Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 2 - TS. Nguyễn Anh Tuấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Bài giảng
PLC và Mạng Công Nghiệp
PLC and Industrial system
(ME 4501)
Giảng viên: TS. Nguyễn Anh Tuấn
Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà nội
Email:




Mục lục
1. Tổng quan về điều khiển logic
2. Logic cứng và sự phát triển của PLC
3. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC
4. Các mô đun vào ra
5. Cấu trúc và hoạt động của bộ nhớ PLC
6. Mạng công nghiệp và các giao thức kết nối
7. Ứng dụng của PLC trong công nghiệp


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
2.2. Mạch logic cứng
2.3. Lịch sử ra đời của PLC
2.4. Ưu nhược điểm của PLC
2.5. Phân loại PLC
2.6. Hệ thống điều khiển công nghiệp

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
 Các loại tiếp điểm rơ le điện từ
Cấu tạo rơ le điện từ
1 - Cuộn dây nam châm
điện
2 - Cần dẫn động
3 - Các tiếp điểm ngõ ra

Mạch sử dụng tiếp điểm rơ
le điện từ


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
 Các loại tiếp điểm rơ le điện từ
Một số ký hiệu thường gặp


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
 Ký hiệu các phần tử logic cơ bản
Phần tử phủ định (NOT)
Là phần tử có một đầu vào và một giá trị đầu ra.

Phần tử NHÂN (AND)
Là phần tử có hai hay nhiều tín hiệu đầu vào và
một tín hiệu đầu ra.

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
 Ký hiệu các phần tử logic cơ bản
Phần tử CỘNG (OR)

Là phần tử có hai hay nhiều tín hiệu đầu vào và
một tín hiệu đầu ra.

Phần tử NOR (NOT OR)
Là phần tử phủ định của phần tử OR
(Luật Morgan)


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.1. Các phần tử logic cứng
 Ký hiệu các phần tử logic cơ bản
Phần tử NAND (NOT AND)
Là phần tử phủ định của phần tử AND
,

= .

=

+

(Luật Morgan)

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.2. Mạch logic cứng
 Khái niệm
 Là mạch sử dụng các tiếp điểm NO hoặc NC của các công tắc hoặc rơ le
để thực hiện các chức năng điều khiển
Tiếp điểm mắc theo mạch AND:

Tiếp điểm mắc theo mạch OR:

 Mạch lơ gíc là sự kết hợp giữa các phần tử lơ gíc (NOT, AND, OR,
NAND, NOR …) với nhau. Mạch lơ gíc được xây dựng dựa trên các
hàm lơ gíc cơ bản.


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.2. Mạch logic cứng
 Phân loại mạch logic
 Mạch tổ hợp là mạch mà đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào chỉ phụ thuộc vào
tổ hợp các trạng thái đầu vào tại thời điểm đó mà khơng phụ thuộc vào trạng
thái trước đó
Đặc điểm của mạch tổ hợp là mạch
khơng có phần tử nhớ và mạch hở
khơng có phản hồi

Ví dụ biểu diễn
mạch tổ hợp:
y1 = (x1 + x2).x3
y2 = (x3 + x2).x1

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.2. Mạch logic cứng
 Phân loại mạch logic
 Mạch trình tự hay mạch dãy (sequential circuits) là mạch mà trong đó
trạng thái của đầu ra (tín hiệu ra) khơng những phụ thuộc tín hiệu vào mà
cịn phụ thuộc cả vào trình tự tác động của tín hiệu vào, nghĩa là có nhớ các
trạng thái. Như vậy, về mặt thiết bị thì ở mạch trình tự khơng chỉ có các
phần tử đóng mở mà cịn có cả các phần tử nhớ.
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của mạch
trình tự như hình vẽ. Điểm đặc
biệt ở đây là mạch có “phản
hồi” thể hiện qua các biến nội
bộ (Y1, Y2 và y1, y2)


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.2. Mạch logic cứng
 Phân loại mạch logic
Ví dụ: Xét mạch logic trình tự như hình. Ta xét hoạt động của mạch khi thay
đổi trạng thái đóng mở của x1 và x2. Biểu đồ hình b mơ tả hoạt động của mạch,
trong biểu đồ các nét đậm biểu hiện tín hiệu có giá trị 1, cịn nét mảnh biểu hiện
tín hiệu có giá trị 0.

Từ biểu đồ hình b ta thấy, trạng thái z =1 chỉ đạt được khi thao tác theo
trình tự x1 =1, tiếp theo x2 =1. Nếu cho x2 =1 trước, sau đó cho x1 =1 thì
cả y và z đều không thể bằng 1.


2. Logic cứng và sự pt của PLC

2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Khái niệm
 Grafcet là từ viết tắt của tiếng Pháp
“Graphe fonctionnel de commande étape
transition” (chuỗi chức năng điều khiển
giai đoạn - chuyển tiếp), được hợp tác
soạn thảo bởi hai tổ chức AFCET (Liên
hợp Pháp về tin học, kinh tế và kỹ thuật)
và ADEPA (tổ chức nhà nước về phát
triển nền sản xuất tự động hoá) tháng
11/1998.
 Mạng Grafcet đã được tiêu chuẩn hoá và
được cơng nhận là một ngơn ngữ thích
hợp cho việc mơ tả hoạt động dãy của
q trình tự động hố trong sản xuất.


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Khái niệm
 Mạng Grafcet là một biểu đồ hình chức
năng cho phép mơ tả các trạng thái làm
việc của hệ thống và biểu diễn quá trình
điều khiển với các trạng thái và sự chuyển
đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác,
đó là một biểu đồ hình định hướng được
xác định bởi các phần tử là: tập các trạng
thái, tập các điều kiện chuyển trạng thái.
 Mạng grafcet mô tả thành chuỗi các giai
đoạn trong chu trình sản xuất.

 Mạng grafcet cho một quá trình sản xuất
ln ln là một đồ hình khép kín
từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ
trạng thái cuối về trạng thái đầu.


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Một số ký hiệu trong grafcet
 Trạng thái (giai đoạn)
Một trạng thái
(giai đoạn)
Mô tả tác động
đánh số thứ tự của trạng thái

Trạng thái
khởi động,
số thứ tự 1

Trạng thái hoạt động
(tích cực) có thêm
dấu “.”

 Điều kiện chuyển tiếp
Điều kiện
chuyển tiếp
trạng thái 3
và 4 là tác
động lên
biến b

Điều kiện
chuyển tiếp
trạng thái 5
và 6 là ở
sườn tăng
biến c

Điều kiện
chuyển tiếp
là: sẽ xảy ra
sau 2s từ khi
có tác động
cuối cùng
của trạng
thái 9


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Một số ký hiệu trong grafcet
 Phân kỳ
OR

 Phân kỳ
AND

 Hội tụ OR

 Sơ đồ rẽ nhánh

Khi trạng thái 1 đang
hoạt động, nếu
chuyển tiếp t12 (t13)
thỏa mãn thì trạng
thái 2 (3) hoạt động
 Sơ đồ song song
Khi trạng thái 1 đang hoạt
động, nếu chuyển tiếp t123
thỏa mãn thì trạng thái 2 và
3 đồng thời hoạt động

 Hội tụ AND


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Một số ký hiệu trong grafcet
 Ký hiệu bước nhảy
Hình vẽ biểu diễn grafcet
cho phép thực hiện bước nhảy,
khi trạng thái 2 đang hoạt động
nếu có điều kiện a thì q trình
sẽ chuyển hoạt động từ trạng
thái 2 sang trạng thái 5 bỏ qua
các trạng thái trung gian 3 và 4,
nếu điều kiện a khơng được
thoả mãn thì q trình chuyển
tiếp theo trình tự 2, 3, 4, 5.

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Cách xây dựng mạng grafcet
 Mô tả mọi hành vi tự động bao gồm các giai đoạn và các điều kiện chuyển tiếp
 Lựa chọn các dẫn động và các cảm biến rồi mô tả chúng bằng các ký hiệu
 Kết nối chúng lại theo các mô tả của Grafcet
Các cấu trúc lệnh:
Cấu trúc lệnh là trình tự các bước bắt đầu
từ bước 0, 1, 2, …, n.
+ Biểu điễn các q trình cơng nghệ dưới
dạng lưu đồ các trạng thái làm việc.
+ Xây dựng các hàm logic điều khiển và
các hàm điều khiển từ lưu đồ các trạng thái
làm việc.


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Cách xây dựng mạng grafcet
Trong đó:
Si: Tín hiệu ra của trạng thái thứ i
ai: tín hiệu kích thích vào chuyển tiếp ti

S i : Là hàm đóng trạng thái i

Si : ngắt trạng thái i
Hàm logic trạng thái i
như sau:

=

=


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Cách xây dựng mạng grafcet
Ví dụ:
Máy khoan tự động khoan 1 lỗ trên chi
tiết c (hình vẽ)

s

 Giai đoạn 0, S0: Trạng thái
ban đầu g
- Piston A lùi hết về bên trái (cảm
biến a0 = 1)
- Mũi khoan đang dừng (r = 0) và
ở vị trí trên cao (b0 = 1)
- Chi tiết cần khoan c ở vị trí sẵn
sàng (c = 1)
 Giai đoạn 1, S1 :
- Nhấn nút khởi động (d = 1)
- Piston A tiến theo chiều A+ để kẹp chặt chi tiết c. Khi lực kẹp đạt yêu cầu thì
cảm biến áp suất a1 = 1)


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Cách xây dựng mạng grafcet
 Giai đoạn 2 , S2 :

- Mũi khoan quay (r = 1)
- Đầu khoan B đi xuống theo
chiều B+, khi khoan đạt độ sâu
yêu cầu thì dừng lại (b1 =1)
 Giai đoạn 3 , S3 :
- Đầu khoan B đi lên theo chiều B-,
khi đạt độ cao thì dừng lại (b0 =1)
- Mũi khoan ngừng quay (r=0)
 Giai đoạn 4 , S4 :
- Piston A lùi về theo chiều A- nới
lỏng chi tiết c đến khi đá vào
cảm biến (a0 =1)
- Kết thúc 1 chu trình gia cơng.
- Lấy chi tiết c ra

-

g

-

d

Piston A lùi hết về bên trái
(cảm biến a0 =1)
Mũi khoan đang dừng (r=0) và
ở vị trí trên cao (b0 =1)
Chi tiết cần khoan c ở vị trí sẵn
sàng (c=1)

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.3. Grafcet- mô tả mạch trình tự trong CN
 Cách xây dựng mạng grafcet

Sơ đồ mạch
điều khiển role

 Lập Grafcet và hàm điều khiển
Chu trình làm việc
d

a0

a1

d

Ab0
A+
R,B+

g

R,B-

b1

Hàm logic
a0

trạng thái
g
S0+ = g + a0.S4
a0
S0 - = S1
S1+ =d.S0
S0
S 1 - = S2
d
S2+ = a1.S1
S2 - = S 3
S3+ = b1.S2
S3 - = S 4
S4+ = b0.S3
S4 - = S0

b0

c
g

S4

S1

S0

S0

S2

S1

S3

S2

S4

S3

S0

S1
a1
S2
b1
S3
b0
S4

S1
S2
S3
S4


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.4. PLC – Programmable Logic Controller
 Lịch sử ra đời

 Trong các hệ thống SX cơng nghiệp, điều khiển lơ gíc đóng vai trị điều
phối tồn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị.
 Các hệ thống điều khiển lơ gíc cổ điển trước đây thường được sử dụng là
các hệ thống lơ gíc cứng hay gọi là hệ thống điều khiển Rơ le.
 Sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các hệ thống điều khiển lơ gíc dùng Rơ le
dần được thay thế bằng các hệ thống điều khiển lô gíc khả lập trình PLC.
 PLC – Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển lơ gíc khả lập trình.
 Năm 1968 GM Hydramatic (bộ phận truyền động tự động của General
Motors) đã đưa ra yêu cầu đề xuất thay thế điện tử cho các hệ thống rơle có
dây cứng, các thiết bị rời rạc, cồng kềnh.
 PLC được sản xuất thương mại đầu tiên bởi hãng Modicon, tên gọi là
Modicon 084


2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.4. PLC – Programmable Logic Controller
 Lịch sử ra đời
 Đến năm 1976 thì PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa
bằng kỹ thuật truyền thông (khoảng 200 mét).
 Thập niên 1970s: Công nghệ PLC nổi bật nhất là ĐK tuần tự theo chu kỳ
và theo bit trên nền tảng CPU: thiết bị AMD 2901 và AMD 2903.
 Thập niên 1980s: Tiêu chuẩn hóa hệ giao tiếp và giao diện tự động hóa của
hãng General Motor (MAP – Manufactoring Automation Protocal). Kích
thước nhỏ gọn, có thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân.
 Thập niên 1990s: những giao diện phần mềm có cấu trúc lệnh giảm. PLC
có thể lập trình theo sơ đồ khối (FBD), dịng lệnh trạng thái (STL), biểu
đồ hình thang (LAD).
 Hiện nay các thiết bị PLC được phát triển mạnh mẽ và có tính phổ cập cao,
có nhiều hãng SX PLC: Siemens, Allen Bradley, Omron, Mitsubishi,
Sneijder…

2. Logic cứng và sự pt của PLC
2.4. PLC – Programmable Logic Controller
 Lịch sử ra đời
 PLC là một thiết bị điều khiển đặc biệt hoạt động dựa trên bộ vi xử lý, sử
dụng bộ nhớ lập trình để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng điều
khiển như: thực hiện các phép tốn lơ gíc, định giờ, đếm, thực hiện các thuật
toán điều khiển và quy trình cơng nghệ.
 PLC được thiết kế cho các kỹ sư, khơng u cầu cao về kiến thức máy tính và
ngơn ngữ lập trình.
 PLC tương tự máy tính, tuy nhiên máy tính được tối ưu hóa cho các tác vụ
tính tốn và hiển thị cịn PLC được tối ưu hóa cho các cơng việc điều khiển
trong mơi trường cơng nghiệp.