giáo trình PLC cơ bản

1
Bộ Công thương
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế
GIÁO TRÌNH
PLC
(Lưu hành nội bộ)
Huế, tháng 7/2009
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Chương 1 Điều khiển Logic 3
1.1. Logic trạng thái 3
1.2. Mạch tổ hợp 8
1.3. Mạch trình tự 11
1.4. Grafcet 13
1.5. Lưu đồ thuật toán 18
Chương 2 Bộ điều khiển PLC 22
2.1. Cấu trúc PLC 22
2.2. Nguyên lý hoạt động của PLC 51
2.3. Lĩnh vực sử dụng của PLC 61
2.4. Các ngôn ngữ lập trình PLC 61
Chương 3 Lập trình điều khiển với PLC 74
3.1. PLC Siemens S7-200 CPU 224 74
3.2. PLC Mitshubishi FX-1S 81
3.3. PLC LG Series Master K30S & K120S 87
3.4. Tập lệnh lập trình PLC 93
3.5. Các phương pháp lập trình điều khiển PLC 134
3.6. Xây dựng hệ thống điều khiển dùng PLC 138
Chương 4Ứng dụng lập trình PLC điều khiển trong dân dụng và công nghiệp141
4.1. Mạch điều khiển đèn giao thông 141
4.2. Mạch điều khiển chuông báo học 145
4.3. Mạch điều khiển máy trộn sơn 147

4.4. Mạch điều khiển máy bán nước ngọt tự động 152
4.5. Mạch điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm 157
4.6. Mạch điều khiển cánh tay rôbốt xếp hàng hóa 161
2
Chương 1
ĐIỀU KHIỂN LOGIC
1.1. Logic trạng thái
1.1.1. Khái niệm
Trong cuộc sống các sự vật và hiện tượng thường biểu diễn ở hai trạng thái
đối lập, thông qua hai trạng thái đối lập rõ rệt của nó con người nhận thức được sự
vật và hiện tượng một cách nhanh chóng bằng cách phân biệt hai trạng thái đó.
Chẳng hạn như ta nói nước sạch và bẩn, giá cả đắt và rẻ, nước sôi và không sôi,
học sinh học giỏi và yếu, kết quả tốt và xấu
Trong kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điện và điều khiển, ta thường có khái
niệm về hai trạng thái: đóng và cắt như đóng điện và cắt điện, đóng máy và ngừng
máy
Trong toán học, để lượng hoá hai trạng thái đối lập của sự vật và hiện
tượng người ta dùng hai giá trị: 0 và 1. Giá trị 0 hàm ý đặc trưng cho một trạng
thái của sự vật hoặc hiện tượng, giá trị 1 đặc trưng cho trạng thái đối lập của sự
vật và hiện tượng đó. Ta gọi các giá trị 0 hoặc 1 đó là các giá trị logic. Các nhà
bác học đã xây dựng các cơ sở toán học để tính toán các hàm và các biến chỉ lấy
hai giá trị 0 và 1 này, hàm và biến đó được gọi là hàm và biến logic, cơ sở toán
học để tính toán hàm và biến logic gọi là đại số logic.
Đại số logic cũng có tên là đại số Boole vì lấy tên nhà toán học có công đầu
trong việc xây dựng nên công cụ đại số này. Đại số logic là công cụ toán học để
phân tích và tổng hợp các hệ thống thiết bị và mạch số. Nó nghiên cứu các mối
quan hệ giữa các biến số trạng thái logic. Kết quả nghiên cứu thể hiện là một hàm
trạng thái cũng chỉ nhận hai giá trị 0 hoặc 1.
Trong công nghệ có nhiều đại lượng vật lý cần điều khiển và giá trị của nó
tại một thời điểm có thể là lớn hay nhỏ, quá trình điều khiển đó gọi là điều khiển

quá trình. Trong quá trình sản xuất, khi điều khiển nhiều lúc ta cần quan tâm tới
việc đồng bộ quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống. Khi đó ta chỉ quan tâm đến
trạng thái của các thiết bị đang làm việc hay đang nghỉ, quá trình này gọi là điều
khiển logic.
Điều khiển logic xuất phát từ thực tế, ngoài việc thiết bị làm việc như thế
nào người ta còn phải quan tâm tới việc khi nào cho thiết bị làm việc, khi nào cho
thiết bị nghỉ để đạt được hiệu quả cao trong quá trình điều khiển.
Vậy trong điều khiển logic ta cần quan tâm tới 2 trạng thái đối lập: trạng
thái cao (High) và trạng thái thấp (Low) (xét về mặt tín hiệu). Và thường trong
thiết kế điều khiển logic, người ta ngầm qui ước thiết bị đang làm việc thì có trạng
thái logic 1 hay trạng thái cao còn khi thiết bị đang nghỉ thì có trạng thái logic 0
hay trạng thái thấp. Tuy nhiên việc quy ước trên chỉ là tương đối, tuỳ theo thiết bị
3
điều khiển mà tương ứng với logic 0 là điểm nghỉ và logic 1 là điểm làm việc
hoặc ngược lại. Hoặc có thể chủ động áp đặt logic 1 là điểm làm việc thì chọn
thiết bị cho phù hợp.
Trong điều khiển logic ta cần quan tâm đến các biến đầu vào để gia công
theo hàm logic tạo nên giá trị đầu ra. Quan hệ giữa đầu ra và đầu vào nhờ chương
trình phần mềm hay phần cứng điều khiển. Các biến đầu vào được tạo nên từ các
nút ấn, công tắc, cảm biến các giá trị này phụ thuộc vào người vận hành hay
trình tự của công nghệ. Hàm logic đầu ra đưa tới điều khiển các đối tượng có thể
là nhóm các thiết bị như các cuộn dây điện từ của các thiết bị đóng cắt hay động
cơ của máy sản xuất…
1.1.2. Các hàm cơ bản của đại số logic
Một hàm y = f(x1, x2, ,xn) với các biến x1, x2, ,xn chỉ nhận hai giá trị:
0 hoặc 1 và hàm y cũng chỉ nhận 2 giá trị 0 hoặc 1 thì gọi là hàm logic.
1.1.2.1. Hàm logic một biến: y = f(x)
Với biến x sẽ nhận hai giá trị 0 hoặc 1, nên hàm y có bốn khả năng hay
thường gọi là bốn hàm y
0

, y
1
, y
2
, y
3
. Các khả năng và và các kí hiệu mạch rơle và
điện tử của hàm một biến như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1
4
Trong các hàm trên, hai hàm y
0
và y
3
luôn có giá trị không đổi nên ít được
quan tâm, thường ta chỉ xét hai hàm y
1
và y
2
.
1.1.2.2. Hàm logic hai biến: y = f(x
1
, x
2
)
Với hai biến x
1
, x
2
mỗi biến nhận hai giá trị 0 và 1, như vậy có 16 tổ hợp

logic tạo thành 16 hàm. Các hàm này được thể hiện trên bảng 1.2.
Bảng 1.2
5
6
Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn)
Với hàm logic n biến, mỗi biến nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1 nên ta
có tổ hợp biến, mỗi tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 0 hoặc 1, do vậy số hàm logic
tổng là 2 . Ta thấy với 1 biến có 4 khả năng tạo hàm, với 2 biến có 16 khả năng
tạo hàm, với 3 biến có 256 khả năng tạo hàm. Như vậy khi số biến tăng thì số
hàm có khả năng tạo thành rất lớn.
Trong tất cả các hàm được tạo thành ta đặc biệt chú ý đến hai loại hàm là
hàm tổng chuẩn và hàm tích chuẩn. Hàm tổng chuẩn là hàm chứa tổng các tích
mà mỗi tích có đủ tất cả các biến của hàm. Hàm tích chuẩn là hàm chứa tích các
tổng mà mỗi tổng đều có đủ tất cả các biến của hàm.
Các phép tính cơ bản: Người ta xây dựng ba phép tính cơ bản giữa các biến logic
đó là:
1.Phép phủ định (đảo): kí hiệu bằng dấu “-“ phía trên kí hiệu của biến.
2.Phép cộng (tuyển): kí hiệu bằng dấu “+”. (song song)
3.Phép nhân (hội): kí hiệu bằng dấu “.”. (nối tiếp)
Tính chất và một số hệ thức cơ bản
Tính chất của đại số logic được thể hiện ở bốn luật cơ bản là: luật hoán vị,
luật kết hợp, luật phân phối và luật nghịch đảo.
Luật hoán vị:
x
1
+ x
2
= x
2
+ x

1
x
1
.x
2
= x
2
.x
1
Luật kết hợp:
x
1
+ x
2
+ x
3
= x
1
+ (x
2
+x
3)
= (x
1
+ x
2)
+x
3

x

1
.x
2
.x
3
= x
1
.(x
2
.x
3)
= (x
1
.x
2)
.x
3

Luật phân phối:
(x
1
+ x
2
).x
3
= x
1
.x
3
+ x

2
.x
3
x
1
+ x
2
.x
3
= (x
1
+ x
2
)(x
1
+ x
3
)
Ta có thể minh hoạ để kiểm chứng tính đúng đắn của luật phân phối bằng
cách lập bảng 1.3
Bảng 1.3
Các phép toán và định lý của đại số Boole giúp cho thao tác các biểu thức
logic. Trong kỹ thuật thực tế là bằng cách nối cổng logic của các mạch logic với
nhau (theo kết cấu đã tối giản nếu có). Để thực hiện một bài toán điều khiển phức
tạp, số mạch logic sẽ phụ thuộc vào số lượng đầu vào và cách giải quyết bằng
7
Hàm logic n biến: y = f(x1, x2, ,xn)
Với hàm logic n biến, mỗi biến nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1 nên ta
có tổ hợp biến, mỗi tổ hợp biến lại nhận hai giá trị 0 hoặc 1, do vậy số hàm logic
tổng là 2. Ta thấy với 1 biến có 4 khả năng tạo hàm, với 2 biến có 16 khả năng

tạo hàm, với 3 biến có 256 khả năng tạo hàm. Như vậy khi số biến tăng thì số
hàm có khả năng tạo thành rất lớn.
Trong tất cả các hàm được tạo thành ta đặc biệt chú ý đến hai loại hàm là
hàm tổng chuẩn và hàm tích chuẩn. Hàm tổng chuẩn là hàm chứa tổng các tích
mà mỗi tích có đủ tất cả các biến của hàm. Hàm tích chuẩn là hàm chứa tích các
tổng mà mỗi tổng đều có đủ tất cả các biến của hàm.
Các phép tính cơ bản: Người ta xây dựng ba phép tính cơ bản giữa các
biến logic đó là:
Phép phủ định (đảo): kí hiệu bằng dấu “-“ phía trên kí hiệu của biến.
Phép cộng (tuyển): kí hiệu bằng dấu “+”. (song song)
Phép nhân (hội): kí hiệu bằng dấu “.”. (nối tiếp)
Tính chất và một số hệ thức cơ bản
Tính chất của đại số logic được thể hiện ở bốn luật cơ bản là: luật hoán vị,
luật kết hợp, luật phân phối và luật nghịch đảo.
Luật hoán vị:
x
1
+ x
2
= x
2
+ x
1
x
1
.x
2
= x
2
.x

1
Luật kết hợp:
x
1
+ x
2
+ x
3
= x
1
+ (x
2
+x
3)
= (x
1
+ x
2)
+x
3

x
1
.x
2
.x
3
= x
1
.(x

2
.x
3)
= (x
1
.x
2)
.x
3

Luật phân phối:
(x
1
+ x
2
).x
3
= x
1
.x
3
+ x
2
.x
3
x
1
+ x
2
.x

3
= (x
1
+ x
2
)(x
1
+ x
3
)
Ta có thể minh hoạ để kiểm chứng tính đúng đắn của luật phân phối bằng
cách lập bảng 1.3
Bảng 1.3
8
Các phép toán và định lý của đại số Boole giúp cho thao tác các biểu thức
logic. Trong kỹ thuật thực tế là bằng cách nối cổng logic của các mạch logic với
nhau (theo kết cấu đã tối giản nếu có). Để thực hiện một bài toán điều khiển phức
tạp, số mạch logic sẽ phụ thuộc vào số lượng đầu vào và cách giải quyết bằng
loại mạch logic nào, sử dụng các phép toán hay định lý nào. Đây là một bài toán
tối ưu nhiều khi có không chỉ một lời giải. Tuỳ theo loại mạch logic mà việc giải
các bài toán có những phương pháp khác nhau. Về cơ bản các mạch logic được
chia làm hai loại:
+ Mạch logic tổ hợp
+ Mạch logic trình tự
1.2. Mạch tổ hợp
1.2. Phân tích mạch tổ hợp :
Mạch logic tổ hợp là mạch mà đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào chỉ phụ
thuộc tổ hợp các trạng thái của đầu vào ở thời điểm đó. Như vậy, mạch không có
phần tử nhớ. Theo quan điểm điều khiển thì mạch tổ hợp là mạch hở, hệ không
có phản hồi, nghĩa là trạng thái đóng mở của các phần tử tổ hợp trong mạch hoàn

toàn không bị ảnh hưởng của trạng thái tín hiệu đầu ra.
Sơ đồ mạch logic tổ hợp như hình 1.1
Hình 1.1. Sơ đồ mạch logic tổ hợp
- Mạch tổ hợp là mạch mà tự số ổn định của tín hiệu đầu ra ở thời điểm
bất kỳ chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ở thời điểm đó .
- Mạch tổ hợp thường có nhiều tín hiệu đầu vào (x1 ,x2 ,x3 ,…) và nhiều
tín hiệu đầu ra (y1 ,y2 ,y3 ,…) .Một cách tổng quát có thể biểu diễn theo mô hình
toán học như sau :
Với y1 =f(x1 ,x2 ,…,xn )
9
y2 =f(x1 ,x2 ,…,xn )
.
.
ym =f(x1 ,x2 ,…,xn )
Cũng có thể trình bày dưới dạng vector như sau :Y =F(X)
Với mạch logic tổ hợp tồn tại hai loại bài toán là bài toán phân tích và bài
toán tổng hợp.
+ Bài toán phân tích có nhiệm vụ là từ mạch tổ hợp đã có, mô tả hoạt động
và viết các hàm logic của các đầu ra theo các biến đầu vào và nếu cần có thể xét
tới việc tối thiểu hoá mạch.
+ Bài toán tổng hợp thực chất là thiết kế mạch tổ hợp. Nhiệm vụ chính là
thiết kế được mạch tổ hợp thoả mãn yêu cầu kỹ thuật nhưng mạch phải tối giản.
Bài toán tổng hợp là bài toán phức tạp, vì ngoài các yêu cầu về chức năng logic,
việc tổng hợp mạch còn phụ thuộc vào việc sử dụng các phần tử, chẳng hạn như
phần tử là loại: rơle - công tắc tơ, loại phần tử khí nén hay loại phần tử là bán dẫn
vi mạch Với mỗi loại phần tử logic được sử dụng thì ngoài nguyên lý chung về
mạch logic còn đòi hỏi phải bổ sung những nguyên tắc riêng lúc tổng hợp và thiết
kế hệ thống.
Ví dụ: Mạch logic tổ hợp như hình 1.2
10

Hình 1.2. Ví dụ mạch logic tổ hợp
1.2.1. Phân tích mạch tổ hợp
Phân tích mạch tổ hợp là: Từ yêu cầu nhiệm vụ đã cho ta biến thành các
vấn đề logic, để tìm ra bảng chức năng, bảng chân lý .
Bước phân tích mạch tổ hợp .
Vấn đề logic thực
Bảng chức năng
Bảng chân lý
Bảng karnaugh
Biểu thức logic
B1. Phân tích yêu câu :
♦ Xác định nào là biến đầu vào .
♦ Xác định nào là biến đầu ra .
♦ Tìm ra mối liên hệ giữa chúng với nhau .
Điều này đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ yêu cầu thiết kế đây là một việc khó
khăn nhưng rất quan trọng trong quá trình thiết kế .
B2. Kê bảng sự thật :
- Liêt kê thành bảng về mối quan hệ tương ứng với nhau giữa trạng thái tín
hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu ra. Bảng này gọi là bảng chức năng
- Tiến hành thay giá trị logic (0 ,1 ) cho trạng thái đó ta được bảng sự thật.
Ví dụ :
Công tắc A Công tắc B Đèn Y A B Y
Mở Mở Tắt 0 0 0
Mở Đóng Tắt 0 1 0
Đóng Mở Tắt 1 0 0
Đóng Đóng Sáng 1 1 1

Bảng chức năng Bảng chân lý
1.2.2. Tổng hợp mạch tổ hợp
Nếu số biến tương đối ít thì dùng phương pháp hình vẽ.

Nếu số biến tương đối nhiều thì dùng phương pháp đại số.
11
A B
Được tiến hành theo sơ đồ sau:
1.2.3. Các dạng mạch tổ hợp thường gặp
Các mạch tổ hợp hiện nay thường gặp là:
Bộ mã hóa (mã hóa nhị phân, mã hóa BCD) thập phân, ưu tiên
Bộ giải mã (giải mã nhị phân, giải mã BCD_led 7 đoạn) bộ giải mã hiển
thị kí tự
Bộ chọn kênh
Bộ cộng , bộ so sánh
Bộ kiểm tra chẳn lẻ
ROM , EPROM…
Bộ dồn kênh , phân kênh
1.3. Mạch trình tự
1.3.1. Khái niệm
Mạch trình tự hay còn gọi là mạch dãy (sequential circuits) là mạch trong
đó trạng thái của tín hiệu ra không những phụ thuộc tín hiệu vào mà còn phụ
thuộc cả 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 không những chỉ có các phần tử đóng mở
mà còn có cả các phần tử nhớ.
1.3.2. Một số phần tử nhớ trong mạch trình tự
Xét mạch logic trình tự như hình 1.3. Ta xét hoạt động của mạch khi thay
đổi trạng thái đóng mở của x1 và x2. Biểu đồ hình 1.3b mô tả hoạt động của
mạch, trong biểu đồ các nét đậm biểu hiện tín hiệu có giá trị 1, còn nét mảnh biểu
hiện tín hiệu có giá trị 0
Từ biểu đồ ta thấy, trạng thái z = 1 chỉ đạt được khi thao tác theo trình tự x
1
= 1,
tiếp theo x

2
= 1. Nếu cho x
2
= 1 trước, sau đó x
1
= 1, thì cả y và z đều không thể
bằng 1
Hình 1.3. Ví dụ mạch logic trình tự
12
Bảng Karnaugh hoặc
PP. Mc. Cluskey
Biểu thức logic
Biểu thức
tối thiểu
Sơ đồ
logic
Sơ đồ
mạch điện
1.3.3. Phương pháp mô tả mạch trình tự
Để mô tả mạch trình tự ta có thể dùng bảng chuyển trạng thái, dùng đồ hình
trạng thái Mealy, đồ hình trạng thái Moore hoặc dùng phương pháp lưu đồ.
Trong đó phương pháp lưu đồ có dạng trực quan hơn. Từ lưu đồ thuật toán ta dễ
dàng chuyển sang dạng đồ hình trạng thái Mealy hoặc đồ hình trạng thái Moore.
và từ đó có thể thiết kế được mạch trình tự.
Phương pháp bảng chuyển trạng thái :
Sau khi khảo sát kỹ quá trình công nghệ, ta tiến hành lập bảng ,ví dụ ta có bảng
như sau :
trạng
thái tín hiệu vào tín hiệu ra
x1 x2 x3 Y1 Y2

S1 S1 S2 S3 0 1
S2 S1 S2 0 0
S3 S2 S3 1 1
S4
S5

- Các cột của bảng ghi : Biến đầu vào ( tín hiệu vào ): x1 ,x2 ,x3 ,… ; hàm
đầu ra y1, y2 , y3 ,…
- Số hàng của bảng ghi rõ số trạng thái trong cần có của hệ (S1 ,S2 ,S3 ,…)
- Ô giao giữa cột tín hiệu vào xi với hàng trạng thái Sj ghi trạng thái của
mạch. Nếu trạng thái mạch trùng với trạng thái hàng, đó là trạng thái ổn định.
- Ô giao giữa cột tín hiệu ra Yi và hàng trạng thái Sj chính là tín hiệu ra
tương ứng .
* Điều quan trọng là ghi đầy đủ và đúng các trạng thái ở trong các ô của
bảng, có hai cách ghi :
Cách 1 :
• Nắm rõ dữ liệu vào, hiểu sâu về quy trình công nghệ, ghi trạng thái ổn
định hiển nhiên .
• Ghi các trạng thái chuyển rõ ràng (các trạng thái ổn định dễ dàng nhận ra )
• Các trạng thái không biết chắc chắn thì để trống, bổ sung sau.
Cách 2 :
Phân tích xem từng ô để điền trạng thái. Phương pháp náy chặt chẽ, logjc, rõ ràng
tuy nhiên rất khó khăn, nhiều khi không phân biệt được các trạng thái
Phương pháp hình đồ trạng thái :
Mô tả các trạng thái chuyển của một mạch logic tương tự . Đồ hình gồm:
các đỉnh, cung định hướng, trên cung này ghi tín hiệu vào/ra và kết quả. Phương
pháp này thường dùng cho hàm chỉ một đầu ra .
13
Đồ hình Mealy :
Đồ hình Mealy chính là sự chuyển trạng thái thành đồ hình, ta thực hiện chuyển

từ bảng trạng thái sang đồ hình :
Bảng có 5 trạng thái ; đó là năm đỉnh của đồ hình .
Các cung định hướng trên đó ghi hai thông số: Biến tác động, kết quả hàm khi
chịu sự tác động của biến .
Đồ hình Moore :
Đồ hình Moore cũng thực hiện chuyển bảng trạng thái thành đồ hình. Từ bảng
trạng thái hay từ đồ hình Mealy ta chuyển sang đồ hình Moore như sau: đỉnh là
các giá trị trạng thái, cung định hướng là biến ghi tác động.
* Đồ thị Moore có nhiều đỉnh hơn đồ hình Mealy, nhưng biến đầu ra đơn giản
hơn Mealy .
Phương pháp lưu đồ: Phương pháp này mô tả hệ thống một cách trực quan, bao
gồm các khối cơ bản sau :
Khối biểu thị giá trị ban đầu để chuẩn bị sẵn sàng hoạc cho hệ thống hoạt động
Khối thực hiện công việc (xử lý , tính toán )
Khối kiểm tra điều kiện và đưa ra một trong hai quyết định .
Khối kết thúc công việc:
Với mạch logic trình tự ta cũng có bài toán phân tích và bài toán tổng hợp
1.4. Grafcet
1.4.1. Khái niệm
Đây là ngôn ngữ được phát triển bởi các nhà khoa học Pháp vào năm 1982.
Ngôn ngữ này được 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 được
thể hiện bằng một khối hình vuông hoặc hình chữ nhật. Các hoạt động được liên
kết với nhau bằng các đoạn thẳng, giữa các đoạn thẳng này được 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 trước 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 người sử dụng, đặc biệt là đối với
những người không am hiểu sâu về PLC. Grafcet là công cụ được chuẩn hoá theo
14
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 được kí hiệu bởi một hình vuông có chỉ số của
trạng thái đó. Chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái kia được xác định bởi
tác động được thực hiện tại trạng thái đứng trước.
0 Trạng thái khởi động của Grafcet

Kí hiệu sử dụng để diễn tả một hoạt động tại trạng thái đã biết.
Sự chuyển tiếp trạng thái của hoạt động thứ i sang hoạt động thứ j được thể hiện
bằng điều kiện chuyển tiếp CT
i
CT Dung lượng 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:
Trường hợp1 Trường hợp 2
CT1
CT1 CT2
15

1
Đèn L sáng
Bật công tắc i

Trường hợp thứ nhất là trường hợp phân nhánh đơn của chương trình, tương
ứng với điều kiện CT1 hay điều kiện CT2. Một trong hai điều kiện được đáp ứng,
chương trình tiếp tục thực hiện các hoạt động tiếp theo. Trường hợp thứ hai là
trường hợp phân nhánh song song. Hoạt động của các nhánh diễn ra đồng thời khi
trạng thái chuyển tiếp CT1 đuợc đáp ứng.
Ngược lại cũng có khả năng từ hai hay nhiều trạng thái chuyển về một trạng
thái: Trường hợp1 Trường hợp 2
CTi CTj
CTi

Trong dây truyền sản xuất công nghiệp, các thiết bị máy móc thường hoạt
động theo một trình tự logic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm và an
toàn cho người và thiết bị. Một quá trình công nghệ nào đó cũng có thể có ba hình
thức điều khiển hoạt động như sau:
+ Điều khiển hoàn toàn tự động, lúc này chỉ cần sự chỉ huy chung của nhân viên
vận hành hệ thống.
+ Điều khiển bán tự động, quá trình làm việc có liên quan trực tiếp đến các thao
tác liên tục của con người giữa các chuỗi hoạt động tự động.
+ Điều khiển bằng tay, tất cả hoạt động của hệ đều do con người thao tác. Trong
quá trình làm việc để đảm bảo an toàn, tin cậy và linh hoạt, hệ điều khiển cần có
sự chuyển đổi dễ dàng từ điều khiểu bằng tay sang tự động và ngược lại, vì như
vậy hệ điều khiển mới đáp ứng đúng các yêu cầu thực tế.
Trong quá trình làm việc sự không bình thường trong hoạt động của dây
truyền có rất nhiều loại, khi thiết kế ta phải cố gắng mô tả chúng một cách đầy đủ
nhất. Trong số các hoạt động không bình thường của chương trình điều khiển một
dây truyền tự động, người ta thường phân biệt ra các loại sau:
+ Hư hỏng một bộ phận trong cấu trúc điều khiển. Lúc này cần phải xử lý riêng
phần chương trình có chỗ hư hỏng, đồng thời phải lưu tâm cho dây truyền hoạt
động lúc có hư hỏng và sẵn sàng chấp nhận lại điều khiển khi hư hỏng được sửa

chữa xong.
+ Hư hỏng trong cấu trúc trình tự điều khiển.
16
+ Hư hỏng bộ phận chấp hành (như hư hỏng thiết bị chấp hành, hư hỏng cảm
biến, hư hỏng các bộ phân thao tác )
Khi thiết kế hệ thống phải tính đến các phường thức làm việc khác nhau để
đảm bảo an toàn và xử lý kịp thời các hư hỏng trong hệ thống, phải luôn có
phương án can thiệp trực tiếp của người vận hành đến việc dừng máy khẩn cấp,
xử lý tắc nghẽn vật liệu và các hiện tượng nguy hiểm khác. Grafcel là công cụ rất
hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động cho các quá
trình công nghệ kể trên.
Grafcet là từ viết tắt của tiếng Pháp “Graphe fonctionnel de commande étape
transition” (chuỗi chức năng điều khiển giai đoạn - chuyển tiếp), do hai cơ quan
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) hợp tác soạn thảo tháng 11/1982
được đăng kí ở tổ chức tiêu chuẩn hoá Pháp. Như vậy, mạng grafcet đã được tiêu
chuẩn hoá và được công nhận là một ngôn ngữ thích hợp cho việc mô tả hoạt
động dãy của quá trình tự động hoá trong sản xuất.
Mạng grafcet là một đồ hình chức năng cho phép mô 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 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 luôn luôn là một đồ hình khép kín từ
trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu.
- Một trạng thái (giai đoạn) được biểu diễn bằng một hình vuông có đánh số thứ
tự chỉ trạng thái. Gắn liền với biểu tượng trạng thái là một hình chữ nhật bên
cạnh, trong hình chữ nhật này có ghi các tác động của trạng thái đó hình 1.4a và
Một trạng thái có thể tương ứng với một hoặc nhiều hành động của quá trình sản
xuất.

- Trạng thái khởi động được thể hiện bằng 2 hình vuông lồng vào nhau, thứ tự
thường là 1 hình 1.4c.
Trạng thái hoạt động (tích cực) có thêm dấu “.” ở trong hình vuông trạng thái
hình 1.4d.
Hình 1.4. Kí hiệu grafcet 1
17
3
Khởi động
động cơ
a

1
c
3.
d
4
Hãm động
cơ
b
Hình 1.5. Kí hiệu grafcet 2
- Việc chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ có thể được thực hiện
khi các điều kiện chuyển tiếp được thoả mãn. Chẳng hạn, việc chuyển tiếp giữa
các trạng thái 3 và 4 hình 1.5a được thực hiện khi tác động lên biến b, còn chuyển
tiếp giữa trạng thái 5 và 6 được thực hiện ở sườn tăng của biến c hình1.5b, ở hình
1.5c là tác động ở sườn giảm của biến d. Chuyển tiếp giữa trạng thái 9 và 10 hình
1.5d sẽ xảy ra sau 2s kể từ khi có tác động cuối cùng của trạng thái 9 được thực
hiện.
1.4.2. Phương pháp xây dựng sơ đồ Grafcet
Để xây dựng mạng grafcet cho một quá trình nào đó thì trước tiên ta phải mô tả
mọi hành vi tự động bao gồm các giai đoạn và các điều kiện chuyển tiếp, sau đó

lựa chọn các dẫn động và các cảm biến rồi mô tả chúng bằng các kí hiệu, sau đó
kết nối chúng lại theo cách mô tả của grafcet.
Với cách phân tích sơ đồ như trên thì khó đánh giá được các mạng có độ phức
tạp lớn. Do đó ta phải xét một cách phân tích mạng grafcet là dùng phương pháp
giản đồ điểm.
Để thành lập giản đồ điểm ta đi theo các bước sau:
+ Vẽ một ô đầu tiên cho giản đồ điểm, ghi số 0. Xuất phát từ giai đoạn đầu trên
grafcet được coi là đang tích cực, giai đoạn này đang có dấu “.”, khi có một điều
kiện được thực hiện, sẽ có các giai đoạn mới được tích cực thì:
- Đánh dấu “.” vào các giai đoạn vừa được tích cực trên grafcet.
- Xoá dấu “.” ở giai đoạn hết tích cực trên grafcet.
- Tạo một ô mới trên giản đồ điểm sau điều kiện vừa thực hiện.
- Ghi hết các giai đoạn tích cực của hệ (có dấu “.”) vào ô mới vừa tạo.
+ Từ các ô đã thành lập khi một điều kiện nào đó lại được thực hiện thì các giai
đoạn tích cực lại được chuyển đổi, ta lại lặp lại bốn bước nhỏ trên.
+ Quá trình cứ như vậy tiếp tục, ta có thể vẽ hoàn thiện được giản đồ điểm(sơ đồ
tạo thành mạch liên tục, sau khi kết thúc lại trở về điểm xuất phát) hoặc không vẽ
hoàn thiện được. Nhìn vào giản đồ điểm ta sẽ có các kết luận sau:
18
- Nếu trong quá trình vẽ đến giai đoạn nào đó không thể vẽ tiếp được nữa (không
hoàn thiện sơ đồ) thì sơ đồ đó là sơ đồ có nhánh chết.
- Nếu vẽ được hết mà ở vị trí nào đó có các điểm làm việc cùng tên thì là sơ đồ
không sạch.
- Nếu vẽ được hết và không có vị trí nào có các điểm làm việc cùng tên thì là sơ
đồ làm việc tốt.
1.4.3. Ứng dụng
Mạng grafcet là một đồ hình chức năng cho phép mô 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 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 luôn luôn là một đồ hình khép kín từ
trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu.
1.4.4 Bài tập
+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống đèn giao thông ngã tư.
Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ
+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống trộn nhiên liệu.
Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ
+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống phân loại sản phẩm.
Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ
+Vẽ sơ đồ Grafcet của hệ thống thang máy chở hàng hóa.
Yêu cầu: Phân tích hệ thống, vẽ sơ đồ Grafcet và giải thích sơ đồ
1.5. Lưu đồ thuật toán
1.5.1. Khái niệm
+Lưu đồ thuật toán là công cụ dùng để biểu diễn thuật toán, việc mô tả
nhập input), dữ liệu xuất (output) và luồng xữ lý thông qua các kí hiệu hình học.
Qua lưu đồ thuật toán này, người lập trình có thể khái quát các nhiệm vụ và
hướng giải quyết các vấn đề của bài toán; sau đó dựa vào lưu đồ để viết nên
chương trình cụ thể.
+Các cấu trúc cơ bản của bài toán điều khiển
- Điều khiển tuần tự: Diễn biến chương trình điều khiển sẽ được
thực hiện theo tuần tự tiến trình từ trên xuống, xong tác vụ này đến
tác vụ khác.
- Cấu trúc phân kỳ: Thông qua biểu thức điều kiện, hướng đi của
chương trình sẽ rẽ thành 2 nhánh: hoặc đi theo hướng đúng, hoặc đi
theo hướng sai. Trong cấu trúc phân kỳ này ta có cấu trúc lặp và
được sử dụng khá phổ biến trong các chương trình
+Phương pháp xử lý trong lưu đồ: Xử lý theo trình tự từ trên xuống, từ trái
qua.
19

+Các kí hiệu dùng trong lưu đồ.
1.5.2. Phương pháp xây dựng lưu đồ thuật toán
+Phương pháp:
Để xây dựng lưu đồ thuật toán, trước tiên ta phải xem bài toán điều khiển
thuộc cấu trúc tuần tự hay cấu trúc phân kỳ.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán với cấu trúc tuần tự:
Bước 1: Phân tích yêu cầu bài toán: Nhận biết các điều kiện thực hiện
tương ứng với các yêu cầu thực hiện.
Bước 2: Xây dựng sơ đồ hình cây theo thứ tự thực hiện yêu cầu của bài
toán.
Bước 3: Vẽ lưu đồ thuật toán từ sơ đồ hình cây với đúng các kí hiệu trong
lưu đồ thuật toán
- Xây dựng lưu đồ thuật toán với cấu trúc phân kỳ:
Bước 1: Phân tích yêu cầu bài toán: Nhận biết các điều kiện thực hiện
tương ứng với các yêu cầu thực hiện. Nhận biết các vòng lặp với các điều
kiện tương ứng
Bước 2: Xây dựng sơ đồ hình cây theo thứ tự thực hiện yêu cầu của bài
toán kết hợp điều kiện của các vòng lặp, để xây dựng cấu trúc lặp đúng với
điều kiện bài toán
20
Bước 3: Vẽ lưu đồ thuật toán từ sơ đồ hình cây với đúng các kí hiệu trong
lưu đồ thuật toán
+Ví dụ 1: Lưu đồ thuật toán của hệ thống sản xuất bún theo hai chế độ: tự
động hoặc thủ công
21
+ Ví dụ 2: Lưu đồ thuật toán của hệ thống điều khiển lưu lượng theo hai
chế độ: Chế độ tự động có chọn giá trị đặt và chế độ thủ công.
22
Chương 2
BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

2.1. Cấu trúc PLC
2.1.1. Khái niệm PLC
Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ
thống điều khiển đó vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết
bị. Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có rất nhiều
đại lượng 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
lượng vật lý đơn lẻ có thể được điều khiển bằng một mạch điều khiển cơ sở
dạng tương tự hay gián đoạn. Điều khiển nhiều đại lượng vật lý đồng thời chúng
ta không thể dùng các mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điều
khiển logic. Trước đây các hệ thống điều khiển logic được sử dụng là hệ thống
logic rơle. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều
khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện
vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơle. 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 logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thế
các thiêt bị điều khiển tương tự. Các PLC được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp.
Lịch sử phát triển của PLC: Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa
ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên cho thiết bị điêù khiển logic khả lập trình. Mục
đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điêu khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện
năng và thường xuyên phải thay thể các rơle do hỏng cuộn dây 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 chương trình điều khiển. Các yêu cầu kỹ thuật này
chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lập
trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất. Với thiết bị điều khiển
khả lập trình, người 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 được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm
1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơle. Các
thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các
xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơle. 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
23
cao và khả năng lập trình dễ dàng. Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các
mạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch
vào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được
dầu, bụi và nhiệt độ cao. Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như
sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển logic, nên các kỹ sư 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 sư.
Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các
khả năng cơ bản của PLC được 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 logic, mà nó còn có khả
năng thay thế cả các thiết bị điều khiển tương tự. Vào cuối những năm bảy mươi
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 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” như các rơle trung gian, thời gian, các bộ đếm, bộ so
sánh
Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công
nghiệp. Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến
dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và
chất thải, công nghiệp dược 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 robot, điều khiển máy công cụ CNC Các PLC có thể được kêt nối với
các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá trình điều
khiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến,
thay đổi chương trình điều khiển từ xa. Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ
thống quản lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường 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 mươi đã nâng
cao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và
24
quá trình sản xuât. Các PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiết bị
lập trình và là giao diện giữa người 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
được trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể mô phỏng hoặc hiển thị các hoạt
động của từng bộ phận trong hệ thống điều khiển. Điều này có ý nghĩa đặc biệt
quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo khả năng mô phỏng trước quá trình
gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai. Máy tính cá nhân PC và PLC đều
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản xuất và cả trong các hệ
thống dịch vụ.
PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý
hoạt động, các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử
dụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi hãng. PLC

khác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều
hành. Khi hoạt động thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ
của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác. Một số hãng sản xuất PLC
lớn có tên tuổi như: 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 được 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 rơle 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 rơle để thực hiện cùng một cức năng.
- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các
máy tính thông thường.
- Giá thành thấp : Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơle, nhưng nó có khả
năng thay thế hàng trăm rơle.
- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ
các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung
động và nhiễu. Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này.
-
Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có
thể giao tiếp với môi trường 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, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơle thông thường.
25