Học viện kĩ thuật Quân Sự
Khoa kĩ thuật điều khiển

Pgs ts đo hoa việt

Tập bi giảng
ứng dụng plc trong các hệ điều khiển số
v truyền thông công nghiệp

H Nội 2005


1

CHơNG 1
Bộ điều khiển logic khả trình
Trong chng 1, chỳng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề cơ bản về bộ điều
khiển logic khả trình nói chung và bộ điều khiển logic khả trình S7-200 của
hãng SIEMENS nói riêng. Những vấn đề trọng tâm là khái niệm về bộ điều
khiển logic khả trình, những ưu điểm và ứng dụng; cấu trúc cơ bản của bộ
điều khiển logic khả trình, trong đó đáng chú ý là tổ chức các mạch ghép nối
vào/ra và nguyên lý hoạt động cơ bản của nó. Đối với bộ điều khiển logic khả
trình S7-200 của SIEMENS, nội dung chương này đi sâu tìm hiểu về tổ chức
bộ nhớ, các kiểu vùng nhớ và ứng dụng, các chức năng có liên quan đến các
đầu vào/ra. Đó là những nội dung cơ bản trước khi có thể lập trình cho bộ
điều khiển.
1.1. Khái quát chung về bộ điều khiển logic khả trình
1.1.1. Giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình
Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller - PLC)
là loại thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, được thiết kế chuyên
dùng trong cơng nghiệp để điều khiển các q trình từ đơn giản đến phức tạp.

Thuật ngữ khả trình có nghĩa là người sử dụng có thể viết chương trình và
biên dịch chương trình (bằng các thiết bị lập trình chuyên dụng) rồi nạp vào
bộ nhớ của PLC. Sau đó, PLC thực hiện quá trình điều khiển các đối tượng
theo logic chương trình đã lưu trong bộ nhớ. Bằng cách thay đổi chương trình
trong bộ nhớ thì có thể thay đổi logic điều khiển của hệ thống. . Như vậy, có
thể áp dụng cùng một hệ thống phần cứng điều khiển cho các đối tượng khác
nhau. Thuật ngữ logic thể hiện chức năng ban đầu và cũng là chức năng chủ
yếu của PLC là thực hiện các thao tác logic chuyển mạch.


2

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành
thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình
(programmable control systems) – hệ thống sử dụng bộ vi xử lý (CPU) và bộ
nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình. Bộ điều khiển lập trình
(Programmable Logic Controller - PLC) ra đời nhằm thay thế hệ thống điều
khiển truyền thống dùng rơ-le và thiết bị rời cồng kềnh. Nó tạo ra khả năng
điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc sử dụng các lệnh logic
cơ bản. Ngồi ra, PLC cịn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thời,
đếm…làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả
với loại PLC nhỏ nhất.
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã
được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (công ty General Motor - Mỹ).
Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp
nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng
bước cải tiến hệ thống làm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành.
Nhưng việc lập trình cho hệ thống cịn khó khăn do lúc này khơng có các thiết
bị lập trình chun dùng hỗ trợ cho cơng việc lập trình. Để đơn giản hóa việc
lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller

Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển
thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Các nhà thiết kế đã từng bước chuẩn
hóa ngơn ngữ lập trình, đó là ngơn ngữ lập trình dùng giản đồ hình thang
(Ladder Diagram). Các nhà sản xuất liên tục đưa ra các công cụ (cả phần
mềm và thiết bị) hỗ trợ cho việc lập trình, giám sát và gỡ rối.
Hoạt động cơ bản của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở
ngõ vào được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện chương trình trong bộ
nhớ và tạo ra tín hiệu điều khiển các thiết bị bên ngoài. Với các mạch ghép
nối ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp với những cơ


3

cấu tác động (actuators) có cơng suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi
tín hiệu (transducers) ở ngõ vào. Tuy nhiên, cần phải có mạch khuếch đại
cơng suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn.
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển
mà khơng cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây.Ta chỉ cần thay đổi
chương trình điều khiển trong bộ nhớ thơng qua thiết bị lập trình chun
dùng. Ngồi ra , chúng cịn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt
động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi
cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.
Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính thơng thường - được coi là
máy tính xử lý dữ liệu, chuyên dùng với chức năng xử lý dữ liệu và hiển thị trong khi PLC là máy tính điều khiển q trình, hay cịn gọi là máy tính cơng
nghiệp vì chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong
cơng nghiệp, đó là:
-Được thiết kế để có thể hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp
(rung động, tiếng ồn, nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu).
-Cấu trúc dạng module cho phép thay thế dễ dàng, có khả năng mở
rộng và nâng cấp.

-Có sẵn các mạch ghép nối cho phép ghép nối trực tiếp với một số thiết
bị bên ngồi.
-Được tích hợp các chức năng chuyên dùng như đếm, định thời, điều
khiển PID, điều khiển động cơ, truyền thông công nghiệp...
-Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được
chuẩn hóa.
-Ngơn ngữ lập trình chun dùng và dễ sử dụng nhờ sự hỗ trợ của thiết
bị lập trình.
-Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng.


4

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều
khiển các máy móc cơng nghiệp và trong điều khiển q trình cơng nghiêp
(process control).
Bộ điều khiển lập trình là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng General
Motors vào năm 1968 nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển trong cơng
nghiệp. Ban đầu nó mới chỉ được sử dụng để thay thế cho hệ thống điều khiển
sử dụng rơle. Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử và cơng nghệ
máy tính, PLC ngày càng được phát triển cả về phần cứng và phần mềm hỗ
trợ. Tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản được phát triển thêm các lệnh định
thời, lệnh đếm; sau đó là các lệnh tốn học, xử lý dữ liệu, xử lý xung tốc độ
cao, tính tốn số liệu thực 32 bit, xử lý thời gian thực… Sự phát triển về phần
cứng cũng đạt được nhiều kết quả: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều
hơn, nhiều module chuyên dùng hơn, và đặc biệt là tốc độ thực hiện nhanh
hơn. PLC không những chỉ điều khiển các máy riêng lẻ, mà ngày nay đã trở
thành một thành phần quan trọng trong các dây truyền sản xuất công nghiệp,
trong các hệ thống điều khiển và giám sát cùng với sự phát triển của các
chuẩn truyền thơng cơng nghiệp.

Có một số thuật ngữ dùng để mô tả bộ điều khiển lập trình :
PC:

Programmable Controller (Anh)

PLC: Programmable Logic Controller (Mỹ)
PBS: Programmable Binary Systems (Thụy Điển)
Hai thuật ngữ sau đều thể hiện bộ điều khiển lập trình làm việc với tín
hiệu nhị phân. Trong thực tế, tất cả bộ điều khiển trừ bộ điều khiển loại nhỏ
đều có khả năng xử lý tín hiệu liên tục (analog signal), nên các thuật ngữ đó
khơng nói lên được hết khả năng của bộ điều khiển lập trình. Do đó thuật ngữ
Programmable Controller - PC thể hiện ý nghĩa tổng quát nhất về bộ điều


5

khiển lập trình. Tuy nhiên, để tránh sự nhầm lẫn với thuật ngữ máy tính cá
nhân (Personal Computer - PC) thì PLC thường được dùng thay cho PC.
Hiện nay, PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens,
Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi ... Theo xu
hướng chuẩn hóa và module hóa thì PLC của các hãng khác nhau đều có cấu
trúc phần cứng cũng như tập lệnh tương tự nhau.
1.1.2. Ưu điểm của PLC
Có thể nêu ra một số ưu điểm chính khi sử dụng PLC như sau:
-Tính linh hoạt: có thể sử dụng một bộ điều khiển cho nhiều đối tượng
khác nhau với các thuật toán điều khiển khác nhau.
-Dễ dàng thiết kế và thay đổi logic điều khiển: với các hệ thống điều
khiển sử dụng rơle, khi thay đổi logic điều khiển cần có nhiều thời gian để nối
lại dây cho các thiết bị và panel điều khiển, và đó là một cơng việc phức tạp.
Với hệ thống điều khiển sử dụng PLC, thay đổi logic điều khiển bằng cách

thay đổi chương trình thơng qua thiết bị lập trình và ngơn ngữ lập trình
chun dùng. Điều đó làm giảm đáng kể thời gian thiết kế hệ thống.
-Tối ưu logic điều khiển: được sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng và
gỡ rối trực tuyến và trực quan làm cho hệ thống được thiết kế có tính tối ưu
hơn.
-Tốc độ thực hiện nhanh.
-Nhỏ, gọn và giá thành thấp.
-Khả năng bảo mật hệ thống khi sử dụng mã khóa.
-Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống: do được chế tạo dưới dạng
các modul được chuẩn hóa cho phép ghép nối các thành phần khơng chỉ của
một nhà sản xuất. Đây là một yêu cầu không thể thiếu trong các hệ thống điều
khiển hiện đại.
1.1.3. Cấu trúc và hoạt động cơ bản của PLC


6

PLC là thiết bị điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, các thành phần cơ bản
của nó gồm:
-Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU)
-Bộ nhớ trong (Internal Memory)
-Bus hệ thống (System Bus)
-Khối ghép nối vào/ra (Input/Output Interface)
-Khối nguồn (Power Supply)
Khối nguồn

Bộ nhớ trong

CPU


Bus hệ thống
Khối ghép nối vào

Khối ghép nối ra

Hình 1.1: Cấu trúc của PLC
1.1.3.1. Khối xử lý trung tâm CPU
Đây là bộ não của hệ thống, có chức năng điều khiển và giám sát toàn
bộ hoạt động của hệ thống bằng cách thực hiện tuần tự các lệnh trong bộ nhớ.
Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển, khối thuật toán và logic, các thanh
ghi chuyên dụng và thanh ghi dữ liệu tạm thời.
Hoạt động cơ bản của CPU là: đọc lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ, giải
mã lệnh, phát tín hiệu điều khiển các thành phần khác và xử lý dữ liệu.
1.1.3.2. Bộ nhớ trong


7

Bộ nhớ trong là loại bộ nhớ bán dẫn, có ưu điểm là tương thích về kích
thước và mức logic với các thành phần khác của hệ thống; tốc độ truy nhập
cao; năng lượng tiêu thụ thấp. PLC sử dụng các loại bộ nhớ sau đây:
-ROM hệ thống: chứa chương trình hệ thống (hệ điều hành) và dữ liệu
cố định được CPU sử dụng. Dữ liệu trong ROM được nhà sản xuất nạp vào và
không thay đổi trong suốt quá trình sử dụng sau này.
-RAM chứa chương trình và dữ liệu của người sử dụng
-RAM làm bộ đệm cho các tín hiệu vào/ra và cho các đối tượng khác
(bộ đếm, định thời...)
-EEPROM để lưu cố định chương trình của người sử dụng cũng như
những dữ liệu cần thiết mà người dùng lựa chọn.
Một phần hoặc tồn bộ RAM có thể được ni bằng tụ điện hoặc nguồn

pin bên ngồi. Chương trình của người sử dụng được nạp vào RAM, sau đó tự
động nạp vào EPPROM để có thể lưu trữ vĩnh cửu.
1.1.3.3. Khối ghép nối vào
Khối ghép nối vào có các chức năng sau: nhận tín hiệu vào từ các thiết
bị nhập (ví dụ các cảm biến, chuyển mạch...); biến đổi các tín hiệu vào thành
mức điện áp một chiều; thực hiện cách ly tĩnh điện bằng bộ ghép nối quang;
tạo tín hiệu logic chuẩn đưa đến các mạch trong PLC.
Do đó mạch ghép nối vào có các khối sau:
-Bộ biến đổi
-Mạch cách ly tĩnh điện
-Mạch logic
Sơ đồ mạch ghép nối vào:
Đầu vào

Bộ biến đổi

Mạch cách
ly tĩnh điện

Mạch logic

Hình 1.2: Sơ đồ mạch ghép nối vào

Đến bộ đệm


8

Khối đầu tiên nhận tín hiệu từ các cảm biến, chuyển mạch...Nếu tín
hiệu vào là điện áp xoay chiều thì bộ biến đổi chỉnh lưu thành điện áp một

chiều có giá trị nhỏ. Đầu ra của bộ biến đổi không được đưa trực tiếp đến các
mạch trong PLC nhằm tránh cho nó khỏi ảnh hưởng của mạch ngồi. Ví dụ
trong trường hợp bộ biến đổi làm việc khơng chính xác, thì điện áp xoay
chiều lớn được đưa đến PLC và làm hỏng hệ thống, bởi vì hầu hết các mạch
xử lý chỉ làm việc với điện áp 5V một chiều. Do vậy phải có mạch cách ly để
bảo vệ các mạch trong PLC. Mạch cách ly thường sử dụng bộ ghép nối
quang, Tín hiệu được chuẩn hóa về mức logic để đưa vào hệ thống.
Sơ đồ nguyên lý của mạch ghép nối vào:
PLC
Đầu vào

+V

-

Đến bộ
đệm

+

LED

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối vào
1.1.3.4. Khối ghép nối ra
Khối ghép nối ra hoạt động tương tự khối ghép nối vào: tín hiệu một
chiều chuẩn từ trong PLC qua các mạch biến đổi đến các đầu ra vật lý, cho
phép điều khiển trực tiếp các tải một chiều và xoay chiều công suất nhỏ với
các mức điện áp khác nhau. Bộ ghép nối quang cũng được sử dụng để tránh
cho các mạch bên trong PLC khỏi ảnh hưởng của các thiết bị bên ngồi.
Từ bộ đệm

Mạch logic

Mạch cách
ly tĩnh điện

Mạch giao
tiếp

Hình 1.4: Sơ đồ mạch ghép nối ra

Đầu ra


9

Mạch giao tiếp sử dụng rơle, tranzitor, triac cho phép nối trực tiếp PLC
với tải công suất nhỏ. Khi nối đầu ra với tải cơng suất lớn cần có mạch cơng
suất bên ngồi.
Mạch giao tiếp kiểu rơle: tín hiệu từ PLC được sử dụng để điều khiển
rơle, có khả năng chuyển mạch dịng điện lớn trong mạch tải. Ngồi ra rơle
cịn có chức năng cách ly PLC với mạch ngồi. Rơle có khả năng chịu quá tải
trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, nhược điểm của rơle là tốc độ chuyển mạch
chậm. Mạch rơle được sử dụng cho cả tải một chiều và xoay chiều.
+V

PLC
Từ mạch
logic

Đầu ra

LED

Hình 1.5: Mạch giao tiếp kiểu rơle
Mạch giao tiếp kiểu tranzitor: tín hiệu từ PLC điều khiển tranzitor làm
việc ở chế độ khóa. Ưu điểm của tranzitor là tốc độ chuyển mạch nhanh.
Nhưng dễ bị hư hỏng do quá tải hoặc khi chuyển từ trạng thái thơng sang
khóa. Do đó phải sử dụng các mạch bảo vệ. Mạch tranzitor chỉ dùng cho điện
áp một chiều.
+V

LED

Từ mạch
logic

Đầu ra
PLC

Hình 1.6: Mạch giao tiếp kiểu tranzitor