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 vào từng chủng loại module CPU.
c. Một số khối lệnh đặc biệt
Module mềm FC105
Hình 2.6. Khối hàm scale FC 105
OUT = [ ((FLOAT (IN) – K1)/(K2–K1)) * (HI_LIM–LO_LIM)] + LO_LIM Trong đó: hằng số K1 & K2 được xác định dựa theo giá trị là đơn cực hay lưỡng cực (BIPOLAR hay UNIPOLAR). BIPOLAR ( Lưỡng cực): giá trị số nguyên đặt vào phải nằm trong khoảng K1 = –27648,0 đến K2 = +27648,0. UNIPOLAR(Đơn cực ) : giá trị số nguyên đặt vào phải nằm trong khoảng K1 = 0,0 đến K2 = +27648,0 Nếu giá trị đặt vào ngõ IN không nằm trong khoản K1 đến K2 thì sẽ báo lỗi.
Module mềm FC106
Sau khi giá trị qua Scale được sử lý theo yêu cầu của người sử dụng, thì ta cần phải chuyển đổi lại giá trị thực tế để điều khiển. Khi đó ta sẽ sử dụng hàm FC106 để chuyển đổi ngược từ giá trị kỹ thuật sang số nguyên. Dựa theo công thức sau:
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
Hình 2.7. Khối hàm unscale
Modul mềm FB 41
Phần mềm Step 7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như lò, động cơ, mức… Đẩu a của đối tượng được phản hồi về đầu vào của bộ điều khiển thông qua các cổng vào tương tự của các module của SIMATIC S7- 300.
“PID CONTROL”: Bao gồm các phần tử sau:
Khối hàm ( Funtion Block PID Control S7-300) bao gồm: FB41 “CON-C”
FB42 “CON-S” FB43 “PULSEGEN”
Parameter assignment user interface PID Control S7-300: Gán thông số giao diện và hình dạng cho khối điều khiển.
Electronic manual PID Control: Những phần tử và thiết bị điện được thiết kế. Điều khiển liên tục với FB41: Được sử dụng trong ngôn ngữ lập trình Step 7 để điều khiển sự hoạt động của các máy mpsc, thiết bị. Trong khi thiết lập tham số cho bộ điều khiển PID, có thể sử dụng hoặc không sử dụng một số thành phần chức năng của bộ điều khiển cho phù hợp với đối tượng.
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
Hình 2.8. Cấu trúc khối FB41
Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP-INT, tín hiệu ra của đối tượng PV- PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER-ON, P-SEL… Khối FB41 có 26 tham biến hình thức đầu vào và 9 tham biến hình thức đầu ra.
Các giá trị chuẩn hóa vào/ ra ngoại vi:
Hàm CRP – IN (hàm nội của FB41) đổi giá trị ngoại vi PV_PER(tín hiệu ra) từ dạng số nguyên sang số thực dấu phẩy đọng có giá trị nằm trong khoảng -100% đến 100% theo công thức:
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
Hàm PV_NORM (hàm chuẩn hóa tín hiệu ra của đối tượng) có chức năng chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN theo công thức:
Tín hiệu ra: PV_NORM = (tín hiệu ra của CRP-IN) x PV – FAC - OFF Mặc định:
PV-FAC của hàm PV-NORM có giá trị bằng 1 PV-OFF của hàm PV-NORM có giá trị bằng 0
Hàm CRP-OUT có chức năng biến đổi từ kiểu biểu diễn số thực dấu phấy động sang biểu diễn riêng theo công thức:
LMN-PER=LMN x d. 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. Nếu 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 bít 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 đượcü gửi ngay tới cổng ra tương tự của module.
Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS và bộ điều khiển logic khả trình
Hình 2.9. Nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
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 những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể 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.
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Chương 3
THIẾT KẾ CẤU HÌNH PHẦN CỨNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM