MỞ ĐẦU 1. Kỹ thuật điều khiển đã được phát triển trong thời gian rất lâu. Trước kia việc điều khiển hệ thống chủ yếu do con người thực hiện. Gần đây, việc điều khiển được thực hiện nhờ vào các ứng dụng của ngành điện, thực hiện bằng việc đóng ngắt tiếp điểm relay.
Các relay sẽ cho phép đóng ngắt công suất không cần dùng công tắc cơ khí. Ta thường sử dụng relay để tạo nên các thao tác điều khiển đóng ngắt logic đơn giản. Sự xuất hiện của máy tính điện tử đã tạo một bước tiến mới trong điều khiển – Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC. PLC xuất hiện vào những năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc điều khiển sản xuất.
PLC có nhiều lợi thế trong nhà máy, bao gồm: - Giảm giá thành đối với các hệ thống phức tạp. - Mềm dẽo và dễ thay thế khi cần thay đổi hệ thống điều khiển. - Khả năng kết hợp với máy tính cho phép điều khiển các hệ thống tinh vi. - Khả năng hỗ trợ xử lý sự cố làm cho việc lập trình dễ dàng và nhanh chóng.
- Kết cấu chắc chắn và chính xác làm cho hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy.2 LOGIC BẬC THANG. Ladder Logic Logic bậc thang là phương pháp lập trình chính cho PLC. Logic bậc thang được phát triển để thay thế cho việc điều khiển bằng logic relay. Do đã có sơ đồ điều khiển bằng relay nên khi chọn Logic bậc thang làm phương pháp lập trình chính cho PLC thì việc huấn luyện cho các kỹ sư và người sử dụng sẽ giảm đi rất nhiều.
Các hệ thống điều khiển hiện đại ngày nay vẫn còn sử dụng relay, nhưng chúng không được dùng để tạo ra mức logic mà hoạt động như một thiết bị điện từ dùng để đóng mở tiếp điểm. Các relay được dùng để đóng mở các nguồn điện công suất lớn dựa vào nguồn năng lượng nhỏ, vẫn giữ cách ly các nguồn này. Hệ thống điều khiển đơn giản có sử dụng relay được minh họa trên hình 1. Relay bên trái sử dụng tiếp điểm thường đóng cho dòng điện qua đến khi có điện áp cấp vào đầu dây A.
Relay ở giữa sử dụng tiếp điểm thường hở nên không cho dòng điện qua đến TRANG–1 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 khi đầu dây B có điện. Nếu dòng điện qua 2 tiếp điểm của relay A và B rồi vào cuộn dây của relay C thì sẽ đóng tiếp điểm đầu ra C.1: Hệ thống điều khiển dùng relay Mạch điện được vẽ lại ở dạng sơ đồ logic bậc thang bên dưới trong hình 1.
Trạng thái logic được đọc là: C đóng nếu A mở và B đóng. Hình vẽ này không phải là toàn bộ hệ thống điều khiển, chỉ là sơ đồ logic. Khi xem xét một PLC, ngoài sơ đồ logic còn có các ngõ vào/ra, minh họa trong hình 1. Có 2 ngõ vào nút nhấn, giả sử sẽ tác động các cuộn dây relay bên trong PLC, làm ngõ ra relay đóng cấp nguồn 115VAC cho đèn sáng.
Lưu ý là với các PLC thực tế, ngõ vào không sử dụng relay, nhưng ngõ ra có thể sử dụng relay. Logic bậc thang trong PLC thường là các chương trình do người dùng viết và hiệu chỉnh trên máy tính. Cả 2 ngõ vào PLC là nút nhấn thường hở, nhưng logic bậc thang bên trong PLC có thể sử dụng một thường đóng và một thường hở, không nhất thiết logic bậc thang này phải phù hợp với trạng thái các ngõ vào/ ra. TRANG–2 Thu vien DH SPKT TP.
HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 Hình 1.2: PLC có sử dụng relay Một số relay có nhiều ngõ ra nên có thể sử dụng một ngõ ra relay như một ngõ vào tức thời, tạo thành mạch duy trì như trong hình 1.3: Mạch duy trì Trong mạch này, dòng điện có thể chạy qua cả 2 nhánh là các công tắc A và B. Ngõ vào B chỉ đóng khi ngõ ra B có điện. Nếu B mất điện, đóng ngõ vào A thì B sẽ có điện, làm ngõ vào B đóng.
Khi đó cho dù ngõ vào A mở ra nhưng B vẫn có điện nhờ ngõ vào B duy trì. Sau khi ngõ vào B đã đóng thì không thể tắt điện B được. TRANG–3 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP.
HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 1.3 LẬP TRÌNH. Programming Các PLC trước kia được lập trình bằng kỹ thuật sử dụng các sơ đồ nối dây relay. Do đó không cần phải hướng dẫn nhiều cho các thợ điện, kỹ thuật viên, kỹ sư cách lập trình trên máy tính, nên đây cũng là kỹ thuật lập trình thông dụng cho PLC ngày nay. Xét ví dụ trên hình 1.4: Sơ đồ logic bậc thang đơn giản Giả sử nguồn nối với đường dây bên trái HOT, gọi là dây nóng, bên phải là dây trung tính.
Sơ đồ có 2 nhánh, mỗi nhánh là một tổ hợp các ngõ vào và ngõ ra. Nếu các ngõ vào đóng hoặc mở thì công suất sẽ chạy từ dây nóng qua các ngõ vào, kết hợp với dây trung tính cấp điện cho ngõ ra. Ngõ vào PLC có thể được kết nối với các cảm biến hoặc công tắc. Ngõ ra PLC sẽ nối với các thiết bị trung gian đóng ngắt các tải bên ngoài như đèn, động cơ.
Trong nhánh trên, công tắc A thường hở và B thường đóng, nghĩa là nếu A đóng và B mở thì dòng điện sẽ chạy qua công tắc A và B tác động đến ngõ ra X, các trạng thái khác của A và B sẽ làm X mất điện. Giải thích tương tự cho hoạt động của nhánh bên dưới. Có nhiều phương pháp lập trình khác nhau cho PLC. Một trong những kỹ thuật đó là sử dụng lệnh gợi nhớ.
Các lệnh này xuất phát trực tiếp từ sơ đồ logic bậc thang và được nhập vào PLC bằng một thiết bị lập trình. Xét ví dụ trên hình 1. Trong ví dụ này, các lệnh được đọc lần lượt từ trên xuống dưới. Dòng 00000 có lệnh LDN (input load not) cho ngõ vào 00001.
Lệnh này xác định một ngõ vào nối với PLC, nếu nó mở thì sẽ tạo một giá trị 1, và ngược lại sẽ tạo giá trị 0. Dòng tiếp theo 00001 sử dụng lệnh LD (input load) để xác định giá trị ngõ vào, nếu ngõ vào này mở thì tạo giá trị 0 và ngược lại sẽ tạo giá trị 1. Lênh AND sử dụng lại 2 số được tạo ra bên trên, nếu chúng cùng bằng 1 thì sẽ tạo ra giá trị 1, còn có một ngõ vào bằng 0 thì tạo giá trị 0. Giá trị này sẽ thay thế cho 2 kết quả trên và lúc này chỉ còn một kết quả của lệnh AND được giữ lại.
Quá trình này sẽ lặp lại với các hàng 00003 và 00004, sau khi thực hiện xong sẽ có 3 số được lưu lại. Lệnh AND trong hàng 00005 sẽ AND kết quả của hàng 00003 và 00004, tạo ra 1 kết quả mới. Lệnh OR trong hàng 00006 sẽ OR kết quả của 2 lệnh AND ở các hàng trên. Lúc này chỉ còn 1 kết quả lưu lại.
TRANG–4 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 Lệnh ST (store ouput) trong hàng 00007 sẽ lưu lại kết quả sau cùng. Nếu kết quả này bằng 1 thì ngõ ra 00107 sẽ tác động, nguợc lại ngõ ra này không tác động.
Chương trình logic bậc thang trong hình 1.5 tương đương với chương trình gợi nhớ vừa phân tích trên. Thậm chí nếu ta đã lập trình cho PLC bằng logic bậc thang thì nó có thể sẽ được chuyển về dạng gợi nhớ trước khi được PLC sử dụng.5: Chương trình gợi nhớ và Sơ đồ logic bậc thang tương đương Ngoài ra, đồ thị hàm dãy SFC (Sequential Function Chart) được sử dụng để hỗ trợ việc lập trình cho những hệ thống phức tạp hơn. SFC tương tự như lưu đồ nhưng hiệu quả hơn rất nhiều. Xét ví dụ trong hình 1.
Ví dụ này thực hiện 2 việc khác nhau. Để đọc lưu đồ, ta bắt đầu từ vị trí Start. PLC sẽ bắt đầu sau 2 đường ngang bên dưới, thực hiện độc lập và cùng lúc trên 2 nhánh trái phải. Nhánh bên trái có 2 hàm là power up và power down, nhánh phải có hàm flash.
Mỗi hàm là 1 chương trình logic bậc thang. Phương pháp này khác với lưu đồ ở chỗ nó không thực hiện theo 1 đường từ khối này đến khối kia.6: Lưu đồ hàm dãy TRANG–5 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 Cuối cùng, chương trình dạng văn bản được phát triển và được xem là cách lập trình hiện đại nhất.
Cấu trúc nó tương tự như ngôn ngữ Basic. Xét ví dụ sau: N7:0 :=0; REPEAT N7:0 :=N7:0 +1; UNTIL N7:0 >=10 END_REPEAT; Ví dụ này sử dụng vùng nhớ N7:0 của PLC. Đây là vùng nhớ chứa các số nguyên. Lệnh đầu tiên đặt các giá trị vùng nhớ về 0.
Các lệnh tiếp theo sẽ tăng giá trị vùng nhớ lên 1 đơn vị, khi giá trị này lớn hơn hoặc bằng 10 thì thoát khỏi vòng lặp.4 KẾT NỐI PLC. PLC Connections Khi sử dụng PLC để điều khiển 1 quá trình nào đó, ta sử dụng các cảm biến nối với ngõ vào PLC, ngõ ra PLC sẽ điều khiển các thiết bị chấp hành, như hình 1.7: Kết nối PLC Đây là quá trình xử lý thực, thay đổi liên tục theo thời gian. Các thiết bị chấp hành sẽ làm hệ thống thay đổi sang các trạng thái mới, có nghĩa là hệ thống sẽ được giới hạn điều khiển bởi các cảm biến đầu vào. Nếu 1 ngõ vào không tác động thì bộ điều khiển không thể nhận biết được trạng thái hệ thống.
Vòng điều khiển này là 1 chu kỳ liên tục của PLC, gồm việc đọc các dữ liệu đầu vào, thực hiện logic bậc thang và làm thay đổi ngõ ra theo ngõ vào.5 NGÕ VÀO LOGIC BẬC THANG. Ladder Logic Inputs Các ngõ vào của PLC được biểu diễn dễ dàng trong chương trình logic bậc thang.8, có 3 loại ngõ vào gồm 2 công tắc thường hở và thường đóng và 1 hàm IIT (Immediate InpuT). Hàm IIT cho phép đọc ngõ vào ngay sau khi nó được quét, trong khi logic bậc thang vẫn đang quét. Điều náy cho phép logic bậc thang xác định các giá trị đầu vào thường xuyên hơn trong mỗi chu kỳ.
TRANG–6 Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.vn Truong DH SPKT TP. HCM http://www.vn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 1 Hình 1.8: Ngõ vào PLC 1.6 NGÕ RA LOGIC BẬC THANG Ladder Logic Outputs Trong logic bậc thang, có nhiều loại ngõ ra khác nhau nhưng chúng không phù hợp cho tất cả các PLC.