2) Đỏnh giỏ chất lượng của ĐATN ( so với nội dung yờu cầu đó đề ra trong nhiệm vụ
2.2.1. Giới thiệu chung
Từ khi ngành cụng nghiệp sản xuất bắt đầu phỏt triển, để điều khiển một dõy chuyền, một thiết bị mỏy múc cụng nghiệp nào … Người ta thường thực hiện kết nối cỏc linh kiện điều khiển riờng lẻ (Rơle, timer, contactor …) lại với nhau tuỳ theo mức độ yờu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đỏp ứng nhu cầu mà bài toỏn cụng nghệ đặt ra.
Cụng việc này diễn ra khỏ phức tạp trong thi cụng vỡ phải thao tỏc chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khỏ nhiều thời gian mà hiệu quả lại khụng cao vỡ một thiết bị cú thể cần được lấy tớn hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quỏ trỡnh sửa chữa bảo trỡ, hay cần thay đổi quy trỡnh sản xuất gặp rất nhiều khú khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tỡm kiếm hư hỏng và đi lại dõy bởi vậy năng suất lao động giảm đi rừ rệt.
Với những nhược điểm trờn cỏc nhà khoa học, nhà nghiờn cứu đó nỗ lực để tỡm ra một giải phỏp điều khiển tối ưu nhất đỏp ứng mong mỏi của ngành cụng nghiệp hiện đại đú là tự động hoỏ quỏ trỡnh sản xuất làm giảm sức lao động, giỳp người lao động khụng phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại ….mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần.
Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chỳng ta phải chọn để điều khiển cho ngành cụng nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ cỏc yờu tố sau: Tớnh tự động cao, kớch thước và khối lượng nhỏ gọn, giỏ thành hạ, dễ thi cụng, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt …
Từ đú hệ thống điều khiển cú thể lập trỡnh được PLC (Programable Logic Control) ra đời đầu tiờn năm 1968 (Cụng ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiờn hệ thống này cũn khỏ đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khú khăn trong việc vận hành hệ thống, vỡ vậy qua nhiều năm cải tiến và phỏt triển khụng ngừng khắc phục những nhược điểm cũn tồn tại để cú được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đó giải quyết được cỏc vấn đề nờu trờn với cỏc ưu việt như sau:
* Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toỏn điều khiển. * Cú khả năng mở rộng cỏc modul vào ra khi cần thiết.
* Ngụn ngữ lập trỡnh dễ hiểu thớch hợp với nhiều đối tượng lập trỡnh.
* Cú khả năng truyền thụng đú là trao đổi thụng tin với mụi trường xung quanh như với mỏy tớnh, cỏc PLC khỏc, cỏc thiết bị giỏm sỏt, điều khiển….
* Cú khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và cú rất nhiều ưu điểm khỏc nữa.
Hiện nay trờn thế giới đang song hành cú nhiều hóng PLC khỏc nhau cựng phỏt triển như hónh Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen,…và cú nhiều hóng khỏc nữa những chỳng đều cú chung một nguyờn lý cơ bản chỉ cú vài điểm khỏc biệt với từng mặt mạnh riờng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nờn dựng hóng PLC nào cho thớch hợp với mỡnh mà thụi. Để đi vào chi tiết sau đõy xin giới thiệu loại PLC S7-300 của hóng Siemen đang được sử dụng khỏ phổ biến hiện nay.
Hỡnh 2.9: Miờu tả nguyờn lý chung về cấu trỳc PLC.
Để thực hiện được một chương trỡnh điều khiển thỡ PLC cũng phải cú chức năng như là một chiếc mỏy tớnh nghĩa là phải cú bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trỡnh điều khiển, dữ liệu và cú cỏc cổng vào/ra để cũn trao đổi thụng tin với mụi trường bờn ngoài. Ngoài ra để thực hiện cỏc bài toỏn điều khiển số thỡ PLC cũn cú cỏc bộ Time, Counter và cỏc hàm chuyờn dụng khỏc nữa ….Đó tạo thành một bộ điều khiển rất linh hoạt.
Bộ nhớ ch-ơng trình Khối xử lý trung tâm + Hệ điều hành Timer Counter Bit cờ Bộ đệm vào/ Ra Cổng vào ra onboard Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lí ghép nối Bus của PLC CPU
2.2.2. Cỏc module của PLC S7-300.
Trong quỏ trỡnh cỏc ứng dụng thực tế thỡ với mỗi bài toỏn điều khiển đặt ra là hoàn toàn khỏc nhau bởi vậy việc lựa chọn chủng loại cỏc thiết bị phần cứng là cũng khỏc nhau, sao cho phự hợp với yờu cầu mà khụng gõy lóng phớ tiền của.
Vỡ vậy việc chọn lựa cỏc CPU và cỏc thiết bị vào ra là khụng giống nhau. Bởi vậy PLC đó được chia nhỏ ra thành cỏc module riờng lẻ để cho PLC khụng bị cứng hoỏ về cấu hỡnh. Số cỏc module được sử dụng nhiều hay ớt là tuỳ thuộc từng yờu cầu của bài toỏn đặt ra nhưng tối thiểu phải cú module nguồn nuụi, module CPU cũn cỏc module cũn lại là cỏc module truyền nhận tớn hiệu với mụi trường bờn ngoài, ngoài ra cũn cú cỏc module cú chức năng chuyờn dụng như PID, điều khiển mờ, điều khiển động cơ bước, cỏc module phục vụ cho cỏc chức năng truyền thụng…Tất cả cỏc
module kể trờn được gắn trờn một thanh Rack.
Hỡnh 1.10: Miờu tả về cấu hỡnh PLC S7-300.
Trong đú:
2: Là pin lưu trữ (cho CPU 313 trở lờn). 3: Đầu nối 24VDC.
4: Cụng tắc chọn chế độ làm việc. 5: Đốn LED bỏo trạng thỏi và bỏo lỗi. 6: Card nhớ (cho CPU313 trở lờn).
7: Cổng truyền thụng (RS485) kết nối với thiết bị lập trỡnh. 8: Vị trớ đấu nối với cỏc thiết bị điều khiển bờn ngoài. 9: Lắp đậy bảo vệ trong khi làm việc.
2.2.2.1. Module CPU.
Module CPU loại module cú chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, cỏc bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thụng (RS485),…. Và cú thể cũn cú một vài cổng vào ra số. Cỏc cổng vào ra số cú trờn module CPU được gọi là cỏc cổng vào ra Onboard .
Trong họ PLC S7-300 cú nhiều loại module CPU khỏc nhau,được đặt tờn theo bộ vi xử lý cú trong nú như module CPU312, module CPU314, module CPU 315…
Hỡnh 2.11: Miờu tả hỡnh dỏng của 2 CPU314 và CPU314IFM.
Những module này cựng sử dụng một bộ vi xử lý nhưng khỏc nhau về cổng vào/ra onboard cũng như cỏc khối hàm đặc biệt được tớch hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng cỏc cổng vào/ra onboard này được phõn biệt với nhau trong tờn gọi bằng cụm từ chữ cỏi IFM (Intergrated Funtion Module). Vớ dụ như CPU312 IFM,CPU314IFM...
Ngoài ra cũn cú cỏc loại module CPU với hai cổng truyền thụng, trong đú cổng truyền thụng thứ hai cú chức năng chớnh là phục vụ việc nối mạng phõn tỏn. Cỏc loại module CPU này được phõn biệt với cỏc loại CPU khỏc bằng thờm cụm từ DP (Distributed Port). Vớ dụ như CPU315-DP .
2.2.2.2. Module nguồn.
Module PS (Power supply). Module nguồn nuụi cú 3 loại với cỏc thụng số đú là 2A, 5A ,10A.
Vớ dụ: PS 307-2A, PS 307-5A , PS307-10A.
Hỡnh 2.12: Miờu tả hỡnh dỏng module nguồn nuụi PS307.
2.2.2.3. Module mở rộng.
Cỏc module mở rộng này được chia thành 4 loại chớnh bao gồm:
Module SM (Signal module). Module mở rộng cổng tớn hiệu vào/ra bao gồm:
* DI (Digital Input): Module mở rộng cỏc cổng vào số. Số cỏc cổng vào số mở rộng cú thể là 8,16 hoặc là 32 tựy thuộc từng loại module.
* DO (Digital Output): Module mở rộng cỏc cổng ra số. Số cỏc cổng ra số mở rộng cú thể là 8,16 hoặc là 32 tựy thuộc từng loại module.
* DI/DO (Digital Input /Digital Output): Module mở rộng cỏc cổng vào/ra số. Số cỏc cổng vào/ra số cú thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tựy thuộc vào từng loại module.
* AI (Analog Input): Module mở rộng cỏc cổng vào tương tự. Về bản chất chỳng là những bộ chuyển đổi tương tự/số 12 bit(AD), tức là mỗi tớn hiệu tương tự được chuyển thành một tớn hiệu số (nguyờn) cú độ dài 12 bit. Số cỏc cổng vào tương tự cú thể là 2,4 hoặc 8 tựy thuộc vào từng loại module.
Hỡnh 2.14: Miờu tả hỡnh dỏng module SM332 AI 8 x 12bit.
* AO (Analog Output): Module mở rộng cỏc cổng ra tương tự. Chỳng thực chất là bộ chuyển tớn hiểu số sang tương tự (DA). Số cỏc cổng ra tương tự cú thể là 2,4 hoặc 8 tựy thuộc vào từng loại module.
* AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng cỏc cổng vào/ra tương tự.Số cỏc cổng vào/ra tương tự cú thể là 2,4 tựy thuộc vào từng loại module.
Module IM (Interface module): Module ghộp nối. Đõy là loại module chuyờn dụng cú nhiệm vụ nối từng nhúm cỏc module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Cỏc module mở rộng được gỏ trờn một thanh rack. Trờn mỗi rack cú thể gỏ được tối đa 8 module mở rộng
(Khụng kể module CPU và module nguồn nuụi). Một module CPU S7-300 cú thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 racks và cỏc racks này phải được nối với nhau bằng module IM. Cỏc module nay ở cỏc rack mở rộng cú thể cần được cung cấp nguồn cho hệ thống rack đú ngoài ra tựy thuộc vào từ loại module IM mà cú thể cho phộp được mở rộng tối đa đến 4 rack vớ dụ IM 360 chỉ cho mở rộng tối đa là với 1 module.
Hỡnh 2.15: Miờu tả hỡnh dỏng module IM361.
Module FM (Function Module): Module cú chức năng điều khiển riờng, vớ dụ như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vũng kớn,...
Module CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thụng trong mạng giữa cỏc PLC với nhau hoặc giữa PLC với mỏy tớnh.
2.2.3. Kiểu dữ liệu và phõn chia bộ nhớ. 2.2.3.1. Kiểu dữ liệu. 2.2.3.1. Kiểu dữ liệu.
Trong một chương trỡnh cú thể cú cỏc kiểu dữ liệu sau:
BOOL: Với dung lượng 1 bit và cú giỏ trị là 0 hay 1. Đõy là kiểu dữ liệu cú biến 2 trị.
BYTE: Gồm 8 bit, cú giỏ trị nguyờn dương từ 0 đến 255. Hoặc mó ASCII của một ký tự.
WORD: Gồm 2 byte, cú giỏ trị nguyờn dương từ 0 đến 65535.
DINT: Gồm 4 byte, biểu diễn số nguyờn từ -2147463846 đến 2147483647. REAL: Gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động.
S5T: Khoảng thời gian, được tớnh theo giờ/phỳt/giõy/miligiõy. TOD: Biểu diễn giỏ trị thời gian tớnh theo giờ/phỳt/giõy.
DATE: Biểu diễn giỏ trị thời gian tớnh theo năm/thỏng/ngày. CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự).
2.2.3.2. Phõn chia bộ nhớ.
Bộ nhớ trong PLC S7-300 cú 3 vựng nhớ cơ bản sau: *Vựng chứa chương trỡnh ứng dụng.
OB (Organisation Block): Miền chứa chương trỡnh tổ chức.
FC (Function): Miền chứa chương trỡnh con được tổ chức thành hàm cú biến hỡnh thức để trao đổi dữ liệu với chương trỡnh đó gọi nú.
FB(Function Block): Miền chứa chương trỡnh con được tổ chức thành hàm cú khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trỡnh nào khỏc, cỏc dữ liệu này được xõy dựng thành một khối dữ liệu riờng (DB - Data Block).
*Vựng chứa tham số của hệ điều hành và cỏc chương trỡnh ứng dụng. Được chia thành 7 miền khỏc nhau bao gồm:
I (Process Input Image): Miền bộ đệm cỏc dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt đầu thực hiện chương trỡnh, PLC sẽ đọc giỏ trị logic của tất cả cỏc cổng đầu vào và cất giữ chỳng trong vựng nhớ I. Thụng thường chương trỡnh ứng dụng khụng đọc trực tiếp trạng thỏi logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
Q (Process Output Image): Miền bộ đệm cỏc dữ liệu cổng ra số. Kết thỳc giai đoạn thực hiện chương trỡnh, PLC sẽ chuyển giỏ trị logic của bộ đệm 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 bộ đệm Q.
M: Miền cỏc biến cờ.Chương trỡnh ứng dụng sử dụng vựng nhớ này để lưu trữ cỏc tham số cần thiết và cú thể truy nhập nú theo bit (M), byte (MB),từ (MW), từ kộp (MD).
T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ định thời bao gồm việc lưu trữ cỏc giỏ trị thời gian đặt trước (PV-PresetValue), giỏ trị đếm thời gian tức thời (CV-Current Value) cũng như giỏ trị logic đầu ra của bộ thời gian.
C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giỏ trị đặt trước (PV-Preset Value), giỏ trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giỏ trị logic của bộ đếm.
PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của cỏc module tương tự. Cỏc giỏ trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ.
PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của cỏc module tương tự. Cỏc giỏ trị tương tự tại cổng ra của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ.
*Vựng chứa cỏc khối dữ liệu. Được chia làm hai loại:
DB (Data block): Miền chứa cỏc dữ liệu được tổ chức thành khối. Kớch thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phự hợp với từng bài toỏn điều khiển. Chương trỡnh cú thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kộp (DBD).
L (Local Data block): Miền dữ liệu địa phương, được cỏc khối chương trỡnh OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho cỏc biện phỏp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hỡnh thức với những khối chương trỡnh đó gọi nú.Nội dung của một số dữ liệu trong miền này sẽ bị xoỏ khi kết thỳc chương trỡnh tương ứng trong OB, FC, FB.Miền này cú thể truy nhập từ chương trỡnh theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kộp (LD).
2.2.4. Vũng quột chương trỡnh PLC S7-300.
PLC thực hiện chương trỡnh theo một chu trỡnh lặp được gọi là vũng quột (scan). Một vũng lặp được gọi là một vũng quột. Cú thể chia một chu trỡnh thực hiện của S7-300 ra làm 4 giai đoạn. Giai đoạn một là giai đoạn đọc dữ liệu từ cỏc cổng vào, cỏc dữ liệu này sẽ được lưu trữ trờn vựng đệm cỏc đầu vào. Tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trỡnh, trong từng vũng quột chương trỡnh lần lượt thực hiện tuần tự từ lệnh đầu tiờn và kết thỳc ở lệnh cuối cựng tiếp đến là giai đoạn chuyển nội dung cỏc bộ đệm ảo tới cổng ra. Giai đoạn cuối cựng là giai đoạn truyền thụng nội bộ và kiểm tra lỗi. Đến đõy một vũng quột được hoàn thành và một vũng quột mới được tiếp tục tạo nờn một chu trỡnh lặp vụ hạn.
Hỡnh 2.16: Miờu tả một vũng quột chƣơng trỡnh của S7 -300.
Một điểm cần chỳ ý là tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thụng thường cỏc lệnh khụng làm việc trực tiếp với cỏc cổng vào/ra mà chỉ thụng qua bộ đệm ảo của cổng trong vựng nhớ tham số. Chỉ khi gặp lệnh yờu cầu truy xuất cỏc đầu vào/ra ngay lập tức thỡ hệ thống sẽ cho dừng cỏc cụng việc khỏc, ngay cả chương trỡnh xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cỏch trực tiếp với cỏc cổng vào/ra. Cỏc chương trỡnh con xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vũng quột khi xuất tớn hiệu bỏo ngắt và cú thể xảy ra bất cứ thời điểm nào trong vũng quột.
4.Truyền thụng và kiểm tra 1.Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I 2.Thực hiện chương trỡnh 3.Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra
Bộ đệm I và Q khụng liờn quan đến cỏc cổng vào/ra tương tự nờn cỏc lệnh truy nhập tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ khụng qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vũng quột gọi là thời gian vũng quột (Scan Time). Thời gian vũng quột khụng cố định, tức là khụng phải vũng quột nào cũng được thực hiện theo một khoảng thời gian như nhau. Cỏc vũng quột nhanh, chậm phụ thuộc vào số lệnh trong chương trỡnh được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thụng…trong vũng quột đú.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tớnh toỏn và việc gửi tớn hiệu điều khiển đến đối tượng đú cú một khoảng thời gian trễ đỳng bằng thời gian vũng quột. Thời gian vũng quột càng ngắn, tớnh thời gian thực của chương trỡnh càng cao.
Nếu sử dụng cỏc khối chương trỡnh đặc biệt cú chế độ ngắt, vớ dụ như là OB40 ,OB80…Chương trỡnh của cỏc khối đú sẽ được thực hiện trong vũng quột khi xuất