Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ PLC Mã chương: ĐKLT PLC 01 Mục tiêu: CNT7.A-B11/11 Sau khi học xong bài này người học có khả năng : chương Kiến thức: - Giải thích được cấu trúc hoạt động PLC. - Trình bày được các loại PLC. - So sánh được PLC với các hệ điều khiển khác và nêu được phạm vi ứng dụng của PLC cũng như các bước thiết kế hệ thống dùng PLC. Kỹ năng: - Phân loại được các loại PLC - Vận dụng được các bước thiết kế dùng PLC.
Thái độ: Có tác phong và thái độ nghiêm túc trong học tập.1 TỔNG QUAN VỀ PLC: 1.1 Lịch sử phát triển: Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969.
Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là lập trình dùng giản đồ hình thang, ký hiệu là LAD. Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng khác, đó là sự hỗ trợ bởi những thuật toán, vận hành với các dữ liệu cập nhật.
Mặt khác, do sự phát triển của màn hình dùng cho máy tính nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được CNT7.A-B11/12 cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn.
Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… mà các nhà thiết kế còn xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển thông minh gọi là các siêu PLC (super PLC).2 Đặc điểm của PLC: PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực hiện linh họat các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. PLC được sử dụng trong nhiều lập trình ứng dụng khác nhau và có những lợi ích như: - PLC dễ dàng thay thay đổi chương trình điều khiển để thích ứng một yêu cầu mới mà vẫn có thể giữ nguyên thiết kế phần cứng, đầu nối dây… - PLC có thể điều khiển nhiều chức năng khác nhau từ những thao tác đơn giản, lặp lại, liên tục đến những thao tác đòi hỏi chính xác, phức tạp. - PLC dễ dàng hiệu chỉnh chính xác công việc điều khiển và xử lý nhanh chóng các lệnh, từ lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm (Counter), định thời (time), chương trình con (SBS) v.v… - Giao tiếp dễ dàng với các thiết bị ngoại vi, các modulee và các thiết bị phụ trợ như màn hình hiển thị. - Có khả năng chống nhiễu trong công nghiệp.
- Ngôn ngữ lập trình cho PLC đơn giản, dễ hiểu. Với những ưu điểm trên thiết bị PLC đã trở thành thiết bị chính trong việc điều khiển các thiết bị công nghiệp.2 PHÂN LOẠI PLC: Đầ̀ u tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người sử dụng chọn những loại PLC nào mà họ cần. Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên, nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dễ dàng lựa chọn.1: Phân loại PLC Hình 1.1 cho ta các “bậc thang” phân loại các loại PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất. Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao.
Thường sử dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết. Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau: - Loại 1: Micro PLC (PLC siêu nhỏ). Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ. Các PLC này thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay, một vài micro PLC còn có khả năng hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (analog).
Các tiêu chuẩu của một Micro PLC như sau: 32 ngõ vào/ra. Sử dụng vi xử lý 8 bit. Thường dùng thay thế rơle. Bộ nhớ có dung lượng 1K.
Ngõ vào/ra là tín hiệu số. Có timers và counters. Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay. - Loại 2: PLC cỡ nhỏ (Small PLC).
Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (ví dụ: Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức năng của các PLC CNT7.A-B11/14 này thường được giới hạn trong việc thực hiện chuổi các mức logic, điều khiển thay thế rơle. Các tiêu chuẩn của một small PLC như sau: Có 128 ngõ vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 8 bit. Thường dùng để thay thế các role.
Dùng bộ nhớ 2K. Lập trình bằng ngôn ngữ dạng hình thang (ladder) hoặc liệt kê. Có timers/counters/thanh ghi dịch (shift registers). Đồng hồ thời gian thực.
Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay. Chú ý vùng A trong sơ đồ hình 1. Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng tăng cường của PLC cỡ lớn hơn như: thực hiện được các thuật toán cơ bản, có thể nối mạng, cổng vào ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự. - Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLC).
PLC trung bình điều khiển được các tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liệu, ứng dụng được những thuật toán, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm) các thông số của PLC trung bình như sau: Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 8 bit. Thay thế rơle và điều khiển được tín hiệu tương tự. Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên 8K.
Tín hiệu ngõ vào ra là tương tự hoặc số. Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao. Có timers/Counters/Shift Register. Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…).
Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao. Có timers/counters/Shift Register. Có khả năng xử lý chương trình con ( qua lệnh JUMP…). Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…).
Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay. Có đường tín hiệu đặc biệt ở modulee vào/ra.A-B11/15 Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS232. Có khả năng hoạt động với mạng. Lập trình qua màn hình máy tính để dễ quan sát.
- Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC). Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu, có thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận… Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng. Tiêu chuẩn PLC cỡ lớn: Ngoài các tiêu chuẩn như PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn còn có thêm các tiêu chuẩn sau: Có 2048 cổng vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit.
Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32K. Local và remote I/O. Điều khiển hệ thống rơle (MCR: Master Control Relay). Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts).
PID hoặc làm việc với hệ thống phần mềm PID. Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS 232. Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, hexa …). Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các modulee.
- Loại 5: PLC rất lớn (very large PLC). Very large PLC được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xác cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn. Ngoài ra PLC loại này còn có thể giao tiếp I/O với các chức năng đặc biệt, tiêu chuẩn PLC loại này ngoài các chức năng như PLC loại lớn còn có thêm các chức năng: Có 8192 cổng vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bít.
Bộ nhớ 64K, mở rộng lên được 1M. Thuật toán :+, -, *, /, bình phương. Dữ liệu điều khiển mở rộng: Bảng mã ASCII, LIFO, FIFO.3 SO SÁNH PLC VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC: 1.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle: Việc phát triển hệ thống điều khiển lập trình đã dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng rơle trong các quá trình sản xuất khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân CNT7.A-B11/16 nhắc, lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng rơ le do các nguyên nhân sau: - Thay đổi chương trình điều khiển một cách linh động. - Có độ tin cậy cao.
- Không gian lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm nhiều diện tích. - Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra phù hợp: dòng, áp.