1. PLC:
PLC là các ký tự viết tắt của các từ Programmable Logic Control cĩ nghĩa là bộ
điều khiển logic khả lập trình. PLC được xây dựng vào khoảng thấp niên 60 bởi một nhĩm kỹ sư của hãng General Motor nhằm thay thế cho các bộ điều khiển dùng Relay. Cùng với sự phát triển của cơng nghệ mạch tích hợp, các bộ PLC ngày nay đã được phát triển rất mạnh để cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Với chương trình điều khiển được thiết lập bởi người cán bộ kỹ thuật và được lưu trữ trong bộ nhớ, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, linh hoạt, tin cậy và đặc biệt là PLC dễ dàng trao đổi thơng tin với mơi trường bên ngồi như: trao đổi thơng tin với các PLC khác hoặc với máy tính nhờ các giao thức chuẩn đã được xây dựng sẵn bởi các nhà sản xuất.
Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thống điều khiển. Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ của PLC) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống, bao gồm: Kiểm tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chương trình logic để xử lý tín hiệu và mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất.
PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Hoặc cĩ thể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thơng cĩ thể điều khiển một quá trình phức hợp.
105
2. Cấu Trúc Của PLC:
Cấu trúc phần cứng của PLC gồm các khối như hình 1.2:
Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC
Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit ): là một vi xử lý định hướng hoạt động của PLC. Nĩ thực hiện các lệnh trong chương trình, xử lý tín hiệu xuất nhập và liên lạc với các thiết bị ngoại vi.
Bộ nhớ: cĩ nhiều loại bộ nhớ. Đĩ là vùng chứa hệ điều hành và vùng bộ nhớ của người sử dụng. Hệ điều hành thực tế là một phần mềm hệ thống điều hành PLC. Chương trình dạng Ladder, các giá trị của bộ định thì, bộ đếm được lưu trong vùng nhớ của người sử dụng. Phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng, cĩ thể chọn các loại bộ nhớ khác nhau.
- ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ khơng thể can thiệp vào được và chỉ nạp được 1
lần. Khơng phù hợp cho người sử dụng. Nĩ ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.
- RAM (Random Access Memory): thường được dùng để lưu trữ chương trình và dữ liệu
của người sử dụng. Data chứa trong RAM sẽ bị xố mất khi mất nguồn điện cung cấp. Vấn đề cĩ thể khắc phục bằng cách dùng Pin dự trữ.
- EPROM (Erasable Programable Read Only Memory): Lưu trữ data bền vững như
ROM, khơng địi hỏi nguồn pin dự phịng. Tuy nhiên, data cĩ thể bị xĩa bằng tia cực tím. Để lập trình cho EPROM lại địi hỏi người lập trình.
- EEPROM ( Electrically Erasable Programable Read Only Memory): Kết hợp tính linh
hoạt của RAM và tính ổn định của ROM. Nội dung chứa trong EEPROM cĩ thể xĩa hoặc lập trình lại bằng nguồn điện. Tuy nhiên số lần thực hiện nạp, xĩa bị giới hạn.
3. Các Thiết Bị Ngõ Nhập (input device):
Tính thơng minh của một hệ thống tự động phụ thuộc rất lớn vào khả năng PLC đọc hiểu được các dạng tín hiệu khác nhau từ các thiết bị cảm biến tự động cũng như từ các thiết bị tạo tín hiệu điều khiển bằng tay ở ngõ nhập.
Nguồn điện Máy tính
Giao tiếp ngõ vào CPU Bộ nhớ Giao tiếp ngõ ra Tín hiệu gởi đến motor, solenoid,v.v… Các tín hiệu từ cơng tắc, cảm biến v.v…
Nút ấn, bàn phím, các cơng tắc… tức các bộ phận giao tiếp giữa người và máy là các thiết bị tạo tín hiệu điều khiển bằng tay. Mặc khác, để kiểm tra sản phẩm, điều khiển chuyển động, kiểm tra áp suất, mức chất lỏng v.v… PLC phải lấy tín hiệu từ các thiết bị cảm biến tự động đặc biệt như cơng tắc hành trình, cơng tắc giới hạn, cảm biến quang, cảm biến mức chất lỏng… Các tín hiệu cảm biến đưa vào cổng nhận của PLC dưới dạng Logic (ON- OFF) hoặc analog. Các tín hiệu ngõ vào này giao tiếp với PLC thơng qua các lọai module khác nhau của PLC.
4. Các Thiết Bị Ngõ Ra (output device):
Một hệ thống tự động sẽ khơng hồn thiện và hầu như tê liệt nếu khơng cĩ phương tiện để giao tiếp với các thiết bị ngõ ra. Một vài loại phần tử tự động tích cực phục vụ điều khiển thường gặp là motor, solenoid, relay, hiển thị, kèn, chuơng v.v… Thơng qua tác dụng của motor và các cuộn solenoid, PLC cĩ thể kiểm sốt được các hệ thống gắp, chọn hoặc sắp đặt sản phẩm đơn giản cho đến các hệ thống điều khiển vị trí chính xác phức tạp. Các thiết bị ngõ ra này tạo thành một cơ cấu cơ bản cho hệ thống tự động và cĩ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.
Tuy vậy, các thiết bị ngõ ra khác như đèn báo, chuơng, kèn thường chỉ cĩ ý nghĩa cảnh báo. Cũng như các tín hiệu ở ngõ nhập, các tín hiệu ở ngõ xuất liên lạc với PLC thơng qua các module khác nhau.
5. Thời Gian Quét Chương Trình :
Quá trình đọc các tín hiệu ngõ vào, thực hiện chương trình và đặt lại giá trị cho ngõ ra được gọi là thời gian quét chương trình. Thời gian quét thường là một quá trình liên tục và tuần tự đọc trạng thái tín hiệu ngõ vào, thực hiện thuật tốn điều khiển logic và cài đặt lại giá trị xuất cho thiết bị ở ngõ ra.
Đặc điểm của thời gian quét sẽ chỉ ra khả năng điều khiển chính xác và đáp ứng nhanh của PLC đối với các thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian quét: thời gian thực hiện 1 lần quét thường thay đổi từ 0,1 ms đến hàng chục ms phụ thuộc vào tốc độ xử lý của CPU và chiều dài của chương trình người sử dụng. Trong trường hợp người sử dụng dùng hệ thống điều khiển từ xa các thiết bị I/O, thời gian quét tăng lên do phải thực hiện truyền dữ liệu cập nhật cho các hệ thống I/O điều khiển từ xa.
Quá trình điều hành chương trình điều khiển sẽ cộng thêm thời gian vào thời gian quét chương trình bởi vì CPU điều khiển phải gởi thơng báo trạng thái của các lõi từ và các contacter đến màn hình hiển thị hoặc các thiết bị điều hành khác.
6. So Sánh Panel Điều Khiển Plc Và Panel Điều Khiển Thơng Thường:
• Panel điều khiển thường:
- Chứa quá nhiều dây nối.
- Rất khĩ sửa đổi.
- Việc sửa chữa địi hỏi cĩ nhiều kinh nghiệm và kỹ năng.
- Tiêu hao điện nhiều bởi các lõi từ.
107
- Bản vẽ khơng cập nhật qua nhiều năm sửa đổi, dẫn đến tốn thời gian bảo trì và cải tạo.
• Panel dùng PLC:
- Hệ thống đi dây giảm được 80% so với trường hợp dùng rơle.
- Tiêu thụ điện khơng đáng kể.
- PLC cĩ chức năng tự kiểm tra nên việc sửa chữa hệ thống thực hiện dễ dàng và nhanh
chĩng.
- Thay đổi trình tự điều khiển hoặc áp dụng thực hiện dễ dàng bằng lập chương trình
phần mềm thơng qua phần mềm máy vi tính.
- Giảm bớt rất nhiều số relay và timer trong hệ thống .
- Chu kỳ làm việc của máy mĩc rút ngắn rất nhiều di thời gian tác động của PLC tính
bằng mili giây, do đĩ sẽ tăng sản lượng.
- Tổng giá thành sẽ giảm đi rất nhiều khi số lượng I/O lớn và chức năng điều khiển phức
tạp.
- Độ tin cậy của PLC cao hơn rất nhiều so với relayvà timer cơ điện.
- Các tài liệu thiết kế PLC cĩ thể được in ra trong vài phút và dễ dàng lưu trữ.
7. Tổ Chức Phần Cứng Của PLC:
PLC thường được tổ chức thành 2 dạng: dạng tích hợp và dạng từng module như hình 1.3.
Hình 1.3 Tổ chức phần cứng của PLC.
- Dạng tích hợp thường được tổ chức cho các PLC cĩ cấu hình nhỏ như CPM1x, CPM2x.
Cấu hình dạng tích hợp gồm cĩ CPU, bộ nhớ, nguồn và một số lượng I/O hữu hạn tuỳ theo loại PLC. Số lượng I/O cũng co thể mở rộng thêm bằng ách gắn thêm các module mở rộng.
Hình 1.4 PLC được tổ chức dạng tích hợp.
Ta cĩ thể nối tối đa 3 bộ mở rộng vào đầu nối mở rộng bằng các cáp nối vào/ra mở rộng. ( Trong trườnghợp NT-AL001 Adapter nối với cổng RS-232C thì chỉ cĩ thể nối thêm 1 bộ mở rộng vì nguồn cho 5VDC của CPU chỉ cĩ hạn).Cĩ 3 loại bộ mở rộng : Bộ mở rộng đầu vào/ra, bộ đầu vào/ra Analog và ComproBus/S I/O Link unit.
Ta cĩ thể được lắp một bộ điều khiển lập trình với 120 đầu vào/ra (tối đa) bằng cách kết nối 3 bộ mở rộng đầu vào/ra vào một bộ điều khiển lập trình 60 đầu vào/ra như sau : CPM2A-60CDR-A x 1 Unit + CPM1A-20EDR1 x 3 Units = 72 đầu vào, 48 đầu ra. (36 đầu vào, 24 đầu ra ) ( 12 đầu vào, 8 đầu ra).
Ta cĩ thể tạo được một bộ điều khiển chương trình 6 đầu vào analog và 3 đầu ra analog (tối đa ) bằng cách nối 3 bộ đầu vào / ra analog. ( Nếu bộ adapter NT-AL001 nối với cổng RS-232C của bộ CPU thì chỉ cĩ thể nối được một module đầu vào/ ra analog ).
CompoBus/S I/O Link Unit ( Slave Units ) cĩ thể được nối với một bộ CPU. Các dữ liệu vào/ra ( 8 đầu vào và 8 đầu ra ) được chuyển giao giữa bộ CPU và vùng nhớ cấp cho CompoBus/S Slave. ( Dữ liệu vào / ra được trao đổi với Slave là các dữ liệu nội tại bên trong, khơng cĩ đầu vào ở ngồi hoặc đầu nối của đầu ra )
- Dạng tổ chức thành từng module: Thường được tổ chức cho các họ PLC cĩ cấu hình lớn
như CQM1x, C200H … Ở dạng này, PLC gồm từng module (Module nguồn, module CPU, các module I/O …) ghép lại với nhau tạo nên cấu hình mong muốn.
Hình 1.5 PLC dạng tổ chúc từng module.
8. Kết Nối PLC Vớc Các Thiết Bị Khác:
109
Kết nối Host Link cĩ thể thực hiện được thơng qua cổng RS- 232C hoặc cổng ngoại vi. Ta cĩ thể nối một máy tính các nhân hoặc một màn hình vào bộ điều khiển chương trình dưới dạng kết nối Host Link để đọc hoặc viết số liệu vào trong bộ nhớ hoặc là thay đổi chế độ hoạt động của bộ điều khiển chương trình.
- Truyền tin với màn hình tốc độ cao:
Khi nối tiếp 1:1 với màn hình, một màn hình điều khiển cĩ thể được nối trực tiếp với bộ điều khiển chương trình CPM2A. Màn hình điều khiển này phải được nối với cổng RS-232C và khơng được nối với cổng ngoại vi.
Một bộ CPM2A cĩ thể được kết nối trực tiếp với một bộ CPM2A khác hoặc các bộ điều khiển chương trình khác như CQM1, CPM1, CPM1A, CPM2C, RSM1(-V2), C200HS, C200HX/HE,HG. Kiểu kết nối các bộ điều khiển này cho phép liên kết dữ liệu một cách tự động. Bộ điều khiển phải được nối qua cổng RS-232 và khơng được nối qua cổng ngoại vi.
- Nối dây các thiết bị vào / ra:
+ Nối dây thiết bị ngõ vào:
Hình 1.6 Nối dây các thiết bị ngõ vào.
+ Nối dây các cơ cấu chấp hành:
Hình 1.7 Nối dây các thiết bị ngõ ra.
9. Thiết Bị Lập Trình Cho PLC:
Chương trình viết cho PLC được thực hiện thơng qua 2 thiết bị là máy tính cá nhân và Programming Console. Để dùng máy tính cá nhân, ta phải cĩ phần mềm lập trình tương thích với PLC được cái đặt trong máy và cáp nối.
Hình 1.8 Thiết bị lập trình cho PLC 0V +24V Valve Solennoid Đèn L N CO 00 01 03 04 06 05 CO 02 CO CO 07 CO B R Programming Console RS-232 Cable MÁY TÍNH RS-232 Adapter PLC PLC
111
10. Ngơn Ngữ Lập Trình Cho PLC:
Để lập trình cho PLC, mỗi hãng đều viết phần mềm riêng lẻ, nhưng phương pháp lập trình thì giống nhau. Các lập trình cĩ thể viết trên hệ điều hành DOS và xu hướng hiện nay là các phần mềm lập trình được viết trên hệ điều hành Windows. Mỗi ngơn ngữ PLC cĩ thể viết ở 3 dạng:
- Dạng ladder - Ladder Diagram (LAD): đây là phương pháp dùng đồ thị để biễu diễn
các ký hiệu logic của relay, contactor. Phương pháp này rất tiện lợi ở chỗ là nĩ rất gần với sơ đồ nguyên lý mà ta thường vẽ.
Chương trình dạng LADDER thường cĩ cấu trúc như sau:
Khối điều kiện là các điều kiện đơn hay là tổ hợp logic của các điều kiện đơn. Điều kiện đơn biểu thị bằng một tiếp điểm thường hở hay thường đĩng. Tổ hợp các điều kiện đơn là kết hợp nối tiếp hay song song của các tiếp điểm thường hở hay thường đĩng. Mỗi tiếp điểm tương ứng với một bit ngõ vào hay một bit nhớ. Một giản đồ LADDER được hình thành bởi nhiều Network.
- Dạng chuỗi lệnh – Statement list ( STL): dùng ngơn ngữ gợi nhớ để mơ tả các phép
logic và qua đĩ biểu diễn chức năng điều khiển, dạng chương trình này tương tự như chương trình cho vi xử lý.
- Dạng Control System Flowchart (CSF): Đây là phương pháp dùng đồ thị để mơ tả các
khối chức năng để thực hiện một phép tốn logic nào đĩ như AND, OR, EX-OR hoặc chức năng của bộ đếm, bộ định thì. Dạng chương trình này tương tự như các sơ đồ trong kỹ thuật số.
11. Định Địa Chỉ Ngõ Vào Ra:
Các đầu vào ra trên PLC đều được cĩ một địa chỉ bộ nhớ xác định trong vùng nhớ IR để tham chiếu trong chương trình.
Bảng sau là địa chỉ bộ nhớ I/O của PLC loại CPM1A và các I/O mở rộng.
Điều kiện Lệnh Điều kiện Lệnh Điều kiện Lệnh Điều kiện Lệnh Điều kiện Lệnh Điều kiện Điều kiện Network Network Network
CPU khối I/O mở rộng số lượng
đầu nối vào ra trên
module Inputs Outputs Inputs Outputs
Power
supply Model number AC CPM1A-10CDR-A 10 6 đầu: 00000 đến 00005 4 đầu: 01000 đến 01003 --- --- DC CPM1A-10CDR-D AC CPM1A-20CDR-A 20 12 đầu: 00000 đến 00011 8 đầu: 01000 đến 01007 --- --- DC CPM1A-20CDR-D AC CPM1A-30CDR-A 30 18 đầu: 00000 đến 00011 00100 đến 00105 12 đầu: 01000 đến 01007 01100 đến 01103 DC CPM1A-30CDR-D 40 24 đầu: 16 đầu: 36 đầu: 00200 đến 00211 00300 đến 00311 00400 đến 00411 24 đầu: 01200 đến 01207 01300 đến 01307 01400 đến 01407 AC CPM1A-40CDR-A
12. Trình Tự Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Dùng PLC:
a. Xác Định Trình Tự Hoạt Động :
Trong bước thứ nhất ta phải xác định đâu là thiết bị cần điều khiển. Mục đích cuối cùng của PLC là điều khiển hệ thống thiết bị bên ngồi hoặc một quá trình bên ngồi gọi chung là hệ thống được điều khiển.
Hoạt động của hệ thống được điều khiển luơn luơn được giám sát bới các thiết bị ngõ vào của PLC, chúng xác định điều khiển cụ thể và gởi tín hiệu về cho PLC. Đáp lại PLC xuất từng tín hiệu cụ thể cho các thiết bị ngõ ra để chúng thực hiện kiểm sốt hoạt động của hệ thống được điều khiển và do đĩ đạt được kết quả điều khiển. Để cho đơn giản, ta cĩ thể xác định trình tự hoạt động bằng cách vẽ biểu đồ trình tự hoạt động.
b. Xác Định Các Đại Lượng Vào Ra (I/O):
Bước thứ 2 là xác định tất cả các thiết bị ngõ vào và ngõ ra của PLC. thiết bị ngõ vào gồm các cơng tắc, cảm biến,… Các thiết bị ngõ ra là solenoid, van điện từ, motor, các chỉ thị hoặc cảnh báo.
Sau khi xác định tất cả các loại thiết bị I/O khác nhau, ta gán số cho các cổng I/O tương ứng với loại PLC đang sử dụng. Việc gán số của các I/O phải được thực hiện trước khi viết chương trình dạng Ladder bởi vì các số này sẽ liên quan chính xác đến các