a. Cấu trỳc
Toàn bộ chương trỡnh điều khiển được lưu vào trong bộ nhớ của PLC dưới dạng cỏc khối chương trỡnh (khối OB, FC hoặc FB ) và được thực hiện theo chu trỡnh vũng quột (scan). Bộ NHớ CHƯƠNG TRìNH KHốI VI Xử Lý + Hệ ĐIềU HàNH TIMER COUNTER FLAG BIT Bộ ĐệM VàO/RA CổNG VàO/RA ON BOARD CổNG NGắT ĐệM TốC Độ CAO B U S B U S Hỡnh 3.2. Cấu trỳc của một bộ PLC
Để cú thể thực hiện một chương trỡnh điều khiển, tất nhiờn PLC phải cú tớnh năng như một mỏy tớnh, cú nghĩa là phải cú bộ vi xử lý CPU, một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trỡnh điều khiển, dữ liệu và tất nhiờn là phải cú cỏc cổng vào ra để giao tiếp với cỏc đối tượng điều khiển và trao đổi với mụi trường xung quanh.
Bờn cạnh đú nhằm phục vụ cho bài toỏn điều khiển số PLC cũn cần phải cú thờm cỏc khối chức năng đặc biệt khỏc như bộ đếm (computer), bộ thời gian (timer) và những khối hàm chuyờn dụng.
Thụng thường, để tăng tớnh mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đú phần lớn cỏc đối tượng điều khiển cú số tớn hiệu đầu vào/ đầu ra cũng như chủng loại tớn hiệu vào/ra khỏc nhau mà cỏc bộ điều khiển PLC được thiết kế khụng bị cứng húa về cấu hỡnh. Chỳng được chia nhỏ thành cỏc module, số cỏc module được người sử dụng nhiều hay ớt tựy theo từng yờu cầu của bài toỏn, song bao giờ cũng phải cú một module chớnh là module CPU. Cỏc module cũn lại là những module nhận truyền tớn hiệu với đối tượng điều khiển, cỏc module chuyờn dụng như PID, điều khiển động cơ…Chỳng được gọi chung là module mở rộng và được đỏnh gỏ lờn thanh ray (rack).
b. Nguyờn lý hoạt động của PLC
Đơn vị xử lý trung tõm CPU điều khiển cỏc hoạt động bờn trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trỡnh được chứa trong bộ nhớ, sau đú sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trỡnh sẽ đúng hay ngắt cỏc đầu ra. Cỏc trạng thỏi cổng ra ấy được phỏt tới cỏc thiết bị liờn kết để thực thi. Và toàn bộ cỏc hoạt động thực thi đú đều phụ thuộc vào chương trỡnh điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống bus: Là tuyến dựng để truyền tớn hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tớn hiệu song song:
Address Bus: Bus địa chỉ dựng để truyền địa chỉ đến cỏc Modul khỏc nhau. Data Bus: Bus dựng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dựng để truyền cỏc tớn hiệu định thỡ và điều khiển đồng bộ cỏc hoạt động trong PLC.
Trong PLC cỏc số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử và cỏc modul vào ra thụng qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cựng thời điểm cho phộp truyền 8 bớt của 1 byte một cỏch đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nú trờn Address Bus, nú sẽ chuyển tất cả trạng thỏi đầu vào của nú vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trờn Adress Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được giữ liệu từ
Data Bus. Control Bus sẽ chuyển cỏc tớn hiệu điều khiển vào theo dừi chương trỡnh hoạt động của PLC.
Cỏc địa chỉ và số liệu được chuyển lờn cỏc Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thụng tin giữa CPU, bộ nhớ và I/0. Bờn cạnh đú, CPU được cung cấp một xung Clock cú tần số từ 1ữ8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp cỏc yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
* Bộ nhớ:
PLC thường yờu cầu bộ nhớ trong cỏc trường hợp: Làm bộ định thời cho cỏc kờnh trạng thỏi I/0.
Làm bộ đệm trạng thỏi cỏc chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi cỏc Relay.
Mỗi lệnh của chương trỡnh cú một vị trớ riờng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trớ trong bộ nhớ đều được đỏnh số, những số này chớnh là địa chỉ trong bộ nhớ.
Địa chỉ của từng ụ nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bờn trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giỏ trị trong bộ đếm này lờn một trước khi sử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ụ nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quỏ trỡnh này được gọi là quỏ trỡnh đọc.
Bộ nhớ bờn trong PLC được tạo bởi cỏc vi mạch bỏn dẫn, mỗi vi mạch này cú khả năng chứa 2000 ữ16000 dũng lệnh, tựy theo loại vi mạch. Trong PLC cỏc bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng.
RAM (Random Access Memhoặcy) cú thể nạp chương trỡnh, thay đổi hay xúa bỏ nội dung bất kỳ lỳc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện luụn bị mất. Để trỏnh tỡnh trạng này cỏc PLC đều được trang bị một pin khụ, cú khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài thỏng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dựng để khởi tạo và kiểm tra chương trỡnh.
Khuynh hướng hiện nay dựng CMOSRAM nhờ khả năng tiờu thụ thấp và tuổi thọ lớn.
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memhoặcy) là bộ nhớ mà người sử dụng bỡnh thường chỉ cú thể đọc chứ khụng gi nội dung vào được.
Nội dung của EPROM khụng bị mất khi mất nguồn, nú được gắn sẵn trong mỏy, đó được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng khụng muốn mở rộng bộ nhớ thỡ chỉ dựng thờm EPROM gắn bờn trong PLC. Trờn (Programer) cú sẵn chỗ gi và xúa EPROM.
Mụi trường ghi giữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong lập trỡnh. Đĩa cứng hoặc đĩa mềm cú dung lượng lớn lờn thường được dựng để lưu những chương trỡnh lớn trong một thời gian dài.
Kớch thước bộ nhớ:
+ Cỏc PLC loại nhỏ cú thể chứa từ 300 ữ 1000 dũng lệnh tựy vào cụng nghệ chế tạo.
+ Cỏc PLC loại lớn cú kớch thước từ 1k ữ 16k, cú khả năng chứa từ 2000 ữ 16000 dũng lệnh.
Ngoài ra cũn cho phộp gắn thờm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
• Cỏc cửa vào ra I/0:
Cỏc đường tớn hiệu từ bộ cảm biến được nối vào cỏc Modul (cỏc đầu vào của PLC ), cỏc cơ cấu chấp hành được nối với cỏc modul ra (cỏc đầu ra của PLC). Hầu hết cỏc PLC cú điện ỏp hoạt động bờn trong là 5V, tớn hiệu xử lý là 12/24 VDC hoặc 100/240 VAC.
Mỗi đơn vị I/0 cú duy nhất một địa chỉ, cỏc biểu thị trạng thỏi của cỏc kờnh I/0 cú duy nhất một địa chỉ, cỏc biểu thị trạng thỏi của cỏc việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nờn dễ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xỏc định cỏc trạng thỏi đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đúng hay ngắt mạch ở đầu ra.
3.1.3.Cỏc hoạt động xử lý bờn trong PLC.
a. Xử lý chương trỡnh:
Khi một chương trỡnh đó được nạp vào bộ nhớ của PLC, cỏc lệnh sẽ được lưu trong một vựng địa chỉ riờng lẻ của bộ nhớ.
PLC cú bộ đếm địa chỉ ở bờn trong vi xử lý thực hiện một cỏch tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trỡnh. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai doạn nối tiếp nhau:
+ Đầu tiờn, bộ xử lý đọc trạng thỏi của tất cả đầu vào. Phần chương trỡnh phục vụ cụng việc này cú sẵn trong PLC cũn được gọi là hệ điều hành.
+ Tiếp theo bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trỡnh. Trong khi đọc và xử lý cỏc lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tớn hiệu cỏc đầu vào, thực hiện cỏc phộp toỏn logic và kết quả sau đú sẽ xỏc định trạng thỏi của cỏc đầu ra.
+ Cuối cựng, bộ vi xử lý sẽ gỏn cỏc trạng thỏi mới cho cỏc đầu ra tại cỏc modul đầu ra.
b. Xử lý xuất nhập
Gồm hai phương phỏp khỏc nhau dựng cho việc xử lý I/0 trong PLC:
+ Cập nhập liờn tục : Điều này đũi hỏi CPU quột cỏc lệnh cửa vào ( mà chỳng xuất hiện trong chương trỡnh ), khoảng thời gian Delay được xõy dựng bờn trong để chắc chắn rằng chỉ cú những tớn hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Cỏc lệnh cửa ra được lấy trực tiếp tới cỏc thiết bị. Theo hoạt động logic của chương trỡnh, khi lệnh OUT được thực hiện thỡ cỏc cửa ra cài lại và đơn vị I/0, vỡ thế nờn chỳng vẫn giữ được trạng thỏi cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
+ Chụp ảnh quỏ trỡnh xuất nhập: Hầu hết cỏc PLC loại lớn cú thể cú vài trăm I/0, vỡ thế CPU chỉ cú thể xử lý một lệnh ở một thời điểm. Trong suốt quỏ trỡnh thực thi trạng thỏi mỗi cửa nhập phải được xột đến riờng lẻ nhằm dũ tỡm cỏc tỏc động của nú trong chương trỡnh. Do chỳng ta yờu cầu Relay 3 ms cho mỗi cửa vào, nờn tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liờn tục trở nờn rất dài và tăng theo số cửa vào. Để làm tăng tốc độ thực thi chương trỡnh, cỏc cửa I/0 được cập nhật tới một vựng đặc biệt trong chương trỡnh. Ở đõy, vựng RAM đặc biệt này được dựng như một bộ đếm lưu trạng thỏi cỏc logic điều khiển và cỏc đơng vị I/0, Mỗi cửa vào ra đều cú một địa chỉ I/0 RAM này. Suốt quỏ trỡnh copy tất cả cỏc trạng thỏi vào trong I/0 RAM. Quỏ trỡnh này xảy ra ở một chu kỳ chương trỡnh ( từ star đến end ).