Đồ án PLC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC 1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÀ GÌ: Tổng quát, một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ, thiết bị điện tử, được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định, sự chính xác, sự chuyển đổi nhịp nhàng của một quy trình hoặc một hoạt động sản xuất. Nó thực hiện bất cứ yêu cầu nào của dụng cụ, từ cung cấp năng lựơng đến một thiết bị bán dẫn. Với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn, đó là PLC, nó được sử dụng kết hợp với máy tính chủ. Ngoài ra, nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác (như là: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây, ….). Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn. Ngoài ra, nó còn thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển. Mỗi một bộ phận trong hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Từ hình 1.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận biết được điều gì nếu nó không được kết nối với các thiết bị cảm ứng. Nó cũng không cho phép bất kỳ các máy móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với động cơ. Và tất nhiên, vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động của một vùng sản xuất riêng biệt. Hình 1.1: Một hệ thống điều khiển điển hình dùng PLC 1.2 VAI TRÒ CỦA PLC Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thống điều khiển. Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ của PLC) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống, bao gồm: kiểm tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chuơng trình logic để xử lý tín hiệu và mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất. PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Hoặc ta có thể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình phức hợp. 1.3 CÁC THIẾT BỊ NHẬP VÀ XUẤT DÙNG TRONG PLC: 1.3.1 Các thiết bị nhập Sự thông minh của một hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả năng đọc các tín hiệu từ các cảm biến tự động của PLC. Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao, phím,…. Ngoài ra, PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động như: công tắc trạng thái, công tắc giới hạn, cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ , …. Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các modul nhập. Hình1.2: Input Devices Thiết bị xuất Trong một hệ thống tự động hóa, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng. Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị tê liệt hòan toàn. Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ, cuộn dây nam châm, relay, chuông báo ,…. Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hóa và vì thế nó ảnh hưởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống . Tuy nhiên, các thiết bị xuất khác như là : đèn pilot, còi và các báo động chỉ cho biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC. Hình 1.3: Output devices 1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐƯỢC (PLC) LÀ GÌ PLC là bộ điều khiển logic theo chương trình bao gồm: bộ xử lý trung tâm gọi là CPU (Central Processing Unit) chứa chương trình ứng dụng và các modul giao diện nhập xuất. Nó được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O. Vì thế, khi tín hiệu nhập, CPU sẽ xử lý tín hiệu và gởi tín hiệu đến thiết bị xuất. Hình 1.4: Sơ đồ khối của PLC 1.5 SO SÁNH PLC VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƯỜNG KHÁC Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệ thống điều khiển bằng relay, contactor thông thường. Ta hãy thử so sánh ưu, khuyết điểm của hai hệ thống trên: Hệ thống điều khiển thông thường: Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn và relay trên bản điều khiển. Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt. Tốc độ hoạt động chậm. Công suất tiêu thụ lớn. Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại tòan bộ, tốn nhiều thời gian. Khó bảo quản và sữa chữa. Hệ thống điều khiển bằng PLC: Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn. Công suất tiêu thụ ít hơn. Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console. Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn. Bảo trì và sữa chữa dễ dàng. Độ bền và tin cậy vận hành cao. Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. Có thiết bị chống nhiễu. Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó. Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết . Do những lý do trên PLC thể hiện rõ ưu điểm của nó so với các thiết bị điều khiển thông thường khác. PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tuỳ theo yêu càu của công nghệ. Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC. 1.6 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG PLC Để thiết kế 1 chuơng trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bước sau: Xác định qui trình công nghệ Trước tiên , ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Mục đích cuối cùng của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào. Nó nhận tín hiệu và gởi tín hiệu đến CPU , CPU xử lý tín hiệu và gởi nó đến thiết bị xuất để điều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình Xác định ngõ vào, ngõ ra : Tất cả các thiết bị xuất , nhập bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển lập trình. Thiết bị nhập là những contact, cảm biến ... Thiết bị xuất là những cuộn dây , valve điện từ , motor, bộ hiển thị. Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất nhập cần thiết, ta định vị các thiết bị vào ra tương ứng cho từng ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình. Viết chương trình: Khi viết chương trình theo sơ đồ hình bậc thang (ladder ) phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệ thống Nạp chương trình vào bộ nhớ : Bây giờ chúng ta có thể cung cấp nguồn cho bộ điều khiển có lập trình thông qua cổng I/O. Sau đó nạp chương trình vào bộ nhớ thông qua bộ console lập trình hay máy tính có chứa phần mềm lập trình hình thang. Sau khi nạp xong, kiểm tra lại bằng hàm chuẩn đoán. Nếu được mô phỏng toàn bộ hoạt động của hệ thống để chắc chắn rằng chuơng trình đã hoạt động tốt. Chạy chương trình : Trước khi nhấn nút Start, phải chắc chắn rằng các dây dẫn nối các ngõ vào, ra đến các thiết bị nhập, xuất đã được nối đúng theo chỉ định. Lúc đó PLC mới bắt đầu hoạt động thực sự. Trong khi chạy chương trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ Console sẽ báo lỗi , ta phải sữa lại cho đến khi nó hoạt động an toàn Sau đây là lưu dồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển Xác định yêu cầu của hệ thống điều khiển Vẽ lưu đồ chung của hệ thống điều khiển Liệt kê tất cả các ngõ ra, ngõ vào nối tương đối đến các cổng I/O của PLC Chuyển lưu đồ sang sơ đồ hình thang Nạp lập trình sơ đồ hình thang thiết kế cho PLC Mô phỏng chương trình và sửa lỗi phần mềm Hiệu chỉnh chương trình cho phù hợp Kết nối toàn bộ thiết bị vào, ra với PLC Kiểm tra tất cả các tiếp điểm vào, ra Chương trình OK Chạy thử chương trình Hiệu đính lại phần mềm Nạp chương trình vào EPROM Lập hồ sơ hệ thống cho tất cả các bản vẽ END Chương trình OK 1.7 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC: Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nhập, xuất. 1.7.1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU): Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài 1.7.2 Bộ nhớ (Memory): Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Đây là nơi lưu giữ trạng thái hoạt động của hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng. Để đảm bảo cho PLC hoạt động , phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như : + Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập được gọi là RAM xuất / nhập + Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong : Timer , Counter, Relay Bộ nhớ gồm có những loại sau : + Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory): ROM không phải là một bộ nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần. Do đó không thích hợp cho việc điều khiển “mềm” của PLC. ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory): RAM là một bộ nhớ thường được dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình của người sử dụng. Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất. Tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng. Ngày nay, trong kỹ thuật phát triển PLC , người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng khá thấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các RAM này khi mất nguồn. Pin dự phòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống , pin sẽ được sạc khi cấp nguồn cho PLC. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được (EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, người viết phải viết lại chương trình trong bộ nhớ. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được bằng điện (EEPROM: Electric Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM kết hợp khả năng truy linh động của RAM và tính khả biến của EPROM, nội dung trên EEPROM có thể bị xoá và lập trình bằng điện , tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định. CHƯƠNG II: KHẢO SÁT PLC CỦA HÃNG OMRON 2.1 KHẢO SÁT LOẠI CPM2A 2.1.1 Giới thiệu chung: Các bộ điều khiển lập trình của hãng OMRON rất đa dạng, gồm các loại CPM1A, CPM2A, CPM2C, CQM1,…. những loại PLC nên tạo thành từ những modul rời kết nối lại với nhau, có thể cho phép mở rộng dung lượng bộ nhớ và mở rộng vác ngõ vào, ra. Vì vậy chúng được sử dụng rất linh hoạt và đa dạng trong thực tiễn. Ngoài ra, hãng OMRON còn sản xuất các bộ PLC có cấu trúc cố định, các PLC này chỉ được cho các công việc đặc biệt nên không đòi hỏi tính linh hoạt cao. Các PLC đều có cấu trúc gồm: bộ nguồn, CPU, các Port I/O, các modul I/O đặc biệt …. Để có được một bộ PLC hoàn chỉnh thì ta phải lắp ráp các modul này lại với nhau. Việc kết nối này thực hiện khá đơn giản và cho phép thay thế dễ dàng. Họ CPM2A có rất nhiều loại. Ta có thể tóm tắt trong bảng sau: Tên Modul Số ngõ I/O Nguồn cung cấp CPU có ngõ ra dùng Relay CPM2A-20CDR-A CPM2A-20CDR-D CPM2A-30CDR-A CPM2A-30CDR-D CPM2A-40CDR-A CPM2A-40CDR-D CPM2A-60CDR-A CPM2A-60CDR-D 20 20 30 30 40 40 60 60 AC DC AC DC AC DC AC DC CPU có ngõ ra dùng Transistor CPM2A-20CDT-D CPM2A-20CDT1-D CPM2A-30CDT-D CPM2A-30CDT1-D CPM2A-40CDT-D CPM2A-40CDT1-D CPM2A-60CDT-D CPM2A-60CDT1-D 20 (ngõ ra ở mức thấp) 20 (ngõ ra ở mức cao) 30 (ngõ ra ở mức thấp) 30 (ngõ ra ở mức cao) 40 (ngõ ra ở mức cao) 40 (ngõ ra ở mức cao) 60 (ngõ ra ở mức cao) 60 (ngõ ra ở mức cao) DC DC DC DC DC DC DC DC 2.1.2 Các thành phần của CPU: Cấu tạo chung của 1 bộ CPU gồm những phần như sau: Hình 2.1: Các thành phần của CPU Trong đó: 1 - Nguồn cung cấp: tuỳ theo loại CPU mà ta dùng nguồn AC từ 100V-240V hoặc nguồn DC 24V 2,3 - Chân nối đất bảo vệ (đối với loại CPU dùng nguồn AC): để bảo vệ an toàn cho người sử dụng. 4 - Nguồn cung cấp cho ngõ vào : đây là nguồn 24V DC được dùng để cung cấp điện áp cho các thiết bị đầu vào (đối với loại CPU dùng nguồn AC ). 5 - Các ngõ vào : để liên kết CPU với các thiết bị ngõ vào. 6 - Các ngõ ra : để liên kết CPU với các thiết bị ngõ ra. 7 - Các đèn báo chế độ làm việc của CPU : các đèn báo này cho chúng ta biết chế độ làm việc hiện hành của PLC. Đèn báo Trạng thái Yù nghĩa PWR (xanh) On PLC đã được cấp nguồn Off PLC chưa được cấp nguồn RUN (xanh) On PLC đang hoạt động ở chế độ RUN hoặc ở chế độ MONITOR Off PLC đang ở chế độ PROGRAM hoặc bị lỗi COMM (vàng) Flashing Dữ liệu đang được chuyển vào CPU thông qua cổng Peipheral hoặc cổng RS-232C Off Dữ liệu không được chuyển vào CPU thông qua cổng Peripheral hoặc cổng RS-232C ERR/ALARM (red) On Xuất hiện lỗi (PLC ngừng hoạt động ) Off Đèn báo hoạt động bình thường 8 - Đèn báo trạng thái ngõ vào : khi 1 trong các ngõ vào ở trạng thái ON thì đèn báo tương ứng sẽ sáng. Lưu ý: Khi ta sử dụng bộ đếm tốc độ cao thì các đèn báo ngõ vào sẽ không sáng nếu tần số xung sáng quá nhanh. 9 - Đèn báo trạng thái ngõ ra: các đèn báo trạng thái ngõ vào sẽ sáng khi các ngõ ra ở trạng thái ON. 10 - Cổng điều khiển tín hiệu Analog: được sử dụng khi tín hiệu vào hoặc ra là tín hiệu Analog, được lưu giữ vào vùng nhớ IR250 và IR251. - Cổng giao tiếp với thiết bị ngoại vi : liên kết PLC với thiết bị lập trình: máy tính chủ, thiết bị lập trình cầm tay ... 12 - Cổng giao tiếp RS-232C : liên kết PLC với thiết bị lập trình (ngoại trừ thiết bị lập trình cầm tay và máy tính chủ). 13- Communication Switch : là công tắc , chọn để sử dụng một trong hai cổng Peripheral hoẵc cổng RS-232C để liên kết với thiết bị lập trình - Bộ Acquy - Phần mở rộng : kết nối CPU và PLC với khối mở rộng I/O hoặc khối mở rộng nói chung ( Analog I/O Unit, Temporature Senson Unit ...) , có thể kết nối 3 modul mở rộng 2.1.3 Các thành phần khác của khối mở rộng Hình 2.2: Các thành phần của khối mở rộng Trong đó : Đầu nối ngõ vào : liên kết CPU với các thiết bị ngõ vào. Đầu nối ngõ ra : liên kết CPU với các thiế bị ngõ ra. Các đèn báo hiển thị ngõ ra. Các đèn báo hiển thị ngõ vào. Cáp kết nối đơn vị mở rộng I/O với CPU. 2.1.4 Các thành phần của Modul nhập xuất Analog. Modul I/O Analog thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số hoặc từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để giao tiếp giữa CPU với các thiết bị tương tự như máy phát sóng cảm biến , các dụng cụ đo và các thiết bị điều khiển khác. Modul I/O Analog có khoảng thay đổi tín hiệu điện áp từ 0-10V hoặc từ 0-5V (đối với Analog Input) và từ -10-10V (Analog Out Put). Một CPU có thể kết nối với 3 modul Analog I/O ( 2 Analog Input và 1 Analog Output ) Dữ liệu đã được biến đổi thì được lưu trữ trong vùng phân bổ words của Analog I/O Unit và nó được sử dụng bởi lệnh đọc nội dung của Words ngã vào . Một chức năng khác của nó là xử lý giá trị trung bình để cho tất cả các dữ liệu ở ngõ ra ổn định . Nó còn có chức năng phát hiện dây dẫn bị đứt khi tầm ngõ vào được đặt khoảng 4-20mA , hoặc từ 1-5 V. Cấu tạo của khối mở rộng Analog được mô tả trong hình Hình 2.3: Các thành phần của modul Analog I/O Các đầu nối của khối Analog I/O : kết nối với các thiết bị tương tự nhập hoặc xuất . Cáp kết nối của phần mở rộng : kết nối Analog I/O Unit với cổng mở rộng của CPU hoặc của khối mở rộng khác . Cổng mở rộng : Kết nối cổng mở rộng I/O Unit với khối mở rộng khác (Analog I/O Unit, Temperature Senson Unit hoặc Compo Bus/S I/O Link Unit). Một CPU chỉ có thể kết nối tối đa 3 khối mở rộng. 2..2 CÁC KIỂU LIÊN KẾT TRUYỀN THÔNG CỦA PLC: 2..2.1 Truyền thông liên kết chủ : Là mối liên kết “ chủ - tớ “ giữa máy tính chủ hoặc thiết bị lập trình cầm tay với PLC . Sử dụng để đọc / ghi dữ liệu từ thiết bị lập trình vào PLC Truyền thông liên kết chủ 1-1: Thực hiện việc liên kết 1 - 1giữa CPM2A CPU với máy tính tương thích, máy tính IBM PC/AT hoặc màn điều khiển PT thông qua cổng Peripheral hoẵc cổng RS-232C . Cách kết nối đươc biểu diễn trong hình vẽ sau Hình 2.4: Kết nối thông qua Peripheral Port Hình 2.5: Kết nối thông qua RS-232C Port Truyền thông liên kết chủ 1-N: Kiểu liên kết này cho phép kết nối 1 máy tính chủ hoặc PT với 32 bộ điều khiển lập trình PC, được thực hiện bằng cách dùng bộ nối tương thích (Adaptor) RS-232C hoặc RS422 thông qua cổng giao tiếp RS-232C Port hoặc Peripheral Port. Hình 2.6: Kết nối thông qua RS232C Port Hình 2.7: Kết nối thông qua Peripheral Port 2..2.2 No- Protocal Communications ( kiểu liên lạc không cần thủ tục ) Đây là kiểu liên lạc đơn giản giữa PC và thiết bị kiểm soát khác: máy in, bộ mã hoá... Dùng để trao đổi, chuyển đổi dữ liệu từ PC đến các thiết bị ngoại vi thông qua các cổng giao tiếp RS 232C port hoặc Peripheral Port. Kiểu liên lạc này được biểu diễn nhu sau : Hình 2.8: No-Protocol Communication 2.2.3 OMRON PT Connection Là kiểu liên lạc tốc độ cao giữa PC và PI, CPM2A được nối trực tiếp đến màn hình điều khiển thông qua cổng RS 232C Port mà không được nối vào cổng Peripheral Port. Hình 2.9: PT Conection 2.2.4 Kiểu liên lạc One – to – One Link (1 -1 ) Đây là mạng trao đổi dữ liệu giữa 2 bộ PC với nhau bằng cáp RS-232C thông qua cổng RS-232C Port. Trong đó một PC đóng vai trò chính và một phụ trong việc thiết lập các chế độ hoạt động của hệ thống. Hình 2.10:One to One Link Ta có thể dùng màn hình điều khiển (PT) thay thế cho cả một bảng điều khiển của một máy hay một dây chuyền tự động phức tạp. Hơn nữa, PT còn có nhiều chức năng đặt biệt, phong phú mà các thiết bị thường ghép nối với nhau không thể có được. Việc dùng PT sẽ tiết kiệm được rất nhiều dây dẫn, thời gian lắp đặt, bảo dưỡng hoặc thay đổi hệ thống. Ta có thể dùng PT để thiết kế màn hình mô phỏng các quá trình công nghệ rất tiện lợi. Cũng giống như PLC, trước khi sử dụng cần phải la