Giáo Trình Điều Khiển Lập Trình PLC và Mạng PLC

Giáo trình điều khiển lập trình PLC mạng PLC cung cấp kiến thức cơ bản và nâng cao về lập trình và ứng dụng PLC trong công nghiệp.

• Tác giả: Th.S Lê Văn Tiến Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM
• Đề tài: Hướng Dẫn Điều Khiển Lập Trình PLC và Mạng PLC
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC
• 1.1. Hệ thống điều khiển là gì?
• 1.2. Vai trò của bộ điều khiển lập trình
• 1.3. Lịch sử phát triển của PLC
• 1.4. Đặc điểm của PLC
• 1.5. Ưu điểm của PLC
• 1.6. Ứng dụng
• 2. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
• 2.1. Cảm biến logic
• 2.2. Cảm biến tương tự
• 2.3. Cơ cấu chấp hành
• 2.4. Cơ cấu logic
• 2.5. Cơ cấu tương tự
• 3. CHƯƠNG 3: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH
• 3.1. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả
• 3.2. Các toán hạng
• 3.3. Thanh ghi trạng thái
• 3.4. Các lệnh logic
• 3.5. Các lệnh so sánh
• 3.6. Các lệnh toán học
• 3.7. Các lệnh chuyển đổi dữ liệu
• 3.8. Bộ thời gian
• 3.9. Các lệnh điều khiển chương trình
• 4. CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT LẬP TRÌNH
• 4.1. Tổ chức bộ nhớ CPU
• 4.2. Tổ chức quá trình điều khiển
• 4.3. Lập trình tuyến tính
• 4.4. Lập trình phân bố
• 4.5. Lập trình cấu trúc
• 5. CHƯƠNG 5: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG PLC
• 5.1. Mạng truyền thông công nghiệp
• 5.2. Vai trò ứng dụng
• 5.3. Cơ sở truyền thông
• 5.4. Kiến trúc giao thức OSI
• 5.5. Các hệ thống Bus tiêu chuẩn
• 5.6. Mạng Simatic
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG PLC
• 6.1. Mạng Industrial Ethernet

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Lập Trình PLC và Mạng PLC

Điều khiển lập trình PLC và mạng PLC là hai khái niệm quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển tự động. Mạng PLC cho phép các thiết bị này giao tiếp và tương tác với nhau, tạo thành một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh. Sự phát triển của công nghệ thông tin và vi mạch đã thúc đẩy sự tiến bộ của PLC, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.1. Khái Niệm Về PLC và Mạng PLC

PLC là thiết bị điều khiển lập trình, có khả năng thực hiện các tác vụ điều khiển phức tạp. Mạng PLC cho phép kết nối nhiều PLC với nhau, tạo ra một hệ thống điều khiển đồng bộ và hiệu quả.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Của PLC

PLC đã được phát triển từ những năm 1960, với mục tiêu thay thế các hệ thống điều khiển truyền thống. Sự ra đời của PLC đã cách mạng hóa ngành công nghiệp tự động hóa.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Điều Khiển Lập Trình PLC

Mặc dù PLC mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc triển khai và sử dụng. Các vấn đề như khả năng tương thích giữa các thiết bị, độ phức tạp trong lập trình và bảo trì hệ thống là những yếu tố cần được xem xét. Việc đào tạo nhân lực cũng là một thách thức lớn trong việc áp dụng công nghệ này.

2.1. Khả Năng Tương Thích Giữa Các Thiết Bị

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo rằng các thiết bị PLC có thể giao tiếp và hoạt động cùng nhau một cách hiệu quả.

2.2. Độ Phức Tạp Trong Lập Trình

Lập trình PLC có thể trở nên phức tạp, đặc biệt là khi hệ thống yêu cầu nhiều chức năng và quy trình điều khiển khác nhau.

III. Phương Pháp Lập Trình PLC Hiệu Quả

Để lập trình PLC hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và công cụ phù hợp. Việc sử dụng phần mềm lập trình chuyên dụng và các ngôn ngữ lập trình như Ladder Logic hay Structured Text sẽ giúp tối ưu hóa quy trình lập trình. Ngoài ra, việc thiết kế cấu trúc chương trình rõ ràng cũng rất quan trọng.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Lập Trình Chuyên Dụng

Phần mềm lập trình giúp người dùng dễ dàng tạo ra các chương trình điều khiển cho PLC, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc.

3.2. Thiết Kế Cấu Trúc Chương Trình Rõ Ràng

Cấu trúc chương trình rõ ràng giúp dễ dàng bảo trì và nâng cấp hệ thống trong tương lai.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của PLC Trong Công Nghiệp

PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất, chế biến thực phẩm, và tự động hóa nhà máy. Việc sử dụng PLC giúp tăng cường hiệu quả sản xuất, giảm thiểu lỗi và tiết kiệm chi phí. Các ứng dụng cụ thể bao gồm điều khiển dây chuyền sản xuất, giám sát và điều khiển hệ thống HVAC.

4.1. Điều Khiển Dây Chuyền Sản Xuất

PLC có thể được sử dụng để điều khiển toàn bộ dây chuyền sản xuất, từ việc cấp nguyên liệu đến đóng gói sản phẩm.

4.2. Giám Sát và Điều Khiển Hệ Thống HVAC

Hệ thống HVAC có thể được điều khiển tự động bằng PLC, giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì môi trường làm việc thoải mái.

V. Kết Luận và Tương Lai Của PLC

Tương lai của PLC hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của công nghệ mới như IoT và AI. Việc áp dụng các công nghệ này sẽ giúp PLC trở nên thông minh hơn, nâng cao khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các nhà sản xuất PLC cũng đang nghiên cứu và phát triển các sản phẩm mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tích Hợp Công Nghệ IoT

Việc tích hợp IoT vào PLC sẽ cho phép giám sát và điều khiển từ xa, nâng cao khả năng tương tác giữa các thiết bị.

5.2. Phát Triển Các Sản Phẩm Mới

Các nhà sản xuất đang không ngừng cải tiến và phát triển các sản phẩm PLC mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BOÄ GIAÙO DUÏC & ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KYÕ THUAÄT COÂNG NGHEÄ TP.HCM [[[[[ \\\\\ ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC MAÏNG PLC TH.S LEÂ VAÊN TIEÁN DUÕNG ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC & MAÏNG PLC Lôøi noùi ñaàu LÔØI NOÙI ÑAÀU Söï phaùt trieån khoâng ngöøng nhö vuõ baõo cuûa coâng ngheä thoâng tin vaø coâng ngheä vi maïch tích hôïp ñaõ taïo ra nhöõng ñoät phaù môùi trong lónh vöïc töï ñoäng hoùa. Söï xuaát hieän ngaøy caøng nhieàu cuøng vôùi nhöõng tính naêng öu vieät, linh hoaït cuûa caùc boä ñieàu khieån laäp trình, module xöû lyù, truyeàn thoâng, giao tieáp ñaõ mang laïi hieäu quaû cao cho caùc quaù trình saûn xuaát. Ngaøy nay, caùc nhaø saûn xuaát ñöùng tröôùc thaùch thöùc hoäi nhaäp - chieám lónh thò tröôøng nhaèm oå ñònh vaø phaùt trieån, do ñoù hoï ñeàu muoán ñaàu tö caùc coâng ngheä saûn xuaát hieän ñaïi töï ñoäng hoaøn toaøn ñeå giaûm thieåu chi phí con ngöôøi vaøo saûn xuaát, oån ñònh saûn xuaát, naâng cao chaát löôïng saûn phaåm, taêng naêng suaát, an toaøn cao, moâi tröôøng vaø saûn xuaát kheùp kín ñoàng boä. Toaøn boä caùc hoaït ñoäng cuûa quaù trình saûn xuaát ñeàu ñöôïc giaùm saùt vaø quaûn lyù toaøn dieän thoâng qua giaûi phaùp töï ñoäng hoùa vôùi PLC, maïng PLC vaø SCADA.

Nhaèm giuùp ñôõ caùc baïn ñoïc coù kieán thöùc nhaát ñònh ñeå hoäi nhaäp nhanh choùng vaøo lónh vöïc töï ñoäng hoùa saûn xuaát, Giaùo trình “Ñieàu khieån laäp trình PLC vaø maïng PLC” ñöôïc taùc giaû bieân soaïn vôùi söï toång hôïp nhöõng kieán thöùc cô baûn cuûa töï ñoäng hoùa, laäp trình thieát bò vaø baèng nhöõng kinh nghieäm coù ñöôïc töø thöïc tieãn öùng duïng PLC vaø caùc heä thoáng maïng PLC phuïc vuï saûn xuaát. Töï ñoäng hoùa vôùi PLC vaø maïng PLC laø moät lónh vöïc coù kieán thöùc raát roäng, khoâng theå traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt trong bieân soaïn. Raát mong söï ñoùng goùp cuûa caùc ñoäc giaû gaàn xa.HCM, ngaøy 16 thaùng 10 naêm 2004 Taùc giaû 1 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC & MAÏNG PLC Muïc luïc MUÏC LUÏC PHAÀN I: ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC Trang Chöông 1 :toång quan veà PLC 1.1 Heä thoáng ñieàu khieån laø gì? 5 1.2 Vai troø cuûa boä ñieàu khieån laäp trình 5 1.4 Lòch söû phaùt trieån cuûa PLC 8 1.5 Ñaëc ñieåm cuûa PLC 10 1.6 Öu ñieåm cuûa PLC 10 1.7 ÖÙng duïng 12 CHÖÔNG 2 - Caûm bieán vaø cô caáu chaáp haønh 2.1 Caûm bieán logic 20 2.3 Caûm bieán töông töï 25 2.3 Cô caáu chaáp haønh 32 2.1 Cô caáu logic 2.2 Cô caáu töông töï CHÖÔNG 3 – Ngoân ngöõ laäp trình 3.1 Caáu truùc leänh vaø traïng thaùi keát quaû 40 3.1 Caùc toaùn haïng 3.2 Thanh ghi trang thaùi 3.2 Caùc leänh logic 44 3.3 Caùc leänh so saùnh 58 3.4 Caùc leänh toaùn hoïc 60 3.5 Caùc leänh chuyeån ñoåi döõ lieäu 67 3.6 Boä thôøi gian 73 3.8 Caùc leänh ñieàu khieån chöông trình 89 CHÖÔNG 4 – Kyõ thuaät laäp trình 4.2 Toå chöùc boä nhôù CPU 103 4.3 Toå chöùc quaù trình ñieàu khieån 104 4.4 Laäp trình tuyeán tính 108 4.5 Laäp trình phaân boá 113 4.6 Laäp trình caáu truùc 118 3 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC & MAÏNG PLC Muïc luïc PHAÀN II: Maïng PLC CHÖÔNG 5 - Khaùi quaùt veà Maïng PLC 5.1 Maïng truyeàn thoâng coâng nghieäp 128 5.2 Vai troø öùng duïng 128 5.3 Cô sôû truyeàn thoâng 129 5.4 Kieán truùc giao thöùc OSI 134 5.5 Caùc heä thoáng Bus tieâu chuaån 136 5.7 Maïng Simatic 140 CHÖÔNG 6 – Thieát keá heä thoáng maïng PLC 6.3 Maïng Inductrial Ethernet 160 4 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC - MAÏNG PLC Chöông 1 – Giôùi thieäu toång quan veà PLC PHAÀN I ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH (PLC) CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU TOÅNG QUAN VEÀ PLC Chuû ñeà: Heä Thoáng Ñieàu Khieån Laø Gì? Vai troø cuûa PLC Hoaït ñoäng cuûa PLC Lòch söû phaùt trieån cuûa PLC Ñaëc ñieåm cuûa PLC Öu ñieåm cuûa PLC ÖÙng duïng Muïc ñích: Naém roõ veà hoaït ñoäng thöïc thi chöông trình cuûa PLC 5 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC - MAÏNG PLC Chöông 1 – Giôùi thieäu toång quan veà PLC 1. HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN LAØ GÌ? Noùi chung, heä thoáng ñieàu khieån laø taäp hôïp caùc maùy moùc vaø thieát bò ñieän töû ôû moät nôi ñeå ñaûm baûo hoaït ñoäng cuûa quaù trình saûn xuaát hay moät hoaït ñoäng cuûa saûn xuaát oån ñònh, chính xaùc vaø nhòp nhaøng.

Nhöõng thaønh töïu cuûa söï tieán boä vöôït baäc cuûa khoa hoïc coâng ngheä, caùc nhieäm vuï ñieàu khieån phöùc taïp ñöôïc hoaøn thaønh nhôø moät heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng cao, ñoù chính laø boä ñieàu khieån laäp trình vaø coù söï tham gia cuûa caû maùy tính. Ngoaøi vieäc giao tieáp tín hieäu vôùi caùc tröôøng thieát bò vaøo – ra nhö ( caùc baûng vaän haønh, ñoäng cô, caûm bieán, van …), khaû naêng giao tieáp truyeàn thoâng döõ lieäu treân maïng giöõa caùc thaønh phaàn ñieàu khieån trong heä thoáng cuõng ñöôïc thöïc hieän. Moãi thaønh phaàn ñôn giaûn trong heä thoáng ñieàu khieån ñeàu ñoùng moät vai troø quan troïng maø khoâng caàn quan taâm ñeán kích côõ.1 cho thaáy raèng PLC khoâng bieát ñieàu gì xaûy ra xung quanh noù khi khoâng coù baát kyø moät thieát bò caûm nhaän tín hieäu. Noù cuõng khoâng theå thöïc hieän moät chuyeån ñoäng cô hoïc neáu khoâng coù noái keát giöõa ñoäng cô vôùi noù.1 – Heä thoáng ñieàu khieån baèng PLC 1.

VAI TROØ CUÛA BOÄ ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH (PLC) Trong moät heä thoáng töï ñoäng, noùi chung PLC ñuôïc ví nhö laø con tim cuûa heä thoáng ñieàu khieån. Vôùi chöông trình öùng duïng ñieàu khieån ( ñöôïc löu tröõ trong boä nhôù PLC) trong vieäc thöïc thi, PLC thöôøng xuyeân giaùm saùt tình traïng heä thoáng qua tính hieäu phaûn hoài cuûa 6 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC - MAÏNG PLC Chöông 1 – Giôùi thieäu toång quan veà PLC thieát bò ñaàu vaøo. Sau ñoù seõ döïa vaøo söï hôïp lyù cuûa chöông trình ñeå xaùc ñònh tieán trình hoaït ñoäng ñöôïc thöïc hieän ôû nhöõng thieát bò xuaát caàn thieát. PLC coù theå ñöôïc söû duïng ñieàu khieån nhöõng nhieäm vuï ñôn giaûn coù tính laëp ñi laëp laïi hoaëc moät vaøi nhieäm vuï coù theå ñöôïc lieân keát cuøng nhau vôùi thieát bò ñieàu khieån chuû hoaëc maùy tính chuû khaùc qua moät loaïi maïng giao tieáp ñeå tích hôïp ñieàu khieån cuûa moät quaù trình phöùc taïp.

Thieát bò ñaàu vaøo Söï thoâng minh cuûa moät heä thoáng töï ñoäng phaàn lôùn döïa vaøo khaû naêng cuûa PLC ñeå ñoïc tín hieäu töø nhöõng loaïi caûm bieán töï ñoäng khaùc nhau vaø thieát bò ñaàu vaøo cöôõng böùc tín hieäu. Nhöõng nuùt nhaán, baøn phím, coâng taéc gaït taïo thaønh cô baûn cuûa giao tieáp ngöôøi vaø maùy laø caùc loaïi thieát bò vaøo cöôõng böùc tín hieäu. Maëc khaùc, ñeå phaùt hieän vaät theå, quan saùt söï di chuyeån cô caáu, kieåm tra aùp suaát vaø möùc chaát loûng vaø nhieàu söï kieän khaùc, PLC seõ phaûi xöû lyù tín hieäu töø nhöõng thieát bò caûm öùng töï ñoäng ñaëc bieät nhö coâng taéc töø, coâng taéc haønh trình, caûm bieán quang ñieän, caûm bieán möùc ñoä vaø. Nhieàu loaïi tín hieäu vaøo PLC coù theå laø ON/OFF hay töông töï.

Nhöõng tín hieäu vaøo naøy ñöôïc giao tieáp vôùi PLC qua caùc loaïi moâñun vaøo khaùc nhau. Thieát bò xuaát Heä thoáng töï ñoäng khoâng hoaøn chænh vaø heä thoáng PLC thaät söï bò teâ lieät neáu khoâng coù giao tieáp vôùi thieát bò xuaát, chaúng haïn moät soá thieát bò thoâng thöôøng nhö: ñoäng cô, cuoän daây, ñeøn chæ thò, chuoâng baùo…Thoâng qua söï hoaït ñoäng cuûa ñoäng cô vaø cuoän daây, PLC coù theå ñieàu khieån töø ñôn giaûn ñeán phöùc taïp. KHAÙI NIEÄM PLC PLC (Programmable Logic Controller) laø thieát bò ñieàu khieån laäp trình, ñöôïc thieát keá chuyeân duøng trong coâng nghieäp ñeå ñieàu khieån caùc tieán trình xöû lyù töø ñôn giaûn ñeán phöùc taïp, tuyø thuoäc vaøo ngöôøi ñieàu khieån maø noù coù theå thöïc hieän moät loaït caùc chöông trình hoaëc söï kieän, söï kieän naøy ñöôïc kích hoaït bôûi caùc taùc nhaân kích thích (hay coøn goïi laø ñaàu vaøo) taùc ñoäng vaøo PLC hoaëc qua caùc boä ñònh thôøi (Timer) hay caùc söï kieän ñöôïc ñeám qua boä ñeám. Khi moät söï kieän ñöôïc kích hoaït noù seõ baät ON, OFF hoaëc phaùt moät chuoãi xung ra caùc thieát bò beân ngoaøi ñöôïc gaén vaøo ñaàu ra cuûa PLC.

Nhö vaäy neáu ta thay ñoåi caùc chöông trình ñöôïc caøi ñaët trong PLC laø ta coù theå thöïc hieän caùc chöùc naêng khaùc nhau, trong caùc moâi tröôøng ñieàu khieån khaùc nhau. Caáu truùc Moät PLC bao goàm moät boä xöû lyù trung taâm, boä nhôù ñeå löu tröõ chöông trình öùng duïng vaø nhöõng moâñun giao tieáp nhaäp – xuaát.2 moâ taû sô boä veà caáu truùc cuûa moät PLC. Hoaït Ñoäng Cuûa PLC Veà cô baûn, hoaït ñoäng cuûa moät PLC cuõng khaù ñôn giaûn. Ñaàu tieân, heä thoáng caùc coång vaøo/ra (Input/Output) (coøn goïi laø caùc Module xuaát/nhaäp) duøng ñeå ñöa caùc tín hieäu töø caùc thieát bò ngoaïi vi vaøo CPU (nhö caùc sensor, contact, tín hieäu töø ñoäng cô …).

Sau khi nhaän ñöôïc tín hieäu ôû ñaàu vaøo thì CPU seõ xöû lyù vaø ñöa caùc tín hieäu ñieàu khieån qua moâñun xuaát ra 7 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC - MAÏNG PLC Chöông 1 – Giôùi thieäu toång quan veà PLC caùc thieát bò ñöôïc ñieàu khieån.3 minh hoïa hoaït ñoäng cuûa PLC khi thöïc thi chöông trình öùng duïng. Keânh ngoõ ra Rôle, Triac Keânh ngoõ vaøo hoaëc Transistor Hình 1.2 – Sô ñoà caáu truùc cuûa boä ñieàu khieån laäp trình Trong suoát quaù trình hoaït ñoäng, CPU ñoïc hoaëc queùt (scan) döõ lieäu hoaëc traïng thaùi cuûa caùc thieát bò ngoaïi vi thoâng qua ñaàu vaøo, sau ñoù thöïc hieän caùc chöông trình trong boä nhôù nhö sau: moät boä ñeäm chöông trình seõ nhaän leänh töø boä nhôù chöông trình ñöa ra thanh ghi leänh ñeå thi haønh. Chöông trình ôû daïng STL (Statement List – Daïng leänh lieät keâ) hay ôû daïng LADDER (daïng hình thang) seõ ñöôïc dòch ra ngoân ngöõ maùy caát trong boä nhôù chöông trình. Sau khi thöïc hieän xong chöông trình,sau ñoù laø truyeàn thoâng noäi boä vaø kieåm loãi sau ñoù Hình 1.3 – Moâ taû hoaït ñoäng PLC 8 ÑIEÀU KHIEÅN LAÄP TRÌNH PLC - MAÏNG PLC Chöông 1 – Giôùi thieäu toång quan veà PLC CPU seõ gôûi hoaëc caäp nhaät tín hieäu tôùi caùc thieát bò, ñöôïc ñieàu khieån thoâng qua moâñun xuaát.

Moät chu kyø goàm ñoïc tín hieäu ôû ñaàu vaøo, thöïc hieän chöông trình, truyeàn thoâng noäi vaø töï kieåm tra loãi vaø gôûi caäp nhaät tín hieäu ôû ñaàu ra ñöôïc goïi laø moät chu kyø queùt. Nhö vaäy taïi thôøi ñieåm thöïc hieän leänh vaøo/ra thì leänh khoâng xöû lyù tröïc tieáp vôùi coång vaøo ra maø seõ xöû lyù thoâng qua boä nhôù ñeäm. Neáu coù söû duïng ngaét thì chöông trình con töông öùng vôùi töøng tín hieäu ngaét seõ ñöôïc soaïn thaûo vaø caøi ñaët nhö moät boä phaän chöông trình. Chöông trình ngaét chæ thöïc hieän trong voøng queùt khi xuaát hieän tín hieäu ngaét vaø coù theå xaûy ra ôû baát kì ñieåm naøo trong voøng queùt.

Chu kyø queùt moät voøng cuûa PLC ñöôïc moâ taû nhö hình 1.