Giáo trình lập trình PLC của phạm khánh tùng

PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC LỜI NĨI ĐẦU Trong hệ thống sản xuất, thiết bị tự động bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trị điều phối tồn hoạt động máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc thiết bị sản xuất thường phức tạp, có nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để hoạt động đồng theo trình tự cơng nghệ định nhằm tạo sản phẩm mong muốn Nhờ phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) xuất vào năm 1969 thay hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC trở nên hoàn thiện đa Các PLC ngày có khả thay thể hồn tồn thiết bị điều khiển lo gíc cổ điển, mà cịn có khả thay thiêt bị điều khiển tương tự Ngày thấy PLC hầu hết ứng dụng cơng nghiệp Các PLC kết nối với máy tính để truyền, thu thập lưu trữ số liệu bao gồm trình điều khiển thống kê, trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán cố trực tuyến, thay đổi chương trình điều khiển từ xa Ngồi PLC cịn dùng hệ thống quản lý lượng nhằm giảm giá thành cải thiện môi trường điều khiển các hệ thống phục vụ sản xuất, dịch vụ văn phịng cơng sở Với hỗ trợ máy tính cá nhân PC nâng cao đáng kể tính khả sử dụng PLC điều khiển máy trình sản xuất Các PC giá thành khơng cao sử dụng thiêt bị lập trình giao diện người vận hành hệ thống điêu khiển Nhờ phát triển phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, PLC trang bị giao diện đồ hoạ để mô thị hoạt động phận hệ thống điêu khiển Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng máy CNC, tạo cho ta khả mơ trước q trình gia cơng, nhằm tránh cố lập trình sai Máy tính cá nhân PC PLC sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển sản xuất hệ thống dịch vụ Tài liệu “Lập trình PLC” với nội dung từ lý thuyết điều khiển học điều khiển logic khả trình đến ứng dụng lập trình tiêu biểu giúp người học tự lập trình ứng dụng điều khiển trực tiếp PLC máy tính PC nạp chương trình để thực PLC tương ứng PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ LOGIC HAI TRẠNG THÁI 1.1 Những khái niệm 1.1.1 Khái niệm logic hai trạng thái 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 dốt, 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 trang 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 công 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 1.1.2 Các hàm logic Một hàm y = f (x1,x2 , ,xn ) với biến x1, x2, xn nhận hai giá trị: hàm y nhận hai giá trị: gọi hàm logic Hàm logic biến: y = f (x) Với biến x nhận hai giá trị: 1, nên hàm y có khả hay thường gọi hàm y0, y1, y2, y3 Các khả ký hiệu mạch rơle điện tử hàm biến bảng 1.1 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Bảng 1.1 Bảng chân lý Tên hàm x Hàm không y0 0 Hàm đảo y1 Hàm lặp (YES) y2 Hàm đơn vị y3 1 Ký hiệu sơ đồ Thuật toán logic Kiểu rơle Kiểu khối điện tử Ghi y0  y  x.x y1  x y2 = x y3  y3  x  x Trong hàm hai hàm y0 y3 ln có giá trị khơng đổi nên quan tâm, thường xét hai hàm y1 y2 Hàm logic hai biến y = f (x 1,x2 ) Với hai biến logic 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 Tên hàm Hàm không Hàm Piec Hàm cấm x1 INHIBIT x1 Hàm đảo x1 Hàm cấm x2 INHIBIT x2 Hàm đảo x2 Bảng chân lý x1 1 0 x2 1 Thuật toán logic y0 0 0 y0  x1x1  x x y1 0 y1  x1x  x1  x y2 0 y2  x1x y3 0 1 y3  x1 y4 0 y4  x1x y5 1 y5  x Ký hiệu sơ đồ Kiểu khối Kiểu rơle điện tử Ghi Hàm ln PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Hàm loại trừ XOR y6 1 y6  x1x  x1x Hàm Cheffer y7 1 y7  x1  x  x1x Hàm AND y8 0 y8  x1x 0 y9  x1x  x1x y10 1 y10  x Hàm kéo y11 theo x2 1 y11  x1  x Hàm lặp x1 y12 1 0 y12  x1 Hàm kéo theo y13 x1 1 y13  x1  x Hàm y14 OR 1 y14  x1  x Hàm dấu Hàm lặp x2 y9 Hàm đơn y15 vị 1 1 Cộng module Chỉ phụ thuộc x2 Chỉ phụ thuộc x1 y15  x  x  x  x  Hàm Ta nhận thấy rằng, hàm đối xứng qua trục nằm y7 y8, nghĩa y0 = y15 , y1 = y14 Hàm logic n biến y = f (x1, x2, , xn ) Với hàm logic n biến, biến nhận hai giá trị nên ta có 2n tổ hợp biến, tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 1, số hàm logic tổng 22 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 n 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 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC mà tích có đủ tất biến hàm Hàm tích chuẩn hàm chứa tích tổng mà tổng có đủ tất biến hàm 1.1.3 Các phép tính Người ta xây dựng ba phép tính biến logic là: Phép phủ định (đảo): ký hiệu dấu “-” phía ký hiệu biến Phép cộng (tuyển): ký hiệu dấu “+” (song song) Phép nhân (hội): ký hiệu dấu “.” (nối tiếp) 1.1.4 Tính chất số hệ thức a Các tính chất 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 0 0 1 x1 0 1 0 x2 1 x3 0 1 (x1 + x2).(x1 + x3) 0 1 x1 + x2.x3 Luật phân phối thể qua sơ đồ rơle hình 1.1: X1 X1 X2 X3 X1 X2 X3 1 1 1 1 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Hình 1.1 + Luật nghịch đảo: x x  x  x x  x  x x Ta minh hoạ tính đắn luật nghịch đảo cách thành lập bảng 1.4: Bảng 1.4 x1 x2 x1 x2 x1  x x1 x x1  x x1 x 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 Luật nghịch đảo thể qua mạch rơle hình 1.2: nh 1.2 Luật nghịch đảo tổng quát thể định lý De Morgan: x1.x x  x1  x  x  x1  x  x   x1.x x b Các hệ thức Một số hệ thức thường dùng đại số logic cho bảng: Bảng 1.5 x0 x x.1  x x.0  x 1  xxx x.x  x x  x 1 x.x  10 11 12 13 14 15 16 17 x1.x  x x1 x1  x1.x  x1 x1 ( x1  x )  x1 x1.x  x1.x  x1 (x1  x )(x1  x )  x1 x1  x  x  ( x1  x )  x x1.x x  (x1.x ).x (x1  x )  x1.x PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC x1  x  x  x1 x1.x  x1  x 18 1.2 Các phương pháp biểu diễn hàm logic Có thể biểu diễn hàm logic theo bốn cách là: biểu diễn bảng trạng thái, biểu diễn phương pháp hình học, biểu diễn biểu thức đại số, biểu diễn bảng Karnaugh (bìa Canơ) 1.2.1 Phương pháp biểu diễn bảng trạng thái: Ở phương pháp giá trị hàm trình bày bảng Nừu hàm có n biến bảng có n +1 cột (n cột cho biến cột cho hàm) 2n hàng tương ứng với 2n tổ hợp biến Bảng thường gọi bảng trạng thái hay bảng chân lý Ví dụ: hàm biến y = f (x1, x2, x3 ) với giá trị hàm cho trước biểu diễn thành bảng 1.6: Bảng 1.6 TT tổ hợp biến x1 x2 x3 y 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Ưu điểm phương pháp biểu diễn bảng dễ nhìn, nhầm lẫn Nhược điểm cồng kềnh, đặc biệt số biến lớn 1.2.2 Phương pháp biểu diễn h nh học Với phương pháp hình học hàm n biến biểu diễn không gian n chiều, tổ hợp biến biểu diễn thành điểm không gian Phương pháp phức tạp số biến lớn nên thường dùng 1.2.3 Phương pháp biểu diễn biểu thức đại số Người ta chứng minh rằng, hàm logic n biến biểu diễn thành hàm tổng chuẩn đầy đủ tích chuẩn đầy đủ Cách viết hàm dạng tổng chuẩn đầy đủ - Hàm tổng chuẩn đầy đủ quan tâm đến tổ hợp biến mà hàm có giá trị Số lần hàm số tích tổ hợp biến PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC - Trong tích, biến có giá trị giữ ngun, cịn biến có giá trị lấy giá trị đảo; nghĩa xi =1 biểu thức tích viết xi , cịn xi = biểu thức tích viết xi Các tích gọi mintec ký hiệu m - Hàm tổng chuẩn đầy đủ tổng tích Ví dụ: Với hàm ba biến bảng 1.6, ta có hàm dạng tổng chuẩn đầy đủ: f  x1.x x  x1.x x  x1.x x  x1.x x  m0  m  m3  m6 Cách viết hàm dạng tích chuẩn đầy đủ - Hàm tích chuẩn đầy đủ quan tâm đến tổ hợp biến mà hàm có giá trị Số lần hàm khơng số tổng tổ hợp biến - Trong tổng biến có giá trị giữ ngun, cịn biến có giá trị lấy đảo; nghĩa xi = biểu thức tổng viết xi , xi =1 biểu thức tổng viết xi Các tổng gọi tên Maxtec ký hiệu M - Hàm tích chuẩn đầu đủ tích tổng Ví dụ: Với hàm ba biến bảng 1.6, ta có hàm dạng tích chuẩn đầy đủ: f  ( x1  x  x )(x1  x  x )(x1  x  x )(x1  x  x )  M1  M  M5  M 1.2.4 Phương pháp biểu diễn bảng Karnaugh (b a canô) Nguyên tắc xây dựng bảng Karnaugh: - Để biểu diễn hàm logic n biến cần thành lập bảng có 2n ơ, ô tương ứng với tổ hợp biến Đánh số thứ tự ô bảng tương ứng với thứ tự tổ hợp biến - Các ô cạnh đối xứng cho phép khác giá trị biến - Trong ô ghi giá trị hàm tương ứng với giá trị tổ hợp biến Ví dụ 1: bảng Karnaugh cho hàm ba biến bảng 1.6 bảng 1.7 sau: x2, x3 00 x1 0 01 11 10 1 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Ví dụ 2: bảng Karnaugh cho hàm bốn biến bảng 1.8 sau: x3, x4 00 x1,x2 00 01 11 10 01 12 11 15 10 13 14 11 10 1.3 Các phương pháp tối thiểu hố hàm logic Trong q trình phân tích tổng hợp mạch logic, ta phải quan tâm đến vấn đề tối thiểu hố hàm logic Bởi vì, giá trị hàm logic có nhiều hàm khác nhau, nhiều cách biểu diễn khác tồn cách biểu diễn gọn nhất, tối ưu số biến số số hạng hay thừa số gọi dạng tối thiểu Việc tối thiểu hoá hàm logic đưa chúng từ dạng dạng tối thiểu Tối thiểu hoá hàm logic mang ý nghĩa kinh tế kỹ thuật lớn, đặc biệt tổng hợp mạch logic phức tạp Khi chọn sơ đồ tối giản ta có số biến kết nối tối giản, giảm chi phí vật tư giảm đáng kể xác suất hỏng hóc số phần tử nhiều Ví dụ: Hai sơ đồ hình 1.3 có chức nhau, sơ đồ a số tiếp điểm cần 3, đồng thời cần thêm rơle trung gian P, sơ đồ b cần tiếp điểm, không cần rơle trung gian Hình 1.3 Thực chất việc tổi thiểu hố hàm logic tìm dạng biểu diễn đại số đơn giản hàm thường có hai nhóm phương pháp là: - Phương pháp biến đổi đại số PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC - Phương pháp dùng thuật toán 1.3.1 Phương pháp tối thiểu hoá hàm logic biến đổi đại số phương pháp ta phải dựa vào tính chất hệ thức đại số logic để thực tối giản hàm logic Nhưng tính trực quan phương pháp nên nhiều kết đưa không khẳng định rõ tối thiểu hay chưa Như vậy, phương pháp chặt chẽ cho q trình tối thiểu hố Ví dụ: cho hàm f  x1x  x1x  x1x  x1x  x1x  x1x  x1x  x ( x1  x1 )  x1 ( x  x )  x1  x 1.3.2 Phương pháp tối thiểu hoá hàm logic dùng bảng Karnaugh Đây phương pháp thông dụng đơn giản nhất, tiến hành với hệ có số biến n ≤ phương pháp cần quan sát xử lý trực tiếp bảng Karnaugh Qui tắc phương pháp là: có 2n có giá trị nằm kề hợp thành khối vuông hay chữ nhật thay 2n ô lớn với số lượng biến giảm n lần Như vậy, chất phương pháp tìm ô kề chứa giá trị (các ô có giá trị hàm khơng xác định gán cho giá trị 1) cho lập thành hình vng hay chữ nhật lớn tốt Các biến nằm khu vực bị loại bỏ biến có giá trị biến đổi, biến dùng biến có giá trị khơng biến đổi (chỉ 1) Qui tắc áp dụng theo thứ tự giảm dần độ lớn ô, cho cuối tồn chưa giá trị bao phủ Cũng tiến hành tối thiểu theo giá trị hàm số lượng nhiều so với giá trị 1, lúc hàm hàm phủ định Ví dụ: Tối thiểu hàm f  x.y.z  x.y.z  x.y.z  x.y.z  x.y.z  x.y.z  m0  m1  m3  m4  m5  m7 + Lập bảng Karnaugh bảng 1.9, có biến với mintec x, y 00 z 01 11 B 10 10 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC 82 DECW IN Giảm giá trị từ IN đơn vị 83 DISI (1) Vơ hiệu hố tất ngắt (interrupt) 84 DIV IN1, IN2 Chia số nguyên 16 bit, xác định từ thấp IN2 (kiểu từ kép), cho IN1 kiểu từ Kết ghi lại vào từ IN2 85 DTCH EVENT 86 DTR IN, OUT(5) 87 ENCO IN, OUT 88 ENI (1) Vơ hiệu hố ngắt kiểu EVENT Chuyển đổi số nguyên 32 bit IN có dấu sang thành số thực 32 bit OUT Chuyển đổi số bit thấp có giá trị logic từ IN sang thành số nguyên ghi vào bit cuối byte OUT Đặt tất ngắt vào chế độ tích cực 89 FIFO Tên lệnh TT 90 91 92 93 94 TABLE, DATA(5) FILL IN, OUT, N FND< SRC, PATRR INDX(5) PATRR INDX(5) FND= FND> SRC, PATRR INDX(5) SRC, PATRR INDX(5) INDEX INITIAL FINAL(1)(5) HSC, MODE(1) Lấy giá trị cho vào khỏi bảng chuyển đến vùng liệu DATA dẫn lệnh Mô tả Đổ giá trị từ IN vào mảng nhớ gồm N từ (N có kiểu byte) vị trí OUT (kiểu từ) Xác định vị trí nhớ bảng SRC (kiểu từ), kể từ ô cho INDX (kiểu từ, =0 từ đầu bảng ) mà giá trị nhỏ giá trị PATRN (kiểu từ) Xác định vị trí nhớ bảng SRC (kiểu từ), kể từ ô cho INDX (kiểu từ, =0 từ đầu bảng ) mà giá trị khác giá trị PATRN (kiểu từ) Xác định vị trí ô nhớ bảng SRC (kiểu từ), kể từ ô cho INDX (kiểu từ, =0 từ đầu bảng) mà giá trị giá trị PATRN (kiểu từ) Xác định vị trí nhớ bảng SRC (kiểu từ), kể từ ô cho INDX (kiểu từ, =0 từ đầu bảng) mà giá trị lớn giá trị PATRN (kiểu từ) Thực lệnh nằm FOR NEXT theo kiểu xoay vòng với đếm số vòng INDEX (kiểu từ), vòng số INITIAL (kiểu từ) kết thúc vòng FINAL (từ) 95 FOR 96 HDEF 97 HSC n 98 HTA IN, OUT, LEN 99 -I IN1, IN2 100 IBCD IN 101 INCD IN Đưa đếm tốc độ cao số n vào trạng thái tích cực Chuyển đổi số hệ hexa IN (kiểu byte) thành dãy ký tự mã ASCII ghi vào mảng byte bắt đầu byte OUT với dộ dài LEN (kiểu byte) Thực phép trừ hai số nguyên kiểu từ IN1 IN2 Kết ghi lại vào IN2 Chuyển đổi giá trị nguyên IN (kiểu từ) thành giá trị BCD ghi lại vào IN Tăng giá trị từ kép IN lên đơn vị 102 INCW IN Tăng giá trị từ IN lên đơn vị 103 INT n(1)(2)(4) Khai báo nhãn n cho chương trình xử lý ngắt Xác định kiểu thuật tốn MODE cho đếm tốc độ cao HSC (byte) 135 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC 104 INVD IN 105 JMP xx 106 LBL 107 LIFO 108 MOVB 109 MOVD 110 MOVR xx TABLE, DATA(5) IN, OUT IN, OUT IN, OUT(5) TT Tên lệnh IN, MOVW OUT IN1, MUL IN2 TABLE, NETR PORT(5) TABLE, NETW PORT(5) 111 112 113 114 (1)(5)(7) Lấy phần bù kiểu (đảo giá trị logic bit) từ kép IN ghi lại vào IN Chuyển điều khiển vào ô nhớ định nhãn xx chương trình khai báo lệnh LBL Đặt nhãn xx chương trình, định hướng cho lệnh nhảy JMP Lấy giá trị cho vào bảng sau khỏi bảng TABLE chuyển đến vùng liệu DATA (kiểu từ) Sao giá trị byte IN sang byte OUT Sao giá trị từ kép IN sang từ kép OUT Sao số thực IN sang OUT Mô tả Sao giá trị từ IN sang từ OUT Nhân hai số nguyên 16 bit IN1 với hai byte thấp số nguyên 32 bit IN2 sau ghi lại kết vào IN2 Khởi tạo truyền thông để đọc liệu từ ngoại vi qua cổng PORT vào bảng TABLE Khởi tạo truyền thông để ghi liệu bảng TABLE ngoại vi qua cổng PORT Lệnh kết thúc vòng lặp FOR NEXT 115 NEXT 116 NOP 117 ORD 118 ORW 119 PLS xx(5) 120 R 121 -R S_BIT,n IN1, IN2(5) 122 RI S_BIT,n Xoá tức thời mảng gồm n bit kể từ địa S_BIT 123 RLD IN, n Quay tròn từ kép IN sang trái n bit 124 RLW IN, n Quay tròn từ IN sang trái n bit 125 RRD IN, n Quay tròn từ kép IN sang phải n bit 126 RRW IN, n Quay tròn từ IN sang phải n bit 127 S S_BIT,n Đặt giá trị logic vào mảng n bit kể từ địa S_BIT 128 SBR n(1)(2)(4) Khai báo nhãn n cho chương trình Lệnh rỗng IN1, IN2 IN1, IN2 Thực toán tử OR cho hai từ kép IN1 IN2, sau ghi kết lại vào IN2 Thực toán tử OR cho hai từ IN1 IN2, sau ghi kết lại vào IN2 Đưa phát xung nhanh định nghĩa nhớ đặc biệt vào trạng thái tích cực Xung đưa cổng Qx.x Xoá mảng gồm n bit kể từ địa S_BIT (kiểu bit) Thực phép trừ hai số thực (32bit) IN1 IN2 Kết ghi lại vào IN2 136 PHẠM KHÁNH TÙNG GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC 129 SEG IN, OUT 130 SHRB DATA, S_BIT,n 131 SI S_BIT,n Chuyển đổi giá trị bit thấp byte IN sang thành mã tương ứng cho ghi nét ghi vào OUT Dịch ghi gồm n bit có bit thấp S_BIT sang trái n>0, sang phải n0, bit S_BIT nD 13 =D 15 I 23 =I 25 R 33 =R 35