3.1.1 Khái niệm:
PLC (Programmable Logic Controler) là thiết bị điều khiển lập trình được (hay còn gọi là khả trình), cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, PLC thực chất là một máy tính, nhưng điểm khác ở đây là nó được thiết kế chuyên cho lĩnh vực điều khiển và làm việc được trong điềukiện phức tạp vớisự thay đổicủa nhiệtđộ,độ ẩm, hay nói một cách khác nó là một máy tính chuyên dụng
Đặcđiểm của PLC:
- Đượcthiết kếbềnđể chịuđược rung động, nhiệtđộ,độẩm và tiếngồn. - Có sẵn giao diện cho các thiếtbị vào/ra.
- Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết được các phép toán logic.
Đến nay các thiết bị và kỹ thuật PLC đã phát triểnrất mạnh mẽ, những người sử dụng không cần kiến thức về điện tửcũng như kiến thức về máy tính mà chỉ cần nắm vững công nghệ sảnxuất, nắm vững phương pháp lập trình đểchọnthiết bị cho phù hợp là có thể đưa vào đểtựđộng hóa dây truyền sản xuấtđó.
3.1.2 Cấu trúc hệ điều khiển sử dụng PLC
Cấu trúc của hệ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PLC được mô tả như hình sau:
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển PLC
3.1.3 Các modul của PLC S7-300
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn việc điều khiển có số lượng tín hiệu đầu vào cũng như đầu ra hay chủng loại vào ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng về cấu hình. Chúng sẽ được chia nhỏ ra thành các Module. Số module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng yêu cầu của các bài toán nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển module chức năng chuyên dụng như PID,điều khiển động cơ...Chúng được gọi chung là các module mở rộng. Tất cả các module mở rộng này được gắn trên những thanh Rail ( track).
Module CPU :
Hình 3.2 Module CPU S7-300
Module CPU là loại Modul có chứa bộ vi xử lý,hệ điều hành,bộ nhớ,các bộ thời gian bộ đếm, cổng truyền thống RS485... vàcó thể còn một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số trên Module CPU được gọi là cổng onboard. Trong các họ PLC có nhiều loại module CPU khác nhau như module CPU312 hay CPU314... Những module sử dụng cùng một loại bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào ra onboard cũng như những khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm vào sau cụm chữ cái IFM ví dụ : Module CPU312IFM
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong đố cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục việc nối mạng phân tán. Tất nhiên kèm theo kiểu truyền thống thứ 2 này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng được cài sẵn hệ điều hành.
Module mở rộng :
Các module mở rộng được chia ra thành 5 loại chính :
1. PS (Power supply) : module nguồn nuôi. Có 3 loại 2A, 5A, 10A
2. SM (Signal module) : module mở rộng cổng tín hiệu vào ra. Bao gồm :
DI (digital input) : module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module.
DO (digital output) : module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module.
DI/DO : module mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module.
AI (analog input) : module mở rộng các cổng vào tương tự. Chúng chính là bộ chuyển đổi số 12 bits (AD) tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2/4 hoặc 8 tùy từng loại module.
AO (analog output) : module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng chính là bộ chuyển đổi số 12 bits (AD) tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits. Số các cổng ra tương tự có thể là 2/4 hoặc 8 tùy từng loại module.
AI/AO : module mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/ 4 ra hoặc 4 vào/2 ra tùy loại module.
3. IM (Interface module) : module ghép nối. đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi môt module CPU. Thông thường các module mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 8 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.
4. FM (Function module) : module chức năng điều khiển riêng. Ví dụ module điều khiển động cơ bước, động cơ servo...
5. CP (Communication module) : module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
3.1.4 Xác định địa chỉ các module mở rộng
Một trạm PLC được hiểu là một module CPU ghép nối cùng lúc với các module mở rộng khác (module DI, DO, AI, AO, CP, FM) trên những thanh Rark ( giá đỡ ), trong đó việc truy nhập của CPU vào các module mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng. Một module CPU có khả năng quản lý được 4 thanh Rack với tối đa 8 module mở rộng trên mỗi thanh.
3.1.5 Chương trình điều khiển - Phần mềm Step7
Step 7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng để đặt cấu hình và lập trình cho SIMATIC PLC. Nó là một phần của công nghiệp phần mềm SIMATIC.
Có những version sau đây của Step 7 :
Step7 Micro/DOS và STep7 Micro/Win cho những ứng dụng riêng đơn giản trên SIMATIC S7-200
Step7 cho những ứng dụng trên SIMATIC S7-300/S7-400, SIMATIC M7- 300-M7/400 và SIMATIC C7 với nhữngkhoảng chức năng rộng một số chứ năng của Step được liệt kê dưới đây :
a. Có thể được mở rộng như là một sự lựa chọn bởi sản phẩm phần mềm trong công nghiệp phần mềm SIMATIC.
b. Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền thông.
c. Dữ liệu truyền thông toàn cầu. d. Định kết cấu kết nối
e. Bộ chương trình Step 7 chuẩn:
Ngôn ngữ lập trình SIMATIC và ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong Step7 tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC 1131-3. Bộ chương trình chuẩn chạy trên hệ thống Windowns 95/98/NT/Xp/7.
Chứcnăng của bộ Step7:
Bộ Step 7 chuẩn hỗ trợ cho ta tất cả các thao tác của một quá trình điều khiển tự động.
Tạo một project mới
Khai báo cấu hình phần cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic S7- 300/400.
Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-300/400 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng.
Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một trạm hay nhiều trạm. Quan sát và thực hiện chương trình điều khiển trong một trạm PLCvà
gỡ rối chương trình.
Ngoài ra Step 7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời mọi câu hỏi của người ứng dụng.
Ứng dụng trong Step7:
Bộ chương trình Step7 cung cấp rất nhiều ứng dụng. Ta không cần thiết phải mở từng ứng dụng riêng, chúng được tự động khởi động khi ta chọn hàm thích hợp hay mở một đối tượng.
Ngôn ngữ lập trình:
PLC S7-300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là :
Ngôn ngữ “liệt kê lệnh” ký hiệu STL. Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính.Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một dạng thuật toán nhất định,mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh + toán hạng”.
Ngôn ngữ “hình thang” ký hiệu LAD. Đây là dạng ngôn ngữ đò họa thích hợp với những ai quen thiết kế mạch logic .
Ngôn ngữ “hình khối” kí hiệu FDB. Đây là ngôn ngữ đồ họa dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
Module điều khiển quá trình trong step7:
Phần mềm step 7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như lò, động cơ... Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của PLC S7- 300. Tín hiệu ra của bộ điều khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp hành thông qua những module ra khác nhau :
Qua cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO) Qua các cổng ra số của module ra số (DO)
Qua các cổng phát xung ra tốc độ cao
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành ta có thể chọn được module mềm PID tương thích. Ba module được tích hợp sẵn trong Step 7:
2. Điều khiển bước với FB42(tên hình thức CONT_S)
3. Điều khiển phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức FULSEGEN)
Mỗi Module mềm PID có một khối dữ liệu DB riêng để lưu giữ dữ liệu phục vụ chu trình tính toán thực hiện luật điều khiển. Các khối hàm FB của module mềm PID cập nhập được các khối dữ liệu này tại mọi thời điểm.
Module mềm FB FULSEGEN được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C nhằm tạo ra tín hiệu dạng xung tốc độ cao thích hợp với đáp ứng của cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ.Chất lượng của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào các tham số của bộ điều khiển.
3.1.6 Kỹ thuật lập trình
a. Lập trình tuyến tính (Liner)
Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp. Khối được chọn phải là khối OB 1, là khối mà CPU luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại từ lệnh đầu tiên.
Hình 3.3 : Vòng quyét chương trình chính(OB1)
b. Lập trình có cấu trúc ( Structured )
Trong PLC Siemens S7 tổ chức theo các khối mà có thể lập trình được với từng nhiệm vụ riêng. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản:
Khối tổ chức OB(Oganization block) : Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển.
Khối hàm chức năng FB (Function block) : Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block Khối hàm (Function) : Khối chương trình với những chức năng riêng giống
như một chương trình con hoặc một hàm.
Khối dữ liệu (Data block) : Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Các tham số khối do ta tự đặt.
Ngoài ra còn có các khối hệ thống như : SFB, SFC, SDB.
Toàn bộ các khối chương trình con được quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1. Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối. Từng nhiệm vụ điều khiển con có thể được chia thành những nhiệm vụ nhỏ và cụ thể hơn nữa, do đó một khối chương trình con cũng có thể được gọi từ một khối chương trình con khác. Nhưng tránh không bao giờ một khối chương trình con lại gọi đến chính nó.
Khi thực hiện lệnh gọi một khối con, hệ điều hành sẽ:
Chuyển khối con được gọi từ vùng load memory vào vùng word memory. Cấp phát cho khối con một phần bộ nhớ trong word memory để làm local
block. Cấu trúc local block được quy định khi soạn thảo cáckhối.
Truyền các tham trị từ khối mẹ cho biến hình thức IN, IN-OUT của local block.
Sau khi khối con thực hiện xong nhiệm vụ và ghi kết quả dưới dạng tham trị đầu ra cho biến OUT, IN-OUT của local block, hệ điều hành sẽ chuyển các tham trị này cho khối mẹ và giải phóng khối con cùng local block ra khỏi word memory.
Hình 3.4:Khả năng liên kết các khối OB,FC,FB,DB,SFC,SFB
Số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng. Nếu số lần gọi khối lồng nhau mà vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ tự chuyển sang chế độ STOP và set cờ báo lỗi.
3.2. Thuật toán điều khiển
Hệ thống khởi động tuần tự như đã nêu ở trên khi ấn nút Start ,Auto hoặc các nút khởi động bằng tay cho từng công đoạn On cấp liệu, On nghiền, On trộn, On ep viên, On Đóng bao.
Các thuật toán điều khiển bên dưới chỉ được thực hiện sau khi hệ thống đã khởi động.
3.2.1 Thuật toán công đoạn nghiền:
• Quy trình công nghệ
Nguyên liệu từ silo 104 sẽ đi qua các khâu: bộ cấp liệu 105, vít tải 106, lọc sắt 107, máy nghiền 108; bột sau khi nghiền được gầu tải 201 đưa tới silo 203. Khi nguyên liệu trên silo 104 đã được nạp đủ, cảm biến báo đầy 104 có tín hiệu về trung tâm điều khiển sẽ có chuông báo dừng tại vị trí vít tải 101 và gầu tải 102. Sau một thời gian( khoảng 5 phút) nếu không có lệnh cấp nguyên liệu tiếp theo thì quy trình dừng được thực hiện theo trình tự hiện theo trình tự 101 -> 102 -> 105 -> 106 -> 107 -> 108 -> 109, 110-2 -> gầu tải bột 201.
Nếu có lệnh cấp nguyên liệu trong khoảng thời gian 5 phút sau khi vít tải 101 và gầu tải 102 dừng thì hệ thống nghiền vẫn hoạt động .
• Bảng ký hiệu
Stt Ký hiệu Địa chỉ Mô tả
1 S7 I0.6 On Nghiền
2 S8 I0.7 Off Nghiền
3 CB2 I2.0 Cảm biến báo đầy silo 104
4 C Q0.2 Còi báo khi đủ nguyên liệu
5 M105 Q0.3 Bộ cấp liệu
6 M106 Q0.4 Vít tải cho máy nghiền
7 M107 Q0.7 Lọc sắt
8 M108 Q0.8 Máy nghiền
9 M109 Q0.9 Chặn khí cho máy nghiền
10 M110-2 Q1.0 Máy hút bụi cho máy nghiền
• Thuật toán điều khiển
3.2.2 Thuật toán công đoạn trộn:
• Nguyên lý hoạt động
Khi silo 203 đầy thì cảm biến báo đầy 203 có tín hiệu làm cho xi lanh 204 mở để xả bột vào thùng trộn trong 1 phút. Khi hết thời gian 1 phút,thì thùng trộn bắt đầu hoạt động trong thời gian 3 phút. Khi thời gian trộn hết, sẽ cấp tín hiệu để xi lanh
Bắt đầu
Chạy gầu tải 201
Chạy máy nghiền 108, lọc sắt 107
Dừng gầu tải 102
Dừng vít tải 101
Chạy vít tải 101 Chạy gầu tải 102
Dừng chặn khi 109,quạt 110-2 Dừng máy nghiền 108, lọc sắt 107 Kết thúc Đúng T= Sai Nhập thông số
Chạy chặn khi 109,quạt 110-2
Bộ cấp liệu 105,Dừng vít tải 106
T= 5 S5=1
Sai Đúng
Chạy vít tải 106, Bộ cấp liệu 105
Sai Đúng
206 mở để xả thùng trộn, gầu tải bột sau trộn 301 và vít tải 207 . Xi lanh 206 đặt thời gian trễ ( 1phút 30s) đủ để nguyên liệu trong thùng trộn được xả hết.
• Bảng ký hiệu
Stt Ký hiệu Địa chỉ Mô tả
1 S9 I1.6 On trộn
2 S10 I1.7 Off trộn
3 CB3 I1.5 Cảm biến báo đầy silo 203
4 V204 Q1.2 Xi lanh điều khiển bột sau trộn
5 M205 Q1.3 Máy trộn
6 V206 Q3.3 Xi lanh điều khiển bột trước trộn
7 M207 Q1.4 Vít tải bột sau trộn
8 M301 Q1.5 Gầu tải bột sau trộn
• Thuật toán điều khiển
Chạy gầu tải 301, vít tải 207 Xả xi lanh 204
Kết thúc Đúng
Chạy máy trộn Tính thời gian trộn