2. Điểm mới các kết quả của đồ án, khóa luận:
3.1.7. Ứng dụng PLC vào các quy trình điều khiển tự động
Tự động hóa là một trong những yêu cầu căn bản của một nền công nghiệp phát triển, đối với tự động hóa các quy trình điều khiển sẽ chính xác hơn, các sản phẩm làm ra sẽ có chất lượng đồng nhất hơn và quan trọng nhất là do tiết kiệm được chi phí nhân công và tiêu hao vật tư nên các sản phẩm này sẽ có giá thành rẽ hơn các sản phẩm cùng loại sản xuất bằng tay.
Tự động hóa giải phóng người lao động khỏi những công việc nặng nhọc và nguy hiểm, tạo điều kiện cho họ có nhiều thời gian hơn để nghiên cứu và cải tiến các quy trình tự động hóa ngày càng tốt hơn.
Ngày nay, với sự phát triển của xã hội, nhu cầu về cuộc sống ngày càng cao, tự động hóa không chỉ là ứng dụng trong công nghiệp mà xuất hiện ở khắp mọi nơi, phục vụ cho mọi nhu cầu dân dụng của cuộc sống. Trong giai đoạn ban đầu (khoảng cách giữa những thập niên 50 của thế kỷ 20) trong các quy trình sản xuất của các ngành công nghiệp, một hệ thống điều khiển tự động là tổ hợp phức tạp của các rơle điện cơ. Tuy nhiên, các hệ thống có một số nhược điểm:
Kích thước quá lớn và phức tạp đối với các hệ thống lớn, khó kiểm soát, thời gian lắp đặt lâu.
Khi hoạt động xuất hiện hiện tượng hao mòn các tiếp điểm đóng ngắt nên yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên, do đó tuổi thọ thiết bị thấp.
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
Hệ thống điều khiển rơle là một hệ thống điều khiển theo quy trình cứng có chức năng cố định, khi có yêu cầu thay đổi bất kỳ về quy trình hoạt động thì chỉ thực hiện bằng cách nối lại hệ thống dây dẫn.
3.2. Cấu trúc phần cứng của PLC
PLC có nhiều hãng sản xuất, nhiều loại và nhiều cấu hình khác nhau. Tuy nhiên, dù là của hãng nào, loại nào, cấu hình nào thì chúng đều có chung các thành phần sau:
INPUT Central OUTPUT
Processing
Power Supply
Hình 3.2. Cấu trúc tổng quát của một PLC
3.2.1. Nguồn cấp
Nguồn có thể tích hợp sẵn bên trong PLC hoặc làm riêng bên ngoài. Có nhiều cấp điện áp khác nhau tùy loại PLC, gồm 110V-AC hoặc 220V-AC hoặc 24V-DC (hiện nay có 2 cấp điện áp thường sử dụng là 24V-DC và 220V-AC).
3.2.2. CPU (Central Processing Unit)
Đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như một máy tính, dùng để lưu trữ và xử lý chương trình theo yêu cầu của người lập trình.
3.2.3. X (Input)
Các loại cảm biến, công tắc, nút nhấn,… đưa tín hiệu vào PLC thông qua module Input. Tùy vào loại tín hiệu của cảm biến là số hay tương tự mà module ngõ vào của PLC cũng có hai loại là Module số (Digital Module) và Module tương tự (Analog Module).
3.2.4. Y (Output)
Các loại cơ cấu chấp hành như: Bóng đèn, cuộn dây, vale, biến tần….được điều khiển bởi PLC thông qua module Output. Tuy vào đối tượng điều khiển cần tín hiệu số hay tương tự mà module ngõ ra của PLC cũng có hai loại là Module số ngõ ra (Digital Output Module) và Module ngõ ra tương tự (Analog Output Module).
WECON X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X20 X21 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 L N S/S X22 X23 X24 X25 X26 X27 COM
24V+ COM0 COM1 COM2 COM3 COM4 COM5
Y16 Y17 1 2 3 Hình 3.3: Ngõ ra và vào của PLC LX3V 3.2.5. Đèn báo
Dùng để chỉ báo trạng thái PLC gồm: Nguồn, chạy chương trình, lỗi hệ thống. Các cảnh báo này rất cần thiết trong chuẩn đoán sự cố.
3.2.6. Module ngõ vào
Tùy vào loại tín hiệu của cảm biến là số hay tương tự mà module ngõ vào của PLC cũng có hai loại là Module số (Digital Module) và Module tương tự (Analog Module).
3.2.7. Module ngõ ra
Tùy thuộc vào từng loại cơ cấu mà tín hiệu điều khiển nó có thể là số hay tương tự mà module ngõ ra của PLC cũng có hai loại là Module số ngõ ra (Digital Output Module) và Module ngõ ra tương tự (Analog Output Module).
Module ngõ ra tương tự có hai kiểu tiêu biểu: Ngõ ra điện áp hoặc ngõ ra dòng điện. Đối với những đối tượng yêu cầu tín hiệu điều khiển phải ở dạng analog như: Ngõ vào biến tần, vale tuyến tính, vale thủy lực…
Chúng thưởng sử dụng nhất là dùng module analog của PLC. Đặc điểm của module analog trong PLC là kết nối đơn giản, dễ sử dụng, không cần thiết phải kết nối thêm các thiết bị bên ngoài.
Module ngõ ra số có những kiểu tiêu biểu như: Ngõ ra Transistor, ngõ ra Triac và ngõ ra Relay. Khi cần điều khiển các đối tượng hoạt động theo kiểu ON-OFF thì ta sử dụng module ngõ ra dạng số.
Tuy nhiên tùy thuộc vào cấp điện áp, tần số đóng cắt, dòng làm việc mà ta chọn kiểu ngõ ra nào cho phù hợp với các với thiết bị sử dụng.
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển 00 01 02 03 04 05 06 07 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27 IN OUT
PWR RUN BAT ERR
STOP RUN GND B- COM2 COM1 A+ B- A+ COM1 00 01 02 03 04 05 06 07 10 11 12 13 14 15 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8
Hình 3.4. Giao diện của PLC LX3V
Ghi chú:
1. Cổng giao tiếp COM2 với Rs422 và Rs485. 2. Nút RUN/STOP.
3. Cổng USB giao tiếp với PC. 4. Cổng giao tiếp COM1 với HMI. 5. Đèn báo ngõ vào.
6. Đèn báo trạng thái PLC. 7. Đèn báo ngõ ra.
8. Cổng module mở rộng PLC.
3.3. Hoạt động của một PLC
Tất cả PLC đều hoạt động theo chu trình lặp, mỗi chu trình hoạt động gồm 4 giai đoạn: Đọc ngõ vào, thực thi chương trình, chẩn đoán lỗi và kiểm tra truyền thông, xuất kết quả ra điều khiển thiết bị 4 giai đoạn này thường được gọi là một chu kỳ quét của PLC.
ĐỌC NGÕ VÀO THỰC THI CHƯƠNG TRÌNH CHẨN ĐOÁN LỖI VÀ KIỂM TRA TRUYỀN THÔNG XUẤT KẾT QUẢ
Hình 3.5. Một chu kì quét của PLC
Đọc ngõ vào: PLC đọc trạng thái của toàn bộ các ngõ vào và chứa vào bộ đệm ngõ vào.
Thực thi chương trình: PLC dựa vào các trạng thái ngõ vào để thực thi theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ đệm ngõ ra.
Chẩn đoán lỗi và kiểm tra truyền thông: PLC tiến hành chuẩn đoán lỗi và kiểm tra quá trình truyền thông.
Xuất kết quả: PLC xuất kết quả trong vùng nhớ đệm ngõ ra để điều khiển thiết bị ngoại vi.
3.3.1. Trạng thái PLC
Điều dễ nhận thấy ở PLC là nó thiếu bàn phím và các thiết bị vào ra khác. Tuy nhiên để giúp người lập trình nhanh chóng xác định trạng thái, PLC thường có các đèn chỉ trạng thái, bao gồm:
Đèn báo nguồn.
Đèn chạy chương trình.
Đèn báo sự cố
Đèn PIN
Các đèn này thường dùng cho việc sửa lỗi.
Ngoài ra phần cứng PLC còn có các nút nhấn, phổ biến nhất là nút chạy chương trình (RUN).
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
3.3.2. Bộ nhớ
Các loại bộ nhớ dùng phổ biến hiện nay bao gồm: RAM, ROM, EPROM, EEPROM.
Tất cả PLC đều sử dụng RAM cho CPU và dùng ROM để lưu hệ điều hành cho PLC. Khi cấp nguồn, nội dung của RAM sẽ được giữ lại nhưng vấn đề cần quan tâm là chuyện gì xảy ra khi bộ nhớ này bị mất nguồn. Các PLC trước khi sử dụng RAM có nguồn pin nên dữ liệu RAM không bị mất khi cúp điện. Phương pháp này còn sử dụng nhưng không nhiều, ngày này người ta sử dụng EPROM làm bộ nhớ cho PLC. Bộ nhớ này được lập trình bên ngoài PLC sau đó đặt vào PLC. Khi PLC hoạt động chương trình này được nạp vào PLC và thực hiện. Phương pháp này chính xác nhưng việc lập trình và xóa bộ nhớ sẽ mất nhiều thời gian. Bộ nhớ EEPROM trở thành một phần cố định của PLC, các chương trình lưu trong EEPROM tương tự như lưu trong EPROM. Hiện nay giá thành các bộ nhớ đã giảm đáng kể và người ta còn phát triển thêm bộ nhớ khác như Flash ROM.
3.3.3. Các đèn báo
PWR: đèn xanh báo nguồn PLC.
ERR: Đèn vàng báo lỗi khi PLC có vấn đề.
RUN: Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào máy.
STOP: đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ chờ chương trình.
3.3.4. Tín hiệu ngõ vào
Điện trạng thái mức logic 1: 15-30V-DC, dòng nhỏ nhất 4 mA, 35V-DC ở thời gian tức thời 500s.
Trạng thái mức logic 1 chuẩn: 24V-DC, 7 mA. Trạng thái mức logic 0: Tối đa 5V -DC, 1 mA.
Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân x0 đến x7, x10 đến x17 và x20 đến x27: có thể chỉnh từ 0,2 đến 8,7ms > thời gian mặc định 0,2ms. Sự cách ly về quang 500VAC.
3.3.5. Các ngõ ra
Kiểu đầu ra: Relay hoặc transistor cung cấp điện. Điện áp mức một: 24.4 đến 28.8VDC.
Dòng tải tối đa: 2A/điểm, 8A/common. Quá dòng: 7A với contactor đóng. Điện trở cách ly: nhỏ nhất 100mΩ. Thời gian chuyển mạch: tối đa 10ms.
Thời gian sử dụng: 100.000.000 lần so với công tắc cơ khí, 100.00 lần so với tốc độ tải.
Điện trở công tắc tối đa 200mΩ.s Chế độ bảo vệ ngắn mạch: không có.
3.3.6. Chế độ làm việc
PLC có 3 chế độ làm việc: RUN cho phép PLC thực hiện các chương trình trong bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP.
STOP: cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP.
TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC ở chế độ RUN hay STOP.
3.3.7. Các module mở rộng
Wecon PLC có nhiều loại mô-đun mở rộng, bao gồm I/O, analog mô-đun đầu vào và đầu ra, mô-đun đầu ra tốc độ cao và truyền thông Ethernet giao thức.
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
Hình 3.6. Module mở rộng
Chú thích:
1. Cáp mở rộng.
2. Đèn COM: luôn bật khi truyền kỹ thuật số là bình thường. 3. 24V: luôn hoạt động khi kết nối với nguồn 24V ngoài.
4. Đèn trạng thái công suất của mô-đun luôn bật khi bình thường. 5. Tên mô-đun mở rộng.
6. Đầu ra tín hiệu tương tự. 7. Giao tiếp mở rộng. 8. Đoạn đường ray DIN. 9. Móc treo ray DIN. 10. Lỗ gắn.
CPU PLC và mô-đun mở rộng có cùng kích thước về chiều cao và chiều sâu, nhưng chiều rộng khác nhau.
Hình 3.7. Kết nối các module mở rộng với PLC
3.3.8. Bảng BD
So với mô-đun mở rộng, bảng BD nhỏ hơn, linh hoạt hơn (lên đến hai BD bảng trong một PLC) và rẻ hơn, nhưng cũng với đa chức năng. Bởi vì bảng BD được cài trong thiết bị lưu trữ.Vì vậy nó không chiếm thêm không gian.
Hình3.8. Bảng BD kết nối PLC
Thường được lắp đặt ở giữa của CPU tùy theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc bề dọc.
3.3.9. Đặt điểm đầu vào
Thông số kỹ thuật của các đơn vị cơ bản của bộ điều khiển lập trình LX là thể hiện trong bảng dưới đây:
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
Hình 3.9. Đặc điểm đầu vào
Nguồn cung cấp AC, đầu ra DC. Đơn vị cơ bản của mô hình LX. Điện áp đầu vào DC 24V ± 10%.
Dòng tín hiệu đầu vào 7 mA/24V-DC (phía sau X002, 3,5mA/24V-DC).
Điện áp đầu ra 1,5m.
3.3.10. Đặc điểm đầu ra
Hình 3.10. Đặc điểm đầu ra
Chú ý với vòng đầu ra: là phải kết nối tải cảm ứng DC và diode tự do song
song. Nếu không, tuổi thọ liên lạc sẽ giảm đáng kể diode chịu được điện áp là 5 đến 10 lần điện áp tải, giá trị hiện tại về phía trước là cao hơn dòng tải.
Hình 3.11. Kết nối tải cảm ứng DC và Diode
Nếu tải AC quy nạp, kết nối tải và surge absorber song song có thể giảm tiếng ồn.
Hình 3.12. Kết nối tải AC
Tốt nhất là sử dụng các tiếp điểm đầu ra PLC trên cùng một pha như hình dưới:
Hình 3.13. Kết nối đầu ra
Rất nguy hiểm khi kết nối tiếp điểm FWD và REV cùng một lúc. Ngoài việc thêm điều khiển kết khóa liên động của chương trình vào PLC, cũng nên khóa liên động bên ngoài PLC.
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
Hình3.14. Kết nối tiếp điểm FWD và REV cùng lúc
3.3.11. Trung tâm xử lý CPU
Mo-đun CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ. Các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số này được gọi là cổng vào/ra onboard.
Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm đặc trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng ra/vào onboard, được phân biệt bằng cụm chữ cái IEM (Intergrated Function Modul). Bên cạnh đó còn có các loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ điều hành.
3.4. Các nhóm lệnh lập trình điều khiển 3.4.1. Nhóm lệnh về tiếp điểm
SET (S): Lệnh dùng để đống cắt các tiếp điểm liên tục đã được chọn trước. Trong LAD, logic ngõ ra sẽ điều khiển đóng dòng điều khiển đến các cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây đóng các tiếp điểm. Trong STL, lệnh truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết kế. Nếu bit này có giá trị bằng 1, các lệnh S sẽ đóng 1 tiếp điểm hoặc 1 dãy các tiếp điểm (giới
hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này.
RESET (R): Lệnh dùng để ngắt các tiếp điểm liên tục được chọn trước. Trong LAD, logic ngõ ra sẽ điều khiển ngắt dòng điện các cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây mở các tiếp điểm. Trong STL, lệnh truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các tiếp điểm thiết kế. Nếu bit này có giá trị
bằng 1, các lệnh R ngắt 1 tiếp điểm hoặc 1 dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này.
Hình 3.15. Lệnh SET và RESET
3.4.2. Nhóm lệnh về thời gian
Lệnh TIMER (T) có tổng là 246 timer bắt đầu từ T0 đến T245. Tác dụng của TIMER là đóng ngắt tiếp điểm sau khoảng thời gian đã cài đặt.
Hình 3.16. Lệnh TIMER
Trong đó:
T là tên thứ tự timer.
K là thời gian đếm của timer đơn vị ms.
Lệnh RETENTIVE TIMER (timer nhớ) có tổng là 10 timer từ T246 đến T255. Tác dụng của RETENTIVE TIMER có khả năng nhớ giá trị thời gian hiện tại trước đó và cộng thêm khoảng thời gian đã cài đặt sẳn để đóng ngắt tiếp điểm mong muốn.
Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển
Hình3.17. Lệnh RETENTIVE TIMER
Trong đó:
T250 là RETENTIVE TIMER. K420 là thời gian cài đặt đơn vị ms.
T1 + T2 = 420ms thì T250 đóng Y1. Khi X2 đóng thì T250 được RESET.
3.4.3. Nhóm lệnh về gán và so sánh
Nhóm lệnh về gán và so sánh được dùng trong việc tính toán thuật toán để có thể cho ra kết quả đúng nhất giúp người thiết kế dễ dàng theo dõi và điều khiển lập trình chương trình. Lệnh gán và so sánh chủ yếu được hỗ trợ cho các lệnh về toán học.
LOẠI LỆNH KÝ HIỆU CHỨC NĂNG GÁN VÀ