Tổng quan về bộ điều khiển lập trình PLC

3.1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC: Với những hệ thống điều khiển dùng khí cụ điện từ, hệ thống điều khiển có kích thước lớn; khó thay đổi qui trình điều khiển để đáp ứng các cải tiến qui trình sản xuất . Tiến bộ hơn với các hệ thống điều khiển dùng các mạch điện tử bán dẫn, không gian choán chỗ thiết bị điều khiển thu gọn lại; nhưng cũng chưa đáp ứng được yêu cầu thay đổi qui trình điều khiển theo yêu cầu cải thiện các qui trình sản xuất. Vào năm 1968, các kỹ sư của General Motors Copration’s Hydramatic đã nghiên cứu và phát triển một thiết bị có tên gọi là bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controllers). Bộ điều khiển lập trình giúp người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một qui trình điều khiển theo trình tự định trước. Các tín hiệu điều khiển trên ngõ ra PLC thường được kích hoạt bởi tác nhân kích thích bố trí trên ngọ vào; hơn nữa PLC cho phép thực thi quá trình có thời gian trễ( định thì ) hay thực thi các đếm chu trình có lập lại; thu thập và xử lý các tín hiệu số . . . . . Với thiết bị mới này, người vận hành có thể thay đổi qui trình điều khiển dễ dàng mà không cần phải thay đổi cách liên kết các thiết bị động lực đang được kết nối. Qui trình vận hành toàn hệ thống được thay đổi dễ dàng theo các yêu cầu vận hành mới, theo các qui trình sản xuất cần cải tiến bằng cách lập trình lại nội dung chương trình bên trong PLC.Như vậy với PLC, con người có khả năng làm cho hệ thống điều khiển đạt đến các kết quả : Vận hành ổn định. Giao tiếp được với máy tính. Dễ lập trình và bảo trì. Có thể tái sử dụng vào các ứng dụng khác; cũng như khả năng mở rộng hệ thống điều khiển. Các ưu điểm chính của PLC : PLC có thể điều khiển nhiều tình huống xảy ra trong công nghiệp. Từ việc thực hiện một hành động đơn giản cho đến nhiều hành động được tích hợp với nhau một cách phức tạp. Các chương trình trong PLC có thể được lập lại rất nhanh để điều khiển các công việc khác nhau trong một hệ thống, nghĩa là ta không cần phải đấu nối lại mạch điều khiển vốn rất phức tạp và tốn kém. Một chương trình PLC khi được viết hoàn chỉnh, ta có thể sao chép sang các PLC khác dễ dàng. Khối lượng công việc lập trình và thiết kế của con người khi nhân bản các thiết bị của dây chuyền sản xuất. Đáp ứng công việc nhanh, chính xác, ổn định trong thời gian dài so với các thiết bị điều khiển khác, đây là tiêu chuẩn quan trọng nhất và là thế mạnh của PLC. Khi xét tính kinh tế, với một hệ thống điều khiển cần dùng relay trung gian ; nhiều bộ định thì và bộ đếm nên thay thế bằng PLC. Khi dùng PLC, và kết nối mạng các PLC ; chúng ta có thể liên kết sử dụng được các thiết bị giao tiếp khác: bộ chuyển đổi A/D, bộ đếm nhanh… Ngoài ra còn có thể dùng màn hình theo dõi hiển thị, nhập xuất ghi nhân các dữ liệu; đây chính là bước chuyển tiếp từ quá trình điều khiển dùng PLC sang hệ thống giám sát SCADA, 2.2 CẤU TRÚC CỦA PLC: Cấu trúc của PLC bao gồm các thành phần sau: Thiết bị giao tiếp ngõ vào (Input Interface) Thiết bị giao tiếp ngõ ra (Output Interface) Đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit) Đơn vị lưu trữ (bộ nhớ - Memory ) Mối quan hệ giữa các thành phần trên được trình bày trong hình 3.1 : Lưu đồ thông tin trong PLC được xử lí theo trình tự sau: CPU sẽ đọc bộ nhớ Kiểm tra trạng thái thiết bị giao tiếp ngõ vào – nhập dữ liệu Cập nhật trạng thái CPU – xử lý dữ liệu Cập nhật trạng thái thiết bị giao tiếp ngõ ra – xuất dữ liệu 2.2.1.THIẾT BỊ GIAO TIẾP TRÊN NGÕ VÀO (INPUT INTERFACE) Đây là nơi nhận tất cả các tín hiệu ngõ vào (thường dùng điện áp 24VDC hoặc 110VAC). Người thiết kế phải lựa chọn loại PLC tương thích với điện áp đang sử dụng. Các tín hiệu nhận trên ngõ vào được chuyển đến bộxử lý trung tâm CPU, để phòng ngừa sự cố gây hư hại cho CPU các nhà sản xuất sử dụng các linh kiện chuyển tín hiệu dùng phương pháp quang “Opto-Isolation” để tách biệt CPU với các tín hiệu điện áp cấp trực tiếp trên các ngõ vào. 2.2.2.THIẾT BỊ GIAO TIẾP TRÊN NGÕ RA (OUTPUT INTERFACE) Đây là nơi xuất các tín hiệu điều khiển đến các thiết bị; linh kiện bố trí trên ngõ ra PLC. Tín hiệu ngõ ra được cung cấp từ bộ xử lý trung tâm đến các ngõ ra thông qua các phần tử (trình bày trong bảng tóm tắt sau); tùy thuộc loại PLC và các yêu cầu điều khiển. LOẠI THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT  TẦM ĐIỆN ÁP VẬN HÀNH  THỜI GIAN TÁC ĐỘNG TRUNG BÌNH   RELAY  250VAC HOẶC 30VDC  10ms   TRANSISTOR  5V ĐẾN 30V DC  0.2ms   TRIAC  85V AC ĐẾN 242V AC  ON :1ms ; OFF :10ms   Tương tự như ngõ vào, Output Interface giao tiếp trực tiếp với CPU nên cũng cần sự tách biệt dùng “Opto-Isolation” để tránh các sự số áp có thể gây thiệt hại cho CPU. KHI CÁC NGÕ VÀO, RA LIÊN KẾT DẠNG LOGIC : Module trên ngõ vào cho phép ghi nhận quá trình diển tiến các trạng thái , đồng thời chuyển đổi tín hiệu điện nhận được sang các trạng thái logic (0 hay 1) Module trên ngõ ra cho phép tác động lên các cơ cấu khởi động được liên kết với nó; đồng thời các module ngõ ra có thể chuyển đổi các trạng thái logic (0 hay 1) sang các tín hiệu điện. KHI CÁC NGÕ VÀO, RA LIÊN KẾT DẠNG TRUYỀN DỮ LIỆU : Trên các ngõ vào hay ra ta có thể thực hiện theo một trong hai phương án truyền dữ liệu song song hay nối tiếp. Tương ứng với mỗi phương pháp truyền dữ liệu này, trên mỗi ngõ vào hay ra ta cần có bộ nối kết giữa thiết bị ngoại vi với bộ vi xử lý bên trong PLC. 2.2.3.BỘ NHỚ – (MEMORY): Có 2 loại bộ nhớ, tại một thời điểm chỉ sử dụng đến 1 loại. RAM (Random Access Memory) : thường tích hợp sẵn trong PLC.Đây là bộ nhớ không cố định các dữ liệu ; các dữ liệu được đọc, ghi trong suốt quá trình PLC hoạt động. Trên đó có sẵn khe cắm thêm ROM khi cần. ROM (Read Only Memory) : thường dùng gắn ngoài, đây là bộ nhớ có các dữ liệu cố định; các dữ liệu này chỉ được đọc bởi bộ vi xử lý trong suốt quá trình PLC họat động. Bản thân ROM có 3 loại : PROM (Programmable ROM) : chỉ được lập trình 1 lần, không thể xoá được EPROM (Erasable Programmable ROM) : có thể xoá bằng tia cực tím EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM): có thể xoá bằng điện 2.2.4.ĐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM – (CENTRAL PROCESSING UNIT) Đơn vị xử lý trung tậm được xem là bộ não của PLC. Chương trình được đưa từ bộ nhớ đến để xử lý bởi CPU. Quá trình này được gọi là “vận hành chương trình”. Thực sự là chương trình được “quét”, được kiểm tra từ điểm khởi đầu đến điểm kết thúc, và các thông tin mới được cập nhật. Khái niệm “thời gian quét” của một PLC thường được xem là thời gian chạy một vòng chương trình. Thời gian này thường là khoảng 70ms, nhưng còn tuỳ thuộc độ dài và độ phức tạp của chương trình. Khi một “quá trình quét” này vừa kết thúc thì một “quá trình quét” khác được bắt đầu ngay lập tức. Ngoài ra, trong quá trình hoạt động PLC cũng cần đến bộ nguồn và các bus (trạm) để có thể hoạt động. BỘ NGUỒN : có nhiệm vụ cung cấp điện áp cần thiết từ nguồn điện lưới xoay chiều thông dụng 220V (hay 110V) thành nguồn áp DC 24V đưa đến các board mạch điện tử của PLC. BUS (TRẠM) : là tập hợp các liên kết điện theo dạng song song (các đường liên kết này có thể dưới dạng mạch in hay cáp nhiều sợi ruột). Số lượng dây dẩn cấu tạo nên BUS phụ thuộc vào tải lượng của các tín hiệu thông tin đến BUS (khi truyền dữ liệu 8 bits ta cần cáp có 8 sợi ruột; khi truyền dữ liệu 16 bits ta cần cáp 16 ruột). Ta có hai loại BUS : xoay chiều (AC) và một chiều (DC). 2.3. MỘT SỐ YÊU CẦU ĐỐI VỚI PLC TRONG CÔNG NGHIỆP: Trong quá trình vận hành, một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc tin cậy của PLC : ẢNH HƯỞNG VẬT LÝ: bao gồm các yếu tố về nhiệt độ, độ ẩm của môi trường không khí và độ rung. ẢNH HƯỞNG ĐIỆN: bao gồm các tín hiệu nhiễu tia và các tín hiệu nhiễu truyền trong dây dẫn. Các tín hiệu nhiễu trong dây dẫn sinh ra do sự nối kết giữa nhiều thiết bị với nhau trong hệ thống PLC. Muốn bảo vệ chống lại các ảnh hưởng này chúng ta cần các bộ lọc . . . và dùng các biến áp cách ly khi cấp nguồn cho PLC. ĐIỀU KIỆN NGUỒN : bao gồm ảnh hưởng do nguồn điện lưới chính sinh ra: sự cố mất nguồn thoáng qua, nhiễu truyền theo đường dây, hay biến đổi điện áp nguồn … Muốn bảo vệ cho PLC trong các trường hợp này, ta lắp đặt các bộ lọc nguồn trước khi cấp đến PLC, đồng thởi sử dụng kèm theo bộ UPS để ngăn ngừa điện áp mất đột biến hay thấp áp, quá áp dưới mức qui định. 2.4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PLC: Hiện nay, trong thị trường nước ta có rất nhiều chủng loại PLC, đượcchế tạo do nhiều nhà sản xuất khác nhau: MITSUBISHI với họ PLC FX (FX2N, FX0N,FX0, FX…); TÉLÉMÉCANIQUE với họ PLC TSX (NANO, PREMIUM, MICRO..); SIEMENS với họ PLC S7 (S7200, S7300,…)…… 2.5. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PLC: 2.5.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA : LỆNH : Là thành phần cơ bản của một chương trình cho biết phép toán hay hành động nào đó phải thực hiện. CHƯƠNG TRÌNH: Là một dãy các lệnh được sắp xếp trật tự theo một chuỗi hành động nối tiếp nhau, các hành động này được thực hiện bởi bộ vi xử lý. DỮ LIỆU: Sự biểu diễn thông tin theo quy ước, dưới dạng thích hợp để một thiết bị hay máy móc dùng lập trình có thể hiểu và xử lý được. LẬP TRÌNH là viết một loạt các chương trình nhằm để hướng dẫn cho PLC thực hiện các tác vụ định trước. Các chương trình này có thể được biễu diễn bằng từ ngữ hay hình vẽ, mà PLC có thể hiểu được các tác vụ yêu cầu trong chương trình. 2.5.2 PHÂN LOẠI NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH: Các ngôn ngữ lập trình cho PLC có thể là 1 trong các dạng sau : GIẢN ĐỒ LOGIC (LOGIC GRAMME) BOOLEAN LITTERAL hay INSTRUCTION LIST – IL (theo nhà sản xuất MODICON TÉLÉMÉCANIQUE) LADDER GRAFCET hay SEQUENTIAL FUNCTION CHART – SFC (theo nhà sản xuất SIEMENS) hoặc STEP LADDER – STL (theo nhà sản xuất MITSUBISHI). Như vậy tên gọi cho mỗi loại ngôn ngữ có thể thay đổi tuỳ theo nhà sản xuất. Trong thực tế, đa số các chương trình PLC được viết theo ngôn ngữ LITTERAL hay LADDER. NGÔN NGỮ IL( INSTRUCTION LIST-DANH SÁCH LỆNH) : Được phiên dịch là ngôn ngữ dòng lệnh hay danh sách lệnh, được xem là ngôn ngữ lập trình cơ bản dễ học, dễ dùng, nhưng phải mất nhiều thời gian kiểm tra đối chiếu để tìm ra mối quan hệ giữa một đọan chương trình lớn với chức năng nó thể hiện. Ngôn ngữ Instruction của từng nhà chế tạo PLC có cấu trúc khác nhau. DẠNG LADDER : Được phiên dịch là ngôn ngữ bậc thang, ngôn ngữ này trình bày theo dạng đồ họa cho phép nhập chương trình có dạng như một sơ đồ mạch điện dùng khí cụ điện. Phần mềm lập trình sẽ biên dịch các ký hiệu logic trên thành mã máy và lưu vào bộ nhớ của PLC. Sau đó, PLC sẽ thực hiện các tác vụ điều khiển theo logic thể hiện trong chương trình. 2.6. GIỚI THIỆU HỌ PLC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN: Trong luận văn này, PLC được khảo sát để xây dựng chương trình (theo yêu cầu đề ra trong nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp) thuộc họ EX1N của nhà sản xuất LIYAN (Đài Loan). PLC EX1N của nhà sản xuất LIYAN có cấu tạo và ngôn ngữ lập trình, phần mềm lập trình hoàn toàn giống với PLC họ FX của nhà sản xuất MITSUBISHI ; chúng ta có thể xem sản phẩm của LIYAN được chế tạo theo bản quyền của nhà sản xuất MITSUBISHI. Tuy nhiên tập lệnh ngôn ngữ lập trình của PLC họ EX1N không đầy đủ hoàn toàn như tập lệnh của PLC họ FX2N; hầu hết các lệnh khiếm khuyết chỉ liên quan đến các lệnh điều khiển hướng hoặc xử lý dữ liệu tốc độ cao; do đó với yêu cầu của luận văn này, các lệnh khiếm khuyết không ảnh hưởng đến yêu cầu thực hiện của luận văn. Hình dạng của PLC họ EX1N của nhà sản xuất LIYAN trình bày trong hình 3.3; kết nối của PLC chủ (master) với khối mở rộng (expension block) trình bày trong hình 3.4.
HÌNH 3.3: Hình dạng của PLC họ EX1N của nhà sản xuất LIYAN HÌNH 3.5: Kết nối giữa PLC chủ họ EX1N của nhà sản xuất LYAN với khối mở rộng ngõ vào / ra . ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA PLC HỌ EX1N (NHÀ SẢN XUẤT LIYAN): THIẾT BỊ  ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT  GHI CHÚ   NGÕ VÀO (X)  Max  X0 ( X177 ( 24VDC – 7mA cách ly với thiết bị ngoài bằng opto)   NGÕ RA (Y)  Max  Y0 ( Y177 (Dạng Relay: 250VAC/1A ; Dạng Transistor 30VDC/ 0,5A)   RƠ- LE (M)  Chốt  Số lượng : 500  M0 ( M499    Chung  Số lượng : 1036  M500 ( M1535    Chuyên dùng  Số lượng : 256  M8000 ( M8255   RƠ-LE TRẠNG THÁI (S)  Chốt  Số lượng : 500  S0 ( S499    Chung  Số lượng : 500 (tập con)  S500 ( S999    Khởi tạo  Số lượng : 10 (tập con )  S0 ( S9    Cờ  Số lượng : 100  S900 ( S999   THANH GHI (D)  Chốt  Số lượng : 256  D0 ( D255    Chung  Số lượng : 3744  D256 ( D3999    Tập tin  Số lượng : 2000  D1000 ( D2999    RAM  Số lượng : 2000  D6000 ( D7999    Chuyên dùng  Số lượng : 256  D8000 ( D8255    Chỉ mục  Số lượng : 8 (cho mỗi loại)  V0 ( V7 Z0 ( Z7   BỘ ĐẾM (C)  16 bit Chốt  Khoảng đếm : 1 ( 32.767  C0 ( C31    16 bit Chung  Số lượng 100 (tập con)  C32 ( C199    Chung 32 bit  Khoảng đếm : -2.147.483.648 (2.147.483.648  C200 ( C215    Chốt 32 bit  Số lượng : 35 (tập con)  C216 ( C255   BỘ ĐẾM TỐC ĐỘ CAO (C)  1 pha  Tương ứng 6 ngõ vào từ X0 đến X5 X0 ( X1 : dạng 1 pha 60KHz ; X2 ( X5 : dạng 1 pha 10 KHz    2 pha  X0 ( X1 : dạng 2 pha 30KHz ; X2 ( X5 : dạng 2 pha 5 KHz   BỘ ĐỊNH THÌ (T)  100 mili giây  Khoảng định thì : 0 ( 3,276.7 giây Số lượng : 200  T0 ( T199    10 mili giây  Khoảng định thì : 0 ( 327.67 giây Số lượng : 56  T200 ( T255    1mili giây     CON CHỎ (POINTER) P ; I , N  CON CHỎ P  Tương ứng với lịnh : JUMP , CALL  P000 ( P127    NGẮT I   I0XX ( I8XX    NEST (N)   N0 ( N7   HẰNG SỐ K: Thập phân H : Hexa  K 16 BITS  Từ -32678 đến +32678    K 32 BITS  Từ -2.147.483.648 đến +2.147.483.648    H 16 BITS  0000H đến FFFFH    H 32 BITS  00000000H đến FFFFFFFFH   2.7. GIỚI THIỆU TẬP LỆNH CƠ BẢN CỦA PLC HỌ EX1N: PLC họ EX1N của nhà sản xuất LIYAN và PLC họ FX2N của nhà sản xuất Misubishi có cùng tập lệnh lập trình. Tuy nhiên, tập lệnh PLC họ EX1N không đầy đủ hoàn toàn như tập lệnh của PLC họ FX2N. Phần mềm lập trình cho PLC họ EX1N là phần mềm FXGPWIN của nhà sản xuất Misubishi cho PLC họ FX. LỆNH  CHỨC NĂNG  KÝ HIỆU  THIẾT BỊ  SỐ BƯỚC   LD  Tác vụ logic khởi tạo lọai công tắc NO  LD
  X, Y,M, S, T, C  1   LDI  Tác vụ logic khởi tạo lọai công tắc NC  LDI
  X,Y,M,S,T,C  1   OUT  Tác vụ logic cuối lọai điều khiển cuộn dây  OUT  Y,M,S,T,C  Y,M:1; S,M:2, T:3 C(16 bit) : 3 C(32bit) : 5   AND  Nối tiếp các công tắc NO  AND
  X,Y,M,S,T,C  1   ANI  Nối tiếp các công tắc NC  ANI
  X,Y,M,S,T,C  1   OR  Nối song song các công tắc NO 
  X,Y,M,S,T,C  1   ORI  Nối song song các công tắc NC   X,Y,M,S,T,C  1   ORB  Nối song song nhiều mạch công tắc 
  Không có  1   ANB  Nối nối tiếp nhiều mạch công tắc 
  Không có  1   MC  Chỉ ra các điểm bắt đầu của một khối điều khiển chính 
 Y,M : cho phép thêm M lọai NO N: chỉ mức lồng(N0-N7)  3   MCR  Chỉ ra các điểm bắt đầu của một khối điều khiển chính 
 N:chỉ mức lồng (N0-N7) được đặt lại  2   SET  Đặt một thiết bị (bit) lên ON vĩnh viễn 
 Y,M,S  Y,M :1 S M : 2   RST  Đặt một thiết bị (bit) xuống OFF vĩnh viễn 
 Y,M,S,D,V,Z  D, thanh D Chuyên dùng V,Z:3   PLS  Kích xung khi có cạnh lên 
 Y,M  2   PLF  Kích xung khi có cạnh xuống 
 Y,M  2   MPS  Lưu kết quả hiện hành của tác vụ trong PLC 
  Không có    MRD  Đọc kết quả hiện hành của tác vụ trong PLC 
  Không có    MPP  Gọi ra và loại bỏ kết quả đã lưu 
  Không có    NOP  Không tác vụ hay bước rỗng  Không có  Không có  1   END  Buộc kết thúc chương trình   Không có  1   GIẢI THÍCH : Các thiết bị (hay các toán hạng Operands): X: Ngõ vào vật lý của PLC Y: Ngõ ra vật lý của PLC M,S: Là bit nội trong hệ thống dùng như các cờ hoạt động bên trong PLC như rơle hay cuộn dây T: Thiết bị định thì trong PLC C: Thiết bị đếm trong PLC. BẢNG TÓM TẮT CÁC LỆNH ỨNG DỤNG CƠ BẢN THÔNG DỤNG: LỆNH VỀ ĐIỀU KHIỂN LƯU TRÌNH   CJ  Lịnh nhảy có điều kiện (Conditional Jump)  FNC 00   CALL  Gọi chương trình con (Call Subroutine)  FNC 01   LỆNH VỀ DI CHUYỂN VÙNG NHỚ VÀ SO SÁNH   CMP  So sánh (Compare)  FNC 10   ZCP  So sánh vùnbg (Zone Compare)  FNC 11   MOV  Di chuyển dữ liệu (Move)  FNC 12   XCH  Chuyểnđổi dữ liệu (Exchange)  FNC 17   BCD  Chuyểnđổi sang số BCD (Binary Coded Decimal)  FNC 18   BIN  Chuyển đổi sang số nhị phân (Binary)  FNC 19   LỆNH VỀ XỬ LÝ SỐ HỌC VÀ LOGIC (+,-,x,()   ADD  Cộng (Addition)  FNC 20   SUB  Trừ (Subtraction)  FNC 21   MUL  Nhân (Multiplication)  FNC 22   DIV  Chia (Division)  FNC 23   INC  Gia tăng 1 đơn vị (Increment)  FNC 24   DEC  Giảm 1 đơn vị (Decrement)  FNC 25   LỆNH VỀ XỬ LÝ DỮ LIỆU   ZRST  Chỉnh đặt lại giá trị cho một vùng (Zone Reset)  FNC 40   DECO  Giải mả (Decode)  FNC 41   ENCO  Mả hóa (Encode)  FNC 42   SUM  Cộng các bit đang hoạt động (The Sum of Active Bits)  FNC 43   LỆNH VỀ NHẬP XUẤT DỮ LIỆU   FROM  Đọc bộ nhớ đệm từ các khối chức năng (Read from a Special Function Block)  FNC 78   TO  Viết vào các bộ nhớ đệm của các khối chức năng (Write to a Special Function Block)  FNC 79   (((