4.1. GIỚI THIÍU CHUNG:
4.1.1.Hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển lă tập hợp gồm nhiều thiết bị điện, điện tử vă thiết bị liín quan để đảm bảo sự hoạt động ổn định, chính xâc vă liín tục của một quâ trình sản xuất hay một xử lí thông tin năo đó.
Hệ thống điều khiển phât triển rất lđu đời từ những phương phâp cổ điển bằng trục cam, câc bộ khống chế hình trống, điều khiển bằng câc tiếp điểm, rơle, công tắc tơ, đến bộ điều khiển điện tử. Câc hệ thống điều khiển truyền thống (cổ điển) không có khả năng thực hiện đối thoại giữa người – mây trực tiếp cũng như câc yíu cầu về điều khiển như độ nhạy cao, độ chính xâc…
Ngăy nay do sự phât triển của câc hệ thống công nghiệp phức tạp ngăy căng lớn, đòi hỏi việc ứng dụng câc hệ thống điều khiển trở nín cấp bâch, từ đó câc bộ điều khiển số ra đời.
Hệ thống điều khiển số có thể lă hệ thống điều khiển số có một đầu văo vă một đầu ra, câc mây vi tính trong hệ thống đa xử lí có thể lăm việc độc lập hoặc có thể sử dụng bộ nhớ của mây khâc khi câc mây đó không dùng đến. Việc ứng dụng mây tính văo điều khiển đê đâp ứng vă giải quyết được câc vấn đề phức tạp trong lĩnh vực điều khiển. Ở đđy, mây tính đóng vai trò của bộ điều khiển có nhiệm vụ thu thập, xử lý thông tin văo điều khiển.
Trong hệ thống điều khiển số bao gồm hai loại tín hiệu: tương tự vă rời rạc. Tín hiệu rời rạc được định nghĩa lă hệ thống dữ liệu đê được lấy mẫu. Trong câc hệ thống thực tế, vì khđu vă hệ thống được điều khiển tương tự nín dữ liệu rời rạc sau khi lấy mẫu vă xử lí phải được hoăn lại thănh dạng liín tục trong suốt khoảng thời gian giữa những lần lấy mẫu.
Kỹ thuật PLC xuất hiện từ những năm 1970 vă được sử dụng để điều khiển vă tự động hoâ quâ trình công nghệ hoặc dđy chuyền trong công nghiệp. Cho đến ngăy nay, PLC được sử dụng rộng rêi vă phổ biến.
Đặc trưng của PLC lă việc sử dụng vi mạch để xử lí thông tin, câc ghĩp nối logic trong quâ trình điều khiển được xử li bằng phần mềm do người lập trình vă căi
đặt văo bộ nhớ, chính vì vậy mă người ta có thể giải quết nhiều băi toân tự động hoâ khâc nhau trín cùng một bộ điều khiển vă hầu như không có biến đổi gì ngoăi việc nạp những chương trình khâc.
Rõ răng khi so sânh PLC với hệ thống điều khiển cổ điển dùng rơle thì kỹ thuật PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, vă hiệu quả giải quyết băi toân cao.
Ngăy nay, PLC được sử dụng rộng rêi trong toăn bộ hệ thống tự động hoâ nhờ sự vượt trội nổi bật năy.
Bộ điều khiển chương trình có khả năng lăm nhiệm vụ sau: + Điều khiển chuyín gia giâm sât:
- Thay cho điều khiển relay - Thời gian đếm.
- Thay cho câc panel điều khiển mạch in.
- Điều khiển tự động, bân tự động bằng mây vă câc quâ trình. + Điều khiển dêy
- Câc phĩp toân số học. - Cung cấp thông tin.
- Điều khiển liín tục (nhiệt độ, âp suất)
- Điều khiển động cơ chấp hănh, động cơ bước. + Điều khiển mềm dẻo.
- Điều hănh quâ trình bâo động - Ghĩp nối với mây tính, maý in.
- Mạng tự động hoâ xí nghiệp (cục bộ, mở rộng). - Phât hiện lỗi vă điều hănh.
4.1.2. Phđn loạI PLC:
PLC có nhiều loại của nhiều hêng khâc nhau. Để phđn loại người ta dưạ văo câc thông số kỹ thuật sau:
- Dung lượng bộ nhớ.
- Loại CPU mă PLC sử dụng.
- Nguồn: Khoảng điện âp xoay chiều hay một chiều. - Khả năng mở rộng modul văo/ra.
4.1.2.1. PLC của hêng OMROM (nhật):
Loại CQM1–CPU11-E/CPU21-E: Có số đầu văo ra lớn nhất lă 128. Loại CQM1-CPU41-E/CPU43-E:Có số đầu văo ra lớn nhất lă 192. Loại CQM1-10CDR-A có: + Nguồn cung cấp AC + Số đầu văo lớn nhất 18. + Số đầu ra lớn nhất lă 12. - Loại CQM1-20 CDR-D Có: + Nguồn cung cấp DC. + Số đầu văo lớn nhất lă 24. + Số đầu ra lớn nhất lă 15.
4.1.2.2. PLC của hêng SIEMENS ĐỨC.
- Loại S7200 CPU 212 : có 8 cổng văo , 6 cổng ra vă có thể mở rộng thím 2 modul
- LoạI S7200 cpu 214 :có 14 cổng văo , 10 cổng ra có thể mở rộng thím 7 modun
4.1.2.3. PLC của hêng MITSUBISHI (Nhật):
PLC của hêng MITSUBISHI rất đa dạng, khả năng điều khiển của PLC họ FX: FXOS; FXON; FX2N; FX; FX2C.
4.1.3. Ưu điểm của PLC:
Cùng với sự phât triển của kỹ thuật vi mạch, kỹ thụđt PLC đê có những bước tiến vượt bậc.
So sânh với câc hệ thống điều khiển thế hệ cũ sử dụng rơle thì kỹ thuật PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng giải quyết những băi toân tự động phức tạp, do dễ dăng thay đổi chương trình theo yíu cầu công nghệ phần mềm.
- Thời gian lắp đặt công trình ngắn. - Có thể tính toân giâ thănh chính xâc. - Có phạm vi điều khiển rộng.
- Sử dụng dễ dăng, cần ít thời gian đăo tạo.
- Có thể lăm việc trong môi trường khắc nghiệt như: Nhiệt độ, độ ẩm, hoâ chất, tiếng ồn…
4.1.4. Cấu trúc vă hoạt động của PLC:
Thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình PLC có cấu trúc theo kiểu kết nối module. Câc module năy được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khâc nhau vă được kết nối rất dễ dăng để có thể đảm bảo được tính liín tục trong quâ trình sản xuất công nghiệp.
4.1.4.1. Bộ nguồn:
Hình 4.1.4.1 Cấu hình phần cứng của PLC.
Bộ nguồn cung cấp cho PLC lă bộ nguồn xoay chiều vă một chiều: + Bộ nguồn một chiều:
UDC =24V; Điện âp sai lệch cho phĩp lă (10-15%)Uđm. Bộ nguồn xoay chiều:
Uac=100-240V; Điện âp sai lệch cho phĩp (10-15%)Uđm. + Tần số lăm việc: flv=50/60HZ.
- Tuy nhiín, ngoăi việc chọn điện âp lăm việc thì còn phụ thuộc văo dòng điện tiíu thụ của PLC.
4.1.4.2. Bộ xử lý trung tđm:(CPU):
Thănh phần cơ bản của PLC lă khối xử lí CPU, CPU lă một chip vi xử lí dùng để phối hợp hoạt động của PLC, thực hiện chương trình xử lí câc tín hiệu văo/ra vă
Nguồn CPU M CM GIAO DIỆN ĐẦU RA GIAO DIỆN ĐẦU VĂO CỔNG RS 232
có kết nối với thiết bị ngoại vi. Việc trao đôỉ thông tin giữa CPU,bộ nhớ vă khối văo ra được thực hiện thông qua hệ thống BUS dưới sự điều khiển của CPU.
Tốc độ xử lí của CPU lă tốc độ thực hiện từng bước của chương trình, PLC đòi hỏi CPU phải có tốc độ xử lí nhanh, để có thể mô phỏng câc hiện tượng logic vật lý xảy ra với thời gian thực, CPU có tần số nhịp căng cao thì tốc độ xử lí căng nhanh (thường từ 1-18MHz). Tuy nhiín tốc độ còn bị ảnh hưởng bởi câch lập trình cho PLC.
4.1.4.3. Bộ nhớ (Memory):
Dung lượng bộ nhớ nói lín khả năng nhớ của PLC, được đo bằng đơn vị KB, nhưng cũng có thể lă số tối đa dòng lệnh có được khi viết chương trình.
Bộ nhớ của PLC được chia thănh câc vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ PLC có tính năng động cao, đọc vă ghi được trong toăn vùng, loại trừ vùng có bít nhớ đặc biệt.
Vùng chương trình: Lă miền bộ nhớ để sử dụng lưu giữ câc lệnh chương trình.
Vùng năy thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
Vùng tham số: Lă miền lưu giữ câc tham số như từ khoâ, địa chỉ tạm. Vùng năy cũng thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất giữ câc dữ liệu của chương trình bao gồm câc kết quả của phĩp tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông.
Vùng đối tượng: Được sử dụng để cất câc dữ liệu cho câc đối tượng bao gồm câc Timer, bộ đếm Counter, bộ đếm tốc độ cao vă câc cổng văo ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng năy không thuộc kiểu non-volatile nhưng đọc ghi được.
- Ta có câc loại bộ nhớ sau:
ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc, được lập trình một lần khi sản xuất vă kgông xoâ được. Nội dung trong bộ nhớ không bị mất khi mất nguồn.
RAM (Read Acess Memory): Lă bộ nhớ truy cập ngẫu nhiín, chủ yếu dănh cho người sử dụng dùng để lưu giữ chương trình vă dữ liệu. Dữ liệu trong RAM sẽ mất đi khi mất nguồn điện. Vì vậy RAM phải có nguồn dự phòng bằng pin hay tụ điện, RAM thường có hai loại: SRAM (RAM tĩnh) vă PRAM (RAM động).
EPROM (Erasable Program Read Only Memory): Bộ nhớ tương tự như ROM, không cần phải có nguồn pin dự phòng. Tuy nhiín nội dung của nó có thể xoâ bằng tia cực tím.
EEPROM (Electric Erasable Program Read Only Memory): EEPROM kết hợp với tính linh hoạt của RAM vă tính khó thay đổi của ROM, EEPROM có thể xoâ vă ghi bằng điện âp khâ cao. Tuy nhiín, số lần xoâ, ghi bị hạn chế.
Cat-set nhớ: Bộ nhớ phụ dung để lưu giữ chương trình hay văi đặt PC, thường dung EPROM hay EPROM.
4.1.4.4. Module văo ra:
PLC giao tiếp với thiết bị ngoại vi qua câc module văo /ra, tuỳ theo quy mô ứng dụng vă tính chất của thiết bị văo/ra mă sử dụng module văo/ra cho thích hợp. Câc thông số sau đặc trưng cho module văo/ra:
-Số đầu văo/ra: Tuỳ thuộc văo thực tế sử dụng.
+Loại nhỏ : Thường có 16 đầu văo vă 8 đầu ra, hoặc 24 đầu văo vă 16 đầu ra. +Loại trung: Thường có 32 đầu văo vă 24 đầu ra, hoặc 40 đầu văo vă 32 đầu ra.
+Loại lớn: Thường có 48 đầu văo va 32 đầu ra, đồng thời có thể mở rộng đến 256 đầu văo/ra.
-Có thể lựa chọn câc thông số cho câc ngõ văo/ra thích hợp với câc yíu cầu điều khiển cụ thể. Vi dụ:
Ngõ văo: 24VDC,110 VAC,hay 220VAC. Ngõ ra:Dạng Reley, Transistor hay triac. +Loại ngõ ra dung Reley:
Có thể nối với câc cơ cấu tâc động lăm việc với điện âp AC hoặc DC. Câch li dạng cơ nín điện âp đâp ứng chậm.
Tuổi thọ lăm việc phụ thuộc dòng tải đi qua Relay vă tần số đóng mở tiếp điểm. +Loại ngõ ra dùng Transistor: Chỉ nối cơ cấu tâc động lăm việc với điện âp từ 5 đến 30 VDC.
Tuổi thọ cao, tần số đóng mở nhanh. +Loại ngõ ra dùng triac:
Kết nối được với cơ cấu tâc động, lăm việc với điện âp DC hoặc AC từ (5-24V). Chịu được dòng nhỏ hơn Relay, nhưng có tuổi thọ cao vă tần số đóng mở nhanh.
4.1.4.5. Module mở rộng vă thiết bị ngoại vi:
PLC có nhiều loại module mở rộng khâc nhau vă sử dụng cổng truyền thông để phục vụ cho việc ghĩp nối PLC với mây tính lập trình thông qua một câp nối thẳng, câp đó đi kỉm theo mây lập trình. Ghĩp nối PLC với mây tính PC qua cổng RS232( cần có câp nốI PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485).
Thiết bị đầu văo của PLC: Câc tín hiệu đầu văo năy dưới dạng mức logic ON/OF hoặc tương tự giao tiếp vớI PLC bằng câc Module văo/ra.
- Nói câch khâc: Để dễ tìm kiếm những chi tiết gia công, giâm sât hoạt động của mây móc, kiểm tra âp suất, mức chất lỏng vă câc công việc khâc. PLC sẽ nhận những tín hiệu đầu văo như trín để xử lí điều khiển những cơ cấu chấp hănh lă đầu ra.
Thiết bị đầu ra của PLC:
- Một hệ thống điều khiển không hoăn thiện vă hầu như lă tí liệt nếu không có câc thiết bị đầu ra. Một số thiết bị đầu ra lă không thể thiếu đối với câc hệ thống đơn giản đến phức tạp vì nó ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống tự động như: Bộ chỉ bâo đỉn, còi, bâo động…
Cổng truyền thông:
- Câc PLC sử dụng cổng truyền thông để trao đổi dữ liệu chương trình, câc loại
cổng truyền thông thường dùng: RS232; RS422; RS485 với phích cắm 9 chđn để
phục vụ cho việc ghĩp nối thiết bị lập trình PC hặc nối với mạng PLC, hay nối với
terminal (thiết bị đầu cuối).
tốc độ truyền thông theo tiíu chuẩn 9600 baud. Ngoăi ra tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do có thể lă 300-38400 baud. Cổng truyền giữa PLC với PLC hoặc PC lă cổng COM hoặc câc cổng RS232, RS422, RS485…
Đỉn chỉ thị tình trạng lăm việc của PLC:
Mỗi loại PLC đều có cổng chỉ thị trạng thâi lăm việc khâc nhau vă có mău sắc quy định cũng khâc nhau. Tuy nhiín, có thể tóm tắt đỉn chung như sau:
+ Đỉn bâo PLC đang lăm việc bình thường (ở chế độ RUN).
+ Đỉn bâo sự cố, hiển thị lỗi hoặc bâo động lăm ngưng hoạt động của PLC (thường ở chế độ Error/Alarm or Stop).
+ Đỉn bâo cổng ngoại vi (COM1 or COM2).
- Ngoăi ra còn có một số loại đỉn khâc tuỳ hêng chế tạo PLC.
Trín thực tế PLC lăm việc dựa trín hệ thống số nhị phđn gồm câc số 0 vă 1 vì câc linh kiện điện tử số chỉ được thiết kế theo 2 kiểu trạng thâi (nhị phđn), không điện hoặc có điện vă nhă thiết kế cũng dùng câc phĩp toân cơ bản như cộng, trừ, nhđn, chia để thực hiện tính toân. Nhưng người ta cũng muốn câc mạch điện tử căng đơn giản căng tốt. nín một phương ân được đề nghị lă chuyển câc phĩp toân cộng, trừ, nhđn, chia về mạch thực hiện phĩp cộng mă thôi.
Thật vậy, phĩp nhđn lă một dêy câc phĩp cộng liín tiếp, còn phĩp trừ lă cộng của số thứ nhất với bù của số thứ hai mă thôi. Nói tóm lại chỉ cần thiết kế câch cộng lă giải quyết được việc xử lý số liệu, tính toân số học.
Biểu diễn số trong PLC:
Người ta cũng dựa trín câc mạch điện tử có thể thực hiện có điện hoặc không có điện, điện thế cao hoặc thấp. Nếu không có điện hoặc điện thế thấp gọi lă 0. Khi điện thế cao gọi lă 1. Như vậy mạch điện tử đê thể hiện một bít, lă đơn vị đo cơ bản nhất của điện tử số. Với nhiều mạch điện tử ghĩp với nhau, người ta đê tạo được nhiều bít liín tiếp để biểu thị được dung lượng cần chứa.
4.3. LẬP TRÌNH CHO PLC:
Bộ PLC sẽ thực hiện việc điều khiển một cỗ mây hay một dđy chuyền sản xuất khi nó được cung cấp một chương trình được viết ra bởi người sử dụng.
Chương trình được viết trín câc mây lập trình (Control hoặc từ mây tính PC…) rồi sau đó được chuyển hay nạp văo bộ nhớ chương trình của PLC. Mây lập trình có một băn phím để người sử dụng có thể đưa văo câc lệnh hoặc câc chương trình, một măn hình có thể theo dõi vă hiển thị chương trình. Khi chương trình đê hoăn chỉnh, mây lập trình sẽ dịch chương trình ra ngôn ngữ mây mă PLC có thể hiểu được rồi chuyển chương trình dịch văo bộ nhớ của PLC.
4.3.1. Phương phâp lập trình:
Phương phâp hình thang (Ladder-Logic , viết tắt LAD) vă phương phâp liệt kí lệnh (Statement-List, viết tắt lă STL).
LAD lă một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thănh phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với câc thănh phần của bảng điều khiển bằng Relay. Trong chương trình LAD, câc thănh phần cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau:
Tiếp điểm: Lă biểu tượng (Symbol)
mô tả câc tiếp điểm của Relay, câc tiếp điểm đó có thể thường mở hoặc thường đóng.
Cuộn dđy (Coil): ( )
Lă biểu tượng mô tả cuộn dđy của Reley được mắc theo chiều nguồn điện cung cấp cho Relay.
Hộp (Box): Lă biểu tượng mô tả câc hăm khâc nhau, nó lăm việc khi có dòng
điện chạy đến hộp. Cuộn dđy vă câc hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện.
Mạng LAD: Lă đường nối câc phần tử thănh mạch hoăn thiện, đi từ đường nguồn bín
