Giáo trình PLC căn bản

Nội dung text: Giáo trình PLC căn bản

1. GIÁO TRèNH PLC CĂN BẢN
2. Ch−ơng 1 Giới thiệu về PLC I.1 Mở đầu Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị. Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất th−ờng rất phức tạp, có rất nhiều đại l−ợng vật lý phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn. Từng đại l−ợng vật lý đơn lẻ có thể đ−ợc điều khiển bằng một mạch điều khiển cơ sở dạng t−ơng tự hay gián đoạn. Điều khiển nhiều đại l−ợng vật lý đồng thời chúng ta không thể dùng các mạch điều khiển t−ơng tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển lô gíc. Tr−ớc đây các hệ thống điều khiển lô gíc đ−ợc sự dụng là hệ thống lô gíc rơ le. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơ le. Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng. Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thể hoàn toàn các thiết bị điều khiển lo gíc cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiêt bị điều khiển t−ơng tự. Các PLC đ−ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chức năng chính của PLC là kiểm tra trạng thái của các đầu vào và điều khiển các quá trình hoặc các hệ thống máy móc thông qua các tín hiệu trên chính đầu ra của PLC. Tổ hợp lô gíc của các đầu vào để tạo ra một hay nhiều tín hiệu ra đ−ợc gọi là điều khiển lô gíc. Các tổ hợp lô gíc th−ờng đ−ợc thực hiện theo trình tự điều khiển hay còn gọi là ch−ơng trình điều khiển. Ch−ơng trình điều khiển đ−ợc l−u trong bộ nhớ của PLC có thể bằng cách lập trình bằng thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC hoặc lập trình trên máy tính cá nhân nhờ các phần mềm chuyên dụng và truyền vào PLC qua mạng hay qua cáp truyền dữ liệu. Bộ xử lý tín hiệu, th−ờng là các bộ vi xử lý tốc độ cao, thực hiện ch−ơng trình điều khiển theo chu kỳ. Khoảng thời gian thực hiện một chu trình điều khiển từ lúc kiểm tra các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính lo gíc hoặc đại số để có đ−ợc tín hiệu điều khiển, cho đén khi phát tín hiệu đến đầu ra đ−ợc goi là chu kỳ thời gian quét. PLC trong công nghiệp th−ờng có cấu hình đơn giản nhất, bởi vì các ch−ơng trình trình điều khiển quá trình công nghệ hay máy móc th−ờng đ−ợc hoạt động 24/24 và không cần bất cứ sự can thiệp của con ng−ời trong quá trình điều khiển. PLC chỉ dừng quét ch−ơng trình điều khiển khi ngắt nguồn hoặc khi công tắc ngừng đ−ợc kích hoạt. Sơ đồ khối đơn giản hoá của PLC đ−ợc thể hiện trên hình 1.1. I.1 I.2 Cuộn hút Công tắc Mô đun Mô đun Vào CPU Ra Đèn tín hiệu Điện áp 110 V hoặc 220 V Hình 1.1 Sơ đồ khối của một bộ PLC đơn giản. 1
3. Trên đầu vào của PLC có thể có các kênh tín hiệu t−ơng tự hoặc các kênh tín hiệu số. Các kênh tín hiệu này xuất phát từ các cảm biến, từ các công tắc hành trình, công tắc đóng ngắt mạch điện hoặc từ các biến lô gíc t−ơng ứng với các các trạng thái của máy móc, thiết bị. Tín hiệu vào đ−ợc bộ xử lý trung tâm xử lý nhờ các phép tính lô gíc hay số học và kết quả là các tín hiệu ra. Các tín hiệu tín hiệu ra là các tín hiệu truyền điện năng đến cho các cơ cấu chấp hành nh− cuộn hút, đèn hiệu, động cơ vv. Điện áp trên đầu vào của PLC là điện áp công suất thấp, t−ơng ứng với mức từ 0V đến 5V một chiều. Khi ta nối các đầu vào có mức điện áp cao hơn 5V, th−ờng phải dùng các kênh có các mạch chuyển đổi để biến điện áp vào thành điện áp t−ơng đ−ơng với mức +/- 5VDC. Điện áp trên đầu ra của PLC có thể có nhiều mức điện áp khác nhau, nh−ng đều có mức năng l−ợng thấp. Nếu cần phải điều khiển cơ cấu chấp hành có mức năng l−ợng cao hơn, ta phải sử dụng các thiết bị khuyếch đại công suất. I.2 lịch sử phát triển của PLc Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đ−a ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên cho thiết bị điêù khiển lô gíc khả lập trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điêu khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và th−ờng xuyên phải thay thể các rơ le do hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm. Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi ch−ơng trình điều khiển. Các yêu cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà −u điểm chính của nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ s− sản xuất. Với thiết bị điều khiển khả lập trình, ng−ời ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất. Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC. Những PLC đầu tiên đ−ợc ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự −u việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này đ−ợc lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các x−ởng 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 đ−ợc đảm bảo bởi các mạch bán dẫn đ−ợc thiết kế thích ứng với môi tr−ờng công nghiệp. Các mạch vào ra đ−ợc thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu đ−ợc ẩm, chịu đ−ợc dầu, bụi và nhiệt độ cao. Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC t−ơng tự nh− sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển lô gíc, nên các kỹ s− đã làm quen với sơ đồ thang, dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua một quá trình đào tạo nào. Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trong thời gian đầu bị thất bại, cũng chính vì việc học sử dụng các phần mềm máy tính không dễ dàng ngay cả với các kỹ s−. Khi các vi xử lý đ−ợc đ−a vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các khả năng cơ bản của PLC đ−ợc mở rộng và hoàn thiện hơn. Các PLC có trang bị vi xử lý có khả năng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Các PLC không chỉ dừng lại ở chổ là các thiết bị điều khiển lô gíc, mà nó còn có khả năng thay thế cả các thiết bị điều khiển t−ơng tự. Vào cuối những năm bảy m−ơi việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử. Các PLC có thể điều khiển các thiết bị 2
4. cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển qua trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn. Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết bị “cứng” nh− các rơ le, cuộn hút và các tiếp điểm. Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp. Chúng đ−ợc sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý n−ớc và chất thải, công nghiệp d−ợc phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC vv. Các PLC có thể đ−ợc kêt nối với các máy tính để truyền, thu thập và l−u trữ số liệu bao gồm cả quá trình điều khiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất l−ợng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thay đổi ch−ơng trình điều khiển từ xa. Ngoài ra PLC còn đ−ợc dùng trong hệ thống quản lý năng l−ợng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi tr−ờng điều khiển trong các các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở. Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm tám m−ơi đã nâng cao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuât. Các PC giá thành không cao có thể sử dụng nh− các thiêt bị lập trình và là giao diện giữa ng−ời vận hành và hệ thống điêu khiển. Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, các PLC cũng đ−ợc trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể mô phỏng hoặc hiện thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điêu khiển. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo cho ta khả năng mô phỏng tr−ớc quá trình gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai. Máy tính cá nhân PC và PLC đều đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản xuất và cả trong các hệ thống dịch vụ. PLC đ−ợc sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động, các PLC này có tính năng t−ơng tự giống nhau, nh−ng 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 đ−ợc bất lên thì PLC chỉ chạy ch−ơng trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy đ−ợc hoạt động nào khác. Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi nh−: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá. Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệ thống công nghiệp. Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quả hơn. PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau: - Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một cức năng. - Tiết kiệm năng l−ợng: PLC tiêu thụ năng l−ợng ở mức rất thấp, ít hơn cả các máy tính thông th−ờng. - Giá thành thấp : Một PLC giá t−ơng đ−ơng cỡ 5 đến 10 rơ le, nh−ng nó có khả năng thay thế hàng trăm rơ le. - Khả năng thích ứng với môi tr−ờng công nghiệp: Các vỏ của PLC đ−ợc làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu đ−ợc bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu. Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này. 3
5. - Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có thể giao tiếp với môi tr−ờng công nghiệp. Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O. - Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ thang, t−ơng tự nh− sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông th−ờng. - Tính linh hoạt cao: Ch−ơng trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại ch−ơng trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng. I.3. Phân loại PLC Căn cứ vào số l−ợng các đầu vào/ ra, ta có thể phân PLC thành bốn loại sau: - micro PLC là loại có d−ới 32 kênh vào/ ra - PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ ra - PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra - PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra. Các micro – PLC th−ờng có ít hơn 32 đầu vào/ra. Trên hình 1.2 là ví dụ về micro PLC họ T100MD-1616 do hãng Triangle Research International sản xuất. Cấu tạo t−ơng đối đơn giản và toàn bộ các bộ phận đ−ợc tích hợp trên một bảng mạch có kích th−ớc nhỏ gọn. Micro – PLC có cấu tạo gồm tất cả các bộ phận nh− bộ xử lý tín hiệu, bộ nguồn, các kênh vào/ra trong một khối. Các micro – PLC có −u điểm hơn các PLC nhỏ là giá thành rẻ, dễ lắp đặt. Hình 1.2 Micro PLC họ T100MD-1616 Một loại micro PLC khác là DL05 của hãng Koyo, loại này có 30 kênh vào/ ra Hình 1.3. Micro PLC họ DL05 của hãng Koyo Một loại micro-PLC khác là loại xê ri 90 của Fanuc, hình 1.4. Loại này có 8 kênh vào và 8 kênh ra. 4
6. Hình 1.4. Micro-PLC xê ri 90 của Fanuc PLC loại nhỏ có thể có đến 256 đầu vào/ra. Trên hình 1.5 là PLC của hãng OMRON loại ZEN – 10C. Loại PLC này có 34 kênh vào/ ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên mô đun CPU, còn lại 3 mô đun vào/ ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi mô đun. Hình 1.5. PLC loại ZEN-10C của Omron Hãng Siemens có các PLC loại nhỏ nh− S5-90U, S5-95U, S5-100U (hình 1.6), S7 – 200 là các loại PLC loại nhỏ, có số l−ợng kênh vào/ ra nhỏ hơn 256. Cấu tạo của các PLC loại nhỏ cũng t−ơng tự nh− cấu tạo của các PLC loại trung bình, vì đều là dạng mô đun. Điểm khác biệt là dung l−ợng bộ nhớ, số l−ợng kênh vào/ ra của các mô đun khác nhau về độ lớn và tốc độ xử lý thông tin cũng khác nhau. PLC của Siemens đ−ợc dùng rộng rãi ở trong hầu hết các n−ớc có nền công nghiệp phát triển. 5
7. Hình 1.7. PLC S5-100U của Siemens Các PLC trung bình có thể có dến 1024 đầu vào/ra. Loại CJ1M của Omron trên hình 1.8 có 320 kênh vào/ ra. Hình 1.8. PLC loại CJ1M của Omron Loại PLC CQM1 hay CQMIH của Omron trên hình 1.9 có 512 kênh vào ra. Hình 1.9. PLC loại CQM1 của Omron 6
8. Hãng Siemens có một số xê ri S7-200 là cácloại PLC hạng trung bình. Số l−ợng kênh vào/ ra của S-300 có thể trong khoảng từ 256 đến 1024. Các PLC loại lớn có nhiều hơn 1024 đầu vào/ra. Loại này có tốc độ xử lý rất cao, dung l−ợng bộ nhớ lớn và th−ờng đ−ợc dùng trong điều khiển các hệ thống thiết bị công nghệ phức tạp. Hãng Omron có PLC loai CJ1 trên hình 1.10, là loại có tới 1280 kênh vào/ ra và loại CJ1H có tới 2560 kênh vào/ra. Hình 1.10. PLC loại CJ1 của Omron Hãng Omron còn có loai CS1 trên hình 1.11, là loại PLC cỡ lớn với 5120 kênh vào/ ra. Hình 1.11. PLC loại CS1 của Omron Các PLC loại lớn của Siemens là các loại xê ri S7-300, S7-400. Các loại này có số l−ợng kênh vào/ ra rất lớn. Các kênh này không thể đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua các bộ dồn kênh và tách kênh ( demultiplexeur và multiplexeur). Trên hình 1.12 là PLC S7- 400 của Siemens. Đây là loại PLC mạnh nhất của Siemens hiện nay. Cấu hình của PLC này đ−ợc biểu diễn bằng hình 1.13.a, 1.13.b. Các PLC trung bình và lớn có các mô đun vào/ra có thể lắp ráp với nhau trên cùng một giá đỡ tiêu chuẩn, cho phép lắp thêm hoặc tháo bớt ra mà không cần tắt nguồn. Các PLC đ−ợc kết nối với nhau thông qua mạng ETHERNET công nghiệp (hình 1.14). 7
9. Hình 1.12. PLC S7-400 của Siemens a, b, Hình 1.13. a, Cấu trúc của S7-400; b, Sơ đồ kết nối của S-400 Các PLC loại lớn th−ờng dùng để điều khiển ở mức cao. ở mức thấp th−ờng là các thiết bị điều khiển t−ơng tự, hay thiết bị điều khiển số với các PLC loại nhỏ, hay loại trung bình. ở mức thấp, chủ yếu là các thiết bị điều khiển trực tiếp các thiết bị công nghệ, các cơ cấu chấp hành, các động cơ, bơm, van, cuộn hút, đèn hiệu vv. Điều khiển ở mức cao bao gồm các điều khiển liên quan đến phần quản lý hệ thống và quản lý dữ liệu của hệ thống điều khiển. ở mức này, các dữ liệu có thể đ−ợc thu thập từ các các thiết bị điều khiển mức thấp hoặc từ bên ngoài hệ thống thông qua mạng nội bộ và mạng Internet. Các dữ liệu từ các PLC đ−ợc truyền về các máy tính trung tâm để l−u trữ và xử lý. Tr−ờng hợp các hệ thống sản xuất tự động có điều khiển bằng thống kê, đây chính là điều khiển ở mức cao, t−ơng ứng với cấu trúc quản lý của hệ thống. Hoạt động của hệ thống điều khiển 8
10. đ−ợc điều chỉnh dựa theo kết quả phân tích, đánh giá từ các dữ liệu thống kê, nh− vậy giúp cho việc sản xuất luôn ở dạng tối −u nhất và hiệu quả nhất. PLC S7-400 của Siemens là một trong những loại PLC lớn và rất mạnh trong các hệ thống điều khiển sản xuất qui mô nh− các nhà máy công nghiệp. Loại PLC này có thể kết nối trực tiếp qua mạng Ethernet công nghiệp với các thiết bị điều khiển mức cao hơn để trao đổi dữ liệu hoặc thông các các các kênh giao diện khác nh− MPI , PROFIBUS, EIB hay giao diện AS để thu thập dữ liệu và điều khiển nh− hình 1.14. Hình 1.14. Sơ đồ kết nối mạng của S7-400 trong công nghiệp I.4. thành phần cơ bản của plc Nếu không nhìn về khía cạnh giá thành, kích th−ớc, 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 6 thành phần cơ bản: - Mô đun xử lý tín hiệu - Mô đun vào - Mô đun ra - Mô đun nhớ - Mô đun nguồn 9
11. - Thiết bị lập trình Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản đ−ợc biểu diễn trên hình 1.15. Ngoài các mô đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ nh− mô đun kết nối mạng, các mô đun đặc biệt để xử lý tín hiệu nh− mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ b−ớc, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào vv Đầu vào Mô đun Mô đun Vào/ Ra nguồn Đầu ra CPU Thiết bị lập Mô đun nhớ trình Hình 1.15. Cấu trúc cơ bản của PLC Bộ xử lý tín hiệu Đây là bộ phận xử lý tín hiệu trung tâm hay CPU của PLC. Bộ xử lý tín hiệu có thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý hổ trợ cùng với các mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính lô gíc, điều khiển và ghi nhớ các chức năng của PLC. Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính lô gíc theo ch−ơng trình, các phép tính đại số và điều khiển các đầu ra số hay t−ơng 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 l−ợt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển đ−ợc đặt ra bởi ch−ơng trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra t−ơng ứng của PLC. Bộ vi xử lý nâng cao khả năng logic 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 độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ vv. Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của ch−ơng trình. Chu kỳ này đ−ợc gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thòi gian thực hiện xong một vòng các lệnh của ch−ơng trình điều khiển. Chu kỳ quét đ−ợc minh hoạ trên hình 1.16. 10
12. Bắt đầu chu kỳ Quét đầu ra Quét đầu vào (Bơm, van, cuộn hút) (Công tắc, nút ấn ) Chu kỳ quét Quét ch−ơng trình điều khiển Hình 1.16. Chu kỳ quét của PLC Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nh− các công tắc, cảm biến. Trạng thái của các tín hiệu vào đ−ợc l−u tạm thời vào bảng ảnh đầu vào hoặc vào một mảng nhớ. Trong thời gian quét ch−ơng trình, bộ xử lý quét lần l−ợt các lệnh của ch−ơng trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mãng nhớ để xác định các đầu ra sẽ đ−ợc nạp năng l−ợng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra đ−ợc ghi vào mảng nhớ. Từ dữ liệu của mảng nhớ tín hiệu ra, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện năng cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25 mi li giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra th−ờng rất ngắn so với chu kỳ quét của PLC. Bộ nhớ Bộ nhớ của PLC có vai trò rất quan trọng, bởi vì nó đ−ợc sử dụng để chứa toàn bộ ch−ơng trình điều khiển, các trạng thái của các thiết bị phụ trợ. Thông th−ờng các bộ nhớ đ−ợc bố trí trong cùng một khối với CPU. Thông tin chứa trong bộ nhớ sẽ xác định việc các đầu vào, đầu ra đ−ợc xử lý nh− thế nào. Bộ nhớ bao gồm các tế bào nhớ đ−ợc 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 th−ơng có bộ nhớ từ 1K đến 64K, phụ thuộc vào mức độ phức tạp của ch−ơng 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 ch−ơng trình điều khiển chứa trong bộ nhớ mà bị mất điện đột xuất do tuột dây, mất điện nguồn thì ch−ơng trình phải đ−ợc nạp lại và l−u vào bộ nhớ. Bộ nhớ cố định ng−ợc lại với bộ nhớ thay đổi là có khả năng l−u giữ thông tin ngay cả khi mất điện. Các loại bộ nhớ hay sử dụng trong PLC gồm : 11
13. a. ROM (Read Only Memory) b. RAM (Random Access Memory) c. PROM (Programable Read Only Memory) d. EPROM (Erasable Programable Read Only Memory) e. EAPROM (Electronically Alterable Programable Read Only Memory) f. Bộ nhớ flash Bộ nhớ ROM dùng để nhớ các lệnh điều khiển cơ bản của PLC, không thay đổi nội dung nhớ ngay cả khi mất điện. Trong số này chỉ có bộ nhớ RAM là bộ nhớ thay đổi, các bộ nhớ khác l−u thông tin trong bộ nhớ khi mất điện. Bộ nhớ RAM th−ờng hoạt động nhanh và dễ dàng nạp ch−ơng trình điều khiển ứng dụng cũng nh− các dữ liệu. Một số bộ nhớ RAM sử dụng pin để l−u nội dung nhớ khi mất điện. Bộ nhớ RAM đ−ợc sản xuất từ công nghệ CMOS nên tiêu thụ rất ít năng l−ợng. Các PLC có thể đ−ợc mở rộng thêm nên bộ nhớ cũng phải tăng thêm. Ch−ơng trình điều khiển đơn giản chỉ cần dung l−ợng bộ nhớ bé, ng−ợc lại các ch−ơng trình phức tạp cần bộ nhớ dung l−ợng lớn. Bộ nhớ động đ−ợc sử dụng rộng rãi đó là bộ nhớ RAM (Random Acces Memory). Bộ nhớ RAM hoạt động nhanh và là tạo ra và l−u các ch−ơng trình ứng dụng. Để chống lại khả năng mất dữ liệu khi mất điện, các PLC th−ờng sử dụng pin. Bộ nhớ tĩnh ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ không bị thay đổi khi dữ liệu nhớ khi tắt nguồn hoặc mất điện. Bộ nhớ ROM dùng để nhớ các lệnh cơ bản và các hàm toán học của PLC. EEPROM (Ellectrically Erasable Programable Read Only Memory) là bộ nhớ tĩnh có khả năng xoá bằng lập trình lại. EEPROM dùng để ghi ch−ơng trình ứng dụng. Ng−ời sử dụng có thể truy cập vào hai vùng nhớ của PLC là vùng nhớ ch−ơng trình và vùng nhớ dữ liệu. Vùng nhớ ch−ơng trình là nơi chứa ch−ơng trình điều khiển ứng dụng, các ch−ơng trình con và các lỗi của ch−ơng trình. Vùng nhớ dữ liệu l−u trữ các dữ liệu liên quan đến ch−ơng trình điều khiển nh− dữ liệu vào/ra; giá trị đầu, giá trị tức thời và giá trị cuối của bộ đếm lệnh hay bộ đến thời gian; các hằng số và các biến của ch−ơng trình điều khiển. Hai vùng nhớ này đ−ợc gọi là bộ nhớ dành cho ng−ời sử dụng. Bộ xử lý tín hiệu còn có bộ nhớ hệ thống dùng để ghi các dữ liệu trung gian trong quá trình thực hiện các phép tính, các lệnh của ch−ơng trình và phối hợp giữa chúng; quét các dữ liệu vào và gửi cá dữ liệu ra mới đến mô đun ra. Bộ nhớ hệ thống do nhà sản xuất lập trình từ khi xuất x−ởng nên không thể thay đổi đ−ợc và ng−ời sử dụng cũng không thể truy cập đ−ợc. Mô đun vào/ra Hệ thống các mô đun vào/ ra có khả năng kết nối giữa các thiết bị công nghệ với bộ vi xử lý. Hệ thống này dùng các mạch vào khác nhau để ghi nhận hoặc đo l−ờng các đại l−ợng vật lý của quá trình công nghệ nh− chuyển động, cao độ, nhiệt độ, áp xuất, l−u l−ợng, vị trí, tốc độ vv. Trên cơ sở các dữ liệu thu đ−ợc, bộ xử lý tín hiệu tiến hành các phép tính lô gíc hay số học để xác định giá trị mới của tín hiệu ra. Các mô đun ra đ−ợc nối để điều khiển các van, động cơ, bơm và báo động khi thực hiện quá trình điều khiển máy hoặc điều khiển hệ thống sản xuất. Trên hình 1.17 là sơ đồ kết nối của một bộ micro PLC với các thiết bị của môi tr−ờng làm việc. Điện áp 24 VDC không chạy từ bên trái qua bên phải sơ đồ thang nh− các mạch rơ le “cứng”. Điện áp ở đây chỉ đóng vai trò thể hiện các biến lô gíc đầu vào. Mạch lô gic của PLC sẽ đảm bảo tính liên tục của lô gíc cho đến đầu ra. Nguồn trên mạch ra đ−ợc cấp đến các thiết bị bên ngoài nếu lô gíc của các kênh ra đ−ợc đảm bảo bảo thông suốt từ bên trái qua bên phải của từng bậc trong sơ đồ thang. 12
14. Đầu vào Đầu ra Cuộn hút Đèn Động cơ Đóng Đóng Hình 1.17. Sơ đồ kết nối của PLC với các thiết bị vào/ ra Tr−ờng hợp micro – PLC không có mô đun nguồn riêng biệt, thì nguồn điện đ−ợc lắp trực tiếp trên CPU. Trên hình 1.18 là ví dụ về sơ đồ đấu dây trên micro – 1000 PLC của hãng Allan Bradley. Nguồn điện áp vào cũng chính là nguồn đi đến các thiết bị đầu ra nh− bộ khởi động của bơm, bộ công tắc nhiệt. Nguồn điện +24VDC là nguồn lấy ra từ đầu ra của bộ nguồn, lại cấp cho các thiết bị đầu vào nh−: Công tắc cao độ, công tắc áp lực, công tắc hành trình, công tắc phụ bên ngoài của bơm. Nguồn vào xoay chiều 110VAC đ−ợc đấu đến các cầu có ký hiệu VAC t−ơng ứng với các kênh ra: kênh đến bộ khởi động bơm, kênh ra công tắc nhiệt. Đầu vào và đầu ra của PLC th−ờng đ−ợc gộp vào các mô đun. Các mô đun vào/ra có thể tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài nh− công tắc, cảm biến quang, công tắc tiệm cận. Các tín hiệu đ−ợc chuyển đổi từ điện áp 110VAC, 220VAC, +24DC thành tín hiệu ± 5 VDC. Bộ vi sử lý sẽ lấy tín hiệu này để xác định tín hiệu ra t−ơng ứng. Điện áp 5 VDC đ−ợc gửi ra mô đun ra, từ đây đ−ợc khuyếch đại lên mức 110VAC, 220VAC hay 24VDC tuỳ theo yêu cầu. Thông th−ờng một bộ chuyển đổi tín hiệu có giao diện phụ trợ đ−ợc sử dụng để chuyển trạng thái của các đầu vào từ bên ngoài đến một vùng nhớ đệm xác định. Vùng nhớ đệm này đ−ợc định nghĩa trong ch−ơng trình chính của PLC. Nạp các tín hiệu vào CPU tức là nạp nội dung ghi ở vùng nhớ đệm vào sổ ghi của CPU. Nội dung trong từng vị trí nhớ sẽ đ−ợc thay đổi kế tiếp nhau. Mô đun Vào/ Ra th−ờng tách khỏi mô đun CPU và đ−ợc gá trên ray chung. Các đèn báo trên mô đun Vào/Ra báo hiệu trạng thái làm việc hay sự cố. Các mô đun này đ−ợc cách điện và có cầu chì để đẩm bào an toàn cho bộ vi xử lý. Trong mô đun Vào/Ra thông th−ờng gồm các mạch sau: g. Nguồn AC vào / ra h. Nguồn DC vào / ra 13
15. i. Các kênh vào / ra số j. Các kênh vào/ ra t−ơng tự k. Các môđun chuyên dụng: điều khiển động cơ b−ớc, thiết bị điều khiển PID, bộ đếm thời gian cao tốc, mô đun điều khiển servo vv. Các mô đun vào/ ra th−ờng nối với nguồn năng l−ợng mức cao nên phải cách điện tốt với mô đun CPU. Các kênh vào t−ơng tự sử dụng cho việc lấy tín hiệu từ các cảm biến t−ơng tự : - Cảm biến l−u l−ợng - Cảm biến độ ẩm - Cảm biến áp xuất - Cảm biến nhiệt độ - Cảm biến áp xuất - Cảm biến vị trí / tốc độ / gia tốc - Cảm biến lực Các kênh ra t−ơng tự th−ờng đ−ợc nối với các cơ cấu chấp hành t−ơng tự: - Các động cơ DC và AC - Các van và các động cơ, xi lanh thuỷ khí - Các thiết bị đo t−ơng tự. Các kênh vào số th−ờng nối với các cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt (On/Of) nh−: - Cảm biến quang điện, - Cảm biến tiệm cận - Cảm biến xung điện - Các công tắc Các kênh ra số có thể nối với các thiết bị nh−: - Các cuộn hút cho van điện từ - Các động cơ b−ớc - Các cơ cấu đóng ngắt vv. 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 lô gíc 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 nh− nút ấn, công tắc, can nhiệt, ten zô mét, vv. Tín hiệu vào đ−ợc nối vào các mô đun vào để lọc tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu về mức năng l−ợng thấp để bộ xử lý có thể sử dụng đ−ợc. Đầu vào có hai dạng là đầu vào dạng số và đầu vào dạng t−ơng tự. Đầu vào dạng số đ−ợc kết nối với các cầu nối kênh trên mô đun vào số, các kênh này chỉ có các tín hiệu hai trạng thái 0 hay I. Đầu vào t−ơng tự có thể là tín hiệu điện áp, dòng điện từ các cảm biến t−ơng tự. 14
16. Địa chỉ kênh Công tắc cao độ I/0 O/0 M1 I/1 VAC Bộ khởi động bơm I/2 O/1 K1 Công tắc áp lực I/3 VAC Công tắc nhiệt Công tắc hành trình I/4 O/2 I/5 VAC Công tắc phụ của I/6 O/3 bơm I/7 VAC I/8 O/4 I/9 VAC DC com O/5 +24 Vdc + VAC _ L L1 120 Vac N N Hình 1.18. Sơ đồ đấu dây của Micro-1000PLC của Allen Bradley Các dạng dầu ra Đầu ra của PLC là các tín hiệu cấp hay ngắt năng l−ợng để điều khiển máy hay quá trình. Các tín hiệu này là các tín hiệu điện áp từ các mạch ra và nói chung là chúng có mức năng l−ợng thấp. Các tín hiệu này thông th−ờng không truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành, mà truyền đến các bộ khuyếch đại công suất, hoặc các bộ chuyển mạch từ công suất thấp sang công suất cao hơn. Ví dụ tín hiệu điều khiển đóng mở van, tín hiệu này truyền đến cuộn hút của khởi động từ của động cơ, kích hoạt khởi động từ và mạch điện cấp vào động cơ đ−ợc đóng, động cơ chạy và bắt đầu đống hay mở van tuỳ theo 15
17. chiều quay của động cơ. Đầu ra cũng có hai dạng tín hiệu là dạng tín hiệu số hoặc tín hiệu t−ơng tự. Cấu trúc của các mô đun vào ra PLC đ−ợc sản xuất theo dạng mô đun hoá, để thay thế, bổ xung hoặc sữa chữa dễ dàng. Trên hình 1.19 là cấu tạo đặc tr−ng của các mô đun vào/ ra. Các mô đun này có cấu tạo là các mạch in chứa trong các hộp tiêu chuẩn hoá, có kênh truyền dữ liệu song song để có thể kết nối với nhau và truyền dữ liệu vào bộ xử lý. Mặt sau của các hộp này là các cầu nối và nguồn điện áp một chiều để cung cấp cho mạch in hoạt động. Các hộp chứa các mô đun vào/ra có thể lắp lên tủ điều khiển chính hoặc các tủ phụ nhờ các giá đỡ tiêu chuẩn. Các mô đun vào/ra số (Digital I/O) Các kênh vào/ra số là nét chung đặc tr−ng của phần lớn các hệ thống điều khiển số. Các kênh này đều có hai trạng thái nh− đóng/ ngắt, mở/ đóng nối qua các giao diện với bộ xử lý tín hiệu. Mỗi mô đun vào/ra số đều đ−ợc kích hoạt bởi điện áp nguồn do tín hiệu cấp, có thể là điện áp một chiều: +5VDC, +24VDC hay điện áp xoay chiều: 110VAC, 220VAC. Hình 1.19. Sơ đồ ghép nối các mô đun vào/ ra với CPU Kênh vào số nếu đ−ợc nối với công tắc đóng/ngắt thì thông th−ờng nó cấp nguồn điện áp vào trong các mạch in của mô đun. Mô đun vào sẽ chuyển đổi điện áp vào thành mức t−ơng đ−ơng với mức tín hiệu lô gíc mà bộ xử lý tín hiệu có thể xử lý đ−ợc. Giá trị lô gíc 1 t−ơng đ−ơng với bật hay đóng, và lô gíc 0 t−ơng đ−ơng với ngắt hay mở. Một mạch vào số đ−ợc biểu diễn trên hình 1.20. Nguồn điện áp cấp đến các thiệt bị bên ngoài có thể 16
18. là điện áp 110Vac, 220Vac, +24Vdc, +5Vdc. Các kênh trong mô đun vào này đều có mạnh chuyển đổi điện áp về điện áp +/-5Vdc. Điện áp trên đầu vào khi đi qua các thiết bị nh− công tắc, nút ấn, nút khởi động đi vào đến PLC thì trở thành tín hiệu lô gíc số chứ không còn là dòng điện chạy qua các tiếp điểm nh− trong mạch điện rơ le thông th−ờng. Phần lớn các mô đun vào đều có trang bị các đi ốt quang LED, để báo hiệu trạng thái của các tín hiệu vào. A Nút ấn (NC) 00 Công tắc phao (NC) 01 Công tắc hành trình (NO) 02 Công tắc hành trình (NC) 03 Công tắc áp suất (NO) 04 Công tắc áp suất (NC) 05 Công tắc l−u l−ợng (NC) 06 Công tắc nhiệt (NC) 07 B Dây nóng 110Vac Dây trung tính Hình 1.20. Sơ đồ đấu đây trên mô đun vào số Các mô đun ra số có các giao diện để cấp điện áp điều khiển cho cơ cấu chấp hành. Nếu kênh ra đ−ợc bật lên tức là có giá trị lô gíc 1 từ ch−ơng trình điều khiển, mạch ra sẽ đ−ợc cấp điện áp điều khiển để kích hoạt các cơ cấu chấp hành t−ơng ứng với kênh ra này. Sơ đồ ghép nối của mô đun ra đ−ợc minh hoạ trên hình 1.21. Trên mạch ra th−ờng đ−ợc trang bi cầu chì để đề phòng tr−ờng hợp dòng quá tải do dây bị chập, có thể làm hỏng cơ cấu chấp hành. Nếu cầu chì không có, thì nó phải đ−ợc bổ xung vào trong thiết kế của hệ thống. Các tín hiệu ra trên mô đun số cũng là các tín hiệu hoạt động với hai trạng thái đóng và ngắt hay bật (ON) và tắt (OFF). Các cơ cấu chấp hành dạng này có thể là động cơ, bơm, van, đèn hiệu vv. Các động cơ ở đây không điều khiển tốc độ hay vị trí 17
19. mà chỉ đơn thuần là chạy với với một tốc độ cố định hay là dừng chạy. Các xi lanh, các van khí nén hay thuỷ lực phần lớn dùng cho hai trạng thái là làm việc và không làm việc. Các trạng thái của đầu ra đ−ợc duy trì cho đến khi tính liên tục của lô gíc trên các bậc thang không còn đảm bảo. D ây nóng Dây trung tính 110Vac A Vào N 0 Bộ gia nhiệt 1 H1 Bộ gia nhiệt 1 2 H2 2 Van tr−ợt FV-1 3 FV-1 3 Van tr−ợt FV-2 4 FV-2 Bộ khởi động bơm số 3 4 5 P3 Bộ khởi động bơm số 4 P4 5 6 6 Bộ khởi động máy trộn 1 7 M1 Bộ khởi động máy trộn 2 7 8 M2 Dây trung tính N N Dây đấu bên ngoài Hình 1.21 . Sơ đồ đấu dây trên mô đun ra số Các mô đun vào/ra t−ơng tự (Analog I/O) Các mô đun t−ơng tự tạo khả năng theo dõi và điều khiển điện áp hoặc dòng điện t−ơng tự, t−ơng ứng với phần lớn các cảm biến, các động cơ, các thiết bị gia công, xử lý. Bằng việc sử dụng các kênh t−ơng tự phần lớn các đại l−ợng đ−ợc điều khiển trong quá trình có thể đo đ−ợc và điều khiển đ−ợc nhờ các giao diện t−ơng tự/ số A/D hoặc ng−ợc lại D/A. Giao diện t−ơng tự/ số th−ờng sử dụng chuẩn đơn cực (unipolar) hoặc l−ỡng cực (bipolar). Các kênh vào ra t−ơng tự có thể có mức năng l−ợng khác nhau, điện áp và dòng điện khác nhau. Các mức năng l−ợng này có thể chọn thông qua phần cứng hoặc phần mềm. Mô đun vào t−ơng tự đ−ợc kết nối với các cảm biến t−ơng tự nh− cảm biến vị trí, tốc độ, áp suất, nhiệt độ vv. Mô đun này có thể dùng trong các thiết bị đo tự động, các hệ thống thu thập dữ liệu, các hệ thống điều khiển tự động. Trên hình 1.22.a là mô đun ra số S5-100U của Siemens. 18
20. Các mô đun chuyên dụng Các mô đun số và t−ơng tự chiếm đến 80% các đại l−ợng vào/ ra trong các hệ thống điều khiển. Mặc nhiên để xử lý một số dạng tín hiệu hoặc dữ liệu, hệ thống điều khiển cần các mô đun chuyên dụng. Các mô đun này có các giao diện có thể xử lý các tín hiệu vào dạng tín hiệu từ can nhiệt, từ các bộ đếm xung, hay các tín hiệu không thể dùng các giao diện vào/ra tiêu chẩn. Các mô đun chuyên dụng này có thể đ−ợc trang bị thêm bộ vi xử lý để tao ra các giao diện thông minh. Các mô đun này có thể thực hiện toàn bộ các chức năng xử lý tín hiệu độc lập với CPU và chu trình quét của ch−ơng trình điều khiển. Ví dụ là mô đun điều khiển động cơ b−ớc hình 1.22.b, mô đun điều khiển vị trí hình 1.22.c của S5- 100U. Trong số các mô đun chuyên dụng có cả các mô đun truyền thông hình 1.22.d. Các mô đun này có thể trao đổi với hệ điều khiển phân tán, với mạng PLC khác, các máy tính chủ hoặc các thiết bị thông minh khác. a, b, c, d, Hình 1.22. Một số mô đun đặc biệt của PLC S5 - Siemens a, Mô đun ra t−ơng tự S5-100U; b, Mô đun điều khiển động cơ b−ớc; c, Mô đun điều khiển vị trí; d, Mô đun kết nối mạng Mô đun nguồn Th−ờng nguồn cấp cho PLC là nguồn điện l−ới xoay chiều AC để tạo ra nguồn một chiều DC cho các mạch bên trong của PLC. Nguồn điện l−ới có thể là 110 VAC, 220 VAC hay điện áp khác tuỳ thuộc theo yêu cầu của ng−ời sử dụng. Nguồn này cũng dùng để cấp năng l−ợng để đóng ngắt động cơ hay các các cơ cấu chấp hành khác nên cần phải đ−ợc cách điện tốt để tránh gây nhiễu cho mô đun CPU. Mô đun ghép nối mạng Mô đun này cho phép ghép nối các PLC với nhau, với máy tính và các hệ thống điều khiển số khác thông qua mạng nội bộ. 19
21. Mô đun phụ trợ Cho phép ghép nối với các thiết bị bên ngoài nh− màn hình, bàm phím, bộ lập trình cầm tay (hình 1.23), máy in, thiết bị mô phỏng, bộ nạp EPROM, máy tính dạng mô đun hoá, bộ xử lý đồ hoạ vv. Trong một số hệ thống điều khiển có cần đến màn hình để mô phỏng hay để theo dõi hoạt động của hệ thống, ng−ời ta có thể sử dụng một trong hai ph−ơng pháp sau: - Ph−ơng pháp thứ nhất là nối các mô đun vào ra của PLC vào một bảng điều khiển với màn hình màu, có trang bị các đèn tín hiệu và các bộ chỉ thị số. Ph−ơng pháp này phải kết nối cố định và nếu hệ phải mở rộng thêm sẽ không sử dụng đ−ợc. - Ph−ơng pháp thứ hai là sử dụng máy tính cá nhân, loại dùng trong môi tr−ờng công nghiệp có trang bị phần mềm đồ hoạ màu. Ph−ơng pháp này có −u điểm là dễ dàng thay đổi màn hình của quá trình điều khiển, có thể thực hiện một số choc năng cảnh báo, lập báo cáo và soạn thảo phần mềm cho PLC. I.5. Chu trình làm việc, lập trình và cấu trúc ch−ơng trình của PLC PLC thực hiện ch−ơng trình theo một chu trình kín đ−ợc lặp lại liên tục cho đến khi nào có lệnh dừng. Mỗi vòng lặp hay còn gọi là vòng quét đ−ợc bắt đầu bằng việc quét các số liệu từ các kênh vào/ra, chuyển các số liệu này đến vùng nhớ đệm đầu vào/ra, tiếp theo là b−ớc thực hiện các lệnh tiếp theo của ch−ơng trình nh− thực hiện các phép tính logic, các phép tính số học để xác định các tác động điều khiển, b−ớc kế tiếp là chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đệm đầu ra đến các kênh ra. Khi có một lệnh dừng nào đó xuất hiện thì PLC sẽ dừng các hoạt động x− lý thông tin và truyền tin để kiểm tra khối ch−ơng trình t−ơng ứng với lệnh ngắt. Quét các dữ liệu vào/ra Nạp vào vùng nhớ đệm Vòng quét của Thực hiện các b−ớc ch−ơng trình ch−ơng trình Chuyển dữ liệu từ vùng nhớ đệm đến đầu ra 20
22. Vòng quét càng ít lệnh dừng thì thực hiện càng nhanh. Nếu ch−ơng trình hoạt động bình th−ờng thì chu kỳ của mỗi vòng quét có độ dài nh− nhau. Tốc độ quét càng cao thì có thể cho phép nhập đ−ợc nhiều số liệu gần nh− đồng thời trong thời gian quét, và nh− vậy khả năng điều khiển đ−ợc đồng thời nhiều đại l−ợng là hoàn toàn có thể thực hiện đ−ợc. Khả năng xử lý tín hiệu trong một chu trình điều khiển không có hiện t−ợng trễ còn đ−ợc gọi là điều khiển trong thời gian thực. Các PLC và các PC ngày nay có tốc độ xử lý rất cao nên chất l−ợng của các hệ thống điều khiển số không kém chất l−ợng của các hệ thống điều khiển t−ơng tự. Chu kỳ quét của PLC th−ờng vào khoảng từ 1 đến 25 mi li giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra t−ơng đối ngắn so với chu kỳ quét của PLC. Phần lớn thời gian dùng cho việc tính toán các hàm điều khiển. Thông th−ờng ch−ơng trình đ−ợc nạp vào PLC bởi bộ lập trình cầm tay (hình 1.23), thiết bị lập trình chuyên dụng (hình 1.24) hay máy tính cá nhân (hình 1.25). Bộ lập trình cầm tay th−ờng dùng cho các PLC rẻ tiền, đơn giản. Bộ lập trình chuyên dụng đ−ợc trang bị màn hình và các phím t−ơng ứng với các phần tử của sơ đồ thang để tiện cho việc lập trình. Các thiết bị này cho phép kiểm tra việc thực hiện các lệnh của ch−ơng trình trong thời gian thực. Ngày nay ta th−òng sử dụng các phần mềm lập trình cho PLC trên máy tính và sau khi chay thử mô phỏng có thể nạp vào PLC thông qua cổng RS232. Bộ nạp EPROM cho phép nạp ch−ơng trình ghi trên EPROM vào bộ nhớ của PLC. Thiết bị mô phỏng th−ờng gắn với các đi ốt quang điện LED hoặc các côang tắc để thử nghiệm các b−ớc của ch−ơng trình logic. Bộ xử lý đồ hoạ th−ờng dùng để làm giao diện giữa hệ thống mô phỏng và hệ thống hiển thị bằng màn hình. Các PLC hoạt động liên tục từ lúc đ−ợc bật lên. Khác với máy tính thông th−ờng, PLC không cần có hệ điều hành, không cần có phần mềm nào ngoài phần mềm của ng−ời sử dụng và riêng đối với các máy CNC hoặc rô bốt có thể có thêm phần mềm đồ hoạ dùng cho mô phỏng các quá trình gia công hay các hoạt động của rô bốt . PLC lần l−ợt đọc các đầu vào, thực hiện tính toán, xác định các tác động điều khiển, truền các tác đông điều khiển đến đầu ra và lặp lại. Kết nối với mô đun vào là các đại l−ợng vật lý. Các đại l−ợng vào này có thể là có hai dạng: - các đại l−ợng t−ơng tự (analog): là các đại l−ợng đến từ các cảm biến t−ơng tự. - các đại l−ợng lô gíc: là các đại l−ợng thể hiện các trạng thái hay các điều kiện để thực hiện một hàm lô gíc hay chính là các quyết định lô gíc. Các đại l−ợng này đên từ các công tắc, cảm biến số. Các mô đun ra kết nối các đầu ra với các động cơ, các cuộn hút, các đèn tín hiệu vv. Tác động của ch−ơng trình điều khiển là các thao tác khởi động động cơ, dừng động cơ, bật/tắt đèn, kích hoạt một cơ cấu nào đó vv. Tất cả các PLC đều thực hiện các chức năng điều khiển về mặt bản chất là giống nhau. Tuy nhiên về cách thể bằng lập trình có thể khác nhau, phụ thuộc vào nhà sản xuất PLC. Mỗi đầu vào của PLC đ−ợc nối với một hay nhiều thiết bị mà qua đó dòng điện bị chặn lai hay đ−ợc cho đi qua. Nếu có điện áp trên đầu vào thì đầu vào đó đ−ợc đ−ợc xem nh− đang ở trạng thái bật. Ng−ợc lại nếu không có điện áp trên đầu vào, có nghĩa là đầu vào đang ở trạng thái tắt. PLC kiểm tra trạng thái các đầu vào và so sánh với ch−ơng trình lô gíc để đóng hay ngắt tín hiệu điện áp trên đầu ra. Các PLC không cần biết đến các các thiết bị có đ−ợc kết nối vào nó qua mô đun vào hay mô đun ra hay không, mà chúng chỉ đơn giản là kiểm 21
23. tra các trạng thái của các đầu vào và bật hay tắt các đầu ra t−ơng ứng với lô gíc của ch−ơng trình điều khiển. Mỗi vòng điều khiển hoàn thành đ−ợc gọi là một chu kỳ quét. Thời gian của một chu kỳ là rất quan trong, vì nó liên quan đến số l−ợng các đầy ra có thể điều khiển đ−ợc của PLC. Thời gian chu kỳ càng nhỏ PLC càng hoath động nhanh, càng có thể điều khiển đ−ợc nhiều đại l−ợng vật lý khác nhau. Chính vì vậy PLC trở nên thiết bị điều khiển lý t−ởng cho các máy và thiết bị công nghiệp. Khi ch−a có ch−ơng trình điều khiển PLC không thể hoạt động đ−ợc. PLC chỉ hoạt động khi đã có ch−ơng trình điều khiển nạp vào bộ nhớ của nó. Ch−ơng trình điều khiển có thể nạp vào PLC bằng 3 ph−ơng pháp khác nhau: - Lập trình nhờ các phần mềm lập trình trên máy tính và nạp ch−ơng trình lên PLC qua cổng RS232 hay qua cổng kết nối với mạng LAN hay mạng Internet. Máy tính cá nhân là ph−ơng tiện lập trình tốt nhất cho PLC, bởi vì chứng ta có thể quan sát đ−ợc nhiều dòng lệnh trên màn hình, soạn thảo và truy cập vào ch−ơng trình dễ dàng. Điều bất tiện là máy tính cá nhân không thích hợp lắm với môi tr−ờng công nghiệp và khả năng di chuyển kém. - Lập trình bằng thiết bị lập trình sách tay: lập trình trực tiếp vào bộ nhớ của PLC. Thiết bị này không dễ sử dụng nh− máy tính, những lại tiện cho việc mang đi theo ng−ời. Lập trình đ−ợc thực hiện từng dòng lệnh t−ơng ứng với từng bậc của sơ đồ thang. - Lập trình trên máy tính, nạp lên thẻ nhớ và sau đó nạp từ thẻ nhớ vào PLC qua cổng tiêu chuẩn. Các thẻ nhớ EEPROM là các bộ nhớ ROM có thể xoá và lập trình lại đ−ợc bằng điện. Ưu điểm của EEPROM là nó có thể thay đổi ch−ơng trình của PLC bằng cách cắm vào cổng của PLC. Hình 1.23. Thiết bị lập trình cần tay PG 605 của Siemens 22
24. Hình 1.24. Thiết bị lập trình chuyên dụng PG 730C Trên hình 1.25 là kết nối máy tính PC để lập trình và nạp vào PLC qua cổng nối tiêu chuẩn. Hình 1.25. Kết nối máy tính và PLC Khi nạp ch−ơng trình điều khiển từ PC đến PLC, để ch−ơng trình có thể chạy đ−ợc, nó phải đ−ợc nạp vào bộ nhớ của bộ xử lý. Khi nạp ch−ơng trình trực tiếp từ PC cần phảI chú ý các thao tác sau: 1. Tất cả các phần tử có liên quan đến PLC phải đ−ợc ngắt điện. 2. Nối PC với PLC theo đúng nh− hình 1.25. Nh− vậy Phần mềm PLC đ−ợc phép trao đổi với bộ xử lý của PLC. 3. Chuyển công tắc trên bộ xử lý sang chế độ điều khiển từ xa. 4. Bật công tắc nguồn để cấp điện vào PLC và các bộ phận của nó. 5. Thực hiện b−ớc tải ch−ơng trình điều khiển từ PC về PLC. 6. Khi việc tải ch−ơng trình đã hoàn tất, chuyển sang chế độ gián tiếp, ngừng kết nôi với PC (stay offline). Lúc này PLC có thể chạy ch−ơng trình mới nạp về. 23
25. Phần mềm lập trình cho PLC cũng cho phép PC truy cập trực tiếp vào ch−ơng trình đang l−u trong bộ nhớ của PLC. Khi đang ở chế độ truy cập trực tiếp (online), ch−ơng trình trong bộ nhớ của PLC sẽ đ−ợc hiển thị lên màn hình PC. Nếu ta đang có một ch−ơng trình nào đó mở sẵn khác với ch−ơng trình của PLC, thì phần mềm lập trình sẽ tự động đóng nó lại và chỉ mở ch−ơng trình có trong PLC mà thôi. Trên màn hình của phần mềm sẽ có cửa sổ với tín hiệu báo ta đang ở chế độ truy cập trực tiếp. Lúc này ta có thể thay đổi chế độ làm việc của PLC từ chế độ gián tiếp (offline) sang ch−ơng trình điều khiển từ xa. Thực hiện việc chạy ch−ơng trình điều khiển từ phần mềm lập trình trên PC, ta có thể theo dõi đ−ợc từng b−ớc thực hiện trên sơ đồ thang. Phần mềm lập trình còn cho phép dừng ch−ơng trình đang chạy trên PLC, khi chuyển sang chế độ ch−ơng trình điều khiển từ xa. Để nhận biết tính năng của một PLC nào đó ta phải dựa vào đặc tính kỹ thuật của PLC đó. Ví dụ PLC Simatic S5 –100U của Siemens có các đặc tính sau: - Dung l−ợng nhớ: 1024 lệnh - Bộ nhớ tĩnh: EPROM và EEPROM - Thời gian thực hiện một phép tính nhi phân: 70às - Thời gian chu kỳ: 300ms - Biến trạng thái : 1024, trong đó 512 là biến tĩnh, tức là các biến có thể giữ các dữ liệu ngay cả khi mất điện. - Bộ đếm giờ: 16 - Khoảng đếm giờ: 0.01 đến 9990s - Bộ đếm: 16, trong đó 8 là bộ đếm tĩnh. - Khoảng đếm: 0 đến 999 (tăng hoặc giảm) - Kênh Vào/Ra số: 128 - Pin: Lithium (3.4V/850mA-h) - Tuổi thọ của pin: 5 năm - Nguồn trung tâm: 24V/0.8A - Cấu trúc của các mô đun vào số: o 4/8 kênh vào 24V DC/7mA o 4 kênh vào 24 – 60V DC/7.5mA o 4/8 kênh vào 115V AC/10mA o 4/8 kênh vào 230V AC/15mA - Cấu trúc của các mô đun ra số: o 4 kênh ra 24V DC/0.5A o 4 kênh ra 24V DC/2A o 8 kênh ra 24V DC/0.5A o 4 kênh ra 24 – 60V DC/0.5A o 4 kênh ra 115 – 230V AC/1A o 8 kênh ra 150 – 230V AC/0.5A o 4 kênh ra rơ le: 30V DC/230V AC Nh− vậy ta có thể thấy rằng S5-100U có thể sử dụng đ−ợc trong điều khiển hệ thống với 128 kênh vào/ra số. Ch−ơng trình điều khiển không dài quá 1024 dòng lệnh. Số l−ợng biến trong ch−ơng trình nhiều nhất là 1024. Một chu trình quét của PLC phải nhỏ 24
26. hơn hoặc bằng 300ms. Đây là PLC thế hệ của những năm 90 của Siemens. Ngày này PLC của Hãng này đã phát triển đến thế hệ S7-400, là những PLC rất mạnh và tốc độ rất cao. Các lệnh của ch−ơng trình của PLC th−ờng đ−ợc đ−ợc gộp vào các khối ch−ơng trình con và mỗi ch−ơng trình con đ−ợc liên kết với ch−ơng trình chính. Đối với các ch−ơng trình đơn giản thì cấu trúc ch−ơng trình chỉ gồm một khối. Lệnh 1 Lệnh 2 Vòng quét Lệnh cuối Đối với các ch−ơng trình lớn có nhiều lệnh lặp lại ng−ời ta có thể viét ch−ơng trình theo dạng có cấu trúc: Hệ Khối Khối Khối Khối Phụ phụ phụ Ch−ơng điều trình chính Khối Khối Khối hành phụ phụ phụ I.6. Ngôn ngữ lập trình cơ bản Ngôn ngữ lập trình cho phép ng−ời sử dụng trao đổi với thiết bị điều khiển khả lập trình thông qua thiết bị lập trình. Các nhà sản xuất PLC sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau, nh−ng tất cả các ngôn ngữ này đều sử dụng các lệnh để nạp kế hoạch cơ sở điều khiển vào hệ thống. Một ch−ơng trình điều khiển đ−ợc định nghĩa nh− một tập hợp các lệnh sắp đặt theo lô gíc điều khiển các hoạt động của một máy hay một quá trình công nghệ. Ví dụ ch−ơng trình có thể lệnh cho thiết bị điều khiển bật bộ khởi động động cơ khi nút ấn đ−ợc 25
27. ấn xuống. Ch−ơng trình cũng có thể đồng thời lệnh cho thiết bị điều khiển bật đèn trên tủ điều khiển khi tiếp điểm phụ trợ của bộ khởi động động cơ đ−ợc đóng. Ch−ơng trình đ−ợc viết bằng sự tổ hợp các lệnh theo một trình tự xác định. Ph−ơng thức tổ hợp các lệnh cũng nh− dạng của các lệnh đều đ−ợc tuân thủ theo những qui định chung. Các qui định và các lệnh tổ hợp với nhau tạo ra ngôn ngữ lập trình. Có bốn dạng ngôn ngữ hay cơ bản hay sử dụng cho các PLC thế hệ đầu tiên: 1. Bảng lệnh (STT) 2. Sơ đồ thang (LAD) 3. Sơ đồ khối hàm lô gíc (FBD) 4. Grafcet Ngôn ngữ Bảng lệnh STT: Đây là ngôn ngữ lập trình sử dụng các ký tự thông th−ờng để mã hoá các lệnh của. Cấu trúc của các lệnh t−ơng tự nh− ngôn ngữ Assembler dùng cho các bộ vi xử lý. Các lệnh này bao gồm các địa chỉ của các bit mà trên đó các lệnh này sẽ tác động lên. Ngôn ngữ bảng lệnh STT bao gồm một dải rộng các lệnh dễ hiểu để lập trình một ch−ơng trình điều khiển hoàn chỉnh. Ví dụ PLC Siemens S7 có đến 130 lệnh STT khác nhau và cả một dải rộng các địa chỉ phụ thuộc vào kiểu PLC đ−ợc sử dụng. Lệnh STT có hai cấu trúc cơ bản : - Cấu trúc thứ nhất chỉ có lệnh đơn thuần, ví dụ NOT. - Cấu trúc thứ hai gồm cả lệnh và địa chỉ. Địa chỉ của của mỗi lệnh chỉ thị một vị trí không thay đổi trong bộ nhớ, nơi mà lệnh đó tìm thấy giá trị và trên đó sẽ thực hiện các phép tính. Các lệnh lô gíc nhị phân là các lệnh cơ bản nhất của bảng lệnh STT. Các lệnh này thực hiện các phép tính lô gíc trên các bit đơn độc trong bộ nhớ của PLC. Các lệnh lô gíc cơ bản của bit gồm: AND (A), AND NOT (AN), OR (O), EXCLUSIVE OR (OR), EXCLUSIVE OR NOT (XN). Các lệnh này kiểm tra trạng thái tín hiệu của bit địa chỉ để tạo ra hoặc là lô gíc 1 (bit đ−ợc kích hoạt) hoặc lô gíc 0 (bit không đ−ợc kích hoạt). Các lệnh lô gíc bit còn đ−ợc gọi là các lệnh lô gíc rơ le, bởi vì chúng có thể thực hiện các tác động điều khiển thay thế cho các mạch lô gíc rơ le. Trên hình 1.23 là ví dụ về phép tính lô gic AND. Ch−ơng trình bảng lệnh STT ở cột bên trái và ch−ơng trình sơ đồ thang ở cọt bên phải để tiện so sánh cách diễn đạt lệnh. Lệnh AND lập trình nối hai tiếp điểm nối tiếp NO. Chỉ khi tín hiệu ở cảc hai bit địa chỉ bằng 1 thì trạng thái của bit đầu ra Q4.0 bằng 1, cuộn hút đ−ợc kích hoạt. STR X1 X1 X2 Y1 AND X2 OUT Y1 a, b, Hình 1.23. Lô gíc AND a, Bảng lệnh ; b, Sơ đồ thạng 26
28. Ngôn ngữ này bao gồm một tập hợp các ký hiệu mã hoá t−ơng ứng với một lệnh trong ngôn ngữ máy. Ngôn ngữ PLC của các nhà sản xuất khác nhau cũng rất khác nhau. Ngôn ngữ PLC rất gần với ngôn ngữ máy và rất thích hợp với ng−ời sử dụng đã làm quen với kỹ thuật số và máy tính. Mặt khác ngôn ngữ PLC là thứ ngôn ngữ duy nhất đ−ợc sử dụng bởi bộ lập trình đơn giản với khả năng hiển thi chỉ vài dòng lệnh đồng thời. Sau đây là phần giới thiệu ngôn ngữ bảng lệnh cổ điển. 1. Nhận dạng các biến: a. Biến vào Xn. Ký hiệu X chỉ biến vào nhị phân và chỉ số n ký hiệu địa chỉ của kênh nối với đầu vào. b. Biến ra Yn. Ký hiệu Y chỉ biến ra nhị phân và n chỉ địa chỉ của kênh nối với đầu ra. c. Biến trung gian IRn. Ký hiệu IR chỉ biến nhị phân trung gian (chỉ trong bộ nhớ) và n là chỉ số thứ tự t−ơng ứng. 2. Các lệnh: PLC sử dụng ba loại lệnh khác nhau: - Lệnh gọi biến vào / ra hoặc lệnh tính toán. - Lệnh đếm giờ hoặc lệnh đếm. - Lệnh điều khiển. Lệnh gọi biến vào/ ra hoặc tính toán: Các lệnh này thực hiện một trong các thao tác sau: + Chọn một biến xác định đ−ợc sử dụng nh− một biến gán (Operand), có thể là đầu vào hoặc đầu ra. + Thực hiện lệnh quét đầu vào hoặc đầu ra. + Thực hiện một số phép tính với một biến đã cho. Trong nhóm này có các lệnh sau: STR, STR NOT, OUT, OUT NOT, OR, OR NOT, AND, AND NOT, OR STR, AND STR. Lệnh STR: Lệnh này dùng để chọn biến đầu tiên của chuỗi lệnh (lệnh gọi). Ví dụ : STR X0 - Chọn đầu vào X0 STR Y6 - Chọn đầu ra Y6 STR IR2 - Chọn biến trung gian IR2 Lệnh STR NOT: là lệnh phủ định giá trị của biến đ−ợc chọn. Đây cũng là lệnh gọi và bắt đầu cho một chuỗi lệnh. Ví dụ : STR NOT X12 - Chọn biến vào X12 và phủ định biến này ( X12 ) STR NOT Y10 - Chọn biến vào Y10 và phủ định biến này (Y10 ) STR NOT IR9 - Chọn biến vào IR9 và phủ định biến này ( IR9 ) Lệnh OUT: Lệnh này chuyển dữ liệu ra kênh ra. Ví dụ: STR X0 OUT Y0 – chọ X0 và chuyển giá trị này ra kênh ra Y0. Lệnh OUT NOT: Lệnh này phủ định dữ liệu cần chuyển đến kênh ra. Ví dụ: STR X0 OUT NOT Y0 – Chọn giá trị vào X0, gán nó cho đầu ra Y0 giá trị phủ định của X0. Lệnh OR: Thực hiện phép cộng logic giữa hai hay nhiều biến. Ví dụ: STR Y5 OR X3 OR IR7 27
29. OUT Y0 Nội dung của chuỗi lệnh này : o Chọn biến ra Y5 o Thực hiện phép tính logic OR giữa Y5 và X3 o Thực hiện phép tính logic OR giữa kết quả phép tính tr−ớc với IR7 o Chuển kết quả tới kênh ra Y0 Đây chính là kết quả của phép tính sau: Y0 = Y5 + X3 + IR7 Lệnh OR NOT: Lệnh này thực hiện phép cộng logic với một hay nhiều biến khác, tiếp theo là phủ định kết quả. Ví dụ: STR IR13 OR NOT X10 OR NOT X14 OUT IR15 Đây chính là thực hiện phép tính logic : IR15 = IR13 + X10 + X14. Lệnh AND : Đây thực tế chính là phép nhân logic giữa hai hay nhiều biến logic. Ví dụ: STR NOT X0 AND X1 AND IR7 AND Y3 OUT Y10 Chuỗi lệnh này thực hiện các thao tác sau: - Gọi biến vào X0 và phủ định giá trị của nó. - Thực hiện phép nhân AND giữa X0 và X1. - Thực hiện phép nhân giữa IR7 và kết quả phép tính tr−ớc. - Thực hiện phép nhân giữa Y3 với kết quả của phép tính tr−ớc. - Chuyển kết quả ra kênh ra Y0. Đây là kết quả của phép tính: Y10 = X0.X1.IR7.Y3 . Giữa phép công và phép nhân logic không có gì khác biệt, lệnh nào theo trình tự đứng tr−ớc sẽ thực hiện tr−ớc. Ví dụ: STR X5 OR X3 AND Y5 OUT Y3 Đây là phép tính: Y3 = (X5 + X3).Y5 . STR X5 AND X3 OR Y5 OUT Y3 Đây là phép tính: Y3 = X5.X3 + Y5 Lệnh AND NOT: Lệnh này thực hiện phép nhân logic giữa hai hay nhiều biến và sau đó phủ định kết quả. Ví dụ: STR Y6 AND NOT X3 AND NOT IR9 AND NOT X9 OUT IR14 28
30. Đây là chuổi lệnh thực hiện phép tính: IR14 = Y6.X3.IR9.X9 . Lệnh OR STR: Lệnh này thực hiện phép công logic giữa hai chuỗi tr−ớc đó bắt đầu bằng STR hay STR NOT. Ví dụ: STR X7 OR X9 AND NOT Y5 STR NOT IR3 AND X6 OR NOT Y6 OR STR OUT Y8 Chuỗi lệnh này thực hiện các thao tác sau: - Gọi biến vào X7 - Thực hiện logic OR giữa X7 và X9 - Thực hiện logic AND giữa Y5 và X7+X9 - Bắt đầu chuỗi lệnh mới với lệnh gọi biến trung gian IR3 . - Thực hiện logic AND giữa IR3 và X6. - Thực hiện logic OR giữa Y6 và IR3.X6 . - Thực hiện phép tính OR giữa (X7 + X9).Y5 và IR3 + +X6 + Y6 . Kết quả của chuỗi này chính là: Y8 = [(X7 + X9).Y5]+ (IR3.X6 + Y6) Lệnh AND STR: là lệnh thục hiện phép nhân logic AND giữa hai chuỗi lệnh bắt đầu bằng lệnh gọi STR hay STR NOT. Ví dụ: STR X0 AND NOT X1 STR X2 AND X3 OR NOT Y0 AND STR OUT Y1 Chuỗi lệnh này thực hiện phép tính: Y1 = X0.X1.(X2.X3 + Y0) Lệnh đếm thời gian TMR và lệnh đếm CTR: Lệnh thời gian và lệnh đếm là các lệnh để tạo ra khả năng đóng ngắt, kéo dài thời gian thực hiện một lệnh hay một chuỗi lệnh ào đó trong ch−ơng trình. Các lệnh này là hàm của thời gian hoặc của số l−ợng xung đếm tác động lên đầu vào của chúng. Lệnh TMR: lệnh này sử dụng hai biến để thực hiện chức năng đếm thời gian là X i và X j . Đầu ra của lệnh thời gian có thể là một biến trung gian hoặc một đầu ra. Lập trình cho bộ đếm thời gian cần một chuỗi các lệnh sau: 1. Lệnh khởi động biến Xi 29
31. 2. Lệnh gọi biến Xj. 3. Lệnh TMR n chọn bộ đếm thứ n. Lệnh này khởi động bộ đếm thời gian n nếu Xi=1 ( Ch−a khởi động lại) và Xj cũng trở thành 1 ( đầu vào đ−ợc bật lên). 4. Một ch−ơng trình ghi trong bộ nhớ các giá trị của thời gian đ−ợc chọn. Ví dụ: STR X1 STR X0 TMR 0 10 OUT Y0 Biễu đồ thời gian của các biến nh− sau: X1 X0 Y0 t = 10 Lệnh đếm thời gian TMR có thể sử dụng đễ làm trễ thời gian đóng ngắt của một biến nào đó. Ví dụ: STR X5 STR X5 TMR 2 10 OUT Y5 Biểu đồ thời gian : X5 Y5 t =10 T−ơng tự nh− vậy, lệnh TMR có thể sử dụng để kéo dài thời gian của biến đang ở trạng thái đóng tr−ớc khi ngắt. Ví dụ: STR NOT X4 STR NOT X4 TMR 6 10 OUT NOT Y9 Nh− vậy biến ra Y9 sẽ đ−ợc ngắt trễ 10s từ lúc biến vào X4 đ−ợc ngắt. Biễu đồ thời gian: X4 X4 30
32. Y9 t =10 Lệnh đếm CTR: Lệnh này thực hiện chức năng của một bộ đếm với hai hoặc 3 biến. Tr−ờng hợp thứ nhất là đếm tăng, biến đầu tiên là biến khởi động và biến thứ hai là biến đếm. Tr−ờng hợp thứ hai là bộ đếm tăng/giảm, bộ đếm này sử dụng ba biến. Biến thứ nhất và biến thứ ba t−ơng tự nh− ở bộ đếm tăng. Biến thứ hai là biến chọn kiểu đếm tăng hay giảm t−ơng ứng với trang thái 0 hay 1. Ví dụ: STR X1 STR X0 CTR 3 10 OUT Y2 Biến Y2 trở thành 1 sau khi có 10 xung đếm trên đầu vào X0, đồng thời X1 giữ nguyên trạng thái 1 và chuyển về 0 khi X1 chuyển về 0. Biểu đồ thời gian: X1 X0 1 2 9 10 Y2 Chuỗi lệnh của bộ đếm tăng/giảm gồm : STR X2 STR X1 STR X0 CTR 4 10 OUT Y3 Biểu đồ thời gian: X2 X1 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 X0 Y3 Trong bộ đếm tăng giảm ở ví dụ trên ta thấy bộ đếm đã đếm đến 10, nh−ng biến X1 thay đổi trạng thái từ 0 sang 1, giá trị l−u trong bộ đếm đ−ợc đếm giảm cho đến khi X1 quay về trạng thái 0. Lúc này bộ đếm lại đếm tăng cho đến khi giá trị l−u trong nó đạt giá trị là 10. Đầu ra đ−ợc kích hoạt khi bộ đếm đạt giá trị cho tr−ớc (10). Đầu ra ngắt khi biến X2 chuyển về trạng thái 0. Các lệnh điều khiển: Các lệnh điều khiển ảnh h−ởng trực tiếp đến việc thực hiện các lệnh khác. Tất nhiên PLC có thể thực hiện ch−ơng trình không cần đến các lệnh này, nh− vậy 31
33. ch−ơng trình sẽ dài và cồng kềnh. Các PLC th−ờng sử dụng các cặp lệnh: JMP – JME, IL - ILC. Lệnh nhảy JMP – JME: Hai lệnh này gây ra việc thực hiện tất cả các lệnh nằm giữa chúng phụ thuộc vào kết quả phép tính logic nằm tr−ớc lệnh JMP. Nếu kết quả phép tính lô gíc tr−ớc lệnh JMP là 1 thì các lệnh nằm giữa JMP và JME đ−ợc thực hiện bình th−ờng. Nếu có các biến ra thì các biến này sẽ đ−ợc gán giá trị mới. Nếu kết quả tr−ớc lệnh JMP bằng 0 thì các lệnh này không đ−ợc thực hiện. Các biến nằm giữa hai lệnh này không thay đổi giá trị. Ví dụ : STR X0 OUT Y0 JMP STR Y0 AND X0 OUT Y1 STR X1 OUT IR2 JME Nh− vậy đầu tiên là lệnh gọi biến vào X0, sau đó gán Y0 bằng X0. B−ớc tiếp theo lệnh nhảy JMP thực hiện phụ thuộc vào giá trị của biến ra Y0 của lệnh tr−ớc nó. Lệnh JME kết thúc lệnh nhảy. Lệnh IL – ILC: Cặp lệnh này gây ra cho tất cả các biến trung gian và biến ra nằm giữa chúng thay đổi giá trị hay giữ nguyên tuỳ thuộc vào kết quả logic của lệnh nằm tr−ớc lệnh IL Ví dụ: STR X7 OUT Y10 IL STR X9 OUT Y9 STR X15 OUT Y15 ILC Đầu tiên là lệnh gọi biến vào X7, gán nó cho biến ra Y10. Nếu Y10 = 1, thì các lệnh tiếp theo nằm giữa IL – ILC đ−ợc thực hiện, ng−ợic lại các lệnh này không đ−ợc thực hiện, Y9 và Y15 giữ nguyên giá trị cũ. Ngôn ngữ Sơ đồ thang (LAD): Sơ đồ thang là ngôn ngữ thông dụng nhất, th−ờng đ−ợc dùng cho các ứng dụng của PLC, bởi vì nó rất đơn giản. Sơ đồ thang t−ơng tự nh− sơ đồ lô gíc rơ le cho nên các kỹ s− và các kỹ thuật viên đã sử dụng sơ đổ lô gíc rơ le thì không cần phải qua đào tạo cũng có thể sử dụng đ−ợc ngôn ngữ sơ đồ thang. Đây là dạng ngôn ngữ ký hiệu và các ký hiệu đuợc sử dụng t−ơng tự nh− các ký hiệu trong các hệ thống lô gíc rơ le. Sơ đồ thang gồm có các chuỗi ký hiệu nối tiếp nhau qua một dây nguồn, cấp dòng điện cho các thiết bị khác nhau. Bản vẽ sơ đồ thang có hai thành phần cơ bản là nguồn năng l−ợng và các thiết bị lô gíc điều kiện khác nhau tạo thành các bậc thang. Dòng diện lần l−ợt chạy qua từng bậc thang khi các đầu vào lô gíc hay các điều kiện lô gíc đ−ợc đáp ứng và kích hoạt 32
34. các cuộn hút của rơ le. Trong thiết kế các mạch lô gíc rơ le, ng−ời ta cố gắng chỉ ra các mạch điện cần thiết để thực hiện một thao tác của hệ thống điều khiển và sơ đồ nh− vậy còn đuợc gọi là sơ đồ đấu dây. Sơ đồ này thể hiện lô gíc điều khiển bằng vật chất cụ thể để đảm bảo cho dòng điện đi liên tục qua các phần tử kết nôi đầu vào cho đến các phần tử đầu ra nh− động cơ, cuộn hút vv. Đối với PLC thì điều này khác hẳn về bản chất, bởi vì sơ đồ thang trên PLC chỉ đảm bảo tính liên tục về lô gíc chứ không phải là cho dòng điện chạy qua từ đầu vào đến đầu ra. Đầu ra của PLC đ−ợc kích hoạt hay đ−ợc cấp năng l−ợng khi các biến lô gíc t−ơng ứng với các thiết bị “cứng” đảm bảo tính lô gíc liên tục từ đầu vào đến đầu ra. Mỗi bậc thang của sơ đồ thang trong PLC so với bậc thang t−ơng ứng trong sơ đồ đấu điện, thì chỉ là sơ đồ đấu “ảo” mà thôi. Trên hình 1.23 là ví dụ về sơ đồ thang của mạch điện và hình 1.24 là sơ đồ thang của PLC cho thao tác đóng bơm khi mức n−ớc giám quá mức tối thiểu. Các địa chỉ của bit lô gíc đ−ợc ký hiệu bởi các chữ I và O, tiếp theo là 5 chữ số thập phân. Bắt đầu ch−ơng trình, bộ xử lý kiểm tra trạng thái của nút ấn khởi động PB, khi nút ấn đ−ợc ấn xuống, lô gíc của bit này là I:010/00 trở thành 1. B−ớc tiếp theo là kiểm tra trạng thái của bit I:010/01 – trạng thái của mực n−ớc trông bể chứa. Nếu mực n−ớc thấp, trạng thái của bit này là 0 (OFF), lo gíc của bít khởi động bơm chuyển thành 1 (ON) bơm chạy. Trạng thái của bit khởi động bơm duy trì tính liên tục của mạch lô gíc và bơm tiếp tục chạy cho đến khi trạng thái của bit mực n−ớc chuyển sang trạng thái 1 (ON), tức là mạch lô gíc bị gián đoạn. Trên bậc thang thứ hai là khi lô gíc của bơm đang là 1 thì lô gíc của đèn tín hiệu chỉ bơm đang chạy có giá trị là 1, đèn sáng. I.1 I.2 Start Mực n−ớc thấp Rơ le điều khiển 1 Bậc 1 CR1 PB1 LSH 1 CR1 (1) (Tiếp điểm duy trì) Bậc 2 P1 CR1 (2) Hình 1.23. Sơ đồ thang của mạch điều khiển bơm Start Mực n−ớc thấp Chạy bơm PB I: 010/01 O: 000/00 33
35. Chạy bơm O: 000/00 Chạy bơm Đèn báo bơm chạy O: 000/00 O: 000/01 Hình 1.24. Sơ đồ thang điều khiển bơm của PLC Về mặt lô gíc cả hai sơ đồ hình 1.23 và hình 1.24 hoàn toàn t−ơng tự nh− nhau. Chính vì điều này các kỹ s− đã làm việc với sơ đồ thang của mạch điện không mất nhiều thì giờ trong việc học cách sử dụng sơ đồ thang trên PLC. Trong ch−ơng trình sử dụng sơ đồ thang có ba dạng lệnh đ−ợc sử dụng để tạo nên ch−ơng trình đó là: - Lệnh th−ờng mở NO (Normally Open), t−ơng ứng với tiếp điểm th−ờng mở trong mạch lô gíc rơ le. Lệnh NO trong PLC cũng t−ơng tự, nh−ng lệnh này yêu cầu bộ xử lý tín hiệu kiểm tra bit có ký hiệu t−ơng ứng với tiếp điểm này trong bộ nhớ. Nếu bit này là 1 (t−ơng ứng trạng thái bật ON) thì lệnh đ−ợc thực hiện và tính liên tục của lô gíc lại truyền tiếp tục trên bậc thang. Nếu bit này mang giá trị 0 tức là trang thái tắt OFF, thì lô gíc bị ngắt quãng, không thể tiếp tục truyền đi tiếp trên bậc thang. - Lệnh th−ờng đóng NC (Normally Closed) t−ơng ứng với tiếp điểm th−ờng đóng trên sơ đồ thang của mạch điện. Lệnh này còn gọi là lệnh ngắt vì khi thực hiện nó sẽ ngắt điện trong mạch điện hay ngắt mạch lô gíc trên PLC. Nếu bit t−ơng ứng với tiếp điểm th−ờng đóng có trạng thái lô gíc la 0, t−ơng đ−ơng với lô gíc OFF, lệnh đ−ợc thực hiện và tính liên tục của lô gíc đ−ợc truyền đi tiếp trên bậc thang. Nếu bit này có giá trị là 1 tức là lô gíc ON, thì lệnh th−ờng đống trở thành sai (FALSE), lô gíc bị ngắt quãng ở đây. - Lệnh ra cuộn hút : t−ơng tự nh− cuộn hút của rơ le trong sơ đồ thang. Lệnh này yêu cầu bộ xử lý chuyển giá trị lô gíc của vị trí xác định trong bộ nhớ t−ơng đ−ơng với cuộn hút lên trạng thái 1 hay ON (bật) nếu nh− tính liên tục của lô gíc tr−ớc đó đ−ợc đảm bảo. Nếu không có sự liên tục của lô gíc trên bậc thang thì bộ xử lý sẽ bật lệnh cuộn hút lên giá trị 0 hay OFF (tắt). Trong sơ đồ thang tất cả các lệnh đ−ợc thể hiện bằng sơ đồ t−ơng tự nh− các mạch điện điều khiển trong các tủ rơ le. Mục đích của ngôn ngữ này là : - đơn giản hoá việc thay hệ thống điều khiển bằng rơ le bởi PLC, - đơn giản hoá việc lập trình PLC cho các kỹ s− điều khiển đã quen với thiết kế của các hệ điều khiển rơ le. Để lập trình đ−ợc bằng ngôn ngữ LAD, ta cần phải đ−ợc trang bị bộ lập trình với màn hình đồ hoạ để có thể hiển thị đ−ợc sơ đồ thang. 34
36. 1. Nhận dạng biến: Các biến nhị phân đ−ợc biễu diễn bằng các công tắc xác định bởi một chữ cái và một chữ số xác định từ danh sách các lệnh Tuy nhiên việc ký hiệu công tắc cũng rất khác nhau, phụ thuộc vào tiêu chuẩn của n−ớc sản xuất. Biến vào Xi đ−ợc ký hiệu nh− sau: Xi Biến NO Xi Biến NC Biến trung gian IRi có thể là biến , có thể là đầu ra trung gian. Tr−ờng hợp thứ nhất biến IRi là biến trung gian thì ký hiệu của nó cũng t−ơng tự nh− ký hiệu của các biến vào Xi. IRi IRi Biến ra Yi: Yi / IRi 2. Chuỗi logic : X0 Y0 STR X0 Lệnh gọi biến vào: OUT Y0 Lệnh gọi và phủ định biến vào: X0 Y0 STR NOT X0 OUT Y0 Lệnh cộng OR: X2 STR X2 IR7 OR IR1 IR1 OR Y3 Y3 OUT IR7 35
37. X1 STR NOT X1 Y0 Y3 OR NOT Y0 OR NOT IR12 IR12 OUT Y3 Lệnh AND : X0 Y1 IR3 Y0 STR X0 AND Y1 AND IR3 OUT Y0 X0 Y3 IR6 IR0 STR NOT X0 AND NOT Y3 AND NOT IR6 OUT IR0 Lệnh OR và AND : X1 X6 Y2 STR X1 AND NOT X6 AND Y2 Y5 STR IR0 IR0 X7 IR2 AND X7 AND IR2 OR STR OUT Y5 Lệnh đếm thời gian TMR X0 STR X0 STRX1 TMR Y0 TMR 0 X1 100 100 OUT Y0 36
38. Lệnh đếm CTR STR X0 X0 STR X1 CTR 3 Y5 STR X2 X1 21 CTR 3 21 OUT Y5 X2 Ngôn ngữ Sơ đồ khối của hàm lô gíc FBD Sơ đồ khối của hàm lô gíc là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ. Ngôn ngữ này cho phép ng−ời lập trình xây dựng các qui trình điều khiển phức tạp bằng cách lấy các hàm từ th− viện FBD và viết chúng vào một diện tích đồ hoạ. Một khối hàm lô gíc biểu diễn quan hệ hay hàm giữa các biến đầu vào và đầu ra. Ta có thể xây dựng hàm hoàn chỉnh thao tác bởi ch−ơng trình FBD với các sơ đồ khối của các hàm cơ sở từ th− viện FBD. Mỗi khối hàm cơ sở có số l−ợng đầu vào/ra cố định trên các điểm nối. Đầu vào đ−ợc nối vào mặt bên trái của khối và đầu ra mặt bên phải. Hàm cơ sở thực hiện các hàm đơn giản giữa các đầu vào và đầu ra của nó. Kết quả của hàm lô gíc đ−ợc chuyển đến đầu ra. Tên của khối đ−ợc ký hiệu bằng các ký tự la tinh. Sơ đồ khối hàm logic là một ngôn ngữ ký hiệu, trong đó các tổ hợp khác nhau của các biến lô gíc đ−ợc biễu diễn bởi các ký hiệu logic tiêu chuẩn hoá. T−ơng tự nh− sơ đồ thang, để lập trình đ−ợc trong ngôn ngữ này ta cần phải có màn hình để hiển thị sơ đồ. 1. Các biến logic: T−ơng tự nh− các ngôn ngữ khác, các biến đ−ợc ký hiệu là các chữ in hoa. Các phần tử lô gíc có thể có nhiều dạng ký hiệu khác nhau, tuỳ thuộc vào tiêu chuẩn sử dụng: BS, AFNOR, ISO vv Các ký hiệu của các phần tử lô gíc theo chuẩn ISO nh− sau: A NOT: A 1 X X = A NOR: ≥1 X X = A + B B A AND: A & X X = A.B XOR: =1 X X= A. B + A .B B B OR: A A ≥1 X X = A+B Tổ hợp: B & X X =(A+B).C C 37
39. B 2. Các phép tính logic: T−ơng đ−ơng với các lệnh sau: STR X0 X0 1 = Y0 OUT Y0 X0 1 = Y0 STR NOT X0 OUT Y0 X3 STR X3 ≥1 OR Y4 = Y4 Y 0 OR IR0 IR0 OUT Y0 X3 STR NOT X3 ≥1 OR Y4 = Y4 Y 0 OR NOT IR0 IR0 OUT Y0 X0 STR X0 AND X1 & = Y0 OUT NOT Y0 X1 Y0 STR NOT Y0 AND NOT X0 X0 & = Y1 AND X1 X1 OUT Y1 Y0 STR NOT Y0 AND NOT X0 X0 & AND X1 X1 ≥1 = Y9 38
40. IR0 STR IR0 AND NOT X0 X0 & AND X1 X1 OR STR OUT Y9 Y0 STR NOT Y0 OR NOT X0 X0 ≥1 OR X1 X1 & = Y9 IR0 STR IR0 OR NOT X0 X0 ≥1 OR X1 X1 AND STR OUT Y9 TMR 0 STR X0 X0 10 STR X1 = Y0 TMR 0 X1 OUT Y0 CTR 5 X3 STR X3 STR X9 = 10 Y7 CTR 5 X9 10 OUT Y7 39
41. CTR 7 STR X3 X3 STR X4 10 STR X9 X4 = Y10 CTR 7 10 X9 OUT Y10 Ngôn ngữ Grafcet Đây là ngôn ngữ đ−ợc phát triển bởi các nhà khoa học Pháp vào năm 1982. Ngôn ngữ này đ−ợc đặt tên từ chữ viết tất của Graphe Fonctionnel de Commande Etapes – Transition (Đồ hoạ chức năng điều khiển giai đoạn – chuyển tiếp) do hai cơ quan khoa học của Pháp là AFCET ( Liên hiệp Pháp về kinh tế và kỹ thuật) và ADEPA ( Hiệp hội vê phát triển nền sản xuất tự động) hợp tác soạn thảo. Grafcet là công cụ đễ biểu diễn các hoạt động điều khiển của các hệ thống tự động. Trong các hoạt động của các hệ thống vật lý thì ta có thể gặp hai dạng hoạt động: hoạt động kế tiếp nhau và hoạt động đồng thời. Mỗi hoạt động hay mỗi trạng thái đ−ợc thể hiện bằng một khối hình vuông hoặc hình chữ nhật. Các hoạt động đ−ợc liên kết với nhau bằng các đoạn thẳng, giũa các đoạn thẳng này đ−ợc vạch bằng một gạch phân cách để chỉ trạng thái chuyển tiếp tức là kết thúc của một hoạt động và các điều kiện bắt đầu cho hoạt động tiếp theo. Đầu vào của một khối là điều kiện để bắt đầu của trạng thái hay của hoạt động kế tiếp và chính là kết thúc của một hay nhiều hoạt động tr−ớc đó. Ngôn ngữ Grafcet biểu diễn các hàm logic bằng sơ đồ của các chuỗi nhiệm vụ kế tiếp nhau. Ngôn ngữ này rất đơn giản cho ng−ời sử dụng, đặc biệt là đối với những ng−ời không am hiểu sâu về PLC. Grafcet là công cụ đ−ợc chuẩn hoá theo theo tiêu chuẩn của Pháp AFNOR. Từ Grafcet có thể chuyển sang ngôn ngữ máy, ngôn ngữ bảng lệnh, sơ đồ thang hay sơ đồ hàm logic. Mỗi trạng thái của hệ thống đ−ợc ký hiệu bởi một hình vuông có chỉ số của trạng thái đó. Chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái kia đ−ợc xác định bởi tác động đ−ợc thực hiện tại trạng thái đứng tr−ớc. 0 Trạng thái khởi động của Grafcet Bật công tắc i đèn L1 Ký hiệu sử dụng để diễn tả một hoạt động tại trạng thái đã biết. 40
42. Sự chuyển tiếp trạng thái của hoạt động thứ i sang hoạt động thứ j đ−ợc thể hiện bằng điều kiện chuyển tiếp CT (hình ) i CT Dung l−ợng dịch chuyển j Sơ đồ dịch chuyển từ trạng thái i sang trạng thái j. Có thể có khả năng chuyển từ một trạng thái sang hai trạng thái khác nhau: I i CT1 CT1 CT2 Tr−ờng hợp thứ nhất là tr−ờng hợp phân nhánh đơn của ch−ơng trình, t−ơng ứng với điều kiện CT1 hay điều kiện CT2. Một trong hai điều kiện đ−ợc đáp ứng, ch−ơng trình tiếp tục thực hiện các hoạt động tiếp theo. Tr−ờng hợp thứ hai là tr−ờng hợp phân nhánh song song. Hoạt động của các nhánh diễn ra đồng thời khi trạng thái chuyển tiếp CT1 đuợc đáp ứng. Ng−ợc lại cũng có khả năng từ hai hay nhiều trạng thái chuyển về một trạng thái: Tr−ờng hợp thứ nhất là một nhánh nào đó đã kết thúc hoạt động cuối cùng của nhánh, thì ch−ơng trình sẽ tiếp tục ở b−ớc tiếp theo. CTi CTj CTi K K Hình 41
43. Ch−ơng 2 Các hệ thống đầu vào và đầu ra Hệ thống các đầu vào/ra cung cấp các kết nối vật lý giữa các thiết bị bên ngoài và bộ xử lý trung tâm CPU. Các mạch giao diện đ−ợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến hay độ lớn của các đại l−ợng đo đ−ợc nh− tốc độ chuyển động, cao độ, nhiệt độ, áp suất và vị trí, thành các tín hiệu lo gíc để PLC có thể sử dụng đ−ợc. Dựa trên cơ sở của các giá trị cảm nhận đ−ợc hay đo đ−ợc, ch−ơng trình điều khiển trong PLC sẽ sử dụng các mạch điện ra khác nhau hoặc các mô đun ra để kích hoạt các thiết bị nh− bơm, van, động cơ, báo động để thực hiện điều khiển máy và quá trình. Các mạch vào I (Input) và các mạch ra O (Output) hoặc các mô đun đ−ợc lắp ráp trong vỏ của thiết bị, trong tr−ờng hợp micro-PLC thì các kênh I/O là một phần của của vỏ PLC. Phần lớn vỏ của các PLC có thể cài bất kỳ mô đun I/O vào một giắc cắm I/O nào đó. Vỏ của PLC đ−ợc thiết kế để tháo các mô đun I/O mà không cần tắt nguồn xoay chiều AC (Alternative Current) hay tháo các dây nối. Đa số các mô đun I/O sử dụng công nghệ mạch in và các bảng mạch đều có giắc nối để cắm vào phích cắm ở bảng mạch chính trên giá đỡ. Bảng mạch chính cũng là mạch in có ch−ac các cổng giao tiếp song song hoặc các kênh truyền thông tin đến bộ xử lý. Nguồn điện một chiều DC (Direct Current) đ−ợc cấp đến để kích hoạt mạch lô gíc và các mạch chuyển đổi tín hiệu trong các mô đun I/O. 2.1 Các đầu vào số Các kênh vào số thuộc nhóm lớn nhất của tín hiệu bên ngoài trong các hệ thống PLC. Thiết bị ngoại vi cung cấp tín hiệu vào số với hai giá trị khác hẳn nhau về bản chất, đặc tr−ng cho hai trạng thái đóng/mở, hay bật/tắt. Các thiết bị gián đoạn th−ờng xuất hiện phần lớn trong các ứng dụng điều khiển quá trình bao gồm: + Công tắc bánh gạt, + Công tắc nhiệt, + Công tắc l−u l−ợng, + Công tắc mức chất lỏng, + Công tắc vị trí của van, + Công tắc khởi động từ, + Công tắc xoay, + Nút bấm, + Công tắc vị trí, + Công tắc áp suất, + Công tắc cần gạt, + Công tắc tiệm cận, + Tiếp điểm rơ le, + Công tắc giới hạn, + Tiếp điểm khởi động động cơ, + Cảm biến quang điện. Phần lớn các thiết bị này tạo ra dạng tín hiệu là đóng hoặc ngắt (ON hay OFF). Riêng cảm biến quang điện có thể có các tiếp điểm rơ le trên đầu ra hay tín hiệu điện áp ON/OFF t−ơng ứng với mức 0 hay 5 VDC. 42
44. Nếu thiết bị gián đoạn đ−ợc đóng, tức là điện áp đ−ợc truyền qua thiết bị, trên mạch vào của PLC thu đ−ợc tín hiệu điện áp cấp đến. Để chỉ thị trạng thái của thiết bị và chuyển đổi thành tín hiệu lô gíc, mạch lô gíc vào biến đổi tín hiệu về mức t−ơng đ−ơng với điện áp mà CPU có thể xử lý đ−ợc. Giá trị lô gíc 1 t−ơng ứng với trạng thái bật (ON) hay đóng (CLOSED), và lô gíc 0 t−ơng ứng trạng thái tắt (OFF) hay ngắt (OPENED). 2.2. Các đầu ra số Điều khiển các đại l−ợng ra gián đoạn chỉ giới hạn trong các thiết bị có yêu cầu một trong hai trạng thái đ−ợc chọn là ON/OFF, OPEN/CLOSED hay kéo /nén. Các thiết bị gián đoạn th−ờng gặp trong quá trình điều khiển máy và quá trình công nghệ gồm: + Thiết bị truyền tín hiệu, + Báo động bằng tín hiệu ánh sáng, + Rơ le điều khiển bằng điện, + Quạt điện, + Đèn chỉ thị bằng tín hiệu ánh sáng, + Van điện, + Còi báo động, + Van con tr−ợt, + Khởi động từ cho động cơ, + Rơ le nhiệt. Trong lúc hoạt động, mạch giao diện trên đầu ra của PLC bật điện áp điều khiển để truyền đến thiết bị ra. Nếu tín hiệu ra đ−ợc bật (ON) qua ch−ơng trình điều khiển, mạch giao diện sẽ để cho điện áp điều khiển kích hoạt thiết bị đầu ra. 2.3. Dạng tín hiệu vào/ra Mỗi tín hiệu vào và ra đều đ−ợc cấp năng l−ợng bởi một bảng nguồn cấp điện áp: +5 VDC, +24VDC, Các mạch giao diện có thể cho ra các mức điện áp một chiều và xoay chiều khác nhau nh−: + 5 VDC + 12 VDC + 24 VDC + 48 VDC, 110 VAC hay DC, 220VAC hay DC, 100 VDC hoặc các tiếp điểm khô. Phần lớn điện áp công nghiệp sử dụng là điện áp mức 110 VAC hay 220 VAC, bởi vì các nguồn có sẵn trong các nhà máy công nghiệp. Mặc dù vậy điện áp một chiều +5 VDC, +12 VDC, 24 VDC, + 48 VDC cũng đ−ợc sử dụng rộng rãi bởi vì an toàn hơn và ít gây tai nạn nh− điện áp xoay chiều công nghiệp. Trong thiết kế mạch điều khiển cần phân biệt rõ mô đun vào và thiết bị trên đầu vào. Nếu thiết bị cung cấp dòng điện trong trạng thái bật (ON) của nó, thì thiết bị này đ−ợc gọi là thiết bị cấp dòng. Ng−ợc lại nếu thiết bị tiếp nhận dòng điện trong trạng thái bật (ON) hat trạng thái đúng (TRUE) thì thiết bị này đ−ợc gọi là thiết bị tiêu thụ dòng. Nh− vậy chúng ta có thể có thiết bị cung cấp dòng và tiêu thụ dòng trên đầu vào, cúng t−ơng tự nh− vậy là các mô đun vào cung cấp dòng và tiêu thụ dòng. Mặc dù vậy, phần các cấu hình sử dụng PLC đều dùng các thiết bị cấp nguồn trên đầu vào và các mô đun vào tiêu thụ dòng. Các vấn đề về giao diện tiềm ẩn sẽ tăng lên nếu ta không thiết kế hệ thống vào / ra thích hợp giữa các thao tác cấp nguồn và tiêu thụ trong các thiết bị của hệ thống. Ta phải sử dụng mô đun tiêu thụ dòng nếu thiết bị trên đầu vào 43
45. là thiết bị cấp dòng. Ng−ợc lại nếu thiết bị đầu vào là thiết bị tiêu thụ dòng thì ta phải sử dụng mạch nguồn. Vấn đề trục trặc sẽ xảy ra khi mô đun vào là mô đun tiêu thụ và các thiết bị đầu vào trừ một thiết bị là các đầu vào cấp nguồn. Thiết bị đầu vào tiêu thụ dòng có thể sẽ ở trạng thái bật (ON), nh−ng mô đun vào không thể phát hiện tín hiệu ON, mặc dù điện áp có thể đo qua các đâu kết nối của mô đun vào. Đây chính là khả năng tiềm ẩn rằng thiết bị đầu vào khhông kết nối đ−ợc và mạch vào của mô đun vào /ra có thể bị hỏng. Mạch điện áp vào xoay chiều gián đoạn Một sơ đồ khối đặc tr−ng của nguồn điện áp vào xoay chiều nh− trên hình 2 Hình 2 Sơ đồ khối của mạch điện áp vào xoay chiều Các mạch vào của PLC cũng rất đa dạng và phụ thuộc vào các nhà sản xuất, nh−ng nhìn chung thì các mạch vào gián đoạn hoạt động t−ơng tự nh− hình 2 Mạch điện áp vào cấu tạo bởi hai phần sơ cấp là phần nguồn và phần lô gíc. Phần nguồn và phần lô gíc của mạch th−ờng kết nối với nhau sao cho phần mạch nguồn vào đ−ợc cách điện với phần mạch lô gíc. Sự cách điện rất quan trọng đặc biệt trong môi tr−ờng nhiễu công nghiệp. Vấn đề chính của các ứng dụng máy tính trong điều khiển quá trình ở thời kỳ ban đầu là chỗ các mạch vào và mạch ra không đ−ợc thiết kế cho môi tr−ờng tồi tệ nh− môi tr−ờng công nghiệp với độ ẩm cao, rung, ồn bụi, nhiễu điện từ vv. Trên hình 2 Hình 2 Mạch điện áp vào gián đoạn đặc tr−ng Phần nguồn của mạch thực hiện chức năng biến điện áp vào 110 VAC hay 220 VAC từ các thiết bị ngoại vi đến mức tín hiệu lô gíc mà PLC có thể sử dụng đ−ợc. Một cầu nắn dòng biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu một chiều. Tín hiệu mức một chiều này đ−ợc truyền qua bộ lọc gồm một tụ điện dung C và các trở R2, R3 để giảm thiểu biên độ sóng của mạch cầu. Mạch RC này có thể gây ra sự trễ 10 đến 25 mi li giây. Mạch ra sử dụng đi ốt Zener để phát hiện khi nào tín hiệu đến đạt ng−ỡng điện áp điện áp vào . Nếu tín hiệu vào vuợt quá và duy trì ở trên mức điện áp ng−ỡng cho thời gian ít nhất bằng thời gian trễ của bộ lọc, tín hiệu đ−ợc chấp nhận nh− tín hiệu vào đúng. Khi tín hiệu vào đ−ợc phát hiện, nó đi đến mạch cách điện, mạch này chuyển hoàn toàn cách điện tín hiệu từ điện áp AC hay DC thành điện áp ở mức lô gíc. Mạch lô gíc sử dụng tín hiệu ở mức lô gíc từ bộ cách điện và tín hiệu đ−ợc thực hiện sẵn sàng đ−a đến bộ xử lý thông qua kênh dữ liệu trên mặt sau của giá đỡ PLC. Cách điện đạt đến 1500VAC khi không có kết nối nào giữa thiết bị ngoại vi (nguồn) với thiết bị điều khiển (lô gíc). Sự cách điện này giúp ngăn chặn các xung điện áp cao có thể làm hỏng mạch lô gíc của giao diện hay của thiết bị điều khiển. Một mạch cầu quang điện th−ờng dùng để đảm bảo cầu nối giữa phần nguồn và phần lô gíc. Khả năng cách điện chính là một trong các lý do tại sao PLC giành đ−ợc sự chấp nhận rộng rãi trong các quá trình công nghiệp. Trong cách hệ thống PLC nhỏ , vừa và lớn, thì các mạch vào gián đoạn đ−ợc lắp ráp cùng nhau trên một bảng mạch và lắp đặt trong mô đun vào. Các mô đun vào có thể có 4, 8, 16 hay 32 mạch vào trên một mô đun. Các mô đun vào xoay chiều gián đoạn Phần lớn các mô đun xoay chiều gián đoạn đều có bộ chỉ thị tín hiệu để báo mức tín hiệu điện áp vào đã có, tức là công tắc đ−ợc đóng. Bộ chỉ thị dùng đi ốt LED th−ờng đ−ợc sử dụng để chỉ trạng thái của đầu vào. ánh sáng chỉ thị là sự trợ giúp quan trọng trong quá trình khởi động và khắc phục sự cố của hệ thống. Một sơ đồ nối đầu vào xoay chiều gián đoạn đ−ợc minh hoạ trên hình 2 44
46. Hình 2 Sơ đồ đấu dây đặc tr−ng của mô đun vào xoay chiều gián đoạn Trên hình vẽ dây nóng 110VAC (L1) nối đến thiết bị và đây trung tính 110VAC (L2) nối đến đầu nối trung tính của mô đun vào. Ký hiệu ACI110 trên mô đun ở hình 2 là số ký hiệu kiểu mô đun mà nhà sản xuất. Các mô đun vào một chiều (DC) Các mô đun điện áp một chiều biến đổi trạng thái ON/OFF gián đoạn thành tín hiệu vào một chiều ở mức tín hiệu lô gíc t−ơng thích với thiết bị điều khiển. Các mô đun này th−ờng có ba mức điện áp: 12 VDC, 24 VDC và 48 VDC. Thiết bị t−ơng thích với các mô đun này là công tắc, công tắc hành trình của van, nút ấn, công tắc tiệm cận một chiều, và cảm biến quang điện. Sơ đồ đấu dây cho mô đun vào DC cũng t−ơng tự nh− đối với mô đun vào AC, trừ điểm khác biệt là điện áp một chiều DC thay thế cho điện áp xoay chiều AC. Tín hiệu điện áp xoay chiều AC (dây nóng) đến các thiết bị đầu vào đ−ợc thay thế bằng điện áp một chiều và đầu nối trung tính trên mô đun đ−ợc thay thế bằng đầu nối mát một chiều chung. Các mô đun vào dạng TTL (Transistor – Transistor Logic) Đây là các mô đun sử dụng mạch lô gíc tạo bởi các bộ transistor. Các mô đun vào TTL cho phép thiết bị điều khiển chấp nhận tín hiệu từ các thiết bị TTL t−ơng thích, kể cả các điều khiển trạng thái cứng và thiết bị cảm biến. Đầu vào TTL đ−ợc sử dụng để giao tiếp với các thiết bị điều khiển có mức điện áp +5 VDC và một số dạng cảm biến quang điện. Giao diện bởi mạch lô gíc TTL đ−ợc thiết kế t−ơng tự nh− các mô đun vào một chiều DC. Mặc dù vậy, thời gian trễ của tín hiệu vào gây ra bởi lọc nhiễu th−ờng ngắn hơn nhiều. Các mô đun vào TTL th−ờng yêu cầu nguồn cấp điện áp ngoài một chiều +5VDC. Các mô đun vào gián đoạn cách điện Các mô đun đầu vào và đầu ra th−ờng có dây trung tính chung nối mỗi nhóm đầu vào hay đầu ra trên mỗi mô đun. Mặc dù đôi khi chúng ta có có thể nối thiết bị đầu vào có mức tiếp đất khác đến thiết bị điều khiển. Trong tr−ờng hợp nh− vậy, các mô đun vào cách điện (AC hay DC) với các đ−ờng tín hiệu trở về tách biệt khỏi mạch vào sẽ đ−ợc dùng để nhận các tín hiệu dạng này. Giao diện cách điện và thiết bị vào ra gián đoạn tiêu chuẩn hoạt động giống nhau, trừ tiếp đất chung của các đầu vào đ−ợc tách khỏi tiếp đất chung trong mô đun. Kết quả là mô đun vào cách điện yêu cầu số l−ợng đầu đấu dây nhiều gấp đôi. Hậu quả là mô đun vào có thể t−ơng thích với một nửa các đầu vào với cùng tính chất vật lý (xem hình 2 ) Hình 2 Sơ đồ đấu dây của mô đun xoay chiều gián đoạn cách điện. Số của mô đun cách điện với điện áp 110VAC có ký hiệu “IACI-110” và mô đun cách điện 220 VAC có ký hiệu “ IACI-220”. Mạch ra gián đoạn xoay chiều AC Hình 2 là sơ đồ khối đặc tr−ng cho mạch ra gián đoạn xoay chiều. Mạch ra dạng này rất khác nhau giữa các nhà sản xuất PLC. Sơ đồ khối thể hiện các hoạt động cơ bản của ra xoay chiều . Mạch này gồm phần thứ cấp là phần lô gíc và phần nguồn, kết nối bởi mạch cách điện. Giao diện của đầu ra đ−ợc thực hiện đơn giản thông qua công tắc, mà nguồn của nó cung cấp để điều khiển thiết bị đầu ra 45
47. Hình 2 Sơ đồ khối của mạch ra xoay chiều gián đoạn Đầu tiên, bộ xử lý gửi tín hiệu ra 0 hay 1 đến phần mạch lô gíc. Tín hiệu từ phần lô gíc sâu đó đi qua một mạch cách điện. Tín hiệu lô gíc từ mạch cách điện đ−ợc cấp tiếp vào mạch công tắc nguồn và bộ lọc. Cuối cùng tín hiểua xoay chiều gián đoạn này điều khiển một thiết bị hoạt động với điện áp xoay chiều AC đ−ợc kết nối với điểm đầu ra của mô đun. Phần công tắc nguồn xoay chiều th−ờng sử dụng bộ Trisistor hay mạch nắn đòng bán dẫn SCR (Silicon Controlled Rectifier) để bật nguồn xoay chiều AC giữa hai trạng thái ON hoặc OFF. Công tắc AC th−ờng đ−ợc bảo vệ bởi mạch RC hay nhiệt điện trở MOV (Metal Oxide Variator), điều này cho phép chống lại sự tăng áp cao quá giá trị điện áp cho phép. Các mạch bảo vệ này hay các thiết bị cũng cho phép ngăn các nhiễu điện từ các các hoạt động của các mô đun gây ra. Cỗu chì có thể đ−ợc cung cấp trên mạch ra để bảo vệ dòng quá lớn có thể làm hỏng công tắc xoay chiều AC. Nếu cầu chì không đ−ợc cấp cho mỗi mạch trong mô đun thì chúng có thể đ−ợc thêm vào ở bên ngoài của các mạch ra. Mô đun xoay chiều gián đoạn AC Đối với các PLC nhỏ, vừa và lớn thì các mạch xoay chiều gián đoạn AC đ−ợc lắp chung trên một bảng mạch đơn và cài đặt trong mô đun ra. Các mô đun ra th−ờng có 4, 8, 16 hay 32 mạch ra trên một bo mạch. Cũng nh− các mô đun vào, các mô đun ra cũng có các diode quang LED để báo hiệu trạng thái của lô gíc đang hoạt động. Một sơ đồ kết nối của mô đun ra đ−ợc minh hoạ trên hình 2 Hình 2 Sơ đồ kết nối của mô đun ra gián đoạn xoay chiều. Các đi ốt LED đ−ợc đặt ở phía trên của mô đun. Hai đầu ra đầu tiên đ−ợc nối với hai bộ khởi động cho máy gia nhiệt 1 và 2. Tiếp điểm của rơ le chống quá tải OL đ−ợc mắc nối tiếp để tắt bộ khởi động khi dòng tăng cao trong mạch khởi động. Hai đầu ra tiếp theo tại điểm ra 2 và 3 đ−ợc nối với van tr−ợt điện từ 110 VAC là LV-1 và LV-2. Bốn điểm ra còn lại đ−ợc mắc nối tiếp với 4 bộ khởi động với rơ le chống quá tải cùng với cuộn khởi động. Ta cũng cần chú ý rằng điện áp đóng mạch là điện áp ngoài cấp đến mô đun, hay mô đun cũng là thiết bị cấp nguồn. Mô đun ra một chiều DC Mô đun ra một chiều DC đ−ợc sử dụng để cấp nguồn một chiều cho thiết bị ra. Chức năng hoạt động của đầu ra DC t−ơng tự nh− đầu ra AC. Mạch công suất th−ờng đ−ợc sử dụngcác transistor công suất để đóng tải. Giống nh− tyristor, transistor có khả năng phải chịởntạng thái quá áp và dòng khởi động lớn, điều này gây ra việc nung nóng và đoản mạch. Để tránh hiện t−ợng này ta phải bảo vệ các transistor công suất bằng các cầu chì. Sơ đồ đấu dây cho mô đun một chiều cũng t−ơng tự nh− sô− đồ đấu dây của mô đun xoay chiều, chỉ có khác là điện áp cung cấp là điện áp một chiều thay cho điện áp xoay chiều. Điểm nối của dây nóng xaoy chiều đ−ợc thay bằng điểm nối điện áp d−ơng một chiều. Điểm nối dây AC trung tính đ−ợc thay bằng tiếp đất hay điểm nối cực điện áp âm. Mô đun ra tiếp điểm khô Mô đun ra các tiếp điểm khô cho phép các thiết bị đầu ra bật lên (ON) hay tắt (OFF) bằng tiếp điểm th−ờng mở NO hay th−ờng đóng NC. −u điểm của rơ le hay đầu ra là các công tắc khô là chúng cung cấp khả năng cách điện giữa PLC và thiết bị bên ngoài. Mạch đóng ngắt bằng thiết bị điện trạng thái cứng trong các mô đun ra xoay chiều tiêu chuẩn có sự dò điện với dòng rất nhỏ ngay cả khi mạch đóng đ−ợc chuyển về trạng thái ngắt. Dòng 46
48. điện này có thể gây ra tín hiệu giả trong nhiều tr−ờng hợp. Trong các ứng dụng nh− vậy, ta cần sử dụng mô đun ra với tiếp điểm khô. Mô đun ra tiếp điểm khô đ−ợc sử dụng để đóng tải xoay chiều AC hay một chiều DC. Mặc dù vậy, chúng th−ờng đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng với điện áp xoay chiều để cung cấp khả năng cách điện giữa PLC và các thiết bị điện phức tạp khác, nh− bộ điều tốc VSD (Variable Speed Drives). Hình 2 là mô đun ra tiếp điểm khô với bốn tiếp điểm th−ờng mở NO điều khiển khởi động và tắt hai bộ điều khiển tốc độ động cơ. Trong ứng dụng này, đây là sự cách điện hoàn hảo giữa PLC và VSD. Mô đun ra TTL Mô đun ra TTL cho phép thiết bị điều khiển tác động lên thiết bị đầu ra t−ơng thích với TTL nh− màn hình số 7 đoạn, mạch tích hợp và các thiết bị lô gíc cơ sở khác nhau với điện áp +5VDC. Các mô đun này th−ờng yêu cầu nguồn điện áp ngoài +5 VDC với dòng điện yêu cầu đặc biệt. Mô đun ra cách điện xoay chiều Giao diện cách điện của đầu ra AC đ−ợc minh hoạ trên hình 2 Hình 2 Sơ đồ đấu dây của mô đun ra xoay chiều cách điện đặc tr−ng Ta có thể thấy rằng mô đun đầu ra điều khiển ba tải khác nhau ( ba bộ khởi động cho ba bơm khác nhau), chúng đ−ợc nối tới ba nguồn xoay chiều khác nhau. −u điểm của mô đun này là chúng ta có thể không phải bận tâm vì có các nguồn điện áp khác nhau trong nhà máy của chúng ta. Điều bất lợi là số l−ợng dây đấu tăng lên và giảm số đầu vào có thể của mỗi mô đun bởi cơ số 2. Trong ứng dụng trên hình 2 ba nguồn điện áp 110 VAC khác nhau đ−ợc sử dụng để bật ba bộ khởi động động cơ của ba bơm 1, 2 và 3. Đây là ứng dụng đặc tr−ng cho mô đun ra xoay chiều cách điện AC. Mô đun t−ơng tự vào/ra (I/O) Sự hiện diện của các mạch tích hợp giá thành rẻ và các mạch điện tử công nghiệp đã làm tăng các khả năng của các mạch t−ơng tự trong các thiết bị điều khiển PLC. Khả năng mở rộng này đ−a đến sự ra đời của các mô đun vào/ra t−ơng tự tinh vi. Các mô đun t−ơng tự cho phép đo số l−ợng thu đ−ợc từ các cảm biến của quá trình và các thiết bị cung cấp dữ liệu t−ơng tự. Các mô đun đầu ra t−ơng tự cho phép điều khiển các thiết bị với tín hiệu t−ơng tự liên tục. Các đầu vào /ra t−ơng tự cho phép theo dõi và điều khiển các điện áp và dòng điện t−ơng tự, t−ơng thích với các cảm biến, các bộ điều khiển động cơ, và các thiết bị quá trình. Sử dụng đầu vào/ra t−ơng tự và chuyên dụng cho phép đo hay điều khiển phần lớn các đại l−ợng của quá trình công nghiệp dài nh− giao diện t−ơng ứng sử dụng. Thiết bị đầu vào t−ơng tự: - Cẩm biến l−u l−ợng - Cẩm biến áp suất - Cẩm biến nhiệt - Cẩm biến phân tích - Cẩm biến vị trí - Biến trở - Cảm biến mực chất lỏng - Thiết bị đo tốc độ Thiết bị đầu ra t−ơng tự: 47
49. - Thiết bị điều khiển động cơ, - Thiết bị đo t−ơng tự, - Thiệt bị ghi đồ hoạ, - Thiết bị điều khiển quá trình - Dòng điều khiển bộ chuyển đổi khí nén - Van điều khiển bằng điện - Bộ điều khiển tốc độ. - Mô đun vào t−ơng tự Giao diện của mô đun vào t−ơng tự chứa các mạch cần thiết để có thể nhận tín hiệu điện áp hay dòng điện t−ơng tự từ các thiết bị bên ngoài. Đầu vào điện áp hay dòng điện đ−ợc biến đổi từ tín hiệu t−ơng tự thành các giá trị số tỉ lệ với tín hiệu t−ơng tự nhờ có bộ chuyển đổi tín hiệu ADC (Analog to Digital Converter). Giá trị chuyển đổi đi qua kênh dữ liệu của thiết bị điều khiển và l−u trong bộ nhớ để sử dụng về sau. Giao diện vào t−ơng tự có đặc tr−ng là có trở kháng vào rất cao, điều này cho phép chúng giao diện với thiết bị bên ngoài không cần tải tín hiệu. Đ−ờng vào từ các thiết bị t−ơng tự th−ờng đ−ợc bọc chống nhiễu bằng hai lớp dẫn điện. Cáp chống nhiễu giảm ảnh h−ởng của nhiễu từ các nguồn bên ngoài đi rất nhiều. Giao diện của tầng đầu vào cung cấp mạch lọc và mạch cách điện để bảo vệ mô đun từ các tr−ờng nhiễu phụ. Một sơ đồ kết nối đặc tr−ng minh hoạ trên hình 2 ,. Trong ví dụ này, mô đun vào t−ơng tự cung cấp nguồn điện áp một chiều DC yêu cầu bởi các thiết bị biến đổi dòng bên ngoài. Phần lớn các mô đun đ−ợc thiết kế để thu nhận đến 16 tín hiệu dơn cực hay 8 tín hiệu t−ơng tự l−ỡng cực, thể hiện l−u l−ợng, áp suất, mức và t−ơng tự. Chúng sau đó đ−ợc chuyển đổi thành các từ tỉ lệ với 10 đến 15 bit nhị phân trong bộ nhớ. Đầu vào đén các mô đun riêng biệt nói chung phải là tất cả là đơn cực hoặc l−ỡng cực. Chọn dạng tín hiệu có thể thực hiện bằng phần cứng hay phần mềm. Nếu tín hiệu qua chuyển đổi l−u trong bộ nhớ của mô đun và đ−ợc gửi đến bộ nhớ của vi xử lý trong nhóm hay trong khối các dữ liệu. Ch−ơng trình điều khiển sử dụng cấu trúc dữ liệu để truền đến mô đun t−ơng tự. Thông tin về cấu trúc bao gồm lựa chọn miền ví dụ +1 đến +5 VDC, 4 đến 20mA vv. Và hệ số tỉ lệ của tín hiệu. Hình 2 Mô đun ra t−ơng tự Mô đun ra t−ơng tự nhận dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm của PLC. Dữ liệu đựoc truyền tỉ lệ với điện áp hay dòng điện để điều khiển thiết bị t−ơng tự bên ngoài. Dữ liệu số đi qua bộ chuyển đổi tín hiêu DAC và gửi đi d−ới dạng t−ơng tự. Cách điẹn giữa mạch ra và mạch lô gíc đ−ợc đảm bảo bởi cầu quang điện. Các mô đun này th−ờng cần nguồn cấp ngoài với dòng điện xác định và điện áp theo yêu cầu. Mô đun chuyên dụng Rất nhiều loauị mô đun chuyên dụng đ−ợc sử dụng trong các hệ PLC. Một nhà sản xuất PLC có trên 120 dạng mô đun vào ra. Chúng ta chỉ quan tâm đến hai trong các mô đun đó là: mô đun nối vơi encoder và bộ đếm và mô đun xung vào tốc độ cao. Mô đun vào nối với encoder và bộ đếm 48
50. Mô đun này cung cấp một bộ đếm tốc độ cao từ bên ngoài đến bộ xử lý, sao cho đáp ứng tới các xung đầu vào ghi nhận đ−ợc trong giao diện. Bộ đếm này th−ờng hoạt động độc lập ngoài ch−ơng trình quét hay quét đầu vào/ra. Lý do có vẻ đơn giản nếu bộ đếm phụ thuộc vào ch−ơng trình PLC thì các xung tốc độ cao sẽ không đêmd đ−ợc hay bị mất trong quá trình quét. ứng dụng tiêu biểu là giao diện encoder/ bộ đếm là các hoạt động yêu cầu trực tiếp các đầu vào từ encoder và có khả năng cung cấp trực tiếp sự so sánh của các đầu ra. Mô đun này nhận các xung vào từ bộ encoder gia tăng. Các xung này chỉ vi trí khi thiết bị quay. Bộ đếm xung gửi chúng tới bộ xử lý. Bộ encoder tuyệt đối th−ờng sử dụng vơid giao diện sao cho nhận đ−ợc dữ liệu dạng mã BCD hay mã Gray, thể hiện vị trí góc của trục cơ đang đ−ợc đo. Trong quá trình hoạt động, các mô đun này thu đ−ợc các xung vào, các xung này đ−ợc đếm và so sánh với giá trị đ−ợc ng−ời vận hành lựa chọn Bộ đếm của mô đun vào th−ờng có tín hiệu ra là tín hiệu kích hoạt khi đầu vào và giá trị ng−ỡng đếm bằng nhau. Mặc dù vậy, điều này không cần thiết trong phần lớn các PLC. Bởi dữ liệu có trong CPU, ch−ơng trình có thể sử dụnghàm so sánh để đều khiển một đầu ra nào đó trong ch−ơng trình điều khiển. Truyền dữ liệu giữa giao diện của encoder /bộ đếm với CPU là hai chiều. Mô đun này chấp nhận đặt giá trị ng−ỡng đếm và các dữ liệu điều khiển khác từ CPU và truyền dữ liệu và trạng thái đến bộ nhớ của PLC. Đầu ra điều khiển cho phép từ ch−ơng trình điều khiển, sao cho lệnh đến mô đun phạilàm hoạt động các đầu ra t−ơng ứng với giá trị đếm nhận đ−ợc. CPU sử dụng ch−ơng trình điều khiển, fcho phép và đặt các hoạt động của bộ đém. Mô đun đếm xung vào Bộ đếm xung vào đ−ợc dùng để giao tiếp vơi thiết bị bên ngoài mà chúng tạo ra các xung, nh− chuyển độngtheo các bộ đo l−u l−ợng chuyển động theo chiều duơng và bộ đo l−u l−ợng dạng tua bin. Trong ứng dụng đặc tr−ng, bộ đo l−u l−ợng phát ra các xungvới biên độ +5VDC phụ thuộc vào thể tích của chất lỏng đi qua. Mỗi xung thể hjiện một thể tích cố định, ví dụ một xung có thể t−ơng đ−ơng 1 lít chất lỏng. Trong ví dụ trên, bộ đếm của PLC đếm số xung nhận đ−ợc bằng mô đun xung vào sau đó tính toán thể tích chất lỏngđi qua trong thời gian chu kỳ cố định. Mô đun vào/ra thông minh Để xử lý tốt một số dạng tín hiệu hay dữ liệu, cần có các mô đun cấu tạo từ các bộ vi xử lý. Các giao diện thông minh này xử lý các tín hiệu vào giống nh− các mô đun nối với can nhiệt hay các tín hiệu khác không thể giao diện đ−ợc bằng các mô đun vào /ra tiêu chuẩn. Mô đun thông minh có thể thực hiện hoàn chỉnh các chức năng xử lý tín hiệu, độc lập với CPU và chu trình quét của ch−ơng trình điều khiển. Trong phần này ta sẽ trình bày về hai trong số các mô đun thông minh hay sử dụng nhất: mô đun vào của các can nhiệt và mô đun ra với động cơ b−ớc. Mô đun vào nối với các can nhiệt Một mô đun vào của các can nhiệt đ−ợc thiết kế để nhận trực tiếp các đầu vào từ can nhiệt nh− trên hình 2 Hình 2 Mô đun vào nối với can nhiệt Mô đun này tạo khả năng hiệu chỉnh nhiệt độ của mối nối lạnh để bù những thay đổi của nhiệt độ môi tr−ờng xung quanh mô đun can nhiệt. Mô đun này hoạt động nh− 49
51. một mô đun vào tiêu chuẩn, chỉ có khác là nó thu nhận các đầu vào có mức tín hiệu thấp cỡ mi li vôn. Các tín hiệu vào sẽ đ−ợc lọc, khuyếch đại, và số hoá qua bộ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự – số ADC. Các tín hiệu này sau đó đ−ợc gửi đến bộ vi xử lý có trong mô đun để tuyến tính hoá và chuyển thành giá trị nhiệt độ. Cuối cùng thì giá trị nhiệt độ sẽ đ−ợc gửi về CPU theo lệnh từ ch−ơng trình điều khiển. Dữ liệu nhiệt độ đ−ợc sử dụng bởi ch−ơng trình điều khiển PLC để thực hiện quá trình điều khiển nhiệt hay chỉ thị nhiệt độ. Mô đun động cơ b−ớc Mô đun động cơ b−ớc tạo ra các xung kéo t−ơng thích với bộ điều khiển của động cơ b−ớc. Các xung đ−ợc gửi đến bộ điều khiển th−ờng thể hiện d−ới dạng khoảng cách, tốc độ, và h−ớng để điều khiển động cơ. Giao diện của động cơ b−ớc nhận các tín hiệu điều khiển từ ch−ơng trình điều khiển. Vị trí xác định bởi số l−ợng định tr−ớc các xung ra bằng lệnh điều khiển tiến hay lệnh điều khiển lùi, bằng tăng tốc hay giảm tốc với điều khiển bằng hàm tăng, tức là xác định bởi tốc độ của các xung ra. Các điều khiển này nhìn chung là các điều khiển chuyên dụng trong ch−ơng trình điều khiển và một khi giao diện ra đ−ợc khởi tạo bởi lệnh khởi động, nó sẽ phát ra các xung theo ch−ơng trình PLC. Khi chuyển động bắt đầu, mô đun ra sẽ không tiếp nhận một điều khiển nào từ CPU cho đến khi chuyển động đ−ợc thực hiện xong. Một số mô đun có có thể có các lệnh để huỷ lệnh điều khiển này và đặt lại vị trí tức thời. Lệnh này phải đ−ợc huỷ bỏ khi tiếp tục thực hiện lệnh điều khiển chuyển động của động cơ. Mô đun này cũng gửi dữ liệu theo trạng thái của bộ xử lý của PLC. Hình 2 Sơ đồ nối của mô đun ra điều khiển động cơ b−ớc Mô đun truyền thông Có sáu dạng mô đun truyền thông đ−ợc sử dụng trong hệ thống PLC để trao đổi giữa các phần tử của hệ thống. Đây là các mô đun dạng mã ASCII, mô đun nối vào/ra điều khiển từ xa vạn năng, thẻ giao diện PCMCIA, mô đun giao diện Ethernet, và mô đun biến đổi tín hiệu sợi cáp quang. Mô đun truyền thông mã ASCII Mô đun truyền thông ASCII đ−ợc sử dụng để truyền và thu dữ liệu dạng ký tự và số giữa các thiết bị ngoại vi và thiết bị điều khiển. Thiết bị ngoại vi đặc tr−ng là máy in, màn hình số, thiết bị lập trình vv. Mô đun này cũng tuỳ thuộc vào nhà sản xuất. Mạch giao diện truyền thông th−ờng bao gồm bộ nhớ và một vi xử lý dành riêng. Giao diện của các thông tin đ−ợc trao đổi th−ờng chiếm chổ qua cổng nối tiếp RS-232C, RS-422 hay RS-485 hay qua đ−ờng truyền mạch vòng với dong 20mA. Mô đun ASCII sẽ có bộ nhớ RAM riêng, để l−u trữ các khối thông tin chuẩn bị đ−ợc truyền đi. Khi dữ liệu vào từ thiết bị ngoại vi đ−ợc nhận trong mô đun, nó truyền đến bộ nhớ của PLC thông qua lệnh truyền dữ liệu. Tất cả các thông số của khởi thảo truyền tin nh− bit chẳn (chẳn hay lẻ) hay không chẳn, số của bit dừng (stop bit), tốc độ truyền, có thể đ−ợc chọn bằng phần mềm hay phần cứng. Mô đun kết nối vạn năng I/O Mô đun kết nối vào/ra từ xa đ−ợc sử dụng trong các hệ thống PLC cõ lớn, cho phép các hệ thống vào /ra con đặt cách xa bộ xử lý. Các hệ thống con ở xa đ−ợc sử dụng dể giao diện với đơn vị xử lý qua một giá đỡ vào/ra tiêu chuẩn và các mô đun vào/ra yêu cầu. Các giá đỡ bao gồm cả nguồn một chiều để nuôi các mạch bên trong của các mô đun vào/ra và mô đun kết nối vào/ ra từ xa để cấp thông tin với đơn vị xử lý. Dung l−ơng của một hệ vào /ra con th−ờng có từ 32 đến 256 đầu vào/ra. 50
52. Các hệ vao/ra con th−ờng đ−ợc nối vào bộ xử lý thông qua đ−ờng truyền kênh (bus) hay mạng hình sao. Cự ly từ bộ xử lý đến các hệ thống vào /ra con từ xa thông th−ờng vào khoảng 300m đến vài km, phụ thuộc vào dạng thiết bị điều khiển. Sự bố trí các hệ thống vào /ra từ xa tạo ra khả năng tiết kiệm khá lớn về dây dẫn, nhân công cho các hệ thống điều khiển cỡ lớn, mà trong đó các thiết bị đ−ợc gộp vào một số khu vực xử lý từ xa. Nếu bộ xử lý đ−ợc đặt trong phòng điều khiển chính hay ở một số vị trí trung tâm khác, chỉ cần một cáp thông tin chạy giữa bộ xử lý và các hệ thống từ xa ngoài hiện tr−ờng thay vì hàng trăm, thậm chí hàng ngàn đ−ờng dây nối từ bộ xử lý đến các thiết bị hiện tr−ờng. Bố trí các hệ thống vào/ra từ xa còn có −u điểm là cho phép các hệ thống con lắp đặt và thử nghiệm độc lập cũng nh− cho phép bảo d−ỡng và khắc phục sự cố trên từng trạm trong khi các bộ phận khác vẫn tiếp tục hoạt động. Mô đun truyền thông nối tiếp Mô đun truyền dữ liệu nối tiếp th−ờng đ−ợc sử dụng để truyền thông tin giữa thiết bị điều khiển và một thiết bị thông minh với đầu ra nối tiếp nh− cân khối l−ợng với cổng nối tiếp. Mô đun truyền thông nối tiếp này th−ờng có hai đến bốn cổng nối tiếp để có thể kết nối với các cổng giao diện nối tiếp tiêu chuẩn nh− RS-232, RS-422, RS-485. Thẻ giao diện PCMCIA Vào năm 1990, hiệp hội thẻ nhớ quốc tế cho máy tính cá nhân (Personal Computer Memory Card International Association) phát triển một tiêu chuẩn cho thẻ tín dụng cỡ thẻ giao diện cho máy tính cá nhân. Tiêu chuẩn này định nghĩa cấu trúc và ph−ơng pháp truyền thông cho các thẻ giao diện PC. Các thẻ giao diện này đ−ợc phát triển theo điều khoản 2.0 của tiêu chuẩn và đ−ợc sử dụng để l−u trữ dữ liệu và trao đổi thông tin vao/ra. Các nhà sản xuất PLC phát triển thẻ PCMCIA để máy tính sách tay có thể trao đổi đ−ợc với bộ xử lý của PLC hay đ−ờng truyền dữ liệu tốc độ cao để thực hiện phần mềm PLC hay các hàm sự cố. Cac thẻ giao diện PCMCIA giống nh− với phần mềm chuẩn đoán để kiểm tra rằng thẻ hoạt động tốt và để kết nối nó với mạng truyền thông của PLC. Mô đun truyền thông Ethernet Mô đun giao diện Ethernet đ−ợc thiết kế để cho phép một số PLC và các máy tính điều khiển có thể trao đổi thông tin tốc độ cao trên mạng thông tin tốc độ cao của nhà máy. Mạng nội bộ của nhà máy LAN (Local Area Network) có khả năng truyền dữ liệu và thông tin điều khiển từ một hệ thống đến hệ thống khác với tốc độ truyền tin cao. Nh− vậy điều khiển hệ thống công nghiệp có thể pân bố thành một ssó lớn các thiết bị điều khiển PLC, máy tính, và các thiết bị thông minh. Trong một hệ thống nh− vậy, thông tin đ−ợc trao đổi dễ dàng giữa hệ thống điều khiển, nh−ng mỗi hệ thống có thể điều khiển độc lập một phần của nhà máy công nghiệp. Điều này cải thiện rất lớn độ tin cậy của hệ thống điều khiển nhà máybởi vì từng phần của nhà máy có thể dừng để thay đổi hoặc bảo d−ỡng, trong khi các phần khác của nhà máy tiếp tục hoạt động và sản xuất. Mô đun biến đổi tín hiệu từ cáp quang Bộ chuyển đổi tín hiệu từ cáp quang biến tín hiệu điên thành tín hiệu ánh sáng và truyền các tín hiệu này qua cáp quang. Trên đầu kia của cáp quang, một sơi cáp quang thứ hai biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện để sử dụng bởi hệ thống PLC. Thiết kế hệ thống vào/ra 51
53. Để thiết kế hệ thống vao/ra đúng, các tiêu chí kỹ thuật của nhà sản xuất phải đ−ợc quan tâm và tuân theo để tránh thao tác sai hay làm hỏng thiết bị. Các tiêu chí kỹ thuật này đặt các giới hạn không chỉ trên mô đun mà trên cả thiết bị hiện tr−ờng mà nó điều khiển. Các tiêu chí này có ba dạng: các tiêu chí về điện, cơ và môi tr−ờng. Các tiêu chí kỹ thuật điện: Các tiêu chí kỹ thuật điện bao gồm các thông số sau: mức điện áp vào, mức dòng vào, điện áp ng−ỡng,mức điện áp ra, mức dòng ra, mức năng l−ợng ra và các yêu cầu về dòng cấp vào phía sau để đảm bảo cho mạch của mô đun có thể hoạt động đ−ợc. Mức điện áp vào (xoay chiều hay một chiều) cho ta biên độ và dạng tín hiệu vào mà mô đun vào chấp nhận. Trong một số tr−ờng hợp, các tiêu chí này xác định miền của điện áp vào thay vì giá trị cố định. Tr−ờng hợp nh− vậy, giá trị max và min chấp nhận đ−ợc của điện áp để tiếp tục hoạt động đ−ợc liệt kê. Ví dụ điện áp làm việc 110 VAC cho mô đun vào có thể đ−ợc chấp nhận từ 95 đến 135 VAC. Mức dòng vào định nghĩa dòng tối thiểu yêu cầu tại mức điện áp của mô đun mà thiết bị hiện tr−ờng phải có khả năng cung cấp để làm hoạt động mạch của mô đun vào. Ng−ỡng điện áp vào là điện áp mà tín hiệu vào đ−ợc nhận là đang ở trạng thái bật (ON) hay đúng (TRUE). Một số mô đun vào cũng có giá trị điện áp của trạng thái OFF hay FALSE. Ví dụ tín hiệu ON trên mô đul TTL đ−ợc xác định là 2.8VDC và mức OFF là điện áp thấp hơn 0.8 VDC. Mức điện áp ra chỉ biên độ và dạng điện áp nguồn phải đựoc điều khiển mà không có dung sai đ−ợc công nhận. Ví dụ trên mô đun ra tại mức +24 VDC, thì có thể có miền làm việc từ +20 đến +28 VDC. Mức dòng ra định nghĩa dòng lớn nhất mà mạch ra trên mô đun ta có thể đảm bảo an toàn khi có tải. Mức dòng này th−ờng đ−ợc chỉ định nh− một hàm của mạch ra của các phần tử điện và đặc tính toả nhiệt tại môi tr−ờng làm việc trong khoảng từ 0oC- 6OoC. Nếu nhiệt độ môi tr−ờng tăng, dòng điện ra sẽ bị giảm. Dòng lớn quá có thể làm đoản mạch hay gây ra các h− hại khác cho mô đun ra. Mức năng l−ợng ra chỉ mức năng l−ợng lớn nhất mà mô đun ra có thể tiêu thụ với tất cả các kênh ra đ−ợc kích hoạt. Mức năng l−ợng cho một đầu ra đ−ợc tính bằng nhân điện áp ra với mức dòng điện ra. Các yêu cầu về dòng cấp vào mặt sau là dòng yêu cầu để mạch bên trong mô đun vào/ra hoạt động đảm bảo, đặt sau của giá đỡ nguồn điện. Nhà thiết kế hệ thống phải thêm yêu cầu dòng mặt sau trên tất cả các mô đun đ−ợc cài đặt vào kh−ng giá đỡ vào /ra và so sánh giá trị tính toán với dòng cực đại mà hệ thống công suất nguồn có thể cấp để xác định rằng công suất đ−ợc cấp đủ hay không. Nếu mức công suất thấp hơn yêu cầu, hệ thống sẽ hoạt động chập chờn. Dòng khứ hồi yêu cầu th−ờng phải nhỏ hơn dòng cấp bởi nguồn công suất. Tiêu chí cơ học Tiêu chí này xác định số l−ợng điểm hiẹn tr−òng đ−ợc điều khiển hay đ−ợctheo dõi bởi mô đun. Các mô đun th−ờng có 2,4,8,16 hay 32 điểm vao/ra. Các mô đun mật độ cao, yêu cầu dòng hoạt động cao hơn, và phải kiểm tra rất cẩn thận dòng. Mặt khác số l−ợng dây và cỡ dây cũng là vấn đề phải tính toán để tránh gây ra đoản mạch. Tiêu chí môi tr−ờng Có hai thông số môi tr−ờng ảnh h−ởng đến hoạt động của hệ thống PLC là nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ môi tr−ờng là nhiệt độ cao nhất trong không khí xung quanh các mô đun vao/ra đang hoạt động bình th−ờng. Mức nhiệt độ này th−ờng dựa trên cơ sởđặc tính tản nhiệt của các mô đun. Nhiệt độ môi tr−ờng th−ơng trong khoảng 0oC đến 40oC. 52