giáo trình PLC cơ bản

giới thiệu về chương trình PLC..................................................................................................................................................................................................

Bộ Công thương Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế GIÁO TRÌNH PLC (Lưu hành nội bộ) Huế, tháng 7/2009 MỤC LỤC Nội dung Trang Chương Điều khiển Logic .3 1.1 Logic trạng thái .3 1.2 Mạch tổ hợp 1.3 Mạch trình tự .11 1.4 Grafcet 13 1.5 Lưu đồ thuật toán 18 Chương Bộ điều khiển PLC 22 2.1 Cấu trúc PLC 22 2.2 Nguyên lý hoạt động PLC 51 2.3 Lĩnh vực sử dụng PLC 61 2.4 Các ngơn ngữ lập trình PLC .61 Chương Lập trình điều khiển với PLC 74 3.1 PLC Siemens S7-200 CPU 224 74 3.2 PLC Mitshubishi FX-1S .81 3.3 PLC LG Series Master K30S & K120S .87 3.4 Tập lệnh lập trình PLC .93 3.5 Các phương pháp lập trình điều khiển PLC .134 3.6 Xây dựng hệ thống điều khiển dùng PLC 138 Chương 4Ứng dụng lập trình PLC điều khiển dân dụng công nghiệp141 4.1 Mạch điều khiển đèn giao thông 141 4.2 Mạch điều khiển chuông báo học 145 4.3 Mạch điều khiển máy trộn sơn 147 4.4 Mạch điều khiển máy bán nước tự động 152 4.5 Mạch điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm .157 4.6 Mạch điều khiển cánh tay rôbốt xếp hàng hóa 161 Chương ĐIỀU KHIỂN LOGIC 1.1 Logic trạng thái 1.1.1 Khái niệm Trong sống vật tượng thường biểu diễn hai trạng thái đối lập, thông qua hai trạng thái đối lập rõ rệt người nhận thức vật tượng cách nhanh chóng cách phân biệt hai trạng thái Chẳng hạn ta nói nước bẩn, giá đắt rẻ, nước sôi không sôi, học sinh học giỏi yếu, kết tốt xấu Trong kỹ thuật, đặc biệt kỹ thuật điện điều khiển, ta thường có khái niệm hai trạng thái: đóng cắt đóng điện cắt điện, đóng máy ngừng máy Trong tốn học, để lượng hoá hai trạng thái đối lập vật tượng người ta dùng hai giá trị: Giá trị hàm ý đặc trưng cho trạng thái vật tượng, giá trị đặc trưng cho trạng thái đối lập vật tượng Ta gọi giá trị giá trị logic Các nhà bác học xây dựng sở tốn học để tính tốn hàm biến lấy hai giá trị này, hàm biến gọi hàm biến logic, sở tốn học để tính tốn hàm biến logic gọi đại số logic Đại số logic có tên đại số Boole lấy tên nhà tốn học có cơng đầu việc xây dựng nên công cụ đại số Đại số logic cơng cụ tốn học để phân tích tổng hợp hệ thống thiết bị mạch số Nó nghiên cứu mối quan hệ biến số trạng thái logic Kết nghiên cứu thể hàm trạng thái nhận hai giá trị Trong cơng nghệ có nhiều đại lượng vật lý cần điều khiển giá trị thời điểm lớn hay nhỏ, trình điều khiển gọi điều khiển q trình Trong trình sản xuất, điều khiển nhiều lúc ta cần quan tâm tới việc đồng trình làm việc tồn hệ thống Khi ta quan tâm đến trạng thái thiết bị làm việc hay nghỉ, trình gọi điều khiển logic Điều khiển logic xuất phát từ thực tế, việc thiết bị làm việc người ta phải quan tâm tới việc cho thiết bị làm việc, cho thiết bị nghỉ để đạt hiệu cao trình điều khiển Vậy điều khiển logic ta cần quan tâm tới trạng thái đối lập: trạng thái cao (High) trạng thái thấp (Low) (xét mặt tín hiệu) Và thường thiết kế điều khiển logic, người ta ngầm qui ước thiết bị làm việc có trạng thái logic hay trạng thái cao cịn thiết bị nghỉ có trạng thái logic hay trạng thái thấp Tuy nhiên việc quy ước tương đối, tuỳ theo thiết bị điều khiển mà tương ứng với logic điểm nghỉ logic điểm làm việc ngược lại Hoặc chủ động áp đặt logic điểm làm việc chọn thiết bị cho phù hợp Trong điều khiển logic ta cần quan tâm đến biến đầu vào để gia công theo hàm logic tạo nên giá trị đầu Quan hệ đầu đầu vào nhờ chương trình phần mềm hay phần cứng điều khiển Các biến đầu vào tạo nên từ nút ấn, công tắc, cảm biến giá trị phụ thuộc vào người vận hành hay trình tự cơng nghệ Hàm logic đầu đưa tới điều khiển đối tượng nhóm thiết bị cuộn dây điện từ thiết bị đóng cắt hay động máy sản xuất… 1.1.2 Các hàm đại số logic Một hàm y = f(x1, x2, ,xn) với biến x1, x2, ,xn nhận hai giá trị: hàm y nhận giá trị gọi hàm logic 1.1.2.1 Hàm logic biến: y = f(x) Với biến x nhận hai giá trị 1, nên hàm y có bốn khả hay thường gọi bốn hàm y0, y1, y2, y3 Các khả và kí hiệu mạch rơle điện tử hàm biến bảng 1.1 Bảng 1.1 Trong hàm trên, hai hàm y0 y3 ln có giá trị khơng đổi nên quan tâm, thường ta xét hai hàm y1 y2 1.1.2.2 Hàm logic hai biến: y = f(x1, x2) Với hai biến x1, x2 biến nhận hai giá trị 1, có 16 tổ hợp logic tạo thành 16 hàm Các hàm thể bảng 1.2 Bảng 1.2 Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn) Với hàm logic n biến, biến nhận hai giá trị nên ta có tổ hợp biến, tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 1, số hàm logic tổng Ta thấy với biến có khả tạo hàm, với biến có 16 khả tạo hàm, với biến có 256 khả tạo hàm Như số biến tăng số hàm có khả tạo thành lớn Trong tất hàm tạo thành ta đặc biệt ý đến hai loại hàm hàm tổng chuẩn hàm tích chuẩn Hàm tổng chuẩn hàm chứa tổng tích mà tích có đủ tất biến hàm Hàm tích chuẩn hàm chứa tích tổng mà tổng có đủ tất biến hàm Các phép tính bản: Người ta xây dựng ba phép tính biến logic là: 1.Phép phủ định (đảo): kí hiệu dấu “-“ phía kí hiệu biến 2.Phép cộng (tuyển): kí hiệu dấu “+” (song song) 3.Phép nhân (hội): kí hiệu dấu “.” (nối tiếp) Tính chất số hệ thức Tính chất đại số logic thể bốn luật là: luật hoán vị, luật kết hợp, luật phân phối luật nghịch đảo Luật hoán vị: x1 + x2 = x2 + x1 x1.x2 = x2.x1 Luật kết hợp: x1 + x2 + x3 = x1 + (x2 +x3) = (x1 + x2) +x3 x1.x2.x3 = x1.(x2.x3) = (x1.x2).x3 Luật phân phối: (x1 + x2).x3 = x1.x3 + x2.x3 x1 + x2.x3 = (x1 + x2)(x1 + x3) Ta minh hoạ để kiểm chứng tính đắn luật phân phối cách lập bảng 1.3 Bảng 1.3 Các phép toán định lý đại số Boole giúp cho thao tác biểu thức logic Trong kỹ thuật thực tế cách nối cổng logic mạch logic với (theo kết cấu tối giản có) Để thực tốn điều khiển phức tạp, số mạch logic phụ thuộc vào số lượng đầu vào cách giải Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn) Với hàm logic n biến, biến nhận hai giá trị nên ta có tổ hợp biến, tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 1, số hàm logic tổng Ta thấy với biến có khả tạo hàm, với biến có 16 khả tạo hàm, với biến có 256 khả tạo hàm Như số biến tăng số hàm có khả tạo thành lớn Trong tất hàm tạo thành ta đặc biệt ý đến hai loại hàm hàm tổng chuẩn hàm tích chuẩn Hàm tổng chuẩn hàm chứa tổng tích mà tích có đủ tất biến hàm Hàm tích chuẩn hàm chứa tích tổng mà tổng có đủ tất biến hàm Các phép tính bản: Người ta xây dựng ba phép tính biến logic là: Phép phủ định (đảo): kí hiệu dấu “-“ phía kí hiệu biến Phép cộng (tuyển): kí hiệu dấu “+” (song song) Phép nhân (hội): kí hiệu dấu “.” (nối tiếp) Tính chất số hệ thức Tính chất đại số logic thể bốn luật là: luật hoán vị, luật kết hợp, luật phân phối luật nghịch đảo Luật hoán vị: x1 + x2 = x2 + x1 x1.x2 = x2.x1 Luật kết hợp: x1 + x2 + x3 = x1 + (x2 +x3) = (x1 + x2) +x3 x1.x2.x3 = x1.(x2.x3) = (x1.x2).x3 Luật phân phối: (x1 + x2).x3 = x1.x3 + x2.x3 x1 + x2.x3 = (x1 + x2)(x1 + x3) Ta minh hoạ để kiểm chứng tính đắn luật phân phối cách lập bảng 1.3 Bảng 1.3 Các phép toán định lý đại số Boole giúp cho thao tác biểu thức logic Trong kỹ thuật thực tế cách nối cổng logic mạch logic với (theo kết cấu tối giản có) Để thực tốn điều khiển phức tạp, số mạch logic phụ thuộc vào số lượng đầu vào cách giải loại mạch logic nào, sử dụng phép toán hay định lý Đây toán tối ưu nhiều có khơng lời giải Tuỳ theo loại mạch logic mà việc giải tốn có phương pháp khác Về mạch logic chia làm hai loại: + Mạch logic tổ hợp + Mạch logic trình tự 1.2 Mạch tổ hợp 1.2 Phân tích mạch tổ hợp : Mạch logic tổ hợp mạch mà đầu thời điểm phụ thuộc tổ hợp trạng thái đầu vào thời điểm Như vậy, mạch khơng có phần tử nhớ Theo quan điểm điều khiển mạch tổ hợp mạch hở, hệ khơng có phản hồi, nghĩa trạng thái đóng mở phần tử tổ hợp mạch hồn tồn khơng bị ảnh hưởng trạng thái tín hiệu đầu Sơ đồ mạch logic tổ hợp hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ mạch logic tổ hợp - Mạch tổ hợp mạch mà tự số ổn định tín hiệu đầu thời điểm phụ thuộc vào tổ hợp giá trị tín hiệu đầu vào thời điểm - Mạch tổ hợp thường có nhiều tín hiệu đầu vào (x1 ,x2 ,x3 ,…) nhiều tín hiệu đầu (y1 ,y2 ,y3 ,…) Một cách tổng qt biểu diễn theo mơ hình tốn học sau : Với y1 =f(x1 ,x2 ,…,xn ) y2 =f(x1 ,x2 ,…,xn ) ym =f(x1 ,x2 ,…,xn ) Cũng trình bày dạng vector sau :Y =F(X) Với mạch logic tổ hợp tồn hai loại toán tốn phân tích tốn tổng hợp + Bài tốn phân tích có nhiệm vụ từ mạch tổ hợp có, mơ tả hoạt động viết hàm logic đầu theo biến đầu vào cần xét tới việc tối thiểu hoá mạch + Bài toán tổng hợp thực chất thiết kế mạch tổ hợp Nhiệm vụ thiết kế mạch tổ hợp thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mạch phải tối giản Bài toán tổng hợp tốn phức tạp, ngồi u cầu chức logic, việc tổng hợp mạch phụ thuộc vào việc sử dụng phần tử, chẳng hạn phần tử loại: rơle - công tắc tơ, loại phần tử khí nén hay loại phần tử bán dẫn vi mạch Với loại phần tử logic sử dụng ngồi ngun lý chung mạch logic đòi hỏi phải bổ sung nguyên tắc riêng lúc tổng hợp thiết kế hệ thống Ví dụ: Mạch logic tổ hợp hình 1.2 10 4.3.4 Chương trình điều khiển 151 4.4 Mạch điều khiển máy bán nước tự động 4.4.1 Yêu cầu công nghệ Máy tự động pha cà phê - pha trà Trong máy tự động pha cà phê - pha trà bao gồm: Nút S0 với tác dụng lấy cốc cà phê trà sau pha xong S1 nút ấn chọn cà phê, S2 nút ấn chọn trà, S3 nút ấn chọn đường, S4 nút ấn chọn sữa, S5 nút ấn chèn cốc vào (tương ứng bỏ đồng xu tiền vào máy) B1, B2 cảm biến mức trên, mức Nguyên tắc điều khiển: Trước hết ta phải chèn cốc vào (ấn vào S5) sau chọn đồ uống thích (Cà phê/ Trà) Nếu chọn cà phê chọn sữa 152 đường cịn chọn trà chọn với đường mà Mỗi lần chọn máy tự động pha đầy cốc máy đẩy cốc muốn dùng cốc khác phải thao tác lại từ đầu (phải ấn S0 để lấy cốc sau chèn cốc vào) Hình 4.4: Sơ đồ mô tả máy tự động pha cà phê – pha trà Lựa chọn thiết bị điều khiển - Cổng vào: 08 cổng - Cổng ra: 08 cổng (Trong chương trình sau dùng cổng để điều khiển công nghệ cổng dành cho đèn báo chưa dùng) Máy bán nước tự động: Máy bán nước tự động bán loại nước với giá 5.000đ Khi máy nước khách cho tiền váo máy 5.000đ máy bán nước cho khách Khi máy máy nước khách cho tiền vào máy khơng 5.000đ máy tự động trả tiền lại cho khách 4.4.2 Phân bố tín hiệu vào Máy tự động pha cà phê: Ngõ vào(Input) Ngõ ra( Output) S0 I0.0 Van cà phê/trà Q0.0 S1 I0.1 Van sữa Q0.1 S2 I0.2 Van đường Q0.2 153 S3 I0.3 S4 I0.4 S5 I0.5 B1 Tay gạt lấy ly Q0.3 I0.6 Bắt đầu B2 I0.7 Máy bán nước tựS động: S5 = STT S Thiết bị Địa Chức Cảm biến S1 X0 Nhận biết có nước Đ Cảm biến S2 X1 Nhận biết có tiền Cảm biến S3 X2 Nhận biết tiền S S1= CTHT m0 X3 Giới hạn hành trình lùi XLA CTHT m1 X4 Giới hạn hành trình tiến XLA CTHT m2 X5 Giới Đ hành trình lùi XLB hạn CTHT m3 X6 Giới hạn hành trình tiến XLB + Van điện từ KA Y0 Tác động vào van S chiều làm cho XLA đảo tiến S4= S2= Van điện từ KAY1 Tác động vào van đảo chiều làm cho XLA lùi 10 Van điện từ KB+ Y2 Tác động vào van đảo chiều làm cho XLB S Đ Đ tiến 11 Van điện từ KB Y3 Tác động vào van đảo chiều làm cho XLB lùi Mở van trà van đường Mở van cà phê van sữa 4.4.3 Lập lưu đồ giải thuật (hoặc sơ đồ grafcet) Máy tự động pha cà phê: S Đ Mở van cà phê van đường B1.B2 = Đ Đóng tất van Đẩy ly 154 Kết thúc S3 = 155 Máy bán nước tự động: Bắt đầu Có nước A tiến t=5.000 đ A lùi B tiến B lùi Kết thúc 156 4.4.4 Chương trình điều khiển Máy tự động pha cà phê: 4.5 Mạch điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm 4.5.1 Yêu cầu công nghệ Máy phân loại sản phẩm theo số lượng: S0 nút ấn dừng, S1 nút ấn khởi động, S2 chọn sản phẩm thùng, S3 chọn sản phẩm thùng, S4 chọn sản phẩm thùng, B1 Sensor báo sản phẩm rơi xuống, B2 Sensor báo có thùng Nguyên tắc điều khiển: + Nếu chưa có thùng vị trí đặt trước ta điều khiển: động M làm việc trước để kéo băng tải đưa thùng vào vị trí đựng sản phẩm thùng tới vị trí sensor B2 tác động cắt điện động M mở van Y để thả sản phẩm xuống thùng Khi số lượng sản phẩm số lượng chọn 157 trước Y khố M làm việc… có tính chất chu kỳ (Số lượng sản phẩm ta tuỳ ý chọn sản phẩm/thùng, sản phẩm/thùng, sản phẩm/thùng) Máy phân loại bi ( sắt bi sắt) Hệ thống hoạt động cảm biến: cảm biến quang S1 dùng để nhận biết có bi hay khơng, cảm biến từ S2 dùng để nhận biết có phải bi sắt hay không xilanh (XL): XLA gồm vị trí làm nhiệm vụ nhận bi chuyển bi sắt sang trái đến gần ô chuyển bi bi sắt đến gần ô & giới hạn hành trình m0, m1; XLB có nhiệm vụ đẩy bi sắt vào & giới hạn hành trình m2, m3; XLC có nhiệm vụ đẩy bi khơng phải bi sắt vào ô & giới hạn hành trình m4, m5 4.5.2 Phân bố tín hiệu vào Máy phân loại sản phẩm theo số lượng Ngõ vào(Input) S0 I0.0 Ngõ ra( Output) Công tắc tơ K Q0.0 ( động băng tải) S1 I0.1 S2 I0.2 S3 I0.3 S4 I0.4 B1 I0.5 B2 Van Q0.1 I0.6 Máy phân loại bi STT Thiết bị Nút dừng D Nút mở M Cảm biến S1 Cảm biến S2 CTHT m0 CTHT m1 CTHT m2 CTHT m3 CTHT m4 Địa P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 Chức Dừng mạch Khởi động mạch Nhận biết có bi Nhận biết đo bi sắt Giới hạn hành trình lùi XLA Giới hạn hành trình tiến XLA Giới hạn hành trình lùi XLB Giới hạn hành trình tiến XLB Giới hạn hành trình lùi XLC 158 10 11 12 13 14 15 16 CTHT m5 Van điện từ KA+ Van điện từ KAVan điện từ KB+ Van điện từ KBVan điện từ KC+ Van điện từ KC- P09 P10 P11 P12 P13 Q Þ.4 Q Þ.5 Giới hạn hành trình tiến XLC Tác động vào van đảo chiều làm XLA dịch trái Tác động vào van đảo chiều làm XLA dịch phải Tác động vào van đảo chiều làm XLB tiến Tác động vào van đảo chiều làm XLB lùi Tác động vào van đảo chiều làm XLC tiến Tác động vào van đảo chiều làm XLC lùi 4.5.3 Lập lưu đồ giải thuật (hoặc sơ đồ grafcet) Máy phân loại bi Bắt đầu Có bi S S Đ S Bi sắt Chuyển vào ô1 sơ đồ grafcet Chuyển vào ô Kết thúc XLA sang trái 1.1 2.1 XLA sang phải XLB tiến 1.2 2.2 XLC tiến XLB lùi 1.3 2.3 XLC lùi 159 4.5.4 Chương trình điều khiển Máy phân loại bi 160 4.6 Mạch điều khiển cánh tay rơbốt xếp hàng hóa 4.6.1 u cầu cơng nghệ Vị trí ban đầu cua cánh tay robot vị trí hình vẽ Hình 4.5 Khi ta ấn nút mở (I 1) động băng chuyền hoạt động đưa hàng đến vị trí S0, động băng chuyền dừng Sau cánh tay quay sang vị trí m1 kẹp hàng (NCĐ) sau khoảng thời gian, cánh tay chuyển hàng đến vị trí m2 thả hàng Cảm biến S1 nhận biết có hàng xi lanh đẩy hàng ngồi đến vị trí m3(I 7) xi lanh lùi vị trí m4(I1 ) đồng thời cánh tay quay vị trí ban đầu m0(I 2) Quá trình lặp lặp lại ấn nút dừng (I ) Hình 4.5: Sơ đồ mơ tả cánh tay robot xếp hàng hóa 161 4.6.2 Phân bố tín hiệu vào STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Thiết bị D M CTHT CTHT CTHT CTHT CTHT Cảm biến Cảm biến T1 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 ĐCA+ ĐCB+ ĐCA+ K+ XLXL- Địa I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.3 TON T101 50 M00 M01 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M10 M11 M12 M13 M1.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Chức Nút ấn dừng mạch Nút ấn khởi động mạch CTHT vị trí ban đầu CTHT vị trí có hàng CTHT vị trí xi lanh tiến CTHT vị trí xi lanh lùi CTHT vị trí ban đầu Cảm biến có hàng băng chuyền Cảm biến có hàng vị trí thả Rơle thời gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Rơle trung gian Động cánh tay quay thuận Động cánh tay quay nghịch Cuộn dây cung cấp cho NCĐ Cuộn dây cung cấp cho XL tiến Cuộn dây cung cấp cho XL lùi Sơ đồ kết nối theo bảng địa 162 4.6.3 Lập lưu đồ giải thuật (hoặc sơ đồ grafcet) D.M.mo So m1 ĐCA+ ĐCA-, ĐCB+ ĐCB+ Dừng, K- t ĐCB- m2 ĐCB+ Dừng, K- S1 XL+ m3 XL- m4 ĐCB+ m0 ĐCB+Dừng 163 4.6.4 Chương trình điều khiển I I M M M M I M I M M M I M M M M T101TON5 M I M I M M M M M I M I M M M M M1.3 M I M M M M Q M Q I1.3 M M M M M M M M Q Q Q Q END 164 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lâm Tăng Đức - Nguyễn Kim Ánh, Điều khiển Logic, Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng PGS,TS Nguyễn Trọng Thuần , điều khiển logic ứng dụng,, NXB Khoa học kỹ thuật, HN 2000 Phạm Xuân Khánh, Thiết bị điều khiển khả trình PLC , NXB Giáo dục, 2008 Phan Xuân Minh - Nguyễn Dỗn Phước, Tự động hố với SIMATIC S7– 200 , NXB Nông Nghiệp, 1997 Nguyễn Minh Đức, Bộ xi xử lý thiết kế máy tính hệ thống kỹ thuật số, NXB tổng hợp Hồ Chí Minh, 2004 Ths Đặng Thiện Ngôn, Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC, Sở KHCN Hồ Chí Minh, 1999 PLC Mitsubishi FX PLC LG - Series Master K - Tài liệu dự án VTEP Hướng dẫn sử dụng PLC LG - Series Master K – Catologe hãng LG 165 ... cấu trúc PLC PLC cơng nghiệp thường có cấu hình đơn giản nhất, chương trình trình điều khiển trình cơng nghệ hay máy móc thường hoạt động 24/24 không cần can thiệp người trình điều khiển PLC dừng... dụng PLC 61 2.4 Các ngơn ngữ lập trình PLC .61 Chương Lập trình điều khiển với PLC 74 3.1 PLC Siemens S7-200 CPU 224 74 3.2 PLC Mitshubishi FX-1S .81 3.3 PLC. .. Chương trình điều khiển PLC thay đổi nhanh chóng dễ dàng cách nạp lại chương trình điều khiển vào PLC lập trình, thẻ nhớ, truyền tải qua mạng Phân loại PLC: Căn vào số lượng đầu vào/ ra, ta phân PLC