Đồ án thiết kế hệ thống cân định lượng

Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá trị điện áp này và chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu các giá trị này vào bộ nhớ.. Những module cùng sử dụng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐÀU PHÀN 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1: Giới thiệu hệ thống cân định lượng

Chương 2: Thiết bị

Chương 3: Giới thiệu PLC S7 300

Chương 4: Tổng quan hệ thống SCADA phần mềm WINCC

PHẦN 2: Mô phỏng và lập trình

Chương 1: Mô phỏng WINCC Chương 2: Lập trình PLC

LỜI NÓI ĐÀU

Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu định lượng vô cùng quan trọng Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất Các thiết bị định lượng có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm

Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của cac doanh nghiệp nhằm nâng cao năng suất hạ giá thành sản phấm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh trong quá trình hội nhập hiện nay

Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất lớn vì vậy em đã lựa chọn để tài “ thiết kế hệ thống cân định lượng” Thông qua những tìm hiểu của em về hệ thống cân định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp ý của thầy cô

Em xin trân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày tháng năm 2014

PHẦN 1: TỔNG QUAN VÈ ĐÈ TÀI CHƯƠNG

1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

• • • •

1.1 Giới thiệu chung

Cùng với sự phát triến kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp úng dụng của hệ thống cân định lượng ngày càng lớn Yêu cầu cho hệ thống ngày càng đòi hỏi độ chình xác cao, sản lượng lớn Những ứng dụng của hệ thống cân định lượng là rất nhiều, em đã chon cân định lượng trong khâu định lượng bán thành phẩm nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi là hướng tìm hiểu sâu về đề tài của mình

1.1.1 Sản xuất thức ăn chăn nuôi

Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi Ở nước ta hiện nay

đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng thức ăn chăn nuôi truyền thống Thức ăn công nghiệp cần sản xuất tại các nhà máy thức ăn chăn nuôi quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống cân tự động trong phối trộn nguyên liệu thức ăn Việc áp dụng cân định lượng trong khâu sản xuất giúp giảm lao động , nâng cao hiệu quả, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm chăn nuôi

Thức ăn chăn nuôi gồm nhiều thành phần với tỷ lệ khác nhau vì vậy cân định lượng cần đảm bảo tính chính xác và hiệu quả

1.1.2 SO ĐÒ CÔNG NGHỆ

NGUYỄN LIỆU PHỤ GUI NGUYÊN LIỆl'2 PHỊ'GIA 2

TÀICÌNl TAI CÂN 2 TÀI CÂN 3 TẢI CÂN 4 TẢI CẨN 5

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ

2.1.TỐNG QUAN VÈ THIÉT BỊ CHỈ THỊ KHÓI LƯỢNG:

Thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khác nhau Tuỳ mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân vẫn là lấy tín hiệu điện áp từ loadcell, biến đối A/D, xử

lý và hiến thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thế lỏng, có thế truyền

dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in Ngoài ra còn có các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”,

“Clear”, Đe thực hiện các chức năng như trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuấn ốn định cấp cho loadcell và A/D Thông thường A/D sử dụng là loại 16 bits hoặc cao hơn sẽ cho độ phân giải là lớn hơn một phần 65536 (216) và như vậy độ chính xác sẽ rất cao Ngoài bộ vi xử lý đủ mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ đế lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh

Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa hay không.Sau đây giới thiệu hình ảnh một số đầu cân và thiết bị hiển thị từ xa trong thực tế :

Hình 2.1: Giới thiệu hình ảnh một số loại đầu cân có trong thực tế

2.1.1 Đặc điểm đầu cân BDI -9301:

- Điều chỉnh hoàn toàn dùng kỹ thuật số làm cho việc chỉnh điểm 0 và định bước cân (span) trở nên dễ dàng Không cần phải nạp và xoá trọng lượng đặt một cách liên tục

- Có 16 hàm chức năng được điều chỉnh thông qua 16 phím nhấn Có thế sử dụng cho rất nhiều ứng dụng cân tĩnh cũng như cân động

- Cho phép khởi động lại các giá trị mặc định tạo bởi nhà sản xuất khi có sự cố đối với hoạt động bình thường

- Chức năng kiểm tra hệ thống sẽ kiểm tra từng bộ phận của hệ thống để bảo đảm hoạt động đúng

- Hai chương trình chứa các giá trị như: Final Weight (SETPOINT), Upper Limit (HI), Lower Limit (LO), Preliminary Weight (PRELIM) và tầm bù rơi tự do (FreeFall) có thể được lun trữ

2.1.2 Giải thích cách chỉnh cân:

- Chỉnh độ phân giải: Khối lượng hiến thị lên màn hình thì dựa vào độ phân giải này Đây

là khoảng thay đối nhỏ nhất mà thiết bị có thế nhận biết được Ví dụ nếu đặt độ phân giải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103 Neu độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ hiến thị 100, 102, 104 Có thế lựa chọn độ phân giải này là 1,2, 5, 10, 20 hay

50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trong catalogue của BDI-9301

- Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân Thực hiện việc này là

để BDI-9301 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với khối lượng thêm vào Có thể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường xuyên để tránh ảnh hưởng của việc thay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng khác

- Khối lượng tối đa: Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người sử dụng muốn cân Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là những giới hạn khác mà người dùng đặt

Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối lượng lớn nhất này

Page 6

- Cân chỉnh bước cân (Span Calibration): Với việc chỉnh Zero nhằm mục đích đặt giá trị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm giới hạn mà có thể cân được (khối lượng lớn nhất) Điều này là để cho BDI-9301 biết hai đầu mút mà có thể cân được chính xác BDI-

9301 sẽ tính toán giá trị cân được nếu khối lượng cần cân nằm trong hai giới hạn này Tuy nhiên, trong thực tế có thể dùng các khối lượng chuẩn để cân chỉnh cho việc này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối lượng chuẩn càng gần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác)

- Sở dĩ cần cân chỉnh Zero là để A/D đọc giá trị sai lệch điện áp ban đầu khi không có vật gì

ở trên bàn cân Chỉnh bước cân là cho A/D biết được giá trị điện áp ứng với một khối lượng chuấn đặt lên bàn cân Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá trị điện áp này và chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu các giá trị này vào bộ nhớ Khi có khối lượng cần cân, bộ xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và trù’ đi điện áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ số đã lưu trước đó sẽ ra được khối lượng cần cân

Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu điện áp ngõ ra loadcell quá lớn lúc chỉnh Zero thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG- của Loadcell như hình 2.2a Hoặc ngược lại nếu tín hiệu ra của Loađcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh Zero thì trong trường họp này phải mắc thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và SIG+ như trong hình 2.2b.

Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ 50KQ đến 500KQ); có chất lượng cao và

có hệ số nhiệt thấp Các lỗi khi cân chỉnh trên đây và một số lỗi khác sẽ được báo lên màn hình và cách xử lý đã được hướng dẫn trong “Operation Manual” của BDI-9301.

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh điện áp đầu cân ngõ ra loadcell

Page 7

2.2 GIỚI THIỆU VÈ LOADCELL

2.2.1. Lý thuyết về loadcell:

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone

- Nguyên lý:

Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chang hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng Phần lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần thiết

Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau Rl, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:

Với: - G là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri

- R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở Rl, R2, R3, R4 (thường là 120 ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến)

- V là hiệu thế nguồn

Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu

Trong phần lớn các trường họp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trục tiếp) nên biếu thức trên có thế viết lại là:

4 R\ AR2 AR3

R2 R3

AR 4

RA] (V)

Phương trình trên cho thấy là sự biến đối đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví

dụ là RI và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ là

RI và R2, lại là trừ khử nhau Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt

2.2.2 Một số Loadcell thực tế:

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea - Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại loadcell.Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây Sơ đồ nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:

CZI-|— +ve Input (GreenỊ

'— +ve Sense (Blue)

Wiring Schematic Diagram

(lovv cost version)

+ve Input (GreenỊ +veSense CH-Ive Inpui (Black)

(Brown)

+ve Output (Red)

-ve InpulỊBIack)

Page 9

a Dạng nối dâyl b.Dạng nối dây 2

Hình 2.4: Các dạng nôi dây của loadcell

Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm hiếu ở trên thì các dây +velnput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây -velnput (Exc-) và - veSense (Sense-) là nối tắt.

CÓ nhiều kiếu hình dạng loadcell cho nhũng ứng dụng khác nhau Do đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có thể là từ 2 miliVolt/Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải (Với giá trị điện áp ra danh định là 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 miliVolt ứng với khối lượng tối đa)

Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác nhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PLC S7-300

3.1 TÓNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHẢ TRÌNH PLC:

3.1.1 Giới thiệu chung:

PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiến logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lập trình được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 cà được sử dụng chủ yếu

đế điều khiến và tụ’ động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sản xuất trong công nghiệp Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nó cũng giống như con vi xử

lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh hơn và dễ dàng thay đối công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng

Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm do người dùng lập nên và cài vào Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán tự động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển và chỉ thay đổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau

Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn

- Dễ dàng thay đối nhưng không tốn kém về mặt chính

- Có thế tính toán chính xác giá thành

- Cần ít thời gian làm quen

- Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo công nghệ thì dễ dàng

- ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng

- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn.Đứng đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của Mỹ, công ty Mitsubishi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ, Schnider của Pháp

Cấu trúc chung của một hệ thống PLC được thể hiện trên sơ đồ hình 3.1

3.1.2 Bộ nguồn:

Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòng tiêuthụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC) Dòng tiêu thụ của các phân tủ’ PLCphải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải

3.1.3 CPU:

Thành phần cơ bản của PLC là khối vi xử lý CPU Sản phẩm của mỗi hãng có đặctrưng cho tính linh hoạt, tốc độ xử lý khác nhau, về hình thức bên ngoài, các hệ CPU củacùng một hãng có thể được phân biệt nhờ các đầu vào, ra và nguồn cung cấp

Tốc độ xử lí của CPU là tốc độ xử lý từng bước lệnh của chương trình PLC đòi hỏiCPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lý xảy ranhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao Tuy nhiên tốc

độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC

vào ra số Các cổng vào ra số có trên

module CPU được gọi là cống vào ra

onboard

PLC S7 300 có nhiêu loại Hình3 2; Modu|e cpu

module CPU khác nhau Chúng được đặt tên theo

bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312,

module CPU314, module CPU315

Những module cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc

sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ như Module CPU312 IFM, Module CPƯ314 IFM

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cống truyền thông, trong đó cống truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loại module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm tù' DP (Distributed Port) như là module CPU315-DP

3.1.3.2 Module mở rộng:

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải

có một module chính là module CPU, các module còn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ Chúng được gọi chung là các module mở rộng

Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:

3.1.3.2.1 Module nguồn nuôi (PS - Power supply):

Có 3 loại: 2A, 5A, 10A

3.1.3.2.2 Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Sỉgnal module):

Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số số các cổng vào số mở rộng có thế

là 8, 16, 32 tuỳ tùng loại module

- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số số các cổng ra số mở rộng có thể là

8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại module

- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module

- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cống ra tương tự số các cống ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module

- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ tùng loại module

Các CPU của S7 300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều phải được chuyển đổi thành tín hiệu số Cũng như các module số, người sử dụng cũng có thể thiết lập các thông số cho các module analog

3.1.3.2.3 Module ghép nối (IM - Interíace module):

Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi 1 module CPU Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack

và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM

Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình

- IM 360: Là module ghép nối có

mở rộng thêm một tầng chứa 8 module

đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy

nguồn tù’ CPU

- IM 361: Là module ghép nối có

mở rộng thêm ba tầng, với một tầng

chứa 8 module với khoảng cách tối đa là

m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC

mỗi tầng

- IM 365: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên

Hình 3.3: Module ghép nối

đó với khoảng cách tối đa là lm lấy nguồn từ CPU

3.1.3.2.4 Module chức năng (FM - Functỉon module):

Module có chức năng điều khiển riêng Ví dụ như module PID, module điều khiển

động cơ bước

3.1.3.2.5 Module truyền thông (CP - Comiminication module):

Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

• OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tố chức

• FC (Function): Miền chứa chương trình con được tố chức thành hàm có biến hìnhthức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

• FB (Function block): Miền chưa chương trình con được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB)

+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau:

• I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số

• Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số

• M: Miền biến cờ

• T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)

• C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)

• PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input)

• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output)

+ Vùng dữ liệu: là miền đế sử dụng đế cất giữ các khối dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộ đệm truyền thông Một phần của bộ nhớ này thuộc kiểu đọc ghi được

Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:

• DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu đượctổ chức thànhkhối Kích thướccũng như khối lượng do người sử dụng quy định, phù hợp vớitừng bài toán điều khiển.Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), hoặc từ kép (DBD)

• L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB, FC, FB

tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB

-Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau, cấu trúc bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:

+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi

+ Vùng system memory

+ Vùng Load memory

+ Vùng Work memory

Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU

Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao gồm tất cả các khổi chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB

System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh ghi

T-Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-T-Word, PV, C-bit của Counter

Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FC,

FB, SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và với các khối chương trình khác (Local Block) Tại một thời điếm nhất định vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đó được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kế tiếp đến lược thực hiện

• Data block

Load memory

• User program (EEPROM)

Hình 3.5: Phân chia các vùng ô nhớ trong CPU

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan

time) Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một

khoảng thời gian như nhau Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó

Truyền thông

và kiểm tra nội bộ

Chuyển dừ liệu từ cong vào Q

VÒNG QUÉT

sChuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

Thực hiện chương trình

Hình 3.6: Vòng quét chương trình

Như vậy, việc đọc dữ liệu tù’ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.

Chương trình xử lí ngắt có thế xâm nhập vào bất kì giai đoạn nào của chu trình vòng quét

Vì thế, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiến

Tại thời điếm thực hiện lệnh vào/ra, thường lệnh không làm việc trực tiếp với cống vào/ra

mà chỉ thông qua bộ đệm ảo Việc truyền thông gữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn

1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra

3.1.6 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng:

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I) Cuối mỗi vòng quét, nội dung của

bộ đệm ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển tới cổng ra của các module ra

số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Neu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét Cũng như vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đối nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự đưa tới cổng ra vật lý của module DO

Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại được CPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO) Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị từ địa chỉ thuộc vùng

PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh

Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bits) tới địa chỉ của vùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ đươc gửi ngay tới cổng ra tương tự của module

Peripheral input PI

(64K)

Peripheral output

PQ (64K) Process

image input table (I)

/ -V|

nA

Process imag Đọc/g

hi gián

127

Chương trình

-Đọc trực tiếj ứng dụng

- r 'Ns(user program'

Ghi trực tiếp 256

767

-NModuleDO

Module AO

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ra tương tự

có thể có của một trạm Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số với nhũng địa chỉ dôi

ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thế truy nhập trực

tiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q.

3.1.7 Cấu trúc chương trình:

- Lập trình tuyến tính:

Kĩ thuật lập trình tuyến tính là phương pháp lập trình mà toàn bộ chương trình ứng dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1 Kĩ thuật này có ưu điểm là gọn, rất phù hợp với nhũng bài toán điều khiến đơn giản, ít nhiệm vụ

Vòng quét

Lệnh 1 Lệnh 2

+ Loại khối OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển Có

nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng được phân biệt với nhau bằng một

số nguyên đi sau nhóm kí tự OB, ví dụ OB1, OB35, OB4Ơ, OB 8O, Trong khi khối OB1 được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét trong giai đoạn thực hiện chương trình (giai đoạn 2) thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi xuất hiện tín hiệu báo

ngắt tương úng, nói cách khác chương trình viết trong khối OB này chính là chương trình xử lý tín hiệu ngắt (event).

+ Loại khối FC (Program bỉock): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như

một chương trình con hoặc một thủ tục (chương trình con có biến hình thức) Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự' FC, chang hạn như FC1, FC2,

+ Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng

dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tố chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự FB, chẳng hạn như FB1, FB2,

+ Loại khối DB {Data bỉock): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình

Các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối

DB và các khối DB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự DB, chẳng hạn như DB 1, DB 2,

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối Xem những phần chương trình trong các khối như là chương trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là từ chương trình con này gọi đến một chương trình con khác

và từ chương trình con này lại gọi tới chương trình con thứ 3 số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào tùng chủng loại module CPU mà ta sử dụng Ví dụ như đối với module CPU314 thì

số lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất có thế cho phép là 8 Nếu số lần gọi lồng nhau vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyển sang chế độ STOP và đặt cờ báo lỗi

Số các lệnh gọi lon^nhau nhiều nhất cho phép tuỳ từng loại module CPU

( >

Hệ điều hành OB1

FC1

FC3 FB5

rc/

FB9 Hình 3.9: Lập trình có cấu trúc

3.1.8 Bộ thời gian (Timer):

Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ X mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào u(t) và tín hiệu logic đầu ra y(t)

S7-300 có 5 loại Timer khác nhau Thời gian trễ T mong muốn được khai báo với Timer bằng 1 giá trị 16 bits trong đó 2 bits cao nhất không sử dụng, 2 bits cao kế tiếp là độ phân giải của Timer, 12 bits thấp là 1 số nguyên BCD trong khoảng O-ỉ-999 được gọi là PV (Preset Value)

Bộ đếm tiến đều có chân nối với tín hiệu điều khiển để đặt lại chế độ ban đầu Bộ đếm được Reset khi tín hiệu xoá này có giá trị logic 1 Khi bộ đếm được Reset thì thanh ghi và Bit đều có giá trị logic 0

- Bộ đếm tiến lùi:

Bộ đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng tiến, đếm lùi khi gặp sườn lên của xung vào cổng lùi Bộ đếm cũng có Reset như bộ đếm tiến Nó có giá trị tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước khi thanh ghi 2 byte có giá trị logic 1 ngược lại có giá trị 0

Ví dụ:

co.0

1 s CUD CU Q

1

10.1- CD cv -MU4 10.2- s CV_BCD -MW6 MU2 - PV

- V: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng Integer

- CV BCD: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng BCD

3.1.10 Truyền thông vói thiết bị khác:

3.1.10.1 Giói thiệu chung:

Truyền thông là phần khá phức tạp trong việc làm chủ PLC PLC họ S7 sử dụng cống truyền thông nối tiếp RS485 với phích cắm 9 chân đế phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình (PC) hoặc với các trạm PLC khác Ghép nối với PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với

bộ chuyển đổi RS232/RS485

Truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác Các đối tác truyền thông người hoặc hệ thống kĩ thuật là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các chương trình phần mềm (đối tác logic)

Đe thực hiện tín hiệu truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp có thể là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số Sự phân biệt giữa các thông tin và tín hiệu số dẫn tới sự phân biệt xử lý tín hiệu

và xử lý thông tin giữa truyền tín hiệu với truyền thông Có thế sử dụng dạng tín hiệu khác nhau

để truyền tải một nguồn thông tin, cũng như một tín hiệu có mang nhiều nguồn thông tin khác nhau

Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện đại ta chỉ quan tâm tới truyền tín hiệu số, hay nói cách khác là truyền dữ liệu Các chuấn giao tiếp hệ thống này là các chuẩn giao tiếp số

Mã hoá, giải mãZV“

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu

Mã hoá, giải mãZV“

\7

Hình 3.12: Nguyên tắc cơ bản của truyền thông

3.1.10.2 Các phưong thức truyền thông:

- Điểm đối điểm: Point-to-Point Interíace (PPI) (Đối với S7-200)

-Đađiểm: Multi Point Interface (MPI) (Đối với S7-300)

- PROFIBUS (Process Field Bus)

- Ethernet