Bài giảng PLC và mạng công nghiệp: Chương 4 - 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


4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI (Digital Input)
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI (Analog Input)
4.3. Mô đun đầu ra số DO
4.4. Mô đun đầu ra tương tự AO
4.5. Mô đun kết nối mạng
4.6. Mô đun kết nối can nhiệt

4.7. Mô đun kết nối động cơ bước


4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
 Là kênh để kết nối với các thiết bị ngoại vi có tính chất ON/OFF như: Các
cơng tắc, các loại cảm biến số, …
 Nguồn cung cấp cho mô đun DI là nguồn điện một chiều 24v, 5v hoặc
nguồn điện xoay chiều 110v, 220v

SIMATIC S7-300
CPU 314C-2
PN/DP (24DI)

Mô đun DI mở rộng
SM 321
Siemens S7-300, 32DI

S7-1200 CPU 1214C
DC/DC/DC (14DI)

Digital Input
SM 1221
16DI, DC


4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
 PLC S7-1200

S7-1200 CPU 1214C
DC/DC/DC (14DI)

Digital Input
SM 1221
16DI, DC


4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
 Quy tắc kết nối mở rộng mô-đun vào số
1. Kết nối nguồn cho mô đun DI
2. Kết nối tín hiệu từ mơ đun DI đến CPU
3. Kết nối thiết bị đầu vào số với DI module

Mô đun DI mở
rộng SM 321
Siemens S7-300,
32DI

Digital Input SM 1221
16DI, DC


4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
 Cách đấu nối các tiếp điểm lơ gíc với mô đun DI.
 Hai kiểu kết nối đối với DI
Sourcing (cấp dòng), phổ biến hơn
Sinking (rút dòng)

4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
 Các tốn tử logic đầu vào
Hoạt động

NO
Khơng tác động
Tác động

NC

Tiếp điểm vật lý

Tín hiệu vật lý

NO

Tiếp điểm phần mềm
NO

NC

0

0

1

NC

1

1

0

NO

1

1

0

NC

0

0

1

Q: Sử dụng tiếp điểm
bắt sườn âm |N| cho
nút ấn STOP (NC) thì
thời điểm kích hoạt là
khi nào (khi ấn hay nhả
nút ấn)?

4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Đặc điểm
 Là kênh để kết nối với các thiết bị ngoại vi với tín hiệu vào có tính chất
tương tự như: các loại cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, áp suất, …
 Là một bộ chuyển đổi giá trị tương tự sang giá trị số A/D
 Hiện nay trên plc tích hợp 2 dạng ngõ vào ra analog phổ biến như sau:
+ 0-10 V: đọc điện áp analog từ 0-10V.
+ 4-20 mA: đọc dòng điện 4-20 mA.
 Dạng đọc tín hiệu 4-20 mA được sử dụng trong thực tế nhiều hơn nhờ khả
năng kéo dây đi xa mà tín hiệu vẫn khơng bị suy yếu


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Phân loại
 Mô đun đơn cực (Unipolar): có thể chấp nhận tín hiệu đầu vào chỉ thay
đổi theo giá trị dương.
Ví dụ: Giá trị điện áp ra của thiết bị từ 0-10V thì sử dụng mơ đun đơn cực.

 Mơ đun lưỡng cực (Bipolar): Tín hiệu lưỡng cực dao động giữa giá trị
âm lớn nhất và giá trị dương lớn nhất.
Ví dụ: Thiết bị có điện áp đầu ra ±10V thì sử dụng mơ đun lưỡng cực


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Xử lý tín hiệu vào Analog

Trình tự xử lý tín hiệu vào analog trong PLC


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Cách chuyển đổi tín hiệu
xmin/xmax

0V/10V

0/27648

-10V/10V

-27648/27648
Sử dụng hàm SCALE

PIW

Cơng thức tính giá trị đại lượng đo OUT (Real)
OUT=

∗(

)

+ LO LIM

Trong đó:

 Giá trị của hằng số K1 và K2 phụ thuộc vào trạng thái tín hiệu BIPOLAR.
 Trạng thái tín hiệu là “1”: K1 = - 27648.0 ; K2 = 27648.0
 Trạng thái tín hiệu là “0”: K1 = 0.0 ; K2 = 27648.0
 IN: Tín hiệu đầu vào, kiểu dữ liệu Integer.
 HI_LIM và LO_LIM: Chỉ định giới hạn cao và thấp phạm vi của giá trị mà giá trị đầu vào được
chia tỷ lệ.
 OUT: Kết quả của hàm.
 RET_VAL: Hàm trả về giá trị thể hiện cho trạng thái của hàm (lỗi hay không, mã để tra cứu lỗi).


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Cách chuyển đổi tín hiệu
 Chuyển đổi giá trị đầu vào theo ánh xạ tỷ lệ (chuẩn hóa các tín
hiệu đầu vào) (hình a)
Giá trị tín hiệu đưa vào là tín hiệu tương tự dạng điện áp (0-10 V)
hoặc dòng điện (4-20 mA), tương ứng với dải giá trị số bên trong
(a)

PLC có thể đọc là dải (MIN, MAX) = (0, 27648)
Khi đó cần phải chuyển đổi tín hiệu đầu vào theo một tỷ lệ. Giá trị
đó là OUT và nằm trong khoảng [0,1]:
OUT = (VALUE-MIN)/(MAX-MIN)
 Chuyển đổi giá trị số sang giá trị thực của thiết bị đo (hình b):

(b)

Đồ thị quan hệ giữa
các giá trị

Các giá trị MIN, MAX là giá trị giới hạn của thiết bị đo.
OUT = VALUE*(MAX - MIN) + MIN


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Cách chuyển đổi tín hiệu
Sử dụng hàm NORM_X: Normalize

Sử dụng hàm SCALE_X: Scale


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Cách chuyển đổi tín hiệu
 Ví dụ Xử lý tín hiệu đo của cảm biến nhiệt độ:
Khoảng giá trị nhiệt độ của cảm biến nhiệt là 0 – 2000C, giá trị chuyển đổi điện áp tương
ứng của cảm biến là 0 – 10V
 Sử dụng mô-đun đầu vào analog PLC S7-1200 Siemens.
Đầu vào analog sẽ chuyển đổi giá trị 0-10V sang giá trị số tương ứng 0 – 27648 và lưu
dưới dạng dữ liệu Word và sử dụng hàm NOMR_X. Để đọc được giá trị nhiệt độ của cảm
biến từ PLC cần chuyển đổi giá trị số đã chuyển đổi tỷ lệ sang giá trị analog bằng hàm
SCALE_X.
Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng chương trình LD sử dụng hàm NORM_X và
hàm SCALE_X sau:


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Đấu nối phần cứng

 Đấu nối kiểu điện áp (hình a): chỉ cần 2 dây: A+ (hoặc
AIN) và A- (hoặc AGND) để đảm bảo ln có thể đo
được hiệu điện thế giữa hai điểm.
A+ để đấu với tín hiệu của đầu vào tương tự
A- để đấu với đất hoặc dây tín hiệu của đầu vào tương tự
Đối với cách đấu kiểu điện áp thường xảy ra sự sụt áp

(a)

nếu dây dẫn dài, điện áp tại mô-đun đầu vào khác với
điện áp thực của cảm biến.
 Đấu kiểu dịng điện (hình b): Dịng điện của
tín hiệu analog thường sử dụng dạng nằm
trong khoảng 0-20 mA (nếu nhỏ hơn sẽ khó
đo lường, cao hơn sẽ gây nguy hiểm)

(b)


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Đấu nối phần cứng
Ví dụ: Đấu nối với mơ đun analog PLC Siemens (hình)
+ Đấu với thiết bị 2 dây (hình a): là kiểu đấu đơn giản nhất. Cực dương “+” của nguồn
đấu với đầu “+” của thiết bị, dây còn lại của thiết bị được đấu với chân “+” của mô-đun
analog. Âm nguồn được đấu với chân chân 0V của mô-đun analog.

Đấu nối thiết bị 2 dây (a), 3 dây (b), 4 dây (c) trên S7-1200

(a)

(b)

(c)


4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI
 Đấu nối phần cứng
 Đấu nối can nhiệt đầu ra điện áp (PLC Allen Bradley)

 Đấu nối cặp nhiệt nối đất
và không nối đất (Rockwell
Micrologix)
Cặp nhiệt tiếp đất

Cặp nhiệt không tiếp đất


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Đặc điểm
 Là kênh để kết nối với các thiết bị đầu ra số,
 Tín hiệu ra có thể được cung cấp cho các contactor, solenoid, các rơ le… để điều
khiển các cơ cấu chấp hành hay các q trình cơng nghiệp
 Đầu ra số của PLC thường là là loại rơ le, nhưng chúng cũng có thể là điện tử trạng
thái rắn như transistor cho đầu ra DC hoặc Triac cho đầu ra AC
 Cũng tương tự như các mô đun đầu vào, đầu ra cũng rất ít khi được cấp nguồn mà
nó hoạt động giống như công tắc

SIMATIC S7-300
Mô đun DO mở rộng SM 322
CPU 314C-2 PN/DP (16DO)
Siemens S7-300, 32DO


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Đấu nối phần cứng
 Đấu nối kiểu sinkking

 Đấu nối kiểu sourcing


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Đấu nối phần cứng
 Kết nối tín hiệu từ
CPU đến mô đun DO

Mô đun DO mở rộng SM 322
Siemens S7-300, 32DO

 Kết nối nguồn cho
mô đun DO

 Kết nối mô đun DO
với thiết bị đầu ra số

4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Đấu nối phần cứng
 Kết nối tín hiệu từ
CPU đến mô đun DO

S7-1200 CPU 1214C,
AC/DC/Relay (4DO)

 Kết nối nguồn cho
mô đun DO

 Kết nối mô đun DO
với thiết bị đầu ra số


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Các tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
 Bài tập
Sử dụng 2 nút ấn START (NO / I0.0) và STOP (NC / I0.1) để bật và tắt đèn Q0
(Green / Q0.0) và động cơ điện 1 chiều 24VDC - MOTOR (Q0.1). Trong đó đèn
Q0 sáng chỉ báo hệ thống đã sẵn sàng, nhấn nút START để khởi động MOTOR,
đồng thời đèn Q0 tắt. Nhấn nút STOP để dừng MOTOR và đèn Q0 sáng.
Nhiệm vụ thực hiện:
1. Hoàn thiện sơ đồ kết nối thiết bị với

PLC.
2. Cấu hình phần cứng cho PLC trên
phần mềm TIA Portal.
3. Lập bảng cho biến đầu vào và đầu ra.
4. Viết chương trình điều khiển PLC.
5. Nạp và chạy mơ phỏng trên PLCSIM.


4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
TH1: Nút ấn START (NO) và STOP (NC)