Tài liệu cung cấp kiến thức về các thành phần cơ bản của hệ thống PLC dạng module, bao gồm các module CPU, module ngõ vàora, module đầu vào tốc độ cao, module đầu ra tốc độ cao, và các module chức năng khác. Nó cũng cung cấp thông tin về cách lắp đặt các module vào hệ thống PLC và cách sử dụng chúng để thiết kế các ứng dụng điều khiển tự động. Tài liệu này sẽ hữu ích cho những người đang học về hệ thống điều khiển PLC, thiết kế PLC, hoặc đang làm việc trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.
CƠ BẢN VỀ PHẦN CỨNG PLC THEO KIỂU MODULE _ PLC chủ yếu có hai loại phần cứng: - PLC loại nhỏ gọn đơn giản - PLC theo dạng mô-đun kết nối PLC nhỏ gọn: PLC nhỏ gọn bao gồm vỏ số I/O tích hợp cố định Chúng loại rẻ nhất, loại kèm với chức hạn chế Chúng thường có 100 (hoặc hầu hết chí 30) I/O, chủ yếu I/O kỹ thuật số với (hoặc khơng có) I/O tương tự Ví dụ: PLC có 10 đầu vào kỹ thuật số định mức 24V, đầu tiếp điểm rơle thường mở, đầu vào tương tự 0-10V khơng có đầu tương tự Các PLC thường có giao diện truyền thơng số trường hợp, chúng có hình hiển thị, thơng qua chúng lập trình theo cách không cần đường truyền thông Các chuẩn giao tiếp loại thường qua RS-485, CAN Ethernet, thường có số chúng Bộ nhớ chương trình ít, đủ cho tác vụ đơn giản Bộ xử lý bên thường vi điều khiển (MCU) Hình ảnh sau cho thấy lược đồ phần cứng bên chúng: Sơ đồ phần cứng PLC nhỏ gọn PLC mơ-đun: Để kích hoạt nhiều chức I/O phức tạp hơn, nhà sản xuất có nhiều loại PLC mơ-đun riêng Trong kiến trúc này, đơn vị phần cứng phân tách theo chức chúng Có mơ-đun riêng (được gọi thẻ PLC) để thực chương trình (CPU), để cảm nhận đầu vào kỹ thuật số, để xuất giá trị tương tự, v.v Trái ngược với PLC nhỏ gọn, I/O PLC mơ-đun tăng lên mức cao Một thẻ CPU xử lý vài nghìn I/O, giao tiếp với đơn vị khác (PLC khác, máy chủ sở liệu, hình…) Bằng cách này, CPU phải giao tiếp cách với thẻ I/O để thu thập xuất liệu chúng Một số nhà sản xuất sử dụng bảng nối đa để kết nối thẻ với nhau, số nhà sản xuất tích hợp đầu nối vào thẻ PLC Điểm chung họ cần có đường dây liên lạc “làm nền” Cấu hình PLC mơ-đun nhỏ bao gồm thẻ cấp nguồn (PSU) thẻ CPU, hồn tồn khơng có thẻ I/O Ngay cấu hình nhỏ này, PSU thẻ CPU phải kết nối với nhau: PSU cung cấp lượng cho CPU CPU hỏi trạng thái PSU (điện áp dịng điện làm việc thực tế, tín hiệu tải, v.v.) Trong thực tế, có số thẻ I/O kết nối với chúng Sơ đồ phần cứng PLC dạng mô-đun Nhưng giao tiếp bảng nối đa thực nào? Rõ ràng phải kiến trúc master-slave, CPU điều khiển giao tiếp tất thẻ khác “chỉ” trả lời CPU hỏi chúng Có số loại giao diện truyền thơng đáp ứng yêu cầu Người ta sử dụng bus I2C, RS-485, CAN bus, số loại ethernet… Giao tiếp bảng nối đa PLC sử dụng bus đa truy cập Mặc dù giải pháp hoạt động việc yêu cầu thẻ riêng biệt nhiều thời gian Làm điều giảm? Đặc tính hấp dẫn giải pháp đề cập trước hoạt động thẻ bị lỗi Nhưng thực tế, khả đường truyền thơng bảng nối đa gặp trục trặc thời gian tồn hệ thống PLC (hoặc trục trặc, toàn hệ thống PLC ngừng hoạt động để tránh hư hỏng cơng nghệ), đó, việc truyền thơng bị “cắt ngang” xiềng xích” Phương pháp chuỗi daisy có nghĩa thẻ giao tiếp với hàng xóm họ CPU bắt đầu q trình cách gửi thơng báo ban đầu đến thẻ nằm bên cạnh (ví dụ: phía bên tay phải) Mỗi thẻ I/O có hai kênh giao tiếp: chúng đợi thơng báo từ “phía bên trái” (phía bên nhận: RX), xử lý (chèn thơng tin vào đó), sau truyền đến “phía bên phải ” (phía phát: TX) Đây sơ đồ tiếng, sở hệ thống INTERBUS Giao tiếp bảng nối đa PLC sử dụng chuỗi xích Với phương pháp này, việc thẩm vấn I/O trở nên nhanh nhiều Mặt khác, sử dụng hệ thống bus có nhiều truy cập (như I2C CAN bus) Vẫn với ví dụ INTERBUS, cách đơn giản sử dụng giao diện UART (được gọi đường nối tiếp), giao diện phổ biến xử lý vi điều khiển dễ xử lý Đối với điều sau đây, thẻ CPU sử dụng vi điều khiển (MCU) mục đích đơn giản Sự đơn giản hóa khác thẻ PSU khơng có giao diện liệu, cấp nguồn cho bảng nối đa Cho đến nay, hệ thống PLC mô-đun sử dụng bảng nối đa Bảng nối đa phân phối tín hiệu đường dây điện dọc theo thẻ PLC, tạo kết nối chúng Ít bảng nối đa xem bảng PCB thụ động giữ đầu nối kết nối chúng với (Trong thực tế, có số phần tử tích cực bảng nối đa năng, thơng thường chúng xem PCB lớn với loạt đầu nối hàn đó) Nếu bảng nối đa dành cho nhiệm vụ đơn giản này, bỏ qua, để giảm tổng chi phí hệ thống PLC linh hoạt Để làm điều này, phần tử tích cực phải di chuyển đến PCB thẻ PLC đầu nối phải thiết kế lại, sửa đổi sửa đổi nhỏ Tuy nhiên, hiệu suất tổng thể không bị ảnh hưởng với hai giải pháp Các hệ thống có bảng nối đa trơng mạnh mẽ chống ồn, cịn hệ thống khơng có bảng nối đa nhỏ đặt trực tiếp vào ray DIN Nhân tiện, ngày nhà sản xuất PLC mô-đun sử dụng hai hệ thống có bảng nối đa (như Schneider Electric, Allen Bradley…) khơng có (Beckhoff, Wago…) Nó câu hỏi định sử dụng Vì vậy, xem xét hệ thống mơ-đun đơn giản hóa thẻ PLC kết nối với nhau, không sử dụng bảng nối đa Thiết bị điện tử nội PLC mô-đun đơn giản hóa Có thẻ PSU cung cấp +5V cho vi điều khiển +24V cho phần tử cơng suất cao Thẻ CPU có giao diện I/O loại giao tiếp công nghiệp (Modbus TCP, DeviceNet, IEC 60870-5-101, v.v.) MCU bắt đầu thẩm vấn I/O cách gửi tin nhắn đường TX UART Điều đến dòng RX thẻ MCU, thẻ xử lý nó, chèn liệu gửi tới thẻ I/O tiếp theo, v.v Q trình tiếp tục đến cuối hệ thống PLC, nơi thẻ cuối mang lại toàn phép đo trở lại thẻ CPU Đối với nhiệm vụ này, gọi “Thẻ đóng” phải chèn vào cuối dịng Chức thẻ tạo đoản mạch đường RX TX cho phép tín hiệu quay trở lại Giao diện I/O thẻ PLC loại (đầu vào kỹ thuật số, đầu kỹ thuật số, đầu vào tương tự, đầu vào đếm, đầu dòng nối tiếp…), I/O hiển thị rõ ràng Mọi thẻ sử dụng MCU bên chức gì, dễ dàng phục vụ tất chức (cấu hình, tạo trạng thái, xử lý lỗi giao tiếp bảng nối đa năng) cần thiết cho thẻ định (Trong thực tế, MCU vi điều khiển, ASIC, DSP, FPGA xử lý phù hợp với hoạt động mong muốn) Các đầu nối loại cực, tích hợp tín hiệu đường dây điện Cấu hình ví dụ dựa số quy tắc đơn giản: – thẻ từ bên trái phải thẻ cấp nguồn, – thẻ thứ hai phải thẻ CPU, - phần cịn lại thẻ loại theo thứ tự nào, – thẻ cuối dịng phải thẻ đóng Loại hoạt động nhìn thấy hệ thống Beckhoff cũ sử dụng K-Bus làm giao tiếp "bảng nối đa năng" Lúc đầu, khơng cần thiết phải sử dụng thẻ Đóng cuối dịng, thiết bị điện tử thẻ cuối gửi lại thơng báo cho thẻ CPU Đồng thời, người ta nhận thấy dịng RX TX MCU không mạnh để truyền tốc độ cao, đó, thiết thực triển khai đệm cho dòng truyền Hai chức thực cách sử dụng đệm kép thẻ Thiết bị điện tử bên thẻ PLC với truyền tín hiệu bảng nối đa tự động Ở IC loại SN74LVC2G241 sử dụng Một nửa đệm kép đơn giản lặp lại tín hiệu để cung cấp thêm lượng cho nó, nửa cịn lại điều khiển chân đầu nối bên tay phải (có tên CTL) Nếu thẻ PLC dòng, chân CTL kết nối với điện nối đất (thơng qua thẻ sau), vơ hiệu hóa đệm thẻ cuối dịng, chân để lại nổi, cho phép chuyển hướng tín hiệu trở lại thẻ CPU Nói cách khác, IC SN74LVC2G241 hoạt động công tắc học, chuyển hướng dịng TX cuối tới CPU Việc tạo đường dẫn phản hồi tín hiệu tự động hóa theo cách này, khách hàng khơng phải xử lý việc đóng đường dây Khái niệm I/O từ xa Nếu muốn sử dụng nhiều I/O với số số chúng nằm cách xa hệ thống PLC, phải sử dụng I/O từ xa Điều tuyệt vời cách tiếp cận đề cập trước dễ dàng mở rộng với I/O xa Một "thẻ mở rộng" đơn giản phải đặt cuối đường dây, giúp tăng cường đường truyền giúp chống lại tiếng ồn điện tốt Việc kết nối thực thông qua đường xoắn đôi che chắn không che chắn thường sử dụng (cáp ethernet UTP với đầu nối RJ-45 thường sử dụng) Mở rộng PLC I/O sử dụng cáp UTP Theo quan điểm người lập trình, tất I/O xử lý I/O cục bộ, vị trí khơng gian chúng Đường dây phía xa bắt đầu mở rộng, phù hợp với tín hiệu liệu tới bảng nối đa I/O từ xa Việc mở rộng I/O áp dụng lần tùy ý người dùng Bên Bộ phát Expander Bộ thu Expander Ngoài ra, phần mở rộng I/O sử dụng để “tách I/O” Bộ chia I/ O hoạt động giống cơng tắc học Nếu khơng có kết nối với cổng RJ-45 nó, cổng trống cần chuyển hướng đường TX sang cổng khác quay lại bảng nối đa Kiến trúc cáp khác thực (dòng, cây, sao) Kiến trúc PLC với chia I/O Mặt thẻ chia hiển thị sơ đồ bên Sơ đồ card chia PLC I/O Nó giống nhân đơi phần đầu card Expander Transmitter (phần liên quan đến cổng RJ-45) Có thể thấy, sử dụng thẻ mở rộng, nguồn cung cấp điện +24V mở rộng nguồn cung cấp +5V +3,3V thẻ lấy từ điều Để tạo mạng có kích thước khổng lồ, việc cách ly liệu đường dây điện cần thiết Trong thực tế, đường dây (hay nói cách khác giá đỡ) có nguồn điện riêng đường tín hiệu cách ly với hai phía (ví dụ: có lớp cách ly điện cho Bộ phát mở rộng thẻ thu mở rộng) Điều giúp tránh vòng nối đất làm cho việc truyền tín hiệu đáng tin cậy Bằng cách đẩy tốc độ bus bảng nối đa lên cao nữa, tín hiệu vi sai phải sử dụng đường TX RX suốt chặng đường chí phải sử dụng IC truyền dẫn mạnh (ví dụ: thu phát có khả PROFIBUS) Ngay với sửa đổi này, tốc độ truyền khó vượt 10 Mbps Nếu có nhu cầu tốc độ bảng nối đa chí nhiều hơn, loại xe buýt liên lạc khác chọn Mạng rõ ràng phổ biến ethernet Nó mở, chi phí thấp sử dụng rộng rãi văn phòng lĩnh vực cơng nghiệp Có số loại ethernet ngành, chúng nhiều có khả truyền thời gian thực Một số EtherCAT, loại mạng hiệu nhanh Nguyên tắc hoạt động giống viết trước (ngun tắc INTERBUS) Vì sử dụng lớp vật lý ethernet nên tốc độ cố định 100 Mb/giây phương pháp “chèn liệu di chuyển” đảm bảo hiệu suất cuối cao so với hệ thống bus trường khác IC lớp vật lý có cơng tắc bên chuyển hướng truyền trở lại CPU (nó nhận thơng báo cổng RX1 sau truyền tới cổng TX2 nó, khơng có thẻ khác dịng – khơng có tín hiệu sóng mang Cổng RX2 – truyền lại tin nhắn đến cổng TX1) Sơ đồ thẻ EtherCAT PLC Vì lý giới hạn khơng gian giảm chi phí, đầu nối cực, cực dùng để truyền tín hiệu, cực cịn lại dành cho nguồn cung cấp bảng nối đa +5V +5V dành cho ASIC, nhiều I/O ngốn điện phải cung cấp qua đầu nối đầu vào +24V đặc biệt (ở mặt trước thẻ) Điều cung cấp cách ly điện bus bảng nối đa I/O (thông thường I/O cách ly khỏi bảng nối đa cách sử dụng ghép quang) Đây cấu trúc liên kết ví dụ: Thơng tin thêm trang chủ EtherCAT Để kết hợp tất lại với nhau: Đối với tốc độ chậm trung bình, xe buýt bảng nối đa dựa UART sử dụng Chúng đơn giản, rẻ đủ chắn cho mục đích cơng nghiệp (trong trường hợp sử dụng thu phát RS-485 PROFiBUS) Để truyền tốc độ cao, cách tiếp cận dựa ethernet lựa chọn tốt