Nguyên Lý Hoạt động Của PLC - Giáo Trình PLC Cơ Bản

2.2.1. Nguyên tắc xử lý tín hiệu

PLC thực hiện chương trình theo một chu trình kín được lặp lại liên tục cho đến khi nào có lệnh dừng. Mỗi vòng lặp hay còn gọi là vòng quét được bắt đầu bằng việc quét các số liệu từ các kênh vào/ra, chuyển các số liệu này đến vùng nhớ đệm đầu vào/ra, tiếp theo là bước thực hiện các lệnh tiếp theo của chương trình như thực hiện các phép tính logic, các phép tính số học để xác định các tác động điều khiển, bước kế tiếp là chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đệm đầu ra đến các kênh ra. Khi có một lệnh dừng nào đó xuất hiện thì PLC sẽ dừng các hoạt động xử lý thông tin và truyền tin để kiểm tra khối chương trình tương ứng với lệnh ngắt.

Quét các dữ liệu vào/ra Nạp vào vùng nhớ đệm

Thực hiện các bước chương trình

Chuyển dữ liệu từ vùng nhớ đệm đến

đầu ra Vòng quét của chương trình

Vòng quét càng ít lệnh dừng thì thực hiện càng nhanh. Nếu chương trình hoạt động bình thường thì chu kỳ của mỗi vòng quét có độ dài như nhau. Tốc độ quét càng cao thì có thể cho phép nhập được nhiều số liệu gần như đồng thời trong thời gian quét, và như vậy khả năng điều khiển được đồng thời nhiều đại lượng là hoàn toàn có thể thực hiện được. Khả năng xử lý tín hiệu trong một chu trình điều khiển không có hiện tượng trễ còn được gọi là điều khiển trong thời gian thực.

Các PLC và các PC ngày nay có tốc độ xử lý rất cao nên chất lượng của các hệ thống điều khiển số không kém chất lượng của các hệ thống điều khiển tương tự. Chu kỳ quét của PLC thường vào khoảng từ 1 đến 25 mi li giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra tương đối ngắn so với chu kỳ quét của PLC. Phần lớn thời gian dùng cho việc tính toán các hàm điều khiển.

2.2.2. Cơ chế hoạt động

Thông thường chương trình được nạp vào PLC bởi bộ lập trình cầm tay (hình 2.22), thiết bị lập trình chuyên dụng (hình 2.23) hay máy tính cá nhân (hình 2.24). Bộ lập trình cầm tay thường dùng cho các PLC rẻ tiền, đơn giản. Bộ lập trình chuyên dụng được trang bị màn hình và các phím tương ứng với các phần tử của sơ đồ thang để tiện cho việc lập trình. Các thiết bị này cho phép kiểm tra việc thực hiện các lệnh của chương trình trong thời gian thực. Ngày nay ta thưòng sử dụng các phần mềm lập trình cho PLC trên máy tính và sau khi chay thử mô phỏng có thể nạp vào PLC thông qua cổng RS232.

Bộ nạp EPROM cho phép nạp chương trình ghi trên EPROM vào bộ nhớ của PLC. Thiết bị mô phỏng thường gắn với các đi ốt quang điện LED hoặc các công tắc để thử nghiệm các bước của chương trình logic.

Bộ xử lý đồ hoạ thường dùng để làm giao diện giữa hệ thống mô phỏng và hệ thống hiển thị bằng màn hình.

Các PLC hoạt động liên tục từ lúc được bật lên. Khác với máy tính thông thường, PLC không cần có hệ điều hành, không cần có phần mềm nào ngoài phần mềm của người sử dụng và riêng đối với các máy CNC hoặc robot có thể có thêm phần mềm đồ họa dùng cho mô phỏng các quá trình gia công hay các hoạt động của robot. PLC lần lượt đọc các đầu vào, thực hiện tính toán, xác định các tác động điều khiển, truền các tác đông điều khiển đến đầu ra và lặp lại. Kết nối với mô đun vào là các đại lượng vật lý. Các đại lượng vào này có thể có hai dạng:

- Các đại lượng tương tự (analog): là các đại lượng đến từ các cảm biến tương tự. - Các đại lượng logic: là các đại lượng thể hiện các trạng thái hay các điều kiện

để thực hiện một hàm logic hay chính là các quyết định logic. Các đại lượng này đến từ các công tắc, cảm biến số.

Các mô đun ra kết nối các đầu ra với các động cơ, các cuộn dây, các đèn tín hiệu ... Tác động của chương trình điều khiển là các thao tác khởi động động cơ, dừng động cơ, bật/tắt đèn, kích hoạt một cơ cấu nào đó ...Tất cả các PLC đều thực hiện các chức năng điều khiển về mặt bản chất là giống nhau. Tuy nhiên về cách đặt địa chỉ để lập trình có thể khác nhau, phụ thuộc vào nhà sản xuất PLC.

Mỗi đầu vào của PLC được nối với một hay nhiều thiết bị mà qua đó dòng điện bị chặn lai hay được cho đi qua. Nếu có điện áp trên đầu vào thì đầu vào đó được được xem như đang ở trạng thái bật. Ngược lại nếu không có điện áp trên đầu vào, có nghĩa là đầu vào đang ở trạng thái tắt.

PLC kiểm tra trạng thái các đầu vào và so sánh với chương trình logic để đóng hay ngắt tín hiệu điện áp trên đầu ra. Các PLC không cần biết đến các các thiết bị có được kết nối vào nó qua mô đun vào hay mô đun ra hay không, mà chúng chỉ đơn giản là kiểm tra các trạng thái của các đầu vào và bật hay tắt các đầu ra tương ứng với logic của chương trình điều khiển.

Mỗi vòng điều khiển hoàn thành được gọi là một chu kỳ quét. Thời gian của một chu kỳ là rất quan trong, vì nó liên quan đến số lượng các đầy ra có thể điều khiển được của PLC. Thời gian chu kỳ càng nhỏ PLC càng hoath động nhanh, càng có thể điều khiển được nhiều đại lượng vật lý khác nhau. Chính vì vậy PLC trở nên thiết bị điều khiển lý tưởng cho các máy và thiết bị công nghiệp.

Khi chưa có chương trình điều khiển PLC không thể hoạt động được. PLC chỉ hoạt động khi đã có chương trình điều khiển nạp vào bộ nhớ của nó. Chương trình điều khiển có thể nạp vào PLC bằng 3 phương pháp khác nhau:

- Lập trình nhờ các phần mềm lập trình trên máy tính và nạp chương trình lên PLC qua cổng RS232 hay qua cổng kết nối với mạng LAN hay mạng Internet. Máy tính cá nhân là phương tiện lập trình tốt nhất cho PLC, bởi vì chứng ta có thể quan sát được nhiều dòng lệnh trên màn hình, soạn thảo và truy cập vào chương trình dễ dàng. Điều bất tiện là máy tính cá nhân không thích hợp lắm với môi trường công nghiệp và khả năng di chuyển kém.

- Lập trình bằng thiết bị lập trình xách tay: lập trình trực tiếp vào bộ nhớ của PLC. Thiết bị này không dễ sử dụng như máy tính, nhưng lại tiện cho việc mang đi theo người. Lập trình được thực hiện từng dòng lệnh tương ứng với từng bậc của sơ đồ thang.

- Lập trình trên máy tính, nạp lên thẻ nhớ và sau đó nạp từ thẻ nhớ vào PLC qua cổng tiêu chuẩn. Các thẻ nhớ EEPROM là các bộ nhớ ROM có thể xoá và lập trình lại được bằng điện. Ưu điểm của EEPROM là nó có thể thay đổi

chương trình của PLC bằng cách cắm vào cổng của PLC.

Hình 2.22.Thiết bị lập trình cần tay PG 605 của Siemens

Hình 2.23. Thiết bị lập trình chuyên dụng PG 730C

Trên hình 2.24 là kết nối máy tính PC để lập trình và nạp vào PLC qua cổng nối tiêu chuẩn.

Hình 2.24. Kết nối máy tính và PLC

chạy được, nó phải được nạp vào bộ nhớ của bộ xử lý. Khi nạp chương trình trực tiếp từ PC cần phải chú ý các thao tác sau:

1. Tất cả các phần tử có liên quan đến PLC phải được ngắt điện.

2. Nối PC với PLC theo đúng như hình 2.24. Như vậy Phần mềm PLC được phép trao đổi với bộ xử lý của PLC.

3. Chuyển công tắc trên bộ xử lý sang chế độ điều khiển từ xa. 4. Bật công tắc nguồn để cấp điện vào PLC và các bộ phận của nó. 5. Thực hiện bước tải chương trình điều khiển từ PC về PLC.

6. Khi việc tải chương trình đã hoàn tất, chuyển sang chế độ gián tiếp, ngừng kết nôi với PC (stay offline). Lúc này PLC có thể chạy chương trình mới nạp về.

Phần mềm lập trình cho PLC cũng cho phép PC truy cập trực tiếp vào chương trình đang lưu trong bộ nhớ của PLC. Khi đang ở chế độ truy cập trực tiếp (online), chương trình trong bộ nhớ của PLC sẽ được hiển thị lên màn hình PC. Nếu ta đang có một chương trình nào đó mở sẵn khác với chương trình của PLC, thì phần mềm lập trình sẽ tự động đóng lại và chỉ mở chương trình có trong PLC. Trên màn hình của phần mềm sẽ có cửa sổ với tín hiệu báo đang ở chế độ truy cập trực tiếp. Lúc này có thể thay đổi chế độ làm việc của PLC từ chế độ gián tiếp (offline) sang chương trình điều khiển từ xa. Thực hiện việc chạy chương trình điều khiển từ phần mềm lập trình trên PC có thể theo dõi được từng bước thực hiện trên sơ đồ thang.

Phần mềm lập trình còn cho phép dừng chương trình đang chạy trên PLC, khi chuyển sang chế độ chương trình điều khiển từ xa.

Để nhận biết tính năng của một PLC nào đó phải dựa vào đặc tính kỹ thuật của PLC đó. Ví dụ PLC Simatic S5 –100U của Siemens có các đặc tính sau: - Dung lượng nhớ: 1024 lệnh

- Bộ nhớ tĩnh: EPROM và EEPROM

- Thời gian thực hiện một phép tính nhi phân: 70às - Thời gian chu kỳ: 300ms

- Biến trạng thái : 1024, trong đó 512 là biến tĩnh, tức là các biến có thể giữ các dữ liệu ngay cả khi mất điện.

- Bộ đếm giờ: 16

- Khoảng đếm giờ: 0.01 đến 9990s - Bộ đếm: 16, trong đó 8 là bộ đếm tĩnh. - Khoảng đếm: 0 đến 999 (tăng hoặc giảm)

- Kênh Vào/Ra số: 128

- Pin: Lithium (3.4V/850mA-h) - Tuổi thọ của pin: 5 năm

- Cấu trúc của các mô đun vào số: • 4/8 kênh vào 24V DC/7mA • 4 kênh vào 24 – 60V DC/7.5mA • 4/8 kênh vào 115V AC/10mA • 4/8 kênh vào 230V AC/15mA - Cấu trúc của các mô đun ra số:

• 4 kênh ra 24V DC/0.5A • 4 kênh ra 24V DC/2A • 8 kênh ra 24V DC/0.5A • 4 kênh ra 24 – 60V DC/0.5A • 4 kênh ra 115 – 230V AC/1A • 8 kênh ra 150 – 230V AC/0.5A • 4 kênh ra rơle: 30V DC/230V AC

Như vậy có thể thấy rằng S5-100U có thể sử dụng được trong điều khiển hệ thống với 128 kênh vào/ra số. Chương trình điều khiển không dài quá 1024 dòng lệnh. Số lượng biến trong chương trình nhiều nhất là 1024. Một chu trình quét của PLC phải nhỏ hơn hoặc bằng 300ms. Đây là PLC thế hệ của những năm 90 của Siemens. Ngày này PLC của Hãng này đã phát triển đến thế hệ S7-400, là những PLC rất mạnh và tốc độ rất cao.

Các lệnh của chương trình của PLC thường được được gộp vào các khối chương trình con và mỗi chương trình con được liên kết với chương trình chính. Đối với các chương trình đơn giản thì cấu trúc chương trình chỉ gồm một khối. Lệnh 1 Lệnh 2 ... Vòng quét ... ... ... Lệnh cuối

Vòng quét (thực hiện chương trình) và cấu trúc của một chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo vòng lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Các giai đoạn của vòng quét:

Khi gặp lệnh vào/ra tức thời ngay lập tức hệ thống dừng tất cả mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện chương trình này trực tiếp với cổng vào/ra.

ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ thời điểm nào trong vòng quét

Để thực hiện một chương trình điều khiển số thì yêu cầu PLC phải có tính năng như một máy tính (PC).

• CPU (đơn vị xử lý trung tâm).

• Bộ nhớ chính (RAM, EEPROM, EPROM,...), bộ nhớ mở rộng. • Hệ điều hành.

• Port vào/ra (giao tiếp trực tiếp với thiết bị điều khiển).

• Port truyền thông (trao đổi thông tin với môi trường xung quanh). • Các khối chức năng đặc biệt như: T, C, các khối chuyên dụng khác.

Thiết bị lập trình: Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là

• Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tương ứng. • Máy tính có cài đặt phần mềm là công cụ rất lý tưởng.

Rơle: Rơle là bộ nhớ 1 bit, có tác dụng như rơle phụ trợ vật lý như trong mạch điều khiển dùng rơle truyền thống gọi là các rơle logic. Theo thuật ngữ máy tính thì rơle còn được gọi là cờ, kí hiệu là M. Có rất nhiều loại rơle chúng ta sẽ khảo sát kỹ hơn đối với loại các PLC của hãng.

Modul quản lý việc phối ghép: Dùng để phốii ghép bộ PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành và mạng truyền thông công nghiệp.

Thanh ghi (Register): là bộ nhớ 16 bit hay 32 bit để lưu trữ tạm thời khi PLC thực hiện quá trình tính toán.

- Thanh ghi chốt (Latch register) duy trì nội dung cho đến khi nó được chồng lên bằng nội dung mới.

- Thanh ghi chuyên dùng (Special register).

- Thanh ghi tập tin hay thanh ghi bộ nhớ chương trình (Program memory registers).

- Thanh ghi điều chỉnh giá trị được từ biến trở bên ngoài (External adjusting register).

- Thanh ghi chỉ mục (Index register).

Bộ đếm (Counter): kí hiệu là C. a) Phân loại: tín hiệu đầu vào. - Bộ đếm lên.

- Bộ đếm xuống.

- Bộ đếm lên - xuống, bộ đếm này có cờ chuyên dụng chọn chiều đếm. - Bộ đếm pha phụ thuộc vào sự lệch pha giữa hai tín hiệu xung kích.

- Bộ đếm tốc độ cao (high speed counter), xung kích có tần số cao khoảng vài kHz đến vài chục kHz

Phân loại: theo kích thước của thanh ghi và chức năng của bộ đếm

- Bộ đếm 16 bit: thường là bộ đếm chuẩn, có giá trị đếm trong khoảng -32768 ÷ 32767.

- Bộ đếm 32 bit: cũng có thể là bộ đếm chuẩn nhưng thường là bộ đếm tốc độ cao. - Bộ đếm chốt: duy trì nội dug đếm ngay cả khi PLC bị mất điện.

Bộ định thì (times): kí hiệu là T, được dùng để định các sự kiện có quan tâm đến vấn đề thời gian, bộ địng thì trên PLC được gọi là bộ định thì logic. Việc tổ chức định thì thực chất là một bộ đếm xung với chu kỳ có thể thay đổi được, chu kỳ của xung tính bằng đơn vị milis gọi là độ phân giải. Tham số của bộ định thì là khoảng thời gian định thì, tham số này có thể là biến hoặc là hằng, nhập vào là số nguyên. Chạy thử chương trình:

Đây là quá trình chạy thật trên máy ở chế độ online. Trước khi chạy ở chế độ này phải thực hiện các bước sau:

1. Kiểm tra mức độ tiếp xúc dây nối cũng như địa chỉ ở đầu vào của công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình dựa vào các đèn trạng thái trên đầu vào của PLC. Dùng đồng hồ để đo các tín hiệu tương tự.

2. Kiểm tra dây nối đến các cơ cấu chấp hành lần cuối trước khi cho chạy thử nghiệm. Kiểm tra đã chắc chắn đấu nối đúng theo sơ đồ. Kiểm tra điện áp trên các cơ cấu chấp hành.

3. Có thể viết từng đoạn chương trình nhỏ để kiểm tra trạng thái hoạt động của từng đầu ra, nhất là đối với các cơ cấu thuỷ lực và khí nén. Bước này gọi là bước chạy đơn động. Thường thực hiện cho những máy móc có công nghệ tương đối phức tạp. Các máy đơn giản có thể bỏ qua bước này. Đưa các cơ cấu về trở lại trạng thái ban đầu (đúng với quy trình đã thiết kế theo giản đồ thời gian hay lưu đồ thuật toán).

4. Nạp chương trình vào PLC và chạy liên động toàn bộ hệ thống. Xem xét, đánh giá mức độ tin cậy của chương trình nếu chưa tốt thì có thể hiệu chỉnh thêm một vài lần nữa

Hình 2.25. Sơ đồ bố trí của hệ thống PLC

Lập tài liệu theo các gói sau:

1. Tài liệu chung cho hệ thống như: Tài liệu về phần cứng và phần mềm của