Bài giảng Điều khiển lập trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANGKHOA KHAI THÁC TSBỘ MƠN ĐIỆN – ĐTHH Nha Trang 2010 Yêu cầu – mục đích Yêu cầu: Sinh viên phải hiểu về các mạch điều khiển cĩ tiếp điểm. Trình độ cơ bản về máy tính. Mục đích: sau khi học xong mơn học này sinh viên: Hiểu biết các kiến thức cơ bản về điều khiển lập trình, cấu tạo phần cứng, phần mềm của hệ điều khiển lập trình. Phân tích, thiết kế, viết chương trình sử dụng PLC. Tài liệu tham khảo [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Dỗn Phước – Tự động hĩa với SIMATIC S7-200 – NXB Nơng nghiệp 1997 [2] BM Điện-ĐTHH - Giáo trình “Điều khiển lập trình” [3] Sổ tay hướng dẫn sử dụng FX-TRN-BEG-E – Khoa Điện Trường ĐH Cơng nghiệp Tp.HCM, Cơng ty TNHH Sa Giang [4] Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương – PLC Lập trình ứng dụng trong cơng nghiệp - NXB KHKT - 2008 [5] W. Bolton - Programmable Logic Controllers [6] Hugh Jack - Automating Manufacturing Systems with PLCs [7] SIEMENS - S7-200 Programmable Controller System Manual - Edition 04/2002 [8] Visual Guide to Programming OMRON PLCs NỘI DUNG Chương 1 Đại cương về điều khiển lập trình Chương 2 Cấu trúc và phương pháp hoạt động của PLC Chương 3 Các phép tốn nhị phân của PLC Chương 4 Các phép tốn số của PLC Chương 5 Các họ PLC khác PLC là thiết bị điều khiển Logic lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển Logic thơng qua 1 ngơn ngữ lập trình Bản chất PLC là gì? Cĩ bao nhiêu loại PLC? Nên sử dụng loại nào? Chọn ngơn ngữ lập trình nào? PLC (Programmable Logic Control) Các loại PLC S7 của Siemens Vai trị của PLC Trong một hệ thống tự động, nĩi chung PLC đuợc ví như là “con tim” của hệ thống điều khiển. Với chương trình ứng dụng điều khiển (được lưu trữ trong bộ nhớ PLC) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tính hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào. Sau đĩ sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết PLC cĩ thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản cĩ tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ cĩ thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của một quá trình phức tạp. Ưu điểm của PLC Những bất lợi của bảng điều khiển cổ điển Có quá nhiều dây trong bảng điều khiển Sự thay đổi hoàn toàn khó khăn Việc sửa chữa vô cùng phiền phức vì bạn phải cần đến nhà kỹ thuật giỏi Tiêu thụ điện năng lớn khi cuộn dây của rờ – le tiêu thụ điện Thời gian dừng máy là quá dài khi sự cố xảy ra, vì phải mất một thời gian dài để sửa chữa bảng điều khiển Nó gây ra thời gian dừng máy lâu hơn khi bảo trì và điều chỉnh khi các bản vẽ không còn nguyên vẹn qua thời gian nhiều năm. Thuận lợi của điều khiển lập trình Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le. Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển. Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống. Nhiều chức năng điều khiển. Tốc độ cao. Công suất tiêu thụ nhỏ. Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt. Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng. Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới. Nhược điểm của PLC + Giá thành cao (phần cứng + phần mềm) + Địi hỏi người sử dụng phải cĩ chuyên mơn * * Về giá trị kinh tế Khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu ra và đầu vào. Quan hệ về giá thành với số lượng đầu vào/ra cĩ dạng như hình bên * * Khi tính đến giá cả của PLC thì phải kể đến các bộ phân phụ như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi...cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật. Nĩi chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt. Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp chọn bộ đĩng gĩi phần mềm đã được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu khơng thể tránh khỏi, do đĩ, vẫn cần thiết phải cĩ kỹ năng phần mềm. * * Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau: + 50% cho phần cứng của PLC + 10% cho thiết kế khuân khổ chương trình + 20% cho soạn thảo và lập trình + 15% cho chạy thử nghiệm + 5% cho tài liệu. Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên, nghĩa là hầu như chỉ cịn chi phí phần cứng. * * Ứng dụng của PLC PLC được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, Máy nông nghiệp, Thiết bị y tế, Oâtô (xe hơi, cần cẩu)… Thay đổi hệ thống nhanh chóng và dễ dàng Kích thước nhỏ gọn Sử dụng bộ điều khiển PLC Phân loại phương pháp điều khiển Trong lĩnh vực điều khiển Phương pháp điều khiển nối cứng Phương pháp đièu khiển lập trình được Trong các hệ thống điều khiển nối cứng: Nối cứng có tiếp điểm Nối cứng không tiếp điểm Nối cứng cĩ tiếp điểm Dùng các khí cụ điện như rơle, công tắc tơ kết hợp với các bộ cảm biến, các nút nhấn, công tắc. Các khí cụ điện này được nối lại với nhau theo một mạch điện cụ thể để thực hiện một yêu cầu công nghệ nhất định. Thí dụ: Mạch điều khiển đảo chiều quay, mạch khởi động giới hạn dòng hay mạch điều khiển động cơ chạy tuần tự và dừng tuần tự Điều khiển nối cứng không tiếp điểm Dùng các cổng logic cơ bản, các cổng logic đa năng hay các mạch tuần tự (gọi chung là IC số), kết hợp với các bộ cảm biến, các nút nhấn, công tắc. Các IC số này cũng được nối lại với nhau theo một sơ đồ logic cụ thể để thực hiện một yêu cầu công nghệ nhất định. Các mạch điều khiển nối cứng sử dụng các linh kiện điện tử công suất như SCR, Triac để thay thế công tắc tơ trong các mạch đông lực Trong hệ thông điều khiển nối cứng, các linh kiện hay khí cụ điện được nối vĩnh viễn với nhau. Do đó, khi muốn thay đổi lại nhiệm vụ điều khiển thì phải nối dây lại toàn bộ mạch điện. Với các hệ thống phức tạp thì không hiệu quả và rất tốn kém Phương pháp điều khiển nối cứng được thực hiện theo các bước sau : Phương pháp điều khiển lập trình được Trong các hệ thống điều khiển lập trình được, cấu trúc của bộ điều khiển và cách nối dây độc lập với chương trình. Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển đựơc ghi trực tiếp vào bộ nhớ của bộ điều khiển nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình (PG) hay máy vi tính (PC) Để thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ của bộ điều khiển, phần nối dây bên ngoài không bị ảnh hưởng. Đây là ưu điểm lớn nhất của phương pháp lập trình điều khiển được. Qui trình thiết kế điều khiển dùng PLC: 1. Xác định được qui trình điều khiển 2. Xác định tín hiệu vào ra 3. Soạn thảo chương trình 4. Nạp chương trình cho PLC 5. Chạy chương trình Cấu trúc của PLC PLC Cấu trúc phần cứng của PLC Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): là một vi xử lý định hướng hoạt động của PLC. Nĩ thực hiện các lệnh trong chương trình, xử lý tín hiệu xuất nhập và liên lạc với các thiết bị ngoại vi. Bộ nhớ: cĩ nhiều loại bộ nhớ. Đĩ là vùng chứa hệ điều hành và vùng bộ nhớ của người sử dụng: ROM (Read Only Memory) RAM (Random Access Memory) EPROM (Erasable Programable Read Only Memory) EEPROM (Electrically Erasable Programable Read Only Memory) Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC - Ngõ vào dạng số - Ngõ vào tương tự - Ngõ ra dạng số - Ngõ ra tương tự Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, thường là nút nhấn, cảm biến… Thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Mạch đầu vào (Input Unit) là các mạch điện tử làm nhiệm vụ phối ghép chuyển đổi giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu sử dụng trong PLC. Kết quả của việc xử lý sẽ được lưu ở vùng nhớ Input. Mạch đầu vào được cách ly về điện với các mạch trong PLC nhờ các diod quang. Mạch đầu ra (Output Unit) mạch điện tử đầu ra sẽ biến đổi các lệnh mức logic bên trong PLC (vùng nhớ Output) thành tín hiệu điều khiển như đĩng mở rơle… Thiết bị lập trình Các dạng tín hiệu ngõ vào của PLC Nút nhấn thường mở Nút nhấn thường đĩng Cơng tắc thường mở Cơng tắc thường mở Tiếp điểm thường mở Tiếp điểm thường mở Các thiết bị vào thường gặp Các thiết bị ra thường gặp PLC S7-200 điều khiển thiết bị Điều khiển dùng PLC Điều khiển qua contactor Thêm module mở rộng Gắn PLC lên Rail Số module mở rộng tối đa Đèn báo hiệu Đặt tên cho các ngõ vào ra Kết nối tín hiệu ngõ vào cho PLC Nút nhấn Công tắc Kết nối tín hiệu ngõ ra của PLC Bóng đèn Relay Kết nối tín hiệu PLC Cấu trúc bộ nhớ Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: Từ khĩa, địa chỉ trạm… Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đếm truyền thơng… Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng Vùng dữ liệu V : Variable memory. I : Input image register. O : Output image register. M : Internal memory bits. SM : Special memory bits. Truy xuất dữ liệu bằng địa chỉ vùng nhớ Cách gọi tên Byte.Bit So sánh cách gọi tên Byte, Word, và Double-Word đến cùng một địa chỉ Biểu diễn các số Số thực (hay cịn gọi là chấm động) cĩ thể biểu diễn bằng một con số đơn, chính xác, 32 bit cĩ định dạng như sau: từ +1.175495E-38 đến +3.402823E+38 cho phần dương, và từ -1.175495E-38 đến -3.402823E+38 cho phần âm. Số thực được truy xuất theo độ dài vùng nhớ là Double-Word. Cách gọi tên thanh ghi đệm ngõ vào (I) Ngay khi bắt đầu mỗi vịng quét, CPU sẽ lấy thơng tin các ngõ vào và ghi các giá trị này vào thanh ghi đệm ngõ vào. Chúng ta cĩ thể truy xuất thanh ghi đệm ngõ vào theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word Định dạng: Cách gọi tên thanh ghi đệm ngõ ra (Q) Ngay thời điểm kết thúc mỗi vịng quét, CPU sẽ chép các giá trị lưu trữ trong các thanh ghi đệm ngõ ra vào các ngõ ra. Chúng ta cĩ thể truy xuất thanh ghi đệm ngõ vào theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ biến (V) Chúng ta cĩ thể sử dụng vùng nhớ V để lưu trữ các kết quả tức thời của thao tác được điều khiển bởi các điều khiển logic trong chương trình. Vùng nhớ V cĩ thể được truy xuất theo Bit, Byte, Word, hay Double-Word. Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Bit (M) Vùng nhớ M như các relay điều khiển để lưu trữ các trạng thái tức thời của thao tác hay các thơng tin điều khiển khác. Truy xuất vùng nhớ này theo Bit. Tuy nhiên, chúng ta cũng cĩ thể truy xuất nĩ theo Byte, Word, hay Double-Word. Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ relay điều khiển tuần tự (S) Định dạng: Cách gọi tên các bit nhớ đặc biệt (SM) Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Timer (T) Trong CPU S7-200, các timer là các thiết bị thực hiện nhiệm vụ đếm thời gian. Các timer của S7-200 cĩ các độ phân giải như 1ms, 10ms, 100ms Định dạng: Cách gọi tên vùng nhớ Counter (C) CPU S7-200, các counter là các thiết bị thực hiện nhiệm vụ đếm mỗi lần chuyển trạng thái từ thấp lên cao khi cĩ tín hiệu ở ngõ vào của counter Định dạng: Sử dụng các giá trị hằng số Ví dụ: Địa chỉ truy nhập được qui ước với cơng thức Truy nhập theo bit: Tên miền (+) địa chỉ byte (+).(+) chỉ số bit. Ví dụ: V153.2 chỉ bit 2 của byte 153 vùng V Truy nhập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ byte trong miền. Ví dụ: VB153 chỉ byte 153 của vùng V Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ: VW153 chỉ từ đơn gồm 2 byte 153 và 154 thuộc miền V, trong đĩ byte 153 cĩ vai trị là byte cao trong từ Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ kép trong miền. Ví dụ: VD153 chỉ từ kép gồm 4 byte 153, 154 ,155 và 156 thuộc miền V, trong đĩ byte 153 cĩ vai trị là byte cao và byte 156 cĩ vai trị là byte thấp trong từ kép Tính Năng Của Các CPU S7-200 Xử lý chương trình Chương trình chính Chương trình con Chương trình ngắt Cấu trúc chương trình được rõ ràng hơn Ví dụ Các phương pháp lập trình Ladder Diagram (LAD): phương pháp dùng đồ thị để biễu diễn các ký hiệu logic của relay, contactor Statement list (STL): dùng ngơn ngữ gợi nhớ để mơ tả các phép logic và qua đĩ biểu diễn chức năng điều khiển, dạng chương trình này tương tự như chương trình cho vi xử lý Function Block Diagram (FBD): là phương pháp dùng các khối hàm để mơ tả các khối chức năng để thực hiện một phép tốn logic nào đĩ như AND, OR, EX-OR hoặc chức năng của bộ đếm, bộ định thì Dạng LAD Dạng STL Dạng FBD Ví dụ: Chương trình khởi động động cơ Một số bài tập Mạch khởi động trực tiếp động cơ Mạch đảo chiều quay động cơ KĐB ba pha Mạch khởi động 3 động cơ độc lập & dừng độc lập Khởi động tuần tự 3 động cơ Mạch khởi động sao/tam giác Một số lệnh vào/ra Một số lệnh vào Lệnh ra Các lệnh tiếp điểm đặc biệt Cĩ thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dịng cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt để tác động vào dịng cung cấp Các lệnh tiếp điểm đặc biệt NETWORK 1 LD I0.0 A I0.1 = Q0.0 NOT = Q0.1 NETWORK 2 LD I0.2 ON I0.3 = Q0.2 NETWORK 3 LD I0.4 LPS EU S Q0.3, 1 = Q0.4 LPP ED R Q0.3, 1 = Q0.5 Giản đồ thời gian NỘI DUNG 1. Lệnh điều khiển Timer 2. Lệnh điều khiển Counter 3. Một số ví dụ MỤC TIÊU BÀI HỌC Biết một số loại Timer, Counter trong bộ lập trình PLC Hiểu nguyên lý hoạt động của các loại Timer, Counter Ứng dụng các lệnh Timer, Counter viết chương trình điều khiển 1. Lệnh điều khiển Timer Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường gọi là khâu trễ. Phân loại : On-Delay Timer TIMER Off-Delay Timer On-Delay Timer Retentive Các loại Timer On Delay Timer Off Delay Timer On-Delay Timer Retentive Thời gian trễ T = PT*độ phân giải Giá trị đặt Số hiệu On Delay Timer On Delay Timer OFF => ON Ton Giản đồ thời gian Ton = PT*độ phân giải Ví dụ cách sử dụng On-Delay Timer Thời gian trễ T = PT*độ phân giải (T = 100*10ms = 1s) Off Delay Timer Off Delay Timer ON=>OFF Toff Giản đồ thời gian Ví dụ cách sử dụng Off-Delay Timer Thời gian trễ T = PT*độ phân giải (T = 100*10ms = 1s) VD cách sử dụng On-Delay Timer Retentive On-Delay Timer Retentive On-Delay Timer => Sự khác nhau giữa : và 2. Lệnh điều khiển Counter Counter là bộ đếm thực hiện đếm sườn xung trong S7 200 Phân loại : Up Counter COUNTER Down Counter Up/Down Counter Counter của PLC S7-200 Giá trị đếm Đếm lên Đếm xuống Đếm xuống Đếm lên Load Reset Reset Ví dụ cách sử dụng Down Counter VD cách sử dụng Up/Down Counter Đếm số xe vào đoạn đường có giới hạn số lượng xe lưu thông Ngõ vào Ngõ ra Reset Báo đầy GIẢN ĐỒ THỜI GIAN Phân địa chỉ vào/ra MƠ HÌNH ĐÈN GIAO THƠNG SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC Sơ đồ kết nối PLC CHƯƠNG TRÌNH PLC Đèn xanh 1 Đèn vàng 1 Đèn đỏ 1 Đèn xanh 2 Đèn vàng 2 Đèn đỏ 2 Start Stop CÂU HỎI BÀI TẬP So sánh giữa Timer khơng nhớ và Timer cĩ nhớ? Viết chương trình điều khiển động cơ khởi động sao/tam giác? Viết chương trình tạo xung? Viết chương trình điều khiển đèn giao thơng ngã tư, một tuyến đường ưu tiên? Cách tìm tài liệu trên mạng internet - www.google.com.vn => PLC timer counter siemens “logo!soft comfort application collection” - Online Help “simatic Step 7 – MicroWin 32 V3.2” DÂY CHUYỀN ĐĨNG HỘP TÁO Dây chuyền đĩng hộp táo gồm 2 băng tải: băng tải thùng và băng tải táo, cả hai băng tải đều được kéo bởi động cơ điện (xem hình ở trang sau). Dây chuyền hoạt động như sau: MƠ HÌNH DÂY CHUYỀN ĐĨNG HỘP TÁO Hoạt động START CB1 Tác Động CB2 Tác Động Hoạt động Yêu cầu Khi nhấn nút thì dây chuyền hoạt động, băng tải thùng chạy đưa thùng rỗng đến đúng vị trí của băng tải táo. Khi thùng đến đúng vị trí nĩ sẽ tác động vào 1 cơng tắc hành trình (cảm biến CB2 trên hình vẽ) làm trạng thái cơng tắc này ON. Khi đĩ băng tải thùng dừng và băng tải táo bắt đầu chạy làm táo rơi vào thùng. Mỗi khi cĩ một quả táo rơi vào thùng thì cảm biến quang đếm táo (cảm biến CB1 trên hình vẽ) chuyển trạng thái từ OFF sang ON. Khi đủ số táo qui định (chẳng hạn 10 trái/thùng) thì băng tải táo dừng lại, băng tải thùng lại chạy để đưa thùng rỗng khác đến đúng vị trí. Nhấn băng tải dừng lại. Phân địa chỉ vào/ra SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC CHƯƠNG TRÌNH PLC Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi ... vv. Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ nhớ Cartridge thêm vào.