CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC 1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC 1. Khái niệm về PLC Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành PLC là loại thiết bị được ứng dụng rất rộng rãi trong tự động hoá xí nghiệp công nghiệp và rất nhiều lĩnh vực khác. Thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, các thuật toán này có thể sửa đổi và thay thế một cách nhanh chóng và dễ dàng cho phù hợp với từng yêu cầu công nghệ.
PLC được thiết kế có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra và có thể lập trình với ngôn ngữ lập trình đơn giản và dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch, cho phép các kĩ sư không yêu cầu cao về máy tính và ngôn ngữ máy tính cũng có thể sử dụng được. PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và dễ trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc với máy tính 1. Lịch sử phát triển của PLC Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đầu tiên cho thiết bị điều khiển logic khả lập trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điều khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thế các rơ le do hỏng cuộn hút hay gãy các thanh lò xo tiếp điểm.
Mục đích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển. Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơ le. Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác.
Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao và khả năng lập trình dễ dàng. Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch vào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao. Vào cuối những năm bảy mươi việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử.
Các PLC có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn. PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất.
PLC khác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành. Khi được bật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác. Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley,Rocwel,Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá.
Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hoá. Tất cả mọi hoạt động của hệ thống từ đơn giản đến phức tạp đều được PLC điều khiển vì vậy PLC đóng vai trò rất quan trọng trong một hệ thống điều khiển, PLC có thể được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC. Thông qua các tín hiệu đầu vào (các tín hiệu ở dạng logic ON/OFF) mà PLC sẽ cho các tín hiệu đầu ra để điều khiển hoạt động các thiết bị của hệ thống. Cấu trúc chung của PLC Nếu không nhìn về khía cạnh giá thành, kích thước, mức độ phức tạp, tất cả các PLC đều có những thành phần cơ bản và đặc điểm chức năng giống nhau.
Một PLC bao giờ cũng gồm có 5 thành phần cơ bản: - Module xử lý tín hiệu -Module nhớ - Module nguồn - Mô đun vào/ra - Thiết bị lập trình Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn trên hình 1.1 Ngoài các module chính này, các PLC còn có các module phụ trợ như module kết nối mạng, các module đặc biệt để xử lý tín hiệu như module kết nối với các can nhiệt, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 4 module điều khiển động cơ bước, module kết nối với encoder, module đếm xung vào vv. Mođun Mođun Vào / Ra nguồn CPU Mođun nhớ Thiết bị lập trình Hình 1. Cấu trúc chung của PLC 1. Bộ xử lý tín hiệu Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là bộ phận chứa bộ vi xử lý.
Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra. Bộ xử lý tín hiệu có thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý hỗ trợ cùng với các mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính logíc, điều khiển và ghi nhớ các chức năng của PLC. Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính logíc theo chương trình, các phép tính đại số và điều khiển các đầu ra số hay tương ứng. Phần lớn các PLC sử dụng các mạch logic chuyên dụng trên cơ sở bộ vi xử lý và các mạch tích hợp tạo nên đơn vị xử lý trung tâm CPU.
Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Bộ vi xử lý nâng cao khả năng logic Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 5 và khả năng điều khiển của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độxử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ. Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình.
Chu kỳ này được gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển. Bộ nhớ Bộ nhớ của PLC có vai trò rất quan trọng, bởi vì nó được sử dụng để chứa toàn bộ chương trình điều khiển, các trạng thái của các thiết bị phụ trợ. Thông thường các bộ nhớ được bố trí trong cùng một khối với CPU. Thông tin chứa trong bộ nhớ sẽ xác định việc các đầu vào, đầu ra được xử lý như thế nào.
Bộ nhớ bao gồm các tế bào nhớ được gọi là bit. Mỗi bit có hai trạng thái 0 hoặc 1. Đơn vị thông dụng của bộ nhớ là K, 1K = 1024 từ(word), 1 từ(word) có thể là 8 bit. Các PLC thường có bộ nhớ từ 1K đến 64K, phụ thuộc vào mức độ phức tạp của chương trình điều khiển.
Trong các PLC hiện đại có sử dụng một số kiểu bộ nhớ khác nhau. Các kiểu bộ nhớ này có thể xếp vào hai nhóm: bộ nhớ có thể thay đổi và bộ nhớ cố định. Bộ nhớ thay đổi là các bộ nhớ có thể mất các thông tin ghi trên đó khi mất điện. Nếu chương trình điều khiển chứa trong bộ nhớ mà bị mất điện đột xuất do tuột dây, mất điện nguồn thì chương trình phải được nạp lại và lưu vào bộ nhớ.
Bộ nhớ cố định ngược lại với bộ nhớ thay đổi là có khả năng lưu giữ thông tin ngay cả khi mất điện. Bộ nhớ có thể chia làm các loại sau: - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random access Memory): đó là bộ nhớ cho phép đọc và ghi. Dữ liệu trong RAM dễ dàng sửa được nhưng sẽ bị mất đi khi PLC mất điện. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường dùng pin để lưu trữ dữ liệu và chương trình trong RAM.
- ROM (Read Only Memory): là loại bộ nhớ chỉ đọc, không thể thay đổi được dữ liệu trong ROM, ROM do nhà chế tạo chế sẵn chỉ nạp dữ liệu được một lần. - PROM (Programmable Read Only Memory): là loại bộ nhớ cải tiến từ ROM, là bộ nhớ trắng được ghi do nhà thiết kế. Tuy nhiên chương trình và dữ liệu được ghi trong PROM không thể xoá được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 - EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): là bộ nhớ cải tiến lên từ PROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng pin.
Nội dung dữ liệu và chương trình chứa trong EPROM có thể xoá được bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó ghi dữ liệu mới vào máy bằng máy nạp. - EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): là loại kết hợp ưu điểu của cả RAM và EPROM, dữ liệu trong EEPROM có thể xoá và nạp băng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn. Bộ nguồn Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V).
Module vào - ra Module vào - ra là phương thức liên lạc vật lý giữa hệ thống PLC với thế giới bên ngoài. Cho phép thực hiện các kết nối, thông qua các kênh vào - ra đến module vào và module ra. Cũng thông qua module vào - ra chương trình được nạp vào bộ nhớ. Module vào - ra có thể là số hoặc tương tự.
* Các dạng đầu vào: Các tín hiệu vào từ các thiết bị hay từ các cảm biến cung cấp các dữ liệu và thông tin cần thiết để bộ xử lý tín hiệu thực hiện các phép tính logic yêu cầu quyết định đến việc điều khiển máy hoặc quá trình. Các tín hiệu vào có thể lấy từ các thiết bị khác nhau như nút ấn, công tắc, can nhiệt, ten zô mét, vv.