2.2 Giới thiệu vềPLC
2.2.3 Các thiết bị nhập và xuất dùng trong PLC
Các thiết bị nhập:
Sự thơng minh của một hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả năng đọc các tín hiệu từ các cảm biến tự động của PLC
Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao, phím,…. Ngồi ra, PLC cịn nhận đƣợc tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động nhƣ: công tắc trạng thái, công tắc giới hạn, cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ, …. Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này đƣợc giao tiếp với PLC qua các modul nhập.
Hình 2.3 Các thiết bị kết nối với ngõ vào PLC Các thiết bị xuất: Các thiết bị xuất:
Trong một hệ thống tự động hóa, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng. Nếu ngõ ra của PLC không đƣợc kết nối với thiết bị xuất thì hầu nhƣ hệ thống sẽ bị tê liệt hịan tồn. Các thiết bị xuất thông thƣờng là: động cơ, cuộn dây nam châm, relay, chuông báo,….
Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hóa và vì thế nó ảnh hƣởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên, các thiết bị xuất khác nhƣ đèn pilot, còi và các báo động chỉ cho biết các mục đích nhƣ: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào, các thiết bị ngõ ra đƣợc giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC.
17
Hình 2.4 Các thiết kết nối ngõ ra PLC 2.2.4 Ƣu điểm của PLC 2.2.4 Ƣu điểm của PLC
Hệ thống điều khiển cổ điển và những khó khăn của nó
Nhƣ đã đề cập ở phần lịch sử hình thành PLC, đó là sự bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt vào những năm 1960 & 1970, những máy móc tự động đƣợc điều khiển bằng những rờ-le cơ điện. Những rờ-le này đƣợc lắp đặt cố định bên trong bảng điều khiển. Trong một vài trƣờng hợp, bảng điều khiển là quá rộng chiếm không gian.
Mọi kết nối ở ngõ rờ-le phải đƣợc thực hiện đi dây điện thƣờng khơng hồn hảo, nó phải mất nhiều thời gian vì những rắc rối hệ thống và đây là vấn đề rất tốn thời gian đối với nhà sử dụng. Hơn nữa, các rờ-le bị hạn chế về tiếp điểm. Nếu khi có u cầu hiệu chỉnh hay cải tiến thì máy móc phải ngừng hoạt động, khơng gian lắp đặt bị giới hạn và nối dây phải đƣợc làm dấu để phù hợp những thay đổi. Bảng điều khiển chỉ có thể đƣợc sử dụng cho q trình riêng biệt nào đó khơng địi hỏi thay đổi ngay thành hệ thống mới. Trong quá trình bảo trì, các kỹ thuật viên điện phải đƣợc huấn luyện tốt và giỏi trong công việc giải quyết những sự cố của hệ thống điều khiển. Nói tóm lại, bảng điều khiển rờ-le cổ điển là rất kém linh hoạt và không thể thay thế đƣợc.
Những bất lợi của bảng điều khiển cổ điển
18 ● Sự thay đổi hồn tồn khó khăn
● Việc sửa chữa vơ cùng phiền phức vì bạn phải cần đến nhà kỹ thuật giỏi
● Tiêu thụ điện năng lớn khi cuộn dây của rơ-le tiêu thụ điện ● Thời gian dừng máy là quá dài khi sự cố sảy ra
● Tốc độ hoạt động chậm ● Công suất tiêu thụ lớn
Bảng điều khiển khả lập trình và những thuận lợi của nó
Với sự xuất hiện của bộ điều khiển khả lập trình, những quan điểm và thiết kế điều khiển tiến bộ to lớn. Có nhiều lợi ích trong việc sử dụng bộ điều khiển lập trình.
Ví dụ bảng điều khiển PLC đƣợc thể hiện hình 2.5
Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng đƣợc các tính năng cũng nhƣ lợi ích của PLC trong hoạt động cơng nghiệp.
Hình 2.5 Bảng điều khiển bằng PLC
Lợi ích khi sử dụng hệ thống khả lập trình:
1. Hệ thống dây giảm đến 80% so với hệ thống điều khiển bằng rờ-le. 2. Điện năng tiêu thụ giảm đáng kể vì PLC tiêu thụ ít điện năng.
3. Chứ năng tự chuẩn đoán của PLC cho phép sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sát giữa ngƣời và máy (HMI)
19
4. Kích thƣớc hiện nay của PLC đƣợc thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lƣợng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp ngƣời giải quyết đƣợc nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
5. Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console.
6. Bảo trì và sửa chữa dễ dàng, độ bền và tin cậy vận hành cao. 7. Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng.
8. Có thiết bị chống nhiễu. Ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó.
9. Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết .
10. Khả năng quyền lực mà PLC thực hiện đƣợc đó là sự phối hợp giữa các thiết bị điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một mạng sản xuất toàn cầu: giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA)
Bảng 0.1 So sánh sơ bộ về các hệ điều khiển:
Chỉ tiêu so
sánh Rơ – le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành Khá thấp Thấp Cao Thấp
Kích thƣớc Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn
Tốc độ điều
khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh
Khả năng chống nhiễu Xuất xắc Tốt Khá tốt Tốt Lắp đặt Mất thời gian thiết kế và lắp đặt Mất thời gian thiết kế Mất nhiều thời gian lập trình Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều khiển các tác Khơng Có Có Có
20 vụ phức tạp
Dễ thay đổi
điều khiển Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản Cơng tác bảo
trì Kém Kém Kém Tốt
2.2.5 Đặc điểm bộ điều khiển lập trình
Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình, hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay q trình hoạt động.
Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình ( PLC- Programmable Logic Controller ) đƣợc thiết kế nhằm thay thế phƣơng pháp điều khiển truyền thống dùng ro-le và thiết bị cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình các lệnh logic cơ bản.
Ngoài ra, PLC cịn có thể thực hiện những tác vụ khác nhƣ định thì, đếm,v.v.., làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất. Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở đầu vào đƣợc đƣa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic đƣợc lập trong chƣơng trình kích tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tƣơng ứng.
Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có cơng suất nhỏ ở đầu ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở đầu vào, mà khơng cần có các mạch giao tiếp hay rơ –le trung gian.
Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có cơng suất lớn.
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà khơng cần có sự thay đổi về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chƣơng trình điếu khiển trong bộ nhớ thơng qua thiết bị lập trình chuyên dùng. Hơn nữa, chúng cịn có ƣu điểm là thời gian lắp đặt và đƣa vào hoạt động nhanh hơn so với
21
những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.
Về phần cứng, PLC tƣơng tự nhƣ máy tính “truyền thống ”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong cơng nghiệp.
2.2.6 Cấu trúc phần cứng của PLC
Hình 2.6 Cấu trúc phần cứng PLC
Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nhập, xuất
Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện chƣơng trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài.
22
Bộ nhớ (Memory)
Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau, đây là nơi lƣu giữ trạng thái hoạt động của hệ thống.
Để đảm bảo cho PLC hoạt động, phải cần có bộ nhớ để lƣu trữ chƣơng trình, đơi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác nhƣ:
+ Vùng đệm tạm thời lƣu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập đƣợc gọi là RAM xuất / nhập
+ Lƣu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong: Timer, Counter, Relay.
Bộ nhớ gồm có những loại sau:
+ Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory): ROM không phải là một bộ nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần. Do đó khơng thích hợp cho việc điều khiển “mềm” của PLC. ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.
+ Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory): RAM là một bộ nhớ thƣờng đƣợc dùng để lƣu trữ dữ liệu và chƣơng trình của ngƣời sử dụng. Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất. Tuy nhiên vấn đề này đƣợc giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng. Ngày nay, trong kỹ thuật phát triển PLC, ngƣời ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lƣợng khá thấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các RAM này khi mất nguồn. Pin dự phịng có tuổi thọ ít nhất một năm trƣớc khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ đƣợc sạc khi cấp nguồn cho PLC.
+ Bộ nhớ chỉ đọc chƣơng trình và xóa đƣợc bằng tia tử ngoại (EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM lƣu trữ dữ liệu giống nhƣ ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xố đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, ngƣời viết phải viết lại chƣơng trình trong bộ nhớ.
+ Bộ nhớ chỉ đọc chƣơng trình và xố đƣợc bằng điện (EEPROM: Electric Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM kết hợp khả năng truy linh động của RAM và tính khả biến của EPROM, nội dung trên EEPROM có thể bị xố và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định.
23
2.2.7 Hoạt động của PLC
Về cơ bản, hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra dùng để đƣa tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU .Sau khi nhận đƣợc tín hiệu ở đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đƣa các tín hiệu điều khiển thơng qua modul xuất ra các thiết bị đƣợc điều khiển.
Hình 2.7 Minh họa hoạt động của PLC
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau đó thực hiện các chƣơng trình trong bộ nhớ nhƣ sau một bộ đệm chƣơng trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chƣơng trình đƣa ra thanh ghi lệnh để thi hành. Chƣơng trình ở dạng STL (Statement List-Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ đƣợc dịch ra ngơn ngữ máy cất trong bộ nhớ chƣơng trình. Sau khi thực hiện xong chƣơng trình, sau đó là truyền thơng nội bộ và kiễm tra lỗi sau đó CPU sẽ gởi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, đƣợc điều khiển thơng qua modul xuất. Một chu kì gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chƣơng trình, truyền thơng nội và tự kiểm tra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở đầu ra đƣợc gọi là một chu kì quét.
Nhƣ vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh khơng xử lý trực tiếp vởi cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm. Nếu có sử dụng ngắt thì chƣơng trình con tƣơng ứng với tín hiệu sẽ đƣợc soạn thảo và cài đặt nhƣ một bộ phận chƣơng trình. Chƣơng trình ngắt chỉ thực hiện trong trong vòng quét khi xuất hiện
24
tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì thời điểm nào trong vịng qt. Chu kì qt một vịng của PLC đƣợc mơ tả nhƣ hình 2.8
Hình 2.8 Chu kì vịng qt của PLC
Thực tế khi PLC thực hiện chƣơng trình ( Program Execution), PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này khơng đƣợc truy xuất tức thời để đƣa ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu vào (ON/OFF) phải theo hai bƣớc khi xử lý thực hiện chƣơng trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tƣơng ứng ở đầu ra trong “ chƣơng trình nội ” (đã đƣợc lập trình ), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF. Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra “thật” (tức tín hiệu đƣợc đƣa ra tại Module out) vẫn chƣa đƣợc đƣa ra. Khi xử lý kết thúc chƣơng trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic ( của các tếp điểm ) đã hồn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự tác động lên ngõ vào để điều khiển các thiết bị ở đầu ra.
Thƣờng việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn ( single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms. Việc
25
thực hiện một chu kì dài hay ngắn cịn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài của chƣơng trình và cả mức giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị).
Vi xử lý chỉ có đọc tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn một chu kì quét. Nếu thời gian tác động ở đầu vào nhỏ hơn một chu kì quét thì vi xử lý xem nhƣ khơng có tín hiệu này.
Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thƣờng các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét nhƣ trên có thể đáp ứng đƣợc các chức năng của dây chuyền sản xuất.
Để khắc phục khoảng thời gian quét dài ảnh hƣởng đến chu kì sản xuất, các nhà thiết ké cịn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, dùng bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) các hệ thống này thƣờng đƣợc áp dụng cho các PLC lớn có số lƣợng I/O nhiều, truy cập và xử lý lƣợng thông tin lớn.
2.2.8 Các bƣớc thiết kế 1 hệ thống điều khiển dùng PLC
Để thiết kế 1 chƣơng trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bƣớc:
1. Xác định qui trình cơng nghệ:
Trƣớc tiên , ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Mục đích cuối cùng của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động.
Sự vận hành của hệ thống đƣợc kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào. Nó nhận tín hiệu và gởi tín hiệu đến CPU, CPU xử lý tín hiệu và gởi nó đến thiết bị xuất để điều khiển sự hoạt động của hệ thống nhƣ lập trình sẵn trong chƣơng trình.
2. Xác định ngõ vào, ngõ ra:
Tất cả các thiết bị xuất, nhập bên ngoài đều đƣợc kết nối với bộ điều khiển lập trình.
Thiết bị nhập là những contact, cảm biến...Thiết bị xuất là những cuộn dây, valve điện từ, motor, bộ hiển thị.
Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất nhập cần thiết, ta định vị các thiết bị vào ra tƣơng ứng cho từng ngõ vào, ra trên PLC trƣớc khi viết chƣơng trình.
26
3. Viết chƣơng trình:
Khi viết chƣơng trình theo sơ đồ hình bậc thang (ladder ) phải theo sự hoạt động tuần tự từng bƣớc của hệ thống.
4. Nạp chƣơng trình vào bộ nhớ:
Bây giờ chúng ta có thể cung cấp nguồn cho bộ điều khiển có lập trình thơng qua cổng I/O. Sau đó nạp chƣơng trình vào bộ nhớ thơng qua bộ console lập trình hay máy tính có chứa phần mềm lập trình hình thang. Sau khi nạp xong, kiểm tra lại bằng hàm chuẩn đoán. Nếu đƣợc hãy mơ phỏng tồn bộ hoạt động của hệ thống để chắc chắn rằng chƣơng trình đã hoạt động tốt.