Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs

3. PHẦN CỨNG PLC

Chủ đề:

 Các cấu hình phần cứng PLC

 Các loại đầu vào và các loại đầu ra

 Dây điện cho các đầu vào và các đầu ra

 Các rơ le

 Các sơ đồ bậc thang điện và các ký hiệu dây JIC

Mục tiêu:

 Có khả năng hiểu và thiết kế đi dây đầu vào và đầu ra cơ bản

 Có khả năng vẽ các sơ đồ đi dây công nghiệp

3.1 GIỚI THIỆU

Nhiều cấu hình PLC là có sẵn, thậm chí từ chỉ một nhà cung cấp. Nhưng, trong

mỗi cấu hình này có chung nhiều thành phần và ý tưởng. Những thành phần cơ bản

nhất là:

Nguồn – Cái này có thể được xây dựng trong PLC hay là một đơn vị bên

ngoài. Những mức điện thế thông thường được yêu cầu cho này PLC (cùng

hay không cùng với nguồn) là 24V một chiều, 120V xoay chiều, 220V xoay

chiều.

CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm) – Đây là một máy tính ở

đó logic bậc thang được lưu trữ và được xử lý.

I/O (Input/Output) – Một số lượng thiết bị đầu cuối vào/ra phải được cung

cấp để mà PLC này có thể giám sát tiến trình và khởi đầu các hành động.

Các đèn báo – Những cái này cho biết trạng thái của PLC bao gồm có điện,

chương trình đang chạy, và lỗi. Đây là những điều thiết yếu khi chẩn đoán

các bài toán.

Cấu hình của PLC nói tới gói của các thành phần. Các cấu hình điển hình được liệt kê

dưới đây từ lớn nhất cho đến nhỏ nhất như được chỉ ra trong hình 3.1.

Giá – Một giá thường lớn (cỡ tới 18’’x30’’x10’’) và có thể chứa nhiều thẻ. Khi cần

thiết, nhiều giá có thể được nối với nhau. Chúng có chiều hướng làm cho giá cả cao

nhất, nhưng cũng là cách mềm dẻo nhất và dễ nhất cho bảo trì.

Mini (cái nhỏ) – Đây là những cái tương tự về chức năng so với các giá PLC, nhưng chỉ

nhỏ bằng một nửa với giá ấy.

Hộp hẹp – Một đơn vị nhỏ gọn, tất cả trong một (khoảng một nửa cỡ của một hộp

hẹp) mà đơn vị đó đã làm giới hạn các khả năng mở rộng. Giá rẻ hơn, và nhỏ gọn làm

điều này là lý tưởng cho những ứng dụng nhỏ.

Micro (rất nhỏ) – Những đơn vị này có thể nhỏ như một bộ bài. Chúng có xu hướng

làm cố định số lượng của đầu vào đầu ra và giới hạn những tính năng, nhưng giá sẽ là

thấp nhất.

Phần mềm – Một phần mềm dựa trên PLC yêu cầu một máy tính với một thẻ (card)

giao diện, nhưng cho phép PLC này được kết nối tới các cảm biến và các PLC khác

trên mạng.

Figure 3.1 Typical Configurations for PLC – Các cấu hình thông dụng cho PLC

3.2 CÁC ĐẦU VÀO VÀ CÁC ĐẦU RA

Các đầu vào tới, và các đầu ra từ, một PLC là cần thiết cho giám sát và điều

khiển một tiến trình. Cả các đầu vào và cả các đầu ra có thể được phân loại làm hai

loại cơ bản: logic hoặc liên tục. Xem xét ví dụ của một bóng đèn. Nếu nó chỉ có thể

bật hoặc tắt, nó là điều khiển logic. Nếu đèn này có thể mờ đi tới các mức độ khác

nhau, thì là liên tục. Những giá trị liên tục dường như có tính trực quan hơn, nhưng

các giá trị logic được ưa thích hơn vì chúng cho phép nhiều chắc chắn hơn và làm

đơn giản điều khiển. Vậy là hầu hết các ứng dụng điều khiển (và các PLC) dùng các

đầu vào và các đầu ra logic cho hầu hết các ứng dụng. Vì vậy, ta sẽ thảo luận vào/ra

logic và để vào/ra liên tục được thảo luận sau.

Những đầu ra tới các bộ truyền động cho phép một PLC gây ra một thứ gì đó

xảy ra trong một tiến trình. Một danh sách ngắn về các bộ truyền động thông dụng

được đưa ra dưới đây theo thứ tự tương đối của sự thông dụng.

Các van cuộn cảm – những đầu ra logic mà những đầu ra này có thể chuyển

đổi một dòng thủy lực hay dòng khí nén.

Các đèn – những đầu ra logic mà những đầu ra này có thể thường được cấp

nguồn một cách trực tiếp từ các bảng đầu ra của PLC.

Động cơ khởi động – những động cơ hút một lượng lớn điện khi được khởi

động, đến nỗi chúng cần có các động cơ khởi động, những động cơ khởi

động này về cơ bản là những rơ le lớn.

Các cơ cấu tự động – một đầu ra liên tục từ PLC có thể chỉ huy một tốc độ

biến thiên hay một sự thay đổi vị trí.

Những đầu ra từ các PLC thường là các rơ le, nhưng chúng có thể là những các

linh kiện điện tử trạng thái rắn như là các bán dẫn cho những đầu ra điện một chiều

hay các Triac cho các đầu vào dòng xoay chiều. Những đầu ra liên tục yêu cầu những

thẻ đầu ra đặc biệt với các bộ chuyển từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.

Những giá trị đầu vào từ các cảm biến mà những cảm biến này chuyển đổi hiện

tượng vật lý sang các tín hiệu điện. Những ví dụ điển hình của các cảm biến được liệt

kê dưới đây theo thứ tự tương đối của sự phổ dụng.

Các chuyển mạch tiệm cận – sử dụng tính tự cảm, điện dung hay đèn để dò

một đối tượng một cách logic (một cách hợp lý).

Các chuyển mạch – các cơ chế cơ khí sẽ mở hay đóng các công tắc cho một

tín hiệu logic.

Điện thế kế - đo đạc các vị trí góc liên tục, bằng cách sử dụng điện trở.

LVDT (Linear Variable Differential Transformer – Máy chuyển đổi tham biến

vi phân tuyến tính) – đo đạc độ dịch chuyển tuyến tính một cách liên tục

bằng cách sử dụng khớp nối từ trường.

Những đầu vào cho một PLC đến từ một vài biến thể cơ bản, đơn giản nhất là

những đầu vào dùng điện một chiều và xoay chiều. Các đầu vào sinking và sourcing

cũng là phổ dụng. Phương pháp đầu ra này ra lệnh rằng một thiết bị không được cấp

điện nữa. Thay vào đó, thiết bị chỉ bật tắt dòng, như một chuyển mạch đơn giản.

Sinking – dìm xuống - Khi kích hoạt đầu ra này cho phép dòng điện tiếp đất.

Đây là sự lựa chọn tốt nhất khi nhiều điện thế khác nhau được cung cấp.

Sourcing – cấp cho - Khi kích hoạt, dòng điện đến từ một nguồn, qua thiết bị

ra và tới đất. Cách này được dùng tốt nhất khi mọi thiết bị sử dụng một điện

áp duy nhất.

Đây cũng được biết tới như là NPN (sinking) và PNP (sourcing). PNP là phổ biến

hơn. Điều này sẽ được đề cập chi tiết hơn trong chương nói về các cảm biến.

3.2.1 Các đầu vào

Trong các PLC nhỏ hơn những đầu vào thường được chế tạo gắn liền bên trong

và được chỉ rõ khi mua PLC đó. Các PLC lớn hơn các đầu vào được mua như là các mô

đun (đơn thể), hay các thẻ (card), với 8 hay 16 đầu vào đầu vào của cùng một loại

trên mỗi thẻ. Cho các mục đích thảo luận ta sẽ thảo luận mọi đầu vào như nếu chúng

được mua như các thẻ (card). Danh sách dưới chỉ ra những phạm vi điển hình cho

các điện thế đầu vào, và được sắp xếp theo thứ tự của sự phổ biến một cách thô

thiển.

12-24 Vdc

100-120 Vac

10-60 Vdc

12-24 Vac/dc

5 Vdc (TTL)

200-240 Vac

48 Vdc

24 Vac

Các thẻ đầu vào PLC hiếm khi cung cấp điện, điều này có nghĩa là một nguồn

điện bên ngoài là cần thiết để cấp điện cho những đầu vào và các cảm biến. Ví dụ

trong hình 3.2 chỉ ra làm thế nào để nối một thẻ đầu vào dùng nguồn xoay chiều.

Ghi chú: Những đầu vào thường là có trở kháng cao. Điều này có nghĩa chúng sẽ

dùng rất ít dòng.

Figure 3.2 An AC Input Card and Ladder Logic

Hình 3.2 Một thẻ đầu vào dùng điện xoay chiều và logic bậc thang

Trong ví dụ này có hai đầu vào, một là nút ấn thường mở, và cái thứ hai là một

chuyển mạch nhiệt, hay rơ le nhiệt. (GHI CHÚ: Những ký hiệu này là chuẩn và sẽ

được thảo luận trong chương 24). Cả hai chuyển mạch này được cấp điện bởi dây

nóng đầu ra của nguồn xoay chiều 24 V – nó giống như cực dương trong một nguồn

một chiều. Điện được cấp cho phần bên trái của cả hai chuyển mạch này. Khi các

chuyển mạch là mở không có điện tới thẻ đầu vào. Nếu một trong hai chuyển mạch

là đóng điện sẽ được cấp cho thẻ đầu vào. Trong trường hợp này đầu vào 1 và 3

được sử dụng – nhớ rằng các đầu vào bắt đầu tại 0. Thẻ đầu vào so sánh những điện

thế này với điện thế trung hòa. Nếu điện thế đầu vào là trong vòng dung sai đã cho

các đầu vào sẽ bật. Logic bậc thang được chỉ trong hình cho các đầu vào. Ở đây dùng

ký hiệu Allen Bradley cho các giá PLC-5. Ở trên đỉnh là chỗ của thẻ đầu vào I:013 mà

thẻ này chỉ ra cái thẻ ấy là một thẻ đầu vào trong giá 01 của khe 3. Số đầu vào thẻ ấy

được chỉ ra dưới đây như là công tắc 01 và 03.

Nhiều người mới bắt đầu thấy bối rối về chỗ các kết nối được cần đến trong

mạch bên trên. Chìa khóa để nhớ là mạch, nó có nghĩa là có một vòng lặp đầy đủ mà

vòng lặp này điện thế đó phải có khả năng để theo sau. Trong hình 3.2 ta có thể bắt

đầu theo sau mạch (vòng lặp) tại nguồn. Đường đi qua các chuyển mạch, qua thẻ đầu

vào, và trở lại nguồn điện nơi mà nó trở về tới chỗ bắt đầu. Trong một sự thực thi

PLC đầy đủ sẽ có nhiều mạch mà chúng phải là hoàn thiện từng mạch.

Một hiểu biết quan trọng thứ hai là tài nguyên dùng chung (common; dây trung hòa).

Ở đây dây trung hòa của nguồn là tài nguyên dùng chung, hay điện thế tham chiếu.

Trong thực tế ta đã chọn cái này là điện thế tham chiếu 0V của chúng ta, và mọi điện

thế khác được đo đạc liên quan đến điện thế này. Nếu ta có một nguồn điện khác, ta

cũng sẽ cần nối với dây trung hòa để mà cả hai dây trung hòa sẽ được nối tới cùng

một điện thế tham chiếu. Thường thường điện thế tham chiếu và dây nối đất sẽ bị

nhầm lẫn. Tài nguyên dùng chung là một điện thế tham chiếu, hay điện thế mốc mà

điện thế này được sử dụng cho 0V, nhưng dây nối đất được dùng để chống điện giật

và thiệt hại cho thiết bị. Dây nối đất được nối tới dưới nhà qua một ống kim loại hay

lưới kim loại trong nền nhà. Dây này được kết nối với hệ thống điện của một tòa nhà,

tới các ổ cắm điện, nơi mà các thiết bị kim loại của dụng cụ điện được kết nối. Khi

dòng điện qua dây đất thì là xấu. Đáng tiếc là nhiều kỹ sư, nhiều nhà sản xuất trộn lẫn

dây trung hòa và dây tiếp đất. Rất phổ biến để tìm ra một nguồn mà dây đất và dây

trung hòa bị nhầm lẫn.

Đừng trộn lẫn dây đất và dây trung hòa. Đừng nối chúng với nhau nếu dây trung hòa

của thiết bị của bạn được nối tới một dây trung hòa trên một thiết bị khác.

Một hiểu biết cuối là có xu hướng bẫy những người mới là mỗi thẻ đầu vào bị cô

lập. Có nghĩa là nếu bạn đã nối một dây trung hòa tới chỉ một thẻ (card), thì những

thẻ khác là không được kết nối. Khi điều này xảy ra những thẻ khác sẽ không làm việc

hợp lệ. Bạn phải nối một dây trung hòa cho mỗi thẻ đầu vào.

Có nhiều lý do thỏa hiệp khi quyết định loại thẻ đầu vào nào được sử dụng.



Các điện thế nguồn một chiều thường là thấp hơn, và vì vậy an toàn

hơn (ví dụ: 12-24V).



Các đầu vào nguồn một chiều là rất nhanh, các đầu vào nguồn xoay

chiều cần một sự đúng giờ dài hơn. Ví dụ, một sóng 60Hz có lẽ cần tới 1/60

giây cho sự công nhận hợp pháp.



Những điện thế một chiều có thể được kết nối tới một độ đa dạng lớn

hơn của các hệ thống điện.

Các tín hiệu xoay chiều là miễn dịch với tiếng ồn nhiều hơn là tín hiệu



một chiều, vì thế chúng phù hợp với khoảng cách dài hơn, và các môi trường

ồn (từ trường).



Điện xoay chiều là dễ và rẻ hơn để cung cấp cho các thiết bị.



Các tín hiệu xoay chiều là rất phổ biến trong nhiều thiết bị tự động hiện

có.

THÊM: Các đầu vào PLC phải chuyển một loạt các mức logic khác nhau tới mức

logic 5V một chiều được sử dụng trên buýt dữ liệu. Điều này có thể được làm xong

với những mạch tương tự như được chỉ ra ở dưới. Cơ bản là những mạch này điều

chỉnh đầu vào để điều khiển một khoang móc nối (optocoupler). Điều này cô lập về

điện mạch điện ngoài với mạch điện trong. Những thành phần mạch điện khác được

dùng để bảo vệ chống lại sự vượt quá hoặc đảo ngược phân cực điện áp.

Figure 3.3 Aside: PLC Input Circuits – Các mạch đầu vào PLC

3.2.2 Các mô đun đầu ra

CẢNH BÁO – LUÔN KIỂM TRA ĐIỆN THẾ VÀ DÒNG TIÊU THỤ CHO CÁC PLC ĐỂ CHÚNG

KHÔNG VƯỢT QUÁ GIỚI HẠN.

Như với các mô đun đầu vào, các mô đun đầu ra hiếm khi trở thành bộ cấp

điện, mà thay vì thế hoạt động như các chuyển mạch. Những nguồn điện cấp ngoài

được nối với các thẻ đầu ra và thẻ này sẽ bật hay tắt cho mỗi đầu ra. Những điện thế

đầu ra tiêu biểu được liệt kê ở dưới, và được sắp xếp theo tính phổ biến một cách

thô thiển.

120 Vac

24 Vdc

12-48 Vac

12-48 Vdc

5Vdc (TTL)

230 Vac

Những thẻ này thường có 8 đến 16 đầu ra cùng một loại và có thể được mua

với dòng tiêu thụ khác nhau. Một sự lựa chọn thông thường khi mua các thẻ đầu ra

là các rơ le, các bán dẫn, hay các triac. Các rơ le là những thiết bị đầu ra linh hoạt

nhất. Chúng có khả năng chuyển mạch cả các đầu ra một chiều và xoay chiều. Nhưng,

chúng chậm hơn (cỡ 10 ms tốc độ chuyển mạch trung bình), chúng cồng kềnh hơn,

đắt hơn, và chúng sẽ kiệt sức sau hàng triệu vòng quét. Những đầu ra rơ le thường

được gọi là các công tắc khô (dry). Các bán dẫn bị giới hạn bởi các đầu ra một chiều,

và các triac bị giới hạn bởi các đầu ra xoay chiều. Các đầu ra bán dẫn và triac được

gọi là các đầu ra được chuyển mạch.

-

Các công tắc khô – một rơ le đơn lẻ được dành riêng cho mỗi đầu ra. Điều này

sẽ cho phép nhiều điện thế (Xoay chiều hay một chiều và những mức điện áp

tới mức tối đa), cũng như những đầu ra được cách ly để bảo vệ những đầu ra

khác và PLC. Thời gian trả lời thường là lớn hơn 10ms. Phương cách này là

kém nhạy nhất so với sự biến thiên điện thế và các tăng giảm điện thế.

Các đầu ra chuyển mạch – một điện thế được cấp cho thẻ PLC, và thẻ này

chuyển mạch nó tới các đầu ra khác nhau bằng cách dùng mạch trạng thái rắn

(các bán dẫn, các triac, v.v...). Triac là phù hợp các thiết bị dùng điện xoay

chiều dùng dòng nhỏ hơn 1A. Các đầu ra bán dẫn dùng NPN hay PNP bán dẫn

thông thường có thể tới 1A. Thời gian đáp ứng của chúng là tốt dưới 1ms.

-

THÊM: Các đầu ra PLC phải chuyển đổi các mức logic 5V một chiều trên buýt

(đường truyền) dữ liệu của PLC tới các mức điện áp bên ngoài. Điều này có thể làm

xong với các mạch tương tự như được chỉ ra ở dưới. Cơ bản là những mạch dùng

khoang móc nối (optocoupler) để chuyển mạch mạch bên ngoài. Điều này cách ly về

điện mạch điện bên ngoài với mạch điện bên trong. Các thành phần mạch khác được

dùng để bảo vệ chống lại sự vượt quá hay đảo ngược phân cực điện áp.

Ghi chú: Một vài đầu ra xoay chiều sẽ vẫn sử dụng

việc dò điện thế không (zero). Điều này cho phép

đầu ra được bật khi điện thế và dòng là tắt một

cách thực sự, vì vậy chống lại các xung.

Figure 3.4 Aside: PLC Output Circuits – Các mạch đầu ra PLC

Cần thận trọng khi xây dựng một hệ gồm cả các đầu ra xoay chiều và một chiều.

Nếu nguồn xoay chiều được kết nối một cách vô tình tới một đầu ra bán dẫn nguồn

một chiều nó sẽ chỉ bật khoảng nửa chu kỳ có cực dương, và xuất hiện như là làm

việc với một điện thế bị thấp. Nếu nguồn một chiều được kết nối với một đầu ra triac

xoay chiều nó sẽ bật và dường như làm việc, nhưng ta sẽ không thể tắt nó mà không

tắt toàn bộ PLC.

THÊM: Một bán dẫn là một thiết bị dựa trên chất bán dẫn mà thiết bị này có thể

hoạt động như một van có thể điều chỉnh được. Khi tắt nó đi nó sẽ ngăn chặn dòng

theo cả hai phía. Khi bật nó sẽ cho điện đi qua chỉ theo một phía. Bình thường có một

sự hao tổn một vài vôn khi dòng qua bán dẫn này. Một triac giống như hai SCRs (hay

các bán dẫn tưởng tượng) được nối với nhau để dòng có thể đi qua theo cả hai phía,

nó là tốt cho dòng xoay chiều. Một sự khác biệt chính cho một triac là nếu nó được

bật để cho dòng qua, và sau đó tắt, nó sẽ không tắt cho đến khi dòng dừng lại không

qua nữa. Đây là tốt cho dòng xoay chiều vì dòng dừng và đảo ngược mỗi nửa chu kỳ,

nhưng điều này không xảy ra với dòng một chiều, và vì vậy cái triac này sẽ duy trì

việc bật.

Một vấn đề chính với các đầu ra là nhiều nguồn điện hỗn hợp. Rất tốt cho thực

hành để cô lập mọi nguồn điện và giữ chúng các dây trung hòa của chúng độc lập với

nhau, nhưng đây không luôn là khả thi. Vài mô đun đầu ra, như các rơ le, cho phép

mỗi đầu vào có được dây trung hòa của nó. Những thẻ đầu ra khác yêu cầu rằng

nhiều, hay tất cả, các đầu ra trên mỗi thẻ (card) chia sẻ cùng một dây trung hòa. Mỗi

thẻ đầu ra sẽ được cách ly với phần còn lại, vì vậy mỗi dây trung hòa sẽ phải được

kết nối lại. Là bình thường cho những người mới để kết nối dây trung hòa tới một

thẻ, và quên các thẻ khác – sau đó chỉ một thẻ dường như hoạt động!

Thẻ đầu ra được chỉ trong hình 3.5 là một ví dụ của một thẻ đầu ra 24V một

chiều mà thẻ này đã chia sẻ tài nguyên. Loại thẻ đầu ra này sẽ thường sẽ dùng các

bán dẫn một cách điển hình để cho các đầu ra.

Figure 3.5 An Example of a 24Vdc Output Card (Sinking)

Một ví dụ của một thẻ đầu ra 24V điện một chiều

Trong ví dụ này những đầu ra được nối với một đèn dòng điện thấp và một

cuộn dây rơ le. Xem xét mạch điện qua đèn này, bắt đầu tại nguồn 24V một chiều.

Khi đầu ra 07 là bật, dòng điện có thể qua đầu ra 07 tới COM, vì vậy hoàn thành

mạch, và cho phép đèn bật sáng. Nếu đầu ra này là tắt thì dòng không thể qua, và

đèn sẽ không bật. Đầu ra 03 cho rơ le được kết nối theo cách tương tự. Khi đầu ra 03

là bật, dòng sẽ chuyển qua cuộn dây rơ le để đóng các công tắc và cấp dòng 120V

xoay chiều cho động cơ. Logic bậc thang cho các đầu ra được chỉ ra trong phía phải

dưới của hình. Các ký hiệu là dùng cho một Allen Bradley PLC-5. Giá trị tại phía trên

bên trái của các đầu ra, O:012, chỉ ra rằng thẻ là một thẻ đầu ra, trong giá 01, trong

khe 2 của giá. Tới phía dưới bên phải của các đầu ra là số đầu ra trên thẻ 03 hay 07.

Thẻ này có thể có nhiều điện thế khác nhau được cấp từ nhiều nguồn khác nhau,

nhưng mọi nguồn điện này sẽ cần một tài nguyên dùng chung được chia sẻ duy nhất

(common – dây trung hòa).

Các mạch trong hình 3.6 có sự tuần tự của nguồn điện, sau đó là thiết bị, sau là

thẻ PLC, sau lại là nguồn. Điều này yêu cầu thẻ đầu ra này có một dây trung hòa. Một

vài giản đồ đầu ra đảo ngược thiết bị này và thẻ PLC, do đó thay thế dây trung hòa

này bằng một điện thế đầu vào. Ví dụ trong hình 3.5 được nhắc lại trong hình 3.6 cho

một thẻ cung cấp điện thế.

Figure 3.6 An Example of a 24Vdc Output Card With a Voltage Input (Sourcing)

Một ví dụ về một thẻ đầu ra nguồn một chiều 24V với một điện thế đầu vào (cấp cho)

Trong ví dụ này cực dương của dòng 24V một chiều được nối với thẻ đầu ra một

cách trực tiếp. Khi một đầu ra là bật điện sẽ được cấp cho đầu ra đó. Ví dụ, nếu đầu

ra 07 là bật thì điện áp nguồn sẽ ra bóng đèn. Dòng sẽ đi qua đèn và trở lại tới dây

trung hòa của nguồn cung cấp điện này. Công việc này rất giống với cái rơ le chuyển

mạch động cơ. Chú ý rằng logic bậc thang (được chỉ ra ở phía phải bên dưới của hình)

là giống hệt trong hình 3.5. Với loại thẻ đầu ra này chỉ một nguồn điện có thể được

sử dụng.

Ta cũng có thể dùng các đầu ra rơ le để chuyển mạch các đầu ra. Ví dụ trong

hình 3.5 và 3.6 được nhắc lại trong hình 3.7 cho đầu ra rơ le.

Figure 3.7 An Example of a Relay Output Card

Một ví dụ về một thẻ đầu ra rơ le

Trong ví dụ này nguồn 24V một chiều được nối trực tiếp với cả hai rơ le (nhớ

rằng điều này bây giờ yêu cầu 2 kết nối, trong khi ví dụ trước chỉ cần một). Khi một

đầu ra được kích hoạt đầu ra này bật và điện được chuyển tới các thiết bị đầu ra. Bố

cục này là rất giống như hình 3.6 với điện thế cung cấp các đầu ra, nhưng những rơ le

này có thể được dùng kết nối các đầu ra với đất, như trong hình 3.5. Khi dùng các

đầu ra rơ le có thể có mỗi đầu ra là độc lập với những cái tiếp theo. Một thẻ đầu ra

rơ le sẽ có những đầu ra điện xoay chiều và một chiều cùng với nhau (bên cạnh

nhau).

3.3 RƠ LE

Mặc dầu các rơ le hiếm khi được dùng cho điều khiển logic, chúng vẫn cần thiết

để chuyển mạch nhiều tải nguồn điện lớn. Một vài thuật ngữ quan trọng cho rơ le

được chỉ ra ở dưới.

Contactor - Công tắc – những rơ le đặc biệt cho chuyển mạch nhiều tải dòng

(điện) lớn.

Motor Starter – Động cơ khởi động – Về cơ bản một công tắc mắc nối tiếp

với một rơ le quá tải để cắt nguồn khi có quá nhiều dòng được hút vào (tiêu

thụ).

Arc Suppression - Ngăn tia hồ quang – khi bất cứ rơ le nào được bật hay bị

đóng một tia lửa sẽ nảy ra. Điều này trở nên một vấn đề chính với các rơ le

lớn. Bật các rơ le chuyển mạch dòng xoay chiều vấn đề này có thể được khắc

phục bằng cách mở rơ le đó khi điện thế tới không (trong khi qua lại cực

dương và cực âm). Khi chuyển mạch nhiều tải một chiều vấn đề này có thể

tối thiểu hóa bằng cách thổi khí áp lực qua trong khi mở để triệt tiêu sự hình

thành tia hồ quang.

AC coils - Các cuộn dây dòng xoay chiều – Nếu một cuộn dây bình thường

được cấp nguồn bởi nguồn xoay chiều các công tắc này sẽ dao động hở và

đóng tại tần số của dòng xoay chiều này. Vấn đề được khắc phục bởi các nhà

sản xuất rơ le bằng cách thêm một cực mờ tới kiến trúc bên trong của rơ le

này.

Việc xem xét quan trọng nhất khi lựa chọn rơ le, hay các đầu ra rơ le của một

PLC, là dòng và điện thế tiêu thụ. Nếu điện thế tiêu thụ là quá cao, các công tắc sẽ

sớm bị quá tải, hay nếu điện thế quá cao sẽ gây cháy. Dòng tiêu thụ là dòng tối đa

được sử dụng. Khi điều này vượt quá thiết bị sẽ trở nên quá nóng, và sẽ gặp lỗi

nhanh. Các giá trị tiêu thụ là điển hình của cả xoay và một chiều, mặc dù dòng một

chiều tiêu thụ ít hơn là dòng xoay chiều. Nếu các tải thực sự sử dụng dưới các giá trị

tiêu thụ các rơ le làm việc tốt một cách vô thời hạn. Nếu các giá trị này vượt quá một

lượng nhỏ thì cuộc đời của rơ le sẽ bị ngắn lại một cách tương ứng. Vượt quá các giá

trị này cho phép một cách đáng kể có thể dẫn tới lỗi ngay lập tức và hư hỏng vĩnh

viễn. Hãy nhớ rằng rơ le cũng có thể bao gồm các giá trị tiêu thụ tối thiểu mà các trị

tiêu thụ tối thiểu này cũng nên được theo dõi để chắc chắn rằng hoạt động hợp lệ và

lâu dài.



Điện thế tiêu thụ - Rated Voltage – Điện thế hoạt động đề xuất cho cuộn

dây. Các mức thấp hơn có thể gây ra lỗi trong hoạt động, các điện thế

mức trên làm giảm tuổi thọ.



Dòng tiêu thụ - Rated Current – Dòng cực đại trước khi tiếp điểm thiệt

hại xảy ra (hàn hay nóng chảy).

3.4 NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG

(Thử giải quyết tình huống sau mà không nhìn vào giải pháp trong hình 3.8).

Một bản vẽ điện là cần đến cho một máy ép thủy lực. Máy ép này dùng một van cảm

ứng phát động đôi dòng 24V một chiều để tiến và lùi máy ép. Thiết bị này có một dây

trung hòa đơn lẻ (common) và hai đường điện vào. Cho dòng 24V một chiều vào một

dây sẽ làm cho máy ép tiến lên, cho dòng 24V một chiều vào dây thứ hai sẽ làm cho

máy lùi lại. Máy ép này được điều khiển bởi một bơm thủy lực lớn mà bơm này cần

nguồn 220Vac dòng tiêu thụ là 20A, nó phải được chạy trong khi máy ép đang bật.

Máy ép này được trang bị bởi ba nút bấm, một là NC stop , cái kia là một NO lùi bằng

tay, cái thứ ba là NO nút chu kỳ tự động bắt đầu. Có những chuyển mạch giới hạn ở

trên đỉnh và đáy của các hành trình máy ép mà các hành trình này cũng phải được

kết nối lại.

Figure 3.8 Case Study for Press Wiring – Nghiên cứu trường hợp đi dây cho máy ép

Các thẻ đầu vào và đầu ra đều được chọn dùng nguồn 24 một chiều để mà

chúng có thể chia sẻ một nguồn 24V một chiều. Trong trường hợp này van cuộn cảm

đã được nối trực tiếp tới thẻ đầu ra, trong khi bơm thủy lực được kết nối không trực

tiếp bằng một rơ le (chỉ cuộn dây được chỉ ra cho đơn giản). Quyết định này đã được

làm từ trước bởi vì bơm thủy lực yêu cầu nhiều dòng hơn bất cứ cái nào mà PLC có

thể kiểm soát, nhưng một rơ le sẽ dễ dàng mua và lắp đặt cho cái tải đó một cách

tương đối. Mọi chuyển mạch đầu vào được kết nối tới cùng một nguồn và tới các

đầu ra.

3.5 SƠ ĐỒ DÂY ĐIỆN

Khi một tủ điều khiển được thiết kế và xây dựng các sơ đồ bậc thang được dùng

để tài liệu hóa mạch điện. Một sơ đồ dây cơ bản được chỉ ra trong hình 3.9. Trong ví

dụ này hệ thống sẽ được cấp bởi nguồn xoay chiều (120Vac hay 220Vac) ở bên trái

và phải các đường kẻ. Các đường này của sơ đồ được đánh số, và những số này

thường được dùng cho một số lượng dây khi xây dựng hệ thống điện. Chuyển mạch

trước dòng 010 là một cầu dao tổng cho toàn bộ hệ thống. Một cầu chì được dùng

sau cầu dao tổng này để giới hạn tối đa dòng tiêu thụ của hệ thống. Dòng 020 của sơ

đồ dùng để điều khiển điện đến các đầu ra của hệ. Nút stop là thường đóng, trong

khi nút start là thường mở. Cái nhánh, và đầu ra của thanh ngang là CR1, mà CR1 là

một rơ le điều khiển chính. PLC này nhận điện trong dòng 30 của sơ đồ này.

Các đầu vào của PLC này đều là xoay chiều, và được chỉ ra trong dòng từ 040

đến 070. Nhớ rằng đầu vào I:0/0 là một tập hợp công tắc trên MCR CR1. Ba đầu ra

còn lại là một nút thường mở (dòng 050), một chuyển mạch giới hạn (060) và một

nút thường đóng (070). Sau dòng 080 MCR CR1 có thể cho điện ra các đầu ra. Chúng

đưa điện cho các đầu ra rơ le này của PLC để điều khiển một đèn chỉ dẫn màu đỏ

(040), một đèn chỉ dẫn màu xanh lá cây (050), một cuộn cảm (060), và một rơ le khác

(080). Rơ le ở dòng 080 chuyển mạch một rơ le mà rơ le này bật một trạm khoan

thiết bị khác.

Figure 3.9 A Ladder Wiring Diagram – Một sơ đồ đi dây bậc thang

Trong sơ đồ nối dây này sự lựa chọn một nút bấm stop thường đóng và một

nút thường mở start là có ý đồ từ trước. Xem xét dòng 20 trong sơ đồ nối dây. Nếu

nút stop được nhấn nó sẽ mở chuyển mạch, và điện sẽ không thể chuyển qua để tới

rơ le điều khiển và điện đầu ra sẽ bị cắt. Nếu nút stop bị hỏng, được nói bởi một dây

hỏng, điện sẽ cũng bị mất và hệ thống sẽ ngừng hoạt động một cách an toàn. Nếu

nút stop được dùng là thường mở và điều này xảy ra hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động

trong khi nút stop không thể dùng để làm ngừng dòng điện. Bây giờ hãy xem xét nút

start. Nếu nút này hỏng, nó nói rằng một dây bị ngắt kết nối, nó có thể không thể

khởi động được hệ thống, vì vậy để cho hệ thống không thể bắt đầu và an toàn. Tóm

lại, mọi nút làm dừng một hệ thống phải là thường đóng, trong khi các nút khởi động

hệ thống phải là thường mở.

3.5.1 Ký hiệu dùng cho mạng điện JIC

Để chuẩn hóa các sơ đồ điện, Tổ chức Hỗn hợp Quốc tế (JIC) về ký hiệu được

phát triển, chúng được chỉ ra trong hình 3.10, 3.11 và 3.12.

Figure 3.10 JIC Schematic Symbols

Các ký hiệu cho biểu đồ JIC

Figure 3.11 JIC Schematic Symbols

Các ký hiệu cho biểu đồ JIC (tiếp)

Figure 3.12 JIC Schematic Symbols

Các ký hiệu cho biểu đồ JIC (tiếp)

3.6 TÓM TẮT

 Điều kiện các đầu vào PLC là AC hay DC được phát hiện bởi tính logic của PLC.

 Các đầu ra là các bán dẫn (DC một chiều), các triac (AC xoay chiều) hay rơ le

(cả AC và DC ).

 Các địa chỉ đầu vào và các địa chỉ đầu ra là một hàm của vị trí thẻ và số thứ tự

của bit đầu vào.

 Các giản đồ hệ thống điện được tài liệu hóa với các sơ đồ mà các sơ đồ này

trông giống như logic bậc thang.

3.7 VẤN ĐỀ GẶP TRONG THỰC HÀNH

1. Một đầu vào PLC có thể chuyển mạch một cuộn dây rơ le để điều khiển một động

cơ được không?

2. Các thẻ đầu vào và các thẻ đầu ra làm như thế nào để hoạt động như một giao

diện giữa PLC và các thiết bị ngoài?

3. Sự khác nhau giữa đi một dây sourcing đầu ra và một dây sinking đầu ra?

4. Sự khác nhau giữa một động cơ khởi động và một contactor?

5. Thiết bị dùng dòng xoay chiều hay một chiều dễ hơn cho việc ngắt mạch?

6. Cái gì có thể xảy ra nếu điện áp tiêu thụ trên một thiết bị là vượt quá?

7. Những lợi ích của các mô đun đầu vào và mô đun đầu ra là gì?

8. (cho các kỹ sư điện) Giải thích hoạt động của các mạch điều khiển đầu vào và đầu

ra mà các đầu ra/vào này dùng điện xoay chiều?

9. Điều gì xảy ra nếu một đầu vào dùng dòng một chiều bị chuyển mạch bởi một đầu

ra dùng dòng xoay chiều?

10. Giải thích tại sao một nút stop phải là thường đóng và một nút start phải là

thường mở.

11. Cho mạch được chỉ ra ở dưới, liệt kê các địa chỉ đầu vào và đầu ra cho PLC này.

Nếu một chuyển mạch A điều khiển đèn, chuyển mạch B điều khiển động cơ, và C là

điều khiển cuộn cảm, hãy viết một chương trình logic bậc thang đơn giản.

12. Ta có một giá PLC với một thẻ đầu vào 24VDC trong khe 3, và một thẻ đầu ra 120

VAC trong khe 2. Các đầu vào này được nối với 4 nút bấm. Các đầu ra này điều khiển

một đèn 120VAC, một động cơ 240VAC, và một van thủy lực hoạt động bởi 24VDC.

Vẽ các kết nối điện cho các đầu vào và các đầu ra. Chỉ ra tất cả các nguồn điện khác

nhau và các thiết bị/thành phần cần đến.

13. Bạn đang lập kế hoạch một dự án mà dự án này sẽ điều khiển một PLC nào đó.

Trước khi sắp xếp các phần bạn quyết định kế hoạch đi dây cơ bản và lựa chọn các

thẻ đầu vào và các thẻ đầu ra phù hợp. Những thiết bị này ta sẽ dùng cho các đầu

vào là 2 chuyển mạch giới hạn, một nút bấm và một chuyển mạch nhiệt. Đầu ra này

sẽ dành cho một van cuộn cảm 24Vdc, một đèn 110Vac, một động cơ 220Vac 50HP.

Bản phác thảo đi dây dưới đây bao gồm cả các thẻ PLC.

14. Thêm ba nút ấn như các đầu ra trong hình dưới. Bạn cũng phải lựa chọn một

nguồn điện, và chỉ ra mọi thứ cần thiết cho đi dây.

15. Ba đầu ra 120Vac được kết nối tới thẻ đầu ra bên dưới. Chỉ ra nguồn 120Vac, và

các thiết bị đi dây cần thiết.

Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 3: Phần cứng PLC