TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Bài giảng PLC và Mạng Công Nghiệp PLC and Industrial system (ME 4501)
Giảng viên: TS. Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà nội
Email: tuan.nguyenanh@hust.edu.vn bktuan2000@gmail.com
Mục lục
1. Tổng quan về điều khiển logic
2. Logic cứng và sự phát triển của PLC
3. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC
4. Các mô đun vào ra
5. Cấu trúc và hoạt động của bộ nhớ PLC
6. Mạng công nghiệp và các giao thức kết nối
7. Ứng dụng của PLC trong công nghiệp
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI (Digital Input)
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI (Analog Input)
4.3. Mô đun đầu ra số DO
4.4. Mô đun đầu ra tương tự AO
4.5. Mô đun kết nối mạng
4.6. Mô đun kết nối can nhiệt
4.7. Mô đun kết nối động cơ bước
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI Là kênh để kết nối với các thiết bị ngoại vi có tính chất ON/OFF như: Các
công tắc, các loại cảm biến số, …
Nguồn cung cấp cho mô đun DI là nguồn điện một chiều 24v, 5v hoặc
nguồn điện xoay chiều 110v, 220v
S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14DI)
SIMATIC S7-300 CPU 314C-2 PN/DP (24DI) Mô đun DI mở rộng SM 321 Siemens S7-300, 32DI Digital Input SM 1221 16DI, DC
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
PLC S7-1200
S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14DI)
Digital Input SM 1221 16DI, DC
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI Quy tắc kết nối mở rộng mô-đun vào số
1. Kết nối nguồn cho mô đun DI 2. Kết nối tín hiệu từ mô đun DI đến CPU 3. Kết nối thiết bị đầu vào số với DI module
Digital Input SM 1221 16DI, DC
Mô đun DI mở rộng SM 321 Siemens S7-300, 32DI
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI
Cách đấu nối các tiếp điểm lô gíc với mô đun DI.
Hai kiểu kết nối đối với DI
Sourcing (cấp dòng), phổ biến hơn
Sinking (rút dòng)
4. Các mô đun vào ra
4.1. Mô đun đầu vào số DI Các toán tử logic đầu vào
Tiếp điểm phần mềm
Hoạt động
Tiếp điểm vật lý
Tín hiệu vật lý
NO
NC
NO
0
NO
0
1
Không tác động
NC
1
1
0
NO
1
1
0
Tác động
NC
0
0
1
NC
Q: Sử dụng tiếp điểm bắt sườn âm |N| cho nút ấn STOP (NC) thì thời điểm kích hoạt là khi nào (khi ấn hay nhả nút ấn)?
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Đặc điểm
Là kênh để kết nối với các thiết bị ngoại vi với tín hiệu vào có tính chất
tương tự như: các loại cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, áp suất, …
Là một bộ chuyển đổi giá trị tương tự sang giá trị số A/D
Hiện nay trên plc tích hợp 2 dạng ngõ vào ra analog phổ biến như sau:
+ 0-10 V: đọc điện áp analog từ 0-10V.
+ 4-20 mA: đọc dòng điện 4-20 mA.
Dạng đọc tín hiệu 4-20 mA được sử dụng trong thực tế nhiều hơn nhờ khả
năng kéo dây đi xa mà tín hiệu vẫn không bị suy yếu
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Phân loại
Mô đun đơn cực (Unipolar): có thể chấp nhận tín hiệu đầu vào chỉ thay
đổi theo giá trị dương.
Ví dụ: Giá trị điện áp ra của thiết bị từ 0-10V thì sử dụng mô đun đơn cực.
Mô đun lưỡng cực (Bipolar): Tín hiệu lưỡng cực dao động giữa giá trị
âm lớn nhất và giá trị dương lớn nhất.
Ví dụ: Thiết bị có điện áp đầu ra ±10V thì sử dụng mô đun lưỡng cực
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Xử lý tín hiệu vào Analog
Trình tự xử lý tín hiệu vào analog trong PLC
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Cách chuyển đổi tín hiệu
xmin/xmax
0/27648
0V/10V
PIW
-10V/10V
-27648/27648 Sử dụng hàm SCALE
Công thức tính giá trị đại lượng đo OUT (Real)
∗( )
Trong đó: Giá trị của hằng số K1 và K2 phụ thuộc vào trạng thái tín hiệu BIPOLAR.
Trạng thái tín hiệu là “1”: K1 = - 27648.0 ; K2 = 27648.0 Trạng thái tín hiệu là “0”: K1 = 0.0 ; K2 = 27648.0
IN: Tín hiệu đầu vào, kiểu dữ liệu Integer. HI_LIM và LO_LIM: Chỉ định giới hạn cao và thấp phạm vi của giá trị mà giá trị đầu vào được
chia tỷ lệ.
OUT: Kết quả của hàm. RET_VAL: Hàm trả về giá trị thể hiện cho trạng thái của hàm (lỗi hay không, mã để tra cứu lỗi).
OUT= + LO LIM
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Cách chuyển đổi tín hiệu
Chuyển đổi giá trị đầu vào theo ánh xạ tỷ lệ (chuẩn hóa các tín
hiệu đầu vào) (hình a)
Giá trị tín hiệu đưa vào là tín hiệu tương tự dạng điện áp (0-10 V)
hoặc dòng điện (4-20 mA), tương ứng với dải giá trị số bên trong
(a)
PLC có thể đọc là dải (MIN, MAX) = (0, 27648)
Khi đó cần phải chuyển đổi tín hiệu đầu vào theo một tỷ lệ. Giá trị
đó là OUT và nằm trong khoảng [0,1]:
OUT = (VALUE-MIN)/(MAX-MIN)
Chuyển đổi giá trị số sang giá trị thực của thiết bị đo (hình b):
OUT = VALUE*(MAX - MIN) + MIN
(b) Đồ thị quan hệ giữa các giá trị
Các giá trị MIN, MAX là giá trị giới hạn của thiết bị đo.
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Cách chuyển đổi tín hiệu
Sử dụng hàm NORM_X: Normalize
Sử dụng hàm SCALE_X: Scale
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Cách chuyển đổi tín hiệu
Ví dụ Xử lý tín hiệu đo của cảm biến nhiệt độ:
Khoảng giá trị nhiệt độ của cảm biến nhiệt là 0 – 2000C, giá trị chuyển đổi điện áp tương
ứng của cảm biến là 0 – 10V
Sử dụng mô-đun đầu vào analog PLC S7-1200 Siemens.
Đầu vào analog sẽ chuyển đổi giá trị 0-10V sang giá trị số tương ứng 0 – 27648 và lưu
dưới dạng dữ liệu Word và sử dụng hàm NOMR_X. Để đọc được giá trị nhiệt độ của cảm
biến từ PLC cần chuyển đổi giá trị số đã chuyển đổi tỷ lệ sang giá trị analog bằng hàm
SCALE_X.
Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng chương trình LD sử dụng hàm NORM_X và
hàm SCALE_X sau:
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Đấu nối phần cứng
Đấu nối kiểu điện áp (hình a): chỉ cần 2 dây: A+ (hoặc
AIN) và A- (hoặc AGND) để đảm bảo luôn có thể đo
được hiệu điện thế giữa hai điểm.
A+ để đấu với tín hiệu của đầu vào tương tự
A- để đấu với đất hoặc dây tín hiệu của đầu vào tương tự
Đối với cách đấu kiểu điện áp thường xảy ra sự sụt áp (a)
nếu dây dẫn dài, điện áp tại mô-đun đầu vào khác với
điện áp thực của cảm biến.
Đấu kiểu dòng điện (hình b): Dòng điện của
tín hiệu analog thường sử dụng dạng nằm
trong khoảng 0-20 mA (nếu nhỏ hơn sẽ khó
đo lường, cao hơn sẽ gây nguy hiểm) (b)
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Đấu nối phần cứng Ví dụ: Đấu nối với mô đun analog PLC Siemens (hình) + Đấu với thiết bị 2 dây (hình a): là kiểu đấu đơn giản nhất. Cực dương “+” của nguồn đấu với đầu “+” của thiết bị, dây còn lại của thiết bị được đấu với chân “+” của mô-đun analog. Âm nguồn được đấu với chân chân 0V của mô-đun analog.
Đấu nối thiết bị 2 dây (a), 3 dây (b), 4 dây (c) trên S7-1200
(b) (c) (a)
4. Các mô đun vào ra
4.2. Mô đun đầu vào tương tự AI Đấu nối phần cứng
Đấu nối can nhiệt đầu ra điện áp (PLC Allen Bradley)
Đấu nối cặp nhiệt nối đất
và không nối đất (Rockwell Micrologix)
Cặp nhiệt tiếp đất
Cặp nhiệt không tiếp đất
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO Đặc điểm Là kênh để kết nối với các thiết bị đầu ra số,
Tín hiệu ra có thể được cung cấp cho các contactor, solenoid, các rơ le… để điều
khiển các cơ cấu chấp hành hay các quá trình công nghiệp
Đầu ra số của PLC thường là là loại rơ le, nhưng chúng cũng có thể là điện tử trạng
thái rắn như transistor cho đầu ra DC hoặc Triac cho đầu ra AC
Cũng tương tự như các mô đun đầu vào, đầu ra cũng rất ít khi được cấp nguồn mà
nó hoạt động giống như công tắc
SIMATIC S7-300 CPU 314C-2 PN/DP (16DO)
Mô đun DO mở rộng SM 322 Siemens S7-300, 32DO
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO Đấu nối phần cứng
Đấu nối kiểu sinkking
Đấu nối kiểu sourcing
4. Các mô đun vào ra
Kết nối nguồn cho
4.3. Mô đun đầu ra số DO Đấu nối phần cứng Kết nối tín hiệu từ
Kết nối mô đun DO với thiết bị đầu ra số
mô đun DO
CPU đến mô đun DO
Mô đun DO mở rộng SM 322 Siemens S7-300, 32DO
4. Các mô đun vào ra
Kết nối nguồn cho
4.3. Mô đun đầu ra số DO Đấu nối phần cứng Kết nối tín hiệu từ
Kết nối mô đun DO với thiết bị đầu ra số
mô đun DO
CPU đến mô đun DO
S7-1200 CPU 1214C, AC/DC/Relay (4DO)
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO Các tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO Bài tập
Sử dụng 2 nút ấn START (NO / I0.0) và STOP (NC / I0.1) để bật và tắt đèn Q0 (Green / Q0.0) và động cơ điện 1 chiều 24VDC - MOTOR (Q0.1). Trong đó đèn Q0 sáng chỉ báo hệ thống đã sẵn sàng, nhấn nút START để khởi động MOTOR, đồng thời đèn Q0 tắt. Nhấn nút STOP để dừng MOTOR và đèn Q0 sáng.
Nhiệm vụ thực hiện: 1. Hoàn thiện sơ đồ kết nối thiết bị với
PLC.
2. Cấu hình phần cứng cho PLC trên
phần mềm TIA Portal. Lập bảng cho biến đầu vào và đầu ra.
3. 4. Viết chương trình điều khiển PLC. 5. Nạp và chạy mô phỏng trên PLCSIM.
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO TH1: Nút ấn START (NO) và STOP (NC)
4. Các mô đun vào ra
4.3. Mô đun đầu ra số DO
TH2: Nút ấn START (NO) và STOP (NO)
4. Các mô đun vào ra
4.4. Mô đun đầu ra tương tự AO Đặc điểm
Mô đun ra tương tự nhận dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm của PLC. Dữ liệu
được truyền tỉ lệ với điện áp hay dòng điện để điều khiển thiết bị tương tự
bên ngoài như: Biến tần, van điều khiển vị trí,…
Dữ liệu số đi qua bộ chuyển đổi tín hiêu D/A và gửi đi dưới dạng tín hiệu
tương tự bao gồm:
+ Tín hiệu điện áp: ± 5V; ±10 V; 0 5 V; 0 10 V
+ Tín hiệu dòng điện: 4 20 mA; 0 20mA
4. Các mô đun vào ra
4.4. Mô đun đầu ra tương tự AO Đặc điểm
SM 334 (4AI/2AO)
S7-300, CPU 314C- 2PN/DP (2AO)
4. Các mô đun vào ra
4.4. Mô đun đầu ra tương tự AO Chuyển đổi tín hiệu đầu ra analog
0V/10V
0/27648
PQW
-10V/10V
-27648/27648
Sử dụng hàm chuyển đổi UNSCALE để xác định giá trị thiết lập PQW (Int)
4. Các mô đun vào ra
4.5. Mô đun kết nối mạng Chức năng
Mô đun kết nối mạng có chức năng kết nối các Kết nối PLC với các thiết bị ngoại vi
thiết bị ngoại vi với PLC, và có thể giao tiếp,
truyền thông với nhau thông qua các cổng kết nối.
Các mô-đun truyền thông nối tiếp được sử dụng
để thiết lập kết nối điểm-điểm với các thiết bị
thông minh khác để trao đổi dữ liệu.
Dùng kết nối với máy tính, trạm điều hành, hệ
thống điều khiển quá trình và các PLC khác
Mô-đun giao tiếp cho phép người dùng kết nối
PLC với các mạng cục bộ tốc độ cao có thể khác
với giao tiếp mạng được cung cấp với PLC
4. Các mô đun vào ra
Các cổng giao tiếp COM
4.5. Mô đun kết nối mạng Cổng kết nối Cổng nối tiếp (Serial Port)
- Là một trong những cổng kết nối bên ngoài phổ biến
nhất của máy tính. Các cổng này hoạt động theo
nguyên lý nối tiếp
- Các cổng này thường gọi là cổng COM, RS232,
Cổng USB ( Universal
RS422, RS485
Serial Bus)
Cổng ethernet
Cổng kết nối
Đầu kết nối
- Số chân kết nối thường là 9 (DB9) hoặc 25(DB25)
4. Các mô đun vào ra
4.6. Mô đun kết nối với can nhiệt Cấu trúc cặp nhiệt điện
Phân loại cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)
Là cặp nhiệt điện phổ biến nhất. Tính chính xác, độ tin cậy cao, giá thành thấp, có
phạm vi cảm nhận nhiệt độ khá rộng.
• Phạm vi nhiệt độ: loại 270°C đến 1260°C
Cặp nhiệt điện loại J (Sắt / Constantan)
Loại J cũng khá phổ biến. Có độ tin cậy, tính chính xác và giá thành tương đương với
loại K. Nhưng lại có phạm vi nhiệt độ và tuổi thọ thấp hơn loại K.
• Phạm vi nhiệt độ: -210°C đến 760°C
4. Các mô đun vào ra
4.6. Mô đun kết nối với can nhiệt Kết nối với can nhiệt
Sơ đồ đấu nối mô đun AI với can nhiệt
Đấu nối can nhiệt nối đất và không nối đất
(Rockwell Micrologix)
Cặp nhiệt tiếp đất
Cặp nhiệt không tiếp đất
4. Các mô đun vào ra
4.7. Mô đun điều khiển động cơ bước Cấu tạo động cơ bước
Kết nối PLC với động cơ bước
Để điều khiển động cơ bước thông qua PLC, thì Động cơ bước là một động cơ đồng bộ
cần phải có một bộ kết nối trung gian giữa dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển
chúng, đó chính là Driver của động cơ bước. dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp
Driver có chức năng định hướng chiều quay và nhau thành các chuyển động góc quay
xung điều khiển động cơ bước của roto.
