Giáo trình Kỹ thuật PLC ( Programable Logic Controller)

PLC -Programmable Logic Controller TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC - TỔ MÔN ĐIỆN TỬ - KỸ THUẬT PLC (Programmable Logic Controller) Tài liệu lưu hành nội PLC -Programmable Logic Controller Chương -TỔNG QUAN VỀ PLC I Các kiến thức PLC (Programmable Logic Control)-Bộ điều khiển logic khả trình) Hình thành từ nhóm kỹ sư hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu thiết kế điều khiển thỏa mãn yêu cầu sau:  Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ hiểu  Dễ dàng sửa chữa thay  Ổn định môi trường công nghiệp  Giá cạnh tranh Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc thể thuật tốn mạch số I0.0 I0.1 Q0.0 Với mạch số: I0.0 Q0.0 I0.1 Các điều khiển lập trình – sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động ứng dụng thương mại công nghiệp Các PLC thiết kế vào năm 70 để thay cho hệ thống điều khiển relay Ban đầu chúng bao gồm xử lý bit với nhớ chương trình, ghi tích lũy số ngõ vào ngõ ra, chức chúng thực thao tác logic đơn giản xử lý với ngõ vào số Ngày PLC phát triển mạnh thao tác với tín hiệu tương tự thực phép toán phức tạp điều khiển PID, điều khiển mờ Chúng dùng tất giai đoạn trình sản xuất điều khiển q trình Khơng giống hệ thống đấu dây phần cứng truyền thống, PLC có khả lập trình lại, giám sát on-line, có khả phát lỗi thân PLC thiết bị kết nối với chúng Quá trình thực thi PLC bao gồm giai đoạn: giám sát ngõ vào, tính tốn sở chương trình điều khiển ngõ để tự động hóa q trình hay cơng cụ PLC -Programmable Logic Controller PLC diện nhiều ứng dụng cụ thể Chúng thiết bị làm việc lâu bền, làm việc điều kiện môi trường sản xuất bao gồm độ ẩm, nhiễu, thay đổi nhiệt độ chấn động Tất hệ thống PLC gồm có thành phần cần thiết để thao tác với liệu vào, xử lý liệu điều khiển ngõ Các khối PLC bao gồm xử lý trung tâm (CPU), nhớ, giao tiếp ngõ vào giao tiếp ngõ Ngoài ra, PLC tích hợp khối nguồn, xung clock giao tiếp truyền thơng để nạp chương trình, giám sát trạng thái PLC hay nối mạng PLC với Ngõ vào PLC đưa vào tín hiệu số hay tương tự từ thiết bị khác (cảm biến) biến đổi thành tín hiệu logic để CPU sử dụng Bộ xử lý trung tâm CPU tính tốn thực thi phép tính điều khiển dựa lệnh điều khiển nhớ Bộ giao tiếp ngõ biến đổi lệnh điều khiển từ CPU thành tín hiệu số hay tương tự để dùng điều khiển thiết bị chấp hành khác (actuator) Một thiết bị lập trình dùng để nhập lệnh mong muốn, lệnh định PLC làm tác động ngõ vào cụ thể Một thiết bị giao tiếp (operator interface) cho phép thơng tin q trình hiển thị để nhập thông số điều khiển Bộ nhớ PLC nói chung chia thành phần: nhớ chương trình, nhớ liệu vùng nhớ lưu thơng số cấu hình hệ thống Bộ nhớ chương trình lưu trữ lệnh sơ đồ lập trình LAD hay STL Vùng nhớ điều khiển cách thức sử dụng vùng nhớ liệu I/O Các lệnh LAD hay STL viết thiết bị lập trình (PC) nạp (tải) vào vùng nhớ chương trình PLC Hình 1: Cấu trúc chung PLC Bộ nhớ liệu dùng vùng làm việc bao gồm vùng nhớ cho phép tính, vùng lưu trữ tạm thời cho kết tạm số Vùng nhớ liệu bao gồm vùng nhớ cho thiết bị như: vùng nhớ timer (T) (word bit), counter (C) (word bit), đếm tốc độ cao (HC), vùng nhớ ngõ vào (I), vùng nhớ ngõ (Q), ngõ vào tương tự (AI), ngõ tương tự (AQ), vùng nhớ biến (V), vùng nhớ bên (M), vùng nhớ đặc biệt (SM),… PLC -Programmable Logic Controller Bộ nhớ thông số gồm ô nhớ lưu trữ thông số cài đặt, mật khẩu, địa thiết bị điều khiển thông tin không gian nhớ sử dụng PLC hoạt động theo cách thức đơn giản việc lặp lại trình sau Dữ liệu vào từ bên ngồi chuyển đổi qua giao tiếp ngõ vào thành dạng mà CPU dùng CPU tính tốn dựa liệu vào theo chương trình người dùng lưu trữ nhớ Các kết trình tính tốn đưa tới giao tiếp ngõ để chuyển đổi thành dạng mà thiết bị kết nối với PLC sử dụng II Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC PLC nhiều hãng chế tạo, hãng có nhiều họ khác nhau, có nhiều phiên (version) họ, chúng khác tính giá thành, phù hợp với mức độ toán đơn giản hay phức tạp Ngồi cịn có ghép nối mở rộng cho phép liên kết nhiều PLC nhỏ (thành mạng PLC) để thực chức phức tạp, hay giao tiếp với máy tính để tạo thành mạng tích hợp, thực việc theo dõi, kiểm tra, điều khiển q trình cơng nghệ phức tạp hay toàn phân xưởng sản xuất Mặc dù vậy, hệ thống điều khiển dùng loại PLC có cấu trúc hình Hình 2: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC PLC -Programmable Logic Controller Trong đó: ● Ngõ vào dạng số: gồm hai trạng thái ON OFF Khi trạng thái ON ngõ vào số coi mức logic hay mức logic cao Khi trạng thái OFF ngõ vào số coi mức logic hay mức logic thấp Các kênh vào số thường nối với cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt (On/Of) như: - Cảm biến quang điện, - Cảm biến tiệm cận - Cảm biến xung điện - Các cơng tắc ● Ngõ vào tương tự: tín hiệu vào tín hiệu tương tự , thường ngõ vào tương tự có tầm – 20 mA, – 20 mA hay – 10VDC Các kênh vao tương tự sử dụng cho việc lấy tín hiệu từ cảm biến tương tự : - Cảm biến lưu lượng - Cảm biến độ ẩm - Cảm biến áp xuất - Cảm biến nhiệt độ - Cảm biến áp xuất 10 - Cảm biến vị trí / tốc độ / gia tốc 11 - Cảm biến lực ● Ngõ số: gồm trạng thái ON OFF Các ngõ thường nối để điều khiển van solenoid, cuộn dây contactor, đèn hiệu Các kênh số nối với thiết bị như: 12 13 14 - Các cuộn hút cho van điện từ - Các động b−ớc - Các cấu đóng ngắt vv ● Ngõ tương tự: tín hiệu tín hiệu tương tự, thường có tầm từ – 10 VDC Các kênh tương tự thường nối với cấu chấp hành tương tự: 15 16 17 - Các động DC vμ AC - Các van động cơ, xi lanh thuỷ khí - Các thiết bị đo tương tự ● Thiết bị đầu vào: gồm thiết bị tạo tín hiệu điều khiển, thường nút nhấn, cảm biến … * Cảm biến: thiết bị nhằm biến đổi trạng thái vật lý thành tín hiệu điện để PLC sử dụng Cảm biến nối với ngõ vào PLC Một ví dụ sử dụng nút nhấn nối với đầu vào PLC, tín hiệu điện gửi tới PLC trạng thái (đóng/mở) tiếp điểm nút nhấn ● Thiết bị chấp hành (Actuator): thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành tác động vật lý Actuator nối với ngõ PLC Một ví dụ actuator sử dụng Soft Starter (bộ khởi động mềm) nối đầu PLC, tùy thuộc vào tín hiệu ngõ PLC mà Soft Starter khởi động hay dừng động PLC -Programmable Logic Controller Hình Các dạng tín hiệu ngõ vào PLC ● Chương trình điều khiển: chương trình bao gồm hay nhiều lệnh nhằm thực nhiệm vụ cụ thể Việc lập trình cho PLC đơn giản xây dựng tập hợp lệnh Có nhiều cách để lập trình cho PLC như: dạng lập trình hình thang (LAD), dạng câu lệnh (STL), hay dạng sơ đồ khối chức (FBD) Chương trình điều khiển định qui luật thay đổi tín hiệu output phía đầu PLC theo thay đổi tín hiệu input phía đầu vào theo mong muốn Các chương trình điều khiển tạo cách sử dụng lập trình chuyên dụng cầm tay (hand-held programmer hay PG = programmer) chạy phần mềm điều khiển máy tính PC nạp vào PLC thông qua cáp, nối PLC PC PG Cần ý chương trình để điều khiển hệ thống chạy PLC, khơng cần có máy tính hay lập trình để chạy PLC, chúng đóng vai trị lập trình hay giám sát hoạt động thông qua việc trao đổi thông tin với PLC Chương trình PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình (main program), chương trình (subroutine) chương trình ngắt (interrupt) Nhờ cấu trúc chương trình trở nên dễ đọc rõ ràng Chương trình PLC thực thi theo chu kỳ quét liên tục Chương trình PLC thực thi phần trình lặp lại: chu kỳ quét Chu kỳ quét PLC bắt đầu với việc CPU đọc trạng thái ngõ vào Chương trình ứng dụng thực sử PLC -Programmable Logic Controller dụng trạng thái đầu vào Khi chương trình thực xong CPU bắt đầu q trình tự chẩn đốn tác vụ giao tiếp Chu kỳ quét kết thúc việc cập nhật ngõ ra, sau lại lặp lại từ đầu Thời gian thực chu kỳ quét phụ thuộc vào kích thước chương trình, số lượng ngõ vào/ra cần giám sát PLC vào số lượng yêu cầu giao tiếp Hình Chu kỳ (vịng) qt PLC ● Thiết bị lập trình (PG/PC): chương trình viết thiết bị lập trình truyền xuống PLC ● Cáp kết nối (cáp PPI): thiết bị cần thiết để truyền liệu từ thiết bị lập trình đến PLC 􀂙Quy trình thiết kế hệ điều khiển dùng PLC: Bao gồm bước sau: 1- Xác định quy trình điều khiển: bước cần phải biết đối tượng điều khiển PLC Các thay đổi đối tượng điều khiển kiểm tra thường xuyên thiết bị đầu vào, thiết bị gởi tín hiệu đến PLC để tính tốn xuất tín hiệu đến thiết bị đầu để điều khiển hoạt động đối tượng 2- Xác định tín hiệu vào ra: bước cần xác định cách kết nối thiết bị đầu vào, với PLC Thiết bị vào tiếp điểm, cảm biến,… Thiết bị loại cuộn dây điện từ , đèn, … 3- Soạn thảo chương trình: chương trình viết dạng LAD, STL, hay dạng FBD 4- Nạp chương trình cho PLC 5- Chạy chương trình: trước khởi động hệ thống cần kiểm tra nối dây từ PLC đến thiết bị ngoại vi trình chạy kiểm tra cần thực bước tinh chỉnh hệ thống để đảm bảo an toàn đưa vào hoạt động thực tế PLC -Programmable Logic Controller Trong thí nghiệm với PLC S7-200 (của hãng Siemens) cần quan tâm tới hai vấn đề sau: ●Sơ đồ nối dây PLC: thể sơ đồ nối dây thực thiết bị phía input phía output vào PLC S7–200 ●Sơ đồ điều khiển PLC: viết STEP7-Micro/WIN phần mềm dùng cho PLC thuộc chủng loại S7-200 III Giới thiệu PLC S7-200 PLC phân thành hai loại: Micro PLC Modular PLC - Micro PLC loại PLC mà ngõ vào, xử lý, ngõ nguồn đặt chung khối Các PLC rẻ thường dùng ngành cơng nghiệp nhẹ mà điện áp cao khơng cần thiết Chúng có cấu hình khác ngõ vào, ngõ ra, khả nhớ làm việc lâu dài để thỏa mãn ứng dụng khác Họ PLC S7-200 Siemens thuộc loại PLC - Modular PLC loại PLC dùng ứng dụng công nghiệp nặng thường hệ thống dạng mô đun Các loại PLC có cấu hình khác ngõ vào/ngõ ra, nguồn cung cấp, dạng tín hiệu (rời rạc hay tương tự), ứng dụng mạng điều khiển từ xa Các hệ thống PLC bao gồm mô đun xử lý, mô đun ngõ vào/ngõ ra, gắn, mô đun nguồn, lập trình mơ đun giao tiếp cần thiết Họ PLC S7-300, S7-400 Siemens thuộc loại - Bộ xử lý PLC loại Micro hay Modular bao gồm CPU, nhớ, cổng giao tiếp cổng ngoại vi Không phải tất PLC có cấu hình giống mà khác nhớ, cấu hình ngõ vào/ngõ ra, cấu hình mạng nhiều đặc tính khác Sau giới thiệu vài loại CPU họ S7-200 sử dụng nội dung thí nghiệm: a Bộ S7-200/CPU 212 có số tính sau: – Số cổng vào/ra (I/O): ngõ vào số/6 ngõ số (có địa I0.0 ÷ I0.7, Q0.0 ÷ Q0.5) – Số tối đa mở rộng ghép nối: (với tối đa 64 ngõ vào số /64 ngõ số) – Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 1.2 μs/lệnh s/lệnh – Bộ đếm thời gian (timer): 64 – Bộ đếm (counter): 64 – Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): (2 kHz-software) b Bộ S7-200/CPU 216 có tính sau: – Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ số số (có địa I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷ Q1.7) – Số tối đa mở rộng ghép nối: – Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.8 μs/lệnh s/lệnh PLC -Programmable Logic Controller – Bộ đếm thời gian (timer): 256 – Bộ đếm (counter): 256 – Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): (1 software – hardware) – Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB – Cổng giao tiếp: c Bộ S7-200/CPU 226 có tính sau: – Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ số (địa từ I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷ Q1.7) – Số tối đa mở rộng ghép nối: – Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.37 μs/lệnh s/lệnh – Bộ đếm thời gian (timer): 256 – Bộ đếm (counter): 256 – Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): (30 kHz) – Đồng hồ thời gian thực – Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB – Cổng giao tiếp: – Số ngõ xung: (20 kHz) IV Sơ đồ nối dây thực S7 – 200 Sơ đồ nối dây CPU 212: Hình Sơ đồ nối dây PLC S7-200, CPU 212 PLC -Programmable Logic Controller Với cách nối dây sơ đồ thể hiện, công tắc (hay nút nhấn) ngõ vào tác động, ngõ vào trạng thái logic (trạng thái ON) Nếu công tắc bị ngắt (hay không nhấn nút nữa), ngõ vào tương ứng trạng thái logic (trạng thái OFF) Nguyên tắc chung có điện áp khoảng quy định trước (thông thường 15 – 30 VDC) so với điểm chuẩn điện áp (các ngõ vào ký hiệu COM) đặt vào ngõ vào ngõ vào trạng thái 1, khơng có điện áp đủ lớn so với điểm chuẩn điện áp đặt vào ngõ vào ngõ vào trạng thái Các CPU 216 CPU 226 nối dây tương tự với CPU 212 Chú ý: • PLC nhận tín hiệu ngõ vào 24V, ngõ relay (3 4) SIKOSTART phải cấp tín hiệu 24V cho PLC • PLC có ngõ tiếp điểm relay nối chung với nhau, chưa nối nguồn bên trong, điều khiển contactor cấp điện áp 220V • Do ngõ relay PLC nối chung: 10 PLC -Programmable Logic Controller Chọn Properties phần Set PG/PC Interface để thiết lập thông số kết nối (ví dụ: tốc độ baud, cổng giao tiếp, địa chỉ, ) Sau hoàn tất việc thiết lập double click vào mục Double-Click to Refresh để kết nối với PLC Khởi tạo file a Chọn menu File/New (Ctrl+N) b Chọn loại vào menu PLC/Type… c Nhấn nút OK Lập trình Dùng mouse chọn phần tử cần sử dụng từ danh sách lệnh (dùng chuột để kéo phần tử double click vào phần tử để chọn) để vẽ sơ đồ LADDER, sau đặt tên cho phần tử ví dụ hình vẽ sau: 18 PLC -Programmable Logic Controller Chú ý: – Một chường trình dạng LADDER thường có nhiều network “mắc song song” với – Trong netwok lập trình tối đa nhánh lệnh – Kết thúc sơ đồ Step7-MicroWIN 32 ta không đặt lệnh kết thúc không điều kiện END (nếu thêm lệnh vào bị sai cú pháp dịch chương trình) Các thích chương trình a) Nhấn mouse vào hàng chữ Network (2,3 ) để đặt tên cho Network b) Nhấn mouse vào hàng chữ POU Comment (Project Component Comments) để ghi thành phần Project 19 PLC -Programmable Logic Controller c.Nhấn mouse vào hàng chữ Network Comment để thích cho Network Biên dịch chương trình vào menu PLC/Compile Lúc chương trình kiểm tra cú pháp sơ đồ điều khiển thông báo kích thước chương trình lỗi cú pháp chương trình: Lưu giữ chương trình vào menu File/ Save As… sửa chương trình dùng lệnh Save Nạp chương trình vào CPU PLC (chương trình vừa lập trình lưu máy tính) a Để nạp chương trình, PLC phải chế độ STOP theo hai cách: ● Gạt contact (3 tiếp điểm) PLC qua vị trí STOP ● Gạt contact (3 tiếp điểm) PLC qua vị trí TERM chọn menu PLC /STOP b Vào menu File/Download (Ctrl+D) 20 ... nhớ timer (T) (word bit), counter (C) (word bit), đếm tốc độ cao (HC), vùng nhớ ngõ vào (I), vùng nhớ ngõ (Q), ngõ vào tương tự (AI), ngõ tương tự (AQ), vùng nhớ biến (V), vùng nhớ bên (M), vùng... trình PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình (main program), chương trình (subroutine) chương trình ngắt (interrupt) Nhờ cấu trúc chương trình trở nên dễ đọc rõ ràng Chương trình PLC thực... • Download (PLC Menu) Tải xuống • Network (Insert) Chèn network • Program Elements (Insert) Mở cử sổ phần tử lập trình • Clear/Reset (PLC) Xóa chương trình thời PLC • LAD, STL, FBD (View) Hiển