Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 10

Bài giảng

CÔNG NGHỆ KHÍ
Chương 10:

HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ &

TỰ ĐỘNG HÓA (PLC)
GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang
GVTG: ThS. Hà Quốc Việt


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Tổng quát, một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng
cụ, thiết bị cơ điện tử, được ở những hệ thống cần đảm
bảo tính ổn định, sự chính xác, sự chuyển đổi nhịp nhàng
của một quy trình hoặt động sản xuất.
Nó thực hiện bất cứ yêu cầu nào của quy trình, từ khởi
động thiết bị, duy trì chế độ, dừng an toàn …
Với những thành quả của sự phát triển nhanh chóng của
công nghệ thì việc điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ
được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hóa
hoàn toàn, sử dụng PLC, nó được kết hợp với máy tính
chủ SCADA (Supervisory Control And Data Accquisition –
Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển).
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

2


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Ngoài ra, nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác
như: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây,…
Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép
chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn hệ
thống điều khiển phân tán (DCS: distribution control
system)

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

3


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

4


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem
như là trung tâm của hệ thống điều khiển. Với một chương
trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ của
PLC) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống, bao
gồm: kiểm tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa
vào chương trình logic để xử lý tín hiệu và mang các tín
hiệu điều khiển ra thiết bị xuất.
PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản
đến phức tạp hoặc ta có thể kết hợp chúng với nhau thành
một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình
phức hợp.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

5


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

PLC là bộ điều khiển logic theo chương trình bao gồm: Bộ
xử lý trung tâm gọi la CPU (Central Processing Unit) chứa
chương trình ứng dụng và các module giao diện nhập
xuất.
Nó được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O.
Vì thế, khi tín hiệu nhập, CPU sẽ xử lý tín hiệu và gởi tín
hiệu đến thiết bị xuất.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

6


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

7


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ
phận sau:
Bộ xử lý
Bộ nhớ
Bộ nhập/xuất

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

8


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoặt động của hệ thống PLC, thực
hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với
các thiết bị bên ngoài.

Bộ nhớ
Có nhiều nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Đây là nơi lưu trữ trạng thái
hoạt động của hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng. Để đảm
bảo cho PLC hoặt động, phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương
trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng như:
Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/nhập
được gọi là RAM xuất/nhập
Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong:

Timer, Counter, Relay.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

9


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Bộ nhớ (tt)
Bộ nhớ gồm có những loại sau:
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory)
Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory)
Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được (EPROM: Erasable
Programmable Read Only Memory)
Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện (EEPROM:
Electric Erasable Programmable Read Only Memory)

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

10


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC

Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thiết bị nhập/xuất
Mạch đầu vào (input unit):
Là các mạch điện tử làm nhiệm vụ phân phối ghép chuyển đổi
giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu số sử dụng bên trong PLC. Kết
quả của việc xử lý sẽ được lưu ở vùng nhớ (input area)
Mạch đầu vào được cách ly điện với các mạch trong PLC nhờ
các diot quang. Bởi vậy, hư hỏng mạch đầu vào sẽ không ảnh
hưởng đến hoạt động của CPU
Mạch đầu ra (output unit):
Mạch điện tử đầu ra sẽ biến đổi các lệch mức logic bên trong
PLC (trong vùng nhớ output area) thành các tín hiệu điều khiển
như đóng mở rơle.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

11


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Về cơ bản thì hoặt đông bên trong PLC cũng đơn giản.
Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra dùng để đưa tín hiệu từ
các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, công tắc,

tín hiệu từ động cơ…).
Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và
đưa các xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module
xuất ra các thiết bị được điều khiển.
Trong suốt quá trình hoặt động, CPU đọc hoặc quét (scan)
dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ
vào, sau đó thực hiện chương trình trong bộ nhớ sau:

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

12


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa
ra thanh ghi lệnh để thi hành.
Chương trình ở dạng STL (StatementList – Dạng lệnh liệt kê) sẽ
được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình. Sau
khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật
(Update) tín hiệu tơi các thiết bị, được thực hiện thông qua module
xuất.
Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và
gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét
(scaning).

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

13


TỰ ĐỘNG HĨA - PLC
Khoa Kỹ tht Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Trên đây chỉ là mơ tả hoạt động đơn giản của một PLC,
với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được
ngun tắc của một PLC. Nhằm cụ thể hóa hoặt động
của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một
vòng qt (Scan) như sau: Read input (Đọc ngõ
vào)

Update Output
(Cập nhật ngõ

11/14/2013

ra)

Program

execution

(Thực hiện chương trình)

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

14


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program
execution) PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF),
các tín hiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa
ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ngõ ra
(ON/OFF) phải theo hai bước:
Khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý thực hiện chương trình, vi
xử lý sẽ chuyển đổi các bước logic tương ướng ở ngõ ra trong
“chương trình nội” (đã được lập trình), các bước logic này sẽ
chuyển đổi ON/OFF. Tuy nhiên, lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “that”
(tức tín hiệu được đưa ra tại module out) vẫn chưa được đưa ra.
Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức
logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín
hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các
thiết bị ở ngõ ra.
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

15

TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một
vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét 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 quét thì vi xử lý coi như không có tín
hiệu này.
Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành “là các hệ
thống cơ khí nên có 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.
11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

16


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí

Copyright 2008

Thiết bị đầu vào
Sự thông minh của một hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả
năng đọc các tín hiệu từ các cảm biến tự động của PLC
Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút
ấn, công tắc, bàn phím, …
Ngoài ra, PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự
động như: công tắc trạng thái, công tắc giới hạn PSHH, PSLL,
TSHH, TSLL, TSHH, LSLL, cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ,
detectors (fire, gas, smoke, temperature), transmiters, sensors,…
Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái logic ON/OFF
(digital) hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này được
giao tiếp với PLC qua các module nhập.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

17


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

18


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

19


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

20


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

21


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

Thiết bị đầu ra
Trong một hệ thống tự động hóa, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan
trọng.
Nếu Ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ
thống sẽ bị tê liệt hoàn toàn.
Các thiết bị xuất thông thường là: Động cơ, cuộn dây nam châm (coil),
relay, chuông báo…
Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một
hệ thống từ đơn giản đến phức tạp.
Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hóa và vì
thế nó ảnh hưởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống.
Tuy nhiên, các thiết bị xuất khác như là: đèn pilot, còi và các báo động chỉ
cho biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ
vào, các thiết bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua module ngõ ra PLC.

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

22

TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

23


TỰ ĐỘNG HÓA - PLC
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

24


Hệ thống điều khiển
Khoa Kỹ thuât Địa chất & Dầu khí
Copyright 2008

ĐIỀU KHIỂN: Thay đổi biến điều khiển để cho biến được điều khiển có giá trị
mong muốn

Biến điều khiển u

Đối
tượng

Biến được điều
khiển y

BIẾN ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN: ngõ ra đối tượng
BIẾN ĐIỀU KHIỂN: ngõ vào đối tượng
ĐỐI TƯỢNG: một thiết bị vật lý hay một hệ thống vật lý, sinh học, kinh tế…
QUÁ TRÌNH (Process): một tập hợp các thiết bị và vật liệu, giớI hạn trong
không gian, liên lạc vớI môi trường chung quanh thông qua dòng năng lượng
và nguyên vật liệu
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH: tác động lên dòng năng lượng/ nguyên vật liệu để
đạt mục đích nào đấy

11/14/2013

Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM

25