Tài liệu Giáo trình lập trình plc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Chủ biên: TS. Lê Thị Thúy Nga Hà Nội, 12/2021 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI GIÁO TRÌNH LẬP TRÌNH PLC Tác giả: TS. Lê Thị Thúy Nga TS. Nguyễn Văn Bình Ths. Nguyễn Trung Dũng Hà Nội, 12/2021 2 LỜI NÓI ĐẦU "Lập trình PLC" bao gồm các kiến thức cơ bản nhất về việc thiết kế một hệ thống điều khiển tự động sử dụng thiết bị logic khả trình, dùng làm giáo trình và tài liệu tham khảo cho các đối tƣợng trong lĩnh vực kỹ thuật điện, điều khiển và tự động hóa. Để có thể nắm bắt đƣợc nhanh và hiệu quả các nội dung của cuốn sách này thì ngƣời đọc cần có kiến thức nền tảng về lĩnh vực kỹ thuật số, máy điện – khí cụ điện, truyền động điện, điều khiển logic. Nội dung trên đƣợc phân bố trong 4 chƣơng, cuối mỗi chƣơng có các bài tập ôn tập đƣợc nhóm tác giả có kinh nghiệm giảng dạy lâu năm trong lĩnh vực này biên soạn, đảm bảo tính chất khoa học, cơ bản và thực tiễn phù hợp với đối tƣợng sử dụng: Chương 1: Tổng quan về PLC. Chương 2: Thiết bị logic khả trình của hãng Siemens S7 – 1200. Chương 3: Thiết bị logic khả trình của hãng Mitsubishi FX – 2N. Chương 4: Một số ứng dụng PLC trong điều khiển tự động. Giáo trình đƣợc tổ chức biên soạn cụ thể nhƣ sau: Chủ biên TS. Lê Thị Thúy Nga và viết chƣơng 1, chƣơng 2. TS. Nguyễn Văn Bình viết chƣơng 4. Th.S Nguyễn Trung Dũng viết chƣơng 3. Tài liệu dùng làm giáo trình chính cho môn học tƣơng ứng của trƣờng Đại học Mở Hà Nội. Có thể dùng làm tài liệu hữu ích tham khảo cho các kỹ sƣ chuyên ngành Điện, Điều khiển và tự động hóa … Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không tránh khỏi các thiếu sót, các tác giả mong muốn nhận đƣợc những ý kiến xây dựng từ bạn đọc gần xa, mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Khoa Công nghệ Điện tử và Thông tin – Trƣờng Đại học Mở Hà Nội. Xin trân trọng cảm ơn! CÁC TÁC GIẢ 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................3 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ……………………………………………………7 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH PLC ........................... 8 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC……... .....................................................…………..8 1.1. Khái niệm PLC .............................................................................................. 8 1.2. Lịch sử ra đời của PLC ..................................................................................8 II. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC ....................................................................12 III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC ............................................................... 16 IV. TỔ CHỨC CHƢƠNG TRÌNH VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PLC THEO TIÊU CHUẨN IEC61131-3 .......................................................................................... 17 V. CÁC PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN .................... 20 5.1. Biểu diễn thuật toán điều khiển bằng Flowchart .........................................20 5.2. Biểu diễn thuật toán điều khiển bằng Grafcét .............................................21 VI. QUY TRÌNH THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PLC .....23 6.1. Trình tự thiết kế hệ thống PLC ....................................................................23 6.2. Thiết kế chƣơng trình PLC ..........................................................................25 6.3. Chạy thử chƣơng trình PLC ........................................................................25 VII. MỘT SỐ DÒNG PLC THÔNG DỤNG ................................................................ 25 7.1. PLC của hãng Siemens ................................................................................25 7.2. PLC của hãng Omron ..................................................................................27 7.3. PLC của hãng Mitsubishi ............................................................................27 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƢƠNG 1 ........................................................................29 BÀI TẬP ÔN TẬP ........................................................................................................30 Chƣơng 2: THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH CỦA HÃNG SIEMENS S7 - 1200 .......31 I. ĐẶC ĐIỂM PHẦN CỨNG CỦA PLC S7 – 200....................................................... 31 1.1 Cấu trúc phần cứng của S7 - 1200 ............................................................... 31 1.2. Các họ PLC S7 – 1200 ................................................................................34 1.3. Các Module mở rộng của PLC S7 - 1200 ...................................................35 4 1.4. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ ................................................................ 37 1.5. Địa chỉ I/O trên CPU và I/O trên các Module .............................................39 II. LẬP TRÌNH CHO S7 - 1200 .................................................................................... 40 2.1. Phần mềm lập trình cho S7 – 1200.............................................................. 40 2.2. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7 - 1200 ....................................................... 40 III. CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG .................................................................82 3.1 Giao thức truyền thông PROFINET ............................................................. 82 3.2 Giao thức truyền thông PROFIBUS ............................................................. 83 3.3 Giao thức truyền thông AS-I ........................................................................83 3.4 PLC S7 - 1200 kết nối với WinCC ............................................................... 83 IV. MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 ......83 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƢƠNG 2 ........................................................................97 BÀI TẬP ÔN TẬP ........................................................................................................98 Chƣơng 3: THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH CỦA HÃNG MITSUBISHI FX - 2N ..103 I. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC FX – 2N ....................................................103 1.1 Cấu trúc ngoài.............................................................................................103 1.2. Kết nối vào/ra ............................................................................................104 1.3. Bộ nhớ của PLC FX – 2N .........................................................................109 II. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH GX DEVELOPER ......................................................112 2.1. Tạo Project mới .........................................................................................112 2.2. Các bƣớc thực hiện lập trình cho một chƣơng trình..................................116 III. TẬP LỆNH CỦA PLC FX – 2N ...........................................................................118 3.1. Lệnh vào/ra dữ liệu ....................................................................................118 3.2. Lệnh tạo thời gian trễ (Timer) ...................................................................126 3.3. Lệnh đếm (Counter) ..................................................................................128 3.4 Lệnh di chuyển (MOV) và so sánh dữ liệu (=, >, <, <>, >=, <=) ..............130 3.6. Lệnh dịch và quay .....................................................................................134 3.7. Lệnh đồng hồ thời gian thực .....................................................................137 3.8. Lệnh PID ...................................................................................................138 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƢƠNG 3 ......................................................................139 BÀI TẬP ÔN TẬP ......................................................................................................140 5 Chƣơng 4: MỘT SỐ VÍ DỤ ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .....................................................................................................................................143 I. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG PLC ...........................................................................................................143 1.1. Các phần tử tự động trong hệ thống ..........................................................143 1.2. Quy trình c ng nghệ ..................................................................................145 1.3. Xây dựng hệ thống ....................................................................................146 II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH CÁC BĂNG TẢI VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU SỬ DỤNG PLC ....................................................155 2.1. Quy trình c ng nghệ ..................................................................................155 2.2. Chƣơng trình PLC .....................................................................................156 III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHIẾT RÓT CHAI SỬ DỤNG PLC .................................................................................................................164 3.1. Quy trình c ng nghệ ..................................................................................164 3.2. Chƣơng trình PLC .....................................................................................166 IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ ẤP TRỨNG CÔNG NGHIỆP .....................................................................................171 4.1. Quy trình c ng nghệ ..................................................................................171 4.2. Chƣơng trình PLC .....................................................................................172 V. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO THANG MÁY CHỞ KHÁCH ỨNG DỤNG PLC ........................................................................................177 5.1. Quy trình c ng nghệ ..................................................................................177 5.2. Chƣơng trình PLC .....................................................................................179 VI. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG .......194 6.1. M tả hệ thống ...........................................................................................194 6.2. Chƣơng trình PLC .....................................................................................195 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƢƠNG 4……………………………………………..202 BÀI TẬP ÔN TẬP .............................................................................................…….217 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................204 6 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PLC Programable Logic Controller Thiết bị điều khiển logic khả trình Grafcét Graphe Fonctionnel de Commande E’tape Transition Đồ hình chức năng CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc RAM Random Acess Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên EEPROM Electrical Erasable Programable ROM Bộ nhớ ROM có thể xóa và nạp POU Program Organisation Unit Đơn vị tổ chức chƣơng trình OB Organisation Block Khối tổ chức chƣơng trình FB Function Block Khối chức năng DB Data Block Khối dữ liệu PC Personal Computer Máy tính cá nhân 7 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LOGIC KHẢ TRÌNH - PLC Chƣơng này trang bị cho sinh viên kiến thức tổng quan về PLC từ lịch sử phát triển, cấu trúc bên trong cũng nhƣ cách thức hoạt động, ứng dụng của PLC trong trong lĩnh vực điều khiển tự động. I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC 1.1. Khái niệm PLC PLC là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Programable Logic Controller, nghĩa là bộ điều khiển logic khả trình. Ngày nay PLC ngoài các chức năng điều khiển logic th ng thƣờng nó còn có rất nhiều các chức năng điều khiển cao cấp khác do đó có thể coi PLC nhƣ một máy tính công nghiệp. 1.2. Lịch sử ra đời của PLC PLC đƣợc sáng tạo ra nhờ ý tƣởng ban đầu của nhóm kỹ sƣ thuộc hãng General Motor của Mỹ vào năm 1968. Những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển công nghiệp, nó là một giải pháp lý tƣởng cho việc tự động hoá các quá trình sản xuất. PLC ra đời để khắc phục những nhƣợc điểm của bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay – hình 1.1) và nhằm thảo mãn các các yêu cầu sau:  Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ đọc.  Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.  Dung lƣợng bộ nhớ lớn để có thể chứa đƣợc những chƣơng trình phức tạp.  Hoàn toàn tin cậy trong m i trƣờng công nghiệp.  Giao tiếp đƣợc với các thiết bị th ng minh khác nhƣ: máy tính, kết nối mạng, các Modul mở rộng.  Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch….. Hình 1.1. Hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển cổ điển. 8 Hình 1.2. Hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển PLC. Ví dụ: Sử dụng các nút nhấn tự phục hồi S1, S2, S3 để điều khiển 3 máy bơm nƣớc M1, M2, M3 hoạt động tuần tự bằng công tắc tơ, muốn dừng các máy bơm thì nhấn nút S4.  Các phần tử đầu vào gồm: 4 nút nhấn S1, S2, S3, S4.  Các phần tử đầu ra: 3 động cơ bơm M1, M2, M3. Sơ đồ mạch động lực 3 máy bơm nƣớc truyền động bởi động cơ kh ng đồng bộ một pha rotor lồng sóc đƣợc thể hiện trên hình 1.3. K1 K2 M1 K3 M2 M3 Hình 1.3. Sơ đồ mạch động lực 3 máy bơm nước. Sơ đồ hệ thống điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển cổ điển đƣợc thể hiện trên hình 1.4. S4 S1 K1 S2 K2 S2 K1 K1 K2 K3 K2 K3 Hình 1.4. Sơ đồ mạch điều khiển 3 máy bơm nước sử dụng bộ điều khiển cổ điển. 9 Sơ đồ hệ thống điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển logic khả trình đƣợc thể hiện trên hình 1.5. Hình 1.5. Sơ đồ mạch điều khiển 3 máy bơm nước sử dụng bộ điều khiển logic khả trình. Trong PLC, phần cứng CPU và chƣơng trình đƣợc sử dụng để điều khiển các quá trình công nghệ của hệ thống. Bộ điều khiển sẽ thực hiện việc điều khiển theo một chƣơng trình đã đƣợc viết và nạp vào trong bộ nhớ của PLC. Nhƣ vậy muốn thay đổi hay mở rộng chức năng các quy trình công nghệ thì chỉ cần thay đổi chƣơng trình bên trong bộ nhớ của PLC (hình 1.6). Hình 1.6. Mô phỏng chương trình trong bộ nhớ của PLC. 10 Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các tập đoàn c ng nghiệp chế tạo bộ điều khiển PLC, ví dụ nhƣ các hãng Omron (Nhật Bản), Siemens (Đức), Mitsubishi (Nhật), Fujisu (Nhật), LG (Hàn Quốc) ... Ở Việt Nam việc sử dụng bộ điều khiển PLC xuất hiện đầu tiên vào khoảng năm 1990 trong một số nhà máy sản xuất xi măng (ví dụ: nhà máy xi măng Hoàng Thạch sử dụng bộ điều khiển S5 của hãng Siemens). Việc kết nối các cổng vào ra của PLC với các thiết bị ngoại vi đƣợc mô phỏng nhƣ hình 1.7. Hình 1.7. Mô phỏng tín hiệu kết nối cổng vào/ra của PLC.  Các khái niệm cơ bản:  Đầu vào/ra số (Digital): Đầu vào số đƣợc gọi là đầu vào tín hiệu rời rạc, là các đầu vào của PLC chỉ nhận các tín hiệu ở hai dạng “CÓ” hoặc “KHÔNG”, các tín hiệu này có thể lấy từ nút nhấn, công tắc, cảm biến hành trình, cảm biến tiệm cận…Đầu ra số đƣợc gọi là đầu ra tín hiệu rời rạc, là các đầu ra của PLC chỉ nhận các tín hiệu ở hai dạng “ĐÓNG” hoặc “MỞ”, các đầu ra này thƣờng đƣợc nối với các cuộn dây Relay, Contactor, Đèn, Vale … Ví dụ: Hệ thống điều khiển Bật/tắt đèn bằng công tắc nhƣ hình 1.8.  Đầu vào/ra tƣơng tự (Analog): Đầu vào tƣơng tự là các đầu vào PLC nhận các tín hiệu biến thiên liên tục, thể hiện ở dòng điện và điện áp. Đầu ra tƣơng tự là các đầu ra của PLC có tín hiệu biến thiên liên tục, có thể là điện áp hoặc dòng điện. Ví dụ: Trong hệ thống điều khiển mức nƣớc trong bình thì tín hiệu từ cảm biến đo mức nƣớc là tín hiệu tƣơng tự đƣợc đƣa vào đầu vào tƣơng tự của PLC, từ đó PLC sẽ xuất ra tín hiệu tƣơng tự điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng trong đƣờng ống thông qua van hình 1.9 11 Hình 1.8. Đầu vào/ra số của PLC. Hình 1.9. Hệ thống điều khiển lưu lượng. II. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC Cấu trúc chung của một PLC gồm các bộ phận nhƣ hình 1.10. Hình 1.10. Cấu trúc chung của một bộ PLC. 12  CPU: CPU là bộ xử lý trung tâm nó có nhiệm vụ điều khiển và quản lý mọi hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào/ra đƣợc thực hiện thông qua hệ thống các bus nối dƣới sự điều khiển của CPU  Bộ nhớ: Tất cả các dòng PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ sau:  Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ chỉ đọc, trong PLC bộ nhớ này dùng để lƣu giữ chƣơng trình điều hành do nhà sản xuất nạp và chỉ nạp một lần.  Bộ nhớ RAM (Random Acess Memory): là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, trong PLC bộ nhớ này dùng để lƣu giữ dữ liệu hoặc kết quả tạm thời của các phép toán. Dữ liệu trong RAM sẽ bị xóa khi mất nguồn nu i. Để hạn chế mất dữ liệu khi xảy ra khi mất nguồn nuôi bộ nhớ RAM, thì trong PLC thƣờng có một nguồn nuôi phụ cho RAM, nguồn nuôi này có thể là một tụ điện hoặc pin. Nguồn tụ điện có thể cấp nguồn nuôi RAM trong khoảng vài giờ đồng hồ, nguồn pin có thể nu i RAM lâu hơn, khoảng vài ngày tới vài tháng. Muốn thay pin cho RAM ngƣời ta phải thay khi PLC đang có nguồn.  Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erasable Programable ROM): là bộ nhớ ROM có thể xóa và nạp lại bằng tín hiệu điện, tùy thuộc từng loại EEPROM mà cho phép xóa đi nạp lại từ vài nghìn tới vài chục nghìn lần. Bộ nhớ ROM cho phép lƣu giữ chƣơng trình ứng dụng trong PLC. Bộ nhớ của PLC đƣợc chia thành 3 vùng chính:  Vùng chứa chƣơng trình ứng dụng: Vùng nhớ này đƣợc chia thành 3 miền:  OB1 (Organisation Block): là miền chứa chƣơng trình chính, các lệnh trong khối này lu n đƣợc quét.  Sub (Subroutine): là miền chứa chƣơng trình con, chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chƣơng trình con sẽ đƣợc thực hiện khi nó đƣợc gọi trong chƣơng trình chính.  Int (Interrup): là miền chứa chƣơng trình ngắt, nó đƣợc tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với tất cả chƣơng trình khác, nó đƣợc thực hiện khi có một sự kiện ngắt xảy ra, ví dụ nhƣ: ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao,…  Vùng nhớ tham số của hệ điều hành: Vùng nhớ này đƣợc chia thành 5 miền nhớ:  I (Input): Là miền nhớ đệm dữ liệu cổng vào số. Trƣớc khi thực hiện chƣơng trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ đệm I. Th ng thƣờng, chƣơng trình ứng dụng kh ng đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu từ cổng vào bộ đệm I. 13  Q (Output): là miền nhớ đệm dữ liệu các cổng ra số. Kết thúc quá trình thực hiện chƣơng trình, PLC sẽ chuyển các giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số.  M (Internal): là miền nhớ nội, miền nhớ trung gian. Chƣơng trình ứng dụng sử dụng những biến này để lƣu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MD).  T (Timer): là miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer), bao gồm việc lƣu giữ thời gian đặt trƣớc (PV-Preset Value), giá trị miền thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng nhƣ giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.  C (Counter): Là miền nhớ phục vụ bộ đếm, bao gồm việc lƣu giữ giá trị đặt trƣớc (PV- Preset Value), giá trị tức thời (CV-Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm.  Vùng nhớ các khối dữ liệu: Vùng nhớ này đƣợc chia thành 2 miền:  DB (Data Block): Miền chứa dữ liệu đƣợc tổ chức thành khối. Kích thƣớc cũng nhƣ số lƣợng khối do ngƣời sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chƣơng trình có thể truy nhập miền này theo từng Bit (DBX), byte (DBB), Word (DBW) hoặc Double word (DBD).  L (Local data block): Miền dữ liệu địa phƣơng, đƣợc các khối chƣơng trình chính, chƣơng trình con, chƣơng trình ngắt tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời. Nội dung của một khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chƣơng trình tƣơng ứng trong chƣơng trình chính, chƣơng trình con, chƣơng trình ngắt. Miền này có thể đƣợc truy nhập từ chƣơng trình theo bit (L), Byte (LB), Word (LW), hoặc Double word (LD).  Khối cổng vào/ra: Mọi hoạt động bên trong PLC đều có mức điện áp 5VDC hoặc 15VDC (đây là mức điện áp cấp cho các IC TTL hoặc CMOS), trong khi đó tín hiệu điều khiển ở bên ngoài theo chuẩn công nghiệp là 24VDC hoặc 240VAC. Khối cổng vào/ra đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa các vi mạch điện tử bên trong PLC với các mạch công suất bên ngoài, nó có nhiệm vụ thực hiện chuyển đổi mức tín hiệu và cách ly. Có các dạng cổng vào/ra trong PLC nhƣ sau:  Cổng vào một chiều (hình 1.11): 14 Hình 1.11. Cấu trúc cổng vào một chiều. Đây là tín hiệu đầu vào số: Mức logic 1 tƣơng ứng với điện áp đầu vào là 1824VDC, mức logic 0 tƣơng ứng với điện áp đầu vào nhỏ hơn 18VDC.  Cổng ra Rơle (hình 1.12) : Hình 1.12. Cấu trúc cổng ra kiểu Rơle. Cổng ra Rơle có thể dùng để đóng/cắt đƣợc cả dòng điện một chiều và xoay chiều, khi nối với các thiết bị bên ngoài không cần phân biệt cực tính. PLC cổng ra Rơle có đặc điểm:  Đáp ứng chậm, không chịu đƣợc tần số đóng/cắt cao.  Đóng/cắt đƣợc dòng tải khoảng 25A tùy thuộc từng hãng chế tạo.  Tuổi thọ thấp (tiếp điểm rơle chỉ cho phép đóng/cắt vài chục nghìn lần).  Cổng ra kiểu Tranzitor (hình 1.13): Hình 1.13. Cổng ra PLC kiểu Tranzitor. Đặc điểm của cấu trúc cổng ra dùng Tranzitor:  Chỉ đóng/cắt đƣợc dòng điện một chiều khoảng 50mA, khi nối với các thiết bị bên ngoài cần phải phân biệt cực tính.  Đáp ứng nhanh, tần số đóng cắt lớn.  Tuổi thọ cao.  Cổng ra dùng Diac (hình 1.14): Đặc điểm của cấu trúc cổng ra dùng Diac: 15  Có khả năng đóng/cắt đƣợc cả dòng điện một chiều và xoay chiều khoảng 400mA, khi nối với các thiết bị bên ngoài không cần phải phân biệt cực tính.  Đáp ứng nhanh, tần số đóng cắt lớn.  Tuổi thọ cao. Hình 1.14. Cổng ra PLC kiểu Diac.  Thiết bị lập trình: Thiết bị lập trình có thể là máy tính cá nhân PC, máy lập trình chuyên dụng PG, hay máy lập trình hiển thị cầm tay TD. Để kết nối giữa PLC với các thiết bị lập trình cần phải có cáp truyền thông, ví dụ: kết nối PLC với PC cần PC/PPI capble, kết nối PLC với PG hoặc TD cần PCV capble.  Nguồn nuôi: Nguồn nuôi là khối cung cấp nguồn để nuôi toàn bộ hoạt động của PLC. Nguồn nuôi này có thể đƣợc cung cấp bởi nguồn DC, AC tuỳ thuộc vào từng loại PLC.  Hệ thống đƣờng dây thông tin: Hệ thống đƣờng dây th ng tin đƣợc gọi là BUS, có nhiệm vụ thực hiện sự trao đổi thông tin nội bộ cũng nhƣ với thiết bị ngoại vi. Mỗi BUS có thể có 8, 16, 20, 24, 32 hoặc 64 đƣờng dây song song để truyền các bit địa chỉ hoặc các bit dữ liệu. III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC Quá trình hoạt động của PLC là làm việc dựa trên nguyên lý chu kỳ quét, PLC sẽ thực hiện các chu kỳ quét liên tiếp nhau, mỗi chu kỳ quét đƣợc bắt đầu từ kiểm tra trạng thái tín hiệu ở cổng 16 vào và ghi trạng thái của các tín hiệu này vào bộ đệm. Từ các tín hiệu của cổng vào lƣu trong bộ đệm, CPU sẽ logic chƣơng trình đã đƣợc lập trình sẵn và đƣa kết quả tới bộ đệm cổng ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài (hình 1.15). Thời gian cần thiết cho một vòng quét thay đổi từ 1ms30ms, thời gian này phụ thuộc vào độ dài của mỗi chƣơng trình ứng dụng. IV. TỔ CHỨC CHƢƠNG TRÌNH VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PLC THEO TIÊU CHUẨN IEC61131-3 Chuẩn IEC 61131 là một bộ tiêu chuẩn về bộ điều khiển khả trình (PLC) và các thiết bị ngoại vi đi kèm, trong đó phần 3 (gọi tắt là chuẩn IEC 61131-3) quy định về các ngôn ngữ lập trình của PLC cũng nhƣ cách thức lập trình điều khiển với PLC sử dụng các ngôn ngữ này. Một số ƣu điểm chính của mô hình lập trình đƣợc quy định trong IEC 61131-3 là:  Cho phép dùng kết hợp nhiều ngôn ngữ lập trình điều khiển trong cùng một chƣơng trình.  Khả năng tái sử dụng các khối chƣơng trình.  Thƣ viện chuẩn các hàm và khối chƣơng trình rất phong phú.  Các công cụ đặt cấu hình.  Công cụ lập trình tiện lợi, hỗ trợ tối đa việc lập trình điều khiển.  Lập tài liệu dự án một cách tiện lợi và nhanh chóng. Có 5 ngôn ngữ lập trình đƣợc quy định trong IEC 61131-3 cùng với một phƣơng pháp tổ chức chƣơng trình điều khiển theo biểu đồ chức năng trình tự (SFC):  Ladder Diagram (LAD): ngôn ngữ hình thang, đây là ng n ngữ phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt ở Mỹ. LAD dựa trên sự trình bày đồ họa của Relay Ladder Logic. Đa số các PLC hiện nay dù tuân thủ hay không tuân thủ theo tiêu chuẩn IEC61131-3 đều sẽ có hỗ trợ ngôn ngữ LAD. Ví dụ:  Instruction List (STL): liệt kê câu lệnh, đây giống nhƣ là phiên bản của ngôn ngữ ladder nhƣng dƣới dạng chữ viết (text). Nó có cấu trúc giống nhƣ ng n ngữ máy assembly. Ví dụ: 17  Function Block Diagram (FBD): ngôn ngữ khối, diễn tả kết nối của các chức năng, khối chức năng và chƣơng trình dƣới dạng một tập hợp các khối đồ họa đƣợc kết nối với nhau. Nó trông giống nhƣ trong sơ đồ mạch điện tử mà chúng ta thƣờng thấy. Ví dụ:  Structured Text (SCL): ngôn ngữ kiểu cấu trúc, đây là một ngôn ngữ cấp cao rất mạnh mẽ dùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal và C. Nó có thể đƣợc sử dụng để định nghĩa các khối chức năng phức tạp, có thể đƣợc sử dụng lồng ghép trong các ngôn ngữ khác. Vì là ngôn ngữ cấp cao nên SCL rất trực quan và dễ hiểu. Ví dụ: C:=A AND NOT B  Sequential Function Chart (SFC hoặc Graph): kiểu lƣu đồ tuần tự, đây là một kiểu lập trình dạng đồ họa mạnh mẽ để mô tả các trạng thái tuần tự của một chƣơng trình điều khiển. Ví dụ: Các thành phần cơ bản nhất trong m hình lập trình đƣợc quy định trong chuẩn có thể liệt kê ra bao gồm: kiểu dữ liệu, biến, đơn vị tổ chức chƣơng trình (hàm, khối chức năng, chƣơng trình) và tác vụ. Dƣới đây sẽ lần lƣợt giới thiệu về các thành phần này, lấy trọng tâm là các đơn vị tổ chức chƣơng trình (POU): Đối với các chƣơng trình điều khiển lớn và phức tạp, phƣơng pháp lập trình có cấu trúc đƣợc sử dụng thay cho phƣơng pháp lập trình tuyến tính. Trong các hệ lập trình cho PLC trƣớc kia, phƣơng pháp lập trình có cấu trúc đƣợc hỗ trợ th ng qua việc tổ chức chƣơng trình thành các khối (block), với ý nghĩa nhƣ là các thành phần nhỏ nhất xây dựng nên chƣơng trình (vì vậy gọi là các building block). Các khối này đƣợc phân loại theo nội dung chứa bên 18 trong khối, th ng thƣờng bao gồm: khối tổ chức chƣơng trình (OB), khối chức năng (FB), khối dữ liệu (DB). Có thể thấy là ở đây khối chức năng và dữ liệu của khối chức năng đƣợc tách rời nhau tƣơng ứng trong các khối FB và DB. Cách phân chia nhƣ thế này gợi nhớ đến các ng n ngữ lập trình quen thuộc nhƣ Pascal hay C với chƣơng trình chính, hàm và dữ liệu toàn cục (Global Data). Chuẩn IEC 61131-3 đã tiến một bƣớc xa hơn khi phân chia các khối theo chức năng và sự phân cấp cấu trúc. Có ba loại POU đƣợc quy định là: Hàm (FUN - FUNction), khối chức năng (FB - Function Block) và chƣơng trình (PROG - PROGram). Một điểm đáng chú ý là dữ liệu của các khối chức năng kh ng nằm riêng nữa mà đƣợc đƣa vào ngay trong chính khối đó. Đó chính là sự đóng gói dữ liệu, một trong những nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp lập trình hƣớng đối tƣợng. Bảng 1 tóm tắt những th ng tin chính về ba loại POU này. Để lập trình cho PLC cần các thành phần cơ bản sau: PLC, thiết bị lập trình (PC, PG …), cáp truyền thông, phần mềm lập trình nhƣ hình 1.16. Hình 1.16. Sơ đồ kết nối máy tính với PLC S7 - 1200 của hãng Siemens. Có 3 loại ngôn ngữ thƣờng đƣợc sử dụng để lập trình cho PLC: LAD, STL, FBD.  Một số ký hiệu cơ bản trong phần mềm lập trình LAD:  Tiếp điểm: Chƣơng trình PLC sử dụng các bit giống nhƣ các tiếp điểm, có hai loại tiếp điểm là thƣờng đóng (NC) (hình 1.17a) và thƣờng mở (NO) (hình 1.17b):  Tiếp điểm thƣờng mở sẽ đóng lại khi bit địa chỉ của tiếp điểm này có giá trị bằng 1 và mở khi bit địa chỉ của tiếp điểm có giá trị bằng 0. 19  Tiếp điểm thƣờng đóng sẽ mở khi bit địa chỉ của tiếp điểm này có giá trị bằng 1 và đóng lại khi bit địa chỉ của tiếp điểm có giá trị bằng 0.  Cuộn dây: giống nhƣ cuộn dây relay, nó sẽ đƣợc kích hoạt khi tất cả tiếp điểm phía trƣớc đóng, khi đó bit địa chỉ của phần tử này có giá trị bằng 1. Ta cũng có thể sử dụng các tiếp điểm của bit địa chỉ này tại các vị trí khác trong chƣơng trình (Hình 1.17c).  Khối: Khối trong chƣơng trình PLC có nhiều chức năng khác nhau, một khối sẽ thực hiện chức năng này khi có tín hiệu ở đầu vào của khối, chức năng của khối có thể là bộ timer, counter…(Hình 1.17d). (a) (b) (c) (d) Hình 1.17. Các ký hiệu cơ bản trong phần mềm lập trình kiểu LAD. V. CÁC PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 5.1. Biểu diễn thuật toán điều khiển bằng Flowchart Flowchart là lƣu đồ thuật toán, là một sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình xử lý của một hệ thống điều khiển thông qua việc sử dụng các khối hình học đƣợc nối với nhau bằng các mũi tên để thể hiện dòng điều khiển. Sơ đồ này giúp ngƣời lập trình kiểm tra tính khả thi của việc lập trình, đƣa ra những giải thuật để viết chƣơng trình một cách nhanh chóng và hiệu quả. Lƣu ý khi viết lƣu đồ thuật toán: Nên thiết kế chƣơng trình điều khiển dƣới dạng module. Một nhiệm vụ lớn đƣợc chia thành nhiều nhiệm vụ nhỏ, mỗi nhiệm vụ nhỏ đƣợc thực hiện bởi một chƣơng trình con, các chƣơng trình con đƣợc kết nối với nhau th ng qua chƣơng trình chính. Các ký hiệu cơ bản dùng trong Flowchart: Ý nghĩa Ký hiệu Bắt đầu/Kết thúc chƣơng trình. Xử lý/Tính toán/Gán. Nhập/Xuất. 20