Khái niệm [10]
PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller. Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình. Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển là:
❖ Điều khiển chuyên gia giám sát: • Thay thế cho điều khiển rơ le.
• Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in.
• Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình. • Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm).
❖ Điều khiển dãy:
• Các phép toán số học. • Cung cấp thông tin.
• Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất...). • Điều khiển PID.
• Điều khiển động cơ chấp hành. • Điều khiển động cơ bước. ❖ Điều khiển mềm dẻo:
• Điều hành quá trình báo động. • Phát hiện lỗi khi chạy chương trình.
• Ghép nối với máy tính (RS232/ RS242). • Ghép nối với máy in.
• Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp. • Mạng cục bộ
• Mạng mở rộng.
Cấu trúc của PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình.
Hình 2.31: Cấu trúc của PLC a. Bộ xử lý của PLC:
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.
b. Bộ nguồn:
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất.
Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý.
Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác.
RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi.
Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, vv…
Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM.
Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình. Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O).
Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được. Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu
trữ 256 8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256 16 = 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit.
d. Thiếp bị lập trình.
Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý. Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC.
e. Các phần nhập và xuất.
Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến vv… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid vv…
Thiết bị Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển, thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng thay cho việc phải thiết kế và thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển của nó PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (Với PLC khác, với các thiết bị, với máy tính cá nhân). Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét (SCAN). Có rất nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý chung như hình vẽ dưới đây.
Hình 2.32: Sơ đồ khối PLC Trong đó:
+ Powez Supply: Bộ nguồn điện áp dải rộng. + Memory: Bộ nhớ chương trình.
+ RAM (Random Access Memory): bộ nhớ này có thể ghi hoặc đọc ra
+ EPROM (Erasable Programmable Red Only Memory): là bộ nhớ vĩnh cửu chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị lập trình.
+ EEPROM (Electriccal Erasable Programmable Red Only Memory): là bộ nhớ vĩnh cửu các chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị chuẩn CRT hoặc bằng tay.
+ INPUT: Khối đầu vào. + OUTPUT: Khối đầu ra.
+ COM: Cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (Máy tính, bộ lập trình). + CPU: Bộ vi sử lý trung tâm.
Như vậy PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Time để phục vụ bài toán điều khiển.
❖ Nguyên lý hoạt động của PLC
Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (như các sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn.
Hình 2.33: Sơ đồ cấu trúc hoạt động của bộ điều khiển PLC
Một chu kỳ quét bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle).
Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms). Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
2.3.2 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 Giới thiệu chung Giới thiệu chung
Hình 2.34: PLC S7-1200 1. Bộ phận kết nối nguồn
2. Các bộ phận kết nối nối day của người dùng có thể tháo được 3. Các LED trạng thái dành cho cổng I/O tích hợp
4. Bộ phận kết nối PROFINET
❖ Một vài tính năng nổi trội của S7-1200:
S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7- 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngoài ra, có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
Dòng sản phẩm PLC S7-1200 có nhiều CPU khác nhau như: CPU 1211, CPU 1212, CPU 1214, CPU 1215…trong mỗi dòng CPU đều được phân biệt bởi ký hiệu như AC/DC/Ply, DC/DC/DC…tương ứng với Nguồn cấp cho CPU, Dạng cổng ngõ vào, dạng cổng ngõ ra. Mỗi CPU có bộ nhớ làm việc, chu kỳ lệnh, cổng truyền thông giao tiếp, khối tổ chức chương trình OB, chức năng khác nhau…Tùy vào ứng dụng và hệ thống mà ta sẽ lựa chọn dòng CPU phù hợp để đáp ứng về tốc độ xử lý, cũng như về giá thành của CPU.
❖ Các module S7-1200
Bảng 2.1: Bảng thông số các dòng CPU S7-1200
Dòng CPU Thông tin sản phẩm
CPU 1211C AC/DC/Rly (6ES7 211-1BE31- 0XB0)
Bộ nhớ làm việc 30 KB; Bộ nguồn 120/240VAC với DI6 x 24VDC; DQ4 x rơle và AI2 trên board; 3 bộ đếm tốc độ cao (có thể mở rộng với bảng tín hiệu số) và 4 đầu ra xung trên bảng; bảng tín hiệu mở rộng I/O trên bo mạch; lên đến 3 module truyền thông để liên lạc nối tiếp; 0,04ms/1000 instruction; Giao diện PROFINET để lập trình, giao tiếp HMI và PLC với PLC.
CPU 1212C DC/DC/Rly (6ES7 212-1HE31- 0XB0)
Bộ nhớ làm việc 30 KB; Cung cấp điện 24VDC với DI8 x 24VDC; DQ6 x rơle và AI2 trên board, 4 bộ đếm tốc độ cao (có thể mở rộng với bảng tín hiệu số) và 4 đầu ra xung trên bảng; bảng tín hiệu mở rộng I/O trên bo mạch; lên đến 3 module truyền
thông để liên lạc nối tiếp; lên đến 2 module tín hiệu để mở rộng I/O; 0,04 ms/1000 instruction; Giao diện PROFINET để lập trình, giao tiếp HMI và PLC- PLC
CPU 1214C DC/DC/DC
(6ES7 214-1AG31- 0XB0)
Bộ nhớ làm việc 75 KB; Cấp nguồn 24VDC với DI14 x 24VDC, DQ10 x 24VDC và AI2 trên board; 6 bộ đếm tốc độ cao và 4 đầu ra xung; bảng tín hiệu mở rộng I/O trên bo mạch; lên đến 3 module truyền thông để liên lạc nối tiếp; lên đến 8 module tín hiệu để mở rộng I/O; 0,04 ms/1000 instruction; Giao diện PROFINET để lập trình, giao tiếp HMI và PLC- PLC
CPU 1215C AC/DC/Rly
(6ES7 215-1BG31- 0XB0)
Bộ nhớ làm việc 100 KB; Bộ nguồn 120/240VAC với DI14 x 24VDC, DQ10 x rơle và AI2 và AQ2 trên tàu; 6 bộ đếm tốc độ cao và 4 đầu ra xung trên board; bảng tín hiệu mở rộng I/O trên bo mạch; lên đến 3 module truyền thông để liên lạc nối tiếp; lên đến 8 module tín hiệu để mở rộng I/O; 0,04 ms/ 1000 instruction; Giao diện PROFINET để lập trình, giao tiếp HMI và PLC-PLC
2.4 Phần mềm điều khiển giám sát hệ thống phân loại 2.4.1 Chức năng của Wincc 2.4.1 Chức năng của Wincc
Phần mềm WinCC (WinCC viết tắt của từ Windows Control Center- hệ thống điều khiển trung tâm, Flexible- linh hoạt) là phần mềm chuyên dụng để thiết kế hệ SCADA và hệ thống HMI trong tự động hóa công nghiệp của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên Thế giới và Việt Nam. WinCC là công cụ thay thế cho phần mềm ProTool sẽ không còn phát hành (bản cuối
cùng là ProTool 6.0 SP3). WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, thép, dầu khí……
WinCC tương thích với những hệ điều hành hiện nay như: Microsoft Window XP, Microsoft Window Vista Business (32 bit), Ultimate (32 bit). Cả hai hệ điều hành trên đều có khả năng đa nhiệm vụ cao, đảm bảo phản ứng nhanh với việc xử lí ngắt và độ an toàn chống mất dữ liệu bên trong ở mức độ cao.
WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemes -công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa và Microsoft -công ty hàng đầu trong phát triển phần mềm cho máy tính.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô như: việc tích hợp với những hệ thống cao cấp MES (Manufacturing Excution System -hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới.
Chức năng:
- Thiết kế và lập trình hệ thống tự động hóa, quá trình điều khiển giám sát quy trình sản xuất.
- Mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình hoạt động một cách trực quan giúp hệ thống dễ kiểm tra và sửa chữa.
- Làm SCADA trên PC cho ứng dụng vừa và nhỏ có đủ chức năng report, alarm, trend và kết nối trực tiếp nhiều loại PLC và cả giao thức OPC.
- Ngoài ra WINCC còn cung cấp nhiều chức năng khác như: hiển thị các thông báo hay báo cáo trong quá trình bằng số liệu hay đồ họa, xử lí thông tin đo lường, các bảng ghi báo cáo.
WinCC cho phép người sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều hành.
Ngoài ra, chúng ta còn có thể kết hợp WinCC và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hay Visual Bacis để tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với cấu hình cụ thể nào đó. WinCC có thể tạo giao diện người- máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết bị điều khiển (PLC, CNC…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ, hay các câu chữ mang tính trực quan. Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các thông số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ của hệ thống tự động.
Hình 2.35: Ví dụ về phần mềm wincc
2.4.2 Các đặc điểm chính của Wincc Các đặc điểm chính Các đặc điểm chính
- Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm - Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA: ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập.
- Cơ sở dữ liệu Odbe/Sql đã được tích hợp sẵn. - Các giao thức chuẩn mạnh (dde, ole, active, ope) - Ngôn ngữ vạn năng.
- Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ. - Giao tiếp hầu hết với các loại PLC.
Các cấu hình hệ thống cơ bản: WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình từ thấp đến
cao, ví dụ như trong các cấu hình như sau
- Hệ thống điều khiển dùng 1 máy tính (sing-user system). - Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (nuti-user system). - Cấu trúc Client/Server có dự phòng.