Cấu trỳc cơ bản bờn trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tõm(CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bờn trong của PLC. Bộ xử lý trung tõm được trang bị đồng hồ cú tần số khoảng 1 đến 8MHz, tần số này quyờt định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn bị thời gian và đồng bộ hoỏ tất cả cỏc thành phần của hệ
thống. Thụng tin trong PLC được truyền dưới dạng tớn hiệu digital gọi là cỏc
bus. Chỳng cú thể là cỏc vệt dẫn trờn bảng mạch in hoặc củng cú thể là cỏc dõy điện trong cỏp bẹ. CPU sử dụng cỏc bus dử liệu để gửi dữ liệu giữa cỏc bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ cỏc vị trớ truy cập dữ liệu được lưu dữ và
bus điều khiển dẫn cỏc tớn hiệu điều khiển nội bộ. Bus hệ thốngđược sử dụng để truyền thụng giữa cỏc cổng và thiết bị nhập/xuất.
Hỡnh 2-22: Cấu trỳc bờn trong của bộ PLC
CPU
Cấu hỡnh của CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, CPU gồm cú: Bộ thuật toỏn và logic(ALU) chịu trỏch nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện cỏc phộp toỏn số học và cỏc phộp toỏn logic.
Bộ nhớ hay cũn gọi cỏc thanh ghi bờn trong bộ xử lý, được sử dụng để lưu trữ thụng tin liờn quan đến việc chạy chương trỡnh.
Bus địa chỉ Bus điều khiển
Bus dữ liệu RAM chƯ ơng trình ngƯ ơì dù ng ROM hệ thống RAM dữ liệu Thiết bị nhập/xuất CPU Ng uồn Đ ô ng hồ Bộ đệm Khoá Bộ truyền động Khớ p nối quang Giao diện bộ truyền động Cá c kê nh nhập Cá c kê nh xuất Bus hệ thống I/O Panel chƯơng trình
Bộ điều khiển được sử dụng đểđiều khiển chuẩn thời gian của cỏc phộp toỏn.
Bus
Bus là cỏc đường dẫn dựng để truyền thụng bờn trong PLC. Thụng tin được truyền theo dạng nhị phõn, theo nhúm bit, mổi bit là một số nhị phõn 0 hoặc 1 tương ứng với trạng thỏi on/off. Thuật ngữ từđược sử dụng cho nhúm bớt tạo thành thụng tin nào đú. Vỡ vậy mỗi từ 8 bit này cú thể là số nhị phõn(00100110), cả 8 bớt này được truyền đồng thời theo dõy song song của chỳng.
Hệ thống PLC gồm cú bốn bus sau:
-Bus dữ liệu(Data Bus) tải dữ liệu được sử dụng trong quỏ trỡnh xử lý của CPU. Nú là đường truyền qua lại giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Bộ xử lý 8 bớt cú một bus dữ liệu nội cú thể thao tỏc cỏc số 8 bớt, cú thể thực hiện cỏc phộp toỏn giữa cỏc số 8 bớt và phõn phối kết quả theo giỏ trị 8 bit.
-Bus địa chỉ(Address Bus) được sử dụng để tải địa chỉ cỏc vị trớ trong bộ nhớ. Như vậy mổi từ cú thể được định vị trong bộ nhớ, mổi vị trớ nhớ được gỏn một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trớ được gỏn một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trớ nhất định, để CPU cú thể đọc hoặc gi ở đú. Bus địa chỉ mang thụng tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa cú 8 đường truyền thỡ số lượng địa chỉ sẽ là 28 = 256 địa chỉ. Cũn nếu bus cú 16 đường truyền thỡ số lượng địa chỉ là 216 = 65536 địa chỉ.
-Bus điều khiển(Control Bus) dựng để truyền cỏc tớn hiệu của bộ điều khiển, tớn hiệu được CPU sử dụng đểđiều khiển cỏc thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập/xuất và tải cỏc tớn hiệu chuẩn thời gian được dựng đểđồng bộ hoỏ cỏc hoạt động.
-Bus hệ thống(System Bus) được dựng để truyền thụng giữa cỏc cổng nhập/xuất và cỏc thiết bị nhập/xuất.
Bộ nhớ
-ROM (Bộ nhớ chỉ đọc) cung cấp dung lượng nhớ cho hệ điều hành và dữ liệu cốđịnh được CPU sử dụng. ROM khụng bị mất dữ liệu khi mất điện.
-RAM (Bộ nhớ truy cập ngẩu nhiờn) dành cho chương trỡnh của người dựng và đồng thời là nơi lưu trữ thụng tin theo trạng thỏi của cỏc thiết bị nhập, xuất, cỏc giỏ trị của đồng hồđịnh giờ, cỏc bộđếm và cỏc thiết bị nội vi khỏc. RAM dữ liờu đụi khi cũn được coi là bảng dữ liệu hay bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này dành cho cỏc địa chỉ của ngỏ vào và ngỏ ra cựng với trạng thỏi của ngỏ vào và ngỏ ra đú. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khỏc dành để lưu trữ cỏc giỏ trị của bộ đếm, đồng hồ định giờ vv...Đõy là bộ nhớ sơ cấp, trong đú cỏc chỉ lệnh chương trỡnh và dữ liệu được lưu trữ sao cho bộ xử lý trung tõm(CPU) cú thể truy cập trực tiếp vào chỳng thụng qua bus dữ liệu cao tốc của bộ xử lý đú. CPU cú thểđọc và ghi dữ liệu từ RAM. Khi mất điện cỏc nội dung trờn RAM sẽ bị mất.
-EPROM (Bộ nhớ chỉ đọc cú thể xoỏ và lập trỡnh được) đõy là bộ nhớ ROM cú thể được lập trỡnh và chương trỡnh được lập này được thường trỳ trong ROM.
Cỏc PLC đều cú một lượng RAM để lưu trữ chương trỡnh do người dựng cài đặt và dữ liệu chượng trỡnh. Tuy nhiờn để trỏnh mất chương trỡnh khi bị mất điện, PLC sữ dụng ắc quy để duy trỡ nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM, chương trỡnh cú thểđược tải vào bộ nhớ EPROM, thường là module cú khoỏ đối với PLC , do đú chương trỡnh trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra PLC cũn cú cỏc bộ đệm tạm thời, lưu trữ cỏc kờnh nhập/xuất.
Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xỏc định bằng số lượng từ nhị phõn cú thể lưu trữ được. Nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, thỡ bộ nhớ cú thể lưu trữđược 256 ì 8 = 2048bit nếu sử dụng từ 8bớt, và 256 ì 16 = 4096bớt nếu sử dụng từ 16bớt.
Cỏc loại PLC khỏc nhau cú dung lượng khỏc nhau, cú thể từ 1K ữ 64K.
Thiết bị nhập/xuất là giao diện giữ hệ thống và thế giới bờn ngoài, cho phộp thực hiện cỏc nối kết thụng qua cỏc kờnh nhập/xuất đến thiết bị nhập và thiết bị xuất. Củng từ cỏc thiết bị này chương trỡnh được đưa vào hệ thống từ bảng chương trỡnh. Mỗi điểm nhập/xuất cú một địa chỉ duy nhất mà CPU sử dụng.
Bức xạ hồng ngoại
Diode phỏt quang Transistor quang
Khi xung digital đi qua diode phỏt quang, sẽ tạo ra xung hồng ngoại. Xung này được transistor qung học tiếp nhận và làm tăng điện ỏp trong mạch. Khe hở giữa transistor và diode phỏt quang sẽ tạo ra sự cỏch điện nhưng vẫn cho phộp xung digital đi vào mạch để làm tăng xung digital trong mạch khỏc. Tớn hiệu nhập cú thể sử dụng trong PLC là cỏc tớn hiệu on-off 5V, 24V, 110V, 220V.
Thiết bị nhập/xuất.
Thiết bị nhập xuất của PLC được thiết kế sao cho dói tớn hiệu vào cú thể biến đổi được thành tớn hiệu digital 5V, và tớn hiệu ra là khả dụng để tỏc dụng lờn cỏc thiết bị khả dụng. Khả năng này cho phộp xử lý dói tớn hiệu vào và tớn hiệu ra để cỏc PLC đễ dạng sử dụng. Núi chung cỏc tớn hiệu vào từ modul nhập được chọn lựa bằng cỏc cụng tắc DIP(Dual Inline Package) và được bố trớ phớa sau cỏc modul.
Bộ chuyển
đổi A/D
Chỳng chỉ cú hai trạng thỏi on-off và được sử dụng để cài đặt cỏc tham số cho modul, đồng thời củng được dựng để xỏc lập địa chỉ của cỏc modul.
Tớn hiệu nhập từ cỏc sensor và tớn hiệu xuất đến cỏc thiết bị điều khiển cú thể là :
-Tớn hiệu rời rạc: Thực chất đõy chỉ là cỏc tớn hiệu on-off. Nú được nhập từ cỏc thiết bị như cụng tắc cơ, cụng tắc giỏn tiếp, cỏc bộ cảm biến quang điện vv...
-Tớn hiệu analog: Là tớn hiệu cú kớch cỡ liờn quan đến đại lượng đang được cảm biến. Cỏc tớn hiệu này được nhập từ cỏc cảm biến nhiệt độ, cảm biến ỏp suất, cảm biến khoảng cỏch dịch chuyển vv...
-Tớn hiệu digital: Đú là cỏc chuổi xung cấp vào cho PLC.
Cỏc tớn hiệu digital được nhập vào PLC nếu kờnh nhập của PLC cú khả năng chuyển tớn hiệu đú thành tớn hiệu digital, qua bộ chuyển đổi A/D(Analog-Digital Change).
Tớn hiệu vào analog Tớn hiệu ra digital
Hỡnh 2-24: Bộ chuyển đổi tớn hiệu A/D.
Một tớn hiệu vào analog tạo thành cỏc tớn hiệu on-off trờn 8 dõy riờng rẽ. 8 tớn hiệu này tạo thành từ dưới dạng digital tương ứng với mức tớn hiệu analog. Như vậy bộ chuyển đổi 8 bit cú thể cú 28 = 256 giỏ trị khỏc nhau, từ 00000000 ữ 11111111, nghĩa là từ 0 ữ 255.
Tớn hiệu ra digital
00000010 00000001
00000000 Tớn hiệu vào analog 1 2
Cỏc thiết bị xuất cú thể là contactor, cỏc rơle, transistor, triac vv...
Khi cỏc đầu ra cần cỏc tớn hiệu analog ta cú thể sử dụng bộ chuyển đổi D/A(Digital-Analog Change). Khi đú tớn hiệu vào bộ D/A là cỏc chuỗi bớt trờn một đướng song song, qua bộ D/A và cho tớn hiệu ra analog.
Tớn hiệu vào Tớn hiệu ra
analog digital
Hỡnh 2-26: Bộ chuyển đổi tớn hiệu D/A.
Xử lý cỏc tớn hiệu vào-ra(I/O).
PLC chạy liờn tục thụng qua chương trỡnh và cập nhật kết quả từ cỏc tớn hiệu vào. Mỗi vũng làm việc như vậy được gọi là một vũng quột của PLC.
Hỡnh 2-27. Hoạt động của PLC. a. Cập nhật liờn tục. Bộ chuyển đổi D/A Quột tất cả cỏc tớn hiệu vào Thực hiện chương trỡnh Cập nhật tớn hiệu ra Hỡnh 2-25: Cỏc bậc tớn hiệu.
Trong phương phỏp này CPU quột cỏc kờnh nhập khi chỳng xuất hiện theo cỏc kờnh của chương trỡnh. Mỗi điểm nhập sẽđược kiểm tra riờng rẽ và tỏc động của chỳng lờn chương trỡnh sẽ được xỏc định. Sự yờu cầu tầng điểm nhập theo mỗi lệnh chương trỡnh sẽ rất tốn thời gian. Nhiều kờnh nhập cú thể được quột trước khi chương trỡnh cú chỉ thịđể thực thi hoạt động cụ thể và tớn hiệu ra xuất hiện. Cỏc tớn hiệu ra duy trỡ trạng thỏi của chỳng, bị khoỏ cho đến khi cú sự cập nhật tiếp theo. Chuỗi làm việc như sau.
-Tỡm nạp và giải mó lệnh chương trỡnh thứ nhất. -Quột cỏc ngừ vào tương ứng.
-Tỡm nạp và giải mó lệnh chương trỡnh thứ hai.
-Quột cỏc ngừ vào tương ứng, với cỏc chương trỡnh cũn lại. -Cập nhật cỏc ngừ ra.
-Lặp lại toàn bộ chuỗi trờn.
b. Sao chộp khối tớn hiệu nhập/xuất.
Do phương phỏp cập nhật liờn tục cần cú thời gian kiểm tra lần lượt từng điểm nhập, vỡ vậy khi số điểm nhập lớn thời gian kiểm tra sẽ dài và chương trỡnh chạy sẽ chậm. Để thực hiện chương trỡnh trỡnh nhanh hơn, một vựng đặc biệt của RAM được sử dụng làm bộ nhớ đệm giữa logic điều khiển và bộ nhập/xuất. Mỗi bộ nhập xuất đều cú địa chỉ trong vựng nhớ này. Khi một chu kỳ được thực hiện, CPU quột tất cả cỏc tớn hiệu nhập và sao chộp trạng thỏi của chỳng vào cỏc địa chỉ của bộ nhập/xuất trong RAM.
Khi chương trỡnh được thực hiện, CPU đọc dữ liệu được lưu trữ trong RAM, theo yờu cầu và thực hiện cỏc phộp toỏn logic. Tớn hiệu xuất được lưu trữ trong vung RAM dành riờng cho nhập/xuất. Sau mỗi chu kỳ tớn hiệu xuất trong RAM đều được chuyển đến cỏc kờnh xuất tương ứng. Cỏc tớn hiệu xuất vẫn duy trỡ trạng thỏi của chỳng cho đến khi chu kỳ nhập kế tiếp được khởi động. Chuỗi làm việc như sau.
-Tỡm kiếm, giải mó và thực thi tất cả cỏc chỉ thị của chương trỡnh theo thứ tự và sao chộp cỏc chỉ thị xuất vào RAM.
-Cập nhật tất cả cỏc chỉ thị xuất. -Lặp lại chuỗi trờn.
Như võy thời gian cần thiết để hoàn tất một chu trỡnh quột cỏc ngừ vào và cập nhật cỏc ngừ ra theo cỏc lệnh chương trỡnh sẽ ngắn đi và chương trỡnh được thực hiện một cỏch nhanh chúng.
Tuy vậy cỏc ngừ vào vẫn khụng được theo dừi một cỏch liờn tục, cỏc mẫu trạng thỏi của chỳng đựơc lấy một cỏch định kỳ. Thời gian của chu kỳ thường khoảng từ 10 ữ 50ms, nghĩa là cỏc ngừ vào và cỏc ngừ ra được cập nhật sau 10 ữ 50ms. Và như vậy sựđỏp ứng của hệ thụng cú thể bị trể. Điều này củng cú nghĩa là nếu chu kỳ nhập rất xẩy ra ở thời điểm khụng thớch hợp thỡ chu kỳ cú thể bị bỏ sút. Do vậy một chu kỳ nhập bất kỳ phải được thực hiện trong khoảng thời gian lớn hơn thời gian của một vong quột của PLC.
Để trỏnh trường hợp bị bỏ sút chu kỳ người ta sử dụng cỏc modul đặc biệt cú tỏc dụng khắc phục cỏc thiếu sút trờn.
Giao tiếp qua cổng Serial Port (Port COM):
IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2. Cỏc cổng này giao tiếp theo tiờu chuẩn RS232. Chỳng cú thể được nối với một Modem để dựng cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một mỏy tớnh khỏc. Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cỏch nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trờn một đường dõy. Do cỏc dữ liệu được truyền đi từng bớt một nờn tốc độ truyền chậm, cỏc tốc độ truyền là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 bps, chiều dài dữ liệu cú thể là 5,6,7 hoặc 8 bớt kết hợp với cỏc bớt Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame). Ngoài ra cổng này cũn cú cỏc điều khiển thu (Receive), phỏt (Trans), kiểm tra. Cỏch giao tiếp này cho phộp khoảng cỏch truyền dữ liệu xa, tuy nhiờn tốc độ truyền rất chậm, tốc độ tối đa là 20 kps.
Ngụn ngữ lập trỡnh cho của PLC cú thể được dựng trong 3 dạng. Đõy là cỏch núi của hầu hết cỏc chuyờn gia. PLC được lập trỡnh theo biểu đồ lụgớc hoặc danh sỏch lệnh hoặc biểu đồ hỡnh thang. Nhưng chớnh xỏc hơn được gọi là ngụn ngữ dẫn Boolean gồm 4 thuật ngữ chớnh là: LOAD (YES), AND, OR, NOT. Ngoài ra để bổ xung cho nội dung đầu vào và đầu ra người ta đưa vào TIM, CNT, FUN11, và HR.
Ta trỡnh bày sơ lược 3 cỏch trờn ( dựng ngụn ngữ SYSWIN của hóng OMRON để minh hoạ).
a. Cỏch liệt kờ (Stament lish) – (Danh sỏch lệnh).
Địa chỉ Ngụn ngữ lụgớc Nội dung 0000 LD 00003 0001 LD 00004 0002 AND NOT 00007 0003 OR LD 0004 0004 OUT 01000 b. Sơ đồ hỡnh thang(Ladder Diagram).
Việc kết hợp giữa 2 ngụn ngữ này được dựng rộng rói trong cụng nghiệp vỡ vừa dễ theo dừi và miờu tả một cỏch sinh động từng bước của ngụn ngữ lập trỡnh cho PLC. (STL kết hợp LAD)
Vớ dụ: Với sơ đồ hỡnh thang trờn ta cú sơđồ liệt kờ như sau: Địa chỉ Ngụn ngữ lụgớc Nội dung 0000 LD 0000 0001 OR 0004 0002 LD 0001 0003 OR NOT 0002 0004 AND LD 0005 OUT 01001 c. Biểu đồ lụgớc (Đươc đề cập trong chương sau).
2.4.6 Bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A
a. Sơ lược về bộ PLC omron sysmac cpm1a
Bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A do hóng OMRON của Nhật sản xuất.
Trờn bộ PLC này được đỏnh số cỏc đầu vào, ra và COM, điện xoay chiều 220V và điện 1 chiều 24V.
• Cú 18 đầu vào được ghi cỏc địa chỉ sau:
INPUT 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 0010 0011 Và
Hỡnh2-29: Cấu hỡnh đầu vào PLC OMRON SYSMAC CPM2A
• Cú 12 đầu ra với cỏc địa chỉ sau:
OUTPUT 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1100 1101 1102 1103
Hỡnh 2-30: Cấu hỡnh đầu ra PLC OMRON SYSMAC CPM2A
b. Thuật ngữ đầu vào và đầu ra PLC OMRON SYSMAC CPM2A PLC OMRON SYSMAC CPM2A được thiết kế nhằm tiếp nhận tớn hiệu dữ
liệu đầu vào, sau khi sử lý theo chương trỡnh sẽ phỏt tớn hiệu qua cỏc tớn hiệu