III. Xây dựng các khối chức năng chính của thang
7. Bài toán điều khiển đèn và quạt buồng thang
8. Bài toán xử lý các sự cố xảy ra đối với thang.
IV. PLC
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành
PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đó bằng mạch số. Bộ điều khiển logic khả trình là ý tởng của một nhóm kỹ s hãng General Motors vào năm 1968 và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những u cầu điều khiển trong cơng nghiệp:
• Dễ lập trình và dễ thay đổi chơng trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong nhà máy.
• Cấu trúc dạng module để dễ dàng bảo trì và sửa chữa.
• Tin cậy hơn trong môi trờng sản xuất của nhà máy cơng nghiệp.
• Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thớc nhỏ gọn hơn mạch role chức năng tơng đơng.
• Giá thành có khả năng cạnh tranh cao.
Đặc trng của kỹ thuật PLC là việc sử dụng vi mạch để xử lý thông tin. Các ghép nối logic cần thiết trong quá trình điều khiển đợc xử lý bằng phần mềm do ngời sử dụng lập nên và cài đặt vào. Chính do đặc tính này mà ngời sử dụng có thể giải quyết nhiều bài tốn về tự động hóa khác nhau trên cùng một bộ điều khiển và hầu nh khơng phải biến đổi gì ngồi việc nạp những chơng trình khác nhau. Nh vậy, với chơng trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trờng xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Tồn bộ chơng trình điều khiển đợc lu nhớ trong bộ nhớ của PLC dới Svth: Dỗn Hồng Mai 44 Lớp: Trang bị điện-điện tử K44
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
dạng các khối chơng trình (khối OB, FC hoặc FB) và đợc thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (scan).
Để thực hiện một chơng trình điều khiển tất nhiên PLC phải có chức năng nh một máy tính nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lu chơng trình điều khiển, dữ liệu và phải có các cổng vào ra để giao tiếp đợc với đối tợng điều khiển và để trao đổi thông tin với mơi trờng xung quanh. Bên cạnh đó để phục vụ bài tốn điều khiển số, PLC cịn cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác nh là bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và các khối hàm chuyên dụng.
Sự ra tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất trên thế giới hoàn chỉnh các họ PLC với mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu xuất. Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ với 20 ngõ vào/ra và dung lợng bộ nhớ chơng trình 500 bớc đến các module nhằm dễ dàng mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng:
• Xử lý tín hiệu liên tục (Module Analog). • Điều khiển động cơ Servo, động cơ bớc. • Truyền thơng.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi mạch, kỹ thuật PLC đã có những bớc tiến bộ v- ợt bậc. Có thể nói nếu khơng có kỹ thuật PLC thì khơng có tự động hóa trong các ngành cơng nghiệp.
2.2 sơ đồ tổng quát của PLC.
Hầu hết các họ PLC của các hãng sản xuất trên thế giới đều có các module chính nh sau:
- Bộ xử lý trung tâm CPU: là bộ não của PLC, xử lý chơng trình điều khiển. - Bộ vào/ra (Input/Output Module): nhận tín hiệu vào và gửi tín hiệu ra. - Bộ nhớ (Memory Module): dùng để chứa chơng trình điều khiển dữ liệu.
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
Hình 1.2 : Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình PLC. Thơng thờng để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tợng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng nh chủng loại tín hiệu vào/ ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC đợc thiết kế khơng bị cứng hố về cấu hình. Chúng đợc chia nhỏ thành các module. Số module đợc sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU. Các module cịn lại là những module nhận/truyền tín hiệu với đối tợng điều khiển, các module chức năng chuyên dụng nh PID, điều khiển động cơ… Chúng đợc gọi chung là module mở rộng. Tất cả các module đợc gá trên những thanh ray (Rack)
2.2.1 Module CPU.
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm , cổng truyền thơng (RS485)… và có thể cịn có một vài cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên module CPU đợc gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng đợc đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó nh module CPU312, CPU314, CPU315…
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
Hình 1.3: Module CPU314. 2.2.2 Module mở rộng.
Các module mở rộng đợc chia thành 5 loại chính:
1) PS (Power supply): Module nguồn ni. Có 3 loại 2A, 5A và 10A.
2) SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
a) DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
b) DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
c) DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/ 8 ra, 16 vào/16 ra tuỳ thuộc vào từng loại module.
d) AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tơng tự. Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tơng tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tơng tự đợc chuyển thành một tín hiệu số (ngun) có độ dài12 bits. Số các cổng vào tơng tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module.
e) AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tơng tự. Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi số tơng tự
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
(DA). Số các cổng vào tơng tự có thể là 2, hoặc 4 tuỳ từng loại module.
f) AI/AO (Analog input/Analog out):Module mở rộng các cổng vào/ra tơng tự. Số các cổng vào/ra tơng tự có thể là 4 đầu vào/ 2 ra, hoặc 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.
3) IM (Interface module): Module ghép nối. Đay là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đợc quản lý chung bởi một module CPU. Thông thờng các module mở rộng đợc gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá đợc nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi PS). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp đợc với nhiều nhất 4 racks và các rack này phải đợc nối với nhau bằng module IM.
4) FM (Function module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ nh module điều khiển động cơ bớc, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vịng kín…
5) CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với máy tính.
2.3 Cấu trúc bộ nhớ của CPU.
Bộ nhớ của S7-300 đợc chia làm 3 miền chính:
1) Vùng chứa chơng trình ứng dụng. Vùng nhớ chơng trình đợc chia thành 3 miền:
• OB (Organisation block): Miền chứa chơng trình tổ chức. • FC (Function): Miền chứa chơng trình con đợc tổ chức
thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chơng trình đã gọi nó.
• FB (Function block): Miền chứa chơng trình con, đợc tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chơng trình nào khác. Các dữ liệu này phải đợc xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB-Data block).
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
2) Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chơng trình ứng dụng, đợc phân chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:
• I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trớc khi bắt đầu thực hiện chơng trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thơng thờng chơng trình ứng dụng khơng đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
• Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chơng trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thơng thờng chơng trình khơng trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q.
• M: Miền các biến cờ. Chơng trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lu 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 nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lu giữ giá trị thời gian đặt trớc(PV-Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời(CV-Current value) cũng nh giá trị logic đầu ra của thời gian.
• C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lu giữ giá trị đặt trớc(PV-Preset value), giá trị đếm tức thời(CV-Current value) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm. • PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tơng tự (I/O
External input). Các giá trị tơng tự tại cổng vào của module tơng tự sẽ đợc module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chơng trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID).
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module twong tự (I/O External output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ đợc module tơng tự chuyển tới các cổng ra tơng tự. Chơng trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc từng từ kép (DBD).
3) Vùng chứa các khối dữ liệu, đợc chia thành 2 loại:
• DB(Data block): Miền chứa các dữ liệu đợc tổ chức thành khối. Kích thớc cũng nh số lợng khối do ngời sử dụng quy định, phù hợp với từng bài tốn điều khiển. Chơng trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DXB), byte (DBB), từ (DBW) hoặc theo từng từ kép (DBD).
• L (Local data block): Miền dữ liệu địa phơng,đợc các khối chơng trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chơng trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xố khi kết thúc chơng trình tơng ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể đợc truy nhập từ chơng trình theo bit (L), byte(LB), từ (LW) hoặc từ kép(LD).
2.4 Vịng qt chơng trình.
PLC thực hiện chơng trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vịng lặp đợc gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét đợc bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chơng trình. Trong từng vịng qt, chơng trình đợc thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block end). Sau giai đoạn thực hiện chơng trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vịng qt đợc kết thúc bằng giai đoạn truyền thơng nội bộ và kiểm lỗi.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện đợc một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vịng qt khơng cố định, tức là khơng phải vòng quét nào cũng đợc thực hiện trong một khoảng thời gian nh nhau. Có vịng qt đợc thực hiện lau, có vịng qt đợc thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chơng trình đợc thực hiện, vào khối dữ liệu đợc truyền thơng… trong vịng qt đó.
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
Nh vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tợng để xử lý, tính tốn và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tợng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vịng qt quyết định tính thời gian thực của chơng trình điều khiển trong PLC. Thời gian vịng qt càng ngắn, tính thời gian thực của chơng trình càng cao.
2.4 Kỹ thuật lập trình.
Chơng trình cho S7-300 đợc lu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng cho chơng trình và có thể đợc lập với hai dạng cấu trúc khác nhau:
• Lập trình tuyến tính (linear programming): Tồn bộ chơng trình điều khiển
nằm trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài tốn tự động nhỏ, khơng phức tạp. Khối đợc chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thờng xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên. Khối nàyđợc hệ điều hành gọi theo chu kỳ lặp với khoảng thời gian không cách đều nhau mà phụ thuộc vào độ dài của chơng trình. Các loại khối chơng trình khác khơng tham gia trực tiếp vào vòng quét. Các khối OB khác khơng tham gia vào vịng quét mà đợc gọi bằng những tín hiệu báo ngắt. S7-300 có nhiều loại tín hiệu báo ngắt nh tín hiệu báo ngắt khi có sự cố nguồn ni, tín hiệu báo ngắt khi có sự cố chập mạch ở các module mở rộng, tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian… và mỗi loại tín hiệu báo ngắt nh vậy cũng chỉ có khả năng gọi một loại khối OB nhất định. Mỗi khi xuất hiện một tín hiệu báo ngắt hệ thống sẽ tạm dừng công việc đang thực hiện lại, chẳng hạn nh tạm dừng việc thực hiện ch- ơng trình xử lý ngắt trong các khối OB tơng ứng.
• Lập trình có cấu trúc (structure programming): là kỹ thuật cài đặt thuật toán
điều khiển bằng cách chia nhỏ thành các khối chơng trình con FC hay FB với mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ cụ thể của bài tốn điều khiển chung và tồn bộ các khối chơng trình này lại đợc quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1. Trong OB1 có các lệnh gọi những khối chơng trình con theo thứ tự phù hợp với bài tốn điều khiển đặt ra.
Hồn tồn tơng tự, một nhiệm vụ điều khiển con có thể cịn đợc chia nhỏ thành nhiều nhiệm vụ nhỏ và cụ thể hơn nữa, do đó một khối chơng trình con cũng có thể đợc gọi từ một khối chơng trình con khác. Duy có một điều cấm kỵ ta Svth: Dỗn Hồng Mai 51 Lớp: Trang bị điện-điện tử K44
Tim boi : nguyenvanbientbd47@gmail.com
cần phải tránh là khơng bao giờ một khối chơng trình con lại gọi đến chính nó. Ngồi ra, do có sự hạn chế về ngăn xếp của các module CPU nên khơng đợc tổ chức chơng trình con gọi lồng nhau quá số lần mà module CPU đợc sử dụng cho phép.
PLC S7-300 có bốn loại khối cơ bản:
* Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chơng trình điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng đợc phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB, ví dụ nh OB1, OB35, OB40…
* Loại khối FC(Program block): Khối chơng trình với những chức năng riêng giống nh một chơng trình con hoặc một hàm (chơng trình con có biến hình thức). Một chơng trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này đợc phân biệt với nhau bằng những số nguyên sau nhóm ký tự FC. Chẳng hạn nh FC1, FC2 …
* Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lợng dữ liệu lớn với các khối chơng trình khác. Các dữ liệu này phải đợc tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Một chơng trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này đợc phân biệt với nhau bằng một số