Giáo trình PLC nâng cao (Nghề Điện tử công nghiệp)

``BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI

GIÁO TRÌNH

Tên mơ đun: PLC nâng cao
NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/ CAO ĐẲNG NGHỀ
Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐCNPY, ngày

tháng năm 2018

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại

Vĩnh Phúc, năm 2018


1

MỤC LỤC
Chương 1. Giới thiệu chung về PLC ........................................................................................ 4
1.1. Giới thiệu chung về PLC ................................................................................................ 4
1.2. Tổng quan về CPM2A .................................................................................................... 5
Chương 2. Lập chương trình cho CPM2A ......................................................................... 42
2.1 Tổ chức chương trình ................................................................................................... 42
2.2 Các chế độ hoạt động .................................................................................................... 47
2.3 Các lệnh lập trình .......................................................................................................... 69
Chương 3. Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi ...................................................................... 73
3.1 Ghép nối PCL với thiết bị laaoj trình bằng tay ............................................................ 73

3.2 Ghép nối PLC với máy tính .......................................................................................... 74
3.3 Ghép nối PLC với các tín hiệu vào/ra........................................................................... 85
3.4 Phần mềm lập trình ....................................................................................................... 86
Chương 4. Các bài tập vận dung ........................................................................................ 89
4.1 Trò chơi đường lên đỉnh Olympia ................................................................................ 89
4.2 Điều khiển đèn giao thơng ............................................................................................. 92
4.3 Đóng mở gara tự động................................................................................................... 93
4.4 Điều khiển dây truyền đóng hộp sản phẩm .................................................................. 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................115


2

CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN
Tên mơ đun: PLC NÂNG CAO
Mã mơ đun: MĐCC14020071
Thời gian thực hiện mô đun: 45 giờ (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo
luận, bài tập: 28 giờ: Kiểm tra: 2 giờ)
I. Vị trí, tính chất mơ đun
- Vị trí mơ đun: Mơ đun này được học sau mơ đun: PLC cơ bản.
- Tính chất mơ đun: Là mô đun thuộc các môn chuyên ngành/ nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mô đun
+ Kiến thức: Mô đun trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về phần cứng và các
lệnh lập trình sử dụng PLC CPM2A.
+ K¯ n¯ng: Th¯c hi¯n ¯¯¯c m¯t s¯ b¯i toán ¯ng d¯ng PLC trong công nghi¯p
+ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Dự lớp đầy đủ theo quy định, rèn luyện tác phong
công nghiệp, biết cách làm việc nhóm.
III. Nội dung mơ đun
1.Nội dung tổng qt và phân bổ thời gian
Thời gian (giờ)

S
TT

Tên chương, mục

Tổng
số

Lý
thuyết

1

Chương 1. Giới thiệu chung về PLC
1.1. Giới thiệu chung về PLC
1.2. Tổng quan về CPM2A

2

2

2

Chương 2. Lập chương trình cho CPM2A
2.1 Tổ chức chương trình
2.2 Các chế độ hoạt động
2.3 Các lệnh lập trình

10

9

3

Chương 3. Kết nối PLC với thiết bị ngoại
vi

3

3

Thực
hành,
thí
Kiểm
nghiệm,
tra
thảo
luận,
bài tập

1


3

3.1 Ghép nối PCL với thiết bị lập trình
bằng tay
3.2 Ghép nối PLC với máy tính

3.3 Ghép nối PLC với các tín hiệu vào/ra
3.4 Phần mềm lập trình
4

Chương 4. Các bài tập vận dung

30

28

1

28

2

4.1 Trò chơi đường lên đỉnh Olypia
4.2 Điều khiển đèn giao thong
4.3 Đóng mở gara tự động
4.4 Điều khiển dây truyền đóng hộp sản
phẩm
Cộng

45

15


4

Chương 1. Giới thiệu chung về PLC

Giới thiệu:
- Việc kết nối giữa dây giữa PLC và thiết bị ngoại vi rất quan trọng. Nó quyết
định đến việc PLC có thể giao tiếp với thiết bị lập trình ( máy tính ) cũng như
hệ thống điều khiển có thể hoạt động đúng theo u cầu được thiết kế hay
khơng. Ngồi ra việc nối dây cịn liên quan đến an tồn cho PLC cũng như hệ
thống điều khiển.
Mục tiêu:
+ Kiến thức: Trang bị cho sinh viên khái niệm cơ bản về điều khiển logic lập trình
+ Kỹ năng: Nhận biết được phần cứng của CPM2A
+ Thái độ: Yêu nghề, cần cù, tỷ mỉ
1.1. Giới thiệu chung về PLC

† Giới thiệu về PLC S7-300:
- Trong các hệ thống sản xuất hiện đại thì số lượng đối tượng điều khiển có
số lượng lớn cũng như rất đa dạng về hình thức. Để tăng tính linh hoạt cho
người ta chia PLC thành nhiều module (các khối chức năng) với CPU có thể
quản lý một vùng nhớ lớn.( hình 1.1)
- PLC S7-300 của Siemens cũng tuân theo nguyên này:

Hình 1.1: Các khối chức năng của S7-300


5

-

-

-

-

Các module chức năng của S7-300:
PS (Power Supply Module): bộ nguồn cho S7-300
CPU: bộ xử lý trung tâm
SM (Signal Module): module tín hiệu có 2 dạng
+ DI/DO (Digital Input/Digital Output): ngõ vào/ra dạng số
+ AI/AO (Analog Input/Analog Output): ngõ vào/ra dạng tương tự
IM (Interface Module): khối giao tiếp mở rộng PLC
FM (Function Module): module chức năng đặc biệt
+ Đếm (Counter)
+ Điều khiển vị trí (Positioning Module)
+ Điều khiển vịng kín (PID module)
CP (Communication Processing module): module xử lý truyền thông
+ Kết nối điểm – điểm (point – point)
+ Profibus
+ Ethernet công nghiệp (Industrial Ethernet)
DM (Dummy Module): Module giả lập dự phòng DM370 địa chỉ ngõ vào/ra

1.2. Tổng quan về CPM2A

Sơ đồ kết nối giữa máy tính với PLC ( hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ kết nối giữa máy tính với PLC


6

Sơ đồ kết nối chi tiết giữa máy tính với PLC SIMENS
- Đối với các thiết bị lập trình của hãng SIMENS có các cổng giao tiếp PPI
thì có thể kết nối trực tiếp với PLC thông qua một sợi cáp. Tuy nhiên đối với
những máy tính cá nhân cần thiết phải có cáp chuyển đổi PC/PPI. ( hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ khối plc

Mở nguồn cho PLC

Chuyển sang trạng thái stop. Đèn stop
hiện lên

Chuyển cần gạt sang chế độ MRES và giữ khoảng 3s
để reset trước khi đổ.
Chuyển nút gạt về vị trí stop và đổ chương trình


7

- Chương trình sau khi đã soạn thảo cần được truyền xuống CPU.
Để làm được điều này, ta nhấn chuột trái vào biểu tượng này trên
thanh công cụ và trả lời đầy đủ các câu hỏi. Chú ý khi nạp chương trình cần
phải đặt CPU ở trạng thái Stop hoặc CPU ở trạng thái RUN-P
a. Xóa chương trình có sẵn trong CPU
- Để thực hiện việc nạp chương trình mới từ PC xuống CPU ta cần thực hiện
cơng việc xóa chương trình đã có sẵn trong CPU. Đều này ta thực hiện các
bước như sau: ( hình 1.4)
+ Đưa trạng thái của CPU về STOP: Từ màn hình chính của Step 7, ta chọn
lệnh:

Hình 1.4 xóa chương trình plc
b. Giám sát hoạt động của chương trình (hình 1.5)
- Sau khi đã nạp chương trình soạn thảo xuống CPU lúc này chương trình đã
được ghi vào bộ nhớ của CPU. Khi đó ta có thể tách rời PC và CPU của S7 mà
chương trình vẫn hoạt động bình thường. Để thực hiện việc quan sát quá trình
hoạt động của chương trình và CPU ta sử dụng chức năng giám sát chương
trình bằng cách nhấn vào biểu tượng này
trên thanh công cụ. Sau khi chọn


8

chức năng giám sát chương trình này thì trên màn hình sẽ xuất hiện một cửa sổ
sau:
- Tùy theo kiểu viết chương trình mà ta nhận được sự khác nhau về kiểu hiển
thị trên màn hình (Dưới đây sử dụng chương trình kiểu viết chương trình
FBD).

Hình 1.5 chương trình khối theo dạng FBD
† Cảm biến:
- Công dụng: Biến các đại lượng vật lý sang tín hiệu điện để PLC xác định
được trạng thái của quá trình đang điều khiển.
- Phân loại:
- Các cảm biến logic (rời rạc): Được dùng để xác định sự tồn tại của vật thể
- ( Công tắc cơ, công tắc lưỡi gà, công tắc nhiệt, cảm biến quang, cảm biến
điện dung, cảm biến điện cảm, cảm biến áp suất )
- Các cảm biến liên tục: Được dùng để đo các đại lượng vật lý như nhiệt độ,
áp suất, tốc độ.. ( Cảm biến khoảng dịch chuyển, cảm biến nhiệt độ, cảm biến
áp suất ).
a. Các cảm biến logic (rời rạc):

- Công tắc cơ: 2 trạng thái: Đóng và mở ( hình 1.6)
+ Cơng tắc có các tiếp điểm thường mở (NO), thường đóng (NC)
+ NO: Khi khơng có tín hiệu vào cơ học: Mở, khi có tín hiệu vào cơ học:
Đóng
+ NC: Khi khơng có tín hiệu vào cơ học: Đóng, khi có tín hiệu vào cơ học:


9

hình 1.6 kết nối cơng tắc cơ theo mức logic 0 và 1
- Công tắc giới hạn: Công dụng phát hiện sự có mặt của chi tiết chuyển động
( hình 1.7 )

Hình 1.7 cơng tắc hành trình cơ
† kết nối ngõ vào bằng nút nhấn và cơng tắc hành trình ( hình 1.8 )

Hình 1.8 kết nối tín hiệu ngõ vào plc


10

- Cảm biến quang, Cảm biến điện dung, Cảm biến điện cảm: dùng để xác định
có vật thể. Có hai dạng cảm biến: kiểu NPN ( hình 1.9 ) và kiểu PNP ( hình
1.10 )

Hình 1.9: kết nối ngõ vào cảm biến kiểu NPN


11

Hình 1.10: kết nối ngõ vào cảm biến kiểu PNP
b. Các cảm biến liên tục
- Bộ đo tốc độ góc: đo tốc độ quay của trục động cơ ( hình 1.11)

Hình 1.11
Cảm biến nhiệt độ
+ Các loại cảm biến nhiệt độ
+ Cảm biến nhiệt độ điện trở RTD (Resistive temperature detector). ( hình
1.12 )
-

+ Nhiệt độ tăng => điện trở tăng


12

Hình 1.12
+ Cặp nhiệt điện ( hình 1.13 )
+ Dải đo: -100 đến 2000 độ C

Hình 1.13
- Cơng dụng: Biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành các hoạt động có cơng suất
cao hơn, sau đấy hoạt động này sẽ điều khiển các quá trình khác.
- Phân loại:
+ Thiết bị ra logic
Solenoid
Van
Xi lanh
+ Thiết bị ra liên tục
Động cơ DC, AC

Động cơ bước
….
- kết nối ngõ ra:


13

Hình 1.13: kết nối ngõ ra với chân com âm

Hình 1.14: kết nối ngõ ra với chân com dương
- Để viết chương trình điều khiển thì các loại PLC đều phải sử dụng các
chương trình đi kèm. Đa số các phần mềm viết chương trình lập trình PLC rất
đơn thuần là thảo chương trình điều khiển. Tuy nhiên, phần mềm Step7
Manager dành cho PLC S7-300 & 400 là một phần mềm toàn diện gồm nhiều


14

chức năng, khơng những soạn thảo chương trình mà cịn giúp quản lí hoạt động
của PLC.
- Step7 Manager hỗ trợ các chức như sau:
+ Khai báo phần cứng cho trạm PLC thuộc họ S7-300/400.
+ Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-300/400 cũng như thủ tục
truyền thông giữa chúng.
+ Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoặc nhiều trạm.
Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển cho một trạm PLC và gỡ rối
chương trình.
- Ngồi ra Step7 cịn có cả một thư viện gồm đầy đủ các hàm chuẩn hữu ích,
phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời các câu hỏi của người dùng
về cách sử dụng Step7, về cú pháp lệnh lập trình, về xây dựng cấu hình cứng

của một trạm cũng như một mạng gồm nhiều trạm PLC. ( hình 1.15)

- Hình 1.15: Giao diện chương trình Step7
Chọn giao diện kết nối PC/PLC:
- Chương trình Step7 được cái đặt trên PC hoặc PG để hỗ trợ việc soạn thảo
cấu hình phần cứng cũng như chương trình cho PLC, tức là sau đó tồn bộ
những gì soạn thảo sẽ được biên dịch và chuyển sang PLC. Không những thế,
Step7 còn tạo khả năng quan sát việc thực hiện chương trình của PLC. Muốn
như vậy ta cần phải cần có các thiết bị với giao diện kết nối giữa PC với PLC
để truyền dẫn thơng tin, dữ liệu. ( hình 1.16)
- Step7 có thể được ghép nối với PLC qua nhiều bộ giao diện khác nhau như
card MPI (Multi Point Interface), qua cáp chuyển đổi PC/PPI (Point to Point
Interface), qua card PROFIBUS (CP) … nhưng chúng phải được khai báo sử
dụng.


15

- Ngay sau khi Step7 vừa được cài đặt xong, trên màn hình xuất hiện cửa sổ
thơng báo cho ta chọn các bộ giao diện sẽ được sử dụng.

Hình 1.16 cài đặt card truyền thơng
- Các loại giao diện có thể lựa chọn gồm có:
+ CP5511 (Plug & Play): Card truyền thông CP 5511 chuẩn PCI.
+ CP5511 (Plug & Play): Card truyền thông CP 5512 chuẩn PCI.
+ CP5611 (Plug & Play): Card truyền thông CP 5611 chuẩn PCI.
+ PC Adapter: Bộ giao diện tích hợp trong Step7 dành cho PC.
+ PC/PPI cable: Cáp truyền PPI giao tiếp RS-485 giữa PC/PG với PLC ( hình
1.17.)
- Khi cần sử dụng bộ giao diện nào, ta cần đánh dấu chọn loại giao diện đó

rồi nhấn Install để cài đặt. Bộ giao diện được sử dụng thường xuyên là PC
Adapter vì đây là bộ giao diện ảo tích hợp sẵn trong phần mềm Step7.
- Tuy nhiên, chọn bộ giao diện thôi vẫn chưa đủ ta cịn phải thiết lập các
thơng số của giao diện bao gồm giao thức, tốc độ truyền, cổng ghép nối máy
tính…


16

Hình 1.17: Cửa sổ cài đặt giao diện kết nối PC/PLC

- Để thiết lập các thông số này ta vào mục Options ŠSet PC/PG Interface.
- Các loại chuẩn kết nối của bộ giao diện PC Adapter:
+ Auto: Tự động dò tìm chuẩn kết nối phù hợp với phần cứng. ( hình 1.18)
+ MPI: Chuẩn kết nhiều điểm (giữa các PLC S7-300/400). ( hình 1.19a,b)
+ PROFIBUS: Chuẩn truyền thơng cơng nghiệp.( hình 1.20a,b)
+ PC/PPI:
Kết nối với cáp truyền đi kèm của S7-300.
- Cổng kết nối giữa PC với PLC và tốc độ truyền là các thông số chung của
tất cả các chuẩn kết nối. Tuy nhiên, tùy theo chuẩn kết nối mà các thơng số kết
nối có số khác biệt.
PC Adapter (Auto):


17

Hình 1.18 khai báo cổng và địa chỉ giao tiếp
PC Adapter (MPI)

Hình 1.19a

18

Hình 1.19b
PC Adapter (PROFIBUS):

Hình 1.20a


19

Hình 1.20b
Soạn thảo một dự án (Project):
- Khái niệm Project trong Step7 khơng đơn thuần chỉ là chương trình ứng
dụng mà rộng hơn là bao gồm tất cả những gì liên quan đến việc thiết kế phần
mềm ứng dụng để điều khiển, giám sát một hay nhiều trạm PLC. Theo khái
niệm như vậy, một project Step7 sẽ có các thành phần sau:
+ Cấu hình phần cứng các module PLC S7-300/400.
+ Bảng tham số xác định chế độ làm việc cho từng module của mỗi trạm PLC.
+ Các logic block chứa chương trình ứng dụng của PLC.
+ Cấu hình ghép nối và truyền thơng giữa các trạm PLC.
+ Màn hình giao diện phục vụ quản lí giám sát các trạm PLC trong mạng (kết
hợp các phần mềm khác của Simatic).
† Ngôn ngữ lập trình:
- Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngơn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tượng sử dụng khác nhau. PLC S7-300 có ba ngơn ngữ lập trình cơ bản:


20

STL (Statement list)

LAD (Ladder logic)

FBD (Function block
diagram)

Dạng ngôn ngữ sử dụng dịng
lệnh cho chương trình. Đây là ngơn
ngữ thơng thường với máy tính. Một
chương trình gồm nhiều câu lệnh
được ghép với nhau bởi một thuật
tốn nhất định.
Đây là dạng ngơn ngữ đồ họa
tích hợp quen thuộc với những
người quen thiết kế tự động hóa.
Đây là dạng ngơn ngữ đồ họa
tích hợp quen thuộc với những
người quen thiết kế mạch kỹ thuật
số.

- Một chương trình viết bằng ngơn ngữ LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được
sang dạng STL nhưng ngược lại thì khơng. Trong STL có một lệnh khơng có trong
có LAD và FBD.( hình 1.21)
STL

LA

FB

Hình 1.21: STL là ngơn ngữ lập trình mạnh nhất

† Kỹ thuật lập trình
Giới thiệu chung:
- Phần bộ nhớ CPU dành cho chương trình ứng dụng có tên gọi là logic block.
Như vậy logic block là tên chung để gọi tất cả các khối chương trình bao gồm
những khối chương trình tổ chức OB (Organization block), khối chương trình FC
(Function), khối hàm FB (Function block). Trong các khối chương trình này chỉ có
duy nhất khối OB1 được thực hiện trực tiếp theo vịng qt. Nó được hệ điều hành
gọi theo chu kỳ lặp với khoảng thời gian không cách đều nhau mà phụ thuộc vào độ
dài của chương trình. Các loại khối chương trình khác khơng được tham gia trực
tiếp vào vịng qt.
- Với hình thức tổ chức chương trình như vậy nên ta chia ra 2 dạng lập trình như
sau:


21

+ Lập trình tuyến tính ( hính1.22): Trong vịng qt của PLC chỉ duy nhất khối
OB1 được tham gia trực tiếp nên nó có đầy đủ điều kiện của một chương trình điều
khiển thời gian thực và tồn bộ chương trình ứng dụng có thể được viết trong OB1
là đủ. Cách tổ chức chương trình chỉ với khối OB1 được gọi là lập trình tuyến tính
(linear programming).

Hình 1.22: Lập trình tuyến tính

- Đặc điểm của chương trình được lập trình dạng tuyến tính:
+ Áp dụng cho các giải thuật điều khiển đơn giản, không phức tạp.
+ Các câu lệnh được thực hiện tuần tự theo vịng qt.

+ Lập trình cấu trúc (hình1.23): Khác với kiểu lập trình tuyến tính, kỹ thuật
lập trình có cấu trúc (structure programming) là phương pháp lập trình mà ở đó
tồn bộ chương trình điều khiển được chia nhỏ thành các khối FC hay FB mang
một nhiệm vụ cụ thể riêng và được quản lí bởi chung bởi các khối OB. Kiểu lập
trình này rất phù hợp cho các bài toán điều khiển phức tạp, nhiều nhiệm vụ,…


22

Lập trình tuyến tính:
Chương trình được lập trình theo dạng tuyến tính thường có giải thuật lập
trình khá đơn giản. Hoạt động của hệ thống trải qua các bước theo tuần tự
(Sequence step) với các đặc điểm như sau: ( hình 1.23)
- Trong một thời điểm nhất định chỉ có duy nhất 1 bước hoạt động.
- Bước hoạt động trước sẽ chuẩn bị điều kiện cho bước kế tiếp.
- Khi đã chuyển sang bước sau thì bước hoạt động trước đó bị vơ hiệu hóa.

Hình 1.23 sơ đồ khối lập trình tuyến tính


23

Lưu đồ hoạt động tổng quát:
Trên lưu đồ hoạt động dạng tổng quát ta thấy:
Các trạng thái hoạt động gồm được phân biệt bởi số
thứ tự bao gồm Y1 ÷ Y(n+1)
Điều kiện chuyển trạng thái đủ khi có đủ 2 thành
phần sau:
Act
Y1

- Tiếp điểm tác động chuẩn bị của trạng thái trước.
- Tiếp điểm tác động ngoài.
Y1. X2

Start

Y2
Y2. X3
Act

Y3

Y(n-1). Xn
Act

Yn

Yn. X(n+1)

Yn+1

Act

Y(n+1). X1

Tại bước đầu tiên để hệ thống bắt đầu hoạt động ta
cần có tác động để giúp hệ thống khởi động (nhấn nút
khởi động, bật nguồn, …).
Sau khi kết thúc chương trình tại trạng thái cuối cùng
Y(n+1) thì tiếp điểm chuẩn bị của Y(n+1) tác động và

tiếp điểm ngoài X1 giúp tạo ra vịng lặp chương trình
quay về trạng thái Y1.


24

Ví dụ:

Hình 1.24: Máy đóng