Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 4: Kiến trúc PLC/HMI - Hoàng Minh Sơn

 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
1
12-Thg6-15
Chương 4: Kiến trúc PLC/HMI
4.1 Giới thiệu sơ lược về PLC
Lịch sử phát triển của PLC
Các ưu nhược điểm chính
4.2 Cấu hình cơ bản một hệ PLC/HMI
Cấu trúc máy tính PLC
Thiết kế phần cứng PLC
4.3 Phương pháp lập trình PLC
Chuẩn IEC 61131-3
4.4 SCADA/HMI cho giải pháp PLC
4.5 Các điểm mấu chốt trong kiến trúc PLC/HMI
So sánh DCS và PLC/HMI
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
2
12-Thg6-15
4.1 Giới thiệu sơ lược về PLC
 PLC (Programmable Logic Controller): 
– Thiết bị điều khiển có thể „lập trình mềm“, làm việc theo 
chương trình lưu trong bộ nhớ => máy tính điều khiển 
chuyên dụng
– Thích hợp nhất cho điều khiển logic (thay thế các rơle), 
song cũng có thể chức năng điều chỉnh (PID, mờ,...) và các
chức năng tính toán khác
– Ngày nay khái niệm „Programmable Controller“ được sử
dụng nhiều hơn, mặc dù từ viết tắt „PLC“ vẫn thông dụng
 Phạm vi ứng dụng:
– Lúc đầu chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế tạo, điều 
khiển các quá trình rời rạc
– Ngày nay cả trong điều khiển trình tự và điều khiển quá trình 
liên tục -> cạnh tranh với Compact Digital Controllers và các 
hệ DCS trong các ứng dụng “lai”
– Thiết bị thu thập dữ liệu trong các hệ SCADA
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
3
12-Thg6-15
Lịch sử phát triển
 1968: Richard Morley sáng 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 toán, điều khiển
máy in, xử lý dữ liệu, giao diện màn hình
 1975: PLC với bộ điều khiển PID
 1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều
khiển dây chuyền 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 lớn với 8192 I/O ra đời
 1992: Chuẩn IEC 61131 (phần 1-5)
 1996: Slot-PLC, Soft-PLC,...
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
4
12-Thg6-15
Các ưu nhược điểm chính
 Ưu điểm:
– Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế bền chắc, độ tin cậy cao, thích 
hợp với môi trường làm việc công nghiệp
– Khả năng xử lý tín hiệu logic (24VDC-240VAC) và tín hiệu 
tương tự
– Khả năng mở rộng số đầu vào/ra đơn giản
– Lập trình và thay đối chương trình đơn giản với kỹ sư điện
– Khả năng giám sát hoạt động của dây chuyền SX, khả năng 
phát hiện lỗi thiết bị trường từ máy tính điều khiển
– Tính năng thời gian thực
 Nhược điểm
– Giải pháp đơn lẻ, cần tích hợp giao diện người-máy (HMI)
– Kiến trúc đóng kín, khó tích hợp sản phẩm ngoài
– Năng lực tính toán tương đối yếu
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
5
12-Thg6-15
4.2 Cấu hình cơ bản một hệ PLC+HMI
SCADA/HMI
Programming 
Device
Remote I/O 
(RIO)
RIO bus
Peripheral 
bus
Central I/O
RS-232/RS-485
PLC
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
6
12-Thg6-15
Cấu trúc máy tính PLC
C
ổng
vào
tư
ơng tự
(AI) và
cổng
vào
số
(D
I)
C
ổng
ra tư
ơng tự
(AI) và
cổng
ra số
(D
I)Nguồn nuôi
(PS)
CPU
Đồng hồ
nhịp
Bộ nhớ 
chương trình
Vi xử lý
Bộ nhớ 
làm việc
Giao diện
truyền
thông
T
ín hiệu đo
T
ín hiệu điều khiển
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
7
12-Thg6-15
Thiết kế phần cứng PLC
a) Thiết kế gọn
Các cổng vào/ra
Các module vào/ra Module truyền thôngCPU Module ghép nốiNguồn
Giá đỡ
b) Thiết kế module
Nguồn
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
8
12-Thg6-15
Ví dụ: SIMATIC S7-300/S7-400
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
9
12-Thg6-15
Ví dụ: PLC-5 1771 
(Allen Bradley)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
10
12-Thg6-15
Các chức năng thông dụng của PLC
 Xử lý các giá trị vào/ra: 
– Chuyển đổi D/A, A/D, lọc nhiễu
– Hạn chế tín hiệu ra
 Điều khiển:
– Điều khiển logic, khóa liên động, điều khiển trình tự
– Điều chỉnh tự động: Điều khiển PID, điều khiển mờ 
 Tự chẩn đoán
 Xử lý truyền thông
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
11
12-Thg6-15
Các tính năng quan trọng của PLC
 Tính năng thời gian thực
– Hiệu năng CPU, dung lượng bộ nhớ
– Xử lý đa nhiệm, theo sự kiện và theo thời gian
– Chu kỳ vòng quét, chu kỳ task
 Khả năng ghép nối vào/ra
– Các loại tín hiệu vào/ra
– Vào/ra phân tán
– Ghép nối bus trường, bus thiết bị
 Lập trình thuận tiện
– Ngôn ngữ theo chuẩn quốc tế IEC 61131-3
– Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)
– Thư viện khối chức năng mạnh
 Khả năng ghép nối truyền thông
– Khả năng hỗ trợ các chuẩn giao thức
– Khả năng lập trình phân tán
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
12
12-Thg6-15
4.3 Phương pháp lập trình
DC5 V
FRCE
RUN
S TOP
DC 2 4 V
V O LT
S E L E
O N
O F F
PLC
Thiết bị lập trình
Mã chương trình
Dữ liệu cấu hình
Dữ liệu tham số
RS232/
RS485
a)
DC 5V
FRCE
RUN
ST OP
DC 24 V
V O LT
S E L E
O N
O F F
PLC
Thiết bị lập trình
Mã chương trình
Dữ liệu cấu hình
Dữ liệu tham số
Bus
DC 5V
F RCE
RU N
S TO P
DC 2 4V
V O L T
S E L E
O N
O F F
PLC
b)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
13
12-Thg6-15
Chuẩn IEC 61131: Programmable controllers
 Part 1 (General Information): Các định nghĩa chung và các đặc
tính chức năng tiêu biểu (cơ chế thực hiện tuần hoàn, ảnh quá
trình, thiết bị lập trình và giao diện người-máy)
 Phần 2 (Equipment requirements): Các yêu cầu điện học, cơ
học và chức năng cho các thiết bị (nhiệt độ, độ ẩm, cung cấp
nguồn, độ kháng nhiễu, phạm vi tín hiệu logic và sức bền cơ
học), phương pháp kiểm tra và thử nghiệm các kiểu thiết bị.
 Phần 3 (Programming languages): Mô hình phần mềm và các
ngôn ngữ lập trình.
 Phần 4 (Guidelines for users): Các nguyên tắc chỉ đạo cho nhà
tích hợp hệ thống (phân tích hệ thống, lựa chọn thiết bị, vận
hành, bảo trì hệ thống).
 Phần 5 (Communication): Các khốI chức năng truyền thông
giữa các PLC cũng như giữa PLC và một thiết bị khác trên cơ
sở các khối hàm chuẩn.
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
14
12-Thg6-15
4.4 Máy tính giám sát SCADA/HMI
 Thiết bị HMI chuyên dụng: 
– Operator Pannel (OP), Touch Pannel (TP)
– Thiết kế gọn, độ bền công nghiệp cao, giá thành cao
– Riêng cho một họ PLC (giao thức độc quyền) hoặc cho 
nhiều họ PLC (giao thức mở)
– Phần mềm cơ sở cài đặt sẵn 
– Phát triển ứng dụng HMI với PC + phần mềm công cụ phát 
triển cung cấp kèm theo 
 PC phổ thông, PC công nghiệp:
– Sử dụng đa năng, linh hoạt
– Phát triển ứng dụng với một công cụ SCADA/HMI chuyên 
dụng (độc lập) hoặc với một công cụ lập trình phổ thông
– Có thể thực hiện thêm các chức năng quản lý dữ liệu, điều 
khiển cao cấp,...
– Kết hợp với PLC để xây dựng một hệ lớn
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
15
12-Thg6-15
Thiết bị HMI chuyên dụng
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
16
12-Thg6-15
Phần mềm HMI/SCADA chuyên dụng
 Thông thường chạy trên PC + Windows
 Có khả năng ghép nối với nhiều loại PLC của nhiều 
hãng
 Phát triển ứng dụng bằng cách soạn thảo và cấu 
hình thay cho lập trình
 > 50 sản phẩm có mặt trên thị trường
 Các sản phẩm nổi tiếng: 
– iFIX (Intellution, GE Fanuc)
– InTouch, Factory Suits (Wonderware)
– WinCC (Siemens)
– RSView (Rockwell Automation) 
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
17
12-Thg6-15
4.5 Các điểm mấu chốt của kiến trúc 
PLC/HMI
 Kiến trúc hệ thống: linh hoạt, lỏng lẻo
– Theo chiều ngang: PLC không được thiết kế ngay từ đầu 
cho cấu trúc điều khiển phân tán
– Theo chiều dọc: tách biệt rõ rệt giữa cấp điều khiển với cấp 
điều khiển giám sát, không có cơ sở dữ liệu chung
 Phát triển hệ thống: riêng biệt cho từng phần
 Giao diện quá trình: chủ yếu theo cách nối dây 
truyền thống (vào/ra tập trung hoặc vào/ra từ xa)
 Cơ chế làm việc: chủ yếu theo cơ chế vòng quét 
hoặc theo sự kiện
– Thích hợp với điều khiển logic, điều khiển trình tự
– Ít thích hợp với các bài toán điều khiển quá trình