32.1. Sơ lược các hệ thống ựiều khiển
3.2.1.1. Hệ thống ựiều khiển bằng relay
- Relay chiếm một phần quan trọng trong các hệ thống ựiều khiển, nhất là trong các mạch ựộng lực. được phát triển vào thế kỷ 19, khi ựó relay chỉ dùng ựể ựiều khiển những hệ thống tương ựối. Và ựến nay, relay nhanh chóng ựược kết hợp với những linh kiện ựiện tử ựể ựiều khiển những hệ thống phức tạp, tăng năng suất, tiết kiệm thời gian và chi phắ.
- Hệ thống ựiều khiển bằng relay (chỉ ựơn thuần dùng relay) là một hệ thống ựược cấu thành từ vài chục ựến vài trăm relay nối với nhau bằng dây dẫn. Toàn bộ các chức năng ựiều khiển ựược xác ựịnh thông qua cách ghép nối các relay nhờ vào các tiếp ựiểm. để có ựược những chức năng ựiều khiển khác nhau thì phải thay ựổi sơ ựồ ựấu dây cũng như cấu trúc của hệ thống ựiều khiển. Tùy thuộc vào cách ghép nối các tiếp ựiểm của relay với nhau hay giữa relay với ựối tượng ựiều khiển, ta sẽ tạo ra chức năng logic như mong muốn. Chẳng hạn như khi ta mắc nối tiếp các tiếp ựiểm của relay với nhau ta ựược cổng AND, khi ta mắc song song các tiếp ựiểm của relay với nhau ta ựược cổng OR.
- Hạn chế của hệ thống ựiều khiển bằng relay:
+ Do sử dụng một lượng lớn relay ựể ghép nối với nhau dẫn ựến bảng ựiều khiển khá lớn.
+ Việc thay ựổi chức năng ựiều khiển khó khăn do phải ựi dây lại toàn bộ hệ thống.
- Từ những hạn chế trên, ựòi hỏi cần phải có một hệ thống ựiều khiển mới hiện ựại hơn, sử dụng các linh kiện ựiện tử như: Transitor, IC, vi xử lý ựể thực hiện chức năng ựiều khiển khác nhau, cấu tạo nhỏ gọn.
3.2.1.2. Hệ thống ựiều khiển ựiện tử
- Hệ thống ựiều khiển ựiện tử là sự kết hợp các linh kiện ựiện tử với chức năng khác nhau. Nó khắc phục ựược ựa số những hạn chế của hệ thống ựiều khiển bằng relay.
- Việc kết hợp các linh kiện ựiện tử sẽ tạo ra các khối chức năng với vai trò ựiều khiển khác nhau. Chẳng hạn, transitor chuyển trạng thái logic 0 và 1 ứng với trường hợp dẫn và ngắt, mạch tắch hợp IC dùng ựể ựiều khiển các tắn hiệu dạng analog truyền thông tin dưới dạng biên ựộ và dạng sóng, IC số xử lý thông tin
dưới dạng các cổng logic, ựặc biệt OP-AMP khuếch ựại thuật toán có thể thực hiện các toán tử toán học như: cộng, trừ, nhân, chia, tắch phân, vi phân, Ầ
- đối với những hệ thống ựiều khiển lớn và phức tạp, việc ghép nối các linh kiện ựiện tử sẽ có rất nhiều khối ựiều khiển khác nhau gây khó khăn cho việc quản lý và kiểm tra từng khối. Chắnh vì vậy cần, có bộ xử lý trung tâm kiểm tra và ựiều khiển các khối này với nhau.
- Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sản xuất chip, hàng loạt các nhà sản xuất chip lớn trên thế giới ựưa ra loại chip với chức năng như một bộ xử lý trung tâm ựó là các họ vi ựiều khiển AVR. Như vậy, chi phắ giảm xuống ựồng thời ựộ tin cậy cao.
- Từ ựó, các hệ thống ựiều khiển hiện ựại ra ựời thay thế dần dần các hệ thống ựiều khiển trước ựây, ựặc biệt là hệ thống ựiều khiển bằng PLC (S7-200, S7-300, S7-400, Ầ) của các hãng khác nhau như: SIEMENS, OMRON, MISIBISHI.
Hình 3.1: Bộ PLC Siemens S7-200
Hình 3.3: Bộ PLC Siemens S7-400
- Hệ thống ựiều khiển bằng PLC có thể ựiều khiển những ứng dụng phức tạp khác nhau với tốc ựộ xử lý ngày càng cao như: ựiều khiển vị trắ, tốc ựộ ựộng cơ, Ầ và PLC ựược sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, ô tô, y tế, Ầ Bởi những ưu ựiểm sau ựây:
Ớ Không cần ựấu dây cho sơ ựồ ựiều khiển logic như kiểu dùng relay Ớ Có ựộ mềm dẻo sử dụng rất cao, chỉ thay ựổi chương trình ựiều khiển
bằng phần mềm.
Ớ Kết cấu nhỏ gọn, nhiều chức năng ựiều khiển, tốc ựộ xử lý cao. Ớ Chức năng chuẩn ựoán lỗi ựược thực hiện nhanh chóng.
Ớ Giá thành tương ựối, công suất tiêu thụ nhỏ.
ỚKhông cần quan tâm ựến vấn ựề lắp ựặt, có thể mở rộng số lượng ựầu vào/ra bằng cách ghép các module mở rộng.
- Chắnh nhờ những ưu thế ựó, PLC hiện nay ựược sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ựiều khiển tự ựộng, nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng, sự ựồng nhất sản phẩm, an toàn và giảm chi phắ.
- Một vài ứng dụng của PLC dùng ựiều khiển thiết bị:
Hình 3.4: điều khiển ựộng cơ bằng PLC
Hình 3.6: Mạch ựèn giao thông ựiều khiển bằng PLC
3.2.2. Tìm hiểu chung về PLC
3.2.2.1. đặc ựiểm của hệ thống lập trình PLC
- Nhu cầu về một bộ ựiều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp ựã thúc ựẩy sự phát triển những hệ thống ựiều khiển lập trình. Chắnh vì thế bộ ựiều khiển lập trình PLC ra ựời thay thế phương pháp ựiều khiển truyền thống và nó tạo ra một khả năng ựiều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản.
- PLC (Programmable Logic Controller) thiết bị ựiều khiển logic khả trình, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán ựiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán ựó bằng mạch số.
3.2.2.2. Cấu trúc phần cứng của bộ ựiều khiển PLC
PLC gồm 3 khối chức năng cơ bản: Bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và khối vào/ra.
Hình 3.8: Cấu trúc phần cứng bộ ựiều khiển PLC
a. Bộ phận xử lý trung tâm CPU (Central Processing Units)
- Bộ xử lý trung tâm ựiều khiển và quản lý tất cả hoạt ựộng của PLC. Bộ xử lý trung tâm là một loại vi ựiều khiển như: vi ựiều khiển họ 8051 có 8 bits, ngày nay lên ựến 16 bits hoặc 32 bits như vi ựiều khiển AVR (ATmega 16, ATmega 32, Ầ).
- Có nhiều loại CPU khác nhau chẳng hạn như: trong họ PLC S7-200 có CPU221, CPU222, CPU224Ầ; trong họ PLC S7-300 có CPU312, CPU314, CPU315, Ầ
- Ngoài ra còn có các loại CPU với hai cổng truyền thông, trong ựó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chắnh là phục vụ việc nối mạng phân tán như mạng PROFIBUS (Process Field Bus). Các loại CPU này ựược phân biệt với các CPU khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Vắ dụ như CPU314C-2DP.
- Các thông tin ựược lưu trữ trong bộ nhớ chương trình dưới sự ựiều khiển và quản lý của bộ xử lý trung tâm. Các thông tin này sẽ ựược gọi lên một cách
tuần tự, từ những tắn hiệu riêng lẻ của ngõ vào ựược bộ xử lý trung tâm liên kết lại với nhau cho ra một tắn hiệu tổng hợp ựiều khiển tại ngõ ra.
Hình 3.9: Vòng quét PLC
- Thời gian cần thiết ựể PLC thực hiện ựược một vòng quét gọi là thời gian vòng quét. Thời gian vòng quét không cố ựịnh, tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu ựược truyền mà thời gian quét nhanh hoặc chậm. Như vậy thời gian vòng quét quyết ựịnh tắnh thời gian thực của chương trình ựiều khiển trong PLC.
b. Bộ nhớ
- Bộ nhớ của PLC ựược thành các vùng với những chức năng khác nhau. Một số vùng nhớ trong bộ nhớ của PLC dùng ựể lưu trữ trang thái ngõ vào và ngõ ra. Trạng thái ngõ vào/ra ựược lưu trữ dưới dạng bit nhớ, thường là Ổ1Ỗ hoặc Ổ0Ỗ. Những vùng khác của bộ nhớ ựược dùng cho việc lưu trữ các nội dung cần thiết cho việc lập trình.
- Bộ nhớ của PLC cấu tạo như sau:
Hình 3.10: Cấu trúc bộ nhớ của PLC
+ Tụ ựiện ựặc biệt: Có khả năng tắch trữ năng lượng trong một thời gian dài, giúp lưu trữ dữ liệu trong RAM không bị mất ựi trong một thời gian khi không có ựiện.
+ RAM: (Random Access Memory): Ram ựược sử dụng như một vùng nhớ tạm thời, các dữ liệu lưu trên Ram sẽ bị mất ựi khi không có ựiện. Do ựó, thường có một nguồn dự trữ ựề phòng trường hợp Ram bị mất ựiện trong một thời gian dài.
+ EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): Thời gian truy cập dữ liệu nhanh, thời gian ghi dữ liệu vào một ô nhớ lâu. Dữ liệu có thể ựược xóa toàn bộ bằng tia cực tắm. Nhưng ựối với loại EPROM thông dụng có thể xóa dữ liệu bằng ựiện.
+ EEPROM (Electrically EPROM): Thời gian lập trình cho một ô nhớ nhanh, xóa dữ liệu bằng ựiện.
c. Nguồn ựiện cung cấp
- Các bộ ựiều khiển PLC sử dụng nguồn 24 VDC hoặc 220 VAC.
- Trong bộ ựiều khiển PLC, mỗi module khác nhau thì nguồn ựiện nuôi cũng khác nhau. Chắnh vì vậy, người sử dụng phải nắm rõ ựiều này ựể cấp ựiện cho các thiết bị tạo ngõ vào/ra bằng nguồn riêng ựể ựảm bảo không gây hư hỏng gì cho bộ ựiều khiển PLC.
- đối với một số bộ ựiều khiển PLC, nguồn cấp cho các thiết bị ngõ vào ựược lấy từ nguồn ựược tắch hợp ở trong.
Chương trình tham số
Hình 3.11: Nguồn ựiện cung cấp
d. Module ngõ vào
- Module ngõ vào là khối ghép dùng ựể chuyển ựổi tắn hiệu ựầu vào thành tắn hiệu số (Digital) bên trong PLC. Kết quả của việc xử lý ựược lưu trong vùng nhớ của ngõ vào.
- Các ựầu vào ựược cách ly hoàn toàn với các mạch trong PLC. Do ựó mọi hư hỏng của ựầu vào không ảnh hưởng gì ựến hoạt ựộng của PLC.
Hình 3.12: Giao diện ngõ vào với PLC
- Các thiết bị ngõ vào có thể là nút nhấn, công tắc, các bộ cảm biến, công tắc hành trình Ầ
Hình 3.13: Các thiết bị ngõ vào
Hình 3.14: Hệ thống chọn lựa sản phẩm theo khối lượng dùng PLC
e. Module ngõ ra
- Biến ựổi các mức logic bên trong PLC thành các tắn hiệu ựiều khiển các thiết bị bên ngoài. Cũng giống như module ngõ vào, module ngõ ra ựược cách ly hoàn toàn với các mạch trong PLC. Do ựó mọi hư hỏng của thiết bị ựầu ra không ảnh hưởng gì ựến hoạt ựộng của PLC.
Hình 3.15: Giao diện PLC với ngõ ra - Thiết bị ngõ ra có thể là ựộng cơ, led, van, khởi ựộng từ, Ầ
- Số lượng ngõ vào/ra của PLC là có hạn, nhưng có thể tăng số lượng lên bằng cách ghếp nối thêm module vào bộ PLC nhờ vào module IM.
- Ngoài các module ra, bộ ựiều khiển PLC còn có thêm: + Cáp nối (PC/PPI): Dùng ựể kết nối máy tắnh với PLC
+ Thiết bị cầm tay dùng ựể lập trình hoặc thay ựổi chương trình của PLC.
Hình 3.17: Giao diện kết nối PLC và thiết bị cầm tay
3.2.3. Tìm hiểu họ PLC S7-300 của hãng Siemens
Trong phạm vi ựề tài này, em chọn họ PLC S7-300 CPU314C-2DP ựể ựiều khiển mô hình thang máy.
+ Họ S7-300 là PLC cỡ vừa, gồm CPU và các module sắp trên các rack. + Mỗi rack tối ựa có 8 module (trừ CPU và nguồn).
+ Mỗi CPU làm viêc tối ựa 4 rack.
+ Trong họ PLC S7-300 có nhiều module CPU khác nhau.
3.2.2.1. Cấu trúc phần cứng CPU314C-2DP
- CPU có thêm cổng ựể nối mạng phân tán
- Các thông số chắnh của CPU314C-2DP ựược cho ở bảng 3.1:
Bảng 3.1: Các thông số chắnh của CPU314C-2DP
Tên CPU CPU314C-2DP
Bộ nhớ làm việc 48 KB
Thẻ nhớ MMC
Cổng logic vào tắch hợp sẵn 24 Cổng logic ra tắch hợp sẵn 16
Analog I/O 4AI / 2AO
Bộ ựếm (Counter) 256
Bộ ựịnh thời (Timer) 256 Tốc ựộ thực thi lệnh 0.1us
- Các module mở rộng ựược chia thành 5 loại chắnh:
+ PS (Power Supply): Module nguồn nuôi: có 3 loại 2A, 5A và 10A. + SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tắn hiệu vào/ra, gồm:
Ớ DI (Digital Input): Module cổng vào số. Có thể mở rộng thêm 8, 16, 32 cổng tùy thuộc vào từng loại module.
Ớ DO (Digital Output): Module cổng ra số. Có thể mở rộng thêm 8, 16, 32 cổng tùy thuộc vào từng loại module.
Ớ DI/DO (Digital Input / Digital Output): Module cổng vào/ra số. Số cổng vào/ra có thể là 8/8 hoặc 16/16 tùy thuộc vào từng loại module.
Ớ AI (Anolog Input): Module cổng vào tương tự. Là những bộ chuyển ựổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tắn hiệu tương tự ựược chuyển thành một tắn hiệu số nguyên có ựộ dài 12 bits. Số cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại module.
Ớ AO (Anolog Output): Module cổng ra tương tự. Là những bộ chuyển ựổi số tương tự. Số cổng vào tương tự có thể là 2 hoặc 4 tùy thuộc từng loại module.
Ớ AI/AO (Anolog Input / Anolog Output): Module cổng vào/ra tương tự. Số cổng vào tương tự có thể là 4/2 hoặc 4/4 tùy thuộc từng loại module
+ IM (Interface Module): Module ghép nối. Có chức năng ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với nhau tạo thành một khối và ựược quản lý bởi một module CPU.
+ FM (Function Module): Module có chức năng ựiều khiển riêng. Chẳng hạn như module PID, module ựiều khiển ựộng cơ bước, Ầ
+ CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tắnh.
3.2.3.2. Kiểu dữ liệu, cấu trúc bộ nhớ và phương thức truy cập bộ nhớ a. Kiểu dữ liệu a. Kiểu dữ liệu
- BOOL: dung lượng một bit, có giá trị 0 hoặc 1. - Byte: dung lượng 8 bits, có giá trị từ 0 ựến 255. - Word: dung lượng 2 byte, có giá trị từ 0 ựến 65535. - Int: dung lượng 2 byte, có giá trị từ -32768 ựến 32768.
- Dint: dung lượng 4 byte, có giá trị từ -2147483648 ựến 2147483648. - Real: dung lượng 4 byte, dùng ựể biểu diễn số thực.
- S5T: khoảng thời gian tắnh theo giờ/phút/giây/mili giây. - Date: biểu diễn giá trị thời gian tắnh theo năm/tháng/ngày. - Char: biểu diễn một hoặc nhiều ký tự.
b. Cấu trúc bộ nhớ và phương thức truy cập bộ nhớ
- Bộ nhớ của S7-300 ựược chia làm ba vùng chắnh: + Vùng chứa chương trình ứng dụng: chia thành 3 miền
Ớ OB (Organization block): Miền chứa chương trình tổ chức.
Ớ FC (Program block): Miền chứa chương trình con, ựược tổ chức thành hàm có biến hình thức ựể trao ựổi dữ liệu với chương trinh ựã gọi nó.
Ớ FB (Function block): Miền chứa chương trình con, ựược tổ chức thành hàm có khả năng trao ựổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải ựược xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là DB (Data Block).
+ Vùng chứa tham số của hệ ựiều hành và chương trình ứng dụng: ựược chia thành 7 miền.
Ớ I (Process image input): Miền bộ ựệm các dữ liệu cổng vào số. Có thể truy cập theo bit (I0.0, I0.1, Ầ), theo byte (IB0, IB1, Ầ), theo từ tức là 2 bytes (IW0 = IB0 + IB1, IW2 = IB2 + IB3, Ầ), theo từ kép tức là 4 bytes (ID0 = IW0 + IW2, ID4 = IW4 + IW6, Ầ). Ớ Q (Process image Output): Miền bộ ựệm các dữ liệu cổng ra số. Có
thể truy cập theo bit (Q0.0, Q0.1,), theo byte (QB0, QB1, Ầ), theo từ tức là 2 bytes (QW0 = QB0 + QB1, QW2 = QB2 + QB3, Ầ), theo từ kép tức là 4 bytes (QD0 = QW0 + QW2, QD4 = QW4 + QW6, Ầ).
Ớ M: Miến các biến cờ. Dùng ựể lưu các tham số cần thiết ựể lập trình, có thể truy cập theo bit (M0.0, M0.1, Ầ), theo byte (MB0, MB1, Ầ), theo từ tức là 2 bytes (MW0 = MB0 + MB1, MW2 = MB2 + MB3, Ầ), theo từ kép tức là 4 bytes (MD0 = MW0 + MW2, MD4 = MW4 + MW6, Ầ).
Ớ T (Timer):Miền nhớ phục vụ thời gian, bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian ựặt trước (PV-Preset value), giá trị ựếm thời gian tức thời (CV-Curent value), cũng như giá trị logic ựầu ra của bộ ựịnh thời.