Bài giảng điều khiển lập trình PLC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANGKHOA KHAI THÁC TSBỘ MÔN ĐIỆN – ĐTHH Nha Trang 2010 Yêu cầu – mục đích Yêu cầu: Sinh viên phải hiểu về các mạch điều khiển có tiếp điểm. Trình độ cơ bản về máy tính. Mục đích: sau khi học xong môn học này sinh viên: Hiểu biết các kiến thức cơ bản về điều khiển lập trình, cấu tạo phần cứng, phần mềm của hệ điều khiển lập trình. Phân tích, thiết kế, viết chương trình sử dụng PLC. Tài liệu tham khảo [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước – Tự động hóa với SIMATIC S7-200 – NXB Nông nghiệp 1997 [2] BM Điện-ĐTHH - Giáo trình “Điều khiển lập trình” [3] Sổ tay hướng dẫn sử dụng FX-TRN-BEG-E – Khoa Điện Trường ĐH Công nghiệp Tp.HCM, Công ty TNHH Sa Giang [4] Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương – PLC Lập trình ứng dụng trong công nghiệp - NXB KHKT - 2008 [5] W. Bolton - Programmable Logic Controllers [6] Hugh Jack - Automating Manufacturing Systems with PLCs [7] SIEMENS - S7-200 Programmable Controller System Manual - Edition 04/2002 [8] Visual Guide to Programming OMRON PLCs NỘI DUNG Chương 1 Đại cương về điều khiển lập trình Chương 2 Cấu trúc và phương pháp hoạt động của PLC Chương 3 Các phép toán nhị phân của PLC Chương 4 Các phép toán số của PLC Chương 5 Các họ PLC khác PLC là thiết bị điều khiển Logic lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển Logic thông qua 1 ngôn ngữ lập trình Bản chất PLC là gì? Có bao nhiêu loại PLC? Nên sử dụng loại nào? Chọn ngôn ngữ lập trình nào? PLC (Programmable Logic Control) Caùc loaïi PLC S7 cuûa Siemens Vai trò của PLC Trong một hệ thống tự động, nói chung PLC đuợc ví như là “con tim” của hệ thống điều khiển. Với chương trình ứng dụng điều khiển (được lưu trữ trong bộ nhớ PLC) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tính hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào. Sau đó sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của một quá trình phức tạp. Ưu điểm của PLC Nhöõng baát lôïi cuûa baûng ñieàu khieån coå ñieån Coù quaù nhieàu daây trong baûng ñieàu khieån Söï thay ñoåi hoaøn toaøn khoù khaên Vieäc söûa chöõa voâ cuøng phieàn phöùc vì baïn phaûi caàn ñeán nhaø kyõ thuaät gioûi Tieâu thuï ñieän naêng lôùn khi cuoän daây cuûa rôø – le tieâu thuï ñieän Thôøi gian döøng maùy laø quaù daøi khi söï coá xaûy ra, vì phaûi maát moät thôøi gian daøi ñeå söûa chöõa baûng ñieàu khieån Noù gaây ra thôøi gian döøng maùy laâu hôn khi baûo trì vaø ñieàu chænh khi caùc baûn veõ khoâng coøn nguyeân veïn qua thôøi gian nhieàu naêm. Thuận lợi của điều khiển lập trình Khoâng caàn ñaáu daây cho sô ñoà ñieàu khieån logic nhö kieåu duøng rô le. Coù ñoä meàm deûo söû duïng raát cao, khi chæ caàn thay ñoåi chöông trình (phaàn meàm) ñieàu khieån. Chieám vò trí khoâng gian nhoû trong heä thoáng. Nhieàu chöùc naêng ñieàu khieån. Toác ñoä cao. Coâng suaát tieâu thuï nhoû. Khoâng caàn quan taâm nhieàu veà vaán ñeà laép ñaët. Coù khaû naêng môû roäng soá löôïng ñaàu vaøo/ra khi noái theâm caùc khoái vaøo/ra chöùc naêng. Taïo khaû naêng môû ra caùc lónh vöïc aùp duïng môùi. Nhược điểm của PLC + Giá thành cao (phần cứng + phần mềm) + Đòi hỏi người sử dụng phải có chuyên môn * * Về giá trị kinh tế Khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu ra và đầu vào. Quan hệ về giá thành với số lượng đầu vào/ra có dạng như hình bên * * Khi tính đến giá cả của PLC thì phải kể đến các bộ phân phụ như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi...cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật. Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt. Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp chọn bộ đóng gói phần mềm đã được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu không thể tránh khỏi, do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ năng phần mềm. * * Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau: + 50% cho phần cứng của PLC + 10% cho thiết kế khuân khổ chương trình + 20% cho soạn thảo và lập trình + 15% cho chạy thử nghiệm + 5% cho tài liệu. Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên, nghĩa là hầu như chỉ còn chi phí phần cứng. * * Ứng dụng của PLC PLC ñöôïc söû duïng khaù roäng raõi trong caùc ngaønh: Coâng nghieäp, Maùy noâng nghieäp, Thieát bò y teá, Oâtoâ (xe hôi, caàn caåu)… Thay ñoåi heä thoáng nhanh choùng vaø deã daøng Kích thöôùc nhoû goïn Söû duïng boä ñieàu khieån PLC Phân loại phương pháp điều khiển Trong lónh vöïc ñieàu khieån Phöông phaùp ñieàu khieån noái cöùng Phöông phaùp ñieøu khieån laäp trình ñöôïc Trong caùc heä thoáng ñieàu khieån noái cöùng: Noái cöùng coù tieáp ñieåm Noái cöùng khoâng tieáp ñieåm Nối cứng có tiếp điểm Duøng caùc khí cuï ñieän nhö rôle, coâng taéc tô keát hôïp vôùi caùc boä caûm bieán, caùc nuùt nhaán, coâng taéc. Caùc khí cuï ñieän naøy ñöôïc noái laïi vôùi nhau theo moät maïch ñieän cuï theå ñeå thöïc hieän moät yeâu caàu coâng ngheä nhaát ñònh. Thí duï: Maïch ñieàu khieån ñaûo chieàu quay, maïch khôûi ñoäng giôùi haïn doøng hay maïch ñieàu khieån ñoäng cô chaïy tuaàn töï vaø döøng tuaàn töï Ñieàu khieån noái cöùng khoâng tieáp ñieåm Duøng caùc coång logic cô baûn, caùc coång logic ña naêng hay caùc maïch tuaàn töï (goïi chung laø IC soá), keát hôïp vôùi caùc boä caûm bieán, caùc nuùt nhaán, coâng taéc. Caùc IC soá naøy cuõng ñöôïc noái laïi vôùi nhau theo moät sô ñoà logic cuï theå ñeå thöïc hieän moät yeâu caàu coâng ngheä nhaát ñònh. Caùc maïch ñieàu khieån noái cöùng söû duïng caùc linh kieän ñieän töû coâng suaát nhö SCR, Triac ñeå thay theá coâng taéc tô trong caùc maïch ñoâng löïc Trong heä thoâng ñieàu khieån noái cöùng, caùc linh kieän hay khí cuï ñieän ñöôïc noái vónh vieãn vôùi nhau. Do ñoù, khi muoán thay ñoåi laïi nhieäm vuï ñieàu khieån thì phaûi noái daây laïi toaøn boä maïch ñieän. Vôùi caùc heä thoáng phöùc taïp thì khoâng hieäu quaû vaø raát toán keùm Phöông phaùp ñieàu khieån noái cöùng ñöôïc thöïc hieän theo caùc böôùc sau : Phöông phaùp ñieàu khieån laäp trình ñöôïc Trong caùc heä thoáng ñieàu khieån laäp trình ñöôïc, caáu truùc cuûa boä ñieàu khieån vaø caùch noái daây ñoäc laäp vôùi chöông trình. Chöông trình ñònh nghóa hoaït ñoäng ñieàu khieån ñöïôc ghi tröïc tieáp vaøo boä nhôù cuûa boä ñieàu khieån nhôø söï trôï giuùp cuûa boä laäp trình (PG) hay maùy vi tính (PC) Ñeå thay ñoåi chöông trình ñieàu khieån, chæ caàn thay ñoåi noäi dung boä nhôù cuûa boä ñieàu khieån, phaàn noái daây beân ngoaøi khoâng bò aûnh höôûng. Ñaây laø öu ñieåm lôùn nhaát cuûa phöông phaùp laäp trình ñieàu khieån ñöôïc. Qui trình thiết kế điều khiển dùng PLC: 1. Xác định được qui trình điều khiển 2. Xác định tín hiệu vào ra 3. Soạn thảo chương trình 4. Nạp chương trình cho PLC 5. Chạy chương trình Caáu truùc cuûa PLC PLC 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. Nó thực hiện các lệnh trong chương trình, xử lý tín hiệu xuất nhập và liên lạc với các thiết bị ngoại vi. Bộ nhớ: có nhiều loại bộ nhớ. Đó là vùng chứa hệ điều hành và vùng bộ nhớ của người sử dụng: ROM (Read Only Memory) RAM (Random Access Memory) EPROM (Erasable Programable Read Only Memory) EEPROM (Electrically Erasable Programable Read Only Memory) Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC - Ngõ vào dạng số - Ngõ vào tương tự - Ngõ ra dạng số - Ngõ ra tương tự Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, thường là nút nhấn, cảm biến… Thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Mạch đầu vào (Input Unit) là các mạch điện tử làm nhiệm vụ phối ghép chuyển đổi giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu sử dụng trong PLC. Kết quả của việc xử lý sẽ được lưu ở vùng nhớ Input. Mạch đầu vào được cách ly về điện với các mạch trong PLC nhờ các diod quang. Mạch đầu ra (Output Unit) mạch điện tử đầu ra sẽ biến đổi các lệnh mức logic bên trong PLC (vùng nhớ Output) thành tín hiệu điều khiển như đóng mở rơle… Thiết bị lập trình Các dạng tín hiệu ngõ vào của PLC Nút nhấn thường mở Nút nhấn thường đóng Công tắc thường mở Công tắc thường mở Tiếp điểm thường mở Tiếp điểm thường mở Các thiết bị vào thường gặp Các thiết bị ra thường gặp PLC S7-200 ñieàu khieån thieát bò Ñieàu khieån duøng PLC Điều khiển qua contactor Theâm module môû roäng Gaén PLC leân Rail Soá module môû roäng toái ña Ñeøn baùo hieäu Ñaët teân cho caùc ngoõ vaøo ra Keát noái tín hieäu ngoõ vaøo cho PLC Nuùt nhaán Coâng taéc Keát noái tín hieäu ngoõ ra cuûa PLC Boùng ñeøn Relay Keát noái tín hieäu PLC Cấu trúc bộ nhớ Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: Từ khóa, địa chỉ trạm… Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đếm truyền thông… Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng Vùng dữ liệu V : Variable memory. I : Input image register. O : Output image register. M : Internal memory bits. SM : Special memory bits. Truy xuất dữ liệu bằng địa chỉ vùng nhớ Cách gọi tên Byte.Bit So sánh cách gọi tên Byte, Word, và Double-Word đến cùng một địa chỉ Biểu diễn các số Số thực (hay còn gọi là chấm động) có thể biểu diễn bằng một con số đơn, chính xác, 32 bit có định dạng như sau: từ +1.175495E-38 đến +3.402823E+38 cho phần dương, và từ -1.175495E-38 đến -3.402823E+38 cho phần âm. Số thực được truy xuất theo độ dài vùng nhớ là Double-Word. Cách gọi tên thanh ghi đệm ngõ vào (I) Ngay khi bắt đầu mỗi vòng quét, CPU sẽ lấy thông tin các ngõ vào và ghi các giá trị này vào thanh ghi đệm ngõ vào. Chúng ta có thể truy xuất thanh ghi đệm ngõ vào theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word Định dạng: Cách gọi tên thanh ghi đệm ngõ ra (Q) Ngay thời điểm kết thúc mỗi vòng quét, CPU sẽ chép các giá trị lưu trữ trong các thanh ghi đệm ngõ ra vào các ngõ ra. Chúng ta có thể truy xuất thanh ghi đệm ngõ vào theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ biến (V) Chúng ta có thể sử dụng vùng nhớ V để lưu trữ các kết quả tức thời của thao tác được điều khiển bởi các điều khiển logic trong chương trình. Vùng nhớ V có thể được truy xuất theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word. Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Bit (M) Vùng nhớ M như các relay điều khiển để lưu trữ các trạng thái tức thời của thao tác hay các thông tin điều khiển khác. Truy xuất vùng nhớ này theo Bit. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể truy xuất nó theo Byte, Word, hay Double-Word. Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ relay điều khiển tuần tự (S) Định dạng: Cách gọi tên các bit nhớ đặc biệt (SM) Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Timer (T) Trong CPU S7-200, các timer là các thiết bị thực hiện nhiệm vụ đếm thời gian. Các timer của S7-200 có các độ phân giải như 1ms, 10ms, 100ms Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Counter (C) CPU S7-200, các counter là các thiết bị thực hiện nhiệm vụ đếm mỗi lần chuyển trạng thái từ thấp lên cao khi có tín hiệu ở ngõ vào của counter Định dạng: Sử dụng các giá trị hằng số Ví dụ: Địa chỉ truy nhập được qui ước với công thức Truy nhập theo bit: Tên miền (+) địa chỉ byte (+).(+) chỉ số bit. Ví dụ: V153.2 chỉ bit 2 của byte 153 vùng V Truy nhập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ byte trong miền. Ví dụ: VB153 chỉ byte 153 của vùng V Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ: VW153 chỉ từ đơn gồm 2 byte 153 và 154 thuộc miền V, trong đó byte 153 có vai trò là byte cao trong từ Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ kép trong miền. Ví dụ: VD153 chỉ từ kép gồm 4 byte 153, 154 ,155 và 156 thuộc miền V, trong đó byte 153 có vai trò là byte cao và byte 156 có vai trò là byte thấp trong từ kép Tính Năng Của Các CPU S7-200 Xử lý chương trình Chương trình chính Chương trình con Chương trình ngắt Cấu trúc chương trình được rõ ràng hơn Ví dụ Các phương pháp lập trình Ladder Diagram (LAD): phương pháp dùng đồ thị để biễu diễn các ký hiệu logic của relay, contactor Statement list (STL): dùng ngôn ngữ gợi nhớ để mô tả các phép logic và qua đó biểu diễn chức năng điều khiển, dạng chương trình này tương tự như chương trình cho vi xử lý Function Block Diagram (FBD): là phương pháp dùng các khối hàm để mô tả các khối chức năng để thực hiện một phép toán logic nào đó như AND, OR, EX-OR hoặc chức năng của bộ đếm, bộ định thì Dạng LAD Dạng STL Dạng FBD Ví dụ: Chương trình khởi động động cơ Một số bài tập Mạch khởi động trực tiếp động cơ Mạch đảo chiều quay động cơ KĐB ba pha Mạch khởi động 3 động cơ độc lập & dừng độc lập Khởi động tuần tự 3 động cơ Mạch khởi động sao/tam giác Một số lệnh vào/ra Một số lệnh vào Lệnh ra Các lệnh tiếp điểm đặc biệt Có thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt để tác động vào dòng cung cấp Các lệnh tiếp điểm đặc biệt NETWORK 1 LD I0.0 A I0.1 = Q0.0 NOT = Q0.1 NETWORK 2 LD I0.2 ON I0.3 = Q0.2 NETWORK 3 LD I0.4 LPS EU S Q0.3, 1 = Q0.4 LPP ED R Q0.3, 1 = Q0.5 Giản đồ thời gian NỘI DUNG 1. Lệnh điều khiển Timer 2. Lệnh điều khiển Counter 3. Một số ví dụ MỤC TIÊU BÀI HỌC Biết một số loại Timer, Counter trong bộ lập trình PLC Hiểu nguyên lý hoạt động của các loại Timer, Counter Ứng dụng các lệnh Timer, Counter viết chương trình điều khiển 1. Lệnh điều khiển Timer Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường gọi là khâu trễ. Phân loại : On-Delay Timer TIMER Off-Delay Timer On-Delay Timer Retentive Các loại Timer On Delay Timer Off Delay Timer On-Delay Timer Retentive Thời gian trễ T = PT*độ phân giải Giá trị đặt Số hiệu On Delay Timer On Delay Timer OFF => ON Ton Giản đồ thời gian Ton = PT*độ phân giải Ví dụ cách sử dụng On-Delay Timer Thời gian trễ T = PT*độ phân giải (T = 100*10ms = 1s) Off Delay Timer Off Delay Timer ON=>OFF Toff Giản đồ thời gian Ví dụ cách sử dụng Off-Delay Timer Thời gian trễ T = PT*độ phân giải (T = 100*10ms = 1s) VD cách sử dụng On-Delay Timer Retentive On-Delay Timer Retentive On-Delay Timer => Sự khác nhau giữa : và 2. Lệnh điều khiển Counter Counter là bộ đếm thực hiện đếm sườn xung trong S7 200 Phân loại : Up Counter COUNTER Down Counter Up/Down Counter Counter cuûa PLC S7-200 Giaù trò ñeám Ñeám leân Ñeám xuoáng Ñeám xuoáng Ñeám leân Load Reset Reset Ví dụ cách sử dụng Down Counter VD cách sử dụng Up/Down Counter Ñeám soá xe vaøo ñoaïn ñöôøng coù giôùi haïn soá löôïng xe löu thoâng Ngõ vào Ngõ ra Reset Báo đầy GIẢN ĐỒ THỜI GIAN Phân địa chỉ vào/ra MÔ HÌNH ĐÈN GIAO THÔNG SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC Sơ đồ kết nối PLC CHƯƠNG TRÌNH PLC Đèn xanh 1 Đèn vàng 1 Đèn đỏ 1 Đèn xanh 2 Đèn vàng 2 Đèn đỏ 2 Start Stop CÂU HỎI BÀI TẬP So sánh giữa Timer không nhớ và Timer có nhớ? Viết chương trình điều khiển động cơ khởi động sao/tam giác? Viết chương trình tạo xung? Viết chương trình điều khiển đèn giao thông ngã tư, một tuyến đường ưu tiên? Cách tìm tài liệu trên mạng internet - www.google.com.vn => PLC timer counter siemens “logo!soft comfort application collection” - Online Help “simatic Step 7 – MicroWin 32 V3.2” DÂY CHUYỀN ĐÓNG HỘP TÁO Dây chuyền đóng hộp táo gồm 2 băng tải: băng tải thùng và băng tải táo, cả hai băng tải đều được kéo bởi động cơ điện (xem hình ở trang sau). Dây chuyền hoạt động như sau: MÔ HÌNH DÂY CHUYỀN ĐÓNG HỘP TÁO Hoạt động START CB1 Tác Động CB2 Tác Động Hoạt động Yêu cầu Khi nhấn nút thì dây chuyền hoạt động, băng tải thùng chạy đưa thùng rỗng đến đúng vị trí của băng tải táo. Khi thùng đến đúng vị trí nó sẽ tác động vào 1 công tắc hành trình (cảm biến CB2 trên hình vẽ) làm trạng thái công tắc này ON. Khi đó băng tải thùng dừng và băng tải táo bắt đầu chạy làm táo rơi vào thùng. Mỗi khi có một quả táo rơi vào thùng thì cảm biến quang đếm táo (cảm biến CB1 trên hình vẽ) chuyển trạng thái từ OFF sang ON. Khi đủ số táo qui định (chẳng hạn 10 trái/thùng) thì băng tải táo dừng lại, băng tải thùng lại chạy để đưa thùng rỗng khác đến đúng vị trí. Nhấn băng tải dừng lại. Phân địa chỉ vào/ra SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC CHƯƠNG TRÌNH PLC Hieän nay PLC ñaõ ñöôïc nhieàu haõng khaùc nhau saûn xuaát nhö: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi ... vv. Maët khaùc ngoaøi PLC cuõng ñaõ boå sung theâm caùc thieát bò môû roäng khaùc nhö: caùc coång môû roäng AI (Analog Input), DI (Digital Input), caùc thieát bò hieån thò, caùc boä nhôù Cartridge theâm vaøo.