Ở nước ta hiện nay, công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cơ khí – tự động hóa có nhiều bước phát triển vượt bậc, góp phần củng cố và xây dựng cơ sở vật chất hạ tầng cho nền kinh tế. Góp phần vào những nỗ lực này, các cán bộ, giảng viên và toàn thể các sinh viên của đại học Phạm Văn Đồng cũng đang từng bước đổi mới, nâng cao trình độ chuyên môn, nhằm tạo ra những bước chuyển lớn trong đào tạo và nâng cao chất lượng tạo. Từ những yêu cầu trên, nhóm biên soạn đã tập hợp từ nhiều tài liệu để biên tập thành bài giảng này. Tài liệu này được sử dụng cho sinh viên các lớp đại học tín chỉ với thời lượng 30 tiết. Chúng tôi hy vọng đây sẽ là tài liệu thiết thực cho các bạn sinh viên chuyên nghành Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí tại trường đại học Phạm Văn Đồng. Trong quá trình biên soạn, chắc chắn tài liệu không tránh khỏi có những sai sót. Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ Trường Đai học Phạm Văn Đồng. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ VÀ LẬP TRÌNH PLC Ths Phạm Văn Anh (Chủ biên) Ths Đào Minh Đức Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC LỜI NĨI ĐẦU Ở nước ta nay, cơng nghiệp hóa – đại hóa bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt khí – tự động hóa có nhiều bước phát triển vượt bậc, góp phần củng cố xây dựng sở vật chất hạ tầng cho kinh tế Góp phần vào nỗ lực này, cán bộ, giảng viên toàn thể sinh viên đại học Phạm Văn Đồng bước đổi mới, nâng cao trình độ chun mơn, nhằm tạo bước chuyển lớn đào tạo nâng cao chất lượng tạo Từ yêu cầu trên, nhóm biên soạn tập hợp từ nhiều tài liệu để biên tập thành giảng Tài liệu sử dụng cho sinh viên lớp đại học tín với thời lượng 30 tiết Chúng tơi hy vọng tài liệu thiết thực cho bạn sinh viên chuyên nghành Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí trường đại học Phạm Văn Đồng Trong q trình biên soạn, chắn tài liệu khơng tránh khỏi có sai sót Mọi góp ý xin gửi địa Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ - Trường Đai học Phạm Văn Đồng Chúng xin chân thành cảm ơn Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Chương ĐIỀU KHIỂN LOGIC Mục tiêu Chương trang bị cho sinh viên kiến thức đại số Boole, ứng dụng lý thuyết điều khiển logic như: Tối giản phương trình logic biến đối toán học bảng Karnaugh nắm vững phần tử điều khiển logic hệ thống thủy lực khí nén 1.1 Khái niệm Khái niệm “điều khiển” theo tiêu chuẩn DIN 19 226 (Cộng hịa liên bang Đức): q trình hệ thống, tác động hay nhiều đại lượng vào, đại lượng thay đổi theo quy luật định hệ thống Đặc trưng cho trình điều khiển mạch tác động hở (hệ thống điều khiển hở) Cấu trúc hệ thống điều khiển hở biểu diễn hình dưới: Hình 1.1 Hệ thống điều khiển hở Hệ thống có tín hiệu vào xe tín hiệu xa Ví dụ mạch điều khiển đơn giản xilanh khí nén: Hình 1.2 Mạch điều khiển xilanh Một hệ thống điều khiển bao gồm: thiết bị điều khiển đổi tượng điều khiển Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển + Đối tượng điều khiển loại thiết bị, máy móc + Thiết bị điều khiển bao gồm: phần tử đưa tín hiệu, phần tử xử lý điều khiển, cấu chấp hành + Tín hiệu điều khiển đại lượng xa thiết bị điều khiển đại lượng vào xe đối tượng điều khiển + Tín hiệu nhiễu z đại lượng tác động từ bên vào hệ thống gây ảnh hưởng xấu lên hệ thống Hình 1.4 Các phần tử mạch điều khiển Hình 1.5 Phân loại tín hiệu Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC - Khi tín hiệu thay đổi liên tục tương ứng với giá trị thơng tin biến đổi, gọi tín hiệu tương tự - Khi tín hiệu mà biên độ thay đổi gián đoạn, gọi tín hiệu rời rạc - Khi giá trị tín hiệu thay đổi định nghĩa dạng mã nhị phân, gọi tín hiệu số - Tín hiệu nhị phân tín hiệu số có hai giá trị (0 1) tín hiệu ba tín hiệu có ba giá trị Ví dụ: tín hiệu điều khiển khí nén phần lớn sử dụng tín hiệu nhị phân: Đóng mở, có khơng có khí nén… 1.2 Các phần tử logic Các phần tử logic ký hiệu theo tiêu chuẩn DIN 40 100 (cộng hòa liên bang Đức) ký hiệu bảng sau: Bảng 1.1 Phần tử mạch logic 1.2.1 Phần tử logic NOT (đảo) Phần tử logic NOT minh họa hình Khi nhấn nút b1 rơle c có điện, bóng đèn h điện ngược lại nhả b1, bóng đèn h có điện Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Hình 1.6 Phần tử logic NOT 1.2.2 Phần tử logic AND (và) Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c có điện, bóng đèn h sáng Hình 1.7 Phần tử logic AND 1.2.3 Phần tử logic NAND (và-đảo) Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c điện, bóng đèn h tắt Hình 1.8 Phần tử logic NAND Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC 1.2.4 Phần tử logic AND-NAND - Phần tử logic AND-NAND có tín hiệu h1 h2 Hai tín hiệu h1 h2 phủ định Hình 1.9 Phần tử logic AND-NAND 1.2.5 Phần tử logic AND-NAND với tín hiệu vào Sơ đồ mạch minh họa hình đây: Hình 1.10 Phần tử AND-NAND với tín hiệu vào Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC 1.2.6 Phần tử logic OR (hoặc) Đèn h sáng, nhấn nút b1 b2 Ký hiệu, sơ đồ bảng chân lý thể hình dưới: Hình 1.11 Phần tử logic OR 1.2.7 Phần tử logic NOR (hoặc-đảo) Khi tín hiệu nút b1 b2 thực hiện, đèn h tắt Đèn h sáng khơng có tín hiệu thực Hình 1.12 Phần tử logic NOR 1.2.8 Phần tử logic OR/NOR Phần tử logic OR/NOR với tín hiệu vào tín hiệu thể hình dưới: Trang Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Hình 1.13 Phần tử logic OR/NOR 1.2.9 Phần tử logic XOR (EXC-OR) Đèn h1 sáng, nút ấn b1 thực b2 thực Khi nhấn nút đồng thời, đèn h1 điện Hình 1.14 Phần tử logic XOR 1.3 Lý thuyết đại số BOOLE Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị tín hiệu vào thể dạng biến số đại số Boole 1.3.1 Các quy tắc đại số Boole a) Quy tắc hoán vị Các tốn tử b1 b2 hốn vị cho nhau: b1 ^ b2=b2 ^ b1; b1 v b2=b2 v b1 Trang 10 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC b) Quy tắc kết hợp b1 ^ b2 ^ b3 = (b1 ^ b2) ^ b3 = b1 ^ (b2 ^ b3 ) b1 v b2 v b3 = (b1 v b2) v b3 = b1 v (b2 v b3 ) c) Quy tắc phân phối Phép toán liên kết AND, OR, NOT kết hơp với nhau: ( b1 ^ b2) v (b3 ^ b4) = (b1 v b3) ^ (b1 v b4) ^ (b2 v b3) ^ (b2 v b4) ( b1 v b2) ^ (b3 v b4) = (b1 ^ b3) v (b1 ^ b4) v (b2 ^ b3) v (b2 ^ b4) b1 ^ (b2 v b3) = (b1 ^ b2) v (b1 ^ b3) b1 v (b2 ^ b3) = (b1 v b2) ^ (b1 v b3) d) Quy tắc nghịch đảo (Quy tắc Morgan) b1 b2 b1 b2 b1 b2 b1 b2 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 e) Quy tắc đơn giản liên kết Quy tắc đơn giản liên kết thể hình đây: Hình 1.15 Quy tắc đơn giản phép tốn f) Ví dụ minh họa Ví dụ 1.1: Từ phương trình logic sau đây: Trang 11 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Bảng 3.4 Tham số Kiểu liệu T no TIMER T S BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Start TV S5TIME I, Q, M, L, D Giá trị Preset timer R BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Reset BI WORD I, Q, M, L, D Giá trị cịn lại timer, dạng Vùng nhớ Mơ tả Chỉ số nhận biết timer interger BCD WORD I, Q, M, L, D Giá trị lại timer, dạng BCD Q BOOL I, Q, M, L, D Trạng thái timer Hình 3.17 Giản đồ thời gian timer On-Delay Ví dụ 3.6: Trang 84 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Hình 3.18 3.3.4.5 Timer On-Delay nhớ S_ODTS - Ký hiệu: - Các thuộc tính khối timer thể bảng đây: Bảng 3.5 Tham số Kiểu liệu Vùng nhớ Mô tả T no TIMER T Chỉ số nhận biết timer S BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Start TV S5TIME I, Q, M, L, D Giá trị Preset timer R BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Reset BI WORD I, Q, M, L, D Giá trị lại timer, dạng interger BCD WORD I, Q, M, L, D Giá trị lại timer, dạng BCD Q BOOL I, Q, M, L, D Trạng thái timer Trang 85 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Hình 3.19 Giản đồ thời giản Retentive On-Delay timer Ví dụ 3.7: Hình 3.20 3.3.4.6 Timer Off-Delay S_OFFDT - Ký hiệu: - Các thuộc tính khối timer thể bảng đây: Bảng 3.6 Tham số Kiểu Vùng nhớ Mô tả liệu T no TIMER T Chỉ số nhận biết timer S BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Start Trang 86 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC TV S5TIME I, Q, M, L, D Giá trị Preset timer R BOOL I, Q, M, L, D Đầu vào Reset BI WORD I, Q, M, L, D Giá trị lại timer, dạng interger BCD WORD I, Q, M, L, D Giá trị lại timer, dạng BCD Q BOOL I, Q, M, L, D Trạng thái timer Hình 3.21 Giản đồ thời gian timer S_OFFDT Ví dụ 3.8: Hình 3.22 3.3.4.7 Cuộn dây Timer xung -( SP ) - Ký hiệu: -( SP ) - Cuộn dây time xung: -(SP) Pulse Time Coil - Kiểu liệu: S5TIME; Vùng nhớ: I, Q, M, L, D Trang 87 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Ví dụ 3.9: Hình 3.23 3.3.4.8 Cuộn timer xung mở rộng: (SE) - Ký hiệu: (SE) - Kiểu liệu: S5TIME; Vùng nhớ: I, Q, M, L, D Ví dụ 3.10: Hình 3.24 3.3.4.9 Cuộn dây timer On-Delay -( SD ) - Ký hiệu: -( SD ) Trang 88 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC - Kiểu liệu: S5TIME; Vùng nhớ: I, Q, M, L, D Ví dụ 3.11: Hình 3.25 3.3.4.10 Cuộn dây timer On-Delay nhớ -( SS ) - Ký hiệu: -( SS ) - Kiểu liệu: S5TIME; Vùng nhớ: I, Q, M, L, D Ví dụ 3.12: Hình 3.26 3.3.4.11 Cuộn dây timer Off-Delay -( SF ) Trang 89 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Ký hiệu: -( SF ) Kiểu liệu: S5TIME; Vùng nhớ: I, Q, M, L, D Ví dụ 3.13: Hình 3.27 3.3.5 Counter Trong cơng nghiệp, đếm cần cho q trình đếm khác như: đếm số chai, đếm xe hơi, đếm số chi tiết, …Một word 16bit (counter word) lưu trữ vùng nhớ liệu hệ thống PLC dùng cho counter Số đếm chứa vùng nhớ liệu hệ thống dạng nhị phân có giá trị khoảng đến 999 Các phát biểu dùng để lập trình cho đếm có chức sau: + Đếm lên (CU = Counting Up): Tăng counter lên Chức thực có tín hiệu dương ( từ “0” chuyển xang “1” ) xảy ngõ vào CU Một số đếm đạt đến giới hạn 999 khơng tăng + Đếm xuống (CD = Counting Down): Giảm counter Chức thực có thay đổi tín hiệu dương ( từ “0” xang “1” ) ngõ vào CD Trang 90 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC + Một số đếm đạt đến giới hạn thì khơng cịn giảm Đặt counter ( S = Setting the counter): Counter đặt với giá trị lập trình ngõ vào PV có cạnh lên ( có thay đổi từ mưc “0” lên mức “1” ) ngõ vào S Chỉ có thay đổi từ “0” xang “1” ngõ vào S đặt giá trị cho counter lần + Đặt số đếm cho Counter ( PV = Presetting Value ): Số đếm PV word 16 bit dạng BCD Các toán hạng sau sử dụng PV là: Word IW, QW, MW,…Hằng số: C#0,…,999 + Xóa Counter ( R = Resetting the counter ): Counter đặt (bị reset) ngõ vào R có thay đổi tín hiệu từ mức “0” lên mức “1” Nếu tín hiệu ngõ vào R “0” khơng có ảnh hưởng đến đếm + Qt số số đếm: (CV, CV_BCD ): số đếm hành nạp vào ghi tích lũy ACCU số nhị phân (CV = Counter Value) hay số thập phân ( CV_BCD ) Từ chuyển số đếm đến vùng toán hạng khác + Quét nhị phân trạng thái tín hiệu Counter (Q): ngõ Q counter quét để lấy tín hiệu Nếu Q = “0” counter zero, Q = “1” số đếm counter lớn zero Biểu đồ chức năng: Hình 3.28 Trang 91 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC a) Up counter Hình 3.29 I0.2: đặt giá trị bắt đầu cho phép Counter đếm I0.0: Counter đếm lên I0.3: Reset Counter Q4.0 = giá trị Counter khác MW10: chứa giá trị bắt đầu đếm cho Timer b) Down counter Hình 3.30 I0.2: đặt giá trị bắt đầu cho phép Counter đếm I0.0: Counter đếm xuống I0.3: Reset Counter Trang 92 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Q4.0 = giá trị Counter khác MW10: chứa giá trị bắt đầu đếm cho Timer c) Up-Down Counter Hình 3.31 I0.2: đặt giá trị bắt đầu cho phép Counter đếm I0.0: Counter đếm lên I0.1: Counter đếm xuống I0.3: Reset Counter Q4.0 = giá trị Counter khác MW10: chứa giá trị bắt đầu đếm cho Timer Câu hỏi ôn tập Một hệ thống phân loại sản phẩm có cấu tạo sau: Trang 93 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC Cảm biến Cửa Cửa Cửa Cảm biến Cảm biến Cảm biến Hình 3.32 - Hệ thống phân loại chay theo chiều cao khác cảm biến vật cản xác định + Loại (Cao nhất, cảm biến điều lên mức 1): Sẽ theo đường + Loại (Cao thứ 2, cảm biến lên mức 1, cảm biến mức 0): Sẽ theo đường + Loại (Thấp nhất, có cảm biến lên mức 1, cảm biến mức 0): Sẽ theo đường - Việc chọn đường vị trí cửa gạt định Ngõ vào -> Start: I0.0, Stop: I0.1, CB 1: I0.2 , CB 2: I0.3, CB 3: I0.4 Ngõ -> Cửa mở sang 1: Q0.0, Cửa mở sang 3: Q0.1 Chú ý: Cảm biến quang bị chắn ngang lên mức Khoá lẩn điều khiển cửa gạt Cửa vị trí Q0.0 Q0.1 mức Cho: Đèn 1: Q0.1 Đèn 2: Q0.2 Đèn 3: Q0.3 - Start: I0.0, Stop: I0.1 - Viết chương trình điều khiển đèn theo trình tự: Trang 94 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC - Start -> Đèn sáng 1s -> Đèn sáng 1s -> Đèn sáng 1s -> Đèn sáng 2s -> Đèn sáng 2s -> Lặp lại - Stop -> Dừng chương trình Một bầy gia súc 300 con, phân chuồng khác nhau, chuồng 100 Gia xúc theo đường chung phân chuồng 100 - Nhấn Start -> Mở cổng cho gia súc vào (100 con) -> đóng cổng 1, mở cổng (100 con) -> đóng cổng 2, mở cổng (100 con) -> đóng cổng Cử a1 Cửa Cửa Cử a3 Hình 3.33 -Viết chương trình điều khiển (dùng PLC S7-300) Viết chương trình điều khiển bóng đèn sáng bóng Mỗi bóng sáng thời gian giây tắt Viết chương trình điều khiển bóng đèn sáng đếm nhị phân từ 0b00000000 đến 0b11111111 Trang 95 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Phương (2008), Hệ thống điều khiển khí nén, NXB Giáo dục, Hà Nội [2] Nguyễn Ngọc Phương (2008), Hệ thống điều khiển thủy lực, NXB Giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Mạnh Tùng (2007), Điều khiển logic PLC, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ [4] Trần Xuân Tùy (2007), Điều khiển thủy khí điều khiển PLC, Trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng [5] Phạm Đắp, Trần Xuân Tùy (1998), Điều khiển tự động lĩnh vực khí, Nhà xuất Giáo dục [6] Siemen, Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming, Reference Manual Trang 96 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương ĐIỀU KHIỂN LOGIC 1.1 Khái niệm 1.2 Các phần tử logic 1.2.1 Phần tử logic NOT (đảo) 1.2.2 Phần tử logic AND (và) 1.2.3 Phần tử logic NAND (và-đảo) 1.2.4 Phần tử logic AND-NAND 1.2.5 Phần tử logic AND-NAND với tín hiệu vào 1.2.6 Phần tử logic OR (hoặc) 1.2.7 Phần tử logic NOR (hoặc-đảo) 1.2.8 Phần tử logic OR/NOR 1.2.9 Phần tử logic XOR (EXC-OR) 10 1.3 Lý thuyết đại số BOOLE 10 1.3.1 Các quy tắc đại số Boole 10 1.3.2 Biểu đồ Karnaugh 17 1.3.3 Phần tử nhớ 22 1.4 Biểu diễn phần tử logic khí nén 24 1.4.1 Phần tử NOT 24 1.4.2 Phần tử OR NOR 24 1.4.3 Phần tử AND NAND 24 1.4.4 Phần tử EXC-OR 25 1.4.5 Phần tử RS-FF 25 1.4.6 Phần tử thời gian 26 Câu hỏi ôn tập 27 Chương HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 28 Trang 97 Bài giảng: Điều khiển thủy khí lập trình PLC 2.1 Thiết kế mạch khí nén cho quy trình xi lanh 28 2.2 Thiết kế mạch khí nén cho quy trình với xilanh 37 2.3 Thiết kế mạch khí nén với phần tử nhớ trung gian 43 2.4 Điều khiển theo tầng 48 2.5 Điều khiển theo nhịp 53 Câu hỏi ôn tập 58 Chương LẬP TRÌNH PLC 59 3.1 Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Control) 59 3.1.1 Giới thiệu PLC 59 3.1.2 Phân loại 61 3.1.3 Các điều khiển phạm vi ứng dụng 61 3.1.4 Các lĩnh vự ứng dụng PLC 62 3.1.5 Các ưu điểm sử dụng hệ thống điều khiển với PLC 62 3.1.6 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình 63 3.2 Các thiết bị logic chuẩn 65 3.2.1 Các tính PLC S7-300, S7-200 65 3.2.2 Các mudule PLC S7300, S7 200 66 3.2.3 Các vùng liệu, vùng nhớ, quy định liệu địa PLC 69 3.3 Thiết kế chương trình cho PLC 76 3.3.1 Các lệnh vào 76 3.3.2 Các lệnh ghi xóa trực tiếp giá trị cho tiếp điểm 76 3.3.3 Các lệnh logic đại số Boole 77 3.3.4 Timer 79 3.3.5 Counter 90 Câu hỏi ôn tập 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 MỤC LỤC 97 Trang 98