i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
BÙI THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỰC NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC CHO CÔNG TÁC ĐÀO
TẠO NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRƢỜNG TRUNG
CẤP KỸ THUẬT NGHIỆP VỤ SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU vi
MỞ ĐẦU viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỀU KHIỂN
LOGIC VÀ PLC 1
1.1. Lch sử pht trin ca hệ điu khin lôgic và PLC 2
1.2. Đặc đim chung ca hệ điu khin Logic và PLC 3
1.2.1. Cấu hình phần cứng ca một bộ PLC 3
1.2.1.1. Bộ xử lý 4
1.2.1.2. Bộ nguồn 6
1.2.1.3. Thiết b lập trình 6
1.2.1.4. Bộ nhớ 6
1.2.2. Cấu tạo chung ca PLC 8
1.2.3. Cc vấn đ v lập trình 9
1.2.3.1. Khi niệm chung 9
1.2.3.2. Cc phương php lập trình 11
1.2.3.3. Một số ký hiệu chung 11
1.2.3.4. Phương php hình thang LAD (Ladder Logic) 13
1.2.3.5. Phương php liệt kê 1ệnh STL (Statement List) 14
1.2.3.6. Phương php lưu đồ điu khin CSF (ControlSystemFlow) 15

2.3.2.1. Mục tiêu môn học 39
2.3.2.2. Nội dung môn học và phân bố thời gian 39
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN LOGIC
VÀ PLC 41
3.1. Hệ thống cc bài thực hành điu khin logic và PLC 42
3.1.1. Yêu cầu chung 42
3.1.2. Cc yêu cầu cơ bản đối với mô hình thực hành 42
3.2. Đặc đim chung và cấu hình bộ thực hành điu khin logic và PLC 43
3.2.2. Khối PLC S7-200 44
3.2.2.1. Giới thiệu cc tính năng ca PLC S7-200 44
3.2.2.2. Cấu tạo bên ngoài ca PLC S7-200 CPU 224 45
3.2.2.3. Bộ mô phỏng thí nghiệm ca PLC S7-200 CPU 224 46
3.2.3. Cc thiết b trung gian 47
3.2.4. Đối tượng điu khin 47
3.3. Xây dựng bài thực hành: Điu khin đèn giao thông 48
3.3.1. Giới thiệu mô hình 48
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.3.2. Cc yêu cầu kỹ thuật 48
3.3.4. Lập trình STL và giản đồ thang 49
3.3.4.1. Khai bo biến 49
3.3.4.2. Lập trình bằng STL 50
3.3.4.3. Lập trình bằng giản đồ thang 51
3.3.5. Mô phỏng hoạt động theo thời gian thực 54
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 57
I. Kết luận 57
II. Hướng nghiên cứu tiếp theo 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Hình 2.7- Mô hình thí nghiệm mạch điện xoay chiều một pha 31
Hình 2.8- Mô hình thí nghiệm mạch điện xoay chiều ba pha 32
Hình 2.9 - Mô hình thí nghiệm đo lường 32
Hình 2.10- Mô hình thực hành điều khiển tốc độ động cơ điện 33
Hình 2.11- Mô hình thực hành điều khiển động cơ điện 33
Hình 2.12- Mô hình thực hành Điện công nghiệp 34
Hình 2.13- Mô hình tủ điều khiển 34
Hình 2.14- Mô hình tủ điều khiển động cơ máy bơm 35
Hình 2.15- Mô hình thực hành tủ điều khiển 35
Hình 3.1-Cấu hình tổng quát một bài thực hành 43
Hình 3.2- Cấu tạo bên ngoài của PLC S7_200 CPU 224 44
vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.3- Kết nối máy tính với PLC 46
Hình 3.4- Bộ thí nghiệm PLC S7-200 46
Hình 3.6- Sơ đồ tổng quan 54
Hình 3.7- Đèn báo trạng thái Xanh trục A – Đỏ trục B 54
Hình 3.8 – Đèn báo trạng thái Vàng trục A – Đỏ trục B 54
Hình 3.9- Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Xanh trục B 55
Hình 3.10- Đèn báo trạng thái Đỏ trục A – Vàng trục B 55
Hình 3.11- Mô phỏng bằng phần mềm S7-200 55

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1- Một số ký hiệu ca cc hãng sản xuất 13
Bảng 1.2 - Một số ký hiệu cc rơle nội: 16
Bảng 1.3 So snh hệ điu khin rơle và hệ điu khin PLC 20
Bảng 2.1- Nội dung đào tạo ngh Điện Công nghiệp 37

Chương 3: Xây dựng mô hình thí nghiệm/ thực hành v điu khin
logic và PLC
ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trong qu trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận
tình ca thầy hướng đẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển và bản thân tc giả cũng
cố gắng tìm hiu, nghiên cứu tài liệu và cc công trình đã nghiên cứu, công bố
trên cc tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không th trnh khỏi
được cc thiếu sót. Tc giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và
nhận xét đnh gi quí bu ca cc thầy cô gio, những nhà nghiên cứu khoa
học quan tâm và đồng nghiệp đ luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hướng dẫn tận tình và chu
đo ca thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển cùng cc thầy, cô gio,
bạn bè đồng nghiệp, sự giúp đỡ v chuyên môn và cc tài liệu ca cc thầy,
cô đã làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc.
Em xin chân thành cảm ơn Phòng QLĐT Sau đại học, Ban gim hiệu
trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thi Nguyên đã tạo mọi điu kiện thuận
lợi nhất v mọi mặt đ em hoàn thành khóa học.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 16 tháng 01 năm 2013
Người thực hiện
Bùi Thị Ngoan
1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

pht trin t những năm 1968 -1970.
*1968: Richard Morley sng tạo ý tưởng PLC cho General Motors
* 1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford), được GM sử dụng
trong công nghiệp ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)
* 1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô
* 1973: PLC “thông minh” với khả năng tính ton, điu khin my in,
xử lý dữ liệu, giao diện màn hình.
* 1975: PLC với bộ điu khin PID
* 1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điu khin dây
chuyn sản xuất
* 1977: MP-based PLC
* 1980: Các module vào/ra thông minh
* 1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu
* 1982: PLC với 8192 I/O (lớn nhất)
* 1992: Chuẩn IEC 61131 ra đời
* 1996: Slot-PLC, Soft-PLC,
Trong giai đoạn đầu cc thiết b khả trình yêu cầu người sử dụng phải
có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao. Ngày nay cc thiết b PLC đã pht
trin mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao.
Thiết b điu khin logic lập trình được PLC là dạng thiết b điu khin
đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được đ lưu trữ cc
lệnh và thực hiện cc chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi,
đnh giờ, đếm, và cc thuật ton đ điu khin my và cc qu trình công
nghệ. PLC được thiết kế cho cc kỹ sư, không yêu cầu cao v kiến thức my
tính và ngôn ngữ my tính, có th vận hành.
Chúng được thiết kế cho cc nhà kỹ thuật có th cài đặt hoặc thay đổi
chương trình. Vì vậy, cc nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bộ PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ
nguồn, giao diện vào/ra và thiết b lập trình. Sơ đồ hệ thống như hình 1.1.
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.1- Sơ đồ hệ thống bộ PLC

Hình 1.2- Cấu hình phần cứng của bộ PLC
1.2.1.1. Bộ x lý
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Proccesscing
Unit), c ó nhiệm vụ điu khin và quản lý mọi hoạt động bên trong PLC. Việc
trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào/ ra được thực hiện thông
qua hệ thống cc bus nối dưới sự điu khin ca CPU.
Bộ xử lý
Bộ nhớ
Thiết b
lập trình
Nguồn
cung cấp

trình dài 1Kbyte và coi đó là chỉ tiêu đ so snh cc PLC. Với nhiu loại PLC
thời gian trễ này có th tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho
qu trình điu khin thì phải dùng cc biện php đặc biệt, chẳng hạn như lặp
lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điu khin
cc thông tin chuyn giao đ bỏ bớt đi những lần gọi ít quan trọng khi thời
gian quét dài tới mức không th chấp nhận được. Nếu cc giải php trên
không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn.
1. Nhập dữ liệu t TB ngoại
vi vào bộ đệm ảo
2. Thực hiện chương trình
3. Truyn thông và kim tra lỗi
4. Chuyn dữ liệu t bộ đệm ảo ra
TB ngoại vi
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.1.2. Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyn đổi điện p xoay chiu thành điện p
thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho cc mạch điện đầu ra hoặc cc
module còn lại (thường là 24V).
1.2.1.3. Thiết b lập trình
Thiết b lập trình được sử dụng đ lập cc chương trình điu khin cần
thiết sau đó được chuyn cho PLC. Thiết b lập trình có th là thiết b lập trình
chuyên dụng, có th là thiết b lập trình cầm tay gọn nhẹ, có th là phần mm
được cài đặt trên my tính cá nhân.
1.2.1.4. Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho cc hoạt động điu
khin. Cc dạng bộ nhớ có th là RAM, ROM, EPROM.
- Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): là bộ nhớ chỉ đọc, trong PLC bộ
Hình 1.4- Hệ thống tín hiệu vào/ra PLC

Mỗi đim vào ra có một đa chỉ duy nhất được PLC sử dụng.
Cc kênh vào/ra đã có cc chức năng cch ly và điu ho tín hiệu sao
cho cc bộ cảm biến và cc bộ tc động có th nối trực tiếp với chúng mà
không cần thêm mạch điện khc.
Tín hiệu vào thường được ghép cch điện (cch ly) nhờ linh kiện quang
như hình 1.5. Hình 1.5- Tín hiệu vào PLC

Tín hiệu
vào
Tín hiệu
đến CPU
Ghép nối quang
Diode
bảo vệ

loại PLC. Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có th thay đổi bằng cch
lựa chọn cc module ra thích hợp.

Hình 1.6- Tín hiệu ra của PLC
1.2.2. Cấu tạo chung của PLC
Cc PLC có hai kiu cấu tạo cơ bản là: kiu hộp đơn và kiu modulle
nối ghép.
Kiu hộp đơn thường dùng cho cc PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới
dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và cc giao
diện vào/ra. Kiu hộp đơn thường vẫn có khả năng ghép nối được với cc
module ngoài đ mở rộng khả năng ca PLC. Kiu hộp đơn như hình 1.7.
Hình 1.7- PLC kiểu hộp đơn

Kiu module ghép nối gồm cc module riêng cho mỗi chức năng như
module nguồn, module xử lý trung tâm, module ghép nối, module vào/ra,
o o o o o o o o o o o o
o o o o o o o o o o o o
Chân cắm
vào
Chân cắm ra
Ổ cp nối với bên


Hình 1.8- PLC kiểu module ghép nối

Hình 1.9- Hình dáng bộ PLC
1.2.3. Các vấn đề về lập trình
1.2.3.1. Khái niệm chung
PLC có th sử dụng một cch kinh tế hay không phụ thuộc rất lớn vào
thiết b lập trình. Khi trang b một bộ PLC thì đồng thời phải trang b một
thiết b lập trình ca cùng một hãng chế tạo. Tuy nhiên, ngày nay người ta có
th lập trình bằng phần mm trên my tính sau đó chuyn sang PLC bằng
Bộ nguồn
Bộ xử lý
Các module vào/ra
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

mạch ghép nối riêng. Sự khc nhau chính giữa bộ điu khin khả trình PLC
và công nghệ rơle hoặc bn dẫn là ở chỗ kỹ thuật nhập chương trình vào bộ
điu khin như thế nào. Trong điu khin rơle, bộ điu khin được chuyn đổi
một cch cơ học nhờ đấu nối dây "điu khin cứng", còn với PLC thì việc lập
trình được thực hiện thông qua một thiết b lập trình và một ngoại vi chương
trình. Có th chỉ ra quy trình lập trình theo giản đồ hình 1.10. Hình 1.10. Quy trình lập trình

Đ lập trình người ta có th sử dụng một trong cc mô hình sau đây:
+ Mô hình dãy.
+ Mô hình cc chức năng.

1.2.3.3. Một số ký hiệu chung
1.2.3.3.1.Cấu trúc lệnh
Một lệnh thường có ba phần chính và thường viết như hình 3.9 (có loại
PLC có cch viết hơi khc):
1. Đa chỉ tương đối ca lệnh (thường khi tập trình thiết b lập trình tự
đưa ra).
2. Phần lệnh là nội dung thao tc mà PLC phải tc động lên đối tượng
ca lệnh, trong lập trình LAD thì phần này tự th hiện trên thanh LAD, không
được ghi ra.
3. Đối tượng lệnh, là phần mà lệnh tc động theo yêu cầu điu khin,
trong đối tương lệnh lại có hai phần:
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4. Loại đối tượng, có trường hợp sau loại đối tượng có dấu ":", có cc
loại đối tượng như tín hiệu vào, tín hiệu ra, cờ (rơle nội)
5. Tham số ca đối tượng lệnh đ xc đnh cụ th đối tượng, cch ghi
tham số cũng phụ thuộc tng loại PLC khc nhau.
1.2.3.3.2. Ký hiệu thường có trong mỗi lệnh
Cc ký hiệu trong lệnh, quy ước cch viết với mỗi quốc gia có khc
nhau, thậm chí mỗi hãng, mỗi thời chế tạo ca hãng có th có cc ký hiệu
riêng. Tuy nhiên, cách ghi chung nhất cho một số quốc gia là:
* Mỹ:
+ Ký hiệu đầu vào là I (In), đầu ra là Q (out trnh nhầm O là
không).
+ Cc lệnh viết gần đ tiếng Anh ví dụ ra là out.
+ Lệnh ra (gn) là out.
+ Tham số ca lệnh dùng cơ số 10.
+ Phía trước đối tượng lệnh có dấu %.

OMRON
Siemens
Telemec-
anique
Spreher và
Schuh
Chú thích
LD
LD
LD
A
L
STR
Khởi đầu với tiếp đim
thường mở
LDN
LDI
LD NOT
AN
LN
STR
NOT
Khởi đầu với tiếp đim
thường kín
AND
AND
AND
A
A
AND

OUT OUT
Lấy tín hiệu ra

1.2.3.4. Phƣơng pháp hình thang LAD (Ladder Logic)
Phương php hình thang có dạng ca biu đồ nút bấm. Cc phần tử cơ
bản ca phương php hình thang là:
+ Tiếp đim: thường mở
Thường kín
+ Cuộn dây (mô tả cc rơle)
+ Hộp (mô tả cc hàm khc nhau, cc lệnh đặc biệt)
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Mạng LAD là đường nối cc phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, theo
thứ tự t tri sang phải, t trên xuống dưới. Qu trình quét ca PLC cũng theo
thứ tự này. Mỗi một nấc thang xc đnh một số hoạt động ca qu trình điu
khin. Một sơ đồ LAD có nhiu nấc thang. Trên mỗi phần tử ca biu đồ hình
thang LAD có cc tham số xc đnh tuỳ thuộc vào ký hiệu ca tng
hãng sản xuất PLC.
Ví dụ: Một nấc ca phương php hình thang như hình 1.11.

Hình 1.11- Phương pháp lập trình thang LAD
Hình 1.11.a là kiểu ký hiệu của Misubishi (Nhật)
Hình 1.11.b là kiểu ký hiệu của Siemens (Tây đức)
Hình 1.11.c là ký hiệu của Allen Bradley
1.2.3.5. Phƣơng pháp liệt kê 1ệnh STL (Statement List)

3 AND 000.03
4 OUT 010.00

1.2.3.6. Phƣơng pháp lƣu đồ điều khiển CSF (ControlSystemFlow)
Phương php lưu đồ điu khin CSF trình bày cc phép ton logic với
các ký hiệu đồ hoạ đã được tiêu chuẩn ho như hình 1.13. Phương php lưu
đồ điu khin thích hợp với người đã quen với phép tính điu khin bằng đại
số Boo1e.

Hình 1.13- Phương pháp lập trình CSF
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.4. Các rơle nội
Trong cc loại PLC có nhiu thuật ngữ dùng đ chỉ cc linh kiện loại
này, ví dụ: rơle phụ, bộ vạch dấu, cờ hiệu, lưu trữ bít, bít nhớ Đây là linh
kiện cung cấp cc chức năng đặc biệt gắn lin với PLC và được dùng phổ biết
trong lập trình. Rơle nội này tương tự như cc rơle trung gian trong sơ đồ rơle
công tắc tơ. Rơle nội cũng được coi là cc đầu ra đ nhận cc lệnh gn đầu ra,
nhưng thực chất đầu ra này không đưa ra ngoài (không phải thiết b ngoại vi)
mà chỉ nằm nội tại trong PLC. PLC nhỏ có th có tới hàng trăm rơle nội, cc
rơle nội đu được nuôi bằng nguồn dự phòng khi mất điện.
Bảng 1.2 - Một số ký hiệu cc rơle nội:
Hãng
Tên gọi
Ký hiệu
Ví dụ
Misubishi
Rơle phụ hoặc bộ đnh dấu

6 OUTY 433
Hình 1.12- Sơ đồ dùng Rơle nội
1.2.5. Các rơle thời gian
Trong cc hệ thống điu khin luôn luôn phải sử dụng rơle thời gian đ
duy trì thời gian cho qu trình điu khin. Trong cc PLC người ta cũng gắn

Trích đoạn Mô phỏng hoạt động theo thời gian thực Khối PLC S7-200

---