Giáo trình lắp đặt hệ thống thiết bị điều khiển tự động (nghề kỹ thuật lắp đặt điện và điều khiển trong công nghiệp cđ)

LỜI NĨI ĐẦU
Trong cơng nghiệp u cầu tự động hố ngày càng tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều
khiển phải đáp ứng được những yêu cầu đó. Để giải quyết được nhiệm vụ điều khiển
có thể thực hiện bằng phương pháp điều khiển Rơle, khởi động từ ... hoặc thực hiện
bằng chương trình nhớ. Hệ điều khiển bằng Rơle và hệ điều khiển bằng lập trình có
nhớ khác nhau ở phần xử lý: thay vì dùng Rơle, tiếp điểm và dây nối trong phương
pháp lập trình có nhớ chúng được thay bằng các mạch điện tử. Như vậy thiết bị PLC
làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu xử lý số liệu.
Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển người ta cần thay đổi mạch điều khiển bằng
cách lắp lại mạch, thay đổi phần tử mới đối với hệ thống điều khiển bằng Rơle điện.
Trong khi đó khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ta chỉ cần thay đổi chương trình soạn
thảo đối với hệ điều khiển bằng lập trình có nhớ đây là một ưu việt của hệ thống điều
khiển sử dụng PLC.
Giáo trình Lắp đặt hệ thống thiết bị điều khiển tự động được viết cho học
sinh học nghề, hệ Cao đẳng nghề ngành Kỹ thuật lắp đặt điện và điều khiển trong công
nghiệp, đây là tài liệu quan trọng giúp học sinh trong quá trình học nghề. Giáo trình
được viết tích hợp từng bài theo chương trình khung hệ Cao đẳng nghề ủa
BLĐTB&XH.
Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và
cơng nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiến thức mới cho
phù hợp. Trong giáo trình, chúng tơi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người
học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tuy theo điều kiện
cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp.
Trong quá trình biên soạn tài liệu được lựa chọn từ nhiều nguồn khác nhau,
nhiều bạn đọc do đó khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Chúng tơi rất mong nhận được sự
tham gia đóng góp từ người học, chuyên gia, các thầy cơ giáo để giáo trình ngày càng
hồn thiện hơn đáp ứng nhu cầu người học và bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn!


Bài 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

1. Tổng quan về điều khiển.
Trong ứng dụng các công nghệ khoa học vào sản xuất cơng nghiệp u cầu tự
động hóa ngày càng cao, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng được những yêu cầu
đó, với mục tiêu tăng năng suất lao động bằng con đường tăng mức độ tự động hóa các
q trình và thiết bị sản xuất nhằm mục đích tăng sản lượng, cải thiện chất lượng và độ
chính xác của sản phẩm.
Những hệ thống có khả năng khởi động, kiểm sốt, và dừng một q trình
sản xuất theo yêu cầu giám sát hoặc đo đếm giá trị các biến đã được xác định của
quá trình nhằm đạt được kết quả mong muốn ở sản phẩm đầu ra của máy hoặc
thiết bị thì được gọi là hệ thống điều khiển.
Q trình tự động hố sản xuất nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ các
thao tác vật lý của cơng nhân vận hành máy móc, hoặc thiết bị thông qua hệ
thống điều khiển. Những hệ thống điều khiển đã được tự động hố có thể điều khiển
q trình sản xuất với độ tin câỵ cao, ổn định mà khơng cần hoặc cần rất ít sự can thiệp
của con người.
Trong kỹ thuật tự động điều khiển, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:
+ Điều khiển nối cứng
+ Điều khiển logic khả trình ( PLC)
Một hệ thống điều khiển bất kỳ được mô tả theo sơ đồ khối sau:
+ Khối vào
+ Khối xử lý – điều khiển
+ Khối ra
* Sơ đồ tổng quát của điều khiển lập trình như sau (hình 1.1):

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát của điều khiển lập trình


Khối vào:
Các tín hiệu vào thường qua bộ chuyển đổi để chuyển đổi các tín hiệu vật lý
thành các tín hiệu điện (đã được chuyển đổi chuẩn hoá). Các bộ chuyển đổi có thể là

bộ nút nhấn (Button), cơng tắc (Switch), cảm biến (sensor) như cảm biến nhiệt hay
điện trở đo sức căng … tuỳ theo loại chuyển đổi mà các tín hiệu ra khỏi bộ chuyển đổi
có thể là dạng số (tiếp điểm) hoặc dạng liên tục (Analog).
Bộ chuyển đổi

Đại lượng đo

Đại lượng ra

Cơng tắc
(Switch)

Sự dịch chuyển/
vị trí

Điện áp nhị phân
(ON/OFF)

Cơng tắc hành trình
(Limitswitch)
Bộ điều chỉnh nhiệt
(Thermostat)

Sự dịch chuyển/
vị trí

Điện áp nhị phân
(ON/OFF)
Điện áp nhị phân
(ON/OFF)

Cặp nhiệt điện
(Thermocouple)
Nhiệt trở (Thermister)
Tế bào quang điện
(Photocell)
Tế bào tiệm cận
(Proximity cell)
Điện trở đo sức căng
(Strain gage)

Nhiệt độ
Nhiệt độ

Điện áp thay đổi

Nhiệt độ

Trở kháng thay đổi

Ánh sáng

Điện áp thay đổi (analog)

Sự hiện diện của
đối tượng

Trở kháng thay đổi

Áp suất/ sự dịch

chuyển

Trở kháng thay đổi

Bộ nhớ (Memory):
Lưu chương trình điều khiển được lập trình bởi người dùng và các dữ liệu
khác như cờ, thanh ghi tạm, trạng thái đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra… Nội dung các
bộ nhớ đã được mã hóa dưới dang mã nhị phân.
Khối xử lý:
Thay thế người vận hành thực hiện các thao tác đảm bảo quá trình hoạt động có
sự điều khiển, nó nhận thơng tin các tín hiệu từ khối vào xử lý tín hiệu vào này theo
một luật nào đó được đặt ra theo u càu cơng nghệ và xuất ra các tín hiệu đến khối ra
để thực hiện các tác động đến thiết bị.
Khối ra:
Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển. Các tín hiệu
này được sử dụng để tạo ra những hoạt động đáp ứng cụ thể cho các máy hoặc thiết bị ở


ngõ ra như động cơ, các van, xy lanh khí nén hay dầu ép, bơm, rơ le… Chẳng hạn động
cơ biến đổi các tín hiệu điện thành chuyển động quay (các thiết bị ngõ ra cũng có dạng
bộ chuyển đổi vào nhưng theo chiều ngược lại) . Các thiết bị ngõ ra có thể làm việc với
tín hiệu dạng on/off hoặc các tín hiệu liên tục.
Từ thơng tin của tín hiệu đầu vào hệ thống điều khiển tự động phải tạo ra được
những tín hiệu ra cần thiết đáp ứng yêu cầu điều khiển đã xác định trong bộ phận xử
lý. Yêu cầu điều khiển có thể thực hiện theo hai cách: dùng mạch điện kết nối cứng,
hoặc dùng chương trình điều khiển. Mạch điện kết nối cứng được dùng trong trường
hợp yêu cầu điều khiển không thay đổi, trong đó các phần tử trong hệ thống được kết
nối với nhau theo mạch cố định. Trong đó, hệ thống dùng chương trình điều khiển hoạt
động theo chương trình lập sẵn lưu trong bộ nhớ, và chương trình có thể được điều
chỉnh hoặc khi cần thiết thay bằng chương trình khác.

Thiết bị ở ngõ ra

Đại lượng ra

Đại lượng tác động

Động cơ điện

Chuyển động quay

Điện

Xy lanh- Piston

Chuyển

động
lực

thẳng/áp

Dầu ép/ khí ép

Solenoid

Chuyển động thẳng/áp lực

Điện

Lị xấy/ lị cấp nhiệt

Nhiệt

Điện

Van
Rơle

Tiết diện cửa van thay
đổi

Điện/dầu ép/khí ép

Tiếp điểm điện/ chuyển
động vật lý có giới hạn

Điện

2. Điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình.
Trong kỹ thuật điều khiển cũng như tự động hóa người ta chia ra làm 2 loại điều
khiển: điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình (điều khiển khả trình).
2.1. Phương pháp điều khiển nối cứng (Hard-Wired Control).
Điều khiển nối cứng là dạng điều khiển sử dụng các tiếp điểm. Trong hệ thống
điều khiển nối cứng chúng ta sử dụng các khí cụ điện như công tắc, nút nhấn, rơ le,
khởi động từ, cảm biến,… kết hợp với các thiết bị như đèn, chuông, động cơ 1 pha, 3
pha),… Các thiết bị, khí cụ điện này được nối lại với nhau theo một mạch điện cụ thể
để thực hiện một yêu cầu công nghệ nhất định (điều khiển hay vận hành một quá trình
hoặc một hoạt động chế tạo cụ thể).

Các b-ớc thiết lập sơ đồ điều khiển nối cứng ( Điều khiển rơ le):
Xác định nhiệm vụ điều khiển

Sơ đồ mạch điện

Chọn phần tử mạch điện

Dây nối liên kết các phần tử

Kiểm tra chức năng

Hình 1-2: L-u đồ điều khiĨn dïng R¬le
Ví dụ: Lắp đặt mạch điện điều khiển khởi động động cơ không đồng bộ ba pha
dạng đơn giản. Yêu cầu mạch điều khiển sử dụng nguồn điện 24VAC. Hình dưới là sơ
đồ mạch điện dạng điều khiển nối cứng sử dụng tiếp điểm, trong đó:
- M là công tắc tơ sử dụng nguồn 380VAC
- CR là rơ le trung gian nguồn 24VAC


- Nỳt nhn thng m, thng úng

380VAC

Hình 1-3: Sơ đồ ®iỊu khiĨn
* Nhận xét: Điều khiển nối cứng:
- Chức năng được đặt cố định (nối dây, mạch điện tử).
- Nếu muốn thay đổi chức năng có nghĩa là phải thay đổi lại kết nối dây hay thay
đổi mạch điện tử.
- Điều khiển nối cứng có thể thực hiện với các tiếp điểm (rơle, công tắc tơ,...) hay
mạch điện tử.

2.2. Phương pháp điều khiển lập trình.
Điều khiển lập trình được (Progammable Logic, Control (PLC)) là thiết bị điều
khiển Logic có thể lập trình được hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật
tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình. Nó bao gồm một khối vi xử lý
trung tâm chứa chương trình ứng dụng (liên kết các hoạt động của hệ thống PLC: thi
hành chương trình, xử lý tín hiện nhập, xuất và chuyển giao với các thiết bị ngoài). Bộ
nhớ memory nắm giữ hệ điều hành và vùng nhớ chương trình người dùng và cũng là
nơ lưu trữ chương trình điều khiển và các chương trình nhớ trung gian.


Các loại bộ nhớ ROM: Read only Memory, Ram, EFROM và các loại module
giao diện nhâp – xuất. PLC chỉ có thể hoạt động được sau khi đã được lập trình. Có
nghĩ là chương trình ứng dụng được người sử dụng viết bằng bộ bàn phím lập trình
cầm tay hoặc bằng máy vi tính dựa trên phần mềm ứng dụng được cài đặt trong máy
sau đó nạp vào bộ nhớ chng trỡnh ca PLC.

Hình 1-4: Sơ đồ điều khiển bng PLC
*Nhận xét: Điều khiển lập trình được
- Chức năng được đặt cố định thơng qua một chương trình cịn được gọi là bộ
nhớ chương trình.
- Các phần tử nhập tín hiệu được nối ở ngõ vào của bộ điều khiển
- Các cuộn dây ngõ ra được khởi động bằng các phần tử ở ngõ vào và chương
trình trong bộ nhớ
- Quá trình điều khiển ở đây được thực hiện bằng một chương trình soạn thảo và
đưa vào bộ nhớ chương trình.
- Nếu muốn thay đổi chức năng thì cần thay đổi chương trình trong bộ điều khiển
3. So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác.
3.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle:
Việc phát triển hệ thống điều khiển lập trình đã dần thay thế từng bước hệ thống
điều khiển bằng rơle trong các quá trình sản xuất khi thiết kế một hệ thống điều khiển

hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình
thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng rơ le do các nguyên nhân sau:


- Thay đổi chương trình điều khiển một cách linh động.
- Có độ tin cậy cao.
- Khơng gian lắp đặt thiết bị nhỏ, khơng chiếm nhiều diện tích.
- Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra phù hợp: dòng, áp.
- Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi
có nhu cầu mở rộng sản xuất.
Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã
nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng vượt
trội hơn hệ thống điều khiển cũ (rơle, contactor …). Hệ thống điều khiển này cũng phù
hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải thay đổi, loại bỏ hệ thống dây
nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình sao
cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới.
3.2.

PLC với máy tính cá nhân:
Đối với một máy tính cá nhân, người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt

giữa PC với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau:
Máy tính khơng có các cổng giao tiếp tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời
máy tính cũng hoạt động khơng tốt trong mơi trường cơng nghiệp.
Ngơn ngữ lập trình trên máy tính khơng phải dạng hình thang, máy tính ngồi việc sử
dụng các phần mềm chun biệt cho PLC, cịn phải thơng qua việc sử dụng các phần mềm khác
làm “chậm” đi quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển.
Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dể dàng kết nối với các hệ thống khác,
cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ (có dung lượng rất lớn) của máy tính làm bộ nhớ
của PLC.

4. Phạm vi ứng dụng của PLC.
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong
công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có
chức năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,
địi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật tốn trong q trình sản xuất. Các lĩnh vực
tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:
- Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn,
cân đơng trong ngành hóa …
- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hoá trong chế tạo máy, cân đơng, q trình
lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…
- Bột giấy, giấy, xử lý giấy. Điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, cán, gia nhiệt..


- Thủy tinh và phim ảnh: q trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các
khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy .
- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm, kiểm tra sản phẩm, kiểm sốt q trình sản
xuất, bơm (bia, nước trái cây …), cân đong, đóng gói, hịa trộn …
- Kim loại: Điều khiển q trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra
chất lượng sản phẩm.
- Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các
turbin …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than,
gỡ, dầu mỏ).
Ví dụ:

H×nh 1-5: VÝ dơ øng dơng PLC trong m¸y khai th¸c má


Hình 1-6: Ví dụ ứng dụng PLC trong điều khiển dây chuyền lắp ráp máy tính

Hình 1-7: Ví dụ ứng dơng PLC trong m¸y d¸n nh·n thc l¸

4. Cấu trúc và phương thức hoạt động của plc
4.1. Cấu trúc và hoạt động của một PLC.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller), là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thơng qua một
ngơn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật tốn đó bằng mạch số. Như vậy, với
chương trình điều khiển này, PLC trở thành một bộ điều khiển số số nhỏ, gọn, dễ
thay đổi thuật tốn và đặc biệt trao đổi thơng tin với môi trường xung quanh (với các
PLC khác hoặc với máy tính). Tồn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ
nhớ của PLC.
4.2. Cấu trúc phần cứng PLC

PLC
Pa-len
lâp
trình

Bộ nhớ
chương
trình
Bộ nhớ
dữ liệu

Bộ xử
lý trung
tâm

Quá trình được điều
khiển

Khối
ngõ vào
Khối
ngõ ra

Mạch giao
tiếp và cảm
biến
Mạch cơng
suất và cơ
cấu tác động

Nguồn cấp điều khiển

Hình 2-1 Cấu trúc phần cứng PLC
+ Bộ xử lý trung tâm : (CPU – Central Processing Unit )
Khối xử lý trung tâm (CPU) gồm ba phần : Bộ xử lý, Hệ thống bộ nhớ
và Hệ thống nguồn cung cấp.

Hình 2-2 : Sơ đồ khối tổng quát của CPU


CPU điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông
tin giữa PLC, bộ nhớ và khối vào /ra được thực hiện thông qua hệ thống Bus dưới sự
điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn
cho CPU, thường là 1 hay 8 Mhz tuỳ thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock
xác định tốc độ hoạt động của PLC và dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử
trong hệ thống.
+ Bộ nhớ :

Tất cả PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau :
- ROM (Read Only Memory )
- RAM ( Random Acess Memory )
- EEPROM (Electronic Erasable Programmable Read Only Memory)
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ, nên hầu như các PLC đều dùng
bộ nhớ EEPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ
RAM có nguồn Pin ni và bộ nhớ EEPROM. Ngồi ra, PLC cần bộ nhớ RAM cho
các chức năng khác như :
Bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra .
Bộ nhớ tạm cho tác vụ định thì, tác vụ đế, truy xuất cờ
Dung lượng bộ nhớ :
Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dụng lượng cố định, thường là 2k.
Dung lượng này là đủ đáp ứng cho khoảng 80% điều khiển hoạt động trong công
nghiệp. Do giá thành bộ nhớ giảm liên tục, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày
càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ.
+ Khối vào / ra : Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện
áp 5 vol DC và 15 vol DC (điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển
bên ngồi có thể lớn hơn nhiều, thường 24 vol DC đến 240 vol DC với dòng lớn.
Khối vào / ra có vai trị là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử của PLC với các
mạch công suất bên ngồi kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện chuyển đổi các
mức điện tín hiệu và cách ly, tuy nhiên, khối vào / ra cho phép PLC kết nối trực tiếp
với các cơ cấu tác động có cơng suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống không cần các mạch cơng
suất trung gian hay rơle trung gian.
Có thể lựa chọn cho các thông số cho các ngõ vào / ra thích hợp với các yêu cầu
điều khiển cụ thể :
Ngõ vào : 24 vol DC , 110 vol AC, hay 220 vol AC.
Ngõ ra : Dạng rơle, transistor hay triac.


Các modul vào/ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành

và cảm biến vào PLC. Tất cả các cổng vào/ra được thiết kế sao cho nhanh chóng lắp
ráp và thay thế khi bị hỏng. Tại các cổng vào/ra đều được đánh số địa chỉ để dễ khi lập
trình hay thực hiện chức năng giám sát (monitor) trạng thái của chúng. Trạng thái của
các cổng vào/rađược báo hiệu bằng đèn LED chỉ báo ngay trên PLC có tác dụng kiểm
tra tính hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động kết nối với PLC tiện hơn.
Có thể lựa chọn thơng số cho các ngõ vào/ra thích hợp các yêu cầu điều khiển
cụ thể:
Các kiểu đầu ra:
a) Loại ngõ ra dùng zơle
Đặc điểm:
- Đóng cắt cho cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều.
- Chịu được tần số đóng cắt thấp.
- Tuổi thọ thấp, phụ thuộc vào dòng tải đi qua zơle và tần số đóng tiếp điểm. Imax= 2A.
Đèn

LED
Q0.0
Mạch vi
xử lý

24V

Cuộn hút

COM

Hình 2-3: Kiểu đầu ra dùng zơle.
b) Loại ngõ ra dùng Transistor
Đặc điểm:
- Đóng cắt cho nguồn một chiều; - Chịu được tần số đóng cắt cao

- Tuổi thọ cao;

Imax= 50 Ma


Đèn
Q0.0

24V

Mạch vi
xử lý
COM
Bộ thu phát quang
(opto – coupler)

Hình 2-4: Kiểu đầu ra dùng Tranzitor.
Các kiểu đầu vào
a) Kiểu đầu vào một chiều
Tranzitor quang
R1
CT

R2

Mạch
vi xử
lý

D

24V

Diot phát
quang

Hình 2-5: Kiểu đầu vào một chiều
b) Kiểu đầu vào xoay chiều
Tranzitor quang
R

R1

CT
C

Mạc
h vi
R2

xử lý

D

Diot phát
quang

Hình 2-6: Kiểu đầu vào xoay chiều.

+ Pa-len lập trình:
Trên các PLC loại lớn thường lập trình bằng cách dùng VDU (Visual Display
Unit) với đầy đủ các bàn phím và màn hình, được nối với PLC thông qua cổng nối
tiếp, thường là RS – 442. Các VDU hỡ trợ rất tốt cho việc lập trình dạng ngơn ngữ
Ladder kể cả các chú thích trong mơi trường soạn thảo chương trình làm cho chương
trình dễ đọc hơn.
Hiện nay máy vi tính được xử dụng rất phổ biến để lập trình cho PLC, với CPU
xử lý nhanh, màn hình đồ hoạ chất lượng cao, bộ nhớ lớn và giá thành ngày càng hạ,
máy vi tính rất lý tưởng cho việc lập trình bằng ngơn ngữ Ladder, ngồi ra bộ lập trình
cầm tay (Console) thường được sử dụng thuận tiện trong cơng tác sửa chữa và bảo trì.
4.3

Hoạt động của PLC :

4 . C h u y e ån d ö õ lie äu tö ø b o ä n h ơ ù a ûo
đ ie àu k h ie ån th ie át b ò n g o a ïi v i

3 . T ru y e àn th o ân g v a ø
tö ï k ie åm tra lo åi

1 . Đ o ïc d ư õ lie äu tö ø n g o a øi v a øo
( R e a d in p u t )

2 .T h ö ïc h ie än c h ư ơ n g trìn h
( P ro g ra m e x c u tio n )

Hình 2-7 :Một vịng qt của PLC.
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỡi vịng lặp được gọi là vịng
qt. Mỡi vịng qt bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các ngõ vào (contact,
sensor, relay...) vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.

Trong từng vịng qt, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại
lệnh MEND. Sau giai đọan thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thơng nội bộ và
kiểm tra lỡi. Vịng qt được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm
ảo tới các ngõ ra.
Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, lệnh này không trực tiếp làm việc
với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng tham số. Việc truyền
thông giữa bộ đệm ảo với thiết bị ngoại vi trong giai đọan 1 và 4 là do CPU quản lý.
Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi cơng việc khác, ngay cả
chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào/ra.
Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một
vịng qt đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện
một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ


giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…).Vi xử lý có thể đọc
được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn
một chu kỳ qt thì vi xử lý coi như khơng có tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản
xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên
có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất. Để khắc phục thời gian
quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC
cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng
I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.
4.4. Phân loại PLC
Đầ̀̀̀ u tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người sử
dụng chọn những loại PLC nào mà họ cần. Nhu cầu về hệ thống được xem như là một
nhu cầu ưu tiên, nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng
loại để dễ dàng lựa chọn.

Hình 2-8: Phân loại PLC
Hình vẽ cho ta các “bậc thang” phân loại các loại PLC và việc sử dụng PLC cho

phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất. Trong hình này ta có thể nhận thấy những
vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại
PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp
nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao. Thường sử
dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại
giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết.
Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau:
- Loại 1: Micro PLC (PLC siêu nhỏ).


Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng
dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ. Các PLC này
thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay, một vài micro PLC cịn có khả
năng hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (analog). Các tiêu chuẩu của một Micro PLC
như sau:
32 ngõ vào/ra.
Sử dụng vi xử lý 8 bit.
Thường dùng thay thế rơle.
Bộ nhớ có dung lượng 1K.
Ngõ vào/ra là tín hiệu số.
Có timers và counters.
Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay.
- Loại 2: PLC cỡ nhỏ (Small PLC)
Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (ví dụ:
Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức năng của các PLC này thường
được giới hạn trong việc thực hiện chuổi các mức logic, điều khiển thay thế rơle. Các
tiêu chuẩn của một small PLC như sau:
Có 128 ngõ vào/ra (I/O).
Dùng vi xử lý 8 bit.
Thường dùng để thay thế các rơle.

Dùng bộ nhớ 2K.
Lập trình bằng ngơn ngữ dạng hình thang (ladder) hoặc liệt kê.
Có timers/counters/thanh ghi dịch (shift registers).
Đồng hồ thời gian thực.
Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay.
Chú ý vùng A trong sơ đồ hình 1.6. Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng
tăng cường của PLC cỡ lớn hơn như: thực hiện được các thuật toán cơ bản, có thể nối
mạng, cổng vào ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự.
- Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLC)
PLC trung bình điều khiển được các tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liệu, ứng
dụng được những thuật tốn, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động
của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm) các thơng số của PLC trung bình như
sau:
Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O).
Dùng vi xử lý 8 bit.


Thay thế rơle và điều khiển được tín hiệu tương tự.
Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên 8K.
Tín hiệu ngõ vào ra là tương tự hoặc số.
Có các lệnh dạng khối và ngơn ngữ lập trình là ngơn ngữ cấp cao.
Có timers/Counters/Shift Register.
Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…).
Có các lệnh dạng khối và ngơn ngữ lập trình là ngơn ngữ cấp cao.
Có timers/counters/Shift Register.
Có khả năng xử lý chương trình con ( qua lệnh JUMP…).
Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…).
Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay.
Có đường tín hiệu đặc biệt ở module vào/ra.
Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS232.

Có khả năng hoạt động với mạng.
Lập trình qua màn hình máy tính để dễ quan sát.
- Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC).
Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu, có
thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận… Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm
tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng. Tiêu chuẩn PLC cỡ
lớn: Ngoài các tiêu chuẩn như PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn cịn có thêm các tiêu chuẩn
sau:
Có 2048 cổng vào/ra (I/O).
Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit.
Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32K.
Local và remote I/O.
Điều khiển hệ thống rơle (MCR: Master Control Relay).
Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts).
PID hoặc làm việc với hệ thống phần mềm PID.
Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS 232.
Nối mạng.
Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật
toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, hexa …).
Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các module.
- Loại 5: PLC rất lớn (very large PLC)


Very large PLC được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xác
cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn. Ngồi ra PLC loại này cịn có thể giao
tiếp I/O với các chức năng đặc biệt, tiêu chuẩn PLC loại này ngoài các chức năng như
PLC loại lớn cịn có thêm các chức năng:
Có 8192 cổng vào/ra (I/O).
Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bít.
Bộ nhớ 64K, mở rộng lên được 1M.

Thuật toán :+, -, *, /, bình phương.
Dữ liệu điều khiển mở rộng: Bảng mã ASCII, LIFO, FIFO.


BÀI 2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH S7-200.
1. Giới thiệu chung
Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị PLC: Siemens, Omron,
Panasonic, Mishumitshi, … Tuy nhiên do đặc thù của Khoa Điện tử nên tài liệu này
chỉ tập trung vào PLC của hãng Siemens. Tất cả các PLC đều có thành phần chính là:
- Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ
ngoài EPROM).
- Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC.
- Các Module vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm thêm một đơn vị lập trình
bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để
chứa chương trình. Nếu đơn vị lập trình là loại xách tay thì RAM thường là loại
CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử
dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên
máy tính nhằm hỡ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình
nối với PLC qua cổng RS232, RS485.
S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens
(Đức), có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng. Các module này đươc
sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau.
Hình dạng bên ngồi của PLC S7-200 được mơ tả như hình vẽ

Hình 2-9: Bộ điều khiển lập trình S7-200 – CPU 224
Các đặc điểm và thơng số của các loại PLC S7-200 khác nhau được giới thiệu
trong bảng bên dưới:

Đặc trưng

CPU 221

CPU 222

CPU 224

CPU 226

Kích thước(mm)

90x80x62

90x80x62

120.5x80x62

190x80X62

Bộ nhớ chương trình

2048 words

2048words

4096words

4096words

Bộ nhớ dữ liệu

1024 words

1024words

2560words

2560words

Cổng logic vào

6

8

14

24

Cổng logic ra

4

6

10

16

Modul mở rộng

none

2

7

7

Digital I/O cực đại

128/128

128/128

128/128

128/128

Analog I/O cực đại

none

16In/16Out

32In/32Out

32In/32Out

Bộ đếm (Counter)

256

256

256

256

Bộ định thì (Timer)

256

256

256

256

Tốc độ thực thi lệnh

0.37s

0.37s

0.37s

0.37s

Khả năng lưu trữ khi 50 giờ

50 giờ

190 giờ

190 giờ

mất điện
* Các đèn báo:
- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF (System Falu báo hiệu hệ thống bị hỏng.
- RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện chương trình được nạp vào trong máy.
- STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương
trình và đang thực hiện lại
- Ix.x (đèn xanh): Chỉ trạng thái tức thời của cổng Ix.x. (I0.0, I0.1,…)
- Qx.x (đèn xanh): Chỉ trạng thái tức thời của cổng Qx.x. (Q0.0, Q0.1,…)

Hình 2-10: Giới thiệu đèn báo


*. Đầu vào:
- Kiểu đầu vào IEC 1131-2.
- Tầm điện áp mức logic 1: 15-30 VDC, dòng nhỏ nhất 4 mA; 35VDC ở thời gian
tức thời 500ms.
- Trạng thái mức logic 1 chuẩn: 24 VDC, 7mA.
- Trạng thái mức logic 0: Tối đa 5 VDC, 1mA.
- Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5: có thể chỉnh từ 0,2 đến 8,7 ms
mặc định 0,2 ms.
- Các chân từ I0.6 đến I1.5 được sử dụng bởi bộ đếm tốc độ cao HSC1 và HSC2 ở

30us đến 70us.
- Sự cách ly về quang 500VAC.1 min.
* Đầu ra:
- Kiểu đầu ra: Relay hoặc Transistor.
- Tầm điện áp: 24.4 đến 28.8 VDC.
- Dòng tải tối đa: 2A/ điểm; 8A/common.
- Quá dịng: 7A với contact đóng.
- Điện trở cách ly: nhỏ nhất 100 M.
- Thời gian chuyển mạch: tối đa 10 ms.
- Thời gian sử dụng: 10.000.000 với công tắc cơ khí; 100.000 với tốc độ tải.
- Điện trở cơng tắc: tối đa 200 m.
- Chế độ bảo vệ ngắn mạch: khơng có.
* Nguồn cung cấp:
- Điện áp cấp nguồn: 20.4 đến 24.8 VDC
- Dòng vào max load: 900mA tại 24 VDC
- Cách ly điện ngõ vào: Khơng có
- Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms ở 24 VDC
- Cầu chì bên trong: 2A, 250V
* Nguồn cấp cho sensor:
- Tầm điện áp ra: 15.4 đến 28.8 VDC
- Dòng ra tối đa: 280mA
- Độ gợn sóng: Giống như nguồn cấp vào
- Cách ly: khơng có


* Chế độ làm việc:
PLC có 3 chế độ làm việc:
- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN
sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP.
- STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ

STOP.
- TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc
RUN hoặc STOP.

Hình 2-11: Chọn chế độ trong CPU S7-200
* Cổng truyền thông:
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục
vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền
cho máy lập trình kiểu PPI (Point to Point Interface) là 9600 bauds. Tốc độ truyền
cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 38.400 bauds.
Chân

Chức năng

1

GND

2

24 VDC

5 4 3 2 1 3
4
9 8 7 6

Tín hiệu A của RS485 ( RxD/TxD+)
RTS ( theo mức TTL)

5

GND

6

+5 VDC

7

Nguồn cấp 24 VDC 120mA max

8

Tín hiện B RS485 (RxD/TxD-)

9

chọn lựa cách giao tiếp


Hình 2-12: Sơ đồ chân của cổng truyền thơng
Để ghép nối S7-200 với các máy lập trình PG 702 hoặc với các loại máy lập trình
kiểu họ PG7xx có thể nối thẳng qua MPI. Cáp đó đi kèm theo máy lập trình.
Để ghép S7-200 với các máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI
với bộ chuyển dổi RS232/RS485, theo hình vẽ 2.3.

Hình 2-13: Ghép nối S7-200 với máy tính qua cổng RS232
*

Đơn Vị Xử Lý Trung Tâm:

Điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương

trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình,
sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết
để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều
khiển được lưu giữ trong bộ nhớ.
*

Hệ Thống Bus:
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín

hiệu song song
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển
đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép
truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ
chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu
ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data


bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động
của PLC
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian
hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên
cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 18 MHZ. Xung này quyết

định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ
thống.
*

Bộ Nhớ:
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:
- Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
- Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các

Relay.
Mỡi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong
bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ .
Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một
địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được
gọi là quá trình đọc .
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có
khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dịng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ
như RAM, EPROM đều được sử dụng.
- RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xố bỏ nội
dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất . Để
tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khơ, có khả năng cung cấp năng
lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để
khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả
năng tiêu thụ năng lượng thấp và tuổi thọ lớn.
- EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử
dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ khơng ghi nội dung vào được. Nội dung của
EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản
xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng khơng muốn mở rộng bộ nhớ
thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programmer) có sẵn chỡ ghi và

xố EPROM.