Bài giảng điều khiển logic và plc ppt

1 Tun Ni dung Giáo trình BT, TN,… 1 Chng I: Khái nim v iu khin Logic 1.1 Khái nim v iu khin Logic 1.2 Mô hình hóa các h thng ri rc 1.2.1 i s Bool 1.2.2 Automat hu hn 2 1.2.3 Petri net 1.2.4 State Charts 1.2.5 StateFlow 1.2.6 GRAFCET 3 1.3 Chun IEC 61131 và các b điu khin lp trình đc 1.3.1 PLC và ngôn ng lp trình theo chun 1.3.2 Các công c đt cu hình 1.3.3 n v t chc chng trình 1.3.4 Phng pháp cu hình đc bit 1.3.5 T chc PLCopen 4 Chng II: Mch logic t hp 2.1 nh ngha và phân loi 2.2 Tng hp mch logic t hp 2.2.1 Phng pháp đi s 2.2.2 Phng pháp ma trn Các nô Làm bài tp 5 2.2.3 Phng pháp Quine Mc. Clusky 6 Chng III: Mch logic tun t 3.1 Khái nim c bn v mch logic tun t 7 3.2 Tng hp mch logic tun t 3.2.1 Phng pháp ma trn trng thái Làm bài tp 8 3.2.1 Phng pháp ma trn trng thái (tip) 3.2.2 Phng pháp GRAFCET Làm bài tp 2 9 3.2.2 Phng pháp GRAFCET Làm bài tp 10 Chng IV: Tng quan v PLC 4.1 Gii thiu v PLC 4.2 Cu trúc phn cng 4.3 Hot đng ca PLC Làm thí nghim 11 4.4 Các lnh trong PLC Làm thí nghim 12 Chng V: K thut lp trình PLC 5.1 Thit k chng trình da vào lu đ 5.2 Thit k chng trình da vào trng thái Làm bài tp và thí nghim 13 5.3 K thut ghi dch 5.4 S dng biu đ chc nng tun t (SFC) Làm bài tp và thí nghim 14 Chng VI: Ghép ni và truyn thông vi PLC 6.1 Các thit b vào ra Làm thí nghim 15 6.2 Ghép ni vi PLC 6.3 Truyn thông vi PLC Chng VII: Mô hình hóa các s kin ri rc 7.1 FSM – Done 7.2 Petrinet - Done 7.3 State Charts & State Flow 3 CHNG 1: KHÁI NIM CHUNG V IU KHIN LOGIC 1.1 Khái nim v KLG Mt h thng có th đc coi là mt t hp các b phn tng tác ln nhau, đc t chc đ thc hin mt mc tiêu nào đó, thông thng là đ đt đc giá tr gia tng - thông qua quá trình thay đi các tính cht vt lý, hóa hc hay sinh hc, sp đt li v trí, trao đi thông tin – trên các loi nguyên liu thô, nng lng, bán thành phm, sc lao đng – trong các điu kin môi trng nht đnh. Nu nh các quá trình xy ra trong các điu kin nht đnh đu tuân theo nhng quy lut hóa lý hay sinh hc ca chính nó thì đ đm bo kt qu ca quá trình là các sn phm mong mun ta có th tác đng vào các điu kin này. Vic tác đng vào các điu kin đ quá trình xy ra nh mong mun gi là điu khin.  thc hin vic điu khin cn phi theo dõi các đi lng thay đi liên quan đn bn thân quá trình và các tham s th hin các điu kin mà quá trình đang xy ra thông qua các thit b đo nh các sensor. Các kt qu mong mun đc th hin nh các lng đt. Nh vy điu khin liên quan đn vic tip nhn các giá tr lng đt, các giá tr ca các tham s, các giá tr liên quan đn đi lng thay đi theo quá trình, x lý các thông tin này theo mt quy lut nào đó, sau đó đa ra các tín hiu tác đng lên quá trình. Nu theo dõi quá trình theo thi gian có th phân loi quá trình thành loi liên tc và loi ri rc. Quá trình là liên tc nu có th xác đnh hoc mô t đc các đi lng liên quan đn quá trình  mi đim theo thi gian, ví d quá trình thay đi nhit đ, thay đi áp sut, các phn ng hóa hc, … Quá trình là ri rc nu ch có th bit đc giá tr các đi lng liên quan đn quá trình  nhng thi đim nht đnh theo thi gian hoc thm chí không bit đc thi đim xut hin ca chúng. Loi sau này gi là các s kin. S kin ch cho thy s hin din ca chúng khi chúng xy ra.  có th điu khin, khng ch đc các quá trình, mt vn đ quan trng là có th có đc mô t toán hc ca chúng. S dng các công c toán hc đ mô t các quá trình gi là mô hình hóa. ây chính là quá trình dùng t duy trìu tng đ mô t các quá trình. Vi t duy trìu tng mt s quá trình có bn cht rt khác nhau li có th đc mô t bi các mô hình ging nhau, do đó đc nghiên cu bng các công c toán hc ging nhau. Các quá trình liên tc có th đc mô t bi h phng trình vi phân. Nh phép tính vi phân có th mô t đc s thay đi ca các đi lng quan tâm trong nhng khong thi gian nh tùy ý. Các h thng liên tc là đi tng nghiên cu ca lý thuyt điu khin t đng. c bit đi vi lp các h thng tuyn tính, đc mô t bi h phng trình vi phân tuyn tính, các phng pháp và công c nghiên cu đã đc phát trin và ng dng t lâu nay. i vi các h thng ri rc, vi cm nhn ban đu, có th ngh rng vic mô t và nghiên cu chúng s d dàng hn. Mt trong nhng cách tip cn ngây th nht đi vi h thng ri rc là có th lit kê đc ht nhng đáp ng có kh nng xy ra. Ví 4 d mt chic qut đin thông thng có th  trng thái chy hoc dng. Qut có th chy nu ta đóng công tc cp ngun đin cho đng c qut. Qut s dng nu ta ct công tc cp đin cho đng c. Hình dung v chic qut s phc tp dn lên nu b xung thêm nhng trng thái thc t khác. Ch đ chy có th cn phân bit thêm chy  tc đ nào, đn gin nht có th là qut có ba cp tc đ, 1, 2, 3. Khi trong ch đ chy có th có ch đ thay đi hng gió. Gia các cp tc đ c đnh có th có ch đ chuyn gia tc đ này sang tc đ khác và ngc li đ phng theo ch đ gió t nhiên, gây cm giác d chu. Nu hình dung chic qut này lp đt  mt v trí xa ngi s dng hoc đây là mt chic qut đ to nên s thay đi áp sut không khí trong mt dây chuyn công nghip s cn có mt b phn cm bin gió đ nhn bit qut có thc s hot đng hay không khi công tc ngun đã đóng.  tránh b nh hng khi đin áp li có s thay đi bt thng tín hiu t b cm bin gió (cm bin áp sut không khí) ch thc s đc x lý sau mt khong thi gian nht đnh, ví d sau 30s. Nhng bin đng nháy, mt đin áp ngun ngn 5 – 10s s không nh hng gì đn trng thái hot đng ca qut. Rõ ràng là đ mô t h thng xác thc hn, s lng các trng thái s tng lên nhanh chóng. Thc t, mt trong nhng khó khn ln khi nghiên cu các h ri rc là s lng các trng thái quá ln, đn mc ch cn lit kê ra chúng đã là không th, ngay c vi s tr giúp ca các máy tính hin đi. Khái nim v điu khin logic (Logic Control) liên quan đn các h thng ri rc, trong đó đáp ng ca quá trình ch có th bit đc  nhng thi đim nht đnh theo thi gian hoc khi nhng s kin xy ra. Thi đim s kin xy ra có th hoàn toàn không bit trc đc. áp ng ca h thng có th chu s nh hng ca tình trng trc đó cng nh ca các s kin nên các h thng loi này còn gi là h phn ng hay h tng tác (Reactive Systems). iu khin logic có th hiu là s la chn hay s đa ra quyt đnh, trong nhng hoàn cnh nht đnh, trong nhng điu kin nht đnh, cách tác đng vào quá trình đ có đc đáp ng nh mong mun. Trong thc t nhng tác đng vào các h ri rc có phm vi rt rng, đt ra nhng vn đ cn gii quyt cho quá trình điu khin, có th k ra sau đây: - H thng có th phi  trong các ch đ làm vic khác nhau, tuân theo lnh điu khin t bên ngoài. Ch đ đn gin nht có th thy là chy (Start), dng (Stop). - H thng có th phi chuyn t ch đ này sang ch đ khác theo mt trình t nht đnh, xác đnh bi mt s điu kin nht đnh. Cách thc hot đng này rt ph bin đi vi các quá trình công nghip. Ví d đ khi đng mt dây chuyn công ngh luôn đòi hi nhng trt t cht ch, b phn nào phi chy trc, b phn nào phi chy sau, cng nh tuân th quá trình tng tc theo quy lut nht đnh. iu tng t cng xy khi cn dng dây chuyn li. - m bo quá trình xy ra theo các trình t v thi gian nht đnh. m bo tính đng b là ví d v nhim v kiu này. 5 - Tng tác gia các b phn. Trong mt h thng các b phn có tng tác ln nhau, ch đ hot đng  khâu này có th to ra nhng điu kin nht đnh quy đnh hot đng ca các b phn khác. m bo nhng mi quan h này trong các h thng phân tán, kích c ln là mt nhim v không h d dàng. - Phn ng tc thi trc mt s s kin. S kin có th tham gia vào các hot đng bình thng, ví d nh mt chuyn đng đn mt công tc cui hành trình, cn phi dng li hoc chuyn đng ngc li, lnh điu khin đn khi mt nút bm chc nng nào đó tác đng, … S kin thng tham gia đm bo an toàn cho quá trình nh khi bánh rng truyn chuyn đng b v, vt l thâm nhp khu vc nguy him, hoc can thip tc thi ca ngi vn hành n nút dng khn cp khi thy có hin tng bt thng. iu khin logic đc nghiên cu trong nhiu lnh vc: - K thut tính toán (Computer Science); - Lp trình (Programming); - Mô phng (Simulation); - Truyn thông (Communication); - Các h thng điu khin công nghip (Industrial Control).  đây s ch quan tâm đn nhng vn đ ca điu khin logic trong các h thng điu khin công nghip, trong đó ngi k s cn thit k h thng điu khin đ đm bo quá trình xy theo đúng quy trình công ngh yêu cu, hot đng an toàn, tin cy, vi hiu qu cao nht. Tính hiu qu đc th hin bi s kt hp mt cách tit kim h thng trang thit b trong khi đm bo đc xác sut gia nhng ln dng máy nh (Mean Time Between Failures), máy móc d vn hành, d sa cha, tit kim nng lng, … Nhng thc đo hiu qu ca h thng thit b máy móc có th không d đánh giá ngay t khâu thit k ban đu nhng có tính đnh hng cho ngi k s khi tip cn các vn đ đi vi mt h thng điu khin công nghip. Nhim v thit k mt h thng điu khin logic tuân theo các bc ging nh các nhim v thit k bt k nào, đó là: 1. Phân tích quá trình đ làm rõ các yêu cu v công ngh mong mun; 2. Trên c s các yêu cu công ngh mong mun cn mô t đc h thng bng ngôn ng k s phù hp. Ngôn ng k s  đây đc hiu là mt công c mô t đc thù nào đó mà da trên kt qu mô t h thng, gi là mô hình, có th chuyn mô hình này sang dng ng dng đc thông qua các thit b phn cng cùng vi các phn mm cn thit; 3. Mô phng h thng. Vi nhng h thng phc tp hoc quan trng không th d dàng xây dng ngay các thit b th nghim, có th là do quá đt tin hoc quá 6 nguy him trong th nghim. Các công c mô phng trên máy tính ngày nay cho phép th nghim trên mô hình gn vi các đc đim thc t, t đó có đc nhng đc tính ca h thng cn quan tâm. 4. Trin khai h thng điu khin trên các thit b thc. Quá trình này ngày nay thng đi cùng vi vic thit k phn cng và xây dng các phn mm. Trong quá trình thit k cn phân bit đc thù ca các phng pháp k s vi các phng pháp nghiên cu c bn khác. Phng pháp k s nht thit phi đi đn đc các ng dng mà không nht thit phi đc gii thích ngn ngun bng các suy lun cht ch, nh trong t duy kiu toán hc. 1.2 Mô hình hóa các h thng ri rc Mô t các h thng ri rc t ra phc tp hn nhiu so vi các h thng liên tc. Mc đ phc tp th hin  ch ta có th ri rc hóa các quá trình đn mc đ nào.  mc đ tip cn ban đu quá trình có th ch phân chia ra theo mt vài ch đ làm vic, ví d nh chy và dng nh vi chic qut đã nói đn trên đây. Sau đó quá trình ri rc có th li tip tc đ phn ánh thc t mt cách chi tit hn. Gia các trng thái làm vic li có th có mi quan h vi nhau, có th xy ra đng thi hoc theo mt trt t nht đnh nào đó. Khi s lng các trng thái nhiu lên cùng vi các mi quan h gia chúng, rõ ràng vic xác đnh đc các đc tính, các tính cht ca h thng tr nên khó khn hn nhiu. Nu nh mc đích ca vic mô hình hóa h thng là đ suy lun ra đc, đoán trc đc các đáp ng ca h thng thì vic đa ra quá nhiu các kh nng đáp ng xy ra cng không giúp ích đc gì nhiu cho quá trình thit k h thng điu khin. 1.1.1 i s Bool Mt trong nhng công c toán hc có c s đy đ nht đã đc nghiên cu k lng là đi s Bool, theo tên ca nhà toán hc gia th k XIX Gorge Boole, hay còn gi là đi s logic [1]. Trong đi s Bool khái nim trìu tng đa ra có dng đn gin nht là coi s kin ch có th là có hoc không, tn ti hoc không tn ti, đúng hoc sai. Khái nim đn gin đúng hoc sai đc th hin bng hai ch s 1 và 0 to nên c s h đm c s 2, bin tt c các phép toán s hc c bn ch còn li là phép cng. V mt vt lý đúng hay sai có th đc thc hin bng mt mch đin đóng hay m hay vic to nên mc đin áp gia 0 – 5 V. Các khóa bán dn dùng tranzito có th d dàng thc hin đc các quá trình vt lý này đã to nên cuc cách mng ln là s ra đi ca các thit b đin t s, sau đó là máy tính đin t mà nh hng ca chúng đn mi mt đi sng, kinh t, k thut thì mi ngi đu bit. Mc dù da trên khái nim c bn nht là đúng hoc sai, 0 hoc 1, đi s Bool có kh nng mô t hàng lot các quá trình thc t. Các mi quan h logic phc tp nh 7 s la chn các tác đng cn thit trong mt t hp rt ln các tín hiu đu vào th hin qua các hàm logic. Các công c phân tích ca đi s Bool cho phép ti thiu hóa các phn t logic cn thit đ xây dng nên các b điu khin logic hu hiu là c s cho nhng ng dng thc t ca lý thuyt này. i s Bool là c s đ xây dng nên các mch đin tính toán, các vi mch logic đ phc hp cao (Complex Programmable Logic Device – CPLD) hay các mch t hp logic có th lp trình đc (Flexible Programmable Gate Array – FPGA), ngày càng đc ng dng rng rãi. Tuy nhiên trìu tng hóa đn mc coi mt cái gì đó ch là đúng hoc sai s là quá khiên cng khi mô t các quá trình thc t hoc s dn đn phi phân chia quá trình ra quá nhiu mc đ chi tit đn mc không th phân tích ni.  bù đp nhng khim khuyt này lnh vc đi s logic đã phát trin lên các hng chuyên sâu mi là logic m (Fuzzy Logic) và mng nron. Các bc phát trin cao hn ca logic đã t ra có nhng ng dng thc t quan trng và cn đn nhng nghiên cu chuyên sâu, ngoài phm vi mun đ cp đn  đây. Vi s phát trin ca k thut máy tính con ngi đã có nhng công c hu hiu khác đ mô t mt cách trìu tng nhng quá trình thc t mà không phi da trên t duy kiu toán hc. ó là nhng công c t duy bng ngôn ng hay bng hình nh.  đây mun nói đn các công c đ mô hình hóa các quá trình mt cách trc giác thông qua các loi đ th. 1.1.2 Automat hu hn (Finite State Machine - FSM) Automat hu hn hay là máy trng thái hu hn dùng ngôn ng hình nh, di dng đ th đ mô t các quá trình [2]. Các trng thái (state), th hin di dng đ th là mt hình khép kín, ch nht hay tròn, có th gi chung là qu bóng. Ni gia các trng thái là các mi tên ch kh nng chuyn t bc này sang bc khác (Transition).  th này đc gi là đ th trng thái (State graph). Mi mi tên ng vi mt điu kin logic cn kim tra hay là các tín hiu đu vào. FMS hot đng bt đu t mt trng thái ban đu, qua các bc chuyn ph thuc vào các điu kin logic có cho phép hay không, đn mt trng thái bt k nào đó nu có th. Nhng trng thái có th đn đc t trng thái ban đu trong đ th gi là trng thái đc phép. FMS có th đa ra tác đng đu ra ph thuc vào các đu vào và trng thái hin ti. Nu đánh s các trng thái và gán cho các điu kin logic các mc logic 0,1, có th biu din FMS di dng bng, rt thun li cho biu din di dng ký t, có th chuyn t môi trng son tho này sang môi trng khác mt cách d dàng. 8 Hình Error! No text of specified style in document 1 Ví d v FSM mô hình b điu khin thang máy. Ví d FSM cho trên hình 1.1. Gi s có b điu khin thang máy, ch có hai tng, tng 1: First; và tng ngm: Floor. Có hai lnh chuyn đng, lên: Up; và xung: Down. B điu khin có hai đèn ch th, đèn đ ch tng ngm: Red; và đèn xanh ch tng 1: Green. Mi đèn s sáng khi thang  tng tng ng.  th trên hình 1.1 gm hai qu bóng ch hai trng thái Floor và First. Tín hiu đu vào là hai lnh Up, Down. Hành đng cn thc hin khi  các trng thái là làm sáng đèn tng ng và tt đèn kia.  mi thi đim b điu khin s theo dõi tín hiu đu vào và thc hin bt, tt đèn nh mong mun. Nu coi đu vào: Up = 1; Down = 0; Trng thái: Floor = 0; First = 1; èn (tín hiu ra): On = 1; Off = 0, Có th lp bng trng thái nh sau: Bng Error! No text of specified style in document 1 Bng trng thái ca FSM trên hình 1.1. Trng thái u vào Trng thái tip theo èn đ Red èn xanh Green 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 FSM có th mô t h thng mt cách hu hiu, và đc ng dng trong thit k các mch đin t s, các th tc truyn thông [3]. Các phn mm thit k h thng s ngày nay cho phép khai báo các FMS phc tp và t đng hóa quá trình chuyn t mô 9 hình sang ng dng trên mch đin t rt thun tin. Trong các h thng t đng hóa phc tp State graph rt hay đc dùng, có th không phi đ thit k mà là đ mô t hot đng và các tng tác gia các b phn ca h thng. Mc dù FSM có công c toán hc c s là lý thuyt đ th, nó cng t ra còn nhiu hn ch, đó là mi trng thái đc coi là không chia nh ra đc na, dn đn s trng thái có th là rt ln cng nh là các bc chuyn gia chúng. 1.1.3 Petri Net Petri Net, đc phát minh bi Carl Adam Petri nm 1939 dùng đ mô t các quá trình hóa hc, là mt ngôn ng toán hc mô hình hóa cho các h thng phân tán [7]. Petri Net là mt đ th có hng, trong đó mi nt ca đ th th hin bc chuyn (transition, các s kin có th xy ra), ký hiu bng mt gch đng, và các v trí (ngha là các điu kin), ký hiu bng vòng tròn nh. Nhng cung có hng, ký hiu bng các mi tên, ni các nt vi các v trí và ngc li, th hin các v trí đã chun b các điu kin cho các bc chuyn xy ra. Các cung không bao gi ni gia cùng các v trí cng nh cùng các bc chuyn. Các cung ni t v trí đn bc chuyn gi là cung đu vào. Các cung ni bc chuyn vi v trí gi là các cung đu ra. Ti các v trí có mt s lng các token nào đó. S phân b các token ti các v trí gi là s đánh du. Bc chuyn s xy ra nu có token  tt c các cung đu vào. Khi chuyn các token s b đa sang đu cui ca tt c các cung đu ra. Khi có kh nng chuyn, tt c các bc chuyn đu có kh nng chuyn nh nhau, tuy nhiên không th bit là cái nào s chuyn vì mi ln ch có mt token đc chuyn đi. Vì các token có th phân b  các v trí khác nhau, thm trí nhiu token ti mt v trí, nên do tính không th bit trc ca mô hình PetriNet mô hình này có th mô t rt tt tình trng tranh chp (concurrent) ca h thng phân tán. Hình Error! No text of specified style in document 2 Ví d v Petri Net. Ging nh các ngôn ng dùng hình nh khác Petri Net cho phép mô t bng đ th các quá trình nhy cp, bao gm la chn, suy lun và các hot đng tranh chp. 10 Petri Net có đnh ngha toán hc chính xác cho các ng ngha ca nó và có nn tng lý thuyt đy đ đ phân tích nó. 1.1.4 Statecharts và stateflows o Statecharts Statecharts m rng kh nng ca FSM do David Harel đa ra trong nhng nm 1980 và công b 1987 [4, 5], có kh nng mô t nhng h thng ri rc kiu phn ng theo s kin phc tp nh h tính toán nhiu CPU, các th tc truyn thông và các h điu khin đin t trong t đng hóa. Statecharts s dng FSM c bn nhng b xung thêm ba khái nim c bn, đó là phân cp, tranh chp và qung bá truyn thông. Nh đó Statecharts vn gi nguyên đc nhng u đim do tính trc giác ca FSM mang li nhng m rng kh nng din t vi các mc đ chi tit khác nhau, làm cho đc tính ca nhng h rt ln đc mô t mt cách d hiu và qun lý đc. Khi s dng công c đ ha máy tính Statecharts có th tr thành mt môi trng mô t đng riêng, trong đó có th phân chia h thng thành các b phn chc nng và các đc tính dòng s liu liên quan đn mi b phn và xem xét đc tng tác gia các b phn vi nhau. Ví d v Statecharts cho trên hình 1.2 v ch đ ca đng h bm gi. Trong ch đ bm gi ta mun đng h ch th thi gian theo phút, chính xác đn phn trm giây, di dng: mm:ss:cc. Ch đ bm gi có th chy lp li (Lap) hoc ch bm gi mt ln (Lap_stop).  th gm hai trng thái Stop (dng) và Run (chy). Trong Stop có hai trng thái con là Reset (xóa ht) và Lap_stop (dng vòng lp). Trong trng thái Run có hai trng thái con là Running và Lap, ngoài ra còn cha mt đ th trng thái TIC thc hin vic đm gi chính xác đn phn trm giây (cent). Các trng thái đc kích hot nh nút bm đt ch đ, tng ng vi các tín hiu logic chy (START) và chy lp li (LAP). Các nút bm này nu bm tip s v ch đ trc đó. Ví d đang trong trng thái Reset, bm nút START s chuyn sang Running. Nu đang trong Running bm START ln na s v ch đ xóa ht Reset. Tín hiu START cng tác đng tng t gia trng thái vòng lp (Lap) và xóa vòng lp (Lap_stop). Trong các trng thái có th gn vi các hot đng (activities). Ví d trng thái Running có hot đng trong quá trình trng thái này tích cc, ký hiu là: during: /trong khi disp_cent=cent; /ch th phn trm giây disp_sec=sec; /ch th giây disp_min=min ; /ch th phút … . t (SFC) Làm bài tp và thí nghim 14 Chng VI: Ghép ni và truyn thông vi PLC 6.1 Các thit b vào ra Làm thí nghim 15 6.2 Ghép ni vi PLC 6.3 Truyn thông vi PLC Chng. Các lnh trong PLC Làm thí nghim 12 Chng V: K thut lp trình PLC 5.1 Thit k chng trình da vào lu đ 5.2 Thit k chng trình da vào trng thái Làm bài tp và thí nghim 13. đi s logic đã phát trin lên các hng chuyên sâu mi là logic m (Fuzzy Logic) và mng nron. Các bc phát trin cao hn ca logic đã t ra có nhng ng dng thc t quan trng và cn đn