Giáo trình Kỹ thuật điều khiển lập trình

Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Lời nói đầu Trong năm gần đây, việc ứng dụng Bộ điều khiển lô gic khả trình (PLC-Programmable Logic Controller) xem giải pháp điều khiển lý tưởng cho việc tự động hoá qúa trình sản xuất Lý khiến cho PLC nhà sản xuất lựa chọn nhờ tính ưu việt trội điều khiển kết cấu nhỏ gọn, linh hoạt điều khiển, dễ dàng lập trình thay đổi chương trình điều khiển, đơn giản sửa chữa, độ tin cậy cao môi trường công nghiệp, đặc biệt khả truyền thông cho phép nối mạng cấp phục vụ cho điều khiển giám sát từ xa hay từ trung tâm điều khiển, với giá thành thấp phù hợp với lĩnh vực sản xuất công nghiệp Hiện nước gần chưa có giáo trình tiếng việt viết đầy đủ PLC phục vụ học tập nghiên cứu Qua nhiều năm giảng dạy thực tế sản xuất, tham khảo tài liệu PLC hÃng SIEMENS, OMRON, MITSUBISHI, tài liệu Tự động hoá với Simatic S7-300 PGS-TS Phan Xuân Minh, Tài liệu Bộ điều khiển lập trình ứng dụng PTS Lê Hoài Quốc KS Chung Tấn Lâm, biên soạn giáo trình Kỹ thuật điều khiển lập trình nhằm mục đích phục vụ cho học tập nghiên cứu học sinh sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Giáo trình biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học kỹ thuật điều khiển lập trình dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ điện - điện tử, công nghệ tự động Nội dung giáo trình gồm bốn chương sau: Chương 1: Hệ thống điều khiển điều khiển logic khả trình Chương 2: Ngôn ngữ lập trình PLC Chương 3: Kỹ thuật lập trình PLC Chương 4: Truyền thông PLC Giáo trình trình bày dõ dàng ngắn gọn dễ hiểu, phần ngôn ngữ lập trình giới thiệu tập lệnh PLC viết theo nhiều ngôn ngữ phù hợp với nhiều đối tượng, ngành học khác Trong chương có ví dụ liên hệ với thực tế cụ thể Cuối chương có câu hỏi tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố nội dung kiến thức Để có giáo trình Kỹ thuật điều khiển lập trình xin cảm ơn quan tâm tạo điều kiện Ban Giám Hiệu, hội đồng khoa học cấp, phòng ban chức trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định - 1- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Giáo trình biên soạn lần đầu hẳn không tránh khỏi khiếm khuyết mong nhận ý kiến góp ý bạn đồng nghiệp em sinh viên Mọi ý kiÕn gãp ý xin gưi vỊ bé m«n Kü tht điều khiển - Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (Phòng 301 nhà C) Nam định, tháng năm 2010 Các tác giả - 2- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Mục lục Lời nói đầu Ch­¬ng Hệ thống điều khiển điều khiển logic khả trình 1.1 Hệ thống điều khiển 1.1.1 Khái quát hệ thống điều khiển 1.1.2 Các phương pháp điều khiển 1.1.3 Mô hình phân cấp chức công ty sản xuất công nghiệp 1.2 Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) 11 1.2.1 Kh¸i qu¸t vỊ hƯ thèng ®iỊu khiĨn dïng PLC 11 C¸c Mô đun SM thường có: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374 Trong ®ã: 33 Mô đun vào/ số: 33 Mô đun Analog in: 33 1.2.2.2 KiÓu liệu phân chia nhớ 38 a) Toán hạng liÖu 43 b) Toán hạng địa 44 B¶ng 1-3: ý nghÜa vïng nhí cđa PLC S7-300 49 c) Thanh ghi trạng thái 49 a) Vòng quét chương trình 50 b) Nh÷ng khèi OB đặc biệt 52 Câu hỏi chương 55 Ngôn ngữ lập trình PLC 56 2.1 Các dạng ngôn ngữ lập trình PLC 56 2.1.1 Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder) 56 2.1.2 Ngôn ngữ lập trình FBD (Function block Diagram) 56 2.1.3 Ng«n ngữ lập trình STL (Statement List) 57 2.1.4 Ngôn ngữ lập trình SCL (Structured Control Language) 57 2.1.5 Ngôn ngữ lập trình S7-Graph 58 2.2 TËp lệnh SIMATIC S7-300 ứng dụng 58 2.2.1 Nhãm lÖnh bit logic 58 2.2.2 Nhãm lÖnh so s¸nh 61 2.2.3 Nhóm lệnh đổi kiểu liệu 63 2.2.4 Nhãm lệnh thực chức làm tròn (đổi kiểu liƯu) 65 2.2.5.Nhãm lƯnh to¸n häc 66 2.2.5.1 Nhãm lệnh làm việc với số nguyên 16 bít 66 2.2.6 Nhóm lệnh đảo giá trị c¸c bÝt 73 2.2.7 Nhãm lƯnh ®ỉi dÊu 74 2.2.8 Nhãm lƯnh lµm viƯc víi Bé thêi gian: (Timer) 75 2.2.9 Nhóm lệnh làm việc với Bộ đếm COUNTER 83 2.2.10 Nhãm lÖnh di chun d÷ liƯu (Move) 86 2.2.11 Nhóm lệnh ghi dịch quay số liệu trªn ghi 87 - 3- Kü thuật điều khiển logic khả trình 2.2.12 Nhóm lệnh Logic thùc hiƯn trªn ghi 90 Ch­¬ng 95 Kü thuËt lËp tr×nh 95 3.1 Cấu trúc chương trình 95 3.1.1 Giíi thiÖu chung 95 3.1.2 Cấu trúc khai báo phần cøng 99 3.2 LËp tr×nh tuyÕn tÝnh 99 LËp tr×nh tun tÝnh øng dơng cho toán điều khiển nhỏ vừa mức độ phức tạp không cao ví dụ điều khiển động cơ, bình trộn, 100 3.3 Lập trình cã cÊu tróc vµ øng dơng 102 3.3.1 Khai b¸o local block cho FC 104 3.3.2 Gäi khối FC thủ tục truyền tham trị 107 3.3.3 Local block cña FB 108 3.3.4 Instance block vµ thđ tơc gäi khèi FB 110 VÝ dô 113 3.4 Nghiên cứu khối OB øng dông 117 3.4.2 Khèi OB1 118 3.4.3 Các khối OB đặc biệt 119 3.4.4 øng dơng cđa c¸c khèi OB 121 3.4.4.1 C¸c khèi OB chøa chương trình ứng dụng xử lý ngắt 122 3.4.4.2 Các OB chứa chương trình khởi động (Initialization) 126 3.4.4.3 Các khối OB xử lý lỗi hÖ thèng 127 3.5 Những hàm chuẩn quản lý ngắt 136 3.5.1 Nghiên cứu ngắt 136 3.5.1.1 Xư lý ng¾t 136 3.5.1.2 Ngắt phần cứng (Hardware interrupts) 137 3.5.1.4 Ngắt thời điểm định trước (Time-of-day Interrupts) 139 3.5.1.5 Ng¾t trƠ thêi gian 140 3.5.2 Những hàm chuẩn quản lý ng¾t 141 3.5.3 Mét sè øng dơng cđa ng¾t 143 3.5.3.1 Ngắt thời điểm định trước 143 3.5.3.2 Ng¾t chu kú 147 3.5.3.3 Ng¾t cøng 147 Câu hỏi chương 3: 149 4.1 Kh¸i quát truyền thông PLC 154 4.2 Các yếu tố truyền thông 154 4.2.1 Tham sè truyÒn th«ng 154 4.2.2 Các cổng truyền thông 156 4.2.3 Khoảng cách truyền th«ng 160 4.2.4 Điều khiển đường tín hiệu truyền thông 160 4.2.5 Nghi thøc trun th«ng 160 4.3 PLC hệ thống mạng 163 - 4- Kü tht ®iỊu khiĨn logic khả trình 4.3.1 Khái quát 163 4.3.2 M¹ng AS-I 164 4.3.3 M¹ng MPI 166 4.3.4 M¹ng PROFIBUS 168 Câu hỏi chương 4: .185 - 5- Kü thuËt điều khiển logic khả trình Chương Hệ thống điều khiển điều khiển logic khả trình 1.1 Hệ thống điều khiển 1.1.1 Khái quát hệ thống điều khiển Trên thực tế ngành sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng suất lao động số lượng chất lượng sản phẩm giải cách tăng mức độ tự động hoá trình sản suất Những hệ thống có khả khởi động, kiểm soát, dừng trình sản xuất theo yêu cầu giám sát đo đếm giá trị biến đà xác định trình nhằm đạt kết mong muốn sản phẩm đầu máy thiết bị gọi hệ thống điều khiển Quá trình tự động hoá sản xuất nhằm thay phần toàn thao tác vật lý công nhân vận hành máy móc, thiết bị thông qua hệ thống điều khiển Những hệ thống điều khiển đà tự động hoá điều khiển trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần cần sù can thiƯp cđa ng­êi Mét hƯ thèng ®iỊu khiển mô tả theo sơ đồ khối sau: Khối vào Tín hiệu vào Bộ điều khiển Tín hiệu Khối Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Khối vào : Các tín hiệu vào thường qua chuyển đổi để chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện (đà chuyển đổi chuẩn hoá) Các tín hiệu vào thường nút nhấn (Button), công tắc (Switch), cảm biến (sensor) tuỳ theo yêu cầu đầu vào điều khiển mà tín hiệu khỏi chuyển đổi dạng số (digital) dạng tương tự (Analog) phải tuân theo chuẩn dòng hay áp Bộ điều khiển: Bộ điều khiển thay người vận hành thực thao tác đảm bảo trình hoạt động có điều khiển Nó nhận thông tin tín hiệu từ khèi vµo vµ thùc hiƯn xư lý tÝn hiƯu vµo theo luật đặt theo yêu cầu công nghệ xuất tín hiệu ®Õn khèi ®Ĩ thùc hiƯn c¸c t¸c ®éng ®Õn cấu chấp hành Khối ra: Tín hiệu kết trình xử lý điều khiển Các tín hiệu sử dụng để tạo hoạt động đáp ứng cụ thể cho máy - 6- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình thiết bị ngõ động cơ, van, xy lanh khí nén hay dầu ép, bơm, rơ le Chẳng hạn, động biến đổi tín hiệu điện thành chuyển động quay (các thiết bị ngõ có cấu trúc chuyển đổi vào theo chiều ngược lại) Các thiết bị ngõ làm việc với tín hiệu dạng on/off tín hiệu liên tục Từ thông tin tín hiệu đầu vào điều khiển tự động phải tạo tín hiệu cần thiết đáp ứng yêu cầu điều khiển đà xác định phận xử lý Yêu cầu điều khiển thực theo hai cách: dùng mạch điện kết nối cứng, dùng chương trình điều khiển Mạch điện kết nối cứng dùng trường hợp yêu cầu điều khiển không thay đổi, phần tử hệ thống kết nối với theo mạch cố định Trong đó, hệ thống dùng chương trình điều khiển hoạt động theo chương trình lập sẵn lưu nhớ chương trình điều chỉnh cần thiết thay chương trình khác 1.1.2 Các phương pháp điều khiển 1.1.2.1 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open loop control system) Đối với hệ thống hở khâu đo lường không dùng đến Sự thay đổi tín hiệu đầu không phản ánh thiết bị điều khiển Sơ đồ hình (1-2) hệ thống điều khiển hở Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở lý thuyết rơ le (Relay) lý thuyết aptomat hữu hạn Dạng điều khiển đơn giản điều khiển vòng hở, ý tưởng điều khiển thiết lập hệ thống hoạt động đạt đến mức độ xác cần thiết cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động ngõ hệ thống Không có tín hiệu phản hồi đến điều khiển để xác định điều chỉnh tín hiệu hệ thống dùng điều khiển dạng cã thĨ cho tÝn hiƯu víi sai sè lín Tín hiệu vào Bộ điều khiển Tín hiệu Đối tượng Máy sản xuất điều khiển Hình 1-2: Hệ thống điều khiển vòng hở Ví dụ: Hình 1-3 sơ đồ điều khiển động DC Trong sơ đồ tốc độ động phụ thuộc vào tín hiệu đặt chịu ảnh hưởng tải Tải nặng động quay chậm ngược lại Đặt tín hiệu điều khiển Động DC Tải (load) Hình 1-3: Điều khiển động kiểu vòng hở - 7- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.1.2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed loop control system) Hệ thống điều khiển kín hệ thống điều khiển phải có tín hiệu phản hồi (Feed back) có nghĩa tín hiệu đo lường đưa thiết bị điều khiển Tín hiệu phản hồi kết hợp với tín hiệu vào ®Ĩ t¹o tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn ®Ĩ khèng chÕ đầu theo mong muốn Sơ đồ khối hệ điều khiển kín mô tả hình 1-4 Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín lý thuyết điều khiển tự động Hệ thống ĐKTĐ hệ thống xây dựng từ ba phận chủ yếu: - Thiết bị điều khiển C (Controller) Thiết bị điều khiển tất hệ thống điều khiển thể hệ rơ le contactor hay PLC - Đối tượng điều khiển O (Object) - Thiết bị đo lường M (Measuring device) Noise R e F Bộ điều khiển X Đối tượng Y Thiết bị đo lường Hình 1- 4: Sơ đồ khối hệ thống ®iỊu khiĨn kÝn C¸c tÝn hiƯu t¸c ®éng hƯ thống: R - (Reference) tín hiệu đặt hay tín hiệu chủ đạo Y - Tín hiệu OUTPUT X - Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (Object) thường gọi tín hiệu vào khâu e - Sai lệch điều khiển (Error) F- Tín hiệu phản hồi (Feed back) N- Tín hiệu nhiễu (Noise) tác động từ vào hệ thống Hệ điều khiển vòng kín hệ điều khiển tự động Có thể nói hệ có khả điều khiển tự động hệ thống định phải có khâu phản hồi Trong hệ truyền động tín hiệu phản hồi thường lấy tín hiệu từ đầu sau đối tượng điều khiển ví dụ cảm biến nhiệt hệ điều khiển nhiệt độ, phản hồi tốc độ để ổn định tốc độ động - 8- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.1.3 Mô hình phân cấp chức công ty sản xuất công nghiệp Quản lý công ty Mạng công ty Điều hành sản xuất Mạng xí nghiệp Điều khiển giám sát Bus hệ thống Bus điều khiển Điều khiển Bus trường Bus thiết bị Bus cảm biến Chấp hành Chấp hành Hình 1-5: Mô hình phân cấp chức công ty sản xuất công nghiệp Để xếp, phân loại phân tích đặc trưng mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho công ty, xí nghiệp sản xuất Với mô hình chức phân cấp thành nhiều cấp khác minh hoạ hình vẽ 1-5 Càng cấp chức mang tính đòi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một cấp chức thực dựa theo chức cấp dưới, không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh cấp dưới, ngược lại lượng thông tin cần xử lý trao đổi lại lớn Tương ứng với năm cấp chức bốn cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ bus thường dùng thay cho mạng với lý phần lớn hệ thống mạng có cấu trúc vật lý logic kiểu bus 1.1.3.1 Bus trường, bus thiết bị Bus trường (Fieldbus) khái niệm chung (dùng nhiều công nghiệp chế biến) để hệ thống bus nèi tiÕp sư dơng kü tht trun tin sè ®Ĩ kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, - 9- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình hay thiết bị trường Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả nối mạng vào phân tán (distributed I/O), thiết bị đo lường (Sensor, transmitter) cấu chấp hành (Actuator) có tích hợp khả xử lý truyền thông Nhiệm vụ bus trường chuyển liệu trình lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành, yêu cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,ímtới vài miligiây Trong yêu cầu lượng thông tin điện thường hạn chế khoảng vài byte, tốc độ truyền thông cần phạm vi Mbit/s Các hệ thống bus trường thường sử dụng rộng rÃi nhÊt hiƯn lµ PROFIBUS, Controlnet, INTERBUS, CAN, Foundation Fieldbus, DeviceNet, ASi 1.1.3.2 Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (System bus) hay bus trình (Process bus) Thông tin trao đổi theo chiều dọc chiều ngang Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành trạm chủ trao đổi liệu qua bus hệ thống Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm khoảng vài trăm mili giây Trong yêu cầu lượng thông tin cần trao đổi lớn nhiều so với bus trường, tốc độ truyền thông phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s Khi bus hệ thống sử dụng để ghép nối theo chiều ngang máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển Vai trò bus điều khiển phục vụ trao đổi liệu thời gian thực trạm điều khiển hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, yêu cầu tính thời gian thực cao Các kiểu bus hệ thống thông dụng dựa Ethernet nh­: Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, PROFIBUS-FMS, ControlNet Modbus Plus 1.1.3.3 Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực mạng LAN bình thường có chức kết nối máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin đưa lên bao gồm trạng thái làm việc trình kỹ thuật số liệu tính toán thống kê diễn biến trình sản xuất chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại thông số thiết kế, công thức điều khiển mệnh lệnh điều hành - 10- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình TôI chê nhËn d÷ liƯu chê nhËn ký tù kÕt thúc TôI vừa ký gửi 80 ký tự Bạn sẵn sàng nhận tiếp 80 ký tự nứa không Máy gửi (gửi thông báo) ENQ 80 ký tự ASCCII Máy nhận (nhận thông báo) Chờ đến máy nhận đủ 80 ký tự TôI đà lưu 80 ký tự tôI sẵn sàng nhận thêm TôI nghe bạn nói với tôI bạn đà sẵn sàng Máy gửi (gửi thông báo) ACK Máy nhận (nhận thông báo) (b) Không cần thêm đường tín hiệu Hình 4-6: (b) Nghi thức ENQ/ACK (có thể dùng half-duplex thiết bị gửi truyền byte ENQ) 4.3 PLC hệ thống mạng 4.3.1 Khái quát Khi PLC làm việc độc thực công đoạn hay nhiệm vụ mà liên kết dàng buộc hay chia sẻ trách nhiệm điều khiển công đoạn khác Thực tế cho thấy công việc lớn số lượng dây dẫn tới PLC nhiều gây tổn thất dây dẫn mà quan thật gây khó khăn cho việc sửa chữa bảo trì hệ thống, vấn đề đường truyền dài giá trị thu nhận từ cảm biến hay tín hiệu điều khiển có sai lệch lớn gây ảnh hưởng nghiêm - 163- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình trọng tới sản xuất Giải pháp sử dụng đường truyền chia sẻ nhiệm vụ điều khiển sử dụng công nghệ mạng áp dụng rộng rÃi đáp ứng yêu cầu sản xuất đại Hiệu hệ thống mạng PLC mang lại 4.3.2 Mạng AS-I Mạng AS-I (Giao tiếp cảm biến chấp hành Actuator Sensor interface) cấp mạng thấp hệ thống tự động hoá Mạng giúp thay bó dây điện nối từ cảm biến chấp hành dây chuyền sản xuất đến trung tâm điều khiển cáp điện Cáp làm hai nhiệm vụ: cung cấp nguồn cho cảm biến trao đổi thông tin ASI master với Cảm biến- Chấp hành nhị phân Mạng bảo trợ hội quốc tế AS có địa www.as-interface.com Mạng ASI mạng chủ nhiều tớ, tớ có địa chỉ, chủ truy cập thông tin từ tớ chờ đợi trả lời Thông tin truyền đường dây cấp điện theo nguyên lý điều chế dòng Cáp mạng nối theo cấu trúc với chiều dài lên đến 100m Nếu chiều dài lớn nên dùng lặp lại repeater Một mạng ASI có tối đa 31 thiết bị tớ, thiết bị có địa từ đến 31, ấn định ASI chủ Mỗi thiết bị tớ nhận bit truyền bit liệu, mạng ASI nhận truyền đến 248 cảm biếõn/ chấp hành nhị phân (Chuẩn V2.1 nối đến 62 trạm tớ) Vận tốc truyền tuyến 167kb/s với thời gian truy cập khoảng 5ms * Các thông số kỹ thuật AS-I: Chn AS-I theo chn IEC TG 178 Sè l­ỵng trạm cho phép Master max 31 Slave Phương pháp thâm nhập đường dẫn Master Slave Tốc độ truyền 167 Kbit/s Môi trường truyền thông Dây dẫn thẳng không bọc Khoảng cách thiết bị mạng 300 m với Repeater Kiểu nối Đường thẳng, cây, Dịch vụ truyền thông AS-I Function Bảng 4-3: Các thông số kỹ thuật mạng AS-I Các thành phần mạng ASI gồm có: - AS-i Chủ: điều khiển mạng - Mô đun AS-I: ghép Cảm biến/ Chấp hành với mạng - Cáp AS-I: hai dây tiết diện 1.5mm2 vỏ cao su nối vật lý phần tử mạng - Bé ngn AS-I: cÊp ngn - 164- Kü tht ®iỊu khiển logic khả trình - Cảm biến/ Chấp hành nhị phân với chip AS-i - Bộ xác định địa chỉ: tạo địa cho thiết bị tớ - SCOPE AS-Interface: chương trình giám sát cho máy tính Kết nối thành phần thực theo sơ đồ sau AS-i Chủ: làm nhiệm vụ kết nối PLC hay máy tính với mạng Thời gian truy cập tất trạm tớ tối đa 5ms HÃng Siemens sản xuất loại sau: - SIMATIC S5 PLC: - 165- Kü tht ®iỊu khiển logic khả trình + CP 2433 với S5-90U, S5-95U, S5-100U + CP 2430 víi S5-115U, S5-135U, S5-155U - SIMATIC S7 PLC: + CP 242-2, CP 242-8 víi S7-200 + CP 342-2 víi S7-300 - SIMATIC C7: C7-621 AS-i - Distributed I/Os: + DP/AS-Interface Link 20 (type of protection IP 20), ghép nối mạng Profibus ASI + CP 242-8 víi S7-200 + CP 2433 víi ET 200U + CP 342-2 víi ET 200M + CP 142-2 víi ET 200X + DP/AS-Interface Link (loại bảo vệ IP 65) + CP 2413 cho máy tính PC-AT 4.3.3 Mạng MPI Mỗi CPU SIMATIC S7 trang bị "giao tiếp đa ®iĨm" (MPI, multipoint interface) Giao tiÕp nµy thiÕt lËp mét mạng CPU, hình điều khiển thiết bị lập trình trao đổi liệu với Sự trao đổi liệu thực hiƯn qua giao thøc riªng cđa Siemens MPI sư dơng cáp hai dây cáp sợi quang thuỷ tinh hay nhựa làm đường truyền Chiều dài tối đa cáp cho phân đoạn 50 mét Sử dụng lặp RS 485 làm tăng chiều dài tối đa lên đến 1100 mét Mô-đun nối cáp quang Optical Link làm tăng chiều dài cho phép chí 100 km Tốc độ truyền thường 187,5 kbit/ giây Số trạm tối đa 32 Mỗi trạm số lượng thời gian định để truy cập bus gửi liệu Khi thời gian kết thúc, trạm chuyển tín hiệu ( quyền truy cập ) sang trạm Phương pháp gọi "chuyển giao quyền truy cập" (Token passing) Có thể dùng truyền thông liệu toàn cục ( global), truyền thông trạm SFC hay truyền thông SFB để chuyển liệu CPU mạng MPI mà không cần thêm mô-đun phụ * Những đặc điểm mạng MPI: - Các thiết bị mạng thuộc SIMATIC S7/M7 C7 cho phép thiết lập mạng đơn giản - 166- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Mạng thiết lập với số lượng hạn chế thành viên có khả trao đổi dung lượng thông tin nhỏ - Truyền thông thông qua bảng liệu toàn cục gọi tắt GD (Global Data) Bằng phương pháp cho phép thiết lập bảng truyền thông trạm mạng trước thực truyền thông Có khả liên kết nhiều CPU PG/OP với + Các thông sè kü tht cđa m¹ng MPI: Chn SIEMENS Sè tr¹m cho phép Max 32 Phương pháp thâm nhập đường Token Passing dẫn Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s Môi trường truyền dẫn Đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh chất dẻo) Chiều dài lín nhÊt cđa m¹ng 50 m, víi Repeater 1100 m, với cáp quang qua OLM> 100 km Cấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình vòng tròn Dịch vụ truyền thông Nhóm lệnh chức S7 Bảng liệu truyền thông toàn cục (GD) Bảng 4-4 Thông số kỹ thuật mạng MPI Mô hình mạng MPI S7-300 :CPU 312 IFM, CPU 313, CPU 314, CPU 314 IFM, CPU 315, CPU 315-2 DP - 167- Kü thuËt điều khiển logic khả trình S7-400 :CPU 412-1, CPU 413-1, CPU 414-1, CPU 416-1, CPU 413-2 DP, CPU 414-2 DP, CPU 416-2 DP OP :OP 3, OP 5, OP 7, OP 15, OP 17; OP 25, OP 35, OP 37 PC :CP 5412-A2 (ISA), CP 5411 (ISA), CP 5511 (PCMCIA), MPI card (ISA),CP 5611 (PCI) 4.3.4 Mạng PROFIBUS Hình 4.7 Mạng PROFIBUS PROFIBUS- Process Field Bus Đây chuẩn truyền thông SIEMENS phát triển từ năm 1987 DIN 19245 PROFIBUS thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho cấp phân xưởng cấp trường Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối điều khiển PLC, thiết bị vào/ra phân tán, lập trình PC/PG, cấu chấp hành, thiết bị hÃng khác 4.3.4.1 Các loại PROFIBUS Mạng PROFIBUS cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau: - PROFIBUS DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin nhỏ đòi hỏi tốc độ truyền nhanh - PROFIBUS DP xây dựng tối ưu cho việc kết nối thiết bị trường với máy tính điều khiển PROFIBUS DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao tính thời gian trao đổi liệu, cấp điều khiển - 168- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC máy tính công nghiệp với ngoại vi phân tán cấp trường thiết bị đo, truyền động van Việc trao đổi chủ yếu thực tuần hoàn theo chế Master/Slave Với số trạm tối đa mạng 126, PROFIBUS DP cho phép sử dụng cấu hình trạm chủ (Mono Master) nhiều trạm chủ (Multi Master) Một đặc trưng PROFIBUS DP tốc độ truyền cao, lên tới 12 Mbit/s Hình 4-8: Mạng PROFILBUS - DP S7-300 Master Class1 PC with CP Master Class1 PROFIBUS DP S7-200 S7-300 ET-200 Slave Hình 4-9: Mạng PROFIBUS - DP nhiỊu chđ - 169- Kü tht ®iỊu khiĨn logic khả trình - PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) Trao đổi lượng thông tin trung bình thành viên bình đẳng với mạng PROFIBUS FMS dùng chủ yếu cho việc nối mạng máy tính điều khiển giám sát Mạng thực lớp 1, 2, theo mô hình quy chiếu OSI Do đặc điểm ứng dụng cấp điều khiển điều khiển giám sát, liệu chủ yếu trao đổi với tính chất không định kỳ Hình 4-10: Cấu trúc mạng PROFIBUS FMS -PROFIBUS PA (Process Automation) : Được thiết kế riêng cho khu vực nguy hiểm PROFIBUS PA mở rộng PROFIBUS DP phương pháp truyền dẫn an toàn môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2 PROFIBUS PA loại bus trường thích hợp cho hệ thống điều khiển phân tán ngành công nghiệp hoá chất hoá dầu Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP Điều đảm bảo cho toàn thông tin truyền liên tục hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm DP PA - 170- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 4.3.4.2 Các phương pháp truy cập bus Token bus Master Master Master Profibus Slave Slave Slave Slave Slave Slave Master-Slave Hình 4-11: Các phương pháp truy cập bus Phương pháp thâm nhập vào mạng quy định EN 50170, Volume bao gồm phương pháp: Token Passing cho trạm chủ Master/Slave cho trạm tớ Tuy nhiên trường hợp có nhiều Master mạng, quyền điều hành luân chuyển từ trạm Master sang Master khác nhờ kỹ thuật Token Passing Truyền thông trạm chủ (hay gọi trạm tích cực) điều khiển vòng logic (Logical Ring - LR) Vòng thiết lập trước đưa mạng vào hoạt động Vòng định thời điểm nào, trạm chủ tích cực tích cực Trạm chủ tích cực gọi trạm chiếm giữ token Trong thời gian chiếm giữ token trạm có quyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi liệu Vòng logic hoàn toàn không phụ thuộc vào cấu trúc trạm chủ với mạng Khoảng thời gian không cho phép trạm chủ khác thâm nhập vào - 171- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình đường dẫn, khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token, gọi thời gian chiếm giữ token Nếu hết thời gian token mà trạm chưa gửi xong liệu, liệu trạm có mức ưu tiên cao tiếp tục truyền đi, không trạm chủ phải ngưng trình truyền thông đợi lượt sau Nếu trạm chiếm giữ token nhu cầu truyền thông token tự động chuyển sang trạm tiếp sau theo quy định vòng logic Nếu trạm tớ nối với trạm chủ chiếm giữ token thời gian token, trạm tớ bị hỏi phải nhận thông tin trạm chủ cung cấp Một trạm tớ không chiếm giữ token Các trạm thực việc trao đổi thời gian mạng hoạt động Trong SIMATIC, thiết bị nối lên mạng PROFIBUS thông qua mô đun CP PROFIBUS-DP cung cấp dịch vụ truyền thông trạm SIMATIC S7 thiết bị trường (DP-Slave) để thực trao đổi liệu vào/ra trình Quá trình trao đổi liệu DP-Master DP-Slave thực theo chu trình lặp lại với dung lượng thông tin không lớn 4.3.4.3 Những tính chất đặc trưng mạng PROFIBUS - Thông qua PROFIBUS thực đồng thời hàm chức dịch vụ truyền thông sau: - FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Message Specification) vµ Nhãm lệnh chức C7 - FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Data Link) Nhóm lệnh chức S7 - PROFIBUS DP tạo khả trao đổi liệu trạm chủ trạm tớ nhà sản xuất khác theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt - Đối với SIMATIC S7/M7 tồn giao diện tích hợp PROFIBUS DP (hai giao diện S7 mô ®un giao diƯn cho c¸c CPU M7) - Thêi gian đáp ứng nhanh (1 ms) đòi hỏi mét tr¹m tí DP (DP-Slave) phơc vơ tr¹m chđ (DP-Master) 4.3.4.4 Môi trường truyền dẫn a) Đường truyền RS 485 Tuân theo chuẩn EIA RS-485/4 máy tính truyền dẫn, cáp xoắn đôi (STP), đoạn cáp chặn đầu trở kháng gọi đoạn segment Các trạm nối với bus qua đầu nối tối đa 127 trạm network dùng lặp Độ dài tối đa segment phụ thuộc vào: tốc độ truyền, loại cáp sử dụng, tốc độ < 12 Mbit/s - 172- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 4-12: Mạng PROFIBUS sử dụng RS 485 b) Đường truyền quang Mạng PROFIBUS SIMATIC sử dụng mô đun tích hợp cæng quang nh­ OBT (Optical Bus Terminal), OLM (Optical Link Mô đun) để tạo thành mạng quang theo nhiều cấu trúc bus khác nhau, tăng độ dài truyền dẫn, giảm ảnh hưởng điện từ, tăng tốc độ truyền thông, số trạm tối đa mạng 127 (126 sử dụng OLM với cấu trúc vòng) Hình 4-13: Mạng PROFIBUS sư dơng OLM - 173- Kü tht ®iỊu khiĨn logic khả trình c) Kỹ thuật hồng ngoại Mạng PROFIBUS không dây sử dụng ánh sáng hồng ngoại để truyền tín hiệu, khoảng cách tối đa hai trạm 15 m, mạng không dây sử dụng mô đun ILM (Infrared Mô đun) Mạng không dây có độ linh hoạt cao, đòi hỏi không vật chắn đường truyền hai tr¹m cÊu tróc Point - Point, Point – MultiPoint, số trạm tối đa mạng 127 Hình 4-14: Mạng PROFIBUS không dây kết nối điểm - điểm 4.3.4.5 Các cấu trúc mạng a) Cấu trúc mạng RS-485 Khi dïng kü tht trun RS-485 cã thĨ cã c¸c tèc ®é trun nh­: 9,6 Kbit/s; 192 Kbit/s; 45,45 Kbit/s; 93,75 Kbit/s; 185,5 Kbit/s; 500 Kbit/s; 1,5 Mbit/s; 3,6 Mbit/s; 12 Mbit/s Có thể chia thành hai nhóm chính: Các thiết bị cho phép tốc độ truyền từ 9,6 Kbit/s 1,5 Mbit/s Các thiết bị cho phép tốc độ trun tõ 9,6 Kbit/s  12 Mbit/s CÊu tróc m¹ng quang Một mô đun liên kết quang OLM (Optical Link Mô đun) Trạm PROFIBUS Sử dụng mạng quang để tăng khoảng cách truyền dẫn, giảm tác động nhiễu Trạm PROFIBUS sử dụng giao diện PROFIBUS-DP (RS-485) nối vào mạng quang sử dụng đầu nối quang OBT (Optical Bus Terminal) với cổng FO (Fiber Optic) tích hợp ET 200M (IM 153-2FO), S7-400 (IM 467FO) cã thÓ nèi trực tiếp vào mạng quang với cấu trúc bus - 174- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 4-15: CÊu tróc bus cđa m¹ng PROFIBUS quang b) CÊu tróc mạng không dây Trong SIMATIC NET, sử dụng mô đun liên kết hồng ngoại (ILM để tạo mạng không dây víi cÊu tróc Point – Point, Point - MultiPoint) H×nh 4-16: Mạng PROFIBUS không dây kết nối điểm- nhiều điểm - 175- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình c) Cấu trúc mạng DP-PA Theo cấu trúc bus hình Khi sư dơng DP/PA lµ ngn cung cÊp qua đường liệu cho thiết bị trường, ý tổng dòng thiết bị trường không lớn dòng cực đại DP/PA, điều làm hạn chế số thiết bị trường gắn vào Hình 4-17: Mạng PROFIBUS sử dụng liên kết DP/PA Đặc tính PROFIBUS Số lượng trạm 127 Phương pháp thâm nhập mạng Token Bus (cho trạm chủ) Master-Slave (cho trạm tớ) Tốc ®é trun 9,6 Kbit/s - 12 Mbit/s M«i tr­êng trun thông Đôi dây xoắn cáp quang Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật mạng PROFIBUS Câu hỏi chương 4: Câu 1: Trình bày tham số truyền thông mạng PLC Câu 2: Đặc điểm mạng ASI, PROFIBUS ứng dụng Câu 3: So sánh mạng ASI với mạng MPI - 176- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Tài liệu tham khảo [1] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm: Bộ điều khiển lập trình vận hành ứng dụng- NXB KH&KT-99 [2] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp- NXB khoa học kỹ thuật 2004 [3] Phạm Thượng Hàn: Hệ thống thông tin công nghiệp- NXB giáo dục 2007 [4] PX Minh- Tự động ho¸ víi Simatic S7-300, NXB KHKT 2004 [5] Vị Quang Hồi Trang bị điện máy công nghiệp; NXB KHKT 2000 [6] Siemens AG: Simatic STEP7 Hardware Configuration and Structure, 1995 [7] Siemens soft ( help manual), V5.4 Tham kh¶o mét sè website www siemens.de/en www siemens.com.vn - 177- ... 4: .185 - 5- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Chương Hệ thống điều khiển điều khiển logic khả trình 1.1 Hệ thống điều khiển 1.1.1 Khái quát hệ thống điều khiển Trên thực tế ngành... 1969 Điều đà tạo phát triển thật cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống điều khiển cổ điển Qua trình. .. điều khiển Động DC Tải (load) Hình 1-3: Điều khiển động kiểu vòng hở - 7- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.1.2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed loop control system) Hệ thống điều khiển