Giới thiệu về PLC

Chơng Giới thiệu PLC I.1 Mở đầu Trong hệ thống sản xuất, thiết bị tự động bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn hoạt động máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc thiết bị sản xuất thờng phức tạp, có nhiều đại lợng vật lý phải điều khiển để hoạt động đồng theo trình tự công nghệ định nhằm tạo sản phẩm mong muốn Từng đại lợng vật lý đơn lẻ đợc điều khiển mạch điều khiển sở dạng tơng tự hay gián đoạn Điều khiển nhiều đại lợng vật lý đồng thời dùng mạch điều khiển tơng tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển lô gíc Trớc hệ thống điều khiển lô gíc đợc dụng hệ thống lô gíc rơ le Nhờ phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đà 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 hoàn toàn thiết bị điều khiển lo gíc cổ điển, mà có khả thay thiêt bị điều khiển tơng tự Các PLC đợc sử dụng rộng rÃi công nghiệp Chức PLC kiểm tra trạng thái đầu vào điều khiển trình hệ thống máy móc thông qua tín hiệu đầu PLC Tổ hợp lô gíc đầu vào để tạo hay nhiều tín hiệu đợc gọi điều khiển lô gíc Các tổ hợp lô gíc thờng đợc thực theo trình tự điều khiển hay gọi chơng trình điều khiển Chơng trình điều khiển ®−ỵc l−u bé nhí cđa PLC cã thĨ b»ng cách lập trình thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC lập trình máy tính cá nhân nhờ phần mềm chuyên dụng truyền vào PLC qua mạng hay qua cáp truyền liệu Bộ xử lý tín hiệu, thờng vi xử lý tốc độ cao, thực chơng trình điều khiển theo chu kú Kho¶ng thêi gian thùc hiƯn mét chu trình điều khiển từ lúc kiểm tra tín hiệu vào, thực phép tính lo gíc đại số để có đợc tín hiệu điều khiển, cho đén phát tín hiệu đến đầu đợc goi chu kú thêi gian qt PLC c«ng nghiƯp th−êng có cấu hình đơn giản nhất, chơng trình trình điều khiển trình công nghệ hay máy móc thờng đợc hoạt động 24/24 không cần can thiệp ngời trình điều khiển PLC dừng quét chơng trình điều khiển ngắt nguồn công tắc ngừng đợc kích hoạt Sơ đồ khối đơn giản hoá PLC đợc thể hình 1.1 I.1 I.2 Cuộn hút Công tắc Mô đun Vào CPU Mô đun Ra Điện áp 110 V 220 V Hình 1.1 Sơ đồ khối PLC đơn giản Đèn tín hiệu Trên đầu vào PLC có kênh tín hiệu tơng tự kênh tín hiệu số Các kênh tín hiệu xuất phát từ cảm biến, từ công tắc hành trình, công tắc đóng ngắt mạch điện từ biến lô gíc tơng ứng với các trạng thái máy móc, thiết bị Tín hiệu vào đợc xử lý trung tâm xử lý nhờ phép tính lô gíc hay số học kết tín hiệu Các tín hiệu tín hiệu tín hiệu truyền điện đến cho cấu chấp hành nh cuộn hút, đèn hiệu, động vv Điện áp đầu vào PLC điện áp công suất thấp, tơng ứng với mức từ 0V đến 5V chiều Khi ta nối đầu vào có mức điện áp cao 5V, thờng phải dùng kênh có mạch chuyển đổi để biến điện áp vào thành điện áp tơng đơng với mức +/- 5VDC Điện áp ®Çu cđa PLC cã thĨ cã nhiỊu møc ®iƯn áp khác nhau, nhng có mức lợng thấp Nếu cần phải điều khiển cấu chấp hành có mức lợng cao hơn, ta phải sử dụng thiết bị khuyếch đại công suất I.2 lịch sử phát triển PLc Vào khoảng năm 1968, nhà sản xuất ô tô đà đa yêu cầu kỹ thuât cho thiết bị điêù khiển lô gíc khả lập trình Mục đích thay cho tủ điêu khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện thờng xuyên phải thay thể rơ le hỏng cuộn hút hay gẫy lò xo tiếp điểm Mục đích thứ hai tạo thiều bị điều khiển có tính linh hoạt việc thay đổi chơng trình điều khiển Các yêu cầu kỹ thuật sở máy tính công nghiệp, mà u điểm lập trình dễ dàng kỹ thuật viên kỹ s sản xuất Với thiết bị điều khiển khả lập trình, ngời ta giảm thời gian dừng sản xuất, mở rộng khả hoàn thiện hệ thống sản xuất thích ứng với thay đổi sản xuất Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển sở máy tính đà sản xuất thiết bị điều khiển khả lập trình gọi PLC Những PLC đợc ứng dụng công nghiệp ô tô vào năm 1969 đà đem lại u việt hẳn hệ thống điều khiển sở rơ le Các thiết bị đợc lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian xởng sản xuất có độ tin cậy cao hệ thống rơ le Các øng dơng cđa PLC ®· nhanh chãng réng më tất ngành công nghiệp sản xuất khác Hai đặc điểm dẫn đến thành công PLC độ tin cậy cao khả lập trình dễ dàng Độ tin cậy PLC đợc đảm bảo mạch bán dẫn đợc thiết kế thích ứng với môi trờng công nghiệp Các mạch vào đợc thiết kế đảm bảo khả chống nhiễu, chịu đợc ẩm, chịu đợc dầu, bụi nhiệt độ cao Các ngôn ngữ lập trình PLC tơng tự nh sơ đồ thang hệ thống điều khiển lô gíc, nên kỹ s đà làm quen với sơ đồ thang, dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua trình đào tạo Một số ứng dụng máy tính sản xuất thời gian đầu bị thất bại, việc học sử dụng phần mềm máy tính không dễ dàng với kỹ s Khi vi xử lý đợc đa vào sử dụng năm 1974 1975, khả PLC đợc mở rộng hoàn thiện Các PLC có trang bị vi xử lý có khả thực tính toán xử lý số liệu phức tạp, điều làm tăng khả ứng dụng PLC cho hệ thống điều khiển phức tạp Các PLC không dừng lại chổ thiết bị điều khiển lô gíc, mà có khả thay thiết bị điều khiển tơng tự Vào cuối năm bảy mơi việc truyền liệu đà trở nên dễ dàng nhờ phát triển nhảy vọt công nghiệp ®iƯn tư C¸c PLC cã thĨ ®iỊu khiĨn c¸c thiÕt bị cách xa hàng vài trăm mét Các PLC trao đổi liệu cho việc điều khiển qua trình sản xuất trở nên dễ dàng Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC máy tính công nghiệp dùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển ứng dụng công nghiệp thay cho thiết bị cứng nh rơ le, cuộn hút tiếp điểm Ngày thấy PLC hàng nghìn ứng dụng công nghiệp Chúng đợc sử dụng công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp khí, công nghiệp xử lý nớc chất thải, công nghiệp dợc phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, công nghiệp khai khoáng, giao thông vận tải, quân sự, hệ thống đảm bảo an toàn, hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC vv Các PLC đợc kêt nối với máy tính để truyền, thu thập lu trữ số liệu bao gồm trình điều khiển thống kê, trình đảm bảo chất lợng, chẩn đoán cố trực tuyến, thay đổi chơng trình điều khiển từ xa Ngoài PLC đợc dùng hệ thống quản lý lợng nhằm giảm giá thành cải thiện môi trờng điều khiển các hệ thống phục vụ sản xuất, dịch vụ văn phòng công sở Sự đời máy tính cá nhân PC năm tám mơi đà nâng cao đáng kể tính khả sử dụng PLC điều khiển máy trình sản xuât Các PC giá thành không cao sử dụng nh thiêt bị lập trình giao diện ngời vận hành hệ thống điêu khiển Nhờ phát triển phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, PLC đợc 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 mô trớc trình gia công, nhằm tránh cố lập trình sai Máy tính cá nhân PC PLC đợc sử dụng rộng rÃi hệ thống điều khiển sản xuất hệ thống dịch vụ PLC đợc sản xuất nhiều hÃng khác giới Về nguyên lý hoạt động, PLC có tính tơng tự giống nhau, nhng lập trình sử dụng chúng hoàn toàn khác thiết kế khác nhà sản xuất PLC khác với máy tính ngôn ngữ lập trình chung hệ điều hành Khi đợc bất lên PLC chạy chơng trình điều khiển ghi nhớ nó, chạy đợc hoạt động khác Một số hÃng sản xuất PLC lớn cã tªn ti nh−: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc hÃng chiếm phần lớn thị phần PLC giới Các PLC hÃng đợc øng dơng réng r·i c«ng nghiƯp sư dơng c«ng nghệ tự động hoá Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ tính linh hoạt cho hệ thống công nghiệp Bằng thay phần tử điện PLC, trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, quan trọng hiệu PLC lựa chọn tốt hệ thống rơ le hay máy tính tiªu chuÈn mét sè lý sau: - Tèn không gian: Một PLC cần không gian máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực cức - Tiết kiệm lợng: PLC tiêu thụ lợng mức thấp, máy tính thông thờng - Giá thành thấp : Một PLC giá tơng đơng cỡ đến 10 rơ le, nhng có khả thay hàng trăm rơ le - Khả thích ứng với môi trờng công nghiệp: Các vỏ PLC đợc làm từ vật liệu cứng, có khả chống chịu đợc bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động nhiễu Các máy tính tiêu chuẩn khả - Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có hệ thống phức tạp để giao tiếp với môi trờng công nghiệp Trong PLC giao diện trực tiếp nhờ mô đun vào I/O Lập trình dễ dàng: Phần lớn PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình sơ đồ thang, tơng tự nh sơ đồ đấu hệ thống điều khiển rơ le thông thờng Tính linh hoạt cao: Chơng trình ®iỊu khiĨn cđa PLC cã thĨ thay ®ỉi nhanh chãng dễ dàng cách nạp lại chơng trình điều khiển vào PLC lập trình, thẻ nhớ, truyền tải qua mạng I.3 Phân loại PLC Căn vào số lợng đầu vào/ ra, ta phân PLC thành bốn loại sau: - micro PLC loại có dới 32 kênh vào/ - PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ - PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ - PLC cỡ lớn có 1024 kênh vào/ra Các micro PLC thờng có 32 đầu vào/ra Trên hình 1.2 lµ vÝ dơ vỊ micro PLC hä T100MD-1616 hÃng Triangle Research International sản xuất Cấu tạo tơng đối đơn giản toàn phận đợc tích hợp bảng mạch có kích thớc nhỏ gọn Micro PLC có cấu tạo gồm tất bé phËn nh− bé xư lý tÝn hiƯu, bé ngn, kênh vào/ra khối Các micro PLC có u điểm PLC nhỏ giá thành rẻ, dễ lắp đặt Hình 1.2 Micro PLC họ T100MD-1616 Một loại micro PLC khác DL05 hÃng Koyo, loại có 30 kênh vào/ Hình 1.3 Micro PLC họ DL05 hÃng Koyo Một loại micro-PLC khác loại xê ri 90 Fanuc, hình 1.4 Loại có kênh vào kênh Hình 1.4 Micro-PLC xê ri 90 Fanuc PLC loại nhỏ có đến 256 đầu vào/ra Trên hình 1.5 PLC hÃng OMRON loại ZEN 10C Loại PLC có 34 kênh vào/ gồm: kênh vào kênh mô đun CPU, lại mô đun vào/ ra, với kênh vào kênh cho mô đun Hình 1.5 PLC loại ZEN-10C Omron HÃng Siemens có PLC loại nhỏ nh S5-90U, S5-95U, S5-100U (hình 1.6), S7 200 loại PLC loại nhỏ, có số lợng kênh vào/ nhỏ 256 Cấu tạo PLC loại nhỏ tơng tự nh cấu tạo PLC loại trung bình, dạng mô đun Điểm khác biệt dung lợng nhớ, số lợng kênh vào/ mô đun khác độ lớn tốc độ xử lý thông tin khác PLC Siemens đợc dùng rộng rÃi hầu hết nớc có công nghiệp phát triển Hình 1.7 PLC S5-100U Siemens Các PLC trung bình có dến 1024 đầu vào/ra Loại CJ1M Omron hình 1.8 có 320 kênh vào/ Hình 1.8 PLC loại CJ1M Omron Loại PLC CQM1 hay CQMIH Omron hình 1.9 có 512 kênh vào Hình 1.9 PLC loại CQM1 cđa Omron H·ng Siemens cã mét sè xª ri S7-200 cácloại PLC hạng trung bình Số lợng kênh vào/ S-300 khoảng từ 256 đến 1024 Các PLC loại lớn có nhiều 1024 đầu vào/ra Loại có tốc độ xử lý cao, dung lợng nhớ lớn thờng đợc dùng điều khiển hệ thống thiết bị công nghệ phức tạp HÃng Omron có PLC loai CJ1 hình 1.10, loại có tới 1280 kênh vào/ loại CJ1H có tới 2560 kênh vào/ra Hình 1.10 PLC loại CJ1 Omron HÃng Omron có loai CS1 hình 1.11, loại PLC cỡ lớn với 5120 kênh vào/ Hình 1.11 PLC loại CS1 Omron Các PLC loại lớn Siemens loại xê ri S7-300, S7-400 Các loại có số lợng kênh vào/ lớn Các kênh đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua dồn kênh tách kênh ( demultiplexeur multiplexeur) Trên hình 1.12 PLC S7400 Siemens Đây loại PLC mạnh Siemens Cấu hình PLC đợc biểu diễn hình 1.13.a, 1.13.b Các PLC trung bình lớn có mô đun vào/ra lắp ráp với giá đỡ tiêu chuẩn, cho phép lắp thêm tháo bớt mà không cần tắt nguồn Các PLC đợc kết nối với thông qua mạng ETHERNET công nghiệp (hình 1.14) H×nh 1.12 PLC S7-400 cđa Siemens a, b, Hình 1.13 a, Cấu trúc S7-400; b, Sơ đồ kết nối S-400 Các PLC loại lớn thờng dùng ®Ĩ ®iỊu khiĨn ë møc cao ë møc thÊp th−êng thiết bị điều khiển tơng tự, hay thiết bị điều khiển số với PLC loại nhỏ, hay loại trung bình mức thấp, chủ yếu thiết bị điều khiển trực tiếp thiết bị công nghệ, cấu chấp hành, động cơ, bơm, van, cuộn hút, đèn hiệu vv Điều khiển mức cao bao gồm điều khiển liên quan đến phần quản lý hệ thống quản lý liệu hệ thống điều khiển mức này, liệu đợc thu thập từ các thiết bị điều khiển mức thấp từ bên hệ thống thông qua mạng nội mạng Internet Các liệu từ PLC đợc truyền máy tính trung tâm để lu trữ xử lý Trờng hợp hệ thống sản xuất tự động có điều khiển thống kê, điều khiển mức cao, tơng ứng với cấu trúc quản lý hệ thống Hoạt động hệ thống điều khiển đợc điều chỉnh dựa theo kết phân tích, đánh giá từ liệu thống kê, nh giúp cho việc sản xuất dạng tối u hiệu PLC S7-400 Siemens loại PLC lớn mạnh hệ thống điều khiển sản xuất qui mô nh nhà máy công nghiệp Loại PLC kết nối trực tiếp qua mạng Ethernet công nghiệp với thiết bị điều khiển mức cao để trao đổi liệu thông các kênh giao diện khác nh− MPI , PROFIBUS, EIB hay giao diƯn AS ®Ĩ thu thập liệu điều khiển nh hình 1.14 Hình 1.14 Sơ đồ kết nối mạng S7-400 công nghiệp I.4 thành phần plc Nếu không nhìn khía cạnh giá thành, kích thớc, mức độ phức tạp, tất PLC có thành phần đặc điểm chức giống Mét PLC bao giê cịng gåm cã thµnh phần bản: - Mô đun xử lý tín hiệu - Mô đun vào - Mô đun - Mô đun nhớ - Mô đun nguồn - Thiết bị lập trình Sơ đồ PLC đợc biểu diễn hình 1.15 Ngoài mô đun này, PLC có mô đun phụ trợ nh mô đun kết nối mạng, mô đun đặc biệt để xử lý tín hiệu nh mô đun kết nối với can nhiệt, mô đun điều khiển động bớc, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào vv Đầu vào Mô đun Vào/ Ra Mô đun nguồn Đầu CPU Thiết bị lập trình Mô đun nhớ Hình 1.15 Cấu trúc PLC Bộ xử lý tín hiệu Đây phËn xư lý tÝn hiƯu trung t©m hay CPU cđa PLC Bé xư lý tÝn hiƯu cã thĨ bao gåm hay nhiều vi xử lý tiêu chuẩn vi xử lý hổ trợ với mạch tích hợp khác để thực phép tính lô gíc, điều khiển ghi nhớ chức cđa PLC Bé xư lý thu thËp c¸c tÝn hiƯu vào, thực phép tính lô gíc theo chơng trình, phép tính đại số điều khiển đầu số hay tơng ứng Phần lớn PLC sử dụng mạch logic chuyên dụng sở vi xử lý mạch tích hợp tạo nên đơn vị xử lý trung tâm CPU Bộ vi xử lý lần lợt quét trạng thái đầu vào thiết bị phụ trợ, thực logic điều khiển đợc đặt chơng trình ứng dụng, thực tính toán điều khiển đầu tơng ứng PLC Bộ vi xử lý nâng cao khả logic khả điều khiển cđa PLC C¸c PLC thÕ hƯ ci cho phÐp thùc phép tính số học phép tính logic, nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội vv Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc chơng trình Chu kỳ đợc gọi chu kỳ quét PLC, tức khoảng thòi gian thực xong vòng lệnh chơng trình điều khiển Chu kỳ quét đợc minh hoạ hình 1.16 10 ... trình sai Máy tính cá nhân PC PLC đợc sử dụng rộng rÃi hệ thống điều khiển sản xuất hệ thống dịch vụ PLC đợc sản xuất nhiều hÃng khác giới Về nguyên lý hoạt động, PLC có tính tơng tự giống nhau,... thành bốn loại sau: - micro PLC loại có dới 32 kênh vào/ - PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ - PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ - PLC cỡ lớn có 1024 kênh vào/ra Các micro PLC thờng có 32 đầu vào/ra... vào/ra khối Các micro PLC có u điểm PLC nhỏ giá thành rẻ, dễ lắp đặt Hình 1.2 Micro PLC họ T100MD-1616 Một loại micro PLC khác DL05 hÃng Koyo, loại có 30 kênh vào/ Hình 1.3 Micro PLC họ DL05 hÃng