234878

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp Chương 2 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH (PLC) 2.1 PLC VÀ KHẢ NĂNG CỦA PLC 2.1.1 PLC là gì ? Thiết bị điều khiển Logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt là PLC, là loại thiết bị cho phép nhập các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện các thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kì của vòng quét (scan). Bộ nhớ chương trình Khối vi xử lí trung tâm + Hệ điều hành Time Bộ đếm Bit cờ Cổng vào ra I/O Bộ đệm I/O Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lí ghép nối Nguyên lý chung về cấu trúc bộ PLC Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên Trang1 1 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp phải có các cổng Vào/Ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như: bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer), . và những khối hàm chuyên dụng. Trang2 2 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp 2.1.2 Khả năng và ưu điểm của PLC so với các loại điều khiển khác Trong quá trình phát triển của khoa học kĩ thuật trước đây người ta mới chỉ phân biệt 2 phạm trù kĩ thuật: điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử. Nhưng từ cuối thập kỉ 20 người ta đã đưa ra những chỉ tiêu chi tiết để phân biệt các loại kĩ thuật điều khiển. Bởi vì trong thực tế sản xuất cần đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy chứ không phải điều khiển từng máy đơn lẻ. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy dễ dàng và tin cậy. Từ “khả lập trình” - nghĩa là có thể lập trình được - đã nói lên một mối liên hệ chặt chẽ với máy tính, trong đó các ngôn ngữ lập trình như FORTRAN, COBOR, PASCAL, .đã được sử dụng. Nó bao hàm cả khả năng giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ. Từ “điều khiển” hàm ý mục tiêu ứng dụng trong công nghiệp của PLC, nghĩa là tạo lập, gửi đi và tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát và sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng cụ thể của máy đã được ứng dụng PLC trong hệ thống. Kĩ thuật điều khiển Logic khả trình phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính từ năm 1968 - 1970 và đã từng bước tiếp cận và phát triển theo nhu cầu của công nghiệp. Quy trình lập lúc ban đầu được trang bị để sử dụng trong các xí nghiệp điện tử, ở đó trang bị kĩ thuật và tay nghề thành thạo đã được kết hợp với nhau. đến nay các thiết bị và kĩ thuật PLC đã phát triển tới mức những người sử dụng nó không cần giỏi những kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được. Trình độ của khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng hay khó khăn cũng là một chỉ tiêu quan trọng để xếp hạng hệ thống điều khiển. Ở đây có sự phân biệt giữa những bộ điều khiển mà người dùng có thể thay đổi được quy trình hoạt động so với các bộ điều khiển không thể thay đổi được quy trình Trang3 3 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp hoạt động có nghĩa là điều khiển theo quy trình cứng. Tùy theo kết cấu của hệ thống và cấu tạo các thành phần mà mỗi phạm trù điều khiển trên đây lại chia làm nhiều loại điều khiển khác nhau. Rơle không phải là loại điều khiển duy nhất được coi là theo quy trình cứng và do đó không thay đổi được. Nhiều loại điều khiển bằng các thành phần mạch điện tử cũng nằm trong số các quy trình cứng này. Nếu chức năng của một hệ điều khiển đã được xác định bởi mối liên kết trong theo quy trình cứng của các phần tử cá thể thì nó thuộc loại điều khiển không thay đổi được hoặc còn gọi là loại có “chức năng cố định”. Khi đó sự thay đổi muốn có chỉ có thể được thực hiện bằng cách nối lại các đường dây hoặc thay đổi một số thành phần. Những hệ điều khiển không linh hoạt đó chứa các bộ phân phối thanh ngang, máy đọc băng đục lỗ hoặc các liên kết phích cắm khác thì có thể lập trình lại được nhưng chỉ trong một giới hạn rất hạn hẹp. Tiếp xúc vật lí Quy trình cứng Không thay đổi Thay đổi Liên kết cứng Liên kết phích cắm Rơle, linh kiện điện tử Mạch ĐT, cơ thuỷ khí Bộ nhớ khả LT Quy trình mềm Khả LT tự do Bộ nhớ Thay đổi RAM EEPROM ROM EPROM PLC xử lí một bit PLC xử lí từ ngữ Trang4 4 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp Chức năng lưu trữ ĐIỀU KHIỂN Trang5 5 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp Các hệ điều khiển linh hoạt được chia làm hai loại: a) Điều khiển linh hoạt có thể lập trình trực tiếp, hoặc còn gọi là “có thể lập trình tự do”. Loại điều khiển này chứa bộ nhứ tiếp cận ngẫu nhiên (Random Access Memories), cho phép nhập dữ liệu hoặc phát lệnh thay đổi, hoặc thêm vào mà không cần thao tác cơ học. b) Điều khiển linh hoạt có bộ nhớ thay đổi được. Loại này dùng bộ nhớ chỉ ghi một lần và sau đó chỉ có thể đọc ra mà thôi (ROM) và có thể lập trình lại được bằng cách thay bộ nhớ. Một số thành phần của nó có thể được thay khi một chương trình được soạn thảo hoặc biến đổi. Vì cấu trúc các bộ điều khiển khả lập trình được dựa trên cùng một nguyên lí với kiến trúc của máy tính cho nên nó không chỉ thi hành các nhiệm vụ chuyển đổi mà có thể thực thi các ứng dụng khác như đếm, so sánh, tính toán hoặc xử lí các tín hiệu tương tự cho những mục đích riêng chẳng hạn như trong các quy trình kĩ thuật cơ khí . Như vậy, sự khác nhau chính giữa bộ điều khiển Logic khả trình và công nghệ Rơle hoặc bán dẫn là ở chỗ kĩ thuật nhập chương trình vào như thế nào. trong điều khiển Rơle, bộ điều khiển chuyển đổi bao gồm một cách cơ học những modun cá thể phù hợp với chương trình mạch và dãy điều khiển được kiểm soát bằng tay thông qua việc nối dây do đó được gọi là “điều khiển cứng”. Trái lại, việc nhập một dãy điều khiển vào một PLC được thực hiện thông qua một panel lập trình và một ngoại vi chương trình, có thể chỉ ra mọi phương pháp và quy trình có thể nhập Logic vào các bộ phận lưu trữ điện tử. Thế mạnh của bộ điều khiển Logic khả trình so với các phương pháp điều khiển mạch cứng là ở chỗ nó có thể dễ dàng thay đổi được chương trình cũ và nạp chương trình mới trong một thời gian ngắn và ít tốn kém. Trang6 6 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp 2.2 LÍ DO SỬ DỤNG PLC & GIÁ TRỊ KINH TẾ 2.2.1 Lí do sử dụng PLC Trước kia bộ PLC rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình rất phức tạp. Vì những lí do đó mà nó chỉ được dùng cho những thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và lập luận chứng. Do giảm giá liên tục kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến kết quả là sự phát triển rộng rãi của việc áp dụng kĩ thuật PLC. Bây giờ nó thích hợp cho một phạm vi rông các loại thiết bị máy móc. Sự hấp dẫn của PLC trên thị trường được khẳng định cho những áp dụng rộng rãi nói trên bởi vì nó có độ tin cậy cao, chiếm ít chỗ và loại bỏ được nhu cầu nối dây, ghép các Rơle và các bộ đếm thời gian. Những ưu điểm chính của việc ứng dụng kĩ thuật PLC:  Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế modun cho phép với bất kì mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ kiện đã được lắp ghép thì bộ PLC vào tư thế sẵn sàng làm việc ngay.  Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: các thành phần điện tử có tuổi thọ cao hơn các thiết bị cơ điện tử. Không phải bảo dưỡng định kì như các thiết bị Rơle.  Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản: Nừu như các con số đung của đầu vào và đầu ra cần thiết thì có thể đánh giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ tối đa là bao nhiêu. Do đó cũng có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp.  Xử lí tư liệu tự động: Trong nhiều bộ PLC, việc xử lí tư liệu được tiến hành tự động làm cho việc thiết kế điện tử trở nên đơn giản hơn. Trang7 7 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp  Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển Rơle tương đương, trong nhiều trường hợp không gian được thu hẹp vì có nhiều bộ phận được giảm bớt.  Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều máy PLC với những quy cách kĩ thuật của bộ điều khiển giống hệt nhau thì làm chi phí lao động sẽ rất thấp so với bộ điều khiển Rơle. Điều đó là do giảm phần lớn lao động lắp ráp. Hơn nữa người ta ưa dùng PLC hơn các loại khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các máy mà vì nó còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà người ta có thể thay đổi, cải tiến trong quá trình vận hành.  Sự cải biến thuận tiện: Những bộ điều khiển nếu chỉ muốn cải biến một phần nhỏ trong dãy chức năng có thể tái tạo một cách dơn giãn bằng sao chép, cải biến và/hoặc thêm vào những phần mới. Những phần trong chương trình vẫn sẵn sàng sử dụng được thì vẫn được dùng lại mà không cần thay đổi gì. So với kĩ thuật rơle, ở đây có thể giảm phần lớn thời gian lắp ráp bởi vì có thể lập trình các chức năng điều khiển trước hoặc trong khi lắp ráp bằng điều khiển.  Nhiều chức năng: Người ta thường hay dùng PLC cho tự động linh hoạt bởi vì nó có thể dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi các thông số. Một lí do nữa là nó đã được nối sẵn với một máy tính mạnh. 2.2.2 Giá trị kinh tế Lắp đặt bộ PLC đơn giản hơn rất nhiều so với lắp đặt hệ Rơle. Sử dụng bộ điều khiển PLC rất kinh tế do sự phát triển của các bản thiết kế ngày càng rẻ hơn và tăng số lượng của PLC ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Hơn nữa khi so sánh giá cả thì phải tính đến cả bán của các bộ phận phụ không thể thiếu được như panen lập trình, máy in, băng ghi .và cả việc đào tạo nhân viên kĩ thuật . Trang8 8 Bộ môn gia công vật liệu và DCCN  Đồ án tốt nghiệp Một điều quan trọng là phải dùng đội ngũ nhân viên kĩ thuật lành nghề có kinh nghiệm, có hiểu biết tốt về phần mềm để thiết kế lập trình và thao tác bộ điều khiển PLC và phần mềm dùng cho những mục đích đặc biệt là cực kì đắt giá. Tuy nhiên nhiều cái đã trở nên khả thi nhờ phần mềm rẻ đi. Nhiều nhà chế tạo PLC cung cấp trọn gói bộ phần mềm đã được thử nghiệm. Nhưng việc thay thế và/hoặc thêm các phần mềm cho các nhu cầu riêng là không thể tránh khỏi và khi đó đòi hỏi kĩ năng phần mềm. Chẳng hạn do một công ty phần mềm sản xuất thì điều tối quan trọng là mọi yêu cầu phải được xác định chính xác, tỉ mỉ và dễ dàng từ lúc bắt đầu. Việc lắp đặt một bộ PLC tiếp theo chỉ giá trị bằng một nửa giá trị cho bộ mẫu đầu tiên, nghĩa là chỉ còn phải chi cho phần cứng mà thôi. Bộ thứ hai trở đi có giá thành rẻ đi rất nhiều so với bộ điều khiển bằng Rơle. Trang9 9 B mụn gia cụng vt liu v DCCN ỏn tt nghip 2.3 CU HèNH CNG Thụng thng tng tớnh mm do trong ng dng thc t m ú phn ln cỏc i tng iu khin cú s tớn hiu u vo, u ra cng nh loi tớn hiu vo/ra khỏc nhau m cỏc b iu khin PLC c thit k khụng b cng hoỏ v cu hỡnh. Chỳng c chia thnh cỏc modun c s dng nhiu hay ớt tu theo tng bi toỏn song ti thiu bao gi cng phi cú mt modun chớnh l modun CPU. Cỏc modun cũn li l nhng modun nhn/truyn tớn hiu vi i tng iu khin, cỏc modun chc nng chuyờn dng nh PID, iu khin ng c, .chỳng c gi chung l modun m rng. Tt c cỏc modun c gỏ trờn nhng thanh ray (rack). Modun CPU: L loi modun cú cha b vi x lớ, h iu hnh, b nh, cỏc b thi gian, b m, cng truyn thụng (RS485) .v cú th cũn cú mt vi cng vo ra s cú trờn modun CPU c gi l cng vo ra on board. Trong mt h PLC cú nhiu loi modun CPU khỏc nhau. Núi chung chỳng c t tờn theo b vi x lớ cú trong nú. Nhng modun cựng s dng Trang10 Byte 0 Byte 0 Byte 0 I 0.1 Byte 5 Byte 4 Byte 1 Q 4.0 I 0.2 24 V Màn hình hiển thị chương trình với phần mềm Step7 Cáp lập trình Công tắc nguồn (ON/OFF ) Công tắc thực hiện chương trình Thanh đỡ ( Rack ) 10