L ỜI NÓI ĐẦU
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của PLC
+ Đơn vị xử lý trung tâm:
Các module khác nhau theo hình dạng chức năng, vận tốc xử lý câu lệnh. Loại 312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ. Loại 312IMF,313 không có pin nuôi. Loại 314- 2DP có các đèn báo ý nghĩa như sau:
SF…(đỏ)…lỗi phần cứng hay mềm. BATF…(đỏ)…lỗi pin nuôi.
DC5V…(lá cây)…nguồn 5V bình thường. FRCE…(vàng)…force request tích cực. RUN…(lá cây)…CPU đang chạy.
STOP…(vàng)…CPU mode STOP hay HALT hay START-UP, LED chớp khi memory rết request.
BUSF…(đỏ)…lỗi phần cứng hay mềm ở giao diện PROFIBUS. +Hệ thống Bus:
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
+ Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. + Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
+ Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạnh đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
Hình 3.2: Cấu tạo PLC
* Bộ nhớ:
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ đếm giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc .
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000 - 16000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều đươc sử dụng.
+RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn .
+ EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được. Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.
+ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể được xóa và lập trình bằng điện, tuy nhiên số lần là có giới hạn.
Kích thước bộ nhớ:
+ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.
+ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2000 -16000 dòng lệnh
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM. Bộ nhớ S7-300 được chia thành 3 vùng chính:
-Vùng chứa chương trình ứng dụng: được chia thành 3 miền: +OB: Vùng chứa chương trình tổ chức
+FC: Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình gọi nó.
+FB: Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình khác.
-Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được chia thành 7 miền khac nhau:
+I: Miền bộ đệm các dữ liệu các cổng vào số. Trước khi bắt đầu các chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái lgic của cổng vào số mà lấy dữ liệu từ cổng vào I.
+Q: Miền bộ đệm các dữ liệu các cổng ra số.
+M: Miền các biến cờ. Chương trình sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo địa chỉ bit (M), byte (MB), từ (MW), hay từ kép (MD).
+T: Miền biến nhớ phục vụ thời gian bao gồm việc lưu giá trị đặt trước (PV- Preset value), giá trị đếm (CV-Current) cũng như giá trị logic đầu ra của thời gian.
+C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giá trị đặt trước (PV-Preset value), giá trị đếm (CV-Current) cũng như giá trị logic đầu ra của thời gian.
+PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/0). +PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/0). +DB: Miền chứa các dữ liệu tổ chức thành khối
+L: Miền dữ liệu địa phương được các khối chương trình DB, FC, FB tổ chức cho các biến nhập tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những chương trình nó đã gọi.
* Các ngõ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul, các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra. Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC. Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I / O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản. Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.
Xử lý chương trình
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình. Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau:
+ Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.
+ Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình. Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
+ Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu ra.
*Kỹ thuật lập trình
+Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối bộ nhớ. Loai hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp cho những bài toán tự động nhỏ không phức tạp. Khối được chọn phải là OB1, khối mà PLC luôn quét và thực hiện lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên. Khối lệnh này được hệ điều hành gọi theo chu kỳ lặp và khoảng cách thời gian không đều nhau mà phụ thuộc vào chiều dài chương trình. Các khối chương trình khác không tham gia trực tiếp vào chương trình quét. Các khối OB khác không tham gia vào mà chỉ được gọi bằng các chương trình ngắt, S7-300 có nhiều loại tín hiệu báo ngắt khi có sự cố nguồn nuôi, khi có sự cố chập mạch các module mở rộng tín hiệu báo ngắt theo một chu kỳ thời gian và mỗi loại tín hiệu ngắt chỉ có khả năng gọi một loại khối OB, mỗi khi xuất hiện một tín hiệu báo ngắt, hệ thống sẽ tạm dừng công việc hiện tại.
+Lập trình cấu trúc: Là kỹ thuật cài đặt thuật toán bằng cách chia nhỏ thành các khối chương trình con FC, FB với mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nhưng toàn bộ các khối này chịu sự quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1.
Một chương trình con trong chương trình chính cũng có thể chia nhỏ thành nhiều nhiệm vụ nhỏ hơn, do đó khối chương trình con cũng có thể được gọi từ một khối chương trình con khác. Duy có một điều cần phải tránh là không bao giờ gọi một khối chương trình con lại gọi đến chính nó. Ngoài ra, do có sự sắp xếp ngăn xếp của các module CPU nên không được tổ chức chương trình con gọi lồng nhau quá số lần mà CPU được cho phép sử dụng.
Hình 3.3: Lập trình có cấu trúc
*Ngôn ngữ lập trình
S7-300 có ba ngôn ngữ lập trình cơ bản. Đó là
+Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL. Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh có một hàng và đều có cấu trúc chung
“tên lệnh” + “toán hạng”.
+Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu LAD (Leader logic). Đây là dạng ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
+Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu FBD (Function block diagram). Đây là kiểu ngôn ngữ đồ họa dùng cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang STL, nhưng ngược lại thì không. Trong đó nhiều lệnh không có trong LAD hay FBD.
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC:
c. Một số lệnh quan trọng hay sử dụng trong chương trình PLC *Lệnh về timer
+Lệnh S_PULSE
Nếu I0.0 = 1Timer được kích chạy, khi I0.0 = 0 hoặc chạy đủ thời gian đặt thì Timer dừng hoặc có tín hiệu I0.1 thì Timer cũng dừng lại.
Timer chỉ chạy lại khi có tín hiệu mới I0.0 (tức là I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1). Q0.0 = 1 khi Timer đang chạy.
MW100 lưu giá trị đếm của Timer dạng Integer. MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCD. Chức năng của Timer này là tạo xung có thời gian sẵn.
+Lệnh S_ODT
Nếu I0.0 = 1 Timer bắt đầu chạy, khi đạt đủ thời gian nó sẽ ngưng.Khi đó Q0.0 sẽ lên 1 nếu I0.0 vẫn giữ trạng thái 1, khi có tín hiệu I0.0 thì tất cả phải được Reset về 0.
MW100 lưu giá trị đếm của Timer dạng Integer. MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCD.
+Lệnh SD
T5 được cài đặt thời gian 2s.
*Lệnh về counter
+Lệnh đếm lên S_CU:
Ngõ vào I0.1:Đưa giá trị đếm vào PV.
Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1, C0 đếm tăng lên 1. Khi I0.2 = 1 Counter bi Reset.
Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW102 và MW100 dưới dạng Integer và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0-999.
Ngõ ra Q0.0 = 1 khi giá trị đếm lớn hơn 0.
+Lệnh đếm xuống S_CD
Ngõ vào I0.1 = 1: Đưa giá trị đếm vào PV.
Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 sang 0, CO giảm đi 1. Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset
Ngõ ra Q0.0 = 1 khi giá trị đếm lớn hơn 0.
Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW102 và MW100 dưới dạng Integer và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0-999.
Ngõ ra Q0.0 = 1 khi giá trị đếm lớn hơn 0.
*Lệnh di chuyển
+Lệnh MOV: Lệnh đưa giá trị một ô nhớ sang 1 ô nhớ khác, lệnh này có thể áp dụng cho mọi kiểu số khác nhau (Int, Dint, Real, Byte…).
*Sử dụng các hàm thư viện
Các hàm thư viện do Siemens viết sẵn thuộc các loại FC, FB, SFC, SFB giúp người dùng thuận tiện trong lập trình. Muốn vào các hàm thư viện trong khối logic nào thì ta mở khối logic đó ra, kích chuột vào chỗ lệnh CALL gọi hàm thư viện, vào Menu Insert-program Elements –Libraries chọn các hàm thư viện phù hợp rồi bấm cuột kép vào đó hoặc gõ lệnh CALL tên hàm thư viện. Các hàm thư viện cần chuyển giá trị cho các biến hình thức và ta phải cung cấp cho hàm theo qui định của hàm thư viện.
3.2. Sơ đồ tổng thể mạch điện hệ thống
3.2.2. Encoder
Encoder là thiết bị dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
Hình 3.6: Các loại Encoder.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
Thông thường các encoder sẽ có 3 loại tín hiệu: A, B, Z. Trong đó A, B là các tín hiệu xung thể hiện độ phân giải của encoder, còn Z là tín hiệu báo encoder đã quay trọn một vòng. Người ta dùng 2 đầu ra tín hiệu A và B để xác định chiều quay: Bản
thân A và xung đầu A sẽ sớm pha ở phía đầu B và ngược lại.B đã được thiết kế lệch pha nhau một góc thường 900. Khi quay theo chiều này thì các
3.2.3 Rơ le
Hình 3.7: Rơle
*Cấu tạo
+Hệ thống mạch từ và cuộn dây: Là một bộ phận chủ yếu, có cuộn dây được lắp đặt ở mạch từ cố định, nhận dòng điện để tạo ra từ lực tác động hút mạch từ di động làm đóng mạch các tiếp điểm dẫn điện ở mạch chính.
+Hệ thống tiếp điểm: Bao gồm các tiếp điểm ở mạch chính và các điểm phụ cho mạch điều khiển. Các tiếp điểm được cách điểm độc lập và gắn chặt trên mạch từ di động có lò xo đệm để đảm bảo các tiếp điểm di động tiếp xúc tốt với tiếp điểm cố định.
+Cơ cấu truyền động hệ thống tiếp điểm: Bao gồm giá mang các tiếp điểm di động, lò xo nhả mạch để đẩy bật tiếp điểm hở mạch trở về vị trí ban đầu.
+Buồng dập hồ quang: Đối với các rơle điện từ có công suất lớn, tải dòng lớn cần có buồng dập hồ quang để dễ triệt tiêu ngay tia hồ quang trong quá trình tiếp điểm hở mạch để tránh ngay các bề mặt vít của tiếp điểm không bị rỗ mặt gây tiếp điện xấu.
*Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện qua cuộn dây lắp đặt ở lõi mạch từ cố định, thì cuộn dây tạo ra lực từ hút mạch từ di động, vì do lực hút lớn hơn lực cản của lò xo nên các mạch từ đóng mạch dẫn dòng điện đi qua vào các thiết bị điện.
Muốn cắt mạch thì ngừng cấp điện cho cuộn dây, nhờ lò xo lúc trước bị nén đẩy bật các tiếp điểm nhả mạch.
3.3. Khí nén
Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén *Ưu điểm: