CHÍNH TRONG MƠ ĐUN Học lý thuyết phòng học chuyên dùng Học thực hành xưởng Tự học nhà tham quan thực tế Yêu cầu đánh giá hoàn thành mô đun Yêu cầu kiến thức: Cấu trúc hoạt động PLC; Kết nối dây PLC thiết bị ngoại vi, an toàn cho PLC  Các phép toán nhị phân PLC  Các phép tốn số PLC  Xử lý tín hiệu analog Các họ PLC khác  Yêu cầu kỹ       Sử dụng thành thạo thiết bị huấn luyện mơ hình, học cụ phòng PLC Kết nối thành thạo PLC thiết bị ngọai vi Thực tốn theo lập trình tuyến tính, lập trình theo cấu trúc Thử máy thực Sử dụng thành thạo chương trình mơ Kiểm tra/xác định hư hỏng có Thực số tốn ứng dụng đơn giản công nghiệp Công cụ đánh giá     Lý thuyết: - Sử dụng ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm - Ngân hàng đáp án để tạo đề thi Thực hành: - Thực tập thiết bị lập trình - Thực tập mơ hình thực tập Bảng tiêu chí đánh giá Thời gian qui định Sản phẩm đánh giá: Các kiểm tra, thi, thực hành  Phương pháp đánh giá: - Có thể đánh giá theo trình Yêu cầu thái độ   Nghiêm túc, tích cực, chủ động học tập Chấp hành nghiêm chỉnh nội qui xưởng Bài 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1.1 Tổng quát điều khiển: Trong ứng dụng công nghệ khoa học vào sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng suất lao động giải đường tăng mức độ tự động hóa q trình thiết bị sản xuất nhằm mục đích tăng sản lượng, cải thiện chất lượng độ xác sản phẩm Tự động hóa sản xuất nhằm thay phần toàn thao tác vật lý công nhân vận hành máy thông qua hệ thống điều khiển Những hệ thống điều khiển điều khiển trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần tác động nhiều người vận hành Điều đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có khả khởi động, kiểm sốt, xử lý dừng trình theo yêu cầu đo đếm giá trị xác định nhằm đạt kết mong muốn sản phẩm đầu máy hay thiết bị Một hệ thống gọi hệ thống điều khiển Trong kỹ thuật tự động điều khiển, điều khiển chia làm loại: - Điều khiển nối cứng - Điều khiển logic khả trình (PLC) Một hệ thống điều khiển tạo thành từ thành phần: - Khối vào - Khối xử lý – điều khiển - Khối xử lý Hình 1.1 : Các thành phần hệ thống điều khiển +Khối vào: Để chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, chuyển đổi nút nhấn, cảm biến, điện trở đo sức căng.v.v… tùy theo chuyển đổi mà tín hiệu khỏi khối vào có dạng ON/OFF (Binary) dạng liên tục (Analog) Bộ chuyển đổi Cơng tắc (Switch) Cơng tắc hành trình (Limit switch) Bộ điều chỉnh nhiệt (Thermostat) Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Đại lượng đo Sự dịch chuyển/ vị trí Đại lượng Điện áp nhị phân(on/off) Sự dịch chuyển/ vị trí Điện áp nhị phân(on/off) Nhiệt độ Điện áp nhị phân Nhiệt độ Điện áp thay đổi 11 Nhiệt trở (Thermister) Tế bào quang điện (Photo cell) Tế bào tiệm cận (Proximity cell) Điện trở đo sức căng (Strain gage) Nhiệt độ Trở kháng thay đổi Ánh sáng Điện áp thay đổi Sự diện cuả đối Trở kháng thay đổi tượng Áp suất/ dịch chuyển Trở kháng thay đổi Bảng 1.1: Các dạng tín hiệu vào +Khối xử lý: Khối thay người vận hành thực thao tác đảm bảo q trình hoạt động Từ thơng tin tín hiệu khối vào hệ thống điều khiển phải tạo tín hiệu cần thiết để đáp ứng yêu cầu điều khiển xác định phần xử lý Tín hiệu điều khiển thực theo cách: - Dùng mạch điện nối kết cứng - Dùng chương trình điều khiển +Khối ra: Tín hiệu kết trình xử lý hệ thống điều khiển Các tín hiệu sử dụng để tạo hoạt động đáp ứng cho thiết bị ngõ Thiết bị ngõ Động điện Xy lanh, Piston Solenoid Lò xấy/ lò cấp nhiệt Van Rơ le Đại lượng Chuyển động quay Chuyển động thẳng/áp lực Chuyển động thẳng/áp lực Nhiệt Tiết diện cửa van thay đổi Tiếp điểm điện/chuyển động vật lý có giới hạn Đại lượng tác động Điện Dầu ép/khí ép Điện Điện Điện/dầu ép/khí ép Điện Bảng 1.2 Các dạng cấu tác động ngõ 1.2 Điều khiển nối cứng điều khiển lập trình: Trong điều khiển nối cứng, thành phần chuyển mạch rơ le, contactor, công tắc, đèn báo, động cơ,vv…được nối cố định với Toàn chức điều khiển, cách tiến hành chương trình xác định qua cách thức nối rơ le, công tắc, …với theo sơ đồ thiết kế Khi muốn thay đổi lại hệ thống phải nối dây lại cho hệ thống điều khiển nên hệ thống phức tạp việc làm địi hỏi tốn nhiều thời gian, chi phí nên hiệu đem lại khơng cao OFF ON Hình 1.2 Bộ điều khiển nối cứng đơn giản 12 Trong công nghiệp, ứng dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào sản xuất nên nhu cầu tự động hóa ngày tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng đủ yêu cầu: - Dễ dàng thay đổi chức điều khiển dựa thiết bị cũ - Thiết bị điều khiển dễ dàng làm việc với liệu, số liệu - Kích thước vật lý gọn gàng, dễ bảo quản, dễ sửa chữa - Hoàn toàn tin cậy môi trường công nghiệp Hệ thống điều khiển để đáp ứng yêu cầu phải sử dụng vi xử lý, điều khiển lập trình, điều khiển qua cổng giao tiếp với máy tính Bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển thơng qua ngơn ngữ lập trình Với chương trình điều khiển PLC tạo cho trở thành điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán, số liệu trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Các chương trình điều khiển định nghĩa tiếp điểm, cảm biến sử dụng để từ kết hợp với hàm logic, thuật toán giá trị xuất để điều khiển tác động khơng tác động đến cuộn dây điều hành Trong trình hoạt động, tồn chương trình lưu vào nhớ tiến hành truy xuất trình làm việc Chương trình Ngõ vào Input BộBộ nhớ Nhớ Ngõ Output Hình 1.3 Bộ điều khiển logic khả trình 1.3 So sánh PLC với thiết bị điều khiển thông thường khác Hiện nay, hệ thống điều khiển PLC thay cho hệ thống điều khiển Relay, Contactor thông thường Ta thử so sánh ưu khuyết điểm hai hệ thống trên: Hệ thống điều khiển thông thường: - Thô kệch có nhiều dây dẫn relay bảng điều khiển - Tốn nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt - Tốc độ hoạt động chậm 13 Thiết bị vô nước chai a Mô tả Mơ thiết bị vơ nước chai có cảm biến, cơng tắc hành trình chuyển động LED Ứng dụng: - PLC bản: Điều khiển tổ hợp logic - PLC nâng cao: Điều khiển trình tự Cách kết nối dây mục II b Cách vận hành mơ hình Sau nối dây mơ hình với PLC xong, thực viết chương trình theo tập đưa (có thể tự kiểm tra ngõ vào phần mềm (đối với S7-200 dùng bảng Status chart)) sau thực mơ với mơ hình Hai chai bìa bên phải xem chai rỗng Chai vị trí thứ ba xem chai đưa đến vị trí Nước chai dâng lên mơ đèn LED sáng dần Tùy vào sáng dần mà định thời gian làm đầy chai Khi chai đổ đầy nước băng tải vận chuyển chai hoạt động chai đầy tự động chuyển sang băng tải đưa chai vào két Một tín hiệu phát chai vị trí két Khi két đạt đến 12 khơng thể tự Reset Để xóa LED két phải ấn nút “Khởi động” Để hoạt động giống thực tế cần vô nước đến miệng chai phải dừng lại 1s để ổn định 151 c.Bảng ký hiệu Ký hiệu S1 S2 S3 S4 S5 K1 K2 K3 K4 K5 Địa I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Chú thích Giới hạn cần vơ nuớc, thường đóng Giới hạn cần vơ nước, thường đóng Cảm biến vị trí chai, thường hở Khởi động hệ thống, thường hở Chai vị trí két, thường hở Van xả nuớc Hạ cần vô nước xuống Nâng cần vô nước lên Băng tải vận chuyển chai rỗng Đèn báo két đầy c Bài tập mẩu: Thiết bị vô nước chai hoạt động sau: Trước vận hành thiết bị vơ nước chai chai rỗng phải đặt lên băng tải Nếu sau nút nhấn khởi động ( I0.3) tác động, băng tải vận chuyển chai rỗng với thời gian trì hoãn ban đầu 1s Băng tải dừng lại có chai đến cảm biến vị trí (I0.2) Bây cần vô nước hạ từ xuống, đến giới hạn (I0.1) dừng lại, sau 1s van xả mở đổ nước vào chai, van xả đóng lại chai đầy thời gian làm đầy kéo dài khoảng 3s Sau van xả đóng lại 1s cần vơ nước nâng lên, đến giới hạn (I0.0) dừng lại Sau 1s băng tải vận chuyển chai rỗng lại tiếp tục trình lặp lại Chai đổ đầy nước đưa sang băng tải đưa chai vào két băng tải chai rỗng hoạt động, chai vị trí két có tín hiệu phát (I0.4) Q trình lặp lăp lại số lượng chai két đủ 12 đèn báo sáng lên hệ thống dừng lại Quá trình lại bắt đầu nút nhấn khởi động tác động Hãy viết chương trình điều khiển kiểm tra mơ hình 152 Bài giải mẫu (Chương trình viết theo tổ hợp logic): Chương trình viết LAD 153 154 155 Chương trình viết STL: 156 157 Thiết bị trộn hóa chất a Mơ tả Mơ thiết bị trộn định lượng, sử dụng cảm biến analog để đo lượng chất lỏng chứa bình đo nhiệt độ bình Nhiệt độ lượng chất lỏng bình điều chỉnh trước phím chỉnh định bên ngồi Ứng dụng PLC nâng cao (điều khiển tuần tự, sử lý tín hiệu analog, phép toán, điều chỉnh điểm ) b Cách vận hành mơ hình Vài nét mơ hình: Đây mơ hình thiết bị trộn dùng cảm biến analog Mơ hình thiết kế cho PLC có gắn mơ đun ngõ vào analog có ngõ vào điện áp (0 10V) Tùy theo loại PLC tùy theo modul ngõ vào analog có mà đưa số tập phù hợp Ghi chú: Cảm biến đo nhiệt độ mơ hình thiết kế phụ thuộc V3 Có nghĩa V3 cung cấp điện nhiệt độ tăng dần từ khoảng 50C lên đến cực đại 1000C Nếu V3 điện nhiệt độ tự động giảm xuống từ từ Đối với cảm biến đo lượng chất lỏng, đo thời điểm với bơm chất lỏng Tức bơm A hoạt động bơm B phải ngưng ngược lại c Bảng ký hiệu 158 Ký hiệu AI1 AI2 AI3 AI4 ON OFF V1 V2 V3 V4 M1 Địa AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Chú thích Cảm biến nhận biết lượng chất lỏng bình Cảm biến nhận biết nhiệt độ bình Đặt chỉnh trước lượng chất lỏng cần thiết Đặt chỉnh trước nhiệt độ cần thiết Khởi động hệ thống, thường hở Dừng hệ thống, thường đóng Bơm chất lỏng A Bơm chất lỏng B Cung cấp nhiệt cho bình trộn Van xả chất lỏng Quạt trộn hóa chất d Bài tập mẫu: Thiết bị trộn hóa chất hoạt động sau: Có hai loại chất lỏng A B cần trộn với theo tỷ lệ 1/3 Nhiệt độ cần thiết để trộn hai chất đặt chỉnh AI4 Lượng chất lỏng muốn trộn đặt chỉnh AI3 Khi ấn nút khởi động “ON” bơm B hoạt động trước Sau chất lỏng A đạt đến mức cần thiết dừng lại (được nhận biết cảm biến AI1) Nhiệt độ bồn trộn tăng dần lên đến giá trị đặt (sai số cho phép 10%, nhận biết cảm biến AI2) bơm chất lỏng A hoạt động, đồng thời quạt bồn trộn quay Khi chất lỏng A đổ lượng cho phép bơm A dừng Quạt trộn tiếp tục quay khoảng thời gian 10s dừng lại Sau van xả tự động mở để xả chất lỏng trộn vào bồn chứa Quá trình lại bắt đầu, nút nhấn “ON” ấn Hệ thống dừng nhấn nút dừng “OFF” Hãy viết chương trình điều khiển bồn trộn 159 Bài giải mẫu: Chương trình viết LAD: 160 161 Chương trình viết STL: 162 163 164 TÀI LIỆU THAM KHẢO TT Tên sách Automatisieren mit SPS Theorie und Praxsis Stuerung von ELWE Anlagensimulationen (ASIMA) mit der SPS Eropa Lehrmittel Nhà xuất Viweg Westermamm Tự động hóa với Simatic S7 200 Kỹ thuật điều khiển lập trình Nhà XB Nơng Nghiệp Trung Tâm Việt – đức 165 Tác giả Guenter Wellenreuther Dieter Zastrow ELWE Profssor Dr.Guenter Springer Brechmann, Dzieia, Hoernemann, Huebscher, Jagla, Klaue Nguyễn Dõan Phước Phan Xuân Minh Trung Tâm Việt – đức ... điểm điện/ chuyển động vật lý có giới hạn Đại lượng tác động Điện Dầu ép/khí ép Điện Điện Điện/ dầu ép/khí ép Điện Bảng 1.2 Các dạng cấu tác động ngõ 1.2 Điều khiển nối cứng điều khiển lập trình: ... thích I0.1 Cơng tắc thường mở I0.2 Cơng tắc thường mở I0.3 Công tắc thường mở I0.4 Công tắc thường mở I0.5 Công tắc thường mở I0.6 Công tắc thường mở I0.7 Công tắc thường mở I0.8 Công tắc thường... đến điều khiển lập trình lọai nhỏ S7 – 200, sử dụng nhiều Việt Nam Mô đun kỹ thuật điều khiển lập trình (PLC bản) mô đun chuyên môn học viên ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp Mô đun nhằm