Giáo Trình Điều Khiển Lập Trình PLC - Trường CĐ GTVT TPHCM

Tải giáo trình Điều Khiển Lập Trình PLC đầy đủ từ CĐ GTVT TPHCM. Tài liệu cung cấp kiến thức PLC từ cơ bản đến chuyên sâu cho người học.

• Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Bình
• Trường học: Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TPHCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Lập Trình PLC
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giáo Trình Điều Khiển Lập Trình PLC Tài Liệu Học Tập Toàn Diện

Giáo trình điều khiển lập trình PLC là tài liệu học tập quan trọng dành cho sinh viên cao đẳng, trung cấp và kỹ sư công nghiệp. Giáo trình này được biên soạn bởi Th.S Trần Ngọc Bình từ Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TPHCM, cung cấp kiến thức hệ thống về lập trình PLC và ứng dụng thực tế. Tài liệu bao gồm các chương chi tiết về cấu trúc PLC, phương thức hoạt động, và các kỹ thuật lập trình hiện đại. Đây là công cụ hỗ trợ quan trọng giúp người học nắm vững kiến thức chuyên ngành điều khiển tự động, đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp hiện đại. Giáo trình cung cấp cả lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên và kỹ sư tiếp cận nhanh với các thiết bị PLC tự động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

1.1. Định Nghĩa và Lịch Sử Phát Triển PLC

Programmable Logic Controller (PLC) là bộ điều khiển lập trình ra đời vào những năm 80 để khắc phục hạn chế của hệ thống điều khiển bằng rơle điện. PLC kết hợp ưu điểm của hệ thống vi xử lý và rơle truyền thống. Với khả năng lập trình linh hoạt và độ ổn định cao, PLC nhanh chóng trở thành giải pháp tối ưu cho các hệ thống điều khiển công nghiệp. Từ những năm 90 đến nay, công nghệ PLC không ngừng phát triển, cải tiến với khả năng xử lý dữ liệu nhanh hơn, kết nối mạng tốt hơn, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau.

1.2. Vai Trò của Giáo Trình trong Đào Tạo Kỹ Thuật

Giáo trình điều khiển lập trình PLC đóng vai trò then chốt trong đào tạo các chuyên ngành điều khiển tự động. Tài liệu này giúp chuẩn hoá chương trình học, đảm bảo sinh viên từ các trường khác nhau nắm được kiến thức cơ bản và nâng cao về PLC. Giáo trình còn phục vụ cán bộ kỹ thuật trong doanh nghiệp cần nâng cao kỹ năng lập trình và bảo trì hệ thống điều khiển. Với cấu trúc khoa học, nội dung thực tiễn, giáo trình hỗ trợ quá trình tiếp cận công nghệ hiện đại một cách hiệu quả.

II. Cấu Trúc và Phương Thức Hoạt Động của PLC

Để hiểu rõ về hệ thống PLC, cần tìm hiểu chi tiết cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động. Cấu trúc PLC bao gồm nhiều khối chức năng khác nhau hoạt động theo một chu trình xử lý chuẩn. Giáo trình cung cấp kiến thức về các khối PLC, cách kết nối ngõ vào ra, và phương pháp xử lý chương trình. Thông qua các sơ đồ chi tiết và hình vẽ minh họa, sinh viên có thể nắm bắt cách thức hoạt động của các thành phần PLC. Phần này cũng giới thiệu về ba phương pháp lập trình chính: LAD (Ladder Diagram), STL (Statement List), và FBD (Function Block Diagram), mỗi phương pháp có ứng dụng và ưu điểm riêng.

2.1. Các Khối Chức Năng Cơ Bản của PLC

Khối xử lý trung tâm (CPU) là "trái tim" của PLC, thực hiện xử lý logic và điều khiển toàn bộ hệ thống. Khối bộ nhớ lưu trữ chương trình, dữ liệu và trạng thái của hệ thống. Khối ngõ vào (Input) nhận tín hiệu từ các cảm biến, trong khi khối ngõ ra (Output) gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị thực thi. Khối nguồn điện cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống. Mỗi khối hoạt động độc lập nhưng phối hợp chặt chẽ để thực hiện chu trình xử lý dữ liệu PLC một cách hiệu quả.

2.2. Phương Pháp Lập Trình PLC Hiện Đại

LAD (Ladder Diagram) là phương pháp trực quan nhất, sử dụng sơ đồ điện giống rơle truyền thống, dễ học cho người mới bắt đầu. STL (Statement List) sử dụng ngôn ngữ dạng văn bản, hiệu quả cho các chương trình phức tạp. FBD (Function Block Diagram) kết hợp logic khối chức năng, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính mô-đun cao. Giáo trình điều khiển PLC giáo dục sinh viên sử dụng các công cụ lập trình chuyên nghiệp như S7-200, giúp nâng cao kỹ năng thực hành.

III. Ưu Điểm và Ứng Dụng Thực Tế của PLC

PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ những ưu điểm vượt trội. So với hệ thống điều khiển rơle cũ, PLC mang lại hiệu quả cao hơn, chi phí bảo trì thấp hơn, và độ linh hoạt tối đa. Giáo trình nhấn mạnh rằng ưu điểm PLC bao gồm độ ổn định cao, lắp đặt đơn giản, lập trình dễ dàng, và khả năng thích ứng nhanh với yêu cầu mới mà không phải thay đổi phần cứng. Ứng dụng PLC hiện nay rất đa dạng, từ ngành công nghiệp chế tạo, xử lý nước, năng lượng cho đến các hệ thống tòa nhà thông minh. Kiến thức này giúp sinh viên hiểu rõ lý do tại sao PLC tự động đã trở thành lựa chọn tối ưu của các doanh nghiệp.

3.1. Những Ưu Điểm Vượt Trội Của PLC

Độ tin cậy cao là ưu điểm đầu tiên, PLC được thiết kế để hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt với nhiệt độ cao, độ ẩm lớn. Kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt so với hệ thống rơle truyền thống. Lập trình dễ dàng nhờ các ngôn ngữ tiêu chuẩn quốc tế, không đòi hỏi kiến thức điện tử sâu. Khả năng nối mạng cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Chi phí bảo trì thấp vì không có các bộ phận cơ học dễ mài mòn.

3.2. Các Ngành Công Nghiệp Ứng Dụng PLC

Công nghiệp chế tạo sử dụng PLC để điều khiển dây chuyền sản xuất, robot, máy gia công tự động. Ngành xử lý nước áp dụng hệ thống PLC để quản lý quy trình lọc, cấp nước và xử lý nước thải. Ngành năng lượng sử dụng PLC trong các trạm điện, hệ thống năng lượng tái tạo. Các tòa nhà thông minh dùng điều khiển PLC cho hệ thống chiếu sáng, điều hoà, an ninh. Giáo trình cung cấp các ví dụ thực tế từ các ngành này để sinh viên thấy được giá trị ứng dụng.

IV. Nội Dung Chi Tiết Giáo Trình và Kỹ Năng Thực Hành

Giáo trình điều khiển lập trình PLC toàn tập bao gồm 7 chương chính cung cấp kiến thức từ cơ bản đến nâng cao. Chương 1 tổng quan về điều khiển công nghiệp và lịch sử phát triển. Chương 2-3 giáo dục về phép toán nhị phân và các liên kết logic trong lập trình PLC. Chương 4 tập trung vào phép toán số bao gồm cộng, trừ, nhân, chia, căn, sin, cos. Chương 5 hướng dẫn xử lý tín hiệu Analog sử dụng module EM235, rất quan trọng cho các ứng dụng thực tế đòi hỏi đo lường liên tục. Chương 6 thực hành trên phần mềm S7-200, giáo dục cách sử dụng công cụ lập trình chuyên nghiệp. Tài liệu có sẵn PDF giúp sinh viên dễ dàng truy cập và học tập.

4.1. Các Chương Học Chính và Nội Dung

Chương 1-2 cung cấp nền tảng về cấu trúc PLC và các phương thức hoạt động. Chương 3-4 tập trung vào lập trình logic và kỹ thuật xử lý số, là hai kỹ năng cốt lõi. Chương 5 dạy kỹ năng xử lý tín hiệu Analog qua các ví dụ cụ thể như đo nhiệt độ, áp suất. Chương 6 là phần thực hành trên máy tính sử dụng S7-200, giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tế. Mỗi chương kết thúc bằng các bài tập và ví dụ thực tế, giúp học tập PLC hiệu quả hơn.

4.2. Kỹ Năng Thực Hành và Ứng Dụng Thực Tế

Thực hành trên S7-200 là bước quan trọng giúp sinh viên từ học lý thuyết chuyển sang ứng dụng thực tế. Giáo trình hướng dẫn chi tiết về giao diện phần mềm, các bước tạo dự án, viết code, và chạy mô phỏng. Ví dụ thực tế trong giáo trình bao gồm điều khiển động cơ, hệ thống tín hiệu, xử lý dữ liệu cảm biến. Sinh viên học cách debug chương trình PLC, tối ưu hóa hiệu suất, và bảo trì hệ thống. Tài liệu PDF kèm theo giúp học viên dễ dàng ôn tập, tham khảo bất kỳ lúc nào trong quá trình làm việc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về điều khiển lập trình 1 1. Các loại điều khiển trong công nghiệp 1 1. Ưu điểm của PLC 2 1. Các ứng dụng của PLC trong thực tế 2 Chương 2: Cấu trúc và phương thức hoạt động của PLC 4 2.

Cấu trúc của một PLC 4 2. Các khối của PLC 8 2. Các ngõ vào ra và cách kết nối 12 2. Xử lý chương trình 13 2.

Các phương pháp lập trình (LAD, STL, FBD) 15 Chương 3: Các phép toán nhị phân của PLC 17 3. Các liên kết logic 17 3. Các thí dụ 29 Chương 4 : Các phép toán số của PLC 37 4. Chức năng truyền dẫn 37 4.

Chức năng so sánh 38 4. Chức năng dịch chuyển 39 4. Chức năng biến đổi 40 4. Chức năng toán học (cộng, trừ, nhân, chia) 41 4.

Chức năng số (trị tuyện đối , căn , sin ,cos) 42 Chương 5: Xử lý tín hiệu Analog EM235 47 5. Biểu diễn giá trị analog 48 5. Kết nối ngõ vào ra analog 50 5. Hiệu chỉnh giá trị analog 53 Chương 6: Thao tác trên phần mềm S7 – 200 64 6.

Khởi động phần mềm. Giao diện màn hình. Các bước thực hiện một dự án. 72 Chương 7: Các họ PLC khác 81 7.

95 Tài liệu tham khảo 96 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 1. Các loại điều khiển trong công nghiệp. Hệ thống điều khiển là gì ? Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử, nó dùng để vận hành một quá trình một cách chính xác và thông suốt. Hệ thồng điều khiển dùng rơle.

Trƣớc khi có PLC ngƣời ta điều khiển hệ thống bằng contactor, rơle điện từ, bộ định thời, bộ đếm. Hệ thống này đƣợc liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống dùng relays rất phức tạp : nhiều dây kết nối, thiết bị cồng kềnh rất khó sửa chữa bảo trì khi hƣ hỏng, không thể thực hiện đƣợc những công việc mang tính phức tạp cao, hơn nữa khi có yêu cầu thay đổi về điều khiển thì bắt buộc phải thiết kế lại và nối dây lại từ đầu. Hệ thống điều khiển dùng vi xử lý : Hệ thống điều khiển dùng vi xử lý ra đời đã khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của hệ thống dùng rơle nhƣ sơ đồ nối dây và một số ƣu điểm khác nhƣ khả năng nhớ và thực hiện đƣợc những chức năng phức tạp mà hệ thống điều khiển bằng rơle không thực hiện đƣợc.

Tuy nhiên, hệ thống điều kiển bằng vi xử lý vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm là : khó lập trình và vấn đề xử lý nhiễu. Hệ thống điều khiển dùng PLC Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện, những năm 80, ngƣời ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tin cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trƣờng công nghiệp khắc nghiệt nhƣ nhiệt độ cao, độ ẩm lớn … đêm lại hiệu quả kinh tế cao. Đó là bộ lập trình đƣợc PLC, đƣợc chuẩn hoá theo ngôn ngữ Anh Quốc là Programmable Logic Controller (viết tắt là PLC). PLC là sự kết hợp của hệ thống điều khiển dùng vi xử lý và rơle.

CHƢƠNG 1 1 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 1. Ƣu điểm của PLC Ngƣời ta sử dụng PLC nhiều trong công nghiệp vì PLC có những ƣu điểm : - Độ ổn định, độ tin cây cao. - Lắp đặt đơn giản. - Rất dễ lập trình.

- Đáp ứng yêu cầu đòi hỏi mà không cần thây đổi phần cứng. - Kích thƣớc nhỏ, gọn. - Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống. - Điều khiển linh hoạt đa dạng.

Các ứng dụng của PLC trong thực tế Hiện nay PLC đã đƣợc ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thƣờng đến các úng dụng cho các lĩnh vực phức tạp đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm : - Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hóa … - Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại,… -Bột giấy, giấy, xử lý giấy : điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt, … - Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy, … CHƢƠNG 1 2 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nƣớc trái cây, …), cân đong, đóng gói, hòa trộn, … - Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lƣợng. - Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin, …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ, …).

 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP Câu 1: Trình bày những ƣu điểm của PLC trong kỹ thuật điều khiển? Câu 2: Hãy so sánh những ƣu, khuyết điểm của các hệ thống đều khiển rơle, hệ thống điều khiển vi xử lý và hệ thống điều khiển PLC? CHƢƠNG 1 3 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ PHƢƠNG THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA PLC 2. Cấu trúc của một PLC PLC của hãng Siemens hiện có các loại sau : S7-200, S7-300, S7 – 400. PLC S7–200 có các loại CPU sau : CPU 212, CPU 214, CPU 216, CPU 221, CPU 222, CPU224 … 2. Cấu trúc phần cứng Hình 2.1: Cấu trúc phần cứng của PLC S7-200 CHƢƠNG 2 4 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Trong đó: 1: Chân cắm cổng ra.

2: Chân cắm cổng vào 3: Các đèn trạng thái: SF, RUN, STOP. 4: Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng vào. 5: Cổng truyền thông 6: Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng ra. 7: Công tắc  CPU 224 bao gồm: - Dung lƣợng bộ nhớ chƣơng trình 2K.

- Dung lƣợng bộ nhớ dữ liệu 2K. - Có 14 cổng vào 10 cổng ra. - Có thể thêm vào 7 Modul mỡ rộng kể cả Modul Analog. - Có 128 timer, 180 couter, 688 bits nhớ đặc biệt.

- Có các chế độ ngắt và xử lý ngắt. - Có 3 bộ đếm tốc độ cao. - Có 2 bộ điều chỉnh tƣơng tự. - Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu trong thời gian 190 giờ kể từ khi PLC mất điện.

 Các đèn báo trên CPU: - SF : đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng ( đèn đỏ ). - RUN : PLC đang ở chế độ làm việc ( đèn xanh ). - STOP : PLC đang ở chế độ dừng (đèn vàng ). - Ixx, Qxx: chỉ định trạng thái tức thời cổng (đèn xanh ).

 Công tắc chọn chế độ làm việc : - RUN : Cho phép PLC thực hiện chƣơng trình trong bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN qua STOP nếu gặp sự cố. CHƢƠNG 2 5 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - STOP : PLC dừng công việc thực hiện chƣơng trình ngay lập tức. - TERM: Cho phép máy lập trình quyết định chế độ làm việc của PLC. Dùng phần mềm điều chỉnh RUN, STOP.

 Pin và nguồn nuôi bộ nhớ: Nguồn nuôi dùng để ghi chƣơng trình hoặc nạp một chƣơng trình mới. Nguồn pin đƣợc sử dụng để tăng thời gian lƣu giữ cho các dữ liệu có trong bộ nhớ. Nguốn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực nếu dung lƣợng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi. Cấu trúc bộ nhớ: Bộ nhớ của S7-200 đƣợc chia làm 3 vùng :  Vùng nhớ chƣơng trình: Dùng để lƣu trữ các lệnh chƣơng trình.

 Vùng nhớ dữ liệu: lƣu trữ dữ liệu chƣơng trình, kết quả phép toán, hằng số đƣợc định nghĩa trƣớc, nó có thể truy nhập theo từng byte, bit hoặc từ.  Vùng dữ liệu: Lƣu giữ dữ liệu chƣơng trình : kết quả phép tình, hằng số đƣợc định nghĩa trong chƣơng trình. Là vùng nhớ động nó có thể truy nhập theo từng Bit, Byte, Word và Double Word o Miền V (variable) : V0  V4095 o Vùng đệm cổng vào I: I0.x (x có gía trị từ 0 7) o Vùng đệm cổng ra Q: Q0.x (x = 0 7 ) o Vùng nhớ đặc biệt: Specisal memory bits SM0. o Vùng đệm cổng vào tƣơng tự AIW0 – AIW30.

 Vùng đối tƣợng: o Timer: T0  T255 o Counter : C0  C255 o Vùng đệm cổng vào tƣơng tự AIW0 – AIW62 CHƢƠNG 2 6 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC o Vùng đệm cổng ra tƣơng tự AQW0 – AQW62 o Thanh ghi : Ac 0, AC 1 ,AC 2, AC 3. o Bộ đếm tốc độ cao : hight counter HSC0  HSC4  Vùng nhớ thông số: Lƣu trữ các từ khoá, địa chỉ tạm thời. Ngoài ra CPU 224 cho phép mỡ rộng nhiều nhất 7 modul. Các modul tƣơng tự và số đều có trong S7-200.

Có thể mở rộng cổng vào ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về phía bên phải của CPU thành một móc xích. Địa chỉ của các modul đƣợc xác định bằng kiểu vào ra và vị trí của các modul trong móc xích. Modul Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 CPU 224 0 4/4 8 vào 3/1 analog 8 ra 3/1 analog I0.7 CHƢƠNG 2 7 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC I1. Các khối của PLC 2.

Khối Program Block: Có 3 khối chính:  Khối OB1:Là khối chứa chƣơng tình chính và luôn đƣợc quét trong mỗi chu kỳ quét, là khối lƣợng trong việc thiết kế chƣơng trình.  Khối chƣơng trình con: Là khối chứa chƣơng trình con, khối này sẽ đƣợc thực thi khi nó đƣợc gọi trong chƣơng trình chính.  Khối chƣơng trình ngắt: Là khối chứa chƣơng trình ngắt, khối này sẽ đƣợc thực thi khi có sự kiện xảy ra. CHƢƠNG 2 8 KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Hình 2.2: Khối Program Block Trong một chƣơng trình, luôn mặc định có một chƣơng trình chính Main, chƣơng trình con SBR_0, và chƣơng trình ngắt INT_0.