IX. CẤU TRÚC CỦA ðỀ TÀI
2.2.2.2.2 Các hàm và các khối hàm
Ta có thể ñể toàn bộ chương trình trong OB1. Nhưng ñể có thể viết chương trình có cấu trúc, ta sử dụng các khối logic. STEP7 cho thêm 2 loại khối logic:
- Khối hàm FB (function block): là khối logic mà có vùng nhớ kết hợp với nó. FB cần có thêm bộ nhớ ở dạng khối dữ liệu tình huống “instance”. Các tham số mà ñưa vào FB và một số dữ liệu cục bộ (các biến “tĩnh”) ñược cất trong DB tình huống; dữ liệu cục bộ khác (các biến tạm) ñược cất trong “L stack”. Dữ liệu cất trong DB tình huống ñược giữ nguyên khi FB hoàn tất thực thi; dữ liệu trong “L stack” không ñược giữ lại khi FB hoàn tất.
- Hàm (FC): là khối logic mà không có vùng nhớ kết hợp: FC không cần DB tình huống. Các biến cục bộ của FC ñược cất trong “L stack”; những dữ liệu này không ñược giữ lại khi FC hoàn tất thực thi.
- Khối hàm hệ thống SFB (System function block): là khối hàm ñược tích hợp trong CPU S7. Ta có thể gọi SFB từ chương trình; vì những SFB là một phần của hệ ñiều hành, ta không cần phải nạp chúng vào như một phần của chương trình. Tương tự với FB, SFB cần DB tình huống. Ta phải tải DB này xuống CPU như một phần của chương trình.
- Hàm hệ thống SFC (System function): hàm ñược lập trình trước mà tích hợp sẵn trong CPU S7. Ta có thể gọi SFC từ chương trình; vì những SFC là một phần của hệ ñiều hành, ta không cần phải nạp chúng vào như một phần của chương trình.
- Khối dữ liệu hệ thống SDB (system data block): vùng nhớ của chương trình ñược tạo bởi các ứng dụng STEP7 khác nhau ñể chứa dữ liệu
cần ñể ñiều hành PLC. Thí dụ: ứng dụng “S7 Configuration” cất dữ liệu cấu hình và các tham số làm việc khác trong các SDB, và ứng dụng “Communication Configuration” tạo các SDB mà cất dữ liệu thông tin toàn cục ñược chia xẻ giữa các CPU khác nhau.
2.2.2.2.3. Module ñiều khiển mềm trong SIMATIC Manager[19]
Phần mềm SIMATIC Manager cung cấp các module ñiều khiển mềm PID ñể ñiều khiển các ñối tượng có mô hình liên tục như lò nhiệt, ñộng cơ, mức…ðầu ra của ñối tượng ñược ñưa vào bộ ñiều khiển qua các cổng vào tương tự (Analog Input – AI). Sau khi bộ ñiều khiển phân tích, tính toán và ñưa ra các câu lệnh ñiều khiển tới các cơ cấu chấp hành thông qua những module khác nhau:
- Qua cổng ra tương tự (Analog Output – AO) - Qua cổng ra số (Digital Output – DO)
- Qua cổng phát xung ra tốc ñộ cao
Tùy thuộc vào từng ñối tượng ñiều khiển cụ thể mà ta có thể chọn bộ ñiều khiển PID sao cho phù hợp. ðể phục vụ các lựa chọn ñó trong phần mềm SIMATIC Manager ñã tích hợp sẵn ba khối hàm ñó là:
- ðiều khiển liên tục với khối hàm FB41(CONT_C) - ðiều khiển liên tục với khối hàm FB42(CONT_S) - ðiều khiển phát xung với khối hàm FB43(FULSEGEN)
Trong ñiều khiển hệ thống thì chất lượng ñiều khiển tùy thuộc rất nhiều vào sự lựa chọn các thông số của bộ ñiều khiển. Do ñó ta phải xác ñịnh chính xác mô hình của ñối tượng ñiều khiển.
FB41( CONT_C) ñược sử dụng ñể ñiều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến ñầu vào và ñầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình simatic. Trong khi thiết lập tham số có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ ñiều khiển PID cho phù hợp với ñối tượng.
Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ ñiều khiển với tín hiệu chủ ñạo ñặt cứng hoặc thiết kế một hệ thống ñiều khiển nhiều mạch vòng ñiều khiển theo kiểu cascade.
Hình 2.2 Sơñồ cấu trúc của khối FB41
Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ ñạo SP_INT, tín hiệu ra của ñối tượng PV_PER, tín hiệu giả ñể mô phỏng tín hiệu ra của ñối tượng PV_IN các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật toán ñiều khiển PID như: PVPER_ON; P_SEL…
Tín hiệu chủ ñạo SP_INT ñược nhập dưới dạng dấu phẩy ñộng.
Thông qua hàm nội CRP_IN tín hiệu ra của ñối tượng có thể nhập dưới dạng số nguyên có dấu hoặc số thực có dấu phẩy ñộng. Chức năng CRP_IN là chuyển ñổi kiểu biểu diễn của PV_PER từ dạng số nguyên sang dạng số thực có dấu phẩy ñộng có giá trị nằm trong khoảng từ -100% ñến 100% theo công thức:
Tín hiệu ra của CRP_IN = PV_PER x 27468
100 (2.1)
Chuẩn hóa: Chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN.
Hình 2.3 Sơñồ cấu trúc chức năng của khối FB 41
Ngoài ra còn nhiều chức năng khác như lọc nhiễu, chọn luật ñiều khiển, ñặt giá trị thay thông báo lỗi.
- Tham biến hình thức ñầu vào, ñầu ra của FB 41
Khối FB 41 có 24 tham số ñầu vào và 9 tham số ñầu ra.
- Khai báo tham số cho bộñiều khiển PID
Phần mềm STEP cung cấp một giao diện hỗ trợ cho người sử dụng trong việc khai báo tham số cho bộ ñiều khiển PID. Sau khi ñã tạo một Project có chứa FB 41 ta bắt ñầu tạo khối DB( Data Block) cho bộ ñiều khiển sử dụng giao diện của module ñiều khiển PID bằng cách gõ lệnh:
Start/ simatic/step7/ PID control Paramester Assignment Ví dụ: Ta sẽ tạo một Data Block mới tên là DB41.
Trong hộp thoại ñược hiển thị sau khi bắt ñầu, ta có thể tắt chức năng ñiều khiển on hay off và có thể nhập vào tham số ñiều khiển tương ứng. Giá trị mặc ñịnh sẽ còn nếu tham số không bị thay ñổi. Giá trị ngoài khoảng cho phép không ñược nhập vào.
Ta có thể ñặt biến quá trình theo hai dạng “ bên trong” hay “ ngoại vi” LMN_PER DISV FB41 - Cơ cấu chấp hành - ðối tượng ñiều khiển
Hình 2.4 Giao diện tạo khối DB mới
Biến qua trình bên trong( Process Value, Internal). Biến quá trình dưới
dạng số thực dấu phẩy ñộng ñược nối tới bộ ñiều khiển tại cổng PV_IN của bộ ñiều khiển.
Hình 2.5 Gán tham số cho khối FB 41
Kiểu dữ liệu: REAL
Giá trị mặc ñịnh: tùy thuộc vào khoảng kỹ thuật ( kích cỡ vật lý). Tham số FB: PV_IN. Tên Project chứa khối DB mà ta muốn Tên khối DB chứa dữ liệu mà ta muốn tạo
Biến quá trình ngoại vi ( Process Value, Peripheral). Biến quá trình ở dạng ngoại vi ñược nối với bộ ñiều khiển thông qua cổng vào “ biến quá trình ngoại vi”
Kiểu dữ liệu WORD
Giá trị mặc ñịnh: W#16#0000 Tham số FB PV_PER
Chuẩn hóa biến quá trình.
Nếu như biến quá trình là giá trị vật lý thì nó cần ñược chuẩn hóa. ðể chuẩn hóa nó ta cần ñặt thừa số chuẩn hóa và giá trị bù chuẩn hóa. Giá trị biến quá trình lúc này ñược ñặt dựa trên dạng sau:
a. Normalization Process Variable = Process Variable* Normalization Factor+ Normalization offset.
ðầu vào “ thừa số chuẩn hóa” ñược nhân với biến quá trình. ðầu vào giúp ta có thể làm thích hợp khoảng giá trị biến quá trình.
Kiểu dữ liệu REAL Giá trị mặc ñịnh 1.0
Khoảng giá trị cho phép Toàn bộ khoảng Tham số FB PV_FAC
b. Normalization offset.
ðầu vào “ bù chuẩn hóa” ñược cộng với biến quá trình Kiểu dữ liệu REAL
Giá trị mặc ñịnh 0.0 Tham số FB PV_OFF
Hình 2.6: Sơñồ nguyên lý ñiều khiển PID trong khối OB35
2.2.3. Mạng PLC dùng Profibus DP
Profibus ( Process Field Bus) là một chuẩn của Châu Âu nhằm thiết lập mạng các thiết bị dùng trong ñiều khiển theo một chuẩn nhất ñịnh: EN 50170. Với chuẩn này, có rất nhiều nhà cung cấp ñã sản xuất ra rất nhiều thiết bị tiện ích nhưng có thể thiết lập mạng cũng như mở rộng mạng một cách dễ dàng.
Hiện nay, trong một mạng có nhiều cấp. Profibus có thể ñược ứng dụng trong hai cấp là cấp cell và cấp field trong một tổng thể mạng:
Hình 2.7. Phân cấp trong một mạng
2.2.3.1 Phân loại mạng Profibus
Tùy theo ứng dụng, mạng Profibus ñược chia ra thành :
Cấp quản lý Cấp cell Cấp field PLC, PC, Hệ truyền ñộng Cảm biến FB41 SP_INT DISV FC105 Q0.0 PIW272 PV_IN LMN_IN FB43
- Mạng Profibus – FMS. - Mạng Profibus – DP. - Mạng Profibus – PA.
a. Mạng Profibus – FMS (Field Message Specification)
Mạng Profibus – FMS phù hợp trong việc truyền thông giữa các thiết bị ñiều khiển có thể lập trình ñược với nhau trong cấp cell
Hình 2.8. Mạng Profibus FMS
ðặc ñiểm:
- Nối kết PLC, PC và các thiết bị có khả năng lập trình. - Chiều dài dữ liệu có thể truyền: 240 byte.
- Có thể hoạt ñộng với nhiều Master trong một mạng.
Mạng Profibus – DP (Distributed Peripheral)
Mạng Profibus – DP ñược dùng nối kết những thiết bị ngoại vi phân bố thành mạng.
Hình 2.9. Mạng Profibus DP
ðặc ñiểm:
- Nối kết các thiết bị I/O và các thiết bị ñơn giản vào hệ thống tự ñộng. - Tốc ñộ truyền dữ liệu : nhanh
b). Mạng Profibus PA ( Process Automation)
Profibus PA là phần tương thích mở rộng của truyền thông dùng mạng Profibus – DP. Nó cho phép hệ thống truyền thông trong các khu vực nguy cơ nguy hiểm cao như: dễ bị ăn mòn bởi hóa chất hay cháy nổ vì có ñộ chính xác cao.
* ðặc ñiểm:
- Profibus PA theo chuẩn truyền thông IEC 1158-2. - Tốc ñộ truyền thông 31.25 Kbps.
Sau ñây là bảng so sánh các ñặc ñiểm trong mạng Profibus :
Bảng 2.1. So sánh các mạng PROFIBUS
PROFIBUS
– FMS PROFIBUS- DP PROFIBUS- PA Tiêu chuẩn mạng EN 50 170 EN 50 170 IEC 1158 - 2 Thiết bị trong mạng PLC, PC PLC, PC, các thiết bị như valve, OP, hệ truyền ñộng PLC, PC, các thiết bị như valve, OP,hệ truyền ñộng
Thời gian quay vòng 60ms 1ms - 5ms 60 ms Khoảng cách truyền thông Có thể ñến 100 Km Có thể ñến 100 Km Tối ña 1.9 Km Tốc ñộ truyền 9.6Kpbs - 12Mpbs 9.6Kpbs - 12Mpbs 31.25 Kpbs
2.2.3.2. Các thiết bị thường dùng trong mạng Profibus– DP
Mặc dù có nhiều loại mạng Profibus khác nhau nhưng hiện nay mạng Profibus - DP ñược sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp vì vậy trong giới hạn luận văn chỉ chú trọng vào mạng Profibus DP.
Bộ xử lý truyền thông CP 342–5 (Communications Processor)
- CP 342-5 ñược sử dụng ñể nối kết với CPU không có cổng truyền thông Profibus DP làm thành DP master theo tiêu chuẩn EN 50170. CP 342-5 rất thuận tiện trong việc truyền tải dữ liệu một cách hoàn toàn ñộc lập cũng như cho phép nối kết các Slave như : DP Slave, các port phân bố ET 200 với S7- 300.
- Dữ liệu từ các thiết bị I/O phân bố sẽ ñược truyền hoàn toàn chính xác từ CP 342-5 ñến CPU S7-300.
- Khi là DP Slave, CP 342-5 có thể trao ñổi dữ liệu của PLC S7-300 với các thiết bị Master Profibus-DP khác trong mạng. Chính vì ñiều này ñã cho phép kết hợp các cấu trúc giữa các S5/S7, PC, ET 200 và các thiết bị khác trong cấp field mạng Profibus -DP.
- Lệnh gọi hàm chức năng (FC: Function call) cũng ñược dùng trong mạng Profibus DB. Các hàm này (DP – SEND / DP – RECV) ñược dùng nhằm phục vụ trong việc truyền thông trong mạng.
- Tốc ñộ truyền phải ñược cài ñặt trong phần cấu hình của phần mềm SIMATIC Manager. Các gía trị có thể dùng trong khai báo là: 9.6 Kbps, 19.2 Kbps, 45.45 Kbps, 93.75 Kbps, 187.5 Kbps, 500 Kbps, 1.5 Mbps.
- ðặc ñiểm của CP 342-5 khi hoạt ñộng như DP Mater là: Số thiết bị DP Slave tối ña có thể ñược ñiều khiển là 64
Kích thước của vùng dữ liệu DP Master như sau:
DP input tối ña 240 byte DP output tối ña 240 byte Kích thước của vùng dữ liệu DP Slave
Hình 2.10. Nối Bus connector
2.2.3.3. Thiết bị master sử dụng trong mạng PLC
- Thiết bị làm Master trong hệ thống chính là CPU 315-2 DP
(6ES7315-2AF03-0AB0).
- Số module mở rộng có thể nối kết với CPU là 32
- Trên CPU có hai cổng truyền thông là MPI và PROFIBUS – DP. Do ñó rất thuận lợi khi thiết lập mạng.
- Vùng nhớ RAM có 64 KB; vùng load memory bao gồm 96 KB và 4MB FEPROM;
- Vùng nhớ dữ liệu dự trữ có thể lưu trữ không cần pin gồm có 4 KB, các bit nhớ, dữ liệu counter, timer và vùng nhớ bị mất khi mất ñiện gồm tất cả các khối DB.
- Vùng nhớ Bit ñược chia làm hai vùng : vùng nhớ có thể lưu trữ không cần pin (từ M 0.0 ñến M 255.7) và vùng lưu trữ cần pin cũng có ñịa chỉ như trên.
- Bộ ñếm Counter ñược chia thành hai loại có thể lưu trữ khi không có pin và khi có pin (từ 0 ñến 63). Counter có tầm ñếm trong tầm 0 4 999.
Bộ timer có loại cần dùng pin khi lưu trữ , có loại không cần dùng pin. Số bộ timer có thể sử dụng là 128 ( từ 0 ñến 127) và có thể ñếm thời gian từ trong tầm 10ms 4 9990s.
- Cho phép khai báo tối ña 128 khối FB (Function block), 128 khối FC (Function) và 127 khối DB (Data block). Ngoài ra còn các khối hệ thống như SFB, SFC (System Function).
2.2.3.4. Thiết bị slave sử dụng trong mạng PLC
Thiết bị ET 200M
- ET 200M là module dùng ñể nối kết các module tín hiệu SM lại thành trạm module I/O. ET 200M ñược chia thành hai cấu hình chính:
- Cấu hình với Bus connector. Module này không thể thay ñổi trong suốt quá trình hoạt ñông của chúng.
- Cấu hình với các module chủ ñộng. Module này có thể thay ñổi trong suốt quá trình hoạt ñông của chúng.
Cấu tạo
Hình 2.11. ET 200M
Gồm có các thành phần sau:
- Module giao tiếp IM 153 dùng ñể nối kết với PROFIBUS DP.
- Các module I/O khác dùng ñể nối với các Bus connector hay với các trạm module hoạt ñộng ñể thay ñổi module trong quá trình hoạt ñộng.
- Module nguồn
ðặc ñiểm
- Có thể mở rộng tối ña 8 module I/O.
- Cách li về ñiện giữa Profibus DP với ET 200M. - Tốc ñộ truyền tối ña : 12 Mbit/s.
Thiết bị ET 200B - ET 200B gồm có hai khối chính : + Khối terminal + Khối ñiện tử Hình 2.12. ET 200B - Các ñặc ñiểm:
+ Có nhiều khối ñiện tử với ñiện áp vào/ra của module số là 24V DC hoặc 120 ñến 240 V AC.
+ Tốc ñộ truyền 12Mbit/s.
+ Có thể nối trực tiếp vào các thiết bị lập trình.
2.3. Phần mềm thiết kế giao diện giám sát, ñiều khiển hệ thống WinCC WinCC
WinCC là hệ thống trung tâm về công nghệ và kỹ thuật ñược dùng ñể ñiều hành các nhiệm vụ của màn hình hiển thị và hệ thống ñiều khiển trong tự ñộng hóa sản xuất và quá trình. Hệ thống này cung cấp các modul chức năng thích ứng trong công nghiệp về: hiển thị hình ảnh, thông ñiệp, lưu trữ và báo cáo. Giao diện ñiều khiển mạnh, việc truy cập hình ảnh nhanh chóng, và chức năng lưu trữ an toàn của nó ñảm bảo tính hữu dụng cao.
Ngoài các chức năng hệ thống, WinCC còn mở ra các giao diện cho các giải pháp của người sử dụng, những giao diện này khiến chúng có thể tích hợp WinCC vào các giải pháp tự ñộng hóa phức tạp và toàn công ty. Việc xử lý dữ liệu lưu trữ ñược tích hợp bằng các giao diện chuẩn ODBC và SQL. Việc thêm vào các ñối tượng và các tài liệu cũng ñược tích hợp bằng OLE2.0 và OLE Custom Controls (OCX). Các cơ chế này làm cho WinCC trở thành một bộ phận am hiểu và dễ truyền tải trong môi trường Windows.
WinCC dựa vào hệ ñiều hành 32 bit MS-Windows 95 hay MS- Windows NT. Cả hai ñều có khả năng về thực hiện ña nhiệm vụ, ñảm bảo phản ứng nhanh chóng với việc xử lý ngắt và ñộ an toàn chống lại sự mất dữ liệu bên trong ở mức ñộ cao. Windows NT còn cung cấp các chức năng ñể tạo ra sự an toàn và phục vụ như một nền tảng cho hoạt ñộng của các servers