Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 42 Chơng IV giới thiệu về bộ lập trình plc 4.1 Giới thiệu chung về các bộ điều khiển khả trình PLC 4.1.1 Đặc điểm chung của các bộ điều khiển khả trình Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình (programmable - Control systems) hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay các quá trình công nghiệp. Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình (PLC - programmable logic controler) đợc thiết kế nhằm thay thế phơng pháp điều khiển truyền thống dùng rơle, công tắc tơ và các thiết bị rời cồng kềnh, và nó tạo ra khả năng điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng, linh hoạt dựa trên việc lập trình tập lệnh cơ bản. Ngoài ra, PLC có thể thực hiện các tác vụ khác nh là định thời gian, đến, .v.v làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp ngay cả với PLC loại nhỏ nhất. PLC làm việc theo kiểu vòng quét, quá trình đọc các đầu vào thực hiện chơng trình và đa các tín hiệu đầu ra gọi quét. Thời gian quét là quá trình liên Mạch giao tiếp và cảm biến Mạch công suất và cơ cấu tác động Bộ nhớ chơng trình Khối ngõ vào Bộ nhớ dữ liệu Khối điều khiển trung tâm Khối ngõ ra Nguồn cấp điện Hình IV . 1 Sơ đồ khối bên trong PLC Panel lập trình . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 43 tục và tuần tự đọc đầu vào, đánh giá và quyết định logic điều khiển và đa tín hiệu ra. Hình IV.1. Sơ đồ vòng quét của PLC Thời gian cần thiết cho một lần quét thay đổi từ 1ms đến 30ms. Thời gian quét phụ thuộc vào độ dài của chơng trình ứng dụng. Việc sử dụng các hệ thống I/O từ xa sẽ làm tăng thời gian quét do phải truyền tín hiệu từ các đầu I/O đến các hệ thống xa. Ngoài ra thời gian quét còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý của PLC. Hình IV.1 mô tả cấu trúc bên trong của PLC, hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, đa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic đợc lập trình trong chơng trình và kích ra tín hiệu điều khiển ở các đầu ra cho thiết bị bên ngoài tơng ứng. Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào khối ra PLC cho phép nó kết nối trực tiếp với những cơ cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ ở các cổng ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu (trasducers) ở các cổng vào, mà không cần có các mạch giao tiếp các rơle trung gian. Tuy nhiên, cần phải có các mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn. Giao tiếp Đọc đầu vào Tính toán logic Gửi kết/quả ở đầu ra . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 44 Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây; sự thay đổi chỉ là thay đổi chơng trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua các thiết bị lập trình thông dụng. Hơn nữa, chúng còn có u điểm là thời gian lắp đặt và đa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống đòi hỏi phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời. Về phần cứng, PLC tơng tự nh một máy tính, chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển công nghiệp nh : - Khả năng chống nhiễu tốt. - Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng ghép nối và thay thế, tăng khả năng( nối thêm modul mở rộng vào ra) thêm chức năng( nối thêm các modul chuyên dùng). - Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở cổng ra và cổng vào đợc chuẩn hoá. - Thực hiện đợc các logic điều khiển phức tạp mà các hệ thống điều khiển rơle, công tắc tơ không thể thực hiện đợc. Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng :LADDER, STL, FUCTIONCHART, dễ hiểu và sử dụng. Thay đổi chơng trình điều khiển một cách dễ dàng bằng các thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc máy tính. Với những đặc điểm trên đây làm cho PLC trở thành một thiết bị điều khiển không thể thiếu trong điều khiển công nghiệp và điều khiển quá trình. 4.1.2 Khái niệm cơ bản Bộ điều khiển lập trình là ý tởng của một nhóm kỹ s hãng General motors vào năm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển trong công nghiệp : . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 45 - Dễ dàng lập trình và thay đổi chơng trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong nhà máy. - Cấu trúc dạng modul dễ dàng bảo trì và sửa chữa. - Tin cậy hơn trong môi trờng sản xuất của nhà máy công nghiệp. - Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thớc nhỏ gọn hơn mạch rơle chức năng tơng đơng. - Giá thành cạnh tranh. Những chỉ tiêu này tạo sự quan tâm của các kỹ s thuộc nhiều ngành nghiên cứu về khả năng ứng dụng của PLC trong công nghiệp các kết quả nghiên cứu đã đa thêm một số yêu cầu cần phải có trong chức năng của PLC: Tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản đợc hỗ trợ thêm các lệnh về định thời gian, đếm; sau đó là các lệnh xử lý toán học, xử lý bảng số liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính toán số liệu thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch. Song song đó, sự phát triển về phần cứng cũng đạt đợc nhiều kết quả: bộ nhớ lớn hơn, số lợng cổng vào/ra nhiều hơn, nhiều modul chuyên dùng hơn. Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông khoảng 200m. Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu suất. Từ các PLC ban đầu làm việc độc lập chỉ với vài chục đầu vào ra, dung lợng bộ nhớ bé đến nay đã có những họ PLC có cấu trúc modul có dung lợng đầu vào ra lớn dễ thay đổi để phù hợp với yêu cầu sử dụng, dung lợng bộ nhớ lớn và rất lớn, có thêm các chức năng chuyên dùng. * Xử lý tín hiệu liên tục * Điều khiển động cơ secvo, động cơ bớc. * Truyền thông. * Bộ nhớ mở rộng. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 46 Với cấu trúc dạng modul cho phép ngời dùng mở rộng hay nâng cấp một hệ thống điều khiển bằng PLC một cách dễ dàng, linh hoạt và rất kinh tế. 4.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC PLC gồm ba khối chức năng cơ bản : bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và khối vào ra. Trạng thái ngõ vào của PLC đợc phát hiện và lu vào bộ nhớ đệm, PLC thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chơng trình trạng thái ngõ ra đợc cập nhật và lu vào bộ nhớ đệm sau đó trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm đợc dùng để đóng/mở các "tiếp điểm" để kích hoạt các thiết bị tơng ứng. Nh vậy, sự hoạt động của các thiết bị đợc điều khiển hoàn toàn tự động theo chơng trình bộ nhớ. Chơng trình đợc nạp vào PLC thông qua các thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc bằng máy tính với các phần mềm chuyên dụng. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 47 Ngõ ra Bộ nhớ chơng trình EFROM tuỳ chọn Bộ nhớ chơng trình EFROM N g uồn pin B bộ xử lý trung tâm lock bộ nhớ hệ thống ROM Bộ nhớ dữ liệu RAM khối vào ra Bộ đệm bộ đệm bộ đệm Mạch chốt Mạch chốt Bộ đệm Bộ lọc Mạch cách ly Panel Lập trình khối mở rộng Bus địa chỉ Bus điều khiển . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 48 * Bộ xử lý trung tâm Bô xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) điều khiển và quản lý toàn bộ tất cả các hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối ra thực hiện thông qua hệ thống bus dới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thờng là 1 MHZ hay 8 MHZ tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý đợc dùng. Tần số xung clock xác định hoạt động của PLC và đợc dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống. * Bộ nhớ Tất cả các loại PLC đều sử dụng các loại bộ nhớ sau : ROM (Read only memory) bộ nhới chỉ đọc dùng để lu giữ chơng trình điều hành. RAM (Randon access memory) bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dùng để lu giữ tạm thời các giá trị logic khi chơng trình thực hiện. EEROM (Electronic earsable programmable read only memory) bộ nhớ này thờng dùng để lu giữ các chơng trình công nghệ. Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ nên hầu nh các PLC đều dùng bộ nhới EEROM. Trờng hợp ứng dụng cầm bộ nhớ dung lợng lớn có thể lựa chọn giữa bộ nhớ RAM có nguồn pin nuôi với bộ nhớ EEEOM. Ngoài ra PLC còn cần thêm bộ nhớ RAM cho các chức năng khác nh : Bộ đệm để lu trạng thái ngõ vào, ngõ ra. Bộ nhớ tạm thời cho các tác vụ đếm, định thời gian, truy xuất cờ. Dung lợng bộ nhớ. Đối với PLC loại nhỏ thông thờng bộ nhớ có dung lợng cố định, thờng khoảng 2k byte. Dung lợng này là đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công nghiệp. Do giá thành các bộ đếm liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn cho sản phẩm của họ. . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 49 * Khối vào/ra Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC (điện áp cho TTL và CMOS) trong khi tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể lớn hơn nhiều thờng là 24VDC đến 240 VDC với dòng lớn. Khối vào/ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa các vi mạch điện tử của PLC với các mạch công suất lớn bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách lý. Tuy nhiên khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, dòng nhỏ cỡ 2Ampe trở xuống, không cần các mạch công suất trung gian, hay các rơle trung gian. Có các loại ngõ vào ra nh sau : Loại ngõ ra dùng rơle Đặc điểm: Có thể nối với các cơ cấu làm việc với điện áp AC hoặc đợc cách ly dạng rơ-le nên đáp ứng chậm. Tuổi thọ phụ thuộc vào dòng tải qua rơ-le và tần số đóng cắt tiếp điểm. Mạch trong Rơle 2A 250VAC 2A 24 VDC com Hình IV.2 Nguyên lý của ngõ ra rơ le cơ . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 50 Loại ngõ ra dùng transitor Hình IV . 3 Ngõ ra dùng transitor Đặc điểm: Chỉ nối với cơ cấu tác động làm việc với điện áp một chiều từ 5 30V Tuổi thọ cao, đáp ứng nhanh, chịu đợc tần số đóng cắt nhanh. Loại ngõ ra dùng Triac (SSR Solid state relay) Hình IV .4 Ngõ ra dùng triac Đặc điểm: Kết nối đợc với cơ cấu tác động làm việc với điện áp một chiều hoặc xoay chiều từ 5 242V Mạch trong Rơle 50mA- 4,5V 300mA-24,6V com Mạch trong Rơle 0,4A 100ữ240VAC com . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Văn Thuận TĐH 46 Khoa Cơ Điện TRờng ĐHNNI - HN 51 chịu đợc dòng nhỏ hơn loại ngõ ra dùng rơ-le nhng tuổi thọ cao, chịu đợc tần số đóng mở nhanh, đáp ứng đầu vào nhanh. Ngõ vào một chiều Hình IV.5 Ngõ vào một chiều Ngõ vào xoay chiều Hình IV . 6 Ngõ vào xoay chiều Tất cả các loại ngõ vào đều đợc cách ly với các tín hiệu điều khiển bên ngoài bằng mạch cách ly quang (opto - isolator). Mạch cách ly quang dùng một diode phát quang và một tranzitor gọi là bộ opot - coupler. Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua, và ghim các tín hiệu điện áp xuống mức điện áp chuẩn. Mạch này có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn điện cấp, thờng lên đến 1500V. in R 24VDC R 10% com Mạch trong in R R 100-120VAC C R +10%, -15% 100-120VAC +10%, -15% com Mạch trong . . những hệ thống điều khiển lập trình (programmable - Control systems) hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay các quá trình công nghiệp. Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình. Hình IV.1. Sơ đồ vòng quét của PLC Thời gian cần thiết cho một lần quét thay đổi từ 1ms đến 30ms. Thời gian quét phụ thuộc vào độ dài của chơng trình ứng dụng. Việc sử dụng các hệ thống. hoàn toàn tự động theo chơng trình bộ nhớ. Chơng trình đợc nạp vào PLC thông qua các thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc bằng máy tính với các phần mềm chuyên dụng. . Báo