Đồ án ứng dụng PLC S7-200 điều khiển khởi động động cơ một chiều qua 3 cấp điện trở - Vũ Thanh Bình

Đồ án môn học kỹ thuật lập trình PLC của Vũ Thanh Bình nghiên cứu ứng dụng PLC S7-200 điều khiển khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở.

• Tác giả: Vũ Thanh Bình
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đắc Nam
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PLC S7-200 để điều khiển khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở theo nguyên tắc thời gian, không đảo chiều quay
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Phú Thọ

Tóm tắt

I. Tổng quan về PLC S7 200 khởi động động cơ một chiều

Hệ thống điều khiển lập trình đóng vai trò then chốt trong tự động hóa công nghiệp hiện đại. Thiết bị PLC ra đời nhằm thay thế hoàn toàn các mạch rơle cơ khí cồng kềnh. Trong đồ án tốt nghiệp, tác giả Vũ Thanh Bình tập trung nghiên cứu dòng PLC S7-200 do hãng Siemens sản xuất. Dòng vi điều khiển này sở hữu kích thước nhỏ gọn. Tốc độ xử lý lệnh logic của CPU rất nhanh và chuẩn xác. Thiết bị cho phép cấu hình linh hoạt các đầu vào số và đầu ra rơle. Khả năng chống nhiễu công nghiệp của thiết bị đạt mức tiêu chuẩn cao. Động cơ điện một chiều có đặc tính cơ cứng và dải điều chỉnh tốc độ rộng. Tuy nhiên, quá trình khởi động trực tiếp tiềm ẩn nguy cơ phát sinh dòng điện quá tải cực lớn. Việc ứng dụng PLC S7-200 giúp kiểm soát chu trình cấp nguồn một cách tự động và chuẩn xác. Các tín hiệu điều khiển logic được lập trình sẵn trong bộ nhớ CPU. Toàn bộ chuỗi vận hành diễn ra theo đúng chu trình thuật toán mà không cần can thiệp cơ khí phức tạp.

1.1. Khái niệm và đặc điểm kỹ thuật của bộ lập trình PLC

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình vận hành theo cơ chế quét chu kỳ. Chu kỳ quét gồm tiếp nhận đầu vào, thực thi chương trình và cập nhật đầu ra. Dòng PLC S7-200 của Siemens tích hợp sẵn các cổng truyền thông công nghiệp. Bộ vi xử lý hỗ trợ nhiều tập lệnh định thì, đếm và xử lý số học. Bộ nhớ chương trình lưu trữ thuật toán độc lập và an toàn trước sự cố mất điện. Người vận hành dễ dàng nạp và thay đổi mã lệnh qua phần mềm STEP 7-Micro/WIN. Thiết bị giảm thiểu hệ thống dây nối trung gian, tối ưu hóa không gian tủ điện.

1.2. Vai trò của động cơ một chiều trong truyền động điện

Động cơ điện một chiều giữ vị trí đặc biệt trong các hệ thống truyền động đòi hỏi mômen mở máy lớn. Thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu điều chỉnh tốc độ mượt mà trong dải rộng. Cấu tạo cơ bản gồm phần ứng quay stato và hệ thống cực từ kích từ. Tuy nhiên, sức điện động phần ứng bằng không tại thời điểm cấp nguồn ban đầu. Hiện tượng này khiến dòng mở máy tăng vọt gấp nhiều lần dòng định mức. Tác động cơ điện mạnh dễ gây hư hỏng cổ góp và sụt áp lưới điện nội bộ. Do đó, việc thiết lập mạch khởi động giảm dòng là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

II. Vấn đề dòng mở máy khi khởi động động cơ điện một chiều

Khởi động động cơ điện một chiều là một bài toán kỹ thuật phức tạp trong truyền động điện. Khi động cơ đứng yên, tốc độ quay bằng không dẫn tới sức phản điện động của phần ứng chưa kịp hình thành. Điện trở cuộn dây phần ứng vốn có giá trị rất nhỏ để giảm tổn hao nhiệt khi làm việc. Nếu đóng trực tiếp vào lưới điện, dòng điện khởi động có thể đạt trị số gấp 10 đến 20 lần dòng định mức. Dòng điện xung kích lớn này tạo ra lực điện động cực mạnh tác động lên trục máy. Cổ góp và chổi than dễ bị đánh lửa làm biến dạng bề mặt tiếp xúc. Đồng thời, nguồn cấp điện sẽ chịu hiện tượng sụt áp nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến thiết bị lân cận. Phương pháp truyền thống sử dụng rơle thời gian cơ khí để cắt dần điện trở phụ thường bộc lộ nhiều nhược điểm. Tiếp điểm cơ khí nhanh hao mòn theo thời gian. Độ trễ đóng cắt thiếu chính xác và khó điều chỉnh linh hoạt.

2.1. Phân tích nguyên nhân gây xung dòng mở máy phần ứng

Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng xác định rõ mối liên hệ giữa điện áp cấp, sụt áp và sức điện động. Tại thời điểm đóng điện ban đầu, vận tốc góc bằng không khiến sức điện động phần ứng bằng không. Dòng điện khởi động lúc này chỉ bị giới hạn bởi điện trở thuần rất bé của cuộn dây phần ứng. Trị số dòng điện đột biến này gây sốc cơ khí nặng nề lên hệ thống khớp nối và bánh răng truyền động. Nhiệt lượng tỏa ra tức thời trên bề mặt dây quấn làm suy giảm tuổi thọ lớp cách điện. Mạng lưới điện phân phối cục bộ chịu dao động điện áp bất lợi.

2.2. Hạn chế của mạch điều khiển rơle tiếp điểm truyền thống

Hệ thống khởi động dùng rơle điện từ kinh điển phụ thuộc hoàn toàn vào cấu trúc nối dây cứng. Độ bền của các tiếp điểm cơ khí suy giảm nhanh do hồ quang sinh ra trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Các rơle thời gian cơ khí có sai số trễ lớn và độ ổn định nhiệt kém. Khi cần thay đổi thông số thời gian khởi động, kỹ thuật viên phải căn chỉnh thủ công từng vít đặt. Quá trình bảo trì, truy vết lỗi tiếp điểm tiêu tốn nhiều thời gian và nhân lực. Nguy cơ kẹt tiếp điểm có thể dẫn đến sự cố cháy cuộn dây hoặc hỏng động cơ.

III. Giải pháp ứng dụng PLC S7 200 điều khiển qua 3 cấp trở

Đề tài của Vũ Thanh Bình đề xuất phương án ứng dụng PLC S7-200 để kiểm soát quá trình khởi động qua 3 cấp điện trở phụ. Phương pháp khởi động theo nguyên tắc thời gian loại bỏ hoàn toàn nhược điểm của rơle cơ khí. Chương trình điều khiển tận dụng triệt để các khối lệnh Timer định thì TON trong CPU của PLC Siemens. Khi nhấn nút khởi động, công tắc tơ chính đóng mạch để đưa toàn bộ 3 cấp điện trở phụ vào nối tiếp với phần ứng. Dòng điện ban đầu lập tức được giới hạn trong ngưỡng cho phép an toàn. Sau các khoảng thời gian trễ cài đặt trước, PLC tuần tự kích hoạt các đầu ra số để đóng công tắc tơ ngắn mạch từng cấp trở. Quá trình chuyển cấp diễn ra mượt mà và nhịp nhàng. Tốc độ động cơ tăng dần từng bước cho đến khi đạt tốc độ định mức trên đặc tính cơ tự nhiên. Thuật toán phần mềm đảm bảo độ chính xác tuyệt đối về thời gian trễ giữa các nấc cắt trở.

3.1. Thuật toán định thì bằng lệnh Timer trong PLC S7 200

Cấu trúc chương trình PLC sử dụng các lệnh thời gian On-Delay Timer để tạo độ trễ chính xác giữa các cấp khởi động. Khi tín hiệu ngõ vào kích hoạt, Timer TON bắt đầu đếm giá trị thời gian đặt trước dựa trên xung nhịp chuẩn của CPU. Mỗi cấp điện trở phụ tương ứng với một khoảng trễ được tính toán phù hợp với quán tính cơ hệ. Khi Timer đếm đủ thời gian, tiếp điểm logic kích hoạt ngõ ra điều khiển cuộn hút công tắc tơ tương ứng. Trạng thái ngõ ra khóa chéo lẫn nhau bằng phần mềm giúp loại trừ nguy cơ ngắn mạch ngoài ý muốn. Toàn bộ tiến trình vận hành được giám sát liên tục qua chu kỳ quét.

3.2. Sơ đồ nối dây phần cứng và phân bổ ngõ vào ra PLC

Cấu hình phần cứng hệ thống bao gồm module CPU S7-200 kết nối với các thiết bị đóng cắt mạch động lực. Ngõ vào số nhận tín hiệu từ nút nhấn khởi động, nút dừng khẩn cấp và tiếp điểm rơle nhiệt bảo vệ. Ngõ ra điều khiển các cuộn hút công tắc tơ chính và các công tắc tơ gia tốc ngắn mạch điện trở. Nguồn cấp một chiều cung cấp điện áp ổn định cho mạch điều khiển và cuộn dây khởi động từ. Mạch bảo vệ quá tải và quá dòng được tích hợp song song nhằm ngắt nguồn tức thời khi có sự cố. Sơ đồ đấu nối rõ ràng giúp việc kiểm tra và vận hành đạt độ an toàn cao.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn của đề tài Vũ Thanh Bình

Nghiên cứu của Vũ Thanh Bình đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của việc thay thế mạch rơle bằng bộ điều khiển PLC S7-200. Hệ thống vận hành trơn tru và hoàn toàn triệt tiêu hiện tượng sụt áp đột ngột trên nguồn cấp. Động cơ khởi động êm ái, giảm thiểu ứng suất cơ khí tác động lên trục và khớp nối truyền động. Việc kiểm soát chính xác 3 cấp điện trở qua thuật toán phần mềm giúp tối ưu hóa thời gian mở máy. Tuổi thọ động cơ và thiết bị đóng cắt được kéo dài rõ rệt. Đề tài mở ra khả năng mở rộng điều khiển cho các hệ thống truyền động phức tạp hơn trong công nghiệp sản xuất. Phương pháp lập trình linh hoạt cho phép kỹ sư thay đổi thông số khởi động nhanh chóng mà không cần tháo lắp dây dẫn. Kết quả nghiên cứu có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo kỹ thuật tự động hóa và ứng dụng thực tế tại các xí nghiệp cơ điện.

4.1. Hiệu quả kinh tế và độ tin cậy vận hành hệ thống

Ứng dụng PLC S7-200 giúp giảm thiểu đáng kể chi phí bảo dưỡng định kỳ nhờ loại bỏ các cơ cấu rơle cơ khí dễ hỏng hóc. Tủ điều khiển gọn nhẹ hơn, tiết kiệm diện tích lắp đặt trong nhà xưởng công nghiệp. Khả năng chống nhiễu vượt trội giúp hệ thống làm việc ổn định trong môi trường nhiều xung điện từ. Thời gian dừng máy do sự cố kỹ thuật được hạn chế ở mức thấp nhất. Quá trình vận hành liên tục không gây gián đoạn dây chuyền sản xuất. Doanh nghiệp có thể thu hồi vốn đầu tư thiết bị tự động hóa trong thời gian ngắn nhờ nâng cao năng suất và độ bền máy móc.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng điều khiển tự động hóa

Mô hình khởi động động cơ một chiều có thể phát triển thêm chức năng đảo chiều quay tự động và hãm động năng. Việc tích hợp các module truyền thông công nghiệp cho phép kết nối PLC với hệ thống giám sát SCADA từ xa. Cảm biến tốc độ và cảm biến dòng điện có thể kết nối vào ngõ vào tương tự để hình thành vòng điều khiển kín. Hệ thống khi đó sẽ tự động bù trừ gia tốc tùy theo tải trọng thực tế trên trục máy. Đây là nền tảng vững chắc để phát triển các dây chuyền gia công cơ khí, băng tải và máy nâng hạ tự động thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại đã thúc đẩy quá trình tự động hóa sản xuất trên diện rộng. Trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp, kỹ thuật điều khiển lập trình đã nhanh chóng thay thế các công nghệ điều khiển dùng dây nối truyền thống nhờ tính linh hoạt cao, kết cấu gọn nhẹ, khả năng chịu đựng tốt trong môi trường công nghiệp và quy trình hiệu chỉnh thuận tiện. Thiết bị tiêu biểu đại diện cho xu hướng này là bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller).

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-200 khởi động động cơ một chiều" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Thanh Bình, lớp TĐ1Đ12, dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Nguyễn Đắc Nam trong khuôn khổ học phần "Đồ án CN: Điều khiển PLC". Đồ án được hoàn thành tại Phú Thọ vào tháng 04 năm 2016.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển lập trình PLC.
2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, tổ chức bộ nhớ, tập lệnh cơ bản và nâng cao của dòng vi điều khiển khả trình PLC S7-200 do hãng Siemens sản xuất.
3. Phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành, các thông số định mức và các phương pháp khởi động của động cơ điện một chiều.
4. Xây dựng phương án và giải pháp ứng dụng bộ điều khiển PLC S7-200 nhằm điều khiển quá trình khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian, làm việc theo chế độ không đảo chiều quay.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 (hãng Siemens) và động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giải thuật khởi động hạn chế dòng điện mở máy thông qua việc đóng/cắt tuần tự 3 cấp điện trở phụ mạch phần ứng theo các mốc thời gian định trước, không can thiệp vào mạch đảo chiều quay hay các chế độ hãm phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên hai trụ cột chính: lý thuyết điều khiển tự động bằng thiết bị khả trình và lý thuyết truyền động điện một chiều.

Về lý thuyết điều khiển khả trình, đề tài dựa trên mô hình cấu trúc hệ thống PLC tiêu chuẩn bao gồm: khối nguồn, khối xử lý trung tâm (CPU), khối bộ nhớ, các khối giao tiếp vào/ra (I/O) và hệ thống bus liên kết (Address Bus, Data Bus, Control Bus). Nguyên lý làm việc của PLC vận hành theo chu kỳ quét tuần hoàn kín (Scan cycle), bao gồm các giai đoạn: đọc trạng thái các cổng vào số lưu vào bộ đệm ảo I, thực thi tuần tự chương trình trong khối OB1, cập nhật dữ liệu từ bộ đệm ảo Q ra các cổng xuất vật lý, xử lý truyền thông và tự kiểm tra CPU.

Về lý thuyết máy điện một chiều, tác giả dựa trên mô hình máy điện một chiều với công thức xác định công suất điện từ: $$P_{dt} = M \cdot \omega = E_ư \cdot I_ư$$ Trong đó: $M$ là mômen điện từ; $I_ư$ là dòng điện phần ứng; $E_ư$ là suất điện động phần ứng; $\omega$ là tốc độ góc phần ứng. Khi mở máy trực tiếp ($U = U_{đm}$), do tốc độ ban đầu bằng 0 ($E_ư = 0$), dòng điện khởi động $I_{mm} = U / R_ư$ đạt giá trị rất lớn, gây sụt áp lưới và xung lực phá hỏng cơ cấu cơ khí. Do đó, điều kiện bắt buộc khi mở máy bằng biến trở là phải khống chế dòng khởi động trong giới hạn cho phép: $$I_{mm} \le I_{cp} = 2,5 I_{đm}$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích cấu trúc phần cứng, phân vùng bộ nhớ và cơ chế thực thi tập lệnh của dòng PLC S7-200; tổng hợp cơ sở lý thuyết về đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Lựa chọn cấu hình thiết bị, tính toán phối ghép ngõ vào/ra, xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự chuyển cấp điện trở dựa trên các bộ định thời (Timer TON) tích hợp trong CPU PLC.

Nguồn dữ liệu của đồ án bao gồm tài liệu kỹ thuật dòng vi điều khiển SIMATIC S7-200 của hãng Siemens và các giáo trình chuyên ngành về máy điện và khí cụ điều khiển truyền động điện.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển khởi động động cơ điện một chiều được thiết kế dựa trên cấu trúc phần cứng của PLC Siemens S7-200 kết hợp với mạch động lực trang bị biến trở mở máy 3 cấp.

Về mặt phần cứng, cấu hình hệ thống bao gồm:

• Thiết bị điều khiển trung tâm: PLC họ S7-200 (tiêu biểu như CPU 212, CPU 214 hoặc CPU 224). Bộ vi xử lý hoạt động với xung Clock có tần số 18 MHz; các đường Address Bus và Data Bus gồm 8 đường cho phép truyền đồng thời 8 bit dữ liệu.
• Đặc tính cổng ngõ vào (Ix.x): Hoạt động ở mức logic 1 ứng với điện áp 24VDC/7mA, mức logic 0 đến 5VDC/1mA; thời gian trễ đáp ứng 0.2 ms; cách ly quang 500 VAC.
• Đặc tính cổng ngõ ra (Qx.x): Ngõ ra dạng Relay hoặc Transistor Sourcing, điện áp tác động 24–28VDC/2A, dòng chịu đựng quá tải tối đa 7A, thời gian chuyển mạch lớn nhất 10 ms, điện trở công tắc 200 mΩ và điện trở cách ly tối thiểu 100 mΩ.
• Nguồn cung cấp: Điện áp 20–24 VDC, dòng tiêu thụ cực đại 900 mA, thời gian duy trì khi mất nguồn đạt 10 ms; bên trong tích hợp cầu chì bảo vệ 2A/250V.
• Giao tiếp và lập trình: Kết nối máy tính qua cổng truyền thông RS485 chuẩn nối tiếp, tốc độ truyền 9600 bauds, sử dụng sợi cáp PC/PPI để thực hiện chuyển đổi giao thức giữa RS232 của máy tính và RS485 của PLC.

Về cấu trúc phần mềm và giải thuật điều khiển:

• Không gian bộ nhớ S7-200 được phân định rõ rệt: vùng chương trình, vùng tham số, vùng dữ liệu (các miền V, I, Q, M, SM với 200 byte đầu của CPU 212 hoặc 1 Kbyte đầu của CPU 214 có đặc tính không bay hơi - non-volatile) và vùng đối tượng (quản lý Timer, Counter).
• Các tiếp điểm vùng nhớ đặc biệt được áp dụng: SM0.0 (tiếp điểm luôn đóng từ vòng quét thứ hai), SM0.1 (chỉ đóng ở vòng quét đầu tiên để khởi tạo hệ thống), SM0.4 (tạo nhịp chu kỳ 1 phút) và SM0.5 (tạo xung chu kỳ 1 giây).
• Quy trình khởi động qua 3 cấp điện trở phụ diễn ra tuần tự: Khi cấp nguồn khởi động, động cơ làm việc với toàn bộ 3 cấp điện trở phụ trong mạch phần ứng để giới hạn dòng điện ban đầu ở mức $I_{mm}$. Mômen động cơ thắng mômen cản tĩnh ($M_{mm} > M_c$), tốc độ động cơ tăng dần dọc theo đặc tính biến trở. Khâu định thời Timer kiểu TON tạo độ trễ tính toán; khi hết khoảng thời gian cấp 1, PLC điều khiển đóng tiếp điểm 1G để ngắn mạch loại bỏ cấp điện trở thứ nhất. Quá trình tiếp diễn tương tự, tiếp điểm 2G đóng loại bỏ cấp điện trở thứ hai, và cuối cùng cấp điện trở thứ ba được cắt bỏ hoàn toàn để đưa động cơ vận hành ổn định trên đường đặc tính cơ tự nhiên ở tốc độ định mức $n_{đm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về PLC

Chương I trình bày lịch sử phát triển, định nghĩa, kiến trúc phần cứng cơ bản và phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển lập trình trong sản xuất công nghiệp. Tác giả chỉ ra rằng PLC ra đời nhằm thay thế hệ thống rơle dây nối phức tạp, đáp ứng các tiêu chuẩn: lập trình đơn giản, dễ bảo trì, dung lượng nhớ lớn, độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt và giá thành cạnh tranh.

Cấu trúc phần cứng PLC gồm 6 khối chính: mô đun nguồn, mô đun xử lý tín hiệu (CPU), mô đun vào, mô đun ra, mô đun nhớ và thiết bị lập trình. Bộ nhớ trong bao gồm RAM (sử dụng pin khô dự phòng duy trì dữ liệu từ vài tháng đến vài năm), ROM, EPROM và đĩa lưu trữ ngoài. Về dung lượng, PLC loại nhỏ chứa được 300–1.000 dòng lệnh, trong khi loại lớn có dung lượng từ 1K đến 16K, lưu được từ 2.000 đến 16.000 dòng lệnh.

Tác giả phân loại PLC theo các tiêu chí:

• Phân loại theo hãng: Siemens, Omron, Mitsubishi, ABB, Delta, Alenbratlay, GE fanus...
• Phân loại theo dung lượng ngõ vào/ra: Micro PLC (<32 I/O, ví dụ DL05 của Koyo, T100MD-1616 của Triangle Research), PLC nhỏ (<256 I/O, ví dụ ZEN-10C của Omron, S7-200 của Siemens), PLC trung bình (<1024 I/O, ví dụ CJ1M của Omron có 320 I/O), và PLC lớn (>1024 I/O, ví dụ S7-300, S7-400 của Siemens).

Chương này cũng tổng hợp bảng so sánh kỹ thuật giữa các giải pháp điều khiển công nghiệp:

Chỉ tiêu so sánh	Rơ-le	Mạch số	Máy tính	PLC
Giá thành từng chức năng	Khá thấp	Thấp	Cao	Thấp
Kích thước vật lý	Lớn	Rất gọn	Khá gọn	Rất gọn
Tốc độ điều khiển	Chậm	Rất nhanh	Khá nhanh	Nhanh
Khả năng chống nhiễu	Xuất sắc	Tốt	Khá tốt	Tốt
Công tác lắp đặt	Mất thời gian thiết kế lắp đặt	Mất thời gian thiết kế lắp đặt	Mất nhiều thời gian lập trình	Lập trình và lắp đặt đơn giản
Khả năng điều khiển tác vụ phức tạp	Không	Có	Có	Có
Thay đổi quy trình điều khiển	Rất khó	Khó	Khá đơn giản	Rất đơn giản
Công tác bảo trì	Kém (nhiều tiếp điểm cơ khí)	Kém (nếu IC chuyên dùng bị hỏng)	Kém (nhiều mạch điện tử phức tạp)	Tốt (mô đun được tiêu chuẩn hóa)

Phân bố chi phí cho việc triển khai lắp đặt một hệ thống PLC ban đầu được dẫn ra như sau: 50% cho phần cứng PLC, 10% cho thiết kế khuôn khổ chương trình, 20% cho soạn thảo và lập trình, 15% cho chạy thử nghiệm, và 5% dành cho tài liệu. Khi lắp đặt các hệ thống tiếp theo cùng thông số, chi phí giảm chỉ còn khoảng 1/2 do tận dụng lại phần mềm.

Chương Hai: Bộ điều khiển PLC S7-200

Chương Hai đi sâu vào chi tiết dòng thiết bị PLC S7-200 của Siemens. Cấu trúc thiết bị bao gồm một CPU độc lập và khả năng ghép nối tối đa 7 mô đun mở rộng về phía bên phải. Trên thân thiết bị có 3 đèn LED báo trạng thái: RUN (xanh - đang chạy), STOP (vàng - dừng), SF (đỏ - báo hiệu lỗi hệ thống System Failure); cùng công tắc chọn chế độ làm việc gồm 3 vị trí (RUN, STOP, TERM).

Tác giả mô tả chi tiết quy cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ S7-200:

• Truy cập bit: Tên miền + Địa chỉ byte + Chỉ số bit (ví dụ: I0.0, Q0.1).
• Truy cập byte: Tên miền + B + Địa chỉ byte (ví dụ: VB0, QB0, MB10).
• Truy cập từ đơn (Word - 16 bit): Tên miền + W + Địa chỉ byte cao (ví dụ: VW0, QW2, MW4).
• Truy cập từ kép (Double Word - 32 bit): Tên miền + D + Địa chỉ byte cao (ví dụ: VD0, QD2, MD4, ID0).

Chương này trình bày hệ thống phương pháp lập trình qua 3 ngôn ngữ: sơ đồ bậc thang (LAD), sơ đồ khối hàm (FBD) và danh sách lệnh (STL). Cơ chế vận hành của STL gắn liền với ngăn xếp logic 9 bit ($S_0$ đến $S_8$). Đồng thời, tác giả khảo sát chi tiết tập lệnh phong phú của S7-200:

• Lệnh vào/ra cơ bản: Lệnh tải tiếp điểm thường hở LD, thường đóng LDN, lệnh kích tức thời LDI, LDNI, và lệnh cuộn dây ngõ ra (=).
• Lệnh ghi/xóa tiếp điểm: SET (S) và RESET (R) tác động một mảng từ 1 đến 255 tiếp điểm; lệnh tức thời SI, RI.
• Lệnh đại số Boolean: AND (A), AND NOT (AN), OR (O), OR NOT (ON).
• Tiếp điểm đặc biệt: Phát hiện chuyển tiếp sườn lên (cạnh dương) và sườn xuống (cạnh âm), với giới hạn tối đa 256 lệnh trên CPU 224.
• Lệnh định thời (Timer): Kiểu trễ không nhớ TON (tự động xóa khi ngõ vào về 0) và có nhớ TONR (giữ nguyên giá trị khi mất tín hiệu ngõ vào). CPU 212 hỗ trợ 64 Timer, CPU 214 hỗ trợ 128 Timer; phân chia theo 3 cấp độ phân giải: 1 ms, 10 ms và 100 ms.
• Lệnh đếm (Counter): Bộ đếm tiến CTU và đếm tiến/lùi CTUD với giá trị lưu trong thanh ghi 2 byte C-word, dải đếm tiến đạt tới 32.767 và đếm lùi tới -32.768.
• Lệnh xử lý dữ liệu nâng cao: Lệnh so sánh byte, word, dword (<=, ==, >=); lệnh cổng logic (ANDB, ANDW, WAND_DW, WOR_B, ORW, ORDW); lệnh di chuyển dữ liệu (MOVB, MOVW, MOVDW, MOVR); lệnh chuyển đổi định dạng (SEG chuyển hex sang LED 7 đoạn, BCDI, IBCD, đảo bit bù một INV_B, INVW, INV_DW); lệnh tăng giảm một đơn vị (INCB, DEC_B... giám sát tràn qua bit nhớ SM1.2); lệnh số học (+I, -I, MUL, DIV với bit cảnh báo SM1.3); và lệnh truy cập đồng hồ thời gian thực READ_RTC (TODR), SET_RTC (TODW) qua bộ đệm 8 byte (Byte 0: Năm, Byte 1: Tháng, Byte 2: Ngày, Byte 3: Giờ, Byte 4: Phút, Byte 5: Giây, Byte 6: Không dùng, Byte 7: Ngày trong tuần).

Chương 3: Động cơ một chiều

Chương 3 trình bày cấu tạo, nguyên lý vận hành và các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều.

Về cấu tạo, động cơ điện một chiều gồm hai bộ phận chính:

• Phần tĩnh (Stator): Cực từ chính gồm lõi thép kỹ thuật điện (hoặc thép cacbon dày 0.5–1 mm ép chặt) lồng cuộn dây kích từ bằng đồng bọc cách điện; cực từ phụ đặt xen kẽ nhằm cải thiện điều kiện đổi chiều; gông từ bằng thép tấm uốn hàn (hoặc thép đúc, gang) vừa dẫn từ vừa làm vỏ máy; nắp máy bằng gang làm giá đỡ ổ bi; và cơ cấu chổi than tì chặt lên vành góp thông qua lực ép của lò xo.
• Phần quay (Rotor): Lõi sắt phần ứng dập rãnh từ các lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic dày 0.5 mm phủ sơn cách điện) có lỗ thông gió dọc và ngang trục; dây quấn phần ứng bằng đồng cách điện chèn chặt vào rãnh bằng nêm tre/gỗ/bakelit; cổ góp (vành đổi chiều) cấu tạo từ nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn ghép cách điện với nhau bằng mica dày 0.2 mm; cánh quạt gió làm mát và trục máy bằng thép cacbon.

Về phương pháp khởi động, tác giả phân tích 3 giải pháp mở máy chính:

1. Mở máy trực tiếp ($U = U_{đm}$): Tốc độ ban đầu bằng 0 dẫn đến dòng mở máy $I_{mm}$ cực lớn, gây nung nóng cuộn dây, sụt áp mạng điện và tạo xung lực cơ học có hại cho hệ truyền động.
2. Mở máy bằng biến trở: Đưa thêm các cấp điện trở phụ vào mạch phần ứng để giới hạn $I_{mm} \le 2,5 I_{đm}$, sau đó loại bỏ dần từng cấp điện trở khi tốc độ tăng lên nhằm giữ mômen gia tốc ở mức cao cho tới khi đạt tốc độ định mức. Trong suốt quá trình này, biến trở mạch kích từ phải giữ ở giá trị nhỏ nhất để duy trì từ thông cực đại ($\Phi = \Phi_{đm}$), tuyệt đối không để đứt mạch kích từ vì sẽ làm mất từ thông ($\Phi = 0$), triệt tiêu mômen quay và gây cháy phần ứng do dòng tăng vọt.
3. Mở máy bằng hạ điện áp ($U_{mm} < U_{đm}$): Áp dụng cho động cơ kích từ độc lập công suất lớn thông qua tổ hợp máy phát - động cơ (F-Đ), tránh được tổn hao năng lượng nhiệt trên biến trở cồng kềnh.

Chương 4: Ứng dụng PLC S7-200 để khởi động động cơ một chiều qua ba cấp điện trở phụ theo nguyên tắc thời gian

Chương 4 tập trung vào việc lựa chọn và xây dựng giải pháp điều khiển. Tác giả tiến hành so sánh đối chiếu giữa hai phương án điều khiển tự động kinh điển:

• Phương án điều khiển theo nguyên tắc tốc độ: Hệ thống cần trang bị rơle tốc độ để thụ cảm vận tốc quay của trục (loại ly tâm, máy phát tốc hoặc rơle cảm ứng gồm rotor nam châm vĩnh cửu liên kết stato lồng sóc có lò xo cản). Tiếp điểm chuyển mạch tác động khi tốc độ vượt qua ngưỡng đặt. Nhược điểm của phương án này là cấu tạo cơ khí phức tạp, độ nhạy cơ học dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường vận hành.
• Phương án điều khiển theo nguyên tắc thời gian: Tín hiệu chuyển cấp điều khiển được phát ra hoàn toàn dựa trên sự duy trì thời gian trễ của rơle định thời. Tác giả khẳng định nguyên tắc thời gian có ưu điểm vượt trội: giá trị thời gian chuyển mạch được cài đặt độc lập với các thông số mạch động lực, ảnh hưởng từ sự biến thiên của mômen cản phụ tải $M_c$, điện áp lưới hay nhiệt độ cuộn dây là không đáng kể. Thiết bị mạch điện đơn giản, hoạt động tin cậy và có hiệu quả kinh tế cao.

Từ sự phân tích này, tác giả lựa chọn giải pháp ứng dụng chức năng định thời của PLC S7-200 thay thế cho toàn bộ các rơle thời gian vật lý, trực tiếp lập trình điều khiển đóng cắt các công tắc tơ 1G, 2G, 3G để loại dần 3 cấp điện trở phụ mạch phần ứng theo quy luật thời gian.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Tổng hợp hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về thiết bị điều khiển khả trình PLC, cung cấp bảng phân tích đối chiếu định lượng về chi phí đầu tư và ưu thế kỹ thuật của PLC so với hệ rơle, mạch số và máy tính điều khiển.
• Khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng, phân bố không gian nhớ và tập lệnh toàn diện của dòng SIMATIC S7-200 của hãng Siemens, làm rõ cơ chế thực thi chu kỳ quét và các cổng truyền thông.
• Phân tích sâu sắc đặc tính cơ của động cơ điện một chiều và xác lập yêu cầu công nghệ mở máy an toàn qua biến trở mạch phần ứng với dòng khởi động bị chặn dưới ngưỡng $I_{mm} \le 2,5 I_{đm}$.
• Xây dựng giải pháp kỹ thuật khởi động động cơ một chiều qua 3 cấp điện trở phụ dựa trên nguyên tắc thời gian, ứng dụng các lệnh định thời Timer TON của S7-200 thay thế rơle thời gian cơ-điện truyền thống, giúp loại bỏ các tiếp điểm cơ khí dễ hỏng hóc và nâng cao độ ổn định cho hệ truyền động điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Bản đồ án chỉ tập trung vào một chế độ công nghệ duy nhất là khởi động thuận, không nghiên cứu quá trình đảo chiều quay hay các trạng thái hãm dừng động cơ (hãm động năng, hãm tái sinh, hãm ngược).
• Hệ thống điều khiển làm việc theo vòng hở theo nguyên tắc thời gian định trước, không tích hợp vòng phản hồi kín về dòng điện hoặc tốc độ thời gian thực để tự động tối ưu hóa thời điểm chuyển cấp điện trở khi phụ tải biến động đột ngột.
• Tác giả tự nhận định do giới hạn về mặt thời gian và kiến thức bản thân tại thời điểm thực hiện đồ án tốt nghiệp, công trình chưa triển khai đo đạc thực nghiệm trên mô hình vật lý hoàn chỉnh mà chủ yếu dừng lại ở thiết kế lý thuyết và giải thuật.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Thiết kế bổ sung mạch lực và giải thuật phần mềm để thực hiện đảo chiều quay cho động cơ điện một chiều.
• Ứng dụng các mô đun mở rộng Analog hoặc mô đun xử lý xung tốc độ cao của S7-200 kết hợp với encoder/máy phát tốc để xây dựng hệ điều khiển vòng kín theo nguyên tắc tốc độ hoặc dòng điện.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp khi thực hiện các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp có liên quan đến vi điều khiển khả trình và máy điện.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

• Bảng tổng hợp đối chiếu chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật giữa PLC và các công nghệ điều khiển truyền thống tại Chương I.
• Tài liệu tra cứu chi tiết về tập lệnh S7-200 (Timer, Counter, lệnh chuyển đổi, lệnh số học, truy xuất RTC) tại Chương II.
• Phương pháp phân tích đặc tính cơ khi khởi động động cơ điện một chiều và tiêu chí lựa chọn nguyên tắc điều khiển thời gian tại Chương 3 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong quá trình khởi động động cơ điện một chiều kích từ độc lập tuyệt đối không được để đứt mạch kích từ?
Nếu mạch kích từ bị đứt, từ thông kích từ sẽ triệt tiêu ($\Phi = 0$), dẫn đến mômen điện từ bằng 0 ($M = 0$) làm động cơ không thể quay. Khi đó sức phản điện động phần ứng bằng 0 ($E_ư = 0$), khiến toàn bộ điện áp nguồn đặt trực tiếp lên điện trở rất nhỏ của phần ứng, làm dòng điện phần ứng tăng vọt ($I_ư = U / R_ư$) gây cháy dây quấn phần ứng và phá hủy vành đổi chiều.

2. Chu kỳ quét (Scan cycle) của CPU trong PLC S7-200 diễn ra theo các giai đoạn nào?
Một chu kỳ quét của CPU S7-200 diễn ra tuần tự qua 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Đọc và chuyển dữ liệu trạng thái từ các cổng ngõ vào số vật lý vào vùng bộ đệm ảo I.
• Giai đoạn 2: Thực thi chương trình tuần tự từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1.
• Giai đoạn 3: Chuyển dữ liệu kết quả từ bộ đệm ảo Q tới các cổng ngõ ra số vật lý.
• Giai đoạn 4: Xử lý các yêu cầu truyền thông mạng (nếu có) và tự kiểm tra trạng thái hoạt động của CPU.

3. Sự khác biệt cốt lõi giữa hai kiểu Timer TON và TONR của S7-200 là gì?
Cả hai kiểu đều bắt đầu đếm thời gian trễ khi có sườn lên ở ngõ vào (từ 0 lên 1). Điểm khác biệt là khi tín hiệu kích ở ngõ vào trở về mức logic 0, Timer kiểu TON sẽ tự động Reset toàn bộ giá trị đếm và bit trạng thái về 0; trong khi Timer kiểu TONR có khả năng lưu nhớ giá trị đếm tức thời và không bị xóa khi mất tín hiệu ngõ vào (chỉ được Reset khi có lệnh tác động trực tiếp vào chân xóa R).

4. Vì sao tác giả lựa chọn nguyên tắc điều khiển theo thời gian thay vì nguyên tắc tốc độ để khởi động động cơ?
Điều khiển theo nguyên tắc thời gian cho phép chỉnh định các mốc trễ độc lập với các thông số mạch động lực, ít bị ảnh hưởng bởi sự dao động của mômen cản $M_c$, sụt áp lưới điện và nhiệt độ điện trở cuộn dây. Ngoài ra, sơ đồ mạch theo nguyên tắc thời gian dùng bộ định thời nội tại của PLC có cấu trúc đơn giản, vận hành tin cậy và kinh tế hơn so với việc phải lắp đặt thêm các rơle tốc độ cơ khí hoặc cảm ứng phức tạp.

5. Cơ cấu phân bổ chi phí lắp đặt một hệ thống PLC ban đầu theo khảo sát của tác giả gồm những khoản nào?
Chi phí triển khai một hệ thống PLC ban đầu gồm: 50% chi phí dành cho phần cứng PLC, 10% cho việc thiết kế khuôn khổ chương trình, 20% cho công tác soạn thảo và lập trình, 15% cho việc chạy thử nghiệm thực tế, và 5% chi phí hoàn thiện tài liệu kỹ thuật.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-200 khởi động động cơ một chiều" của sinh viên Vũ Thanh Bình đã giải quyết thành công bài toán thiết kế kỹ thuật điều khiển mở máy động cơ một chiều qua 3 cấp điện trở phụ. Bằng việc phân tích sâu sắc cấu trúc phần cứng, phân vùng bộ nhớ và tập lệnh của PLC S7-200 kết hợp với đặc tính cơ của máy điện một chiều, tác giả đã chứng minh tính hiệu quả và độ tin cậy của phương án điều khiển theo nguyên tắc thời gian. Công trình là tài liệu học thuật có cấu trúc rõ ràng, cung cấp cơ sở lý thuyết và giải pháp ứng dụng thiết thực cho các nghiên cứu thuộc chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PLC 1. Khái niệm, phân loại PLC 1.1 Khái niệm PLC là viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :  Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.  Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

 Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.  Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp.  Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các mô Modul mở rộng.  Giá cả có thể cạnh tranh được.

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian.Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Trang 2 Lớp: TĐ1Đ12 Đồ án CN: Điều khiển PLC GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. A, Cấu trúc của PLC PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC.

Điều này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau : Mô đun nguồn, Mô đun xử lý tín hiệu, Mô đun vào, Mô đun ra, Mô đun nhớ, Thiết bị lập trình. Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn ở hình bên dưới. Ngoài các mô đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ như mô đun kết nối mạng, mô đun truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu như mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào… Khối ngõ vào Bộ nhớ Đơn vị xử lý trung tâm Quản lý ghép Bộ nguồn nối Khối ngõ ra Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một PLC SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Trang 3 Lớp: TĐ1Đ12 Đồ án CN: Điều khiển PLC GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng.

Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng. B, Nguyên lý hoạt động của PLC  Đơn vị xử lý trung tâm CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra.

Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.  Hệ thống bus Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. - Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.

- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC. Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.

Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 18 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.  Bộ nhớ PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Trang 4 Lớp: TĐ1Đ12 Đồ án CN: Điều khiển PLC GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I /O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc.

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000 đến 16000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng. RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất.

Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn. EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được.

Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM. Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình.Đĩa cứng Hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài.

Kích thước bộ nhớ: - Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 đến 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo. - Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K đến 16K, có khả năng chứa từ 2000 đến 16000 dòng lệnh. SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Trang 5 Lớp: TĐ1Đ12 Đồ án CN: Điều khiển PLC GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.  Các ngõ vào ra I/O Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC ).

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản. Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.  Vòng quét chương trình.

PLC thực hiện các công việc theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scancyle), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số.

Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm trạng thái của CPU. Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau: Hình 1.2: Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Trang 6 Lớp: TĐ1Đ12 Đồ án CN: Điều khiển PLC GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳthuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông.

Trong vòng quét đó.