Giáo trình PLC misubishi

Hình 1.4. Micro-PLC xê ri 90 của Fanuc

PLC loại nhỏ có thể có đến 256 đầu vào/ra. Trên hình 1.5 là PLC của hãng OMRON loại
ZEN 10C. Loại PLC này có 34 kênh vào/ ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên mô đun
CPU, còn lại 3 mô đun vào/ ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi mô đun.


Hình 1.5. PLC loại ZEN-10C của Omron

Hãng Siemens có các PLC loại nhỏ nh S5-90U, S5-95U, S5-100U (hình 1.6), S7 200 là
các loại PLC loại nhỏ, có số lợng kênh vào/ ra nhỏ hơn 256. Cấu tạo của các PLC loại
nhỏ cũng tơng tự nh cấu tạo của các PLC loại trung bình, vì đều là dạng mô đun. Điểm
khác biệt là dung lợng bộ nhớ, số lợng kênh vào/ ra của các mô đun khác nhau về độ
lớn và tốc độ xử lý thông tin cũng khác nhau. PLC của Siemens đợc dùng rộng rãi ở
trong hầu hết các nớc có nền công nghiệp phát triển.

5


Hình 1.7. PLC S5-100U của Siemens

Các PLC trung bình có thể có dến 1024 đầu vào/ra. Loại CJ1M của Omron trên hình 1.8
có 320 kênh vào/ ra.




Hình 1.8. PLC loại CJ1M của Omron


Loại PLC CQM1 hay CQMIH của Omron trên hình 1.9 có 512 kênh vào ra.


Hình 1.9. PLC loại CQM1 của Omron


6
Hãng Siemens có một số xê ri S7-200 là cácloại PLC hạng trung bình. Số lợng kênh vào/
ra của S-300 có thể trong khoảng từ 256 đến 1024.

Các PLC loại lớn có nhiều hơn 1024 đầu vào/ra. Loại này có tốc độ xử lý rất cao, dung
lợng bộ nhớ lớn và thờng đợc dùng trong điều khiển các hệ thống thiết bị công nghệ
phức tạp. Hãng Omron có PLC loai CJ1 trên hình 1.10, là loại có tới 1280 kênh vào/ ra và
loại CJ1H có tới 2560 kênh vào/ra.


Hình 1.10. PLC loại CJ1 của Omron

Hãng Omron còn có loai CS1 trên hình 1.11, là loại PLC cỡ lớn với 5120 kênh vào/ ra.


Hình 1.11. PLC loại CS1 của Omron


Các PLC loại lớn của Siemens là các loại xê ri S7-300, S7-400. Các loại này có số lợng
kênh vào/ ra rất lớn. Các kênh này không thể đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua các
bộ dồn kênh và tách kênh ( demultiplexeur và multiplexeur). Trên hình 1.12 là PLC S7-
400 của Siemens. Đây là loại PLC mạnh nhất của Siemens hiện nay. Cấu hình của PLC
này đợc biểu diễn bằng hình 1.13.a, 1.13.b.
Các PLC trung bình và lớn có các mô đun vào/ra có thể lắp ráp với nhau trên cùng một
giá đỡ tiêu chuẩn, cho phép lắp thêm hoặc tháo bớt ra mà không cần tắt nguồn. Các PLC
đợc kết nối với nhau thông qua mạng ETHERNET công nghiệp (hình 1.14).

7

Hình 1.12. PLC S7-400 của Siemens



a, b,
Hình 1.13. a, Cấu trúc của S7-400; b, Sơ đồ kết nối của S-400

Các PLC loại lớn thờng dùng để điều khiển ở mức cao. ở mức thấp thờng là các
thiết bị điều khiển tơng tự, hay thiết bị điều khiển số với các PLC loại nhỏ, hay loại
trung bình. ở mức thấp, chủ yếu là các thiết bị điều khiển trực tiếp các thiết bị công nghệ,
các cơ cấu chấp hành, các động cơ, bơm, van, cuộn hút, đèn hiệu vv. Điều khiển ở mức
cao bao gồm các điều khiển liên quan đến phần quản lý hệ thống và quản lý dữ liệu của
hệ thống điều khiển. ở mức này, các dữ liệu có thể đợc thu thập từ các các thiết bị điều
khiển mức thấp hoặc từ bên ngoài hệ thống thông qua mạng nội bộ và mạng Internet. Các
dữ liệu từ các PLC đợc truyền về các máy tính trung tâm để lu trữ và xử lý. Trờng hợp
các hệ thống sản xuất tự động có điều khiển bằng thống kê, đây chính là điều khiển ở
mức cao, tơng ứng với cấu trúc quản lý của hệ thống. Hoạt động của hệ thống điều khiển

8
đợc điều chỉnh dựa theo kết quả phân tích, đánh giá từ các dữ liệu thống kê, nh vậy
giúp cho việc sản xuất luôn ở dạng tối u nhất và hiệu quả nhất. PLC S7-400 của Siemens
là một trong những loại PLC lớn và rất mạnh trong các hệ thống điều khiển sản xuất qui
mô nh các nhà máy công nghiệp. Loại PLC này có thể kết nối trực tiếp qua mạng
Ethernet công nghiệp với các thiết bị điều khiển mức cao hơn để trao đổi dữ liệu hoặc
thông các các các kênh giao diện khác nh MPI , PROFIBUS, EIB hay giao diện AS để
thu thập dữ liệu và điều khiển nh hình 1.14.


Hình 1.14. Sơ đồ kết nối mạng của S7-400 trong công nghiệp

I.4. thành phần cơ bản của plc
Nếu không nhìn về khía cạnh giá thành, kích thớc, mức độ phức tạp, tất cả các
PLC đều có những thành phần cơ bản và đặc điểm chức năng giống nhau. Một PLC bao
giờ cũng gồm có 6 thành phần cơ bản:
- Mô đun xử lý tín hiệu
- Mô đun vào
- Mô đun ra
- Mô đun nhớ
- Mô đun nguồn

9
- Thiết bị lập trình
Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản đợc biểu diễn trên hình 1.15. Ngoài các mô đun chính
này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ nh mô đun kết nối mạng, các mô đun đặc biệt
để xử lý tín hiệu nh mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bớc,
mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào vv

Đầu vào
Mô đun Mô đun
Vào/ Ra nguồn

Đầu ra



CPU




Thiết bị lập Mô đun nhớ
trình


Hình 1.15. Cấu trúc cơ bản của PLC


Bộ xử lý tín hiệu

Đây là bộ phận xử lý tín hiệu trung tâm hay CPU của PLC. Bộ xử lý tín hiệu có
thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý hổ trợ cùng với các
mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính lô gíc, điều khiển và ghi nhớ các chức
năng của PLC. Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính lô gíc theo
chơng trình, các phép tính đại số và điều khiển các đầu ra số hay tơng ứng. Phần lớn
các PLC sử dụng các mạch logic chuyên dụng trên cơ sở bộ vi xử lý và các mạch tích hợp
tạo nên đơn vị xử lý trung tâm CPU.
Bộ vi xử lý sẽ lần lợt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực
hiện logic điều khiển đợc đặt ra bởi chơng trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và
điều khiển các đầu ra tơng ứng của PLC. Bộ vi xử lý nâng cao khả năng logic và khả
năng điều khiển của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học
và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với
máy tính, với mạng nội bộ vv.

Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chơng trình. Chu kỳ này đợc gọi là
chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thòi gian thực hiện xong một vòng các lệnh của
chơng trình điều khiển. Chu kỳ quét đợc minh hoạ trên hình 1.16.



10






Bắt đầu chu kỳ

Quét đầu ra Quét đầu vào
(Bơm, van, cuộn hút) (Công tắc, nút ấn )

Chu kỳ quét







Quét chơng trình điều khiển

Hình 1.16. Chu kỳ quét của PLC

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nh các công tắc,
cảm biến. Trạng thái của các tín hiệu vào đợc lu tạm thời vào bảng ảnh đầu vào hoặc
vào một mảng nhớ. Trong thời gian quét chơng trình, bộ xử lý quét lần lợt các lệnh của
chơng trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mãng nhớ để xác
định các đầu ra sẽ đợc nạp năng lợng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra
đợc ghi vào mảng nhớ. Từ dữ liệu của mảng nhớ tín hiệu ra, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện
năng cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo
dài từ 1 đến 25 mi li giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thờng rất ngắn so với chu kỳ
quét của PLC.

Bộ nhớ
Bộ nhớ của PLC có vai trò rất quan trọng, bởi vì nó đợc sử dụng để chứa toàn bộ chơng
trình điều khiển, các trạng thái của các thiết bị phụ trợ. Thông thờng các bộ nhớ đợc bố
trí trong cùng một khối với CPU. Thông tin chứa trong bộ nhớ sẽ xác định việc các đầu
vào, đầu ra đợc xử lý nh thế nào. Bộ nhớ bao gồm các tế bào nhớ đợc gọi là bit. Mỗi
bit có hai trạng thái 0 hoặc 1. Đơn vị thông dụng của bộ nhớ là K, 1K = 1024 từ (word), 1
từ (word) có thể là 8 bit. Các PLC thơng có bộ nhớ từ 1K đến 64K, phụ thuộc vào mức
độ phức tạp của chơng trình điều khiển. Trong các PLC hiện đại có sử dụng một số kiểu
bộ nhớ khác nhau. Các kiểu bộ nhớ này có thể xếp vào hai nhóm: bộ nhớ có thể thay đổi
và bộ nhớ cố định. Bộ nhớ thay đổi là các bộ nhớ có thể mất các thông tin ghi trên đó khi
mất điện. Nếu chơng trình điều khiển chứa trong bộ nhớ mà bị mất điện đột xuất do tuột
dây, mất điện nguồn thì chơng trình phải đợc nạp lại và lu vào bộ nhớ. Bộ nhớ cố định
ngợc lại với bộ nhớ thay đổi là có khả năng lu giữ thông tin ngay cả khi mất điện. Các
loại bộ nhớ hay sử dụng trong PLC gồm :

11
a. ROM (Read Only Memory)
b. RAM (Random Access Memory)
c. PROM (Programable Read Only Memory)
d. EPROM (Erasable Programable Read Only Memory)
e. EAPROM (Electronically Alterable Programable Read Only Memory)
f. Bộ nhớ flash
Bộ nhớ ROM dùng để nhớ các lệnh điều khiển cơ bản của PLC, không thay đổi nội dung
nhớ ngay cả khi mất điện.
Trong số này chỉ có bộ nhớ RAM là bộ nhớ thay đổi, các bộ nhớ khác lu thông
tin trong bộ nhớ khi mất điện. Bộ nhớ RAM thờng hoạt động nhanh và dễ dàng nạp
chơng trình điều khiển ứng dụng cũng nh các dữ liệu. Một số bộ nhớ RAM sử dụng pin
để lu nội dung nhớ khi mất điện. Bộ nhớ RAM đợc sản xuất từ công nghệ CMOS nên
tiêu thụ rất ít năng lợng. Các PLC có thể đợc mở rộng thêm nên bộ nhớ cũng phải tăng
thêm. Chơng trình điều khiển đơn giản chỉ cần dung lợng bộ nhớ bé, ngợc lại các
chơng trình phức tạp cần bộ nhớ dung lợng lớn.
Bộ nhớ động đợc sử dụng rộng rãi đó là bộ nhớ RAM (Random Acces Memory).
Bộ nhớ RAM hoạt động nhanh và là tạo ra và lu các chơng trình ứng dụng. Để chống
lại khả năng mất dữ liệu khi mất điện, các PLC thờng sử dụng pin.
Bộ nhớ tĩnh ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ không bị thay đổi khi dữ liệu nhớ khi
tắt nguồn hoặc mất điện. Bộ nhớ ROM dùng để nhớ các lệnh cơ bản và các hàm toán học
của PLC. EEPROM (Ellectrically Erasable Programable Read Only Memory) là bộ nhớ
tĩnh có khả năng xoá bằng lập trình lại. EEPROM dùng để ghi chơng trình ứng dụng.
Ngời sử dụng có thể truy cập vào hai vùng nhớ của PLC là vùng nhớ chơng
trình và vùng nhớ dữ liệu. Vùng nhớ chơng trình là nơi chứa chơng trình điều khiển ứng
dụng, các chơng trình con và các lỗi của chơng trình. Vùng nhớ dữ liệu lu trữ các dữ
liệu liên quan đến chơng trình điều khiển nh dữ liệu vào/ra; giá trị đầu, giá trị tức thời
và giá trị cuối của bộ đếm lệnh hay bộ đến thời gian; các hằng số và các biến của chơng
trình điều khiển. Hai vùng nhớ này đợc gọi là bộ nhớ dành cho ngời sử dụng. Bộ xử lý
tín hiệu còn có bộ nhớ hệ thống dùng để ghi các dữ liệu trung gian trong quá trình thực
hiện các phép tính, các lệnh của chơng trình và phối hợp giữa chúng; quét các dữ liệu
vào và gửi cá dữ liệu ra mới đến mô đun ra. Bộ nhớ hệ thống do nhà sản xuất lập trình từ
khi xuất xởng nên không thể thay đổi đợc và ngời sử dụng cũng không thể truy cập
đợc.

Mô đun vào/ra
Hệ thống các mô đun vào/ ra có khả năng kết nối giữa các thiết bị công nghệ với
bộ vi xử lý. Hệ thống này dùng các mạch vào khác nhau để ghi nhận hoặc đo lờng các
đại lợng vật lý của quá trình công nghệ nh chuyển động, cao độ, nhiệt độ, áp xuất, lu
lợng, vị trí, tốc độ vv. Trên cơ sở các dữ liệu thu đợc, bộ xử lý tín hiệu tiến hành các
phép tính lô gíc hay số học để xác định giá trị mới của tín hiệu ra. Các mô đun ra đợc
nối để điều khiển các van, động cơ, bơm và báo động khi thực hiện quá trình điều khiển
máy hoặc điều khiển hệ thống sản xuất. Trên hình 1.17 là sơ đồ kết nối của một bộ micro
PLC với các thiết bị của môi trờng làm việc. Điện áp 24 VDC không chạy từ bên trái qua
bên phải sơ đồ thang nh các mạch rơ le cứng. Điện áp ở đây chỉ đóng vai trò thể hiện
các biến lô gíc đầu vào. Mạch lô gic của PLC sẽ đảm bảo tính liên tục của lô gíc cho đến
đầu ra. Nguồn trên mạch ra đợc cấp đến các thiết bị bên ngoài nếu lô gíc của các kênh ra
đợc đảm bảo bảo thông suốt từ bên trái qua bên phải của từng bậc trong sơ đồ thang.


12






Đầu vào Đầu ra


Cuộn hút

Đèn


Động cơ



Đóng Đóng


Hình 1.17. Sơ đồ kết nối của PLC với các thiết bị vào/ ra

Trờng hợp micro PLC không có mô đun nguồn riêng biệt, thì nguồn điện đợc lắp trực
tiếp trên CPU. Trên hình 1.18 là ví dụ về sơ đồ đấu dây trên micro 1000 PLC của hãng
Allan Bradley.
Nguồn điện áp vào cũng chính là nguồn đi đến các thiết bị đầu ra nh bộ khởi động của
bơm, bộ công tắc nhiệt. Nguồn điện +24VDC là nguồn lấy ra từ đầu ra của bộ nguồn, lại
cấp cho các thiết bị đầu vào nh: Công tắc cao độ, công tắc áp lực, công tắc hành trình,
công tắc phụ bên ngoài của bơm. Nguồn vào xoay chiều 110VAC đợc đấu đến các cầu
có ký hiệu VAC tơng ứng với các kênh ra: kênh đến bộ khởi động bơm, kênh ra công tắc
nhiệt.

Đầu vào và đầu ra của PLC thờng đợc gộp vào các mô đun. Các mô đun vào/ra có thể
tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài nh công tắc, cảm biến quang, công tắc tiệm
cận. Các tín hiệu đợc chuyển đổi từ điện áp 110VAC, 220VAC, +24DC thành tín hiệu
5 VDC. Bộ vi sử lý sẽ lấy tín hiệu này để xác định tín hiệu ra tơng ứng. Điện áp 5 VDC
đợc gửi ra mô đun ra, từ đây đợc khuyếch đại lên mức 110VAC, 220VAC hay 24VDC
tuỳ theo yêu cầu. Thông thờng một bộ chuyển đổi tín hiệu có giao diện phụ trợ đợc sử
dụng để chuyển trạng thái của các đầu vào từ bên ngoài đến một vùng nhớ đệm xác định.
Vùng nhớ đệm này đợc định nghĩa trong chơng trình chính của PLC. Nạp các tín hiệu
vào CPU tức là nạp nội dung ghi ở vùng nhớ đệm vào sổ ghi của CPU. Nội dung trong
từng vị trí nhớ sẽ đợc thay đổi kế tiếp nhau. Mô đun Vào/ Ra thờng tách khỏi mô đun
CPU và đợc gá trên ray chung. Các đèn báo trên mô đun Vào/Ra báo hiệu trạng thái làm
việc hay sự cố. Các mô đun này đợc cách điện và có cầu chì để đẩm bào an toàn cho bộ
vi xử lý. Trong mô đun Vào/Ra thông thờng gồm các mạch sau:
g. Nguồn AC vào / ra
h. Nguồn DC vào / ra

13
i. Các kênh vào / ra số
j. Các kênh vào/ ra tơng tự
k. Các môđun chuyên dụng: điều khiển động cơ bớc, thiết bị điều khiển
PID, bộ đếm thời gian cao tốc, mô đun điều khiển servo vv.
Các mô đun vào/ ra thờng nối với nguồn năng lợng mức cao nên phải cách điện tốt với
mô đun CPU. Các kênh vào tơng tự sử dụng cho việc lấy tín hiệu từ các cảm biến tơng
tự :
- Cảm biến lu lợng
- Cảm biến độ ẩm
- Cảm biến áp xuất
- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến áp xuất
- Cảm biến vị trí / tốc độ / gia tốc
- Cảm biến lực
Các kênh ra tơng tự thờng đợc nối với các cơ cấu chấp hành tơng tự:
- Các động cơ DC và AC
- Các van và các động cơ, xi lanh thuỷ khí
- Các thiết bị đo tơng tự.
Các kênh vào số thờng nối với các cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt (On/Of) nh:
- Cảm biến quang điện,
- Cảm biến tiệm cận
- Cảm biến xung điện
- Các công tắc
Các kênh ra số có thể nối với các thiết bị nh:
- Các cuộn hút cho van điện từ
- Các động cơ bớc
- Các cơ cấu đóng ngắt vv.

Các dạng đầu vào

Các tín hiệu vào từ các thiết bị hay từ các cảm biến cung cấp các dữ liệu và thông
tin cần thiết để bộ xử lý tín hiệu thực hiện các phép tính lô gíc yêu cầu quyết định đến
việc điều khiển máy hoặc quá trình. Các tín hiệu vào có thể lấy từ các thiết bị khác nhau
nh nút ấn, công tắc, can nhiệt, ten zô mét, vv. Tín hiệu vào đợc nối vào các mô đun vào
để lọc tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu về mức năng lợng thấp để bộ xử lý có thể sử dụng
đợc. Đầu vào có hai dạng là đầu vào dạng số và đầu vào dạng tơng tự. Đầu vào dạng số
đợc kết nối với các cầu nối kênh trên mô đun vào số, các kênh này chỉ có các tín hiệu hai
trạng thái 0 hay I. Đầu vào tơng tự có thể là tín hiệu điện áp, dòng điện từ các cảm biến
tơng tự.









14

Xem chi tiết: Giáo trình PLC misubishi