Giáo trình PLC (Ngành Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí)

UBND TỈNH HẢI PHỊNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG Giáo trình: PLC Chun ngành: Kỹ thuật máy lạnh điều hịa khơng khí (Lưu hành nội bộ) HẢI PHỊNG Trang số LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học lập trình PLC mơn học chun mơn học viên ngành điện tử công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trường nghề kiến thức tư lập trình tự động, điều khiển dây truyền sản xuất tự động, Với kiến thức trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngồi kiến thức mơn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Tổ mơn Tự động hóa Trang số Bài :ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH Chương giới thiệu khái niệm điều khiển lập trình, so sánh ưu nhược điểm điều khiển lập trình với hình thức điều khiển khác trình bày số ứng dụng PLC thực tế Chương gồm phần: Tổng quan điều khiển Điều khiển nối cứng điều khiển lập trình So sánh PLC với thiết bị điều khiển thông thường khác Các ứng dụng PLC thực tế Câu hỏi ôn tập 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển Trong ứng dụng công nghệ khoa học vào sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng suất lao động giải đường tăng mức độ tự động hố q trình thiết bị sản xuất nhằm mục đích tăng sản lượng, cải thiện chất lượng độ xác sản phẩm Tự động hoá sản xuất nhằm thay phần tồn thao tác vật lý cơng nhân vận hành máy thông qua hệ thống điều khiển (HTĐK) Những HTĐK điều khiển q trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần tác động nhiều người vận hành Điều địi hỏi HTĐK phải có khả khởi động, kiểm sốt, xử lý dừng q trình theo yêu cầu đo đếm giá trị xác định nhằm đạt kết mong muốn sản phẩm đầu máy hay thiết bị Một hệ thống gọi hệ thống điều khiển Bộ điều khiển logic khả trình (Programable Logic Controller) thiếtbị xem coi máy tính cơng nghiệp với cấu trúc thiết kế đặcbiệt bao gồm khối điều khiển trung tâm (Main CPU) mạchgiaotiếp với thiết bị trường (Các đầu vào/ra nối với thiết bị chấp hành)trên Module để thức chức điều khiển PLC có khả năngthực lệnh như: Các lệnh tuần tự, định thời, đếm, xử lí liệu truyềnthơng để điều khiển hoạt động máy gia công công nghiệp điều khiển trình sản xuất Ý tưởng điều khiển logic có khả lập trình kĩ sư củahãng General Motors đưa vào năm 1968 với mục đích để giảm giáthành cho hệ thống điều khiển role Đặc biệt điều khiển logic lập trìnhđược u cầu phải nhỏ gọn, có khả xử lí linh hoạt máy tính, có khả nănglàm việc lâu dài mơi trường cơng nghiệp, có khả lập trình bảodưỡng kĩsư, kĩ thuật viên nhà máy, có khả tái sử dụng Hơn hệ thống điều khiển dùng điều khiển logic lập trình phải giảm thời gian dừng máy có khả mở rộng hệ thống tương lai Một số đặc điểm PLC ngày nay: - Thời gian chu kì quét nhanh nhờ việc sử dụng công nghệ - Số lượng đầu vào nhiều - Giao diện vào mở rộng tiêu biểunhư giao diện PID, Network, Canbus, Fieldbus… - Nâng cao khả truyền thông - Cung cấp cơng cụ lập trình hướng đối tượng với nhiều ngôn ngữ khácnhau - Tập lệnh nhiều - Ngôn ngữ bậc cao Basic, C sử dụng để viết chương trìnhcho số loại PLC để việc lập trình linh hoạt thực truyền thơng vớicác thiêt bị ngoại vi xử lí liệu - Có thể xử lí liệu dạng số thực Trong tương lai với phát triểncủa công nghệ thông tin truyền thông, thông qua mạng truyền thông côngnghiệp, PLC kết nối với PLC kết nối với máy tính tạo thành hệ thống sảnxuất tích hợp, kết nối giúp cao khả tự động hóa hệthống sản xuất dễ dàng chia sẻ tài nguyên với hệ thống điều khiển khácnhư: Hệ thống điều khiển số NC (numerical controls), Robots, CAD/CAM,các máy tính cá nhân, hệ thống thơng tin quản lý Trang số Trong kỹ thuật tự động điều khiển, điều khiển chia làm loại: - Điều khiển nối cứng - Điều khiển logic khả trình (PLC) Một hệ thống điều khiển tạo thành từ thành phần: - Khối vào - Khối xử lý – điều khiển - Khối Khối vào Khối xử lý Bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ vào Tín hiệu vào Xử lý điều khiển Khối Kết xử lý Cơ cấu tác động Hình 1.1a Các thành phần hệ thống điều khiển Ta biểu diễn sơ đồ tổng quát điều khiển lập trình sau: Hình C u tr c p tr nh C Và hình ảnh thực tế sau: + Khối vào (input): Để chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, chuyển đổi nút nhấn, cảm biến, điện trở đo sức căng.v.v… tùy theo chuyển đổi mà tín hiệu khỏi khối vào có dạng ON/OFF (Digital) dạng liên tục (Analog) Bộ chuyển đổi Cơng tắc(Switch) Cơng tắc hành trình (Limit switch) Bộ điều chỉnh nhiệt (Thermostat) Cặp nhiệt điện Đại lượng đo Sự dịch chuyển/ vị trí Đại lượng Điện áp nhị phân(on/off) Sự dịch chuyển/ vị trí Điện áp nhị phân(on/off) Nhiệt độ Điện áp nhị phân Nhiệt độ Điện áp thay đổi Trang số (Thermocouple) Nhiệt trở(Thermister) Tế bào quang điện (Photo cell) Tế bào tiệm cận (Proximity cell) Điện trở đo sức căng (Strain gage) Nhiệt độ Trở kháng thay đổi Ánh sáng Điện áp thay đổi Sự diện cuả đối tượng Trở kháng thay đổi Áp suất/ dịch chuyển Trở kháng thay đổi Bảng 1.1: Các dạng tín hiệu vào + Khối xử lý: Khối thay người vận hành thực thao tác đảm bảo q trình hoạt động Từ thơng tin tín hiệu khối vào hệ thống điều khiển phải tạo tín hiệu cần thiết để đáp ứng yêu cầu điều khiển xác định phần xử lý Tín hiệu điều khiển thực theo cách: - Dùng mạch điện nối kết cứng - Dùng chương trình điều khiển + Khối (output): Tín hiệu kết q trình xử lý hệ thống điều khiển Các tín hiệu sử dụng để tạo hoạt động đáp ứng cho thiết bị ngõ Thiết bị ngõ Đại lượng Đại lượng tác động Động điện Chuyển động quay Điện Xy-lanh – Piston Chuyển động thẳng/áp lực Dầu ép/khí ép Solenoid Chuyển động thẳng/áp lực Điện Lò xấy/ lò cấp nhiệt Nhiệt Điện Van Tiết diện cửa van thay đổi Điện/dầu ép/khí ép Rơ-le Tiếp điểm điện/chuyển động vật Điện lý có giới hạn Bảng 1.2a Các dạng c u tác đ ng ngõ Người ta thể chức tương tác hệ thống PLC sau: Trang số Hình 1.2b:Chức tương tác PLC Phần bên phải ngõ vào Input (cơng tắc hành trình LS Limit Switch, nút nhấn thường mở PB Press Button) Phần bên trái ngõ Output (M Motor động cơ, Van khí nén SOL Solenoid, đèn PL1) Phần khối xử lý Proccessor, bao gồm chương trình điều khiển, lưu nhớ nuôi nguồn ni Power Supply Trong thực tế, có loại ngõ Ouput là: + PLC điều khiển trực tiếp tải + PLC điều khiển gián tiếp tải, điều khiển qua rơ le trung gian PLC điều khiển trực tiếp tải: PLC cấp nguồn chân vào L1,L2 tải đấu trực tiếp vào cọc đấu dây, tải không cần điều khiển rơ le trung gian Trang số Hình 1.2c: PLC có tải đ u trực tiếp vào cọc đ u dây PLC điều khiển gián tiếp tải: PLC điều khiển tải gián tiếp, tải đấu vào cọc đấu dây, từ cọc đấu dây đấu vào rơ le trung gian từ rơ le trung gian đấu vào ngõ Output PLC Trang số Hình 1.2d: PLC c p nguồn chân L1,L2 tải đ u trực tiếp vào cọc đ u dây 1.2 Điều khiển nối cứng điều khiển lập trình Trong kỹ thuật điều khiển tự động hóa ngưới ta chia làm hai loại điều khiển: điều khiển nối cứng điều khiển lập trình (điều khiển khả trình) Điều khiển nối cứng (Hard –Wired Control) Trong điều khiển nối cứng, thành phần chuyển mạch rơle, contactor, công tắc, đèn báo, động cơ…được nối cố định với Toàn chức điều khiển, cách tiến hành chương trình xác định qua cách thức nối rơle, công tắc, …với theo sơ đồ thiết kế Khi muốn thay đổi lại hệ thống phải nối dây lại cho hệ thống điều khiển nên hệ thống phức tạp việc làm đòi hỏi tốn nhiều thời gian, chi phí nên hiệu đem lại khơng cao OFF ON Hình 1.3a B điều khiển nối cứng đơn giản Các bước thiết lập sơ đồ điều khiển Rơle ( điều khiển nối cứng ) Hình 1.3b ưu đồ điều khiển dùng Rơ e Trong công nghiệp, việc ứng dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào sản xuất nên nhu cầu tự động hố ngày tăng, địi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng đủ yêu cầu: - Dễ dàng thay đổi chức điều khiển dựa thiết bị cũ - Thiết bị điều khiển dễ dàng làm việc với liệu, số liệu - Kích thước vật lý gọn gàng, dễ bảo quản, dễ sửa chữa - Hoàn toàn tin cậy môi trường công nghiệp Hệ thống điều khiển để đáp ứng yêu cầu phải sử dụng vi xử lý, điều khiển lập trình, điều khiển qua cổng giao tiếp với máy tính Điều khiển l p trình Bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển thơng qua ngơn ngữ lập trình Với chương trình điều khiển PLC tạo cho trở thành điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật tốn, số liệu trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh Các chương trình điều khiển định nghĩa tiếp điểm, cảm biến sử dụng để từ kết hợp với hàm logic, thuật toán giá trị xuất để điều Trang số khiển tác động không tác động đến cuộn dây điều hành Trong q trình hoạt động, tồn chương trình lưu vào nhớ tiến hành truy xuất trình làm việc Ngõ vào Chương trình Input Bộ nhớ Nhớ KhốiBộ xử lý trung tâm Ngõ Output Hình 1.4 B điều khiển ogic khả tr nh Các bước thiết lập sơ đồ điều khiển PLC (điều khiển lập trình) hình 1.4 Hình 1.4a ưu đồ điều khiển PLC Hình 1.4b: Ví dụ điều khiển đ ng dùng Rơ e Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển người ta cần thay đổi mạch điều khiển cách lắp lại mạch, thay đổi phần tử hệ thống điều khiển Rơle điện Trong khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ta cần thay đổi chương trình soạn thảo hệ điều khiển lập trình có nhớ Các bước thiết lập sơ đồ điều khiển PLC (điều khiển lập trình) đây: Trang số Hình 4c ưu đồ điều khiển PLC Hình 4d ưu đồ điều khiển PLC 1.3 So sánh PLC với thiết bị điều khiển thông thường khác - Việc phát triển hệ thống điều khiển lập trình dần thay bước hệ thống điều khiển rơle trình sản xuất thiết kế hệ thống điều khiển đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn hệ thống điều khiển lập trình thường sử dụng thay cho hệ thống điều khiển rơ le nguyên nhân sau: + Thay đổi chương trình điều khiển cách linh động + Có độ tin cậy cao + Không gian lắp đặt thiết bị nhỏ, khơng chiếm nhiều diện tích + Có khả đưa tín hiệu điều khiển ngõ phù hợp: dịng, áp + Dễ dàng thay đổi cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) tương lai có nhu cầu mở rộng sản xuất H nh Điều khiển nhiều thiết bị Hình 1.5a Điều khiển thiết bị Với điều khiển thiết bị dùng PLC sai lầm, ta chọn điều khiển nối cứng (dùng dây nối, công tắc) tối ưu Với điều khiển nhiều thiết bị dùng PLC tốt Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình phù hợp với nhu cầu nêu trên, đồng thời mặt kinh tế thời gian hệ thống điều khiển lập trình vượt trội hệ thống điều khiển cũ (rơle, contactor …) Hệ thống điều khiển phù hợp với mở rộ ng hệ thống tương lai thay đổi, loại bỏ hệ thống dây nối hệ thống điều khiển thiết bị, mà đơn giản thay đổi chương trình cho phù hợp với điều kiện sản Trang số 10 Giá trị vùng nhớ S D khoảng từ - 32768 đến 32767 8.5.2 Lệnh cộng, trừ số nhị phân 32 bít Tương tự lệnh cộng trừ số nhị phân 16 bít, ta cần thêm D trước dấu cộng trừ Hình 5.22 C u trúc lệnh c ng, trừ số nhị phân 32 bít Giá trị vùng nhớ S D khoảng từ -2147483648 đến 2147483647 8.5.3 Lệnh nhân, chia số nhị phân 16 bít Cấu trúc lệnh Hình 5.23 C u trúc lệnh nhân chia số nhị phân 16 bít S1, S2 liệu nhị phân 16 bít, kết liệu nhị phân 32 bít Đối với phép chia, khí S2 =0 máy báo lỗi Giá trị vùng nhớ S1 S2 khoảng từ - 32768 đến 32767 Ví dụ: Nhân số 5678 1234, kết lưu vào địa D3 8.5.4 Lệnh nhân, chia số nhị phân 32 bít Tương tự lệnh nhân chia số nhị phân 16 bít, ta cần thêm D trước phép nhân chia Hình 5.24 C u trúc lệnh nhân chia số nhị phân 32 bít Trang số 68 Giá trị vùng nhớ S1 S2 khoảng từ -2147483648 đến 2147483647 Vùng chứa kết gồm 64 bít Một số tập Bài 21 Một ngã tư đèn giao thông ( gồm đèn ) hoạt động theo chế độ sau: Nhấn Start1 hệ thống hoạt động sau Đèn xanh: 25s; Đèn đỏ: 30s; Đèn vàng: 5s Lặp lặp lại Nhấn Stop1 hệ thống ngừng Bài 22 Một ngã tư đèn giao thông ( gồm đèn ) hoạt động theo chế độ sau: Nhấn Start1 hệ thống hoạt động sau Đèn xanh: 25s; Đèn đỏ: 30s; Đèn vàng: 5s Lặp lặp lại Nhấn Stop hệ thống hoạt động thêm 10s sau ngừng hoạt động Bài 23 Một ngã tư đèn giao thông (gồm đèn ) hoạt động theo chế độ sau: Nhấn Start1 hệ thống hoạt động sau Đèn xanh sáng 10s; Đèn đỏ: 15s; Đèn vàng: 5s Lặp lặp lại Nhấn Stop1 đèn vàng nhấp nháy chu kỳ 4s ( sáng 2s tắt 2s) Bài 24A Nhấn start1 hệ thống hoạt động sau: Nhấn on1: Đèn sáng 1s tắt 1s, đèn tắt 2s sáng 2s Nhấn on2: Đèn sáng 5s tắt 5s, đèn tắt 2s sáng 2s Bài 24B Nhấn start1 hệ thống hoạt động sau: Nhấn on1: Đèn sáng 1s tắt 1s, đèn tắt 2s sáng 2s Nhấn Stop1 Đèn sáng 10s, đèn sáng 2s dừng hoạt động Bài 25 Mô tả hoạt động hệ thống điều khiển động - Sơ đồ nguyên lý mô tả vẽ - n ON1 Cơng tắc tơ K1 có điện cấp điện cho động KĐB pha MOTOR chạy trước Sau 10 giây, Công tắc tơ K2 có điện cấp điện cho động KĐB pha MOTOR chạy sau Sau 05 giây tiếp theo, Công tắc tơ K3 có điện cấp điện cho động KĐB pha MOTOR chạy sau - n OFF Công tắc tơ K3 điện, động KĐB pha MOTOR dừng trước Sau 05 giây, Công tắc tơ K2 điện, động KĐB pha MOTOR dừng sau Sau 10 giây tiếp theo, Công tắc tơ K1 điện, động KĐB pha MOTOR dừng sau Trang số 69 - Trong lúc hệ thống hoạt động mà có cố xảy dừng đưa tín hiệu nháy đèn với thời gian chu kỳ giây Bài 26 (special bit SM) Khi chuyển chế độ hoạt động từ STOP sang RUN đèn A sáng Nhấn nút RESET đèn A tắt Bài 27 Nhấn nút ON đèn A sáng tắt với chu kì giây Nhấn nút OFF đèn A tắt Bài 28 Nhấn nút ON đèn A sáng tắt với chu kì 0.5 giây Nhấn nút OFF đèn A tắt Bài 29 A (Command COUNTER) Nhấn nút Start đèn A sáng, bng tay đèn tắt Đếm số lần sáng = đèn A tắt Nhấn nút OFF thời điểm đèn A tắt Bài 29 B (Command COUNTER) Nhấn nút ON đèn A sáng tắt với chu kì giây Trang số 70 Đếm số lần sáng = đèn A tắt Nhấn nút OFF thời điểm đèn A tắt Bài 30 A Trong phòng thực hành PLC chứa 10 sinh viên Trong ngày thi kết thúc môn PLC, sinh viên đến dự thi sớm cộng thêm điểm vào thi thông báo trước cho lớp từ đầu kỳ Viết chương trình điều khiển sau: Khi chưa đủ 10 sinh viên cửa mở, đèn xanh sáng Khi đủ 10 sinh viên cửa đóng đèn đỏ sáng Nhấn stop cửa mở, đèn đỏ tắt Bài 30 B Trong phòng thực hành PLC chứa 10 sinh viên Trong ngày thi kết thúc môn PLC, sinh viên đến dự thi sớm cộng thêm điểm vào thi thông báo trước cho lớp từ đầu kỳ Viết chương trình điều khiển sau: Khi số sinh viên đến