ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Bộ điều khiển Logic cĩ thể lập trình hay khả trình PLC (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các máy mĩc và hệ thống sản xuất thơng qua một ngơn ngữ lập trình (phần mềm) thay vì phải thơng qua các mạch số để điều khiển (cứng). Với sự phát triển nhanh trong lĩnh vực điện –điện tử, PLC ngày càng nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật tốn và đặc biệt dễ dàng trao đổi thơng tin với mơi trƣờng xung quanh. Vì PLC là một máy tính cơng nghiệp, nên về cơ bản cấu trúc của PLC sẽ giống với cấu trúc của một máy vi tính bao gồm: một bộ xử lý trung tâm (CPU), hệđiều hành, bộ nhớđểlƣu chƣơng trình điều khiển, dữ liệu và dĩ nhiên phải cĩ các cổng vao ra để giao tiếp với các đối tƣợng điều khiển và để trao đổi thơng tin với mơi trƣờng xung quanh, ngồi ra PLC cịn đƣợc trang bị thêm những khối chức năng đặc biệt nhƣ bộ định thời gian (Timer), bộđếm (Counter), và những khối hàm chuyên dụng.
Mục 5.6 khơng đi sâu về PLC mà chỉ giới thiệu khái quát về PLC với những cấu tạo cơ bản, kết nối hệ thống khí nén với PLC và điều khiển thiết bị khí nén với PLC.
86
Hình 5.38Hình dáng bên ngồi của bộđiều khiển khả trình PLC S7-200 CPU 222
5.6.1.Cấu trúc của một PLC
Các bộ điều khiển PLC đƣợc sản xuất theo dịng sản phẩm. Khi mới xuất xƣởng, chúng chƣa cĩ một chƣơng trình cho một ứng dụng nào cả. Tất cả các cổng logic cơ bản, chức năng nhớ, timer, counter .v.v... đƣợc nhà chế tạo tích hợp trong chúng và đƣợc kết nối với nhau bằng chƣơng trình đƣợc viết bởi ngƣời dùng cho một nhiệm vụ điều khiển cụ thể nào đĩ. Bộ điều khiển PLC cĩ nhiều loại khác nhau và đƣợc phân biệt với nhau qua các thành phần sau: - Các ngõ vào và ra - Dung lƣợng nhớ - Bộđếm (counter) - Bộđịnh thời (timer) - Bit nhớ - Các chức năng đặc biệt - Tốc độ xử lý - Loại xửlý chƣơng trình - Khảnăng truyền thơng
Các bộđiều khiển lớn thì các thành phần trên đƣợc lắp thành các modul riêng. Đối với các bộ điều khiển nhỏ, chúng đƣợc tích hợp trong bộ điều khiển. Các bộ điều khiển nhỏ này cĩ sốlƣợng ngõ vào/ra cho trƣớc cốđịnh.
Bộ điều khiển đƣợc cung cấp tín hiệu bởi các tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào của nĩ. Tín hiệu này đƣợc xử lý tiếp tục thơng qua chƣơng trình điều khiển đặt trong bộ nhớ chƣơng trình. Kết quả xử lý đƣợc đƣa ra ngõ ra để đến đối tƣợng điều khiển hay khâu điều khiển ở dạng tín hiệu.
Cấu trúc của một PLC cĩ thểđƣợc mơ tảnhƣ hình vẽ sau:
Cổng giao tiếp chƣơng trình (PPI)
Các ngõ ra
87
Hình 5.39 Cấu trúc chung của bộđiều khiển lập trình PLC Các khối khác nhau của một PLC đƣợc cho nhƣ hình 5.38.
Hình 5.40 Các khối trong một PLC
5.6.2.Các thành phần của một hê thống khí nén điều khiển bằng PLC
Các thành phần của một hệ thống khí nén điều khiển PLC cĩ thể đƣợc biểu diễn nhƣu sau:
88
Hình 5.41 Sơ đồ điều khiển hệ thống khí nén điều khiển bằng PLC
Hiện nay trên thị trƣờng cĩ rất nhiều loại điều khiển khả trình PLC, trong phần này sẽ giới thiệu một PLC đơn giản, đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi; đĩ là bộ điều khiển PLC S7-200 (hình 5.41).
Sơ đồ kết nối của phần tửđƣa tín hiệu vào và các phần tử nhận tín hiệu ra với PLC S7-200 (CPU 224 DC/DC/DC):
Tín hiệu vào
Tín hiệu ra điều khiển hƣớng
Tín hiệu khí nén động lực
Nút nhấn, cơng tắc, cảm biến, cơng tắc hành trình…
Bộđiều khiển lập trình PLC
Van điều hƣớng: các van điện 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3,…
Cơ cấu chấp hành: Xilanh khí nén, động cơ khí nén…
89
Hình 5.42Sơ đồ kết nối các phần tửđưa tín hiệu vào và các phần tử nhận tín hiệu ra từ PLC S7-200.
5.6.3.Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén bằng PLC
5.6.3.1. Các bước tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC
Để lập trình điều khiển cho hệ thống dùng PLC ta tiến hành các bƣớc nhƣ sau:
Bước 1: Xác định quy trình cơng nghệ:
Nhƣ đã biết, mục đích cuối cùng của lập trình điều khiển một dây chuyền hay hệ thống nào đĩ trong cơng nghiệp hoạt động theo yêu cầu ta cần phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Hệ thống hoạt động ra sao. Chỉ khi nắm vững quy trình cơng nghệ ta mới cho ra thiết kế hồn chỉnh với các tham số chính xác nhƣ Timer, Counter, nhiệt độ đặt…Sự vận hành của một hệ thống đƣợc điều khiển và kiểm tra bởi các tín hiệu đầu vào. Nĩ nhận tín hiệu và gửi đến CPU để xử lý sau đĩ gửi đến thiết bị xuất (đầu ra) điều khiển sự hoạt động hệ thống.
Bước 2: Xác định các ngõ vào, ngõ ra:
Tất cả các thiết bị xuất, nhập từbên ngồi đều đƣợc kết nối với bộđiều khiển lập trình qua các ngõ vào/ra. Thiết bị nhập thƣờng là những nút nhấn, cảm biến, cơng tắc hành trình…và thiết bị xuất là những cuộn dây, van điện từ, contactor…Một khi đã xác định đƣợc thiết bị vào/ ra cần thiết, tiếp theo là định vị các thiết bịvào/ra tƣơng ứng cho các ngõ vào/ra trên PLC trƣớc khi viết chƣơng trình.
Bước 3: Viết chương trình:
Sau khi xác định đƣợc phần cứng, tiến hành viết chƣơng trình. Để viết chƣơng trình dễ dàng, chính xác và thuận tiện cho việc sửa chữa, trƣớc khi lập trình ngƣời lập trình cần xây dựng lƣu đồ, giải thuật cho chƣơng trình. Để đảm bảo chƣơng trình hoạt Van điều hƣớng: các van điện 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3,… Nút nhấn, cơng tắc, cảm biến, cơng tắc hành trình…
90 động theo yêu cầu, ngƣời lập trình cần mơ phỏng chƣơng trình trƣớc khi đƣa vào sử dụng.
Bước 4: Nạp chương trình vào bộ nhớ:
Cung cấp nguồn cho trạm PLC, sau đĩ nạp chƣơng trình từ máy tính vào CPU thơng qua cổng giao tiếp (xĩa bộ nhớcũ trƣớc khi nạp chƣơng trình mới).
Bước 5: Chạy chương trình:
Trƣớc khi chạy chƣơng trình, cần chắc chắn rằng các dây dẫn nối vào các ngõ vào/ra đến các thiết bị nhập/xuất đúng theo chỉ định. Lúc đĩ PLC mới bắt đầu cho hoạt động. Trong quá trình chạy chƣơng trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ điều khiển sẽ báo lỗi, khi đĩ cần phải sửa chữa lại hệ thống hoặc chƣơng trình để hệ thống hoạt động theo đúng yêu cầu cần điều khiển.
91
Xác định yêu cầu của hệ thống điều khiển
Lập lƣu đồ chung của hệ thống điều khiển
Liệt kê tất cả các ngõ
vào/ra kết nối với cổng
I/O của PLC
Lập lƣu đồ hay giải thuật lập trình
Viết chƣơng trình, chạy mơ phỏng
Chƣơng trình hoạt động tốt ?
Lập sơ đồ nguyên lý, đấu nối.
Kết nối tồn bộ thiết bị vào/ra
với PLC Sai Đúng Kiểm tra kết nối? Nạp chƣơng trình vào PLC Đúng Chạy thử chƣơng trình Hoạt động đúng?
Lƣu hồ sơ hệ thống cho tất cả các bản vẽ
Kết thúc Đúng
Sai
Sai
92
5.6.3.2 Điều khiển hệ thống khí nén bằng PLC
Để minh họa cho việc sử dụng PLC điều khiển hệ thống khí nén, ta xét một số bài tốn ứng dụng dƣới đây.
a. Điều khiển hệ thống khí nén bằng PLC
Các bƣớc thiết kế hệ thống điều khiển khí nén dùng PLC đã trình bày cụ thể lƣu đồ trên hình 5.43. Việc mơ tả các bƣớc này sẽ rõ hơn khi ta kết hợp việc giải quyết bài tốn đơn giản hình 5.44
Cho cơng nghệ sau:
Sử dụng PLC S7-200 điều khiển hệ thống cơng nghệ trên?
Bước 1: Xác định quy trình cơng nghệ:
Ban đầu xi lanh 1A ở vị trí a0, xi lanh 2A ở vị trí b0. Hệ thống bắt đầu hoạt động khi nhấn nút Start, xi lanh 1A đi ra và tác động hành trình a1 (xi lanh 1A ở vị trí a1) thì xi lanh 2A đi ra. Khi xi lanh 2A đi ra, tác động hành trình b1 (xi lanh 2A ở vị trí b1) thì xi lanh 2A đi vào tới khi tác động hành trình b0 thì xi lanh 1A đi về. Hệ thống ở trạng thái ban đầu.
Quá trình đi ra và đi vào của xinh lanh 1A, 2A đƣợc điều khiển bởi 2 van điện 5/2:
a)Thiết bị khoan chi tiết b)Biểu đồ trạng thái
ao a1 bo b1 Hình 5.44 Start
93
Hình 5.45 Mạch khí nén điều khiển 2 xi lanh 1A và 2A
Bước 2: Xác định các ngõ vào, ngõ ra:
Từsơ đồ cơng nghệ hình 5.44 và mạch khí nén hình 5.45, ta cĩ bảng xác định tín hiệu ngõ vào, ngõ ra của hệ thống và phân phối địa chỉ PLC:
Ký hiệu Địa chỉ Chú thích
Tín hiệu vào
S1 I0.0 Nút nhấn Start khởi động hệ thống (NO)
A0 I0.1 Cơng tắc hành trình A0, giới hạn quá trình đi vào xi lanh 1A A1 I0.2 Cơng tắc hành trình A1, giới hạn quá trình đi ra xi lanh 1A B0 I0.3 Cơng tắc hành trình B0, giới hạn quá trình đi vào xi lanh 2A B1 I0.4 Cơng tắc hành trình B1, giới hạn quá trình đi ra xi lanh 2A
Tín hiệu ra
Y1 Q0.0 Cuộn dây Y1 điều khiển van 5/2 (1.1), điều khiển xi lanh 1A đi ra Y2 Q0.1 Cuộn dây Y2 điều khiển van 5/2 (1.1), điều khiển xi lanh 1A đi vào Y3 Q0.2 Cuộn dây Y3 điều khiển van 5/2 (2.1), điều khiển xi lanh 2A đi ra Y4 Q0.3 Cuộn dây Y4 điều khiển van 5/2 (2.1), điều khiển xi lanh 2A đi vào
Bước 3: Viết chương trình:
94 Bắt đầu Xi lanh 1A đi ra S1 = 1 ? A1 = 1 ? Xi lanh 2A đi ra B1 = 1 ? Xi lanh 2A đi vào B0 = 1 ? Xi lanh 1A đi vào Kết thúc Đúng Đúng Đúng Sai Sai A0 = 1 ? Đúng Sai Sai Sai Đúng Chƣơng trình PLC
Bước 4: Nạp chương trình vào bộ nhớ:
Cung cấp nguồn cho trạm PLC, sau đĩ nạp chƣơng trình từ máy tính vào CPU thơng qua cổng giao tiếp (xĩa bộ nhớ cũ trƣớc khi nạp chƣơng trình mới).
Bước 5: Chạy chương trình:
Trƣớc khi chạy chƣơng trình, cần chắc chắn rằng các dây dẫn nối vào các ngõ vào/ra
Trong chƣơng 8 đã trình bày các phƣơng pháp thiết kế mạch điện điều khiển theo chuỗi bƣớc cĩ xĩa, thiết kế mạch điện theo tầng lồng ghép, thiết kế mạch điện theo Huffman…Bằng cách thực hiện các cách thiết kế trên, kết hợp với thủ tục lập trình PLC và chuyển các mạch điện điều khiển này sang ngơn ngữ bậc thang LAD, chúng ta cĩ thể xây dựng đƣợc các chƣơng trình điều khiển PLC tƣơng ứng.
a. Chuyển điều khiển hệ thống kết nối cứng sang điều khiển bằng PLC
Trong kỹ thuật điều khiển bằng khí nén, ngƣời ta phân biệt các phần tử điều khiển sau:
- Khâu tín hiệu: Phát ra tín hiệu khi phần tử điều khiển đạt đến một giá trị xác định đối với các đại lƣợng vật lý.
95 - Khâu điều khiển: Phản ứng lại theo các tín hiệu đơn và cĩ ảnh hƣởng đến trạng
thái của khâu điều chỉnh.
- Khâu điều chỉnh: Điều khiển dịng năng lƣợng sinh cơng và thay đổi trạng thái của các phần tử làm việc.
Nếu thực hiện thay thế mạch điều khiển khí nén bằng chƣơng trình điều khiển PLC, thì khâu điều chỉnh điều khiển cho các phần tử làm việc bây giờđiện từ. Dù các van xung điện từ hay van điện từ sử dụng lị xo đƣợc sử dụng, thì nĩ cịn phụ thuộc vào yêu cầu cơng nghệ và an tồn. Khi chuyển đổi thành chƣơng trình PLC thì các khâu này cần giữ lại.
Van xung trong kỹ thuật điều khiển khí nén cĩ hai ngõ vào điều khiển và cĩ đặc tính nhớ. Theo cách thức hoạt động cĩ thể so sánh nĩ với khâu nhớ RS. Việc chuyển đổi thật sự đơn giản nếu ta thay tất cả van xung bằng khâu nhớ RS. Ngõ vào điều khiển của khâu điều chỉnh SET của van tƣơng ứng với điều kiện cho set, và ngõ vào cịn lại tƣơng ứng với reset của khâu RS.
Van xung sử dụng 2 cuộn dây từ. Đểđiều khiển, một cuộn dây sẽ sử dụng ngõ ra khơng đảo của khâu nhớ RS. Cịn cuộn dây thứ hai ta sử dụng ngõ ra đảo của khâu nhớ RS.
Tùy theo yêu cầu cơng nghệ mà mạch điều khiển khí nén đảm nhận, mà ta cĩ thể sử dụng hƣớng điều khiển cho các van tƣơng ứng. Sau khi tất cả đã đƣợc xác định, mạch điều khiển khí nén cĩ thể đƣợc chuyển đổi trực tiếp thành chƣơng trình ở LAD.
Một số qui tắc cần chú ý:
- Khâu điều chỉnh của xylanh làm việc đƣợc thay thế bằng van điện từ. - Tất cảcác van xung đƣợc thay thế bằng khâu nhớ RS.
- Xác định đƣợc tính logic của mạch.
- Chuyển đổi mạch thành chƣơng trình PLC.
Ví dụ1. Điều khiển Máy uốn thanh kim loại sử dụng khí nén PLC
Các thanh kim loại cần đƣợc uốn một đầu theo theo một khuơn cho trƣớc (sơ đồ cơng nghệ). Qui trình hoạt động của máy nhƣ sau:
- Thanh kim loại cần uốn đƣợc đặt lên khuơn uốn
- Ấn nút khởi động S0 thì xy lanh Cyl.1 hạ xuống để giữ lấy thanh kim loại.
- Khi thanh kim loại đƣợc giữ chặt (nhận biết bởi cơng tắc hành trình S2) thì xy lanh Cyl.2 hạ xuống để uốn thanh kim loại vuơng gĩc trƣớc. Sau khi uốn xong thì tự động nâng lên nhờ cơng tắc hành trình S4.
- Khi xy lanh Cyl.2 trở về vị trí cơ bản (nhận biết bởi S3) thì xy lanh Cyl.3 đƣợc đẩy để uốn thanh kim loại ởgiai đọan uốn cuối theo định hình của khuơn uốn. Khi xy lanh Cyl.3 đến vị trí S6 thì tựđộng rút ngƣợc về.
96 - Khi xy lanh Cyl.3 rút vềđến vị trí cơ bản (nhận biết bởi S5) thì xy lanh Cyl.1 cũng rút về vị trí cơ bản của nĩ (nhận biết bởi S1). Lúc này thanh kim loại đƣợc tự do. Ngƣời sử dụng cĩ thể lấy ra và đặt một thanh kim loại mới vào. Và một chu kỳ mới lại cĩ thể bắt đầu.
Sơ đồ cơng nghệ:
Hình 5.46 Sơ đồ cơng nghệ máy uốn thanh kim loại
Sơ đồ mạch điều khiển bằng khí nén:
Hình 5.47 Sơ đồ mạch điều khiển bằng khí nén. Phân tích:
Từsơ đồ điều khiển bằng khí nén ta nhận thấy các van xung chính trong mạch là 1.1, 2.1 và 3.1. Khi chuyển sang điều khiển bằng chƣơng trình nhất thiết ta phải thay các van này bằng các van xung điện từcĩ đặc tính nhớ. Mỗi van xung điện từ cĩ 2 cuộn dây.
97 Vì vậy cần phải cĩ 2 ngõ ra số để điều khiển mỗi van. Tổng cộng ta cần cĩ 6 ngõ ra để điều khiển 3 van này. Để thực hiện điều khiển bằng chƣơng trình PLC, các van xung đƣợc thay thế bởi các khâu RS, các ngõ ra của các khâu nhớ cĩ thểđƣợc sử dụng để điều khiển trực tiếp các van xung điện từ thay thếY1, Y3, và Y5 cũng nhƣ Y2, Y4 và Y6 (sơ đồ cơng nghệ).
Hai van xung 0.1 và 0.2 là hai van hỗ trợ trong mạch điều khiển bằng khí. Hai van này khơng phải là các van chính. Vì vậy khi chuyển thành chƣơng trình nĩ sẽ đƣợc thay thế bằng các ơ nhớ. Van 0.1 là M0.0, và van 0.2 là M0.1.
Theo sơ đồ mạch điều khiển, ta cĩ:
Mỗi vị trí của các xy lanh đều đƣợc xác định bởi các cơng tắc hành trình (CTHT). Xy lanh Cyl.1 nhận biết bởi S1 và S2, xy lanh Cyl.2 nhận biết bởi S3 và S4, xy lanh Cyl.3 nhận biết bởi S5 và S6. Các cơng tắc hành trình này khơng thể thiếu trong điều khiển. Ngồi ra để khởi động cịn cĩ nút nhấn S0. Nhƣ vậy cần đến 7 ngõ vào số.
Bảng ký hiệu
98 Kết nối dây với PLC:
99
Ví dụ2. Điều khiển Máy doa miệng ống kim loại sử dụng Khí nén PLC
Ống kim loại cần đƣợc doa miệng theo một khuơn cho trƣớc (sơ đồ cơng nghệ). Máy hoạt động nhƣ sau:
Ngƣời vận hành đặt ống kim loại cần doa miệng vào vị trí sao cho miệng ống phải