3.2.1 Gi i thi u:
Các thƠnh phần của kỹ thuật điều khiển điện vƠ điện tử ngƠy cƠng đĩng vai trị to lớn trong lĩnh vực tự động hĩa ngƠy cƠng cao. Trong những năm gần đơy bên cạnh việc điều khiển bằng Relay vƠ khởi động từ thì việc điều khiển cĩ thể lập trình được ngƠy cƠng phát triển với hệ thống đĩng mạch điện tử vƠ lập trình thơng qua máy tính. Trong nhiều lĩnh vực các loại điều khiển cũ đƣ được thay đổi bởi các bộ điều khiển cĩ thể lập trình được, cĩ thể gọi lƠ bộ điều khiển logic khả trình, viết tắt là PLC.
PLC viết tắt của Progammable Logic Control lƠ thiết bị điều khiển logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đĩ bằng mạch số. Trên cơ sở phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tin học, cụ thể lƠ kỹ thuật máy tính, kỹ thuật điều khiển lơgíc khả lập trình đƣ phát triển mạnh vƠ ngƠy cƠng chiếm vai trị quan trọng trong nền kinh tế quốc dơn, khơng những thay thế cho kỹ thuật điều khiển bằng cơ cấu cam, kỹ thuật Rơle trước kia mƠ chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác như chức năng chuẩn đốn… Kỹ thuật nƠy điều khiển cĩ hiệu quả với từng máy lƠm việc độc lập cũng như với các hệ thống máy sản xuất linh hoạt phức tạp khác .Căn cứ theo lịch sử phát triển của kỹ thuật máy tính vƠ cấu trúc chung của một bộ điều khiển khả trình PLC (dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý) chúng ta cĩ thể thấy rằng kỹ thuật
25
điều khiển sử dụng PLC ra đời vƠo khoảng những năm 1968 - 1970. VƠ từ đĩ kỹ thuật nƠy đƣ từng bước phát triển vƠ tiếp cận dần tới các nhu cầu cơng nghiệp. Trong giai đoạn đầu thì các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải nắm vững kỹ thuật điện tử, phải cĩ trình độ cao. NgƠy nay thì các thiết bị PLC đƣ phát triển mạnh mẽ vƠ cĩ mức độ phổ cập cao vƠ đang dần được thay thế cho hệ thống điều khiển Rơle vƠ các hệ thống điều khiển lơgíc cổ điển khác. NgƠy nay khi lĩnh vực điều khiển được mở rộng đến cả quá trình sản xuất phức tạp, đến các hệ thống điều khiển tổng thể với các mạch vịng kín, đến các hệ thống xử lý số liệu vƠ điều khiển kiểm tra tập trung hố. Hệ thống điều khiển lơgíc thơng thường khơng thể thực hiện điều khiển tổng thể được. Do vậy các bộ điều khiển khả lập trình hoặc điều khiển bằng máy vi tính đƣ trở nên cần thiết vƠ chúng ta sẽ gặp nhiều ứng dụng của các thiết bị nƠy trong các thiết bị sản xuất tự động cũng như những hệ thống điều khiển hiện đại khác. Đặc trưng của kỹ thuật PLC lƠ việc sử dụng vi mạch để xử lý thơng tin. Các ghép nối logic cần thiết trong quá trình điều khiển được xử lý bằng phần mềm do người sử dụng lập nên vƠ cƠi đặt vƠo. Chính do đặc tính nƠy mƠ người sử dụng cĩ thể giải quyết nhiều bƠi tốn về tự động hĩa khác nhau trên cùng một bộ điều khiển vƠ hầu như khơng phải biến đổi gì ngoƠi việc nạp những chương trình khác nhau. Với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thƠnh một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật tốn vƠ đặc biệt dễ trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). ToƠn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vịng quét (scan). Để thực hiện một chương trình điều khiển tất nhiên PLC phải cĩ chức năng như một máy tính nghĩa lƠ phải cĩ một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hƠnh, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu vƠ phải cĩ các cổng vƠo ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển vƠ để trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh. Bên cạnh đĩ để phục vụ bƠi tốn điều khiển số, PLC cịn cần phải cĩ thêm các khối chức năng đặc biệt khác như lƠ bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) vƠ các khối hƠm chuyên dụng.
26
3.2.2 C u t o chung c a PLC S7-300.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) viết tắt lƠ PLC, lƠ loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đĩ bằng mạch số.
Để thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải cĩ tính năng như một máy tính, nghĩa lƠ phải cĩ một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hƠnh, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu vƠ các cổng vƠo/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển vƠ để trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh. Bên cạnh đĩ nhằm phục vụ bƠi tốn điều khiển số, PLC cịn phải cĩ thêm các khối chức năng đặc biệt khác như: Bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) vƠ những khối hƠm chuyên dụng.
Các bộ điều khiển PLC được sản xuất theo dịng sản phẩm. Bộ điều khiển PLC cĩ nhiều loại khác nhau vƠ được phơn biệt với nhau qua các thƠnh phần:
- Các ngõ vào, ra. - Dung lượng nhớ. - Bộ đếm. - Bộ định thời gian. - Bit nhớ. - Tốc độ xử lý.
- Khả năng truyền thơng.
Các bộ điều khiển lớn thì các thƠnh phần trên được lắp thƠnh các module riêng. Đối với các bộ điều khiển nhỏ, chúng được tích hợp trong bộ điều khiển, các bộ điều khiển nhỏ nƠy cĩ số lượng ngõ vƠo, ra cố định. Bộ điều khiển được cung cấp tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vƠo, tín hiệu được xử lý thơng qua chương trình điều khiển đặt trong bộ nhớ chương trình. Kết quả xử lý được đưa ra ngõ ra đến đối tượng điều khiển hay khơu điều khiển ở dạngtín hiệu.
27
Cấu trúc của một PLC cĩ thể được mơ tả như hình:
Hình 3.3Sơ đồ cấu trúc PLC
- Bộ nhớ chương trình: lƠ một bộ nhớ điện tử đặc biệt cĩ thể đọc được. Nếu sử dụng bộ nhớ đọc ậghi (RAM), thì nội dung của nĩ luơn luơn được thay đổi ví dụ như trong hộp vận hƠnh điều khiển. Trong trường hợp điện áp nguồn bị mất thì nội dung trong Ram cĩ thể được giữ lại nếu như cĩ sử dụng pin dự phịng.
- Hệ điều hƠnh: sau khi bật nguồn cung cấp cho hệ điều khiển, hệ điều hƠnh của nĩ sẽ đặt các counter, timer, dữ liệu vƠ bit nhớ với thuộc tính non- retentive ( khơng được nhớ khỏi pin dự phịng) về 0. Để xử lý chương trình, hệ điều hƠnh đọc từng dịng chương trình từ đầu đến cuối. Tương ứng hệ điều hƠnh thực hiện chương trình theo các cơu lệnh.
- Bit nhớ: lƠ các phần tử nhớ mƠ hệ điều hƠnh ghi nhớ trạng thái tín hệu.
- Bộ đệm (Process image) lƠ một vùng nhớ mƠ hệ điều hƠnh ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở ngõ vƠo ra nhị phơn.
- Accumulator: lƠ bộ nhớ trung gian mƠ qua nĩ timer, counter được nạp vƠo hay thực hiện các phép tốn số học.
28
- Counter, timer: lƠ các vùng nhớ, hệ điều hƠnh ghi nhớ các giá trị đếm trong nĩ.
- Hệ thống bus: bộ nhớ chương trình, hệ điều hƠnh vƠ các module ngoại vi được kết nối với PLC thơng qua bus nối. Một bus bao gồm các dơy dẫn mƠ các dữ liệu được trao đổi. hệ điều hƠnh tổ chức việc truyền dữ liệu trên các dơy dẫn nƠy.
3.2.3 Phơn lo i PLC theo c u trúc.
3.2.3.1 PLC cĩ cấu trúc Onboard.
Thơng thường loại PLC nƠy cĩ sẵn một số cổng vƠo/ra cố định. Một số cũng được tích hợp giao diện truyền thơng cho một loại bus trường.
Trên loại CPU nƠy cĩ tích hợp các chức năng khác. + Cung cấp nguồn
+ Giám sát hệ thống
+ Soạn thảo chương trình điều khiển
Ví dụ như LOGO, trên CPU của nĩ tích hợp cả chức năng vƠo/ra cả mƠn hình giám sát, tích hợp cả các phím lập trình.
3.2.3.2 PLC cĩ cấu trúc module (Great PLC)
Đối với các ứng dụng cĩ quy mơ vừa vƠ lớn, ta cần sử dụng các PLC cĩ thiết kế module bởi độ linh hoạt cao.
Thơng thường để tăng tính mềm dẻo của PLC cĩ cấu trúc module, trong ứng dụng thực tế mƠ ở đĩ phần lớn các đối tượng điều khiển cĩ số tín hiệu đầu vƠo, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vƠo/ra khác nhau mƠ các bộ điều khiển PLC được thiết kế khơng bị cứng hĩa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thƠnh các module. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bƠi tốn, song tối thiểu bao giờ cũng phải cĩ một module chính lƠ module CPU. Các module cịn lại lƠ những module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, chúng được gọi chung lƠ module mở rộng. Tất cả các module được gá trên các thanh ray (Rack).
29 Module nguồn (PS)
Module CPU.
Module tín hiệu vƠo/ra (SM). Module chức năng (FM)
Module giao diện (IM) để nối các giá trong hệ SIMATIC S7-300.
Module truyền thơng (CP): kết nối các PLC, PLCvới máy tính.
Hình 3.4:Lắp các module trên thanh ray
a. Module nguồn (PS)
* Module nguồn cho S7-300 biến đổi tín hiệu đầu vƠo 220(110) AC thƠnh tín hiệu 24 VDC.
* PS của S7-300 gồm cĩ 3 loại: + PS 307-10A
6ES7 307-1KA00-OAAO: Vào 120/230vAC; Ra 24vDC/10A + PS 307 5A
6ES7 307-1EA00-OAAO: Vào 120/230vAC;Ra 24vDC/5A + PS 307 2A
6ES7 307-1bA00-OAAO: Vào 120/230vAC; Ra 24vDC/2A
30
Tổ chức bộ nhớ CPU
Cách phơn chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau bao gồm: Vùng nhớ chứa các thanh ghi
Vùng System memory Vùng Load memory Vùng Word memory
Kích thước của các vùng nhớ nƠy phụ thuộc vƠo chủng loại của từng module CPU.
* Load memory:
LƠ 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 thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) vƠ các khối dữ liệu DB. Vùng nhớ nƠy được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU vƠ EEPROM (nếu cĩ EEPROM), khi thực hiện động tác xố bộ nhớ (MRES) toƠn bộ các khối chương trình vƠ khối dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xố, khi chương trình hay khối dữ liệu được đổ (down load), từ thiết bị lập trình (PG, máy tính) vƠo module CPU, chúng sẽ được ghi lên phần RAM cả vùng nhớ Load memory.
* Work memory:
LƠ vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FC, FB, SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện vƠ phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình nƠy thay đổi tham trị với hệ điều hƠnh và với các khối chương trình khác (local block). Tại một thời điểm nhất định vùng Word memory chỉ chứa một khối chương trình, sau khi khối chương trình đĩ được thực hiện xong thì hệ điều hƠnh sẽ xố nĩ khỏi Word memory vƠ nạp vƠo đĩ khối chương trình kế tiếp đến lượt được thực hiện.
* System memory:
LƠ vùng nhớ chứa các bộ đệm vƠo/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh ghi C- Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter. Việc truy
31
cập, sửa đổi dữ liệu những ơ nhớ thuộc vùng nhớ nƠy được phơn chia hoặc bởi hệ điều hƠnh của CPU hoặc do chương trình ứng dụng.
Trong các vùng nhớ được trình bƠy trên khơng cĩ vùng nhớ nƠo được dùng lƠm bộ đệm cho các cổng vƠo/ra tương tự.
Module CPU của S7-300 Bao gồm các loại sau :
* CPU 312-IFM - 6ES7 312-5AC00-0AB0 - 6ES7 312-5AC01-0AB0 - 6ES7 312-5AC02-OAB0 V1.0 V1.1 V1.2 - 6ES7 312-5AC81-0AB0 - 6ES7 312-5AC82-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 + Các module này cĩ: - Vùng nhớ lƠm việc: 6KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.6ms - DI/DO trên module CPU: 10/6 - Sử dụng trong nốimạng MPI
* CPU 313 - 6ES7 313-1AD00-0AB0 - 6ES7 313-1AD01-0AB0 - 6ES7 313-1AD02-0AB0 - 6ES7 313-1AD03-0AB0 V1.0 V1.1
32 V1.2
+ Các module này cĩ:
- Vùng nhớ lƠm việc: 12KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.6ms - Sử dụng trong nối mạng MPI * CPU 313C - 6ES7 313-5BE00-0AB0 * CPU 313C-2DP - 6ES7 313C-6CE00-0AB0 * CPU 313C-2PtP 6ES7 313-6BE00-0AB0 * CPU 314 - 6ES7 314-1AE01-0AB0 - 6ES7 314-1AE02-0AB0 - 6ES7 314-1AE03-0AB0 - 6ES7 314-1AE04-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 - 6ES7 314-1AE83-0AB0 - 6ES7 314-1AE84-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 + Các module này cĩ: - Vùng nhớ lƠm việc: 24KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Sử dụng trong nối mạng MPI
33 - 6ES7 314-5AE00-0AB0 - 6ES7 314-5AE01-0AB0 - 6ES7 314-5AE02-0AB0 - 6ES7 314-5AE03-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 - 6ES7 314-5AE82-0AB0 - 6ES7 314-5AE83-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 + Các module này cĩ: - Vùng nhớ lƠm việc: Từ 24KB đến 32KB - Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms
- DI/DO trên module CPU: 20/16 - Truyền thơng kiểu MPI
* CPU314C-2DP 6ES7 314-6CF00-0AB0 * CPU 314C-2PtP 6ES7 314-6BF00-0AB0 * CPU 315 - 6ES7 315-1AF00-0AB0 - 6ES7 315-1AF01-0AB0 - 6ES7 315-1AF02-0AB0 - 6ES7 315-1AF03-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2
34 + Các module này cĩ:
- Vùng nhớ lƠm việc: 48KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Sử dụng trong nối mạng MPI
* CPU 315-2DP - 6ES7 315-2AF00-0AB0 - 6ES7 315-2AF01-0AB0 - 6ES7 315-2AF02-0AB0 - 6ES7 315-2AF03-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 - 6ES7 315-2AF82-0AB0 - 6ES7 315-2AF83-0AB0 V1.0 V1.1 V1.2 + Các module này cĩ: - Vùng nhớ lƠm việc: 48KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Truyền thơng kiểu MPI, Profilbus-DP
* CPU 316
- 6ES7 316-2AG00-0AB0 + Các module này cĩ:
- Vùng nhớ lƠm việc: 128KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Sử dụng trong nối mạng MPI
* CPU 316-DP
35 + Các module này cĩ:
- Vùng nhớ lƠm việc: 128KB - Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Truyền thơng kiểu MPI, Profilbus-DP
* CPU 318-2
- 6ES7 318-2AJ00-0AB0 + Các module này cĩ:
- Vùng nhớ lƠm việc: 256KB
- Thời gian xử lí 1 khối lệnh: 0.3ms - Sử dụng trong nối mạng MPI
Ý nghĩa đèn báo trên module CPU:
SF: …(đỏ)………… ……lỗi phần cứng hay mềm. BATF:…(đỏ)……... lỗi pin nuơi
DC5V: …(lá cơy)……… nguồn 5Vbình thường FRCE: …(vƠng)………. Force request tích cực RUN: …( lá cơy)……….. CPU chế độ run. STOP mode…(vƠng)….. CPU chế độ stop.
BUSF…( đỏ)………lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện profibus
36 Khĩa mode cĩ 4 vị trí:
- Run-P: vừa lập trình, vừa chạy. - Run: chạy chương trình.
- Stop: ngừng chạy chương trình. - MRES: reset bộ nhớ.
c. Module SM (signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vƠo ra Module mở rộng cổng tín hiệu vƠo ra
d. Module DI (Digital Input)
Module mở rộng các cổng vƠo số, số các cổng vƠo cĩ thể lƠ 8, 16, 32 tùy từng loại module.
e. Module DO (Digital Output)
Module DO lƠ module mở rộng các cổng ra số, số các cổng ra số mở rộng cĩ thể lƠ 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
f. Module DI/DO
LƠ loại module mở rộng các cổng vƠo ra số, số các cổng vƠo ra số cĩ thể lƠ 8 vƠo, 8 ra hoặc 16 vƠo, 16 ra tùy từng loại module.
g. Module AI (Analog Input)
Module AI (analog input): lƠ loại module mở rộng các cổng vƠo tương tự. Nĩ lƠ những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit tức lƠ mỗi tín hiệu tương tự được