Bài giảng Bộ điều khiển lập trình - Chương 4: Kỹ thuật lập trình điều khiển trình tự

Ch 4: Kỹ thuật lập trình điều khiển trình tự

• Nếu chương trình bậc thang được viết theo kiểu: suy nghĩ về quá

trình và thực hiện viết chương trình thì điều này luôn dẫn đến tốn rất

nhiều công sức để hiệu chỉnh chương trình. Do đó, việc ứng dụng

các phương pháp thiết kế giúp cho việc thiết kế chương trình được

dễ dàng hơn.

• H

ầ

u h

ế

t các h

ệ

th

ố

ng

đ

i

ề

u khi

ể

n có tính tu

ầ

n t

ự

. Có nhi

ề

u ph

ươ

ng

pháp thiết kế hệ thống điều khiển trình tự được phát triển, đáp ứng

cho các hệ thống trình tự có mức độ phức tạp khác nhau.

• Các bước thiết kế chương trình trình tự cho PLC như sau:

Diễn đạt bằng lời quá trình điều khiển

Biễu diễn các diễn đạt sang dạng lưu đồ / biểu đồ

Xác định các điều kiện logic cho từng trạng thái của quá trình

Chuyển các biểu thức logic sang chương trình dạng bậc thang

Bộ điều khiển lập trình

4-1

Ch 4: K

ỹ

thu

ậ

t l

ậ

p trình điều khiển trình t

ự

Bộ điều khiển lập trình

4-2

4.1. Phương pháp logic rơle

Xét thí dụ thiết kế chương trình điều khiển màn hình đèn chiếu.

Mô tả quá trình

• Màn hình sẽ được cuốn lên khi nút nhấn lên được nhấn tức thời

• Màn hình sẽ được hạ xuống khi nút nhấn xuống được nhấn tức thời

• Có bố trí hai công tắc hành trình để nhận biết giới hạn trên cùng và dưới cùng

• Khi bộ điều khiển bắt đầu làm việc, màn luôn được cuốn lên và dừng ở trên cùng

Nhận diện các bước / trạng thái

• Step 1: màn hình được cuốn lên cho đến khi cảm biến giới hạn trên bị tác động.

• Step 2: màn hình đứng yên ở trên và chờ cho đến khi nút nhấn xuống được nhấn.

• Step 3: màn hình được hạ xuống cho đến khi cảm biến giới hạn dưới bị tác động.

• Step 4: màn hình đứng yên ở dưới và chờ cho đến khi nút nhấn lên được nhấn.

(sau đó quay trở lại Step 1)

Bộ điều khiển lập trình

4-3

4.1. Phương pháp logic rơle

Thiết lập biểu thức logic cho từng bước

Bước 1 tồn tại khi bộ điều khiển bắt đầu hoạt động hoặc khi đang ở bước 4 và có nhấn

nút lên. Bước 1 sẽ kết thúc khi bước 2 tồn tại. Vì các nút nhấn là tức thời nên cần có yếu

tố duy trì. Do đó, biểu thức logic của bước 1 là:

Tương tự, các biểu thức logic cho 3 bước còn lại là:

Up_motor = Step_1

Down_motor = Step_3

Bộ điều khiển lập trình

4-4

4.1. Phương pháp logic rơle

Device

Up_B

PC device

Description

Up button

Chuyển sang dạng bậc thang

X000

X001

X002

X003

Y000

Y001

Down_B

Down button

Screen is at top position

Screen is at bottom position

Raise projector screen

Lower projector screen

Up_LS

Down_LS

Screen

motor

Bộ điều khiển lập trình

4-5

4.1. Phương pháp logic rơle

Bộ điều khiển lập trình

4-6

4.1. Phương pháp logic rơle

Và với biểu thức ngõ ra:

Up_motor = Step_1

Down_motor = Step_3

Bộ điều khiển lập trình

4-7

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ

Phương pháp biểu diễn lưu đồ rất thường dùng khi thiết kế phần mềm máy tính, đồng

thời nó cũng rất phổ biến để biểu diễn trình tự họat động của một hệ thống điều khiển.

Lưu đồ có quan hệ trực tiếp đến sự mô tả bằng lời hệ thống điều khiển, chỉ ra từng điều

kiện cần kiểm tra ở từng bước và các xử lý trong bước đó theo chuỗi trình tự.

Các khối biểu tượng được sử dụng để xây dựng lưu đồ:

Bộ điều khiển lập trình

4-8

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ

Các bước thông thường để xây dựng lưu đồ là:

• Tìm hiểu quá trình

• Xác định các bước / hành động chính và biểu diễn chúng thành các khối

• Xác định trình tự của các bước (khối) thông qua các mũi tên.

• Sử dụng khối quyết định để thực hiện phân nhánh.

Xét thí dụ thiết kế chương trình điều khiển một bồn nước.

Bộ điều khiển lập trình

4-9

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ

Xây dựng lưu đồ

Mô tả quá trình

• Khi nút nhấn Start được

nhấn, van ngõ vào mở ra cho

nước chảy vào bồn và van ngõ

ra đóng lại.

• Khi bồn đầy (dựa vào tín hiệu

từ cảm biến) hoặc nút Stop

được nhấn, van ngõ vào đóng

lại và van ngõ ra mở ra cho

nước chảy ra khỏi bồn.

• Khi bộ điều bắt đầu làm việc,

van ngõ ra luôn được mở và

van ngõ vào luôn bị đóng.

Bộ điều khiển lập trình

4-10

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Phương pháp 1: Xây dựng logic bậc

thang dùng khối lệnh (sử dụng cặp

lệnh MC và MCR) .

• Bước 1: Gán mỗi nhãn vào từng

khối trên lưu đồ

Bộ điều khiển lập trình

4-11

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

• Bước 2: Vẽ nhánh logic, chuyển chương trình PLC nhảy vào khối thứ nhất khi bộ điều

khiển bắt đầu làm việc

Device

CS

PC device

X000

Description

Level sensor

Start

X001

Start button

Stop button

Inlet valve

X002

Stop

IV

Y000

Y001

Outlet valve

OV

Bộ điều khiển lập trình

4-12

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

• Bước 3: Vẽ nhánh logic cho mỗi khối trong lưu đồ

Khối thứ nhất khóa van ngõ vào và mở van ngõ ra, sau đó sẽ chuyển sang khối thứ hai,

do đó nhánh logic của khối này có thể được biểu diễn như sau:

Bộ điều khiển lập trình

4-13

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Đối với khối thứ hai:

Bộ điều khiển lập trình

4-14

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Đối với khối thứ ba:

Bộ điều khiển lập trình

4-15

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Đối với khối thứ tư:

Bộ điều khiển lập trình

4-16

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Đối với khối thứ năm:

Bộ điều khiển lập trình

4-17

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - block logic

Đối với khối thứ sáu:

Bộ điều khiển lập trình

4-18

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

Phương pháp 2: Xây dựng logic bậc

thang dùng chuỗi các bit.

• Bước 1: Gán mỗi nhãn vào từng

khối và vào từng mũi tên chuyển tiếp

đến từng khối trên lưu đồ

Bộ điều khiển lập trình

4-19

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

• Bước 2: Xây dựng đọan chương trình xác định điều khiển chuyển tiếp giữa các khối.

Các điều kiện này nên viết chung với nhau và được đặt vào phần đầu của chương trình

PLC (trước các đoạn thực hiện logic cho các khối)

Điều kiện chuyển tiếp cho khối thứ nhất đúng khi bộ điều khiển bắt đầu hoạt động. Đối

với khối thứ hai, điều kiện chuyển tiếp là từ ba khối (khối thứ nhất, thứ hai và thứ sáu).

Bộ điều khiển lập trình

4-20

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

Xét tương tự cho các điều kiện chuyển tiếp của bốn khối còn lại.

Bộ điều khiển lập trình

4-21

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

• Bước 3: Dùng các điều kiện chuyển tiếp ở bước hai để kích hoạt và kết thúc các khối.

Theo đó, xây dựng nhánh logic cho các ngõ ra tương ứng.

Bộ điều khiển lập trình

4-22

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

Bộ điều khiển lập trình

4-23

4.2. Phương pháp biểu diễn lưu đồ - sequence bits

Bộ điều khiển lập trình

4-24

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Một trạng thái hệ thống có thể được xem như một chế độ họat động của hệ thống điều

khiển. Thí dụ: một máy ATM có thể được xem bao gồm các trạng thái như sau:

Ask for

amount of

cash

Deliver

cash / return

card

Get secret

number

Idle

Select

transacition

type

Count cash

Scan card

Một hệ thống điều khiển trình tự có thể được mô tả bởi các trạng thái hệ thống và các

điều kiện chuyển tiếp giữa các trạng thái.

Bộ điều khiển lập trình

4-25

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Thí dụ: một hệ thống điều khiển đèn tự động, được mô tả bởi sơ đồ trạng thái như sau:

Lưu ý:

• Vòng lặp else ngụ ý rằng, trạng thái hiện tại vẫn tồn tại nếu điều kiện chuyển tiếp từ

trạng thái đó đến các trạng thái không thỏa. Do đó, nó thường được bỏ qua khi biểu diễn

sơ đồ trạng thái.

• Chỉ một trạng thái tồn tại ở một thời điểm, và các điều kiện chuyển tiếp là tức thời.

• Ngõ ra là hàm của các trạng thái.

Bộ điều khiển lập trình

4-26

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Đối với một trạng thái S_i:

Bộ điều khiển lập trình

4-27

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Các bước để thiết lập một sơ đồ trạng thái:

• Nhận diện các trạng thái

• Xác định các ngõ ra tại mỗi trạng thái

• Xác định các điều kiện chuyển tiếp giữa các trạng thái

Xét thí dụ một hệ thống ON / OFF một động cơ

Mô tả quá trình

• Nếu nút START được nhấn (khi không nhấn nút STOP) thì động cơ sẽ làm việc

sau hai giây.

• Bất kỳ khi nào nút STOP được nhấn thì động cơ dừng lại.

Bộ điều khiển lập trình

4-28

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Xây dựng sơ đồ trạng thái – nhận diện các trạng thái

Xây dựng sơ đồ trạng thái – xác định các ngõ ra

S₂

S₁

S₃

Motor = 0

Motor = 1

wait

2 sec.

wait for

start

motor

on

Bộ điều khiển lập trình

4-29

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Xây dựng sơ đồ trạng thái – xác định các điều kiện chuyển tiếp

STOP

Timer [2 sec]

S₂

S₁

S₃

Motor = 0

Timer = 0

Motor = 0

Timer = 1

Motor = 1

Timer = 0

wait

2 sec.

wait for

start

motor

on

Bộ điều khiển lập trình

4-30

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Thiết lập biểu thức logic cho từng trạng thái và các ngõ ra tương ứng

Biểu thức logic tổng quát cho trạng thái thứ i là:

"memory" or

"hold" for state S_i

all states

that transit to S_i

all states

that S_itransits to

Biểu thức logic tổng quát cho ngõ ra O_ilà:

all states where O_iis true (on)

Bộ điều khiển lập trình

4-31

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Lưu ý: Nếu giữa hai trạng thái vừa có chuyển tiếp tới và chuyển tiếp lui (direct bi-

directional transition), khi đó cần phải thêm trạng thái giả (dummy state) vào sơ đồ trạng

thái.

STOP

Timer [2 sec]

S₂

S₁

S₃

Motor = 0

Motor = 1

direct bi-directional transition

Ta có:

Không thể trở về S₁từ S₂

Bộ điều khiển lập trình

4-32

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

STOP

1

Timer [2 sec]

S_d

S₂

S₁

S₃

Motor = 0

Timer = 0

Motor = 0

Timer = 0

Motor = 0

Timer = 1

Motor = 1

Timer = 0

Motor = S

₃

Timer = S₂

Bộ điều khiển lập trình

4-33

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Với bảng I/O như hình bên,

chương trình PLC được viết như

sau:

Device

START

STOP

PC device

X000

Description

Start button

Stop button

Motor

X001

Y000

Bộ điều khiển lập trình

4-34

4.3. Phương pháp sơ đồ trạng thái

Bộ điều khiển lập trình

4-35

4.4. Phương pháp biểu đồ chức năng

Các phương pháp vừa được trình bày ở trên thông thường chỉ phù hợp đối với những

quá trình mà chỉ có một trạng thái / bước tồn tại tại một thời điểm. Do đó, chúng trở nên

khó khăn khi biểu diễn một quá trình hoạt động phức tạp – bao gồm nhiều trình tự thực

hiện đồng thời. Khi đó, phương pháp biểu đồ chức năng được sử dụng để giải quyết

những trường hợp như thế.

Thí dụ như trong hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông, có nhiều họat động được thực

hiện đồng thời cung cấp nguyên vật liệu vào bồn trộn như:

Bộ điều khiển lập trình

4-36

4.4. Phương pháp biểu đồ chức năng

Các thành phần cơ bản hình thành nên biểu đồ chức năng:

Dòng tín hiệu và điều kiện chuyển tiếp

Bước (trạng thái)

Bước đầu tiên (khởi tạo)

Bộ điều khiển lập trình

4-37

4.4. Phương pháp biểu đồ chức năng

Phân nhánh có lựa chọn

Phân nhánh đồng thời

Bộ điều khiển lập trình

4-38

4.4. Phương pháp biểu đồ chức năng

Sơ đồ SFC mô tả một hệ thống

điều khiển hai cửa tự động.

4-39

Bộ điều khiển lập trình

4.4. Phương pháp biểu đồ chức năng

Kỹ thuật lập trình dùng STepLadder (STL) đối với PLC họ FX - Mitsubishi

Kỹ thuật lập trình STL này tương tự với sự biễu

diển của biểu đồ chức năng, và có những đặc

điểm như sau:

• Khả năng giữ được trạng thái hiện hành

nhờ dùng cờ có khả năng chốt.

• Tự động vô hiệu trạng thái đước đó khi

chuyển vào trạng thái hiện hành.

• Dễ dàng phân nhánh song song (dạng

OR / AND).

• Được hổ trợ thông qua cờ trạng thái S

Bộ điều khiển lập trình

4-40