Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên máy tính PC Personal Computer được mở rộng với các tính năng thực, nay đã có thể điều khiển các quá trình tự động hoá phức tạp.. Cá
Trang 1thống điều khiển trung tâm hoặc những máy tính trung tâm thông qua một phần của mạng truyền dẫn Với mục đích để tổ hợp việc điều khiển một quá trình xử lý phức tạp
Ngày nay, với những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ siêu nhỏ đem lại hiệu năng cao và tối thiểu hoá kích thước, chúng đã mở ra thị trường mới cho PLC Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên máy tính PC (Personal Computer ) được mở rộng với các tính năng thực, nay đã có thể điều khiển các quá trình tự động hoá phức tạp
Nhiều loại PLC khác nhau bao trùm nhiều chức năng, từ các máy tính mạng nhỏ và các khối phân tán cho tới các PLC hiệu năng cao, ít lỗi, có tính modul Chúng khác nhau về tốc độ xử lý, khả năng nối mạng hoặc các modul vào ra Các PC hiện đại
đã cho phép phát triển công cụ lập trình PLC nhanh chóng trong vòng 10 năm qua Các phương pháp lập trình PLC truyền thống như danh sách lệnh, logic bước hoặc sơ
đồ hàm hệ thống điều khiển, cho tới nay đang được áp dụng mạnh mẽ và đang trên con đường đạt tới đỉnh cao của nó
2.3.4 Ưu điểm của PLC
Với khả năng lập trình đơn giản, cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính Đến nay bộ điều khiển PLC đạt được những ưu thế cơ bản trong việc ứng dụng
điều khiển các dây truyền công nghệ:
• Chuẩn bị vào tác động nhanh
• Độ tin cậy cao và ngày càng tăng
• Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo chương trình
• Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản
• Xử lý tư liệu tự động
• Khả năng tái tạo
• Tiết kiệm không gian
• Sự cải biến thuận tiện
• Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt
• Có thể tính toán được giá thành
Trang 2Khoa cơ điện - 50 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
• ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng
+ So sánh với hệ thống điều khiển logic thông thường (dạng kinh điển) thì hệ thống điều khiển dùng PLC có những chỉ tiêu ưu việt hơn hẳn:
Chỉ tiêu Điều khiển Logic
kinh điển
Điều khiển Logic khả trình
Phần tử điều khiển (Phần cứng) Mục đích đặc biệt Mục đích chung Phạm vi điều khiển Nhỏ và trung bình Trung bình và lớn
Độ tin cậy Phụ thuộc vào thiết kế
Hiệu quả kinh tế Ưu điểm ở vùng hoạt
động công suất nhỏ
Ưu điểm với mọi vùng hoạt động
2.3.5 Hiệu quả kinh tế của PLC
Khi sử dụng một phương án nào trong điều khiển tự động thì ngoài yếu tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến tính kinh tế của phương án đó để xem phương án
có thể khả thi hay không? Nếu phương án đó khả thi thì cả hai yếu tố kinh tế kỹ thuật đều phải đảm bảo
Do PLC ra đời thay thế cho hệ rơle nên việc so sánh PLC và hệ rơle đã được các nhà đầu tư tính toán và đưa ra kết quả dưới đây:
Trang 3Từ hình 2.3.5 có thể thấy rằng: Về mặt kinh tế, việc sử dụng PLC kinh tế
hơn hệ Rơle rất nhiều ở quy mô sản xuất lớn, vì tổng chi phí của một hệ PLC thấp hơn so với tổng chi phí cho một hệ Rơle
Về mặt kỹ thuật, thì việc sử dụng bộ PLC có một hạn chế là phải dùng đội ngũ nhân viên kỹ thuật trình độ cao thì mới có thể thiết kế lập trình và thao tác bộ PLC Tuy nhiên với tính năng hơn hẳn hệ rơle, người ta đã sử dụng PLC thay thế cho hệ rơle Dưới đây chúng tôi đưa ra một số ưu, nhược điểm về mặt kỹ thuật của hai hệ điều khiển này:
Điều khiển bằng Rơ Le Điều khiển bằng PLC
Ưu điểm
+ Nắm biết được và độ tin cậy
trong một thời gian dài
Ưu điểm
+ Độ tin cậy cao nhờ sử dụng các phần
tử tiếp xúc
Hình 2.8: So sánh kinh tế Rơle và PLC
Trang 4Khoa cơ điện - 52 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
+ Nắm biết đươc độ tin cậy
+ Nhiều bộ phận đã tiêu chuẩn
hoá
+ Rất ít nhạy cảm với nhiễu
+ Kinh tế nhất đối với hệ thống
nhỏ
+ Thay đổi dễ dàng qua công nghệ phích cắm
+ Lắp đặt đơn giản
+ Thay đổi nhanh quy trình điều khiển
mà không cần thay đổi phần cứng
+ Kích thước nhỏ
+ Có thể nối với mạng máy tính
Nhược điểm
+ Thời gian lắp đặt lâu ( nối dây,
nối mạch)
+ Thay đổi quy trinh rất khó
khăn do phải đổi lại phần cứng
của hệ thống
+ Khó theo dõi và kiểm tra các
hệ thống lớn, phức tạp
+ Có hư hao trong sử dụng, do đó
cần bảo dưỡng thường xuyên
+ Kích thước lớn
Nhược điểm
+ Giá thành tạo dựng cao
+ Ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ
"đóng", mỗi hãng sản xuất có một ngôn ngữ riêng, dẫn đến khó khăn cho việc trao đổi ngôn ngữ lập trình
Những ưu điểm trên đây của bộ điều khiển PLC so với bộ điều khiển bằng rơle đã cho phép nó có mặt hầu hết trong quá trình điều khiển từng máy, thiết bị sản xuất độc lập hoặc cả một dây chuyền sản xuất lớn Và đặc biệt bộ điều khiển PLC đã thay thế hoàn toàn bộ điều khiển bằng rơle trong những quá trình điều khiển quan trọng của quá trình sản xuất
2.3.6 ứng dụng của PLC
Đối với mỗi hệ thống điều khiển, PLC đều có những chức năng khác nhau để
Trang 5ứng dụng vào hệ thống đó Dưới đây chúng tôi xin trình bày chức năng của PLC
đối với từng kiểu điều khiển
Điều khiển chuyên gia giám sát
+ Thay cho điều khiển rơle
+ Thời gian đếm
+ Thay cho các panel điều khiển mạch in + Điều khiển tự động, bán tự động, bằng tay các máy và các quá trình
Điều khiển dãy
+ Thực hiện các phép toán số học
+ Cung cấp thông tin
+ Điều khiển liên tục (Nhiệt độ áp xuất) + Điều khiển động cơ chấp hành
+ Điều khiển động cơ bước
Điều khiển mềm dẻo
+ Điều hành quá trình và báo động
+ Phát hiện lỗi và điều hành
+ Ghép nối với máy tính (RS232/RS242) + Ghép nối với máy in
+ Mạch tự động hoá xí nghiệp
Trong việc điều khiển, chức năng của PLC còn được thể hiện ở chỗ:
- thu nhận các tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (Từ các cảm biến)
- Liên kết ghép nối và đóng mở mạch phù hợp với chương trình
- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu được
- Phát triển các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp
• Chúng tôi có thể liệt kê một số ứng dung thông dụng của PLC:
- Hệ thống cấp nhiên liệu
- Hệ thống điều khiển băng truyền
- Điều khiển dây truyền đóng gói
- Điều khiển chuyển động của Robot
Trang 6Khoa cơ điện - 54 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
- Công nghệ giấy
- Chế tạo kính
- Sản xuất xi măng
- Công nghệ in
- Xử lý thực phẩm
- Các máy công cụ
- Sản xuất thuốc lá
- Công nghiệp giấy và nghiền
- Điều khiển quá trình tháo rót
- Thiết bị xử lý hoá chất
- Điều khiển thiết bị điều hoà không khí
- Điều khiển thiết bị xử lý giám sát
- Dây truyền chế tạo linh kiện điện - điện tử
- Nhà máy hoá dầu
- Hệ thống điều khiển đèn giao thông
- Hệ thống điều khiển ga xe lửa
- Nhà máy chế tạo Ôtô
- Hệ thống điều khiển an toàn
- Hệ thống điều khiển thang máy
- Hệ thống điều khiển nhà máy điện
- Luyện phôi chế tạo thép
- Tự động hoá trong xây dựng
- Điều khiển máy khoan
- Tự động hoá trong nông nghiệp
2.3.7 Cấu trúc cơ bản của PLC
• Cấu trúc cơ bản của PLC nói chung
Thiết bị lập trình
Bộ nhớ
Giao Giao
Trang 7• Bộ sử lý trung tâm (CPU)
Được xây dựng từ các vi sử lý (8 bit, 12 bit hoặc 32 bit) có các bộ nhớ chương trình RAM, ROM Thông thường nó có 2 cổng giao diện với thiết bị ngoại
vi là máy tính (PC) và bộ lập trình
Bộ xử lý trung tâm ghép nối vào - ra qua 3 BUS : BUS dữ liệu, BUS điều khiển và BUS địa chỉ
Chức năng của bộ vi xử lý trung tâm trong PLC là : Điều khiển và kiểm soát các chương trình được lưu dữ trong bộ nhớ một cách tuần tự Nó liên kết các tín hiệu lại với nhau theo quy định và từ đó đưa ra các lệnh cho đầu ra Sự thao tác tuần
tự của chương trình dẫn đến 1 thời gian trễ, khi đó bộ đếm của chương trình quét qua 1 chương trình đầy đủ rồi sau đó lại lặp lại Thời gian của chu kì này được gọi
là "thời gian quét" và phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ
• Bộ nhớ chương trình
Thường là các bộ phận lưu trữ điện tử như : RAM, PROM, hoặc EPROM Chương trình điều khiển khi tải xuống từ thiết bị lập trình, chúng sẽ được giữ lại trong các bộ nhớ này
Hình 2.9: Sơ đồ khối của PLC
Trang 8Khoa cơ điện - 56 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
Để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn đột ngột, ta phải cung cáp 1 nguồn dự phòng cho các bộ nhớ này
Trong thiết kế người ta thường chia bộ nhớ thành từng modul để cho phép
điều khiển các chương trình có kích thường khác nhau Khi cần mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thêm các thẻ nhớ điện tử vào các panel của PLC
• Modul đầu vào
Chứa các bộ lọc và bộ thích ứng năng lượng Nó có chức năng chuẩn bị các tín hiệu của phần tử đầu vào dưới dạng tín hiệu tương tự hoặc số, sau đó chuyển và CPU để xử lý
Để thuận tiện trong việc điều khiển, các modul đầu vào được thiết kế để có thể nhận nhiều đầu vào và mỗi đầu vào thường được trang bị 1 điốt phát quang để kiểm tra hư hỏng
• Modul đầu ra
được cấu tạo như modul đầu vào Nó có chức năng truyền các thông tin đến các phần tử kích hoạt cho các thiết bị làm việc Vì vậy modul đầu ra được thiết kế
để thích hợp với nhiều mạch phối ghép khác nhau
Việc kiểm tra, quan sát trực quan được thể hiện qua các điot phát quang ở mỗi đầu ra
• Bộ nguồn cung cấp
thông thường nguồn cung cấp cho PLC được cấp từ nguồn 220V ~ hoặc 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz) hoặc 24V 1 chiều Bộ nguồn sẽ cho ra các ngồn ổn định cao, cấp cho CPU, hoặc cho modul đầu vào và modul đầu ra
2.3.8 Cấu trúc cơ bản của PLC S7 - 200 với khối xử lý CPU224
• Kết nối với máy tính:
Để có thể lập trình điều khiển hệ thống và nạp S7-200 cần phải kết nối nó với
máy tính theo sơ đồ như sau:
Q0.0 ữ Q2.7
Module mở rộng
Trang 9
• Cấu hình cứng CPU 224
Do thiết bị điều khiển chúng tôi sử dụng trong đề tài là CPU 224, vì vậy chúng tôi chỉ trình bày cấu trúc của CPU 224
CPU 224 có đầy đủ tính năng của các CPU phiên bản trước cùng với những cải tiến đáng kể về kỹ thuật
• Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224
Hình2.11: Mô hình phần cứng CPU224
Đèn báo
Cổng
truyền thông
Đầu ra
Đầu vào
Nối Modul
mở rộng Nguồn vào
Hộp công tắc
Trang 10Khoa cơ điện - 58 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
- Bộ nhớ chương trình : 8KB
- Bộ nhớ dữ liệu: 5 KB
- Ngôn ngữ chương trình : LAD, FBD, STL
- Bảo vệ chương trình : 3 mức password bảo vệ
- 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao(30 kHz), bộ đếm A/B(tối đa 20 kHz), có thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và lùi
- 128 bộ Timer chia làm 3 loại có độ phân giải khác nhau: 4 bộ Timer 1ms,
16 bộ Timer 10 ms, 236 Timer 100 ms
- Số đầu vào ra: có 14 đầu vào số, 10 đầu ra số
- Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào tương tự, 7 đầu ra tương
tự với 7 modul mở rộng tương tự và số
- 2 bộ điều chỉnh tương tự
- 2 đầu phát xung tốc độ cao, tần số 20 kHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc PWM Việc kết hợp đầu ra số tốc độ cao và bộ đếm tốc độ cao có thể sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển có phản hồi tốc độ
- Tốc độ xử lý logic 0.37 μs
- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao, và ngắt truyền xung
• Mô tả các đèn báo trên CPU
- SP(đèn đỏ ): Đèn đỏ báo hiệu hệ thống bị hỏng
- RUN(đèn xanh): Đèn xanh chỉ định PLC làm việc và chương trình được nạp vào máy
- STOP:(đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng, dừng chương trình đang thực hiện lại
- Ix.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng vào Ix.x Đèn này báo tín hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
- Qx.x(đèn xanh): Đèn này báo hiệu trạng thái tức thời của cổng ra Qx.x,trạng thái tín hiệu đầu ra theo giá trị logic của cổng
Trang 11• Cổng truyền thông
S7 - 200 sử dụng cổng RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC khác.Tốc độ truyền cho máy lập trình (kiểu PPI) là 9600 baud Tốc độ cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 đến
38400 baud
S7 - 200 khi ghép nối với máy lập trình PG702 hoặc các máy lập trình thuộc
họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI Cáp đó kèm theo máy lập trình
Ghép nối máy tính PC qua cổng RS 232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232 /RS 485
• Công tắc chọn chế độ làm việc cho CPU 224
Công tắc chọn chế độ làm việc có ba vị trí cho phép lựa chọn các chế độ làm việc khác nhau cho CPU 224
- RUN cho phép PLC thực hiện chương trình.PLC S7 200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP ,thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN Nên quan trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo
- STOP cưỡng bức PLC dừng công việc thực hiện chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp lại chương trình mới
- TERM cho phép máy lập trình quyết định một trong chế độ làm việc hoặc ở RUN hoặc ở STOP
• Cấu trúc bộ nhớ của CPU 224
Bộ nhớ của PLC S7 200 được chia làm 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn.Bộ nhớ của S7 200 có tính năng động cao ,đọc và ghi trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt chỉ có thể truy cập để đọc
- Vùng chương trình: Là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương
trình Vùng này thuộc kiểu non- volatile đọc ghi được
Trang 12Khoa cơ điện - 60 - Trường ĐHNNI_ Hà Nội
- Vùng tham số: Là miền lưu giữ các tham số như : từ khóa, địa chỉ
trạm Cũng giống như vùng chương trình ,vùng tham số đọc /ghi được
- Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các
kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình,bộ đệm truyền thông
- Vùng đối tượng: Bao gồm Timer, bộ đếm tốc độ cao và các đầu ra tương tự
Vùng này không thuộc kiểu non- volatile nhưng đọc /ghi được
- Vùng dữ liệu: Vùng dữ liệu là vùng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực
hiện chương trình Nó là miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit, từng byte,
từ đơn hoặc từ kép
Vùng dữ liệu lại chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau Các vùng đó gồm:
V - Variable memory (Miền nhớ)
I - Input image register (Bộ đệm cổng vào)
O - Output image register (Bộ đệm cổng ra)
M - Internal memory bits (Vùng nhớ nội)
SM - Special memory bits (Vùng nhớ đặc biệt)
• Kết nối PLC
- Kết nối dây cung cấp cho CPU và các đầu vào ra của CPU
Việc kết nối dây nguồn cung cấp cho CPU và nối các đầu vào/ra của CPU
được mô tả như trên hình vẽ:
Hình2.12: Sơ đồ nối I/O đối với CPU 224 AC/DC/Relay
