Giáo trình Kỹ thuật PLC ( Programable Logic Controller)

PLC -Programmable Logic Controller
1
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC
- TỔ MÔN ĐIỆN TỬ -
KỸ THUẬT PLC
(Programmable Logic Controller)
Tài liệu lưu hành nội bộ
PLC -Programmable Logic Controller
Chương 1 -TỔNG QUAN VỀ PLC
I. Các kiến thức cơ bản về PLC (Programmable Logic Control)-Bộ điều khiển logic khả trình)
Hình thành từ nhóm các kỹ sư hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là
thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:
 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
 Dễ dàng sửa chữa thay thế.
 Ổn định trong môi trường công nghiệp.
 Giá cả cạnh tranh.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại thiết bị
cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình,
thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.
Với mạch số:
Các bộ điều khiển có thể lập trình được – hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong các
hệ thống điều khiển tự động cũng như trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp. Các
PLC đầu tiên được thiết kế vào giữa những năm 70 để thay thế cho các hệ thống điều khiển
bằng relay. Ban đầu chúng chỉ bao gồm một bộ xử lý một bit với bộ nhớ chương trình, một
thanh ghi tích lũy và một số ngõ vào ngõ ra, về chức năng chúng chỉ có thể thực hiện được
các thao tác logic đơn giản và chỉ xử lý được với các ngõ vào ra số. Ngày nay PLC đã phát
triển mạnh và có thể thao tác với tín hiệu tương tự cũng như thực hiện các phép toán phức
tạp như điều khiển PID, điều khiển mờ... Chúng được dùng hầu như trong tất cả các giai
đoạn của quá trình sản xuất và điều khiển quá trình.
Không giống như các hệ thống đấu dây phần cứng truyền thống, PLC có khả năng lập
trình lại, có thể giám sát on-line, và có khả năng phát hiện lỗi trong bản thân PLC và các thiết

bị được kết nối với chúng.
Quá trình thực thi của PLC bao gồm 3 giai đoạn: giám sát các ngõ vào, tính toán trên cơ
sở chương trình của nó và điều khiển các ngõ ra để tự động hóa các quá trình hay công cụ.
PLC hiện diện trong rất nhiều các ứng dụng cụ thể. Chúng là các thiết bị làm việc rất
lâu bền, có thể làm việc trong điều kiện môi trường sản xuất bao gồm độ ẩm, nhiễu, các thay
đổi nhiệt độ và các chấn động.
2
I0.0
I0.1
Q0.0
I0.1 Q0.0I0.0
PLC -Programmable Logic Controller
Tất cả các hệ thống PLC đều gồm có các thành phần cơ bản cần thiết để thao tác với
các dữ liệu vào, xử lý dữ liệu và điều khiển ngõ ra. Các khối cơ bản của một PLC bao gồm
bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, bộ giao tiếp ngõ vào và bộ giao tiếp ngõ ra. Ngoài ra, PLC
có thể tích hợp các khối nguồn, xung clock và giao tiếp truyền thông để nạp chương trình,
giám sát trạng thái của PLC hay nối mạng các PLC với nhau. Ngõ vào của PLC có thể đưa
vào các tín hiệu số hay tương tự từ các thiết bị khác nhau (cảm biến) và biến đổi thành tín
hiệu logic để CPU sử dụng. Bộ xử lý trung tâm CPU tính toán và thực thi các phép tính điều
khiển dựa trên các lệnh điều khiển trong bộ nhớ. Bộ giao tiếp ngõ ra biến đổi các lệnh điều
khiển từ CPU thành tín hiệu số hay tương tự để có thể dùng điều khiển các thiết bị chấp hành
khác nhau (actuator).
Một thiết bị lập trình được dùng để nhập các lệnh mong muốn, những lệnh này quyết
định PLC sẽ làm gì khi tác động các ngõ vào cụ thể. Một thiết bị giao tiếp (operator
interface) cho phép thông tin quá trình được hiển thị và để nhập các thông số điều khiển mới.
Bộ nhớ của PLC nói chung được chia thành 3 phần: bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ
liệu và vùng nhớ lưu các thông số cấu hình hệ thống.
Bộ nhớ chương trình lưu trữ các lệnh sơ đồ lập trình LAD hay STL. Vùng nhớ này sẽ
điều khiển cách thức sử dụng vùng nhớ dữ liệu và các I/O. Các lệnh LAD hay STL được viết
bằng các thiết bị lập trình (PC) và được nạp (tải) vào vùng nhớ chương trình của PLC.

Hình 1: Cấu trúc chung của PLC.
Bộ nhớ dữ liệu được dùng như một vùng làm việc bao gồm vùng nhớ cho các phép
tính, vùng lưu trữ tạm thời cho các kết quả tạm và các hằng số. Vùng nhớ dữ liệu bao gồm
các vùng nhớ cho các thiết bị như: vùng nhớ timer (T) (word và bit), counter (C) (word và
bit), bộ đếm tốc độ cao (HC), và vùng nhớ ngõ vào (I), vùng nhớ ngõ ra (Q), ngõ vào tương
tự (AI), ngõ ra tương tự (AQ), vùng nhớ biến (V), vùng nhớ bên trong (M), vùng nhớ đặc
biệt (SM),…
Bộ nhớ thông số gồm các ô nhớ lưu trữ các thông số cài đặt, mật khẩu, địa chỉ thiết bị
điều khiển và các thông tin về các không gian nhớ có thể sử dụng.
3
PLC -Programmable Logic Controller
PLC hoạt động theo một cách thức đơn giản bằng việc lặp lại quá trình sau. Dữ liệu vào
từ bên ngoài được chuyển đổi qua bộ giao tiếp ngõ vào thành dạng mà CPU có thể dùng.
CPU tính toán dựa trên các dữ liệu vào theo chương trình người dùng được lưu trữ trong bộ
nhớ. Các kết quả của quá trình tính toán này được đưa tới bộ giao tiếp ngõ ra để chuyển đổi
thành dạng mà các thiết bị kết nối với PLC có thể sử dụng.
II. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển dùng PLC
PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên
bản (version) trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với mức độ
bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngoài ra còn có các bộ ghép nối mở rộng cho phép liên kết
nhiều bộ PLC nhỏ (thành mạng PLC) để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với
máy tính để tạo thành một mạng tích hợp, thực hiện việc theo dõi, kiểm tra, điều khiển một
quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất. Mặc dù vậy, một hệ
thống điều khiển dùng bất kỳ loại PLC nào cũng đều có cấu trúc như hình 2.
Hình 2: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC.
4
PLC -Programmable Logic Controller
Trong đó:
● Ngõ vào dạng số: gồm hai trạng thái ON và OFF. Khi ở trạng thái ON thì ngõ vào số
được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao. Khi ở trạng thái OFF thì ngõ vào số có thể

được coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp.
Các kênh vào số thường nối với các cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt (On/Of)
như:
1 - Cảm biến quang điện,
2 - Cảm biến tiệm cận
3 - Cảm biến xung điện
4 - Các công tắc
● Ngõ vào tương tự: tín hiệu vào là tín hiệu tương tự , thường ngõ vào tương tự có tầm
0 – 20 mA, 4 – 20 mA hay 0 – 10VDC.
Các kênh vao tương tự sử dụng cho việc lấy tín hiệu từ các cảm biến tương tự :
5 - Cảm biến lưu lượng
6 - Cảm biến độ ẩm
7 - Cảm biến áp xuất
8 - Cảm biến nhiệt độ
9 - Cảm biến áp xuất
10 - Cảm biến vị trí / tốc độ / gia tốc
11 - Cảm biến lực
● Ngõ ra số: gồm 2 trạng thái ON và OFF. Các ngõ ra này thường được nối ra để điều
khiển các van solenoid, cuộn dây contactor, đèn hiệu.
Các kênh ra số có thể nối với các thiết bị như:
12 - Các cuộn hút cho van điện từ
13 - Các động cơ b−ớc
14 - Các cơ cấu đóng ngắt vv.
● Ngõ ra tương tự: tín hiệu ra là tín hiệu tương tự, thường có tầm từ 0 – 10 VDC. Các
kênh ra tương tự thường được nối với các cơ cấu chấp hành tương tự:
15 - Các động cơ DC vμ AC
16 - Các van và các động cơ, xi lanh thuỷ khí
17 - Các thiết bị đo tương tự.
● Thiết bị đầu vào: gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, thường là nút nhấn, cảm
biến …

* Cảm biến: là thiết bị nhằm biến đổi một trạng thái vật lý thành tín hiệu điện để PLC
sử dụng. Cảm biến được nối với ngõ vào của PLC. Một ví dụ là sử dụng nút nhấn nối với
đầu vào của PLC, một tín hiệu điện được gửi tới PLC chỉ ra trạng thái (đóng/mở) của tiếp
điểm nút nhấn.
● Thiết bị chấp hành (Actuator): là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác
động vật lý. Actuator được nối với ngõ ra của PLC. Một ví dụ của actuator là sử dụng một
Soft Starter (bộ khởi động mềm) được nối ở đầu ra PLC, tùy thuộc vào tín hiệu ngõ ra PLC
mà bộ Soft Starter sẽ khởi động hay dừng động cơ.
5
PLC -Programmable Logic Controller
Hình 3. Các dạng tín hiệu ngõ vào của PLC
● Chương trình điều khiển: một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực
hiện một nhiệm vụ cụ thể. Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập hợp các
lệnh. Có nhiều cách để lập trình cho PLC như: dạng lập trình hình thang (LAD), dạng câu
lệnh (STL), hay dạng sơ đồ khối chức năng (FBD). Chương trình điều khiển định ra qui luật
thay đổi tín hiệu output phía đầu ra của PLC theo sự thay đổi của tín hiệu input phía đầu vào
theo như mong muốn. Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng cách sử dụng bộ lập
trình chuyên dụng cầm tay (hand-held programmer hay PG = programmer) hoặc chạy phần
mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào PLC thông qua cáp, nối giữa PLC và PC
hoặc PG.
Cần chú ý là chương trình để điều khiển hệ thống chạy trên PLC, do đó không cần có
máy tính hay bộ lập trình để chạy PLC, chúng chỉ đóng vai trò bộ lập trình hay bộ giám sát
hoạt động thông qua việc trao đổi thông tin với PLC.
Chương trình của các PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình chính (main
program), các chương trình con (subroutine) và chương trình ngắt (interrupt). Nhờ đó cấu
trúc của chương trình trở nên dễ đọc và rõ ràng hơn.
Chương trình PLC được thực thi theo các chu kỳ quét liên tục. Chương trình PLC thực
thi là một phần của một quá trình lặp lại: chu kỳ quét. Chu kỳ quét của PLC bắt đầu với việc
CPU đọc trạng thái của các ngõ vào. Chương trình ứng dụng được thực hiện sử dụng trạng
6

PLC -Programmable Logic Controller
thái của các đầu vào này. Khi chương trình này thực hiện xong thì CPU sẽ bắt đầu quá trình
tự chẩn đoán và các tác vụ giao tiếp. Chu kỳ quét kết thúc bởi việc cập nhật các ngõ ra, sau
đó lại lặp lại từ đầu. Thời gian thực hiện chu kỳ quét phụ thuộc vào kích thước của chương
trình, số lượng các ngõ vào/ra cần được giám sát của PLC và vào số lượng yêu cầu giao tiếp.
Hình 4. Chu kỳ (vòng) quét của PLC
● Thiết bị lập trình (PG/PC): chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuống
PLC.
● Cáp kết nối (cáp PPI): thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình đến
PLC.
1 􀂙Quy trình thiết kế hệ điều khiển dùng PLC: Bao gồm các bước cơ bản như sau:
1- Xác định quy trình điều khiển: trong bước này cần phải biết về đối tượng điều khiển
của PLC. Các thay đổi của đối tượng điều khiển được kiểm tra thường xuyên bởi các thiết bị
đầu vào, các thiết bị này gởi tín hiệu đến PLC để tính toán xuất các tín hiệu ra đến các thiết
bị đầu ra để điều khiển hoạt động của đối tượng.
2- Xác định tín hiệu vào ra: trong bước này cần xác định cách kết nối các thiết bị đầu
vào, ra với PLC. Thiết bị vào có thể là tiếp điểm, cảm biến,…. Thiết bị ra có thể là các loại
cuộn dây điện từ , đèn, …
3- Soạn thảo chương trình: chương trình được viết dưới dạng LAD, STL, hay dạng
FBD.
4- Nạp chương trình cho PLC
5- Chạy chương trình: trước khi khởi động hệ thống cần kiểm tra nối dây từ PLC đến
các thiết bị ngoại vi và trong quá trình chạy kiểm tra có thể cần thực hiện các bước tinh chỉnh
hệ thống để đảm bảo an toàn khi đưa vào hoạt động thực tế.
Trong bài thí nghiệm với PLC S7-200 (của hãng Siemens) cần quan tâm tới hai vấn đề
sau:
7
PLC -Programmable Logic Controller
●Sơ đồ nối dây PLC: thể hiện sơ đồ nối dây thực của các thiết bị phía input và phía
output vào PLC S7–200.

●Sơ đồ điều khiển PLC: được viết bằng STEP7-Micro/WIN là phần mềm dùng cho các
PLC thuộc chủng loại S7-200.
III. Giới thiệu PLC S7-200
PLC có thể được phân thành hai loại: Micro PLC và Modular PLC.
- Micro PLC là loại PLC mà các ngõ vào, bộ xử lý, các ngõ ra và bộ nguồn đều được
đặt chung trong cùng một khối. Các PLC này thì khá rẻ và thường được dùng trong các
ngành công nghiệp nhẹ mà ở đó các điện áp cao không cần thiết. Chúng có những cấu hình
khác nhau về ngõ vào, ngõ ra, khả năng bộ nhớ và có thể làm việc lâu dài để thỏa mãn các
ứng dụng khác nhau. Họ PLC S7-200 của Siemens thuộc loại PLC này.
- Modular PLC là loại PLC dùng trong các ứng dụng công nghiệp nặng thường là các
hệ thống dạng mô đun. Các loại PLC này có các cấu hình khác nhau về ngõ vào/ngõ ra,
nguồn cung cấp, dạng tín hiệu (rời rạc hay tương tự), các ứng dụng mạng và điều khiển từ
xa. Các hệ thống PLC này bao gồm các mô đun xử lý, mô đun ngõ vào/ngõ ra, thanh gắn, mô
đun nguồn, bộ lập trình và các mô đun giao tiếp nếu cần thiết. Họ PLC S7-300, S7-400 của
Siemens thuộc loại này.
- Bộ xử lý của cả PLC loại Micro hay Modular đều bao gồm CPU, bộ nhớ, các cổng
giao tiếp và các cổng ngoại vi. Không phải tất cả các PLC đều có cấu hình giống nhau mà có
thể khác nhau về bộ nhớ, các cấu hình ngõ vào/ngõ ra, cấu hình mạng và nhiều đặc tính khác.
Sau đây sẽ giới thiệu một vài loại CPU họ S7-200 được sử dụng trong nội dung thí
nghiệm:
a. Bộ S7-200/CPU 212 có một số tính năng như sau:
– Số cổng vào/ra (I/O): 8 ngõ vào số/6 ngõ ra số (có địa chỉ I0.0 ÷ I0.7, Q0.0 ÷ Q0.5).
– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 2 (với tối đa 64 ngõ vào số /64 ngõ ra số).
– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 1.2 μs/lệnh.
– Bộ đếm thời gian (timer): 64 bộ.
– Bộ đếm (counter): 64 bộ.
– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 1 (2 kHz-software).
b. Bộ S7-200/CPU 216 có các tính năng sau:
– Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ ra số số (có địa chỉ I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷
Q1.7).

– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 7.
– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.8 μs/lệnh.
– Bộ đếm thời gian (timer): 256 bộ.
– Bộ đếm (counter): 256 bộ.
– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 3 (1 software – 2 hardware).
8
PLC -Programmable Logic Controller
– Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB.
– Cổng giao tiếp: 2.
c. Bộ S7-200/CPU 226 có các tính năng sau:
– Số cổng vào/ra (I/O): 24 ngõ vào số/16 ngõ ra số (địa chỉ từ I0.0 ÷ I2.7, Q0.0 ÷ Q1.7).
– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 7
– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.37 μs/lệnh.
– Bộ đếm thời gian (timer): 256 bộ.
– Bộ đếm (counter): 256 bộ.
– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 6 (30 kHz).
– Đồng hồ thời gian thực.
– Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB.
– Cổng giao tiếp: 2.
– Số ngõ ra xung: 2 (20 kHz).
IV. Sơ đồ nối dây thực của S7 – 200
Sơ đồ nối dây của CPU 212:
Hình 5. Sơ đồ nối dây của PLC S7-200, CPU 212
9
PLC -Programmable Logic Controller
Với cách nối dây như sơ đồ đã thể hiện, khi một công tắc (hay nút nhấn) ở ngõ vào nào
đó được tác động, ngõ vào đó sẽ ở trạng thái logic là 1 (trạng thái ON). Nếu công tắc bị ngắt
(hay không nhấn nút nữa), ngõ vào tương ứng sẽ ở trạng thái logic là 0 (trạng thái OFF).
Nguyên tắc chung là khi có điện áp trong khoảng quy định trước (thông thường là 15 – 30
VDC) so với điểm chuẩn điện áp (các ngõ vào ký hiệu là COM) đặt vào một ngõ vào nào đó

thì ngõ vào đó ở trạng thái 1, nếu không có điện áp đủ lớn so với điểm chuẩn điện áp đặt vào
ngõ vào thì ngõ vào đó ở trạng thái 0.
Các CPU 216 và CPU 226 cũng được nối dây tương tự với CPU 212.
Chú ý:
• PLC nhận tín hiệu ngõ vào 24V, vì vậy ngõ ra relay (3 và 4) của
SIKOSTART phải cấp tín hiệu 24V về cho PLC.
• PLC có ngõ ra là các tiếp điểm relay được nối chung với nhau,
chưa nối nguồn bên trong, vì vậy có thể điều khiển các contactor
bằng cấp điện áp 220V.
• Do các ngõ ra relay của PLC đã được nối chung:
10
PLC -Programmable Logic Controller
Cách đấu đầu ra với các thiết bị chấp hành của PLC
V. Giới thiệu chương trình STEP7 – Micro/WIN
1. Dạng lập trình: STEP7 – Micro/WIN hỗ trợ hai dạng lập trình sau:
a. Dạng STL (Statement List): dạng ngôn ngữ sử dụng danh sách các câu lệnh.
b. Dạng LAD (ladder): dạng ngôn ngữ đồ hoạ sử dụng các ký hiệu tương tự như các sơ
đồ mạch điện (hình thang).
c. Dạng FBD (Function Block Diagram): dạng ngôn ngữ đồ hoạ sử dụng các ký hiệu
tương tự sơ đồ các khối logic AND, OR...
11
PLC -Programmable Logic Controller
Các Menu công cụ thường dùng:
• New (File Menu) Tạo mới
• Open (File Menu) Mở file
• Cut (Edit menu) Cắt
• Paste (Edit Menu) Dán
• Copy (Edit Menu) Sao chép
• Download (PLC Menu) Tải xuống
• Network (Insert) Chèn network mới

• Program Elements (Insert) Mở cử sổ các phần tử lập trình
• Clear/Reset (PLC) Xóa chương trình hiện thời trong PLC
• LAD, STL, FBD (View) Hiển thị dạng ngôn ngữ yêu cầu
Các phần tử lập trình thường dùng (cửa sổ Program Elements):
Lệnh logíc tiếp điểm Lệnh đếm Lệnh đồng hồ Lệnh chuyển đổii dữ
liệu
12