Truyền thông trong SMATIC S7 thực hiện trên nhiều subnet và thông qua nhiều dịch vụ truyền thông khác nhau. Bảng 2.6 chỉ ra quan hệ giữa dịch vụ truyền thông và subnet.
Dịch vụ truyền thông Các hàm truyền thông của S7 ISO-Transfer ISO-on-TCP FDL(SDA) FMS DP GD Subnet Industrial Ethernet PROFIBUS MPI
Bảng 2.6: Quan hệ giữa dịch vụ và subnet
• Hàm truyền thông S7:
Các hàm truyền thông S7 cung cấp các dịch vụ để thực hiện truyền thông giữa các CPU S7/M7, các SIMATIC –OP/OS và các máy tính PC.
Các hàm chức năng truyền thông đã đ−ợc tích hợp sắn trong các
SIMATIC S7/M7. Vì các hàm truyền thông S7 đều t−ơng ứng với một
dịch vụ truyền thông chuẩn ISO cho nên có thể sử dụng cho tất cả các
loại subnet nh− MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet.
• ISO-Transfer:
Chức năng này phục vụ cho truyền thông đảm bảo một dung l−ợng dữ
liệu có độ lớn trung bình (dến 240 Byte) qua mạng truyền thông mở ở lớp 4 theo chuẩn ISO trong mạng IE giữa SIMATIC S7 và SIMATIC S5.
• ISO-on-TCP:
Chức năng này phục vụ cho truyền thông đảm bảo một dung l−ợng
thông tin có dung l−ợng trung bình (240 Byte) qua mạng truyền thông
SIMATIC S7 và các hệ thống lạ không thuộc SIMATIC thuộc loại mạng TCP/IP.
Dịch vụ ISO-on-TCP cần có thêm chuẩn RFC 1006 mở rộng.
• FDL (SDA):
Chức năng này phục vụ cho việc truyền dữ liệu từ SIMATIC S7 đến
SIMATIC S5. Dịch vụ này thích hợp cho việc truyền một dung l−ợng dữ
liệu trung bình (cho đến 240 Byte) trong mạng truyền thông mở ở lớp 2, lớp FDL (Fieldbus Data Link) theo chuẩn ISO thuộc mạng PROFIBUS.
• FMS:
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) cung cấp dịch vụ truyền thông cho các loại dữ liệu có cấu trúc. Kiểu dữ liệu này còn có tên là biến FMS ( FMS-Variable).
Dịch vụ FMS thuộc lớp dịch vụ truyền thông 7 lớp của chuẩn ISO. Nó
t−ơng ứng với chuẩn Châu âu EN 50170 Vol.2 PROFIBUS và có thể
thực hiện truyền thông mở giữa các trạm của mạng PROFIBUS.
• DP:
Dịch vụ PROFIBUS-DP cung cấp khả năng truyền thông cho các mạng
phân tán. Đối với hệ thống điều khiển thì phân tán cũng đ−ợc xử lý nh−
đối với hệ tập trung.
Dịch vụ này t−ơng ứng với chuẩn Châu Âu EN 50170 Vol.2
PROFIBUS-Master/Slave và thực hiện đ−ợc truyền thông mở với mạng
phân tán và các thiết bị tr−ờng.
• GD:
Truyền thông dữ liệu toàn cục là một dịch vụ truyền thông đơn giản nhất trong hệ điều hành của CPU S7-300, S7-400 có khả năng tích hợp truyền thông.
Truyền thông GD tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu theo chu trình giữa các CPU qua mạng truyền thông MPI. Chu trình trao đổi dữ liệu thực
hiện bình th−ờng nh− trong quá trình thực.
• Giao diện AS:
Giao diện AS phục vụ cho quá trình trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị tự động hoá với các bộ cảm biến và các cơ cấu chấp hành.
Ch−ơng 3 – Truyền thông với plc 3.1. Tổng quan về PLC:
3.1.1. Định nghĩa:
PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển
logic lập trình đ−ợc (còn gọi là thiết bị logic khả trình) đ−ợc thiết kế nhằm thay thế ph−ơng pháp điều khiển truyền thống rơle và thiết bị rời cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình từ những lện cơ bản. Mặt khác PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác nh− trễ, đếm, … làm tăng khả năng hoạt động phức tạp ngay cả đối với PLC nhỏ nhất.
Nh− vậy, với ch−ơng trình điều khiển sẵn có trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi tr−ờng xung quanh (với PLC hoặc với các máy tính).
3.1.2. Đặc điểm:
PLC là một bộ điều khiển có khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra PLC còn có thể thực hiện các tác vụ khác nh−: định thời gian, đếm…, làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp ngay cả với loại PLC nhỏ nhất.
Hoạt động của PLC là kiểm tra các trạng thái ở ngõ vào đ−ợc đ−a về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic đ−ợc lập trình trong ch−ơng trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài t−ơng ứng
PLC cho phép kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào mà không cần có các mạch giao tiếp hay zơle trung gian. Tuy nhiên cần phải có mạch điện tử công suất trung gian. Khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn.
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi ch−ơng trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng.
PLC đ−ợc ứng dụng nhiều trong điều khiển các hệ thống công nghiệp, về mặt cấu trúc PLC có cấu hình cứng giống nh− máy tính do đó có những đặc điểm sau:
- Khả năng kháng nhiễu tốt.
- Cấu trúc dạng Module cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng ứng dụng (nối thêm module vào/ra và các Module chức năng: Module t−ơng tự, Module mở rộng bộ nhớ…).
- Việc nối dây và mức điện áp của cổng vào / ra đã đ−ợc chuẩn hóa.
- Ngôn ngữ lập trình chuyên dụng (STL, LAD, FBD) dễ hiểu, dễ sử dụng.
- Thay đổi ch−ơng trình điều khiển dễ dàng. - Có độ tin cậy cao.
- Dùng linh kiện bán dẫn nên kích th−ớc nhỏ hơn mạch Role có chức năng t−ơng đ−ơng.
- Giá thành cạnh tranh.
• Các modul chuyên dùng:
- Modul t−ơng tự
- Modul điều khiển động cơ Servo, động cơ b−ớc, modul có chức năng điều khiển riêng
- Modul mở rộng cổng vào ra - Modul mở rộng bộ nhớ
3.1.3. Cấu tạo PLC:
Gồm 3 khối chức năng cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, khối vào/ra. Trạng thái vào của PLC đ−ợc l−u vào bộ nhớ đệm, PLC thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua ch−ơng trình trạng thái ngõ ra đ−ợc cập nhập và l−u giữ trong bộ nhớ đệm, sau đó trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm đ−ợc dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị t−ơng ứng. Nh− vậy sự hoạt động của thiết bị đ−ợc điều khiển hoàn toàn tự động theo ch−ơng trình trong bộ nhớ.
3.1.4. Cấu hình cứng PLC:
Gồm 3 khối chức năng cơ bản: Bộ xử lý, bộ nhớ, khối vào/ ra.
a) Bộ vi xử lý (CPU: Central Processing Unit):
Điều khiển quản lý tất cả các hoạt động bên trong của PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ra đ−ợc thực hiện thông qua hệ thống
Bộ vi xử lý trung tâm Bus hệ thống Quản lý ghép nối Cổng vào/ra on board Cổng ngắt đếm tốc độ cao Counter Timer Bit cơ Bộ đếm vào/ra Bộ nhớ ch−ơng trình
Bus d−ới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU th−ờng là 1 hay 8MHZ tuỳ thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và đ−ợc dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống.
b) Bộ nhớ:
Tất cả PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau: ROM, RAM, EEPROM. Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ nên hầu nh− các PLC đều dùng bộ nhớ EEPROM. Tr−ờng hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ RAM có nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM ngoài ra PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các chức năng sau:
- Bộ đệm để l−u giữ trạng thái của các ngõ vào/ra.
- Bộ nhớ tạm cho tác vụ định thời gian, đếm, truy xuất cờ.
c) Khối vào/ra:
Khối vào/ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu hoạt động. Nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp. Tuy nhiên khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực tiếp các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần các mạch công suất trung gian hay zơle trung gian.
Các modul vào/ra đ−ợc thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành và cảm biến vào PLC. Tất cả các cổng vào/ra đ−ợc thiết kế sao cho nhanh chóng lắp ráp và thay thế khi bị hỏng. Tại các cổng vào/ra đều đ−ợc đánh số địa chỉ để dễ khi lập trình hay thực hiện chức năng giám sát (monitor) trạng thái của chúng. Trạng thái của các cổng vào/rađ−ợc báo hiệu bằng đèn LED chỉ báo ngay trên PLC có tác dụng kiểm tra tính hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động kết nối với PLC tiện hơn.
3.1.5. Ngôn ngữ lập trình:
Yêu cầu chính của ngôn ngữ lập trình trên PLC phải dễ hiểu, dễ sử dụng trong việc lập trình, điều khiển. Điều này nói rằng cần phải có một ngôn ngữ cấp cao với đặc điểm là lệnh và cấu trúc ch−ơng trình thể hiện đ−ợc các tác vụ điều khiển, không mất nhiều thời gian, không phức tạp lắm so với các ngôn
ngữ cấp cao khác hiện đang sử dụng trên máy vi tính (nh− C/C++, hợp ngữ
Assembly…). Có 3 loại ngôn ngữ lập trình cho PLC chính là:
STL
LAD Các ngôn ngữ này phù hợp với những ng−ời có thói
FBD quen lập trình khác nhau.
Tập lệnh:
PLC có riêng tập lệnh để phục vụ cho những yêu cầu của nhiệm vụ điều khiển khi muốn viết ch−ơng trình. Tập lệnh bao gồm những lệnh cơ bản thực hiện các tổ hợp logic (AND, OR, LD, …) và các tác vụ cơ bản (SET, RESET, …) hình thành nên một ch−ơng trình hoàn thiện. Lệnh ứng dụng đ−ợc lập trình từ những lệnh cơ bản, thực hiện những tác vụ cấp cao hơn và đ−ợc cập nhập th−ờng xuyên hơn. Tập lệnh của các hãng th−ờng khác nhau thì không giống nhau về từ khoá (tên lệnh) nh−ng t−ơng tự nhau về hoạt động.
3.1.6. Cơ chế hoạt động:
Khi ch−ơng trình đổi sang PLC (Dowloard) chúng đ−ợc đặt trong vùng nhớ riêng gọi là bộ nhớ ch−ơng trình CPU có thanh ghi đếm lệnh dùng để chờ đếm lệnh kế tiếp sẽ đ−ợc thi hành khi CPU thực hiện một lệnh nào đó. Khi một lệnh lấy từ CPU nó đ−ợc đặt lên thanh ghi lệnh để giải mã thành các ghi lệnh bên trong CPU.
Khi PLC đặt sang chế độ RUN bộ đếm lệnh chỉ đếm lệnh đầu tiên, bộ
bộ đệm cổng vào do đó CPU sẽ quét bộ nhơ RAM và ghi trạng thái cổng vào vào bộ nhớ tạm. Bộ đếm ch−ơng trình sẽ tự động tăng lên một để chỉ lệnh kế tiếp. Hoạt động này sẽ tiếp tục nh− thế cho đến khi toàn bộ ch−ơng trình đ−ợc thi hành gặp lệnh kết thúc END. Và bộ đếm ch−ơng trình đ−ợc đặt lại giá trị 0, ch−ơng trình đ−ợc thực hiện lại từ đầu (nghĩa là chu kỳ sau lại tiếp tục).
PLC thực hiện theo một chu trình lặp (vòng quét). Vòng lặp này kết
thúc thì tiếp theo đến vòng lặp khác. Thời gian thực thi toàn bộ ch−ơng trình phụ thuộc vào độ lớn ch−ơng trình điều khiển.
3.1.7. Ph−ơng pháp xử lý tín hiệu:
a) Ph−ơng pháp cập nhập liên tục:
Các tín hiệu vào phải mất khoảng thời gian để đọc trạng thái của các cổng vào sẽ đ−ợc xử lý khoảng thời gian trên là 30ms, nhằm tránh tác động xung nhiễu gây ra bởi các công tắc đầu vào các cổng ra đ−ợc kích trực tiếp sau nhiệm vụ kiểm tra logic. Trạng thái ngõ ra đ−ợc chốt trong khối ngõ ra nên trạng thái của chúng đ−ợc duy trì cho đến lần cập nhật kế tiếp.
b) Ph−ơng pháp xử lý một khối.
Khi số l−ợng cổng vào/ra lớn CPU chỉ xử lý từng lệnh trong ch−ơng trình trạng thái của cổng vào đ−ợc kiểm tra riêng biệt để xác định sự ảnh h−ởng của nó lên ch−ơng trình. Theo trên khoảng Timer để thực hiện nhiệm vụ này là 30ms nên tổng thời gian quét toàn bộ ch−ơng trình gọi là chu trình quét hay thời gian quét sẽ tăng khi số ngõ vào tăng.