do an PLC Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC

Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC GVHD: Ths. Nguyễn Hoàng Phương
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC
2.1. Sơ lược lịch sử phát triển
Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy
móc công nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời (Rơle,
Timer, Contactor …) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện
điều khiển. Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa, bảo trì do đó giá
thành cao. Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động nào đó.
Một hệ thống điều khiển ưu việt cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành hạ,
dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thống điều
khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đã giải quyết
được vấn đề trên.
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được những nhà thiết kế cho ra đời
năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản
và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì
vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành,
nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập
trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình.
Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay
(Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Trong giai
đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ
thống Rơle và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các
nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó
là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang. Trong những năm đầu thập niên 1970,
những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ
(Arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (Data Manipulation).
Khoá luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Chí Linh
Nguyễn Văn Trung

4

Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC GVHD: Ths. Nguyễn Hoàng Phương
Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube:
CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên
thuận tiện hơn.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay
đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẻ hơn với các chức năng mở rộng: hệ
thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương
trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (Word of Memory). Ngoài ra các nhà thiết kế
còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC
chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải
thiện, chu kỳ quét (Scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức
năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn.
Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác mà
thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống:
Robot, Cad/Cam… Ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các
chức năng điều khiển “thông minh” (Intelligence) còn gọi là các siêu PLC (Super
PLCs) cho tương lai.
2.2. Đặc điểm cơ bản của PLC
PLC viết tắc của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển logic
cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic qua một ngôn ngữ lập
trình, bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu:
 Lập trình dễ dàng vì ngôn ngữ lập trình dễ học
 Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, tu sửa
 Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức
tạp
 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
 Giao tiếp với các thiết bị thông tin máy tính, nối mạng các Module mở
rộng
 Giá cả phù hợp
Khoá luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Chí Linh

Nguyễn Văn Trung

5
Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC GVHD: Ths. Nguyễn Hoàng Phương
2.3. Cấu trúc của bộ điều khiển lập trình PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều
khiển truyền thống dùng Rơle và thiết bị cồng kềnh nó tạo ra một khả năng điều
khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản.
PLC còn thực hiện các nhiệm vụ định thời và đếm làm tăng khả năng điều khiển,
thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị
bên ngoài tương ứng, S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng
Siemens cấu trúc theo kiển Module có các Module mở rộng, các Module này được sử
dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau.
Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý
trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0).
Hệ thống PLC sẽ không cảm nhận được thế giới bên ngoài nếu không có các
cảm biến và cũng không thể điều khiển được hệ thống sản xuất nếu không có các
động cơ, xylanh hay các thiết bị ngoại vi khác nếu cần thiết có thể sử dụng các máy
tính chủ tại các vị trí đặc biệt của dây chuyền sản xuất.
Mỗi một thành phần trong hệ thống điều khiển có một vị trí quan trọng như
được trình bài trong hình vẽ sau:
Hình 2.1 - Mô hình hệ thống điều khiển PLC [1]
2.3.1. Khối xử lý trung tâm
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý.
Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo
Khoá luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Chí Linh
Nguyễn Văn Trung

6
Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC GVHD: Ths. Nguyễn Hoàng Phương

chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín
hiệu hoạt động đến các thiết bị ra.
Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên
các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm
soát bởi bộ đếm chương trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả đến đầu
ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (Scan). Thời gian vòng quét phụ thuộc
vào tầm vóc của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Nói chung chu kỳ một vòng quét như
hình 2.2
Hình 2.2 - Chu kỳ quét của PLC
Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ
đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu. Để đánh
giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1Kbyte và coi đó
là chỉ tiêu để so sánh các PLC. Với nhiều loại thiết bị thời gian trễ này có thể tới
20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng
các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời
gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi những
lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được. Nếu
các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn.
2.3.2. Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp một chiều cấp
cho bộ vi xử lý (thường là 5VDC) và cho các mạch điện trong các Module còn lại
(thường là 24VDC).
2.3.3. Thiết bị lập trình
Khoá luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Chí Linh
Nguyễn Văn Trung

4. Chuyển dữ liệu từ
bộ đệm ảo ra ngoại vi
3. Truyền thông và tự
kiểm tra lỗi

1. Nhập dữ liệu từ ngoại
vi vào bộ đệm ảo
2. Thực hiện chương
trình
7
Chương 2 Giới Thiệu Tổng Quát Về PLC GVHD: Ths. Nguyễn Hoàng Phương
Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết
sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên
dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt
trên máy tính cá nhân.
2.3.4. Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Bộ
nhớ cũng có thể được chế tạo thành Module cho phép dễ dàng thích nghi với các
chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.
Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống. Đây là
một phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer,
Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể
chọn các bộ nhớ khác nhau:
Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được
một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác.
Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các
chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất
điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin.
Bộ nhớ EPROM: giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng
Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tím vào một
cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp.
Bộ nhớ EEPROM kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể
xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.
2.3.5. Giao diện vào/ra
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền

thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm
biến nhiệt độ, các tế bào quang điện.... Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây
Contactor, các Rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ... Tín hiệu vào/ra có thể là tín
hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic... Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện như
hình 2.3.
Khoá luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Chí Linh
Nguyễn Văn Trung

8