2.2.1. Tổng quan:
PLC (Programble Logic Control) là một thiết bị điều khiển sử dụng bộ nhớ cú thể lập trỡnh, bộ nhớ này sẽ lƣu giữ cỏc cấu trỳc lệnh để thực hiện cỏc chức năng điều khiển.
CPU là module cú chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, cỏc bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thụng (RS 485)... và cú thể cũn cú một vài cổng vào ra số. Cỏc cổng vào/ra số cú trờn module CPU đƣợc gọi là cổng vào/ra onboard.
Cỏc modul CPU khỏc nhau về hỡnh dạng chức năng, vận tốc xử lý lệnh. Loại 312IFM, 314IFM khụng cú thẻ nhớ, loại 312IFM, 313 khụng cú pin EPROM, loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 cú cổng truyền thụng DP.
Bố trớ đốn bỏo trạng thỏi và cỏc cổng truyền thụng của PLCS7300 đƣợc mụ tả nhƣ trờn hỡnh 2-10
í nghĩa của cỏc đốn bỏo trờn CPU.
- SF sỏng đỏ bỏo lỗi phần cứng hay phần mềm. - BATF sỏng đỏ bỏo lỗi pin nuụi.
- DC5V sỏng xanh lỏ cõy bỏo nguồn 5V bỡnh thƣờng. - FRCE sỏng vàng force request tớch cực.
- RUN sỏng xanh lỏ cõy bỏo CPU đang chạy, chớp sỏng lỳc start-up, 1Hz; mode HALT, 0,5Hz.
- STOP sỏng vàng khi CPU dừng hay HALT hay start-up, chớp khi memory reset request.
- BUSF sỏng đỏ bỏo lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện PROFIBUS.
Khoỏ mode cú 4 chế độ:
- RUN-P chế độ lập trỡnh và chạy. - RUN chế độ chạy chƣơng trỡnh. - STOP ngừng chạy chƣơng trỡnh. - MRES reset bộ nhớ.
27
Thẻ nhớ cú dung lƣợng từ 16KB đến 4MB, chứa chƣơng trỡnh từ PLC chuyển qua và chuyển chƣơng trỡnh ngƣợc trở lại cho CPU.
Pin nuụi giỳp lƣu chƣơng trỡnh và dữ liệu khi bị mất điện (pin cú thể nuụI tối đa1 năm), ngoài ra cũn nuụi cả đồng hồ thời gian thực. Với loại CPU khụng cú pin nuụi thỡ cũng cú một phần vựng nhớ đƣợc duy trỡ.
Thụng qua cổng truyền thụng MPI (Multi Point Interface) cú thể nối: mỏy tớnh lập trỡnh, màn hỡnh OP (Operator panel), cỏc PLC cú cổng MPI (S7-200, S7-300, M7-300, S7-400, C7-6xx, ) vận tốc truyền đến 187,5kbs (12Mbps với CPU 318-2, 10,2kbps với S7-200). Cổng Profibus DP nối cỏc thiết bị trờn theo mạng Profibus với tốc độ truyền lờn đến 12Mbps.
PLC S7-300 CPU313C đƣợc mụ tả nhƣ hỡnh 2-10
Hỡnh 2- 10: PLC S7-300
Cỏc vựng nhớ của PLC
Vựng nhớ chương trỡnh: (load memory) chứa cỏc chƣơng trỡnh ngƣời dựng (khụng chứa địa chỉ ký hiệu và chỳ thớch) cú thể là RAM hay EEPROM trong CPU hay trờn thẻ nhớ.
28
Vựng nhớ làm việc (working memory) chớnh là RAM, chứa chƣơng trỡnh do vựng nhớ chƣơng trỡnh chuyển qua; chỉ cỏc phần chƣơng trỡnh cần thiết mới đƣợc chuyển qua, phần nào khụng cần thỡ ở lại vựng nhớ chƣơng trỡnh, vớ dụ nhƣ block header, data block.
Vựng nhớ hệ thống;(system memory) phục vụ cho chƣơng trỡnh ngƣời dựng, bao gồm time, counter, vựng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập…
Trờn CPU 312IFM và 314 IFM vựng nhớ chƣơng trỡnh là RAM và EEPROM; cỏc CPU khỏc cú pin nuụi, và vựng nhớ chƣơng trỡnh là RAM và thẻ nhớ. Khi mất nguồn hay ở chế độ MRES thỡ RAM sẽ bị xoỏ. Một số vựng nhớ của RAM (time, counter, vựng nhớ M, khối dữ liệu…) cú thể cú khai bỏo là lƣu giữ (retentive) bằng phần mềm để chuyển cỏc vựng này sang bộ nhớ lƣu giữ (NVRAM non volative) dự khụng cú pin nuụi kớch thƣớc cụ thể loại CPU.
2.2.2. Module mở rộng.
Cỏc loại module mở rộng đƣợc chia thành 5 loại chớnh:
1) PS (Power supply): Module nguồn nuụi. Cú 3 loại 2A, 5A và 10A.
2) MS (Signal module): Module mở rộng cổng tớn hiệu vào/ra, bao gồm:
a) DI (Digital input): Module mở rộng cỏc cổng vào số. Số cỏc cổng vào số mở rộng cú thể 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
b) DO (Digital output): Module mở rộng cỏc cổng ra số. Số cỏc cổng ra số mở rộng cú thể 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
c) DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng cỏc cổng vào/ra số. Số cỏc cổng vào ra mở rộng cú thể 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ thuộc vào từng loại module.
d) AI (Analog input): Module mở rộng cỏc cổng vào tƣơng tự. Về bản chất chỳng chớnh là những bộ chuyển đổi tƣợng tự 12 bist (AD), tức là mỗi tớn hiệu tƣơng tự đƣợc chuyển thành một tớn hiệu số (nguyờn) cú độ dài 12 bit. Số cỏc cổng vào tƣơng tự cú thể 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module.
29
e) AI (Analog input): Module mở rộng cỏc cổng ra tƣơng tự. Chỳng chớnh là những bộ chuyển đổi số tƣơng tự (DA). Số cỏc cổng ra tƣơng tự cú thể là 4 hoặc nhiều hơn tuỳ từng loại module.
f) AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng cỏc cổng vào/ra tƣơng tự . Số cỏc cổng vào tƣơng tự cú thể là 4 vào/2 ra, hoặc 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.
3) IM (Interface module): Module ghộp nối. Đõy là loại module chuyờn dụng cú nhiệm vụ nối từng nhúm cỏc module mở rộng lại với nhau thành một khối và đƣợc quản lý chung bởi một module CPU. Thụng thƣờng cỏc module mở rộng đƣợc gỏ liền với nhau trờn một thanh đỡ gọi là rack. Trờn mỗi một rack chỉ cú thể gỏ đƣợc nhiều nhất 8 module mở rộng (khụng kể module CPU, module nguồn nuụi). Một module CPU S7 – 300 cú thể làm việc trực tiếp đƣợc với nhiều nhất 4 rack và cỏc rack này phải đƣợc nối với nhau bằng module IM.
4) FM (Function module): Module cú chức năng điều khiển riờng, vớ dụ nhƣ module
điều khiển động cơ bƣớc, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vũng kớn, ...
5) CP (Communication module): Module phục vụ truyền thụng trong mạng giữa cỏc
PLC với nhau hoặc giữa PLC với mỏy tớnh.
2.2.3. Cấu trỳc bộ nhớ của CPU.
Bộ nhớ của S7 – 300 đƣợc chia làm ba vựng chớnh:
- Vựng chứa chƣơng trỡnh ứng dụng. Vựng nhớ chƣơng trỡnh đƣợc chia thành 3 miền:
a) OB (Organisation Block): Miền chứa chƣơng trỡnh tổ chức.
b) FC (Function): Miền chứa chƣơng trỡnh con.
c) FB (Function Block): Miền chứa chƣơng trỡnh con, đƣợc tổ chức thành hàm
và cú khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chƣơng trỡnh nào khỏc. Cỏc dữ liệu này phải đƣợc xõy dựng thành một khối dữ liệu riờng (gọi là DB – Data block).
- Vựng chứa tham số của hệ điều hành và chƣơng trỡnh ứng dụng, đƣợc phõn chia thành 7 miền khỏc nhau, bao gồm:
30
a) I (Process image input): Miền bộ đệm cỏc dữ liệu cổng vào số. Trƣớc khi bắt đầu thực hiện chƣơng trỡnh, PLC sẽ đọc giỏ trị logic của tất cả cỏc cổng đầu vào và cất giữ chỳng trong vựng nhớ I.
b) Q (Process image output): Miền bộ đệm cỏc dữ liệu cổng ra số. Kết thỳc giai đoạn thực hiện chƣơng trỡnh, PLC sẽ chuyển giỏ trị logic của bộ đệm Q tới cỏc cổng ra số.
c) M: Miền cỏc biến cờ. Chƣơng trỡnh ứng dụng sử dụng vựng nhớ này để lƣu giữ cỏc tham số cần thiết và cú thể truy cập nú theo bit (M), Byte (MB), từ (MW) hay từ kộp (MD).
d) T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lƣu trữ giỏ trị thời gian đặt trƣớc (PV–Preset Value), giỏ trị đếm thời gian tức thời (CV–Current Value), cũng nhƣ giỏ trị logic đầu ra của bộ thời gian.
e) C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lƣu trữ giỏ trị đặt trƣớc (PV–Preset Value), giỏ trị đếm tức thời (CV–Current Value) và giỏ trị logic đầu ra của bộ đếm.
g) PI: Miền địa chỉ cổng vào của cỏc module tƣơng tự (I/O External Input). Cỏc giỏ trị tƣơng tự tại cổng vào của module tƣơng tự sẽ đƣợc module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ.
h) PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho cỏc module tƣơng tự (I/O External Output).
Cỏc giỏ trị theo những địa chỉ này sẽ đƣợc module tƣơng tự chuyển tới cỏc cổng ra tƣơng tự. Chƣơng trỡnh ứng dụng cú thể truy cập miền nhớ PQ theo từng Byte (PQB) từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kộp (PQD).
- Vựng chứa cỏc khối dữ liệu, đƣợc chia thành 2 loại:
a) DB (Data Block): Miền chứa cỏc dữ liệu đƣợc tổ chức thành khối. Kớch thƣớc cũng nhƣ số lƣợng khối do ngƣời sử dụng quy định, phự hợp với từng bài toỏn điều khiển. Chƣơng trỡnh cú thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kộp (DBD).
31
b) L (Local data block): Miền dữ liệu địa phƣơng, đƣợc cỏc khối chƣơng trỡnh OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho cỏc biến nhỏp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hỡnh thức với những khối chƣơng trỡnh đó gọi nú.
2.2.4. Vũng quột chƣơng trỡnh.
PLC thực hiện chƣơng trỡnh theo chu trỡnh lặp. Mỗi vũng lặp đƣợc gọi là vũng quột (scan). Mỗi vũng quột đƣợc bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ cỏc cổng vào số tới vựng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chƣơng trỡnh. Trong từng vũng quột, chƣơng trỡnh đƣợc thực hiện từ lệnh đầu tiờn đến lệnh kết thỳc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chƣơng trỡnh là giai đoạn chuyển cỏc nội dung của bộ đệm ảo Q tới cỏc cổng ra số. Vũng quột đƣợc kết thỳc bằng giai đoạn truyền thụng nội bộ và kiểm lỗi (hỡnh 2-11).
Chuyển dữ liệu từ vùng đệm ảo Q tới cổng ra
Truyền thông và kiểm tra nội bộ
Thực hiện ch-ơng trình
Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới vùng đệm ảo I
Hỡnh 2- 11: Vũng quột chương trỡnh
Chỳ ý rằng, bộ đệm I và Q khụng liờn quan tới cỏc cổng vào/ra tƣơng tự nờn cỏc lệnh truy nhập cổng tƣơng tự đƣợc thực hiện trực tiếp với cỏc cổng vật lý chứ khụng thụng qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện đƣợc một vũng quột gọi là thời gian vũng quột (Scan time). Thời gian vũng quột khụng cố định, tức là khụng phải vũng quột nào cũng đƣợc thực hiện trong một khoảng thời gian nhƣ nhau. Cú vũng quột đƣợc thực hiện lõu, cú vũng quột đƣợc thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong
32
chƣơng trỡnh đƣợc thực hiện, vào khối lƣợng dữ liệu đƣợc truyền thụng ... trong vũng quột đú.
Nhƣ vậy, giữa việc đọc dữ liệu từ đối tƣợng để xử lý, tớnh toỏn và việc gửi tớn hiệu điều khiển tới đối tƣợng cú một khoảng thời gian trễ đỳng bằng thời gian vũng quột. Núi cỏch khỏc, thời gian vũng quột quyết định tớnh thời gian thực của chƣơng trỡnh điều khiển trong PLC. Thời gian vũng quột càng ngắn, tớnh thời gian thực của chƣơng trỡnh càng cao.
Nếu sử dụng cỏc khối chƣơng trỡnh đặc biệt cú chế độ ngắt, vớ dụ nhƣ khối OB40, OB80..., chƣơng trỡnh của cỏc khối đú sẽ đƣợc thực hiện trong vũng quột khi xuất hiện tớn hiệu bỏo ngắt cựng chủng loại. Cỏc khối chƣơng trỡnh này cú thể đƣợc thực hiện tại mọi điểm trong vũng quột chứ khụng bị gũ ộp là phải ở trong giai đoạn thực hiện chƣơng trỡnh. Chẳng hạn, nếu một tớn hiệu bỏo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thụng và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng cụng việc truyền thụng, kiểm tra, để thực hiện khối chƣơng trỡnh tƣơng ứng với tớn hiệu bỏo ngắt đú. Với hỡnh thức xử lý tớn hiệu ngắt nhƣ vậy, thời gian vũng quột sẽ càng lớn khi càng cú nhiều tớn hiệu ngắt xuất hiện trong vũng quột. Do đú, để nõng cao tớnh thời gian thực cho chƣơng trỡnh điều khiển, tuyệt đối khụng nờn viết chƣơng trỡnh xử lý ngắt quỏ dài hoặc quỏ lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chƣơng trỡnh điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thụng thƣờng lệnh khụng làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thụng qua bộ đệm ảo của cổng trong vựng nhớ tham số. Việc truyền thụng giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong cỏc giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi cụng việc khỏc, ngay cả chƣơng trỡnh xử lý ngắt, để thực hiện trực tiếp với cổng vào/ra.
2.2.5. Đặc tớnh kỹ thuật PLC CPU313C.
CPU 313C là một dũng PLC tớch hợp của hóng SIMEMS, bao gồm bộ điều khiển, cỏc đầu vào ra số, cỏc đầu vào ra tƣơng tự và cỏc đầu vào tốc độ cao.
33
CPU313C tớch hợp 24 đầu vào số DC24V, 16 đầu ra số DC24V, 4 đầu vào analog 12bit, 1 đầu vào cảm biến nhiệt độ PT100, 2 đầu ra analog 12bit.
Một vài thụng số cơ bản:
- Điện ỏp 24VDC.
- Đầu vào số 24 mức logic 24VDC. - Đầu ra số 16 tớn hiệu ra DC. - Đầu vào analog 5x12bit. - Đầu ra analog 2x12bit. - Bộ nhớ tớch hợp 32kB. - Thẻ nhớ gắn ngoài MMC.
- Số lƣợng bộ đếm 256, giỏ trị đếm 0-999. - Số lƣợng bộ định thời 256.
Sơ đồ cấu trỳc bờn trong bộ đệm vào ra số của CPU313C nhƣ hỡnh 2-12.
34
Sơ đồ cấu trỳc bờn trong bộ đệm vào ra analog của CPU313C nhƣ hỡnh 2-13.
Hỡnh 2- 13: Sơ đồ nguyờn lý kết nối kờnh vào ra analog
2.3.MÁY TÍNH GIÁM SÁT.
Sử dụng mỏy tớnh kết nối truyền thụng với PLC, sử dụng phần mềm WINCC để giỏm sỏt và điều khiển hệ thống cõn.
Cấu hỡnh PC yờu cầu:
- Main Bo mạch chủ H81 Chipset Intel, Cú cổng HDMI.
- Chớp Intelđ Core™ i3-4160 Processor (3M Cache, 3.60 GHz). - Ram 4Gb DDR3 Bus 1600Mhz.
- Ổ cứng 500GB/ 7200Rpm/ Cache 16MB/ SATA 3 (6.0 GB/s). - Nguồn mỏy tớnh 450W.
35 Phần mềm WINCC 7.0.
2.3.1. Tổng quan về WINCC
Wincc (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hóng SIEMENS.
Wincc là một hệ thống điều khiển trung lập cú tớnh cụng nghiệp và cú tớnh kỹ thuật, hệ thống màn hỡnh hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và tự động húa quỏ trỡnh. Hệ thống này đƣa ra những modul chức năng tớch hợp cụng nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thụng bỏo, những lƣu trữ và những bỏo cỏo. Nú là một trỡnh điều khiển mạnh, nhanh chúng cập nhật ảnh, và những chức năng lƣu trữ an toàn đảm bảo một lợi ớch cao đem lại cho ngƣời vận hành một giao diện trực quan dễ sử dụng, cú khả năng giỏm sỏt và điều khiển quỏ trỡnh cụng nghệ theo chế độ thời gian thực.
2.3.2. Chức năng của trung tõm điều khiển.
Chức năng và nhiệm vụ.
Control center chứa tất cả cỏc chức năng quản lý của toàn bộ hệ thống. Trong Control center cú thể đặt cấu hỡnh và khởi động modul Runtime.
Nhiệm vụ quản lý dữ liệu: quản lý dữ liệu cung cấp ảnh quỏ trỡnh với cỏc giỏ trị của tag. Tất cả cỏc hoạt động quản lý dữ liệu đều chạy trờn một background.
Nhiệm vụ của control center : - Lập cấu hỡnh hoàn chỉnh.
- Hƣớng dẫn giới thiệu việc lập cấu hỡnh.
- Thớch ứng việc ấn định, gọi và lƣu trữ cỏc dự ỏn (project). - Quản lý cỏc project.
- Quản lý phiờn bản.
- Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hỡnh.
- Điều khiển và đặt cấu hỡnh cho cỏc hỡnh vẽ, cấu trỳc hệ thống. - Thiết lập việc cài đặt toàn cục.
36
- Đặt cấu hỡnh cho cỏc chức năng định vị đặc biệt. - Tạo và soạn thảo cỏc tham khảo đan chộo. - Phản hồi tài liờu.
- Bỏo cỏo trạng thỏi hệ thống. - Thiết lập hệ thống đớch.
- Chuyển giữa runtime và cấu hỡnh.
Kiểm tra chế độ mụ phỏng, trợ giỳp cỏc thao tỏc để đặt cấu hỡnh dữ liệu bao gồm: dịch hỡnh vẽ, mụ phỏng tag, hiển thị trạng thỏi và thiết lập thụng bỏo.
Cấu trỳc
+ Contr1ol center
- Giao diện đồ họa cho cấu hỡnh dƣới mụi trƣờng Windows 2000 và Window XP.
- Quản lý dữ liệu: cung cấp ảnh quỏ trỡnh với cỏc giỏ trị của biến (tag), truyền dữ liệu đó nhận từ cỏc hệ thống tự động.
+ Cỏc modul chức năng.
- Phõn hệ đồ họa ( Graphic Designer) : hiển thị kết nối quỏ trỡnh bằng đồ thị.
- Viết chƣơng trỡnh cho cỏc thao tỏc (Global Scrips): tạo một dự ỏn cho cỏc yờu cầu đặc biệt
- Hệ thống thụng bỏo (Alarm Logging): xuất cỏc thụng bỏo và hồi