2.2.1. Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens
SIEMENS có truyền thống là nhà cung cấp hàng đầu về hệ thống tự động hóa quá trình và thiết bị đo cho thị trường châu Âu. Vài năm gần đây, siemens đã tiến những bước đi dài trong việc phát triển kinh doanh trong lĩnh vực này trên thị trường toàn cầu thông qua việc mua lại các công ty khác cũng như thay đổi cơ cấu tổ chức.
Mục tiêu của Siemens A&D (Automation & Drives) trong các ngành tự động hóa, truyền động, thiết bị đóng cắt hạ thế, và công nghệ lắp đặt diện là trở thành công ty dẫn đầu thị trường thế giới, điồng thời mở rộng hoạt động kinh doanh mang lại lợi nhuận cao trong các lĩnh vực này. Để đạt được những mục tiêu ày công ty đã tăng cường hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa quá trình và phát triển phần mềm dùng cho các hệ thống điều khiển phức tạp dựa trên nền tảng Tự Động Hóa Tích Hợp Toàn Diện – TIA.
SIEMENS đã nổi lên như là một trong những nhà cung cấp hàng đầu thế giới trong lĩnh vực công nghiệp xử lý- chế biến trên thị trường thế giới, và đặc biệt là tại thị trường Bắc Mỹ. Nếu sự phát triển trong lĩnh vực này là thông thường thì công ty sẽ tiếp
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
tục chú trọng phát triển những lĩnh vực chủ chốt trong ngành tự động hóa quá trình với tốc độ cao hơn tốc độ phát triển kinh trung bình của thị trường. Hiện nay hệ SIMATIC PCS7, trọng tâm của sự phát triển kinh doanh trong ngành xử lý - chế biến của SIEMENS đã khẳng định được vị thế trên thị trường và có tính năng linh hoạt cao có thể sánh ngang hàng với bất kỳ hệ thống nào có trên thị trường. Hiện tại đã có hàng ngàn hệ SIMATIC PCS7 được lắp đặt khắp toàn cầu.
Hai điểm mạnh của SIEMENS là khả năng đưa hệ tự động hóa rời rạc và tự động hóa quá trình về cùng một môi trường điều khiển và định hướng sở hữu các công nghệ trọng tâm. SIEMENS không phải là một nhà cung cấp PLC đi vào thế giới DCS (Distributed Control System) – Hệ Điều khiển Phân tán hay ngược lại mà SIEMENS đã có nhiều năm kinh nghiệm trong cả hai lĩnh vực tự động hóa rời rạc và quá trình vào cùng một môi trường chung dưới nền tảng TIA và SIMATIC.
Xét trên khóa cạnh định hướng phát triển công nghệ, SIMATIC PCS 7 hoàn toàn phù hợp với mô hình tự động hóa quá trình cộng tác và đã nhanh chóng chiếm vị trí cao trên thị trường công nghệ.
2.2.2. Phân tích lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng Siemens
Chỉ tiêu về kĩ thuật
Bộ điều khiển S7-300 của Siemens đã có thể đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu công nghệ. Chúng hoạt động tin cậy, tốc độ xử lý cao rất mạnh trong quá trình điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự và cả điều khiển quá trình.
Khả năng mở rộng rất lớn, mỗi một bộ điều khiển cỡ trung bình có thể mở rộng hàng chục module mở rộng, hàng trăm điểm vào ra. Vì vậy mỗi bộ điều khiển trung tâm có thể đảm nhận quá trình điều khiển cả một hệ thống cỡ lớn.
Chúng hoạt động rất linh hoạt có thể đóng vai trò là master hoặc slave tùy theo yêu cầu công nghệ bài toán, có giao diện mạng truyền thông có thể kết nối với các thiết bị thuộc cấp trên và các thiết bị ở cấp dưới.
Có rất nhiều chức năng, chuẩn đoán lỗi, rất nhiều chế độ ngắt, có thể thực hiện ở chế độ dự phòng bằng chương trình. Có thể kết nối nhiều thiết bị vào mạng. vừa có thể đóng vai trò là một OPC server và OPC client.
Trạm vận hành có thể được xây dựng đầy đủ tất cả các tính năng, giám sát thông số, cập nhật và lưu trữ dữ liệu một cách liên tục, thực hiện các chức năng cảnh báo, biểu diễn
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
dạng đồ thị bẳng biểu và xuất ra các bảng báo cáo. Phần mềm giao diện SCADA có thể kết nối với cơ sở dữ liệu SQL Server, Micro Access, xuất báo cáo bằng Excel.
Chỉ tiêu về kinh tế:
Các thiết bị điều khiển giám sát của Siemens rất đa dạng về chủng loại, rất phong phú trên thị trường, ứng dụng hầu hết vào tất cả các ngành sản xuất. Thiết bị rất dễ thay thế vì vậy rất thuận tiện trong quá trình bảo trì và sửa chữa.
Thiết bị được sản xuất hàng loạt, rất nhiều chủng loại khác nhau vì vậy rất dễ lựa chọn chính vì vậy rất kinh tế và thuận tiện. Giá cả cũng rất hợp lý.
2.3. Giới thiệu chung về dòng sản phầm PLC S7-300 của hãng Siemens
Bộ điều khiển PCL S7-300 đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm vừa thực hiện chức năng vận hành đóng cắt khi có sư cố, ngoài ra nó còn thực hiện chức năng truyền thông đưa các tín hiệu thiết bị trường về các trạm vận hành để thực hiện quá trình giám sát.
PLC S7300 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 module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng ứng dụng, song tối thiểu bao giờ cũng có 1 module chính là module CPU. Các module còn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài, các module chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các module mở rộng.
Các module mở rộng gồm có: Module nguồn (PS); Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM), gồm có: DI, DO, DI/DO, AI, AO, AI/AO; Module ghép nối (IM); Module chức năng điều khiển riêng (FM); Module phục vụ truyền thông (CP).
M COIL VALE
PS CPU IM SM:DI SM:DO SM:AI SM:AO FM CP
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
2.3.1. Giới thiệu về phần cứng
a. Module nguồn PS307 của S7 - 300
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC. Ngoài ra còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có công suất nhỏ.
Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của CPU tùy theo các lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc
Module nguồn PS 307 có 3 loại 2A, 5A, 10A
Mặt trước của module nguồn gồm có:
Một đèn LED báo hiệu trạng thái điện áp ra 24V
Một công tắc dùng để bật/tắt điện áp ra
Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230 VAC
Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra b. Khối xử lý trung tâm CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông RS 485… và có thể có một vài cổng vào/ra số. Các cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7 300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như: module CPU312, module CPU314, module CPU315…
Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm đặt trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard,được phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh đó còn có loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU này được phân biệt bằng cách thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ: module CPU315-2DP, module CPU316-2DP. Ta sử dụng module CPU 315 -2DP.
c. Module mở rộng cổng tín hiệu Digital Input Module
Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ nhận các tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lý, gồm có các module sau:
SM 321 DI16xAC120 V SM 321 DI16xDC24 V
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
SM 321 DI16x24VDC, interrupt SM 321 DI8xAC120/230V SM 321 DI32xDC24V,… Digital Output Module
Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất các tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:
SM 322 DO16xAC120V/0.5A SM 322 DO16xDC24V/0.5A
SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, … Digital Input/ Output Module
Module mở rộng các cổng vào/ra số. Tích hợp nhiệm vụ của hai loại module trên. Gồm có các loại sau:
SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A SM 323 DI8/DO8xDC24V/0.5A… Analog Input Module
Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu tương tự từ bên ngoài thành các tín hiệu số để xử lý bên trong S7300. Gồm các loại module sau:
SM 331 AI2x12bit SM 331 AI8x12bit SM 331 AI8x16bit… Analog Output Module
Module mở rộng các cổng ra tương tự, có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu tương tự để phục vụ cho quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài. Gồm các loại module sau:
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
SM 332 AO4x12bit SM 332 AO4x16bit… Analog Input/Output Module
Module tích hợp nhiệm vụ của hai loại trên. Gồm có: SM 334 AI4/AO2
SM 334 AI4/AO2x12bit SM 334 AI4/AO4x14/12bit…
d. Module ghép nối (Interface Module –IM)
Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM. Module IM gồm có các loại:
IM 360 IM 361 IM 365
2.3.2. Tổ chức bộ nhớ CPU của PLC S7300
Bộ nhớ của CPU bao gồm các vùng nhớ sau: Vùng nhớ chứa các thanh ghi. Vùng System Memory.
Vùng Load Memory. Vùng Work Memory.
Kích thước của các vùng nhớ này tuỳ thuộc vào chủng loại của từng module CPU. System Memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào ra số (I, Q), các biến cờ (M), thanh ghi T-Word, PV, T- bít của Timer và thanh ghi C-Word, PV, C- bít của Counter.
Load Memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử dụng viết, bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB), các khối dữ liệu DB. Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM.
Work Memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FC, FB, SFC, 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).
Hình 2.3. Tố chức bộ nhớ trong CPU 2.3.3. Thông số của khối xử lý trung tâm CPU-315-2DP
CPU-315-2DP có bộ nhớ chương trình từ trung bình đến lớn và có giao diện Profibus có thể kết nối vào mạng profibus. Cụ thể là để kết nối mạng profibus với các thiết bị trường, bên cạnh đó nó có thể kết nối Simatic S7 300 tới mạng Ethernet công nghiệp với các chứng năng như profinet tốc độ lên tới 10/100 Mbit/s.
Được sử dụng cho các hệ thống có số lượng đầu vào đầu ra lớn, số kênh số tối đa là 1024, số kênh tương tự tối đa là 512 và được sử dụng cho hệ thống với cấu trúc vào ra
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
phân tán, số trạm DP slave cho mỗi CPU là 64 và số dữ liệu cho SP slave là 244 byte. Truyền thông cho profinet là 64 trạm.
2.3.4. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng a. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương 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 truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Hình 2.4. Vòng quét chương trình
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó.
Đối với các cổng vào ra tương tự không liên quan tới bộ đệm I và Q nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm.
b. Cấu trúc chương trình
Lập trình tuyến tính: là phương pháp lập trình mà trong đó toàn bộ chương trình ứng dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Cấu trúc này có ưu điểm là gọn, rất phù hợp với những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
Hình 2.5. Lập trình tuyến tính
Lập trình cấu trúc: là phương pháp lập trình mà trong đó chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau, tương tự như việc thực hiện chương trình con. Cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ, phức tạp và thường sử dụng các khối cơ bản sau:
Khối OB (Orgnization block): là 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 ký tự OB. Ví dụ: OB1, OB3, OB40,…
Khối FC (Program bloc): khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm. 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 theo sau nhóm ký tự FC. Ví dụ: FC1, FC2,..
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 tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FB. Ví dụ: FB1, FB2,..
Khối DB (Data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Các tham số của khối do người sử dụng tự đặt. Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự DB. Ví dụ: DB1, DB2,..
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
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 những chương trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau. Số các lệnh gọi lồng nhau tuỳ thuộc