Nếu cổng SET ( b2) có giá trị L, thì tín hiệu ra Q có giá trị L và đợc nhớ (mặc dù ngay sau đó tín hiệu ở cổng SET mất đi) cho đến khi cổng RESET (b1) có giá trị L thì phần tử Flipfop sẽ quay trở lại vị trí ban đầu. Khi cổng SET và cổng RESET cùng có giá trị L thì cổng ra Q có giá trị “1”
Hình 2-15: phần tử Flipfop có SET trội hơn
• Lý thuyết đại số Boole:
Một hàm y= f(x1,x2,...,xn)với các biến x1,x2,...,xn chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 và hàm y cũng chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 thì đợc gọi là hàm logic.
Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị của các tín hiệu ra đợc viết dới dạng biến số đại số Boole.
a) các phép biến đổi hàm một biến: - Phép toán liên kết AND
- Phép toán liên kết OR - Phép toán liên kết NOT
b) Luật cơ bản của đại số Boole: - Luật hoán vị: A ^ B = B ^ A A v B = B ^ A - Luật kết hợp: ( A ^ B) ^ C = A ^ ( B ^ C ) = B ^ ( A ^ C ) & b1 1 ≥ b2 b1 b2 K1’ K1’ Q
( A v B) v C = A v ( B v C ) = B v ( A v C ) - Luật phân phối:
( A ^ B) v C = A ^ (B v C ) ( A v B ) ^ ( A v C ) = A v ( B ^ C ) - Luật hấp thụ: A v ( A ^B )= A A ^ ( A v B ) = A - Luật bù: A v ( A ^ B ) = A v B A ^ ( A v B ) = A ^ B - Luật De Morgan: A^B= A v B AvB=A ^ B 2.4 Hệ thống điều khiển dùng các bộ PLC 2.4.1 Giới thiệu chung về các bộ PLC
PLC là cụm từ viết tắt tiêng Anh:
Programmable Logic Controller tức là bộ điều khiển logic có khả năng lập trình đợc. Bộ điều khiển này thực hiện các chức năng lôgic tơng tự 1 panel trễ hay 1 hệ thống điều khiển lôgic ở trạng thái cứng.
PLC đợc phát triển dựa trên cơ sở vi xử lý sử dụng bộ nhớ lập trình đợc để lu trữ và thực hiện các chức năng nh phép tính logic, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình.
PLC đợc thiểt kế cho phép ngời sử dụng không cần kiến thức chuyên sâu về máy tính và ngôn ngữ máy tính củng có thể vận hành.
PLC đã đợc các nhà thiết kế lập trình sẵn sao cho chơng trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản. ở đây thuật ngữ logic đợc sử dụng vì hầu hết việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic thực thi
và chuyển mạch. Các thiết bị nhập có thể là công tắc tơ, cảm biến, bàn phím vv... Các thiết bị xuất trong hệ thống đợc điều khiển nh động cơ, các van vv...đ- ợc nối kết với PLC. Khi ta nhập chơng trình vào bộ nhớ của PLC, thiết bị điều khiển sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chơng trình này và thực hiện các bớc điều khiển đã đợc lập trình.
Hình 2-16: Thiết bị điều khiển logic lập trình
u điểm nổi bật của PLC là tính linh hoạt.Chúng ta có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển ngời vận hành chỉ cần thay đổi chơng trình mà không cần mắc nối lại các thiết bị của hệ thống. Chính vì u điểm này mà PLC đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
PLC đầu tiên xuất hiện vào năm 1969. Ngày nay chúng đợc sử dụng phổ biến, từ các thiết bị nhỏ, độc lập sử dụng khoảng 20 đầu vào / đầu ra digital, đến các hệ thống nối ghép theo module có thể sử dụng rất nhiều đầu vào / đầu ra, xử lý các tính hiệu digital hoặc analog. Ngoài ra PLC còn có thể điều khiển tỷ lệ, tích phân, đạo hàm.
Trong PLC chơng trình đợc thực hiện theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp đợc gọi là 1 vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét có 4 giai đoạn, bắt đầu bằng giai đoạn:
• Đọc dữ liệu từ cổng vào (Input) tới bộ đệm.
• Thực hiện chơng trình. PLC Tín hiệu ra Tín hiệu vào Chương trình
• Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
• Đa nội dung của bộ đệm tới các cổng ra (Output). Các bộ PLC thờng gặp:
• Họ Simatic S5, Simatic S7 của hãng Siemens của Cộng hoà liên bang Đức.
• Các họ Series 90 TM của hãng Fanme, Nhật Bản.
• Các họ CQM1, CPM1, CPM1A và SRM của hãng OMRON, Nhật Bản...
Các bộ PLC đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, giao thông và đời sống ... .
• Công nghệ cơ khí: - Gia công bao bì.
- Dây chuyền sản xuất xi măng. - Công nghệ đúc áp lực... .
• Công nghệ thực phẩm:
- Các thiết bị sản xuất nớc ngọt. - Các thiết bị thức ăn gia súc.
• Công nghiệp nhẹ: - Ngành nhuộm. - Dệt, thêu ren.
ở Việt Nam bộ điều khiển SIMATIC S5 của hãng SIEMENS đa vào điều khiển các cơ cấu điều hoà công suất của các tổ máy thuỷ điện Hoà Bình. Công ty dầu khí Việt-Xô Petro dùng các bộ PLC để điều khiển các thiết bị sản xuất khí đốt và dầu nhờn.
Công ty thuốc lá Thăng Long, Công ty dệt 8-3 sử dụng bộ PLC vào dây chuyền tự động .v.v.. .
Vì vậy ứng dụng PLC vào điều khiển máy móc là điều tất yếu cần tìm hiểu nghiên cứu để đạt đợc hiệu quả tối u.
2.4.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống PLC.
Một hệ thống PLC thờng có 5 bộ phận cơ bản, bộ xử lý trung tâm(CPU), bộ nhớ, bộ nguồn, thiết bị lập trình và các giao diện nhập/xuất.
• Bộ xử lý trung tâm: Là thiết bị chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chơng trình đã đợc lu trong bộ nhớ của CPU, đồng thời phát các tín hiệu điều khiển các thiết bị xuất. Đây là nơi xử lý mọi hoạt động của PLC, bao gồm cả viêc thực hiện chơng trình.
• Bộ nhớ: Là nơi lu giữ các chơng trình đợc sử dụng cho các hoạt động điều khiển và các trạng thái nhớ trung gian trong quá trình thực hiện, bộ nhớ chịu sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
• Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ xoay chiều(AC) thành điện áp 1 chiều(DC - 5V, 24V) cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong thiết bị nhập và xuất.
• Thiết bị lập trình: Đợc sử dụng để lập các chơng trình cần thiết. Các chơng trình này đợc chuyển đến và lu trên bộ nhớ của PLC.
• Các phần tử nhập và xuất: Là nơi mà bộ xử lý nhận các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi và cấp tín hiệu điều khiển đến các thiết bị bên ngoài. Các tín hiệu vào có thể là các công tắc cơ, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lu lợng vv... Còn tín hiệu điều khiển các thiết bị ra có thể là động cơ, các van vv...
Hệ thống PLC Nguồn công suất Bộ xử lý trung tâm (CPU) Giao diện nhập Bộ nhớ Thiết bị lập trình Giao diện xuất Hình 2-17: Hệ thống PLC 2.4.3 Cấu trúc của các bộ PLC
Nói chung các bộ PLC của các hãng Tây Đức và của Nhật đều có các cấu trúc cơ bản đợc trình bày tóm tắt nh sau:
Cấu trúc bộ PLC còn đợc trình bày dới dạng sơ đồ khối sau:
Modul nguồn Bộ điều khiển trung tâm(CPU) Modul liên lạc Modul vào Modul ra Nguồn Vào Ra
Bus liên lạc nội bộ
Hình 2-18: Cấu trúc bộ điều khiển PLC
Hình 2-19: Cấu trúc đầu vào (Input) kiểu số
- Modun vào (Input). - Modun ra (Output). - Modun liên lạc.
- Bộ điều khiển trung tâm. - Modun nguồn.
Giữa chúng có hệ thống liên lạc nội bộ. Ta trình bày sơ lợc từng bộ phận:
a) Modun vào.
Modun này nhận tín hiệu từ cảm biến, cho phép bộ vi xử lý đọc trạng thái logíc từ các cảm biến (Hình 2-19). Các tín hiệu nhiễu đợc lọc bỏ, chỉ cho các tín hiệu thực của cảm biến đi qua sau đó hình thành tín hiệu chuẩn dạng xung chữ nhật nhờ bộ tạo xung chuẩn. Mỗi xung cho 1 bù (1 đơn vị nhớ) tập hợp 16 bit = 1 từ (1 word) và tập hợp các từ thành 1 câu (Tổ hợp các số nhị phân 0 & 1). Nh vậy các tín hiệu chuẩn sau khi qua bộ cách ly điện và mạch ghép phối Bus nhớ sẽ đợc chuyển về bộ nhớ chính (Não bộ của bộ PLC hay gọi là bộ vi xử lý trung tâm)trong Bus nhớ mạch ghép nối Cách ly điện Bộ tạo xung Bộ lọc Bảo vệ thích nghi Bộ chỉ thị Theo dõi các sai sót
Nguồn Đèn báo Thông tin thăm dò được Bus liên lạc nội bộ
b, Modun ra.
Tín hiệu từ bộ nhớ, nhờ các mạch ghép nối sẽ chuyển tới đầu ra (Output) (Hình 2-20) tiếp theo tín hiệu đợc chuyển tới mạch thích nghi, tín hiệu chuẩn sẽ qua bộ cách ly điện và tới mạch điều khiển . Từ đây lệnh điều khiển đợc phát ra.
Đèn báo Nguồn Bộ chỉ thị Ghép nối luồng nhớ Bus liên lạc nội bộ Thích nghi thành hình Thích nghi thành hình Cách ly điện Cách ly điện mạch ĐK Bảo vệ Lệnh
Hình 2-20: Cấu trúc đầu ra (Output) kiểu số
c, Modun liên lạc.
Đây là bộ phận liên hệ, trao đổi thông tin giữa các bộ phận trong bộ PLC, giữa bộ phận vi xử lý và bộ ngoài vi xử lý. Trên hình 2-21 trình bày cấu trúc của modun liên lạc. Định vị Liên lạc cục bộ Lặp Bus liên lạc nội bộ Ghép nối luồng nhớ Bộ vi xử lý Mạch ghép nối Chương trình con
d, Bộ vi xử lý (Microprocessor).
Đây là bộ phận chính hay gọi là bộ vi xử lý của PLC, tại đây nó xử lý toàn bộ mọi dữ liệu gửi tới, giải các bài toán, tạo các lệnh điều khiển, bộ nhớ chính cũng nằm ở đây.
e, Mođun nguồn
Modun nguồn nhận nguồn điện công nghiệp 110V hoặc 220V. Trong PLC tại modun nguồn có bộ phận toả nhiệt, chống đoản mạch bảo vệ an toàn.
2.4.4 Cấu trúc bên trong của PLC.
Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm(CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC. Bộ xử lý trung tâm đợc trang bị đồng hồ có tần số khoảng 1 đến 8MHz, tần số này quyêt định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn bị thời gian và đồng bộ hoá tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC đợc truyền dới dạng tín hiệu digital gọi là các bus. Chúng có thể là các vệt dẫn trên bảng mạch in hoặc củng có thể là các dây điện trong cáp bẹ. CPU sử dụng các bus dử liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ các vị trí truy cập dữ liệu đợc lu dữ và bus điều khiển dẫn các tín hiệu điều khiển nội bộ. Bus hệ thống đợc sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập/xuất.
Bus địa chỉ Bus điều khiển
Bus dữ liệu RAM chƯơng trình ngƯơì dùng ROM hệ thống RAM dữ liệu Thiết bị nhập/xuất CPU N gu ồn Đ ôn g h ồ Bộ đệm Khoá Bộ truyền động Khớp nối quang Giao diện bộ truyền động Các kênh nhập Các kênh xuất Bus hệ thống I/O Panel chƯơng trình
Hình 2-22: Cấu trúc bên trong của bộ PLC
CPU
Cấu hình của CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, CPU gồm có: Bộ thuật toán và logic(ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic.
Bộ nhớ hay còn gọi các thanh ghi bên trong bộ xử lý, đợc sử dụng để lu trữ thông tin liên quan đến việc chạy chơng trình.
Bộ điều khiển đợc sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán.
Bus
Bus là các đờng dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin đợc truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mổi bit là một số nhị phân 0 hoặc 1 t- ơng ứng với trạng thái on/off. Thuật ngữ từ đợc sử dụng cho nhóm bít tạo thành
thông tin nào đó. Vì vậy mỗi từ 8 bit này có thể là số nhị phân(00100110), cả 8 bít này đợc truyền đồng thời theo dây song song của chúng.
Hệ thống PLC gồm có bốn bus sau:
-Bus dữ liệu(Data Bus) tải dữ liệu đợc sử dụng trong quá trình xử lý của CPU. Nó là đờng truyền qua lại giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Bộ xử lý 8 bít có một bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8 bít, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8 bít và phân phối kết quả theo giá trị 8 bit.
-Bus địa chỉ(Address Bus) đợc sử dụng để tải địa chỉ các vị trí trong bộ nhớ. Nh vậy mổi từ có thể đợc định vị trong bộ nhớ, mổi vị trí nhớ đợc gán một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí đợc gán một địa chỉ sao cho dữ liệu đợc lu trữ ở vị trí nhất định, để CPU có thể đọc hoặc gi ở đó. Bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ đợc truy cập. Nếu bus địa có 8 đờng truyền thì số lợng địa chỉ sẽ là 28 = 256 địa chỉ. Còn nếu bus có 16 đờng truyền thì số lợng địa chỉ là 216 = 65536 địa chỉ.
-Bus điều khiển(Control Bus) dùng để truyền các tín hiệu của bộ điều khiển, tín hiệu đợc CPU sử dụng để điều khiển các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập/xuất và tải các tín hiệu chuẩn thời gian đợc dùng để đồng bộ hoá các hoạt động.
-Bus hệ thống(System Bus) đợc dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất.
Bộ nhớ
Trong hệ thống PLC có rất nhiều bộ nhớ nh : ROM, RAM, EFROM ...
-ROM (Bộ nhớ chỉ đọc) cung cấp dung lợng nhớ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định đợc CPU sử dụng. ROM không bị mất dữ liệu khi mất điện.
-RAM (Bộ nhớ truy cập ngẩu nhiên) dành cho chơng trình của ngời dùng và đồng thời là nơi lu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ định giờ, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liêu đôi khi còn đợc coi là bảng dữ liệu hay bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này dành cho các địa chỉ của ngỏ vào và ngỏ ra cùng với trạng thái của ngỏ vào và ngỏ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu đợc cài đặt trớc, và một phần khác
dành để lu trữ các giá trị của bộ đếm, đồng hồ định giờ vv...Đây là bộ nhớ sơ cấp, trong đó các chỉ lệnh chơng trình và dữ liệu đợc lu trữ sao cho bộ xử lý trung tâm(CPU) có thể truy cập trực tiếp vào chúng thông qua bus dữ liệu cao tốc của bộ xử lý đó. CPU có thể đọc và ghi dữ liệu từ RAM. Khi mất điện các nội dung trên RAM sẽ bị mất.
-EPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình đợc) đây là bộ nhớ ROM có thể đợc lập trình và chơng trình đợc lập này đợc thờng trú trong ROM.
Các PLC đều có một lợng RAM để lu trữ chơng trình do ngời dùng cài đặt và dữ liệu chợng trình. Tuy nhiên để tránh mất chơng trình khi bị mất điện, PLC sữ dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi đợc cài đặt vào RAM, chơng trình có thể đợc tải vào bộ nhớ EPROM, thờng là module có khoá đối với PLC , do đó chơng trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra PLC còn có các bộ đệm tạm thời, lu trữ các kênh nhập/xuất.
Dung lợng lu trữ của bộ nhớ đợc xác định bằng số lợng từ nhị phân có thể lu trữ đợc. Nếu dung lợng bộ nhớ là 256 từ, thì bộ nhớ có thể lu trữ đợc 256 ì 8 = 2048bit nếu sử dụng từ 8bít, và 256 ì 16 = 4096bít nếu sử dụng từ 16bít.
Các loại PLC khác nhau có dung lợng khác nhau, có thể từ 1K ữ 64K.
Bộ cách ly quang điện
Thiết bị nhập/xuất là giao diện giữ hệ thống và thế giới bên ngoài, cho phép thực hiện các nối kết thông qua các kênh nhập/xuất đến thiết bị nhập và thiết bị xuất. Củng từ các thiết bị này chơng trình đợc đa vào hệ thống từ bảng