PLC (Programmable Logic Control), là loại thiết bị ủiều khiển logic khả trỡnh, cho phộp thực hiện linh hoạt cỏc thuật toỏn ủiều khiển số thụng qua một ngụn ngữ lập trỡnh, thay cho việc phải thực hiện thuật toỏn ủú bằng mạch số. Như vậy, với chương trỡnh ủiều khiển, PLC trở thành bộủiều khiển nhỏ gọn, dễ thay ủổi thuật toỏn và ủặc biệt dễ trao ủổi thụng tin với mụi trường xung quanh (với cỏc PLC khỏc hoặc mỏy tớnh). Toàn bộ chương trỡnh ủược lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng cỏc khối chương trỡnh (khối OB, FC hoặc FB) và ủược thực hiện lặp theo chu kỳ của vũng quột (scan).
để thực hiện ủược một chương trỡnh ủiều khiển, tất nhiờn PLC phải cú tớnh năng như một mỏy tớnh, nghĩa là phải cú một bộ vi xử lý (CPU), một hệủiều hành, bộ nhớủể lưu chương trỡnh ủiều khiển, dữ liệu và tất nhiờn phải cú cỏc cổng vào/ra ủể giao tiếp với ủối tượng ủiều khiển và ủể trao ủổi thụng tin với mụi trường xung quanh. Bờn cạnh ủú, nhằm phục vụ bài toỏn ủiều khiển số, PLC cũn cần phải cú thờm cỏc khối lượng chức năng ủặc biệt khỏc như bộủếm (Counter), bộ thời gian (Timer)... và những khối hàm chuyờn dụng (hỡnh 3.5).
Trong những năm gần ủõy, PLC ngày càng ủược sử dụng nhiều và ủược coi là giải phỏp ủiều khiển lý tưởng cho việc tự ủộng húa cỏc quỏ trỡnh sản xuất. Trước ủõy việc tự ủộng húa trong cỏc quỏ trỡnh ủược thực hiện chủ yếu bởi cỏc rơle nhưng chỳng hạn chế vỡ mỗi khi muốn thay ủổi cấu trỳc phải thay ủổi toàn bộ mạch phần cứng, khụng linh hoạt, khú cú thể mở rộng hay phỏt triển hệ thống ủiều khiển và chi phớ rất cao. Sự ra ủời của PLC ủó ủỏp ứng ủược những yờu cầu sau:
CPU Bộ nhớ chương trỡnh Khối vi xử lớ trung tõm + Hệủiều hành Bộủệm vào / ra Timer Bộủếm Bớt cờ Cổng vào/ra onboard Cổng ngắt và ủếm tốc ủộ cao Quản lý ghộp nối Bus của PLC
điều khiển linh hoạt dựa trờn khả năng lập trỡnh và thay ủổi chương trỡnh cần ủiều khiển do vậy chi phớ giảm, giảm thời gian thiết kế và ủỏp ứng ủược nhiều bài toỏn khỏc nhau.
Cú cấu trỳc module, dễ dàng lắp ủặt, thay ủổi cấu trỳc linh hoạt trong sử dụng ủơn giản trong bảo dưỡng, sửa chữa cũng như phỏt triển hệ thống sau này.
độ tin cậy rất cao, ủỏp ứng ủược những yờu cầu khắt khe trong quỏ trỡnh sản xuất, giảm thiểu cỏc thiệt hại khi bị hỏng húc.
Toàn bộ chương trỡnh ủiều khiển ủược lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng cỏc khối chương trỡnh (khối OB, FC, FB) và ủược thực hiện lặp theo chu kỳ của vũng quột (scan).
để thực hiện ủược mụt chương trỡnh ủiều khiển, tất nhiờn PLC phải cú tớnh năng như một mỏy tớnh, nghĩa là phải cú một bộ vi xử lý (CPU), một hệủiều hành, bộ nhớ ủể lưu chương trỡnh ủiều khiển, dữ liệu và tất nhiờn là phải cú cỏc cổng vào/ra ủể giao tiếp ủược với ủối tượng ủiều khiển và ủể trao ủổi thụng tin với mụi trường xung quanh. Bờn cạnh ủú, nhằm phục vụ bài toỏn ủiều khiển số.
3.2.2. Cỏc module của PLC S7-300. Module CPU.
Module CPU là loại module cú chứa bộ vi xử lý, hệủiều hành, bộ nhớ, cỏc bộ thời gian, bộủếm, cổng truyền thụng (RS485)Ầ và cú thể cú một vài cổng vào ra số. Cỏc cổng vào ra số cú trờn module CPU ủược gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 cú nhiều loại module CPU khỏc nhau. Núi chung chỳng ủược ủặt tờn theo bộ vi xử lý cú trong nú như module CPU312, module CPU314, module CPU313C, module CPU315...
Module mở rộng.
Cỏc loại module mở rộng ủược chia thành 5 loại chớnh: 1. PS (Power supply). Module nguồn nuụi.
3. IM (Interface module). Module ghộp nối.
4. FM (Function module). Module cú chức năng ủiều khiển riờng.
5. CP (Communication module). Module phục vụ truyền thụng trong mạng giữa cỏc PLC với nhau hoặc giữa PLC với mỏy tớnh..
Cỏc module gắn trờn thanh ray như hỡnh dưới, mỗi ray cú thể gắn tối ủa ủược 8 module SM/FM/CP ở bờn phải CPU, tạo thành một rack kết nối với nhau qua bus connect gắn ở mặt sau của module. Mỗi module ủược gắn một slot tớnh từ trỏi qua phải, module nguồn là slot1, module CPU là slot2, module kế tiếp cú thể là cỏc module vào ra digital, analog hoặc là cỏc module ứng dụng khỏc và cú số bắt ủầu từ slot 4. Bố trớ thứ tự cỏc module trờn ray (theo hỡnh 3.6).
Hỡnh 3.6. Sơ ủồ bố trớ cỏc Module của PLC.
Nếu cú nhiều module thỡ bố trớ thành niều rack (trừ CPU312IFM và CPU313 chỉ cú một rack), CPU ở rack 0, slot2, kếủú là module phỏt IM360, slot 3, cú nhiệm vụ kết nối rack 0 với rack 1, 2, 3 trờn mỗi rack này cú module kết nối thu IM361, bờn phải module IM là cỏc module SM/FM/CP. Cỏp nối hai module IM dài tối ủa là 10m. Cỏc module ủược ủỏnh số theo slot và dựng làm cơ sởủểủặt ủịa chỉủầu cho cỏc module ngừ I/O tớn hiệu. đối với CPU 315-2DP, 316-2DP, 318-2DP cú thể gỏn ủịa chỉ tuỳ ý cho cỏc module.
Bảng 3.4. Qui tắc xỏc ủịnh ủịa chỉ cho cỏc module số và module tương tự.
Mỗi ủịa chỉ ứng với một byte, với cỏc module sốủịa chỉ một ngừ vào hay ra là: (x; y). x là ủiạ chỉ byte, y cú giỏ trị từ 0 ủến 7. Vớ dụ module SM321 DI 32 cú 32 ngừ vào gắn kế CPU slot 4 cú ủịa chỉ là I0.y, I1.y, I2.yẦ I là ký hiệu chỉ ngừ vào số. Module analog cú ủịa chỉ theo word. (Xem bảng 3.5).
Module CPU 313C (DI24/DO16;AI5/A02 12bits):
- Cú 24 ủầu vào số, ủịa chỉ từ: I124.0 ủến I126.7; cú 16 ủầu ra số, ủịa chỉ từ: Q124.0
ủến Q125.7.
- Cú 5 ủầu vào tương tự, ủiạ chỉ từ: PIW752 ủến PIW761, cú 2 ngừ ra: cú ủịa chỉ
từ: PQW752 ủến PQW755.
Module SM331 AI8 13bits:
Bảng 3.5. địa chỉ vào/ra củamodule:(CPU 313C và module SM331 AI8x13bits).
3.2.3. Cấu trỳc bộ nhớ của CPU.
Bộ nhớ của S7 Ờ 300 ủược chia thành 3 vựng chớnh:
B.1. Vựng nhớ chương trỡnh ứng dụng. Vựng nhớ ủược chia thành 3 miền:
+ OB (Organisation block). Miền chứa chương trỡnh tổ chức.
+ FC (Function). Miền chứa chương trỡnh con ủược tổ chức thành hàm cú biến hỡnh thức ủể trao ủổi dữ liệu với chương trỡnh ủó gọi nú.
+ FB (Function block). Miền chứa chương trỡnh con, ủược tổ chức thành hàm và cú khả năng trao ủổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trỡnh nào khỏc.
+ I (Process image input). Miền bộủệm cỏc dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt ủầu thực hiện chương trỡnh, PLC sẽủọc giỏ trị logic tất cả cỏc cổng ủầu vào và cất giữ chỳng trong vựng nhớ I.
Thụng thường chương trỡnh ứng dụng khụng trực tiếp gỏn giỏ trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chỳng vào bộủệm Q.
+ Q (Process image output). Miền bộ ủệm cỏc dữ liệu cổng ra số. Kết thỳc giai ủoạn thực hiện chương trỡnh, PLC sẽ chuyển giỏ trị logic của bộ ủệm Q tới cỏc cổng ra số. Thụng thường chương trỡnh khụng trực tiếp gỏn giỏ trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chỳng vào bộủệm Q.
+ M: Miền cỏc biến cờ. Chương trỡnh ứng dụng sử dụng vựng nhớ này ủể lưu giữ cỏc tham số cần thiết và cú thể truy cập nú theo bit(M), byte (MB), từ (MW) hay từ kộp (MD).
+ T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer). Bao gồm việc lưu giữ giỏ trị thời gian ủặt trước (PV Ờ Preset value), giỏ trị ủếm thời gian tức thời (CV Ờ Current value) cũng như giỏ trị logic ủầu ra của bộ thời gian.
+ C: Miền nhớ phục vụ bộ ủếm (Counter). Bao gồm việc lưu giữ giỏ trị ủặt trước (PV Ờ Preset value), giỏ trịủếm tức thời (CV ỜCurrent value) và giỏ trị logic ủầu ra của bộủếm.
+ PI: Miền ủịa chỉ cổng vào của cỏc module tương tự (I/O External input).
Cỏc giỏ trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ ủược sẽ ủược module ủọc và chuyển tựủộng theo những ủịa chỉ. Chương trỡnh ứng dụng cú thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kộp (PID).
+ PQ: Miền ủịa chỉ cổng ra cho cỏc module tương tự (I/O External output).
Cỏc giỏ trị theo những ủịa chỉ này sẽ ủược module tương tự chuyển tới cỏc cổng ra tương tự. Chương trỡnh ứng dụng cú thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kộp (PQD).
+ DB (Data block). Miền chứa cỏc dữ liệu ủược tổ chức thành khối. Kớch thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy ủịnh, phự hợp với từng bài toỏn ủiều khiển. Chương trỡnh cú thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kộp (DBD).
+ L (Local data block). Miền dữ liệu ủịa phương, ủược cỏc khối chương trỡnh OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho cỏc biến nhỏp tức thời và trao ủổi dữ liệu của biến hỡnh thức với những khối chương trỡnh ủó gọi nú. Miền này cú thể ủược truy nhập từ chương trỡnh theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kộp (LD).
3.2.4. Vũng quột chương trỡnh.
Hỡnh 3.7. Vũng quột chương trỡnh.
PLC thực hiện chương trỡnh theo chu trỡnh lặp. Mỗi vũng lặp ủược gọi là vũng quột (scan).
Mỗi vũng quột ủược bắt ủầu bằng giai ủoạn chuyển dữ liệu từ cỏc cổng vào số tới vựng bộủệm ảo I, tiếp theo là giai ủoạn thực hiện chương trỡnh. Trong từng vũng quột, chương trỡnh ủược thực hiện từ lệnh ủầu tiờn ủến lệnh kết thỳc của khối OB1 (Block End).
Sau giai ủoạn thực hiện chương trỡnh là giai ủoạn chuyển cỏc nội dung của bộủệm ảo Q tới cỏc cổng ra số. Vũng quột ủược kết thỳc bằng giai ủoạn truyền thụng nội bộ và kiểm lỗi.Thời gian cần thiết ủể PLC thực hiện ủược một vũng quột gọi là thời gian vũng quột.
3.2.5. Cấu trỳc chương trỡnh.
Chương trỡnh cho S7-300 ủược lưu trong bộ nhớ của PLC ở vựng dành riờng cho chương trỡnh và cú thểủược lập với 2 dạng cấu trỳc khỏc nhau.
1. Lập trỡnh tuyến tớnh. Toàn bộ chương trỡnh ủiều khiển nằm trong một khối bộ nhớ. Khối ủược chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luụn quột và thực hiện cỏc lệnh trong nú thường xuyờn, từ lệnh ủầu tiờn ủến lệnh cuối cựng và quay lại lệnh ủầu tiờn (hỡnh 3.8).
Hỡnh 3.8. Sơ ủồ khối kiểu lập trỡnh tuyến tớnh.
2. Lập trỡnh cú cấu trỳc. Chương trỡnh ủược chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riờng và cỏc thành phần này nằm trong những khối chương trỡnh khỏc nhau. PLC S7 -300 cú 4 loại khối cơ bản (hỡnh 3.9).
Hỡnh 3.9. Sơ ủồ khối kiểu lập trỡnh cú cấu trỳc.
+ Loại khối OB (Organization block). Khối tổ chức và quản lý chương trỡnh ủiều khiển.
+ Loại khối FC (Program block). Khối chương trỡnh với những chức năng riờng giống như một chương trỡnh con hoặc một hàm.
OB82 Module chuẩn ủoỏn lỗi OB1 ủược thực hiện theo vũng quột OB10 ngắt ở thời ủiểm ủịnh trước FB SFB FB FB SFC FC OB DB DB DB DB
+ Loại khối FB (Function block). Là loại khối FC ủặc biệt cú khả năng trao ủổi một lượng dữ liệu lớn với cỏc khối chương trỡnh khỏc.
+ Loại khối DB (Data block). Khối chứa cỏc dữ liệu cần thiết ủể thực hiện chương trỡnh.
3.2.6. Ngụn ngữ lập trỡnh.
Cỏc loại PLC núi chung thường cú nhiều ngụn ngữ lập trỡnh ủể phục vụ cỏc ủối tượng sử dụng khỏc nhau. Tuy nhiờn hầu hết ủều xoay quanh 3 ngụn ngữ cơ bản. đú là:
* Ngụn ngữ Ộkiểu liệt kờỢ, kớ hiệu là STL (Statement lits). đõy là dạng ngụn ngữ Assembler của mỏy tớnh.
* Ngụn ngữ Ộhỡnh thangỢ, kớ hiệu là LAD (Ladder Diagram). đõy là dạng ngụn ngữ theo kiểu thiết kế mạch ủiều khiển logic relay
* Ngụn ngữ Ộhỡnh khốiỢ, kớ hiệu là FBD (Function Block Diagram). đõy là dạng ngụn ngữ theo kiểu thiết kế mạch ủiều khiển logic số.
Hỡnh 3.10. Ba kiểu ngụn ngữ lập trỡnh chớnh S7-300.
Một chương trỡnh cú thể viết trờn LAD hoặc FBD cú thể chuyển ủược sang dạng STL, nhưng ngược lại thỡ cú thể khụng. Trong STL cú những lệnh mà trong LAD hoặc FBD khụng diễn tảủược. Tuy vậy về mặt lập trỡnh, ngụn ngữ LAD rất ủơn giản dễ dàng lập trỡnh. Chớnh vỡ lý do này, trong lu n v n quan tõm n ngụn ng STL và LAD l y nú
Hiện nay trờn thế giới cú rất nhiều loại PLC do nhiều hóng của nhiều nước sản xuất khỏc nhau và ủa dạng. Nhưng bản chất, phương phỏp lập trỡnh của ngụn ngữ khụng khỏc nhau mà chỉ khỏc nhau ở chỗ là cỏc kớ hiệu ủịa chỉ, tờn gọi của cỏc I/O, vựng nhớ mà thụi.
Chương trỡnh thu thập và giỏm sỏt dữ liệu viết bằng ngụn ngữ STL trờn phần mềm Simatic PCS7 của Siemens cho PLC S7-300 CPU 313C.
Trờn thị trường hiện nay cú rất nhiều PLC của những hóng khỏc nhau với những tớnh năng khỏc nhau như: OMRON, TOSHIBA, SIEMENS, HITACHI, MITSUBISHIẦ
3.3. Phần mềm lập trỡnh.
Trong phần mềm lập trỡnh, chia làm 2 loại: phần mềm lập trỡnh ủểủiều khiển việc thu thập dữ liệu và phần mềm thiết kế giao diện, xử lý cỏc tag thụng tin ủểủưa ra cỏc thụng số cần hiển thị.
Phần mềm lập trỡnh ủiều khiển: PCS7- STEP7 - V5.4 của Siemens. đõy là phần mềm chuyờn dụng cho họ S7-300 và S7-400 của hóng. Nú gồm 3 ngụn ngữ chớnh với nhiều cõu lệnh làm việc với nhiều kiểu dữ liệu khỏc nhau.
Phần mềm thiết kế giao diện.
* Lựa chọn phần mềm thiết kế giao diện ủiều khiển WINCC.
Hiện nay WinCC cú rất nhiều phiờn bản như WinCC 4.02, WinCC 5.0, WinCC 6.0.
Trong luận văn sử dụng WinCC 6.0 và phần mềm thiết kế giao diện: WinCC V6.0 của Siemens. đõy là phần mềm thiết kế hệ SCADA nổi tiếng trờn thế giới. Ngoài khả năng kết nối với cỏc thiết bị ngoại vi của hóng, thụng qua OPC và hệ thống Bus, phần mềm này cú thể kết nối với hầu hết cỏc thiết bị lập trỡnh ủiều khiển khỏc của cỏc hóng khỏc nhau như: OMRON, ABB, TOSHIBAẦ
3.5. Chương trỡnh thu thập và xử lý thụng tin ủo ủược từ cảm biến.
Bảng 3.6. Quy ước ủịa chỉ cỏc ủầu vào PLC của cảm biến.
TT Chức năng ủầu vào địa chỉ Module
1 Cảm biến nhiệt ủộ nước ủầu vào PT100 (PIW 256) SM 331 2 Cảm biến nhiệt ủộ bay hơi (PIW 258) SM 331 3 Cảm biến nhiệt ủộ lũ hơi (PIW 260) SM 331 4 Cảm biến nhiệt ủộ bảo ụn (PIW 262) SM 331 5 Cảm biến ủo ủiện ỏp (PIW 264) SM 331 6 Cảm biến ủo dũng ủiện (PIW 266) SM 331 7 Cảm biến ủo ỏp suất hơi ủể tớnh lưu lượng (PIW 268) SM 331 8 Cảm biến ủo tốc ủộ (I 124.0) CPU 313C
Bảng 3.7. Quy ước ủịa chỉ cỏc ủầu ra cảnh bỏo.
TT Chức năng ủầu ra địa chỉ
1 Bỏo quỏ nhiệt ủộ nước ủầu vào Q124.0. 2 Bỏo quỏ nhiệt ủộ bay hơi Q124.1 3 Bỏo quỏ nhiệt ủộ lũ hơi Q124.2 4 Bỏo quỏ nhiệt ủộ bảo ụn Q124.3 5 Bỏo quỏ ỏp suất hơi ủể tớnh lưu lượng Q124.4