NGHIÊN cứu THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN PLC CHO THANG máy

thống thang máyHình 4.1 Mở một Project mới Hình 4.2 Đặt tên cho một Project mới Hình 4.3 Mở một Project đã có Hình 4.4 Biểu tượng một Project mới Hình 4.5 Khai báo cấu hình cứng cho trạm

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC CHO THANG MÁY

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS Nguyễn Văn Huyến

Hà Nội – Năm 2012

MUC LUC

TRANG PHỤ BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 - TỔNG QUAN 10

1.1 Tổng quan về thang máy 10

1.1.1 Khái niệm chung về thang máy 10

1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển 10

1.1.3 Cấu tạo cơ bản của thang máy 11

1.1.4 Hệ thống mạch điện của thang máy 13

1.1.5 Phân loại thang máy 14

1.2 Tổng quan về PLC S7-300 16

1.2.1 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của bộ PLC 16

1.2.2 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC S7-300 21

1.2.3 Kỹ thuật lập trình với PLC S7-300 29

1.3 Mô tả hệ thống thang máy 36

Chương 2 - DỒN KÊNH VÀ PHÂN KÊNH TÍN HIỆU VÀO RA 37

2.1 Phân tích tín hiệu vào ra cho bộ điều khiển thang máy 37

2.2 Mạch dồn kênh (Multiplexer) tín hiệu vào 38

2.1.1 Nguyên lý chung 38

2.1.2 Thiết kế mạch 39

2.2 Mạch phân kênh(Demultiplexer) tín hiệu ra 41

2.2.1 Nguyên lý chung 41

2.2.2 Thiết kế mạch 42

2.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu 44

2.3.1 Bộ nguồn 5V 44

2.3.2 Bộ chuyển đổi 5V-24V 46

2.3.3 Bộ chuyển đổi 24V-5V 47

Chương 3 - HÀM ĐIỀU KHIỂN 48

3.1 Yêu cầu sử dụng và nguyên tắc điều khiển thang 48

3.1.1 Yêu cầu sử dụng thang máy 48

3.1.2 Nguyên tắc điều khiển thang 51

3.1.2 Lý thuyết hàng đợi 52

3.2 Điều khiển thang máy 4 tầng 56

3.2.1 Định nghĩa các tín hiệu vào ra được sử dụng cho thang máy 56

3.2.2 Định nghĩa các hàm dùng điều khiển thang máy 56

3.2.3 Xây dựng các hàm điều khiển thang máy 56

3.3 Điều khiển thang máy 60 tầng 58

3.4 Điều khiển hệ thống 2 thang máy 60 tầng 59

Chương 4 – CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ 61

4.1 Giới thiệu chương trình STEP 7 61

4.2 Điều khiển dồn kênh tín hiệu vào 70

4.3 Điều khiển phân kênh tín hiệu ra 72

4.4 Chương trình điều khiển cho hệ thống 75

4.5 Kiểm nghiệm kết quả 78

4.5.1 Kiểm tra độc lập từng thang 78

4.5.2 Kiểm tra đồng thời hệ thống 2 thang 79

4.5.3 Đánh giá tổng quát 80

KẾT LUẬN CHUNG 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 83

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Vũ Đình Đạt, học viên lớp Cao học 11BCĐT.KH Sau gần hai năm họctập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ củagiao viên hướng dẫn tốt nghiệp TS Nguyễn Văn Huyến, tôi đã đi đến cuối chặngđường để kết thúc khóa học

Tôi đã quyết dịnh chọn đề tài tốt nghiệp là:"Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho thang máy" Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá

nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Huyến, và chỉ tham khảo các tàiliệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất

cứ hình thức nào Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Vũ Đình Đạt

Hình 1.12 Module truyền thông (CP)

Hình 1.13 Quan hệ CPU và Modul mở rộng

Hình 1.14 Các chế độ làm việc và hiển thị

Hình 1.15 Sơ đồ khối kiểu lập trình tuyến tính

Hình 1.16 Sơ đồ kiểu lập trình có cấu trúc

Hình 1.17 Mô tả hệ thống 4 thang máy

Hình 2.1 Mô tả giao diện của thang máy

Hình 2.2 Nguyên lý dồn kênh tín hiệu vào

Hình 2.3 Mạch dồn kênh tín hiệu vào

Hình 2.4 Hình dạng IC dồn kênh 74150N

Hình 2.5 Hình dạng IC dồn kênh 74150N

Hình 2.6 Bộ phân kênh tín hiệu ra

Hình 2.7 Mạch phân kênh tín hiệu ra

Hình 2.8 Hình dạng IC phân kênh 74AC138N

Hình 2.9 Hình dạng IC phân kênh 74154N

Hình 2.10 Mạch nguồn 5V

Hình 2.11 Hình dạng và sơ đồ chân IC7805

Hình 2.12 Mạch chuyển đổi 5V-24V

thống thang máy

Hình 4.1 Mở một Project mới

Hình 4.2 Đặt tên cho một Project mới

Hình 4.3 Mở một Project đã có

Hình 4.4 Biểu tượng một Project mới

Hình 4.5 Khai báo cấu hình cứng cho trạm PLC

Hình 4.6 Màn hình khai báo cấu hình cứng cho tạm PLCHình 4.7 Thư viện để lấy các Modul

Hình 4.8 Soạn thảo chương trình trong OB1

Hình 4.9 Xóa chương trình

Hình 4.10 Quan sát quá trình hoạt động

Hình 4.11 Quan sát nội dung của ô nhớ

Hình 4.12 Lưu đồ điều khiển dồn kênh

Hình 4.12 Lưu đồ điều khiển dồn kênh

Hình 4.13 Lưu đồ điều khiển phân kênh

MỞ ĐẦU

- Lý do chọn đề tài

Trong xu thế phát triển hạ tầng đô thị và nhà ở hiện nay, thang máy là mộtphương tiện vận chuyển hiệu quả và ngày càng được ưa chuộng Để có một hệthống tháng máy về cơ bản cần hai phần cơ khí và điều khiển Về mặt cơ khí nóichung đã có được những thiết kế chuẩn với hình dạng và cấu tạo phù hợp với yêucầu sử dụng Còn về điều khiển tuy đã có được những bước tiến tương ứng nhưngvẫn còn nhiều mặt cần phải nghiên cứu, hệ thống điều khiển cần được thiết kế nhỏgọn hơn, điều khiển thông tối ưu hơn để vừa đảm bảo sự tiện dụng, hiệu quả và tiết

kiệm chi phí Với lý đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho thang máy” đã được chọn

- Lịch sử nghiên cứu

Đã có những nghiên cứu về phương pháp điều khiển thông minh cho mộtthang máy nhiều tầng Nghiên cứu kết nối, tích hợp nhiều bộ điều khiển PLC đểthực hiện việc điều khiển cho thang máy khi yêu cầu đầu vào và đầu ra vượt quá sốchân đáp ứng của PLC Nghiên cứu về bộ phân kênh dồn kênh dùng phương phápquét cho hệ thống cần nhiều đầu tín hiệu vào ra

- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

+ Mục đích: Thiết kế phần cứng nhỏ gọn (chỉ dùng một PLC S7-300) xâydựng chương trình điều khiển được tối ưu về quãng đường di chuyển của hệ thốngthang máy

+ Đối tượng: Mạch dồn kênh tín hiệu vào và phân kênh tín hiệu ra, chươngtrình điều khiển tối ưu điều khiển hệ thống thang máy

+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cho hệ thống 2 thang máy 60 tầng

- Tót tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Phân tích, thống kê tổng quát các tín hiệu vào ra cho cả một hệ thống gồmhai thang máy.Thiết kế mạch dồn kênh và phân kênh cho số đầu vào ra lớn Xâydựng hàm điều khiển tối ưu về quãng đường di chuyển của thang máy

- Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tổng hợp các nguồn tài liệu

từ sách, tài liệu lưu trữ và Internet

+ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, lập trình mô phỏng trênphần mềm

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về thang máy

1.1.1 Khái niệm chung về thang máy

Thang máy là một thiết bị chuyên dụng để vận chuyển người, hàng hoá theophương thẳng đứng Thang máy được dùng trong các công sở, khách sạn, chung

cư, biệt thự, các đài quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy Đặc điểm vậnchuyển thang máy là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyểnlớn, đóng mở máy liên tục Ngoài ra thang máy còn là một yếu tố làm tăng vẻ đẹp

và tiện nghi của công trình Thang máy là thiết bị vận chuyển đòi hỏi tính an toànnghiêm ngặt nó liên quan trực tiếp đến tài sản, tính mạng con người Do vậy khithiết kế phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật an toàn đượcquy định trong tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm

Thang máy không chỉ đẹp, sang trọng, thông thoáng mà còn phải có đầy đủcác thiết bị an toàn, đảm bảo độ tin cậy như: điện chiếu sáng dự phòng khi mất điện,điện thoại nội bộ, chuông báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin, công tắc an toàncửa cabin, khoá an toàn cửa tầng, bộ cứu hộ khi mất điện nguồn

ra đời như: KONE (Phần Lan); MISUBISHI, NIPPON, ELEVATOR (Nhật Bản);THYSEN (Đức); SABIEM (ý); v v đã chế tạo các loại thang máy có tốc độ cao,tiện nghi trong cabin tốt và êm hơn Vào đầu những năm 1970, thang máy đã chếtạo đạt tới tốc độ 450(m/ph), những thang máy chở hàng đã có tải trọng nâng tới 30tấn, đồng thời cũng trong khoảng thời gian này đã có những thang máy thủy lực rađời Sau một khoảng thời gian rất ngắn với tiến bộ của các ngành khoa học khác,

tốc độ thang máy đã đạt tới 600(m/ph) Vào những năm 1980, đã xuất hiện hệ thốngđiều khiển động cơ mới bằng phương pháp biến đổi điện áp và tần số VVVF(Inverter) Thành tựu này cho phép thang máy hoạt động êm hơn, tiết kiệm đượckhoảng 40% công suất động cơ Đồng thời, cũng vào những năm này đã xuất hiệnloại thang máy dùng điện cảm ứng tuyến tính Đầu những năm 1990, trên thế giới

đã chế tạo những thang máy có tốc độ đạt tới 750(m/ph) và các thang máy có tínhnăng kỹ thuật đặc biệt khác

1.1.3 Cấu tạo cơ bản của thang máy

Trong giếng thang bao gồm : tầng hầm 11 (khoảng trống kể từ đáy giếngthang đến phần dưới cùng của buồng thang) Tầng hầm là phần nền móng cho cácthanh ray Đây là phần chịu toàn bộ trọng lượng của kết cấu thang máy, trọng lượngthang máy, đối trọng và tải trọng tối đa nên ta phải xử lí phần móng và nền móngthật tốt để tránh lún, rạn gây mất trọng tâm cho buồng thang, ảnh hưởng đến hànhtrình lên xuống của buồng thang, nhất là khi đầy tải Vì buồng thang được trượt trêncác thanh ray 9 theo phương thẳng đứng Trong tầng hầm còn có cơ cấu lò xo có tácdụng khi thang máy hạ xuống tầng 1, được giảm chấn, hạn chế va chạm cơ khí giúpthang dừng được nhẹ nhàng Tầng hầm có chiều cao từ 1,5 tới 2(m) để thuận tiệncho công việc sửa chữa và bảo dưỡng Phía trên tầng hầm là toàn bộ phần thânchính của giếng thang

Phòng máy là nơi đặt tủ điều khiển động cơ nâng hạ buồng thang, là nơi cótác dụng như xà treo, nên khi thang đầy tải nó phải gánh một trọng lực rất lớn nên tacũng phải tính toán phần kết cấu bê tông đủ lớn để tránh gẫy sập Phòng máy đượclắp đặt ở nơi cao nhất trong going thang Giếng thang chạy suốt từ tầng 1 đến tầngtrên cùng có kích thước phù hợp để lắp ghép thanh dẫn hướng cho buồng thang,ngoài ra dọc giếng thang còn lắp các thiết bị bảo vệ và đèn chiếu sáng Thanh ray 9thường làm bằng thép chịu lực tốt, có hình dáng kích thước phù hợp để dẫn hướngchuẩn và tạo điểm tì của cơ cấu phanh khi phanh dừng buồng thang

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu và bố trí thiết bị của thang máy

Để nâng hạ buồng thang người ta dùng động cơ 6 Động cơ này được nối

trực tiếp với cơ cấu nâng hoặc qua hộp giảm tốc Nếu nối trực tiếp, buồng thangđược treo trên puli quấn cáp Khi nối gián tiếp thì giữa puli quấn cáp và động cơ cólắp hộp giảm tốc 5 Khung của buồng thang 3 được treo trên puli quấn cáp kim loại

4 Buồng thang luôn được giữ theo phương thẳng đứng nhờ có giá treo 7 Và nhữngcon trượt dẫn hướng (con truợt là loại puli trượt có bọc cao su bên ngoài) Buồngthang có trang bị bộ phanh bảo hiểm, Phanh bảo hiểm giữ buồng thang tại chổ khiđứt cáp, mất điện và khi tốc độ di chuyển buồng thang vượt quá 20 ữ 40% tốc độđịnh mức Phanh bảo hiểm thường được chế tạo theo 3 kiểu:

- Phanh bảo hiểm kiểu nêm

- Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm

- Phanh bảo hiểm kiểu kìm

Trong 3 loại phanh bảo hiểm trên phanh bảo hiểm kiểu kìm có tính năng kĩthuật ưu việt hơn, nó đảm bảo tác động nhanh nhưng dừng vẫn êm buồng thang, vìvậy nó được sử dụng rộng rãi hơn Phanh bảo hiểm thường được lắp phía dướibuồng thang, gọng kìm trượt theo thanh dẫn hướng khi tốc độ của buồng thang bìnhthường Nằm giữa hai cánh tay đòn của kìm có nêm gắn với hệ truyền động bánhvít, trục vít Hệ truyền động trục vít có 2 loại ren: ren trái và ren phải Cùng với kếtcấu của phanh bảo hiểm, buồng thang có trang bị thêm cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu litâm Khi buồng thang di chuyển sẽ làm cho cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu li tâm quay.Khi tốc độ di chuyển của buồng thang tăng, cơ cấu đai truyền sẽ làm cho tang quay

và kìm sẽ ép chặt buồng thang vào thanh dẫn hướng và hạn chế tốc độ của buồngthang

1.1.4 Hệ thống mạch điện của thang máy

1 Mạch động lực

Là hệ thống điều khiển cơ cấu dẫn động thang máy để đóng mở cửa buồngthang,đảo chiều cơ cấu dẫn động và phanh của bộ tời kéo Hệ thống phải đảm bảoviệc điều chỉnh tốc độ chuyển động của cabin sao cho quá trình mở máy và phanhđược êm dịu và dừng cabin chính xác

2 Mạch điều khiển

Là hệ thống điều khiển tầng có tác dụng thực hiện một chương trình điềukhiển phức tạp, phù hợp với chức năng yêu cầu của thang máy Hệ thống điều khiểntầng có nhiệm vụ lưu trữ các lệnh di chuyển từ cabin, các lệnh gọi tầng của hànhkhách và thực hiện các lệnh di chuyển hoặc dừng theo một thứ tự ưu tiên nào đó,sau khi thực hiện xong lệnh điều khiển thì xoá bỏ, xác định và ghi nhận thườngxuyên vị trí cabin và hướng chuyển động của nó Tất cả các hệ thống điều khiển tựđộng đều dùng nút ấn.

1.1.5 Phân loại thang máy

Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng, với nhiều kiểu,loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình Có thể phânloại thang máy theo các nguyên tắc và đặc điểm sau:

1 Theo công dụng

- Thang máy chuyên chở người

- Thang máy chuyên chở người có tính đến hàng hoá đi kèm

- Thang máy chuyên chở bệnh nhân

- Thang máy chuyên chở hàng không có người đi kèm

2 Theo tốc độ di chuyển của cabin

- Thang máy tốc độ thấp v 0.5m/s

- Thang máy tốc độ trung bình 0.75v1.5m/s

- Thang máy tốc độ siêu cao v=5m/s thường dùng cho toà tháp cao tầng

3 Theo tải trọng

- Thang máy loại nhỏ : Q <500 Kg

- Thang máy loại trung bình : Q = 500 1000 Kg

- Thang máy loại lớn : Q = 10001600 kg

- Thang máy loại rất lớn Q > 1600 Kg

4 Theo hệ thống vận hàn

a Theo mức dò tự động

- Loại nửa tự động

- Loại tự động

b Theo tổ hợp điều khiển

- Điều khiển đơn

- Điều khiển kép

- Điều khiển theo nhóm

c Theo vị trí điều khiển

- Điều khiển trong cabin

- Điều khiển ngoài cabin

- Điều khiển cả trong và ngoài cabin

1.2 Tổng quan về PLC S7-300

PLC (Programmable Logic Controller hay programmable Controller) là mộtcụm từ chỉ đến các thiết bị điều khiển công nghiệp Những thiết bị này được lậptrình logic là chủ yếu và có thể kết hợp với điều khiển số, tạo lên hệ thống điềukhiển tự động hoàn chỉnh

1.2.1 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của bộ PLC

1 Cấu trúc chung

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loạithiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thống qua mộtngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch logic Cũngnhư các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao gồm các phầnchính: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), Bộ nhớ (Memory), hệthống giao tiếp vào/ra (I/O) và hệ thống Bus:

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc chung của PLC

a Khối xử lý trung tâm

Là một bộ xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: Thực hiệnchương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài

b Bộ nhớ

Giaotiếpngõvào

Khối xử lýtrung tâm

Giaotiếpngõra

Nguån

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là mộtphần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer,Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng cóthể chọn các bộ nhớ khác nhau:

- Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp đượcmột lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác

- Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa cácchương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dử liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mấtđiện Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin

- Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cầndùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tímvào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp

- Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này cóthể xóa và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn

c Tín hiệu vào

Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khảnăng của PLC đáp ứng được với sự thay đổi của môi trường thông qua các tín hiệuthay đổi được đưa vào PLC, gọi là tín hiệu đầu vào

Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như : Nút ấn, bàn phím và chuyểnmạch Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng PLCphải nhận các tín hiệu từ các cảm biến Ví dụ : Tiếp điểm hành trình, cảm biếnquang điện tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (Digital) hoặc tín hiệutương tự (Analog), các tín hiệu này được giao tiếp với PLC thông qua các Modulnhận tín hiệu vào khác nhau khác nhau DI (vào số) hoặc AI (vào tương tự)

d Tín hiệu ra

Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giao tiếpđược với thiết bị ngoài, các thiết bị ngoài thông dụng như: Môtơ, van, Rơle, đènbáo, chuông điện, cũng giống như thiết bị vào, các thiết bị ngoài được nối đến các

cổng ra của Modul ra (Output) Các Modul ra này có thể là DO (Ra số) hoặc AO (ratương tự).

Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từData bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạtđộng của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1(8 MHZ Xung nàyquyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồcủa hệ thống

2 Nguyên lý làm việc của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tớicác thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó điều phụ thuộcvào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chutrình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle) Mỗi vòng quét đượcbắt đàu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo

là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét , chương trình được thựchiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau giai đoạn thực hiệnchương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số.Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) vàkiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:

Hình 1.3 Quá trình hoạt động của một vòng quét

Chú ý : Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các

lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ khôngthông qua bộ đệm

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi làthời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là khôngphải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Cóvòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào sốlệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông Trongvòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tínhiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòngquét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chươngtrình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực củachương trình càng cao

Vßng quÐt

TruyÒn d÷ liÖu tõ cæng vµo tíi I

TruyÒn th«ng vµ kiÓm tra néi bé

ChyÓn d÷ liÖu

tõ Q tíi cæng ra

Thùc hiÖn ch

¬ng tr×nh

Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40,OB80, Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuấthiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khối chương trình này có thể thực hiệntại mọi vòng quét chứ không phải bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiệnchương trình Chẳng hạn một tín hiệu báo ngẵt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạntruyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra,

để thực hiện ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tínhiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tính thời gian thực chochương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dàihoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trựctiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trong vùng nhớ tham

số Việc truyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điềuhành CPU quản lý ở một số modul 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 vớicổng vào/ra

1.2.2 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC S7-300

S7-300 là PLC cỡ vừa của hãng Siemens Gồm CPU và các module xếp trênthanh rack Mỗi rack chứa 8 module max (trừ CPU và nguồn) Mỗi CPU làm việcvới 4 rack max.

Hình 1.4 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC phải có tínhnăng như một máy tính.Đồng thời để thực hiện được một chương trình điều khiểnthì PLC phải có tính năng như một máy tính bao gồm một bộ vi xử lý (CPU), một

hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào ra đểgiao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.Ngoài ra để phục vụ bài toán điều khiển số thì PLC còn cần phải có thêm các khốichức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer),và những khối hàmchuyên dụng khác.Một bộ PLC S7-300 gồm các mdule sau:

- Đơn vị xử lý trung tâm CPU với bộ nhớ chương trình (Module CPU)

- Module mở rộng

- Module hoạt động và đèn báo

- Hệ thống bus truyền tín hiệu

- Khối cấp nguồn

1 Modul nguồn

Hình 1.5 Modul nguồn (PS)

2 Modul CPU

Là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian,

bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) và còn có thể có một vài cổng vào/ ra số Cáccổng vào/ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard Trong họ PLCS7-300 có nhiều loại CPU khác nhau nhưng chúng thường được đặt tên theo bộ vi

xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315 Nhữngmodule còn sử dụng một bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào ra onboard cũngnhư các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư việc của hệ điều hành phục

vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong têngọi bằng thêm cụm chữ cái IFM ( viết tắt của intergrated Function Module) Ví dụnhư module CPU312 IFM, module CPU314 IFM ngoài ra còn có các loại CPU vớihai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính làphục vụ việc nối mạng phân tán Kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là nhữngphần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài đặt sẵn trong hệ điều hành Cácloại module CPU này được phân biệt với các module CPU bằng thêm cụm từ chữcái DP ( Distributed Port) trong tên gọi, ví dụ: module CPU314-2DP

Hình 1.7 Modul nguồn

b SM (Signal module)

Module mở rộng cổng tín hiệu vào ra gồm các loại sau:

- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng vào số

mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8,16 hoặc 32 tuỳ thuộc 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/ 8 ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ thuộctừng loại module

Hình 1.8 Module vào số DI

Hình 1.9 Module ra số DO

- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chấtchúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit (AD) Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc từng loại module.

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Về bản chấtchúng chính là bộ chuyển đổi tương tự số 12 bít (AD) Số các cổng vào tương tự cóthể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module

- AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ratương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/ 2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tuỳ từngloại module

c IM (Interface Module)

IM, hay còn gọi là Modul ghép nối Đây là loại module chuyên dụng cónhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đượcquản lý chung bởi một module CPU Thông thường các module mở rộng được gáliền với nhau trên một thanh đỡ gọi là Rack Trên mỗi một Rack chỉ gá nhiều nhất 8module mở rộng ( không kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPUS7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Rack và các Rack này đượcnối với nhau bằng module IM

d FM (Function Mouule)

Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơbước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vòng kín

Hình 1.10 Module ra Analog(AO)

Hình 1.13 Quan hệ CPU và Modul mở rộng

4 Modul hoạt động và đèn báo

a Module hoạt động

Run_P: Chạy chương trình,đọc ghi được từ máy lập trình

Run : Chạy chương trình,không đọc ghi

b Đèn báo trạng thái

SF: Lỗi hệ thống

Batf: Lỗi hết pin hoặc không có pin

DC5V: Báo nguồn 5V

Frce: Báo lỗi chức năng 1 trong các khối I/O

Run: Nhấp nháy khi khởi động và sáng khi hoạt động

Stop: Sáng khi dừng,chớp khi yêu cầu reset,chớp nhanh khi đang reset

1.2.3 Kỹ thuật lập trình với PLC S7-300

1.Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc

Phần bộ nhớ của CPU dành cho chương trình ứng dụng có tên gọi là logicBlock Như vậy logic block là tên chung để gọi tất cả các khối bao gồm những khốichương trình tổ chức OB, khối chương trình FC, khối hàm FB Trong các loại khốichương trình đó thì chỉ có khối duy nhất khối OB1 được thực hiện trực tiếp theovòng quét Nó được hệ điều hành gọi theo chu kỳ lặp với khảng thời gian khôngcách đều nhau mà phụ thuộc vào độ dài của chương trình Các loại khối chươngtrình khác không tham gia vào vòng quét

Với tổ chức chương trình như vậy thì phần chương trình trong khối OB1 cóđầy đủ điều kiện của một chương trình điều khiển thời gian thực và toàn bộ chươngtrình ứng dụng có thể chỉ cần viết trong OB1 là đủ như hình vẽ sau Cách tổ chứcchương trình với chỉ một khối OB1 duy nhất như vậy được gọi là lập trình tuyếntính

Hình 1.15 Sơ đồ khối kiểu lập trình tuyến tính

Khối OB1 được hệ thống gọi xoay vòng liên tục theo vòng quét

Các khối OB khác không tham gia vào vòng quét được gọi bằng những tínhiệu báo ngắt S7-300 có nhiều tín hiệu báo ngắt như tín hiệu báo ngắt khi có sự cốnguồn nuôi, có sự cố chập mạch ở các modul mở rộng, tín hiệu báo ngắt theo chu

kỳ thời gian, và mỗi loại tín hiệu báo ngắt như vậy cũng chỉ có khả năng gọi một

OB1 thực hiện theo vòng quétOB82 Modul chuẩn đoán

lỗi

OB10 Nghắt ở thời điểm định trước

khối OB nhất định Ví dụ tín hiệu báo ngắt sự cố nguồn nuôi chỉ gọi khối OB81, tínhiệu báo ngắt truyền thông chỉ gọi khối OB87.

Mỗi khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt hệ thống sẽ dừng công việc đang thựchiện lại, chẳng hạn như tạm dừng việc thực hiện chương trình trong OB1, và chuyểnsang thực hiện chương trình xử lý ngắt tong các khối OB tương ứng Ví dụ khi đangthực hiện chương trình trong khối OB1 mà xuất hiện ngắt báo sự cố truyền thông,

hệ thống sẽ tạm dừng việc thực hiện chương trình trong OB1 lại để gọi chương trìnhtrong khối truyền thông OB87 Chỉ sau khi đã thực hiện xong chương trình trongkhối OB87 thì hệ thống mới quay trở về hực hiện tiếp tục phần chương trình còn lạitrong OB1

Với kiểu lập trình có cấu trúc thì khác vì toàn bộ chương trình điều khiểnđược chia nhỏ thành các khối FC và FB mang một nhiệm vụ cụ thể riêng và đượcquản lý chung bởi những khối OB Kiểu lập trình này rất phù hợp cho những bàitoán phức tạp, nhiều nhiệm vụ và lại rất thuận lợi cho việc sửa chữa sau này

Hình 1.16 Sơ đồ kiểu lập trình có cấu trúc

OB: Organization Block

SFC: System function

SDB: System Data Block

DB: Data block

Chú ý: Bao giờ FB cũng sử dụng chung với DB.

2.Qui trình thiết kế chương trình điều khiển dùng PLC

Qui trình thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC bao gồm các bước sau:

Bước 1 Xác định qui trình điều khiển

Điều đầu tiên cần biết là đối tượng điều khiển của hệ thống, mục đích cínhcủa PLC là phải điều khiển được các thiết bị ngoại vi Các chuyển động của đốitượng điều khiển được kiểm tra thường xuyên bởi các thiết bị vào, các thiết bị nạygửi tín hiệu đến PLC và tiếp theo đó PLC sẽ đưa tín hiêu điều khiển đến các thiết bị

để điều khiển chuyển động của đối tượng Để đơn giản, qui trình điều khiển có thể

mô tả theo lưu đồ (hình vẽ 2-3)

Bước 2 Xác định tín hiệu vào ra

Bước thứ hai là phải xác định vị trí kết nối giữa các thiết bị vào ra với PLC.Thiết bị vào có thể là tiếp điểm, cảm biến, Thiết bị ra có thể là Rơle điện từ, Motor,đèn, Mỗi vị trí kết nối được đánh số tương tự ứng với PLC sử dụng

Bước3 Xây dựng hàm điều khiển và lập trình

Chương trình điều khiển được soạn thảo dưới dạng lưu đồ hình thang như đãtrình bày ở bước 1

Bước 4.Nạp chương trình vào bộ nhớ

Cấp nguồn cho PLC, cài đặt cấu hình khối giao tiếp I/O nếu cần (Phụ thuộcvào từng loại PLC) Sau đó nạp chương trình soạn thảo trên màn hình vào bộ nhớcủa PLC Sau khi hoàn tất nên kiểm tra lỗi bằng chức năng tự chuẩn đoán và nếu cóthể thì chạy chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống (Ví dụ chương trìnhS7-SIM, S7- VISU, )

Bước 5.Chạy chương trình

Trước khi khởi động hệ thống cần phải chắc chắn dây nối từ PLC đến cácthiết bị ngoại vi là đúng, trong quá trình chạy kiểm tra có thể cần thiết phải thực

hiện các bước tinh chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo an toàn khi đưa vào hoạt độngthực tế.

d Ngôn ngữ lập trình SCL (Structured Control Language)

Kiểu viết chương trình này sử dụng ngôn ngữ PASCAL Rất phù hợp chonhững người đã viết các chương trình bằng ngôn ngữ máy tính

Ví dụ:

e Ngôn ngữ lập trình : S7-Graph.

Ví dụ:

f Ngôn ngữ lập trình : S7-HiGraph

Đây là một loại ngôn ngữ viết chương trình rất phù hợp cho các bài toán làmviệc có tính tuần tự Tại mỗi thời điểm chỉ có một bước được thực hiện Với kiểulập trình này người lập trình phải sử dụng phương pháp lập trình có cấu trúc

Ví dụ:

1.3 Mô tả hệ thống thang máy

Hệ thống bao gồm một PLC S7-300 điều khiển đồng thời cho 4 thang máy

60 tầng Module đầu vào Digital của PLC là 16 chân và đầu ra Digital là 16 chân íthơn rất nhiều so với tín hiệu vào ra cần thiết để điều khiển cho hệ thống 2 thangmáy 60 tầng

Hình 1.17 Mô tả hệ thống 4 thang máy

Vậy hướng giải quyết là tích hợp bộ dồn kênh tín hiệu đầu vào của hệ thangmáy(dồn kênh tín hiệu đầu vào IN_1 đến IN_2), PLC sẽ thực hiện chương trìnhquyét để đọc các tín hiệu đó và lưu vào bộ nhớ Tiếp sau đó một chương trình xử lýđiều khiển tối ưu sẽ thực hiện xử lý các tín hiệu đã được lưu để phát lệnh điều khiển

hệ thang máy thông qua các chân đầu ra Các chân đầu ra này sẽ được kết nối với

bộ phân kênh được thiết kế để điều khiển hoạt động của các thang trong hệ thống Ởđây chương trình điều khiển sẽ thực hiện việc xử lý tín hiệu của từng thang chứkhông đồng thời Đầu tiên chọn kênh tín hiệu đầu vào thang 1 rồi lưu lại, tiếp đếnthang 2 Sau khi lưu đầy đủ trạng thái tín hiệu đầu vào của các thang Chương trình

sẽ thực hiện xử lý tín hiệu đầu vào sau đó chọn kênh đầu ra tương ứng với thang 1rồi xuất tín hiệu điều khiển và tiếp sau đó là thang 2 Quá trình xử lý quay vòng liêntục với tốc độ xử lý rất cao nên vẫn đạt được yêu cầu điều khiển đồng thời các thangcủa hệ thống thang máy

Thang 1

Thang 2

PHÂN KÊNH

PLC

DỒN KÊNH IN_1

IN_2

Chương 2 - DỒN KÊNH VÀ PHÂN KÊNH TÍN HIỆU VÀO RA

2.1 Phân tích tín hiệu vào ra cho bộ điều khiển thang máy

Hình 2.1 Mô tả giao diện của thang máy

Tín hiệu vào bao gồm 3 phần đó là các yêu cầu bên ngoài buồng thang, cácyêu cầu bên trong buồng thang và các cảm biến xác định vị trí thang Tín hiệu yêucầu bên ngoài là 2 nút nhấn lên xuống ở từng tầng, riêng tầng 1 chỉ có 1 nút lên vàtầng 60 chỉ có 1 nút xuống Tín hiệu yêu cầu bên trong buồng thang bao gồm 60 nútchọn tầng ứng với tầng 1 tới tầng 60 và cộng them 3 nút đó là nút đóng cửa, nút mởcửa và nút chuông báo sự cố Cảm biến xác định vị trí của thang gồm 60 cảm biếnứng với 60 tầng Vậy tổng số tín hiệu đầu vào cho một thang là 241

Tín hiệu ra bao gồm tín hiện đèn báo hiển thị đối với từng nút nhất, tín hiệu hiển thịchiều di chuyển của thang lên hoặc xuống dung 2 led đơn, tín hiệu hiển thị số tầng

từ 00 đến 60 dùng 2 led 7 đoạn, 2 tín hiệu điều khiển động cơ kéo thang lên hoặcxuống, 2 tín hiệu điều khiển đóng hoặc mở cửa Vậy tổng số tín hiệu đầu ra cho mộtthang là 200

Tổng kết lại là 241 tín hiệu vào và 200 tín hiệu ra cho một thang Nghĩa là

482 tín hiệu vào và 400 tín hiệu ra cho hệ thống 2 thang máy

Để đáp ứng yêu cầu cho cả hệ thống 2 thang dùng bộ dồn kênh(Multiplexer)

2 1

2 AL

2.2 Mạch dồn kênh (Multiplexer) tín hiệu vào

2.1.1 Nguyên lý chung

Có 482 tín hiệu đầu vào nên sẽ dùng bộ dồn kênh 2 9 :1 Nghĩa là số đầu vào

đáp ứng được là 29=512, số chân điều khiển chọn kênh là 10 và một chân tín hiệu

Ngõ vào chọn

IS1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9

Hình 2.2Nguyên lý dồn kênh tín hiệu vào

Vậy bộ dồn kênh cần thiết kế dùng 10 chân tín hiệu cho việc xử lý tín hiệuvào Với 9 chân chọn kênh vào(từ kênh 1 tới kênh 512) và một chân tín hiệu thunhận trạng thái tương ứng của kênh vào được chọn

2.1.2 Thiết kế mạch

1 Sơ đồ mạch

Hình 2.3 Mạch dồn kênh tín hiệu vào