Phần mềm ứng dụng

2. Điểm mới các kết quả của đồ án, khóa luận:

2.3. Phần mềm ứng dụng

Phần mềm lập trình PLC

PLC LX3V được lập trình bởi phần mềm WECON PLC Editor do hãng WECON – Trung Quốc thiết kế giúp cho người dùng có thể dễ dàng sử dụng đồng thời có thế dễ dàng lập trình chương trình PLC với các lệnh mà hãng đã tạo ra một cách đơn giản và hiệu quả.

Hình2.13. Giao diện của WECON PLC Editor

Ghi chú:

1. Danh sách các lệnh và chức năng khác của phần mềm. 2. Các lệnh đơn giản.

3. Nạp và tải chương trình vào PLC.

4. Mô phỏng chạy chương trình ảo trên phần mềm.

Phần mềm Microsoft Office Visio

Microsoft Office Visio là một chương trình vẽ sơ đồ thông minh, được tích hợp vào bộ chương trình Microsoft Office từ phiên bản 2003. Microsoft Office Visio

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

cho phép thể hiện bản vẽ một cách trực quan. Hơn nữa, nó còn cung cấp nhiều đặc tính khiến cho sơ đồ của bạn ý nghĩa hơn, linh động hơn và phù hợp hơn với nhu cầu, ngoài ra có thể sao chép bản vẽ qua các phần mềm khác (như : Microsoft Office Word, Microsoft Office Excel,…) để tiện sử dụng cho công việc của bạn.

Hình2.14. Giao diện của Microsoft Office Visio 2003

Với Microsoft Office Visio, có thể tạo các sơ đồ liên quan đến công việc như là: biểu đồ dòng (flowcharts), sơ đồ tổ chức (organization charts), và lịch trình dự án (project scheduling). Ngoài ra,Visio còn cho phép bạn tạo các sơ đồ mang tính kỹ thuật, chẳng hạn tạo các bản vẽ xây dựng, thiết kế nhà, sơ đồ mạng, sơ đồ phần mềm, sơ đồ trang web, sơ đồ máy móc, và các sơ đồ kỹ thuật khác.

Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển Chương 3 NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM ỨNG DỤNG ĐỂ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Giới thiệu về PLC 3.1.1. Lịch sử phát triển PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh. Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu kỳ và theo bit trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn. Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200m.

Đến thập niên 80, bằng sự nổ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự động hóa, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối chuyên dụng hay lập trình bằng tay.

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới.

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Wecon,Siemens, Allen-Bradley, General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon,….

PLC của Wecon do Trung Quốc sản xuất gồm có các dòng series: LX3V, LX3VP, LX3VE, LX3VM.

3.1.2. Vai trò của PLC

Trong hệ thống điều khiển tự động hóa PLC được xem như một trái tim, với chương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC. Nó điều khiển trạng thái của

hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng của chương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và sản xuất tín hiệu đến các thiết bị đầu ra.

PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp.

3.1.3. Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hóa

 Thời gian lắp đặt ngắn.

 Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất.  Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng.

 Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được phần cứng điều khiển. Thích ứng trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…

Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển dùng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo và hiệu quả giải quyết bài toán cao.

3.1.4. Kết nối PLC

Khi sử dụng PLC để điều khiển một quá trình nào đó, ta sử dụng các cảm biến nối với ngõ vào PLC, ngõ ra PLC sẽ điều khiển các thiết bị chấp hành.

PLC

PROCESS Conections to

actuators Encoder sensorFeedback from

Hình 3.1. Kết nối PLC

Đây là quá trình xử lý thực, thay đổi liên tục theo thời gian. Các thiết bị chấp hành sẽ làm hệ thống thay đổi sang các trạng thái mới, có nghĩa là hệ thống sẽ được giới hạn điều khiển bởi các cảm biến đầu vào. Nếu 1 ngõ vào không tác động thì bộ điều khiển không để nhận biết được trạng thái hệ thống. Vòng điều khiển này là một chu kỳ liên tục của PLC (chu kỳ quét của PLC), gồm việc đọc các dữ liệu đầu vào và làm thay đổi ngõ ra theo ngõ vào.

Chương 3 Nghiên cứu phần mềm ứng dụng để lập trình điều khiển

3.1.5. Lợi ích của việc sử dụng PLC

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp. Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng PLC càng mạnh hơn giúp ngưới sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều kiện hệ thống.

Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra..,) mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi thay đổi lắp đặt, khi thay đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay), khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn.

Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác.

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn ảnh máy tính (một số PLC thế hệ có khả năng nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm việc cho việc sửa chữa thuận lợi hơn.

3.1.6. Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chí có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

 Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hóa,…

 Chế tạo máy và sản suất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại,…

 Bột giấy, giấy, xử lý giấy: điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt,...

 Thủy tinh và phim ảnh : quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy,…

 Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây,..), cân đong, đóng gói, hòa trộn,...

 Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.

 Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin,..) các trạm cân cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ,...).

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