2. Cấu trúc của một PLC
2.5 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC
Hỡnh vẽ minh họa việc xử lý chương trỡnh trong CPU ủược cho như hỡnh 2.8
Chõu Chớ ³´c 2 Bộ ủiều khiển lập trỡnh PLC
Hình 2.8: Chu kỳ quét trong PLC
PLC thực hiện chương trỡnh cheo chu trỡnh lặp. Mỗi vũng lặp ủược gọi là vũng quột (scan). Mỗi vũng quột ủược bắt ủầu bằng giai ủoạn chuyển dữ liệu từ cỏc cổng vào số tới vựng bộ ủệm ảo ngừ vào (I), tiếp theo là giai ủoạn thực hiện chương trỡnh. Trong từng dũng quột, chương trỡnh ủược thực hiện từ lệnh ủầu tiờn ủến lệnh kết thỳc. Sau giai ủoạn thực hiện chương trỡnh là giai ủoạn chuyển cỏc nội dung của bộ ủệm ảo ngừ ra (Q) tới cỏc cổng ra số. Vũng quột ủược kết thỳc bằng giai ủoạn truyền thụng nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian cần thiết ủể PLC thực hiện ủược một vũng quột gọi là thời gian vũng quột (Scan time). Thời gian vũng quột khụng cố ủịnh, tức là khụng phải vũng quột nào cũng ủược thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Cú vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trỡnh ủược thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thụng ...
trong vũng quột ủú.
Như vậy giữa việc ủọc dữ liệu từ ủối tượng ủể xử lý, tớnh toỏn và việc gửi tớn hiệu ủiều khiển tới ủối tượng cú một khoảng thời gian trễ ủỳng bằng thời gian vũng quột. Núi cỏch khỏc, thời gian vũng quột quyết ủịnh tớnh thời gian thực của chương trỡnh ủiều khiển trong PLC. Thời gian quột càng ngắn, tớnh thời gian thực của chương trình càng cao.
Tại thời ủiểm thực hiện lệnh vào/ra, thụng thường lệnh khụng làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thụng qua bộ ủệm ảo của cổng trong vựng
Ngõ vào
PIQ = Process-image output table (vựng ủệm ra) PII = Process-image input table (vựng ủệm vào) Chương trình:
- Bit memory - Timer - Counter - . . . .
Network 1 Motor on/off
Network 2 Dao chieu quay Ià ảà Qàảà
Ià.1 Qà.1
Ngõ ra
Kết thúc chu kỳ Bắt ủầu chu kỳ
2 Bộ ủiều khiển lập trỡnh PLC Chõu Chớ Đức
18
nhớ tham số. Việc truyền thụng giữa bộ ủệm ảo với ngoại vi do hệ ủiều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi cụng việc khỏc, ngay cả chương trỡnh xử lý ngắt, ủể thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra.
Chõu Chớ ãác 3 Cạm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic
C m biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic.
Chương này nhằm giỳp cho bạn ủọc tỡm hiểu sơ lược về một số cỏc thiết bị ngoại vi sẽ ủược kết nối với cỏc ngừ vào ra số của PLC và một số ký hiệu về các thiết bị ngoại vi.
.1 Cảm biến 1 Giới thiệu
Cảm biến (sensor) cho phép PLC phát hiện trạng thái của một quá trình.
Cỏc cảm biến logic chỉ cú thể phỏt hiện trạng thỏi ủỳng hoặc sai. Cỏc hiện tượng vật lý tiờu biểu cần ủược phỏt hiện là:
- Tiếp cận cảm: cho biết một ủối tượng là kim loại cú ủến gần vị trớ cần nhận biết chưa?
- Tiếp cận dung: cho biết một ủối tượng là khụng kim loại cú ủến gần vị trí cần nhận biết chưa?
- Sự xuất hiện ỏnh sỏng: Cho biết một ủối tượng cú làm ngắt chựm tia sáng hay ánh sáng phản xạ?
- Tiếp xúc cơ học: Đối tượng có chạm vào công tắc?
Giá thành của cảm biến ngày càng giảm thấp và trở nên thông dụng.
Chỳng cú nhiều hỡnh dỏng khỏc nhau ủược sản xuất bởi nhiều cụng ty khỏc nhau như Siemens, Omron, Pepperl+Fuch,… Trong các ứng dụng, các cảm biến ủược kết nối với PLC của nhiều hóng khỏc nhau, nhưng mỗi cảm biến sẽ có các yêu cầu giao tiếp riêng. Phần này sẽ trình bày cách thức nối dây cho các cảm biến và một số tính chất cơ bản của nó.
º ằ ẳằ ẵ Nối dõy cho cảm biến
Khi một cảm biến phỏt hiện một sự thay ủổi trạng thỏi logic thỡ nú phải truyền trạng thỏi thay ủổi này ủến PLC. Tiờu biểu là việc ủúng hoặc ngắt dũng ủiện hay ủiện ỏp. Trong một vài trường hợp, ngừ ra của cảm biến sử dụng ủể ủúng mạch trực tiếp cho tải mà khụng thụng qua PLC. Cỏc ngừ ra tiờu biểu của cảm biến là:
- Sinking/Sourcing: Đúng hoặc ngắt dũng ủiện - Switches: Đúng hoặc ngắt ủiện ỏp
3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic Chõu Chớ Đức
20
- Solid State Relays: Chuyển mạch AC
- TTL (Transistor Transistor Logic): Sử dụng ủiện ỏp 0V và 5V ủể chỉ thị mức logic.
ắ ¿ À¿ Á¿ ÀSwitch
Một vớ dụ ủơn giản nhất của cỏc ngừ ra cảm biến switch và relay ủược cho như hình 3.1.
Hình 3.1: Cảm biến có ngõ ra là relay sử dụng nguồn DC và AC .
ắ ự ầự Áự ÁÂấẩẫậđđẻ
Ngừ ra TTL cú hai mức ủiện ỏp: 0V tương ứng là mức thấp, 5V tương ứng mức cao. Điện áp thực tế có thể lớn hơn 0V hoặc nhỏ hơn 5V một chút vẫn cú thể phỏt hiện ủỳng. Phương phỏp này rất dễ bị nhiễu trong mụi trường nhà mỏy cho nờn nú chỉ ủược sử dụng khi cần thiết. Cỏc ngừ ra TTL thường dựng trong cỏc thiết bị ủiện tử và mỏy tớnh. Khi kết nối với cỏc thiết bị khỏc thỡ một mạch Schmitt trigger thường ủược sử dụng ủể cải thiện tớn hiệu (hỡnh 3.2).
Hình 3.2: Mạch Schmitt trigger
Mạch Schmitt trigger sẽ nhận ủiện ỏp ngừ vào giữa 0-5V và chuyển ủổi nú thành 0V hoặc 5V. Nếu ủiện ỏp nằm trong khoảng 1.5-3.5V thỡ khụng chấp nhận. Nếu một cảm biến có ngõ ra TTL thì PLC phải sử dụng các ngõ vào là TTL ủể ủọc cỏc giỏ trị này. Nếu cỏc cảm biến TTL ủược sử dụng cho cỏc ứng dụng khỏc thỡ nờn chỳ ý dũng ngừ ra cực ủại của cảm biến (thường khoảng 20mA).
ắ ¿ À¿ Á¿ ắÂÃÄÅặẫấ ậèấng/Sourcing
Cỏc cảm biến cú ngừ ra Sinking (rỳt dũng) cho phộp dũng ủiện chạy vào cảm biến. Còn các cảm biến có ngõ ra sourcing (nguồn dòng) cho phép dòng ủiện chảy từ cảm biến ra ủối tượng ủược kết nối. Ở hai ngừ ra này cần chỳ ý là dũng ủiện chứ khụng phải ủiện ỏp. Bằng cỏch sử dụng dũng ủiện thỡ nhiễu ủược loại trừ bớt.
Chõu Chớ Íẻc 3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic Khi giải thớch về vấn ủề sinking hay sourcing thỡ ta nờn quy cỏc ngừ ra của cảm biến tỏc ủộng như cụng tắc. Trong thực tế, cỏc ngừ ra của cảm biến thường là một transistor chuyển mạch. Transistor PNP ủược sử dụng cho ngừ ra sourcing, và transistor NPN ủược sử dụng cho ngừ vào sinking. Khi giải thớch cỏc cảm biến này thỡ khỏi niệm “nguồn dũng” thường ủược dựng cho PNP, và “rỳt dũng” với NPN. Vớ dụ cảm biến ngừ ra sinking ủược cho ở hỡnh 3.3.
Hình 3.3: Cảm biến NPN (cảm biến “rút dòng”).
Hình 3.4: Cảm biến PNP (cảm biến “sourcing”)
Để cảm biến hoạt ủộng cần phải cú nguồn cung cấp (chõn L+ và L-). Khi cảm biến phỏt hiện ủối tượng thỡ cú ủiện ỏp tại cực B của transistor NPN, transistor chuyển sang trạng thái dẫn và cho phép dòng chảy vào cảm biến xuống mass (chân L-).
Khi khụng phỏt hiện ủối tượng thỡ ủiện ỏp tại cực B của transistor ở mức thấp (0V), transistor không dẫn. Điều này có nghĩa ngõ ra NPN sẽ không có dòng vào/ra.
Các cảm biến “sourcing” thì ngược với các cảm biến “sinking”. Nó sử dụng transistor PNP (hỡnh 3.4). Khi cảm biến khụng ủược kớch hoạt thỡ cực B của transistor ở giá trị L+, và transistor ở trạng thái ngưng dẫn. Khi cảm biến ủược kớch hoạt thỡ cực B transistor sẽ ủược ủặt ở 0V, và transistor cho phộp dũng ủiện chảy từ cảm biến ra ngoài thiết bị ủược kết nối.
Hầu hết cỏc cảm biến NPN/PNP cú khả năng dũng ủến vài ampere, và chỳng cú thể ủược sử dụng ủể nối trực tiếp với tải (luụn luụn kiểm tra sổ tay ủể biết chớnh xỏc dũng ủiện và ủiện ỏp ủịnh mức).
Chỳ ý: Cần phải nhớ kiểm tra dũng ủiện và ủiện ỏp ủịnh mức ủối với cỏc cảm biến. Khi nối dõy cỏc cảm biến cần chỳ ý ủến cỏc chõn nguồn. Thường cỏc
3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic Chõu Chớ Đức
22
chõn nguồn cú ký hiệu là L+ và COM(chõn chung), nhưng ủụi khi khụng cú chân COM mà có chân L-. Trong trường hợp này L- là chân chung.
Khi kết nối các cảm biến “sourcing” với các ngõ PLC, thì cần chú ý phải sử dụng các modul ngõ vào loại “sinking”. Thông thường các ngõ vào PLC thường là loại “sinking”.
Trong ứng dụng với PLC, ủể giảm lượng dõy nối, thỡ cỏc cảm biến hai dõy thường ủược sử dụng. Vớ dụ về sơ ủồ nối dõy cỏc cảm biến sử dụng nguồn 24VDC với PLC ủược chỉ như hỡnh 3.5. Cảm biến hai dõy cú thể ủược sử dụng cho cả hai loại ngõ vào sourcing hoặc ngõ vào sinking của PLC.
a. Ngõ vào PLC loại sourcing b. Ngõ vào PLC loại sinking Hình 3.5: Kết nối cảm biến 2 dây với ngõ vào PLC.
Hầu hết cỏc cảm biến hiện ủại cú cả hai ngừ ra PNP và NPN. Thụng thường cảm biến loại PNP thường ủược sử dụng cho cỏc ngừ vào PLC.
Trong các bản vẽ thì các chân của các cảm biến NPN và PNP có ký hiệu về màu sắc như sau: dây màu nâu là L+, dây màu xanh dương là L- và ngõ ra thỡ màu trắng ủối với sinking và màu ủen ủối với sourcing.
Cần lưu ý là khi tiếp ủiểm trong cảm biến “sinking” ủúng thỡ ngừ ra ủược nối với COM hoặc L-, tiếp ủiểm trong sourcing ủúng thỡ ngừ ra nối với L+.
a. Ngõ vào PLC loại sourcing b. Ngõ vào PLC loại sinking Hình 3.6: Kết nối cảm biến NPN và PNP dây với ngõ vào PLC.
Chõu Chớ ẽéc 3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic
ẹề ểề ễề ếệìỉÙÚÛĩí ị ò state relay
Cỏc ngừ ra Solid state relays ủúng mạch dũng ủiện AC. Cỏc cảm biến này ủược sử dụng với tải lớn.
ẹề ểề ẹàõót hiện ủối tượng
Cú hai cỏch cơ bản ủể phỏt hiện ủối tượng: tiếp xỳc và tiếp cận (proximity).
Tiếp xỳc cú nghĩa là tiếp ủiểm cơ khớ cần một lực tỏc ủộng giữa cảm biến và ủối tượng.
Tiếp cận ủể chỉ bỏo rằng một ủối tượng ủang ở gần nhưng khụng yờu cầu tiếp xúc.
Cỏc phần sau ủõy sẽ minh họa cỏc kiểu khỏc nhau của cỏc cảm biến ủể phỏt hiện sự hiện diện của cỏc ủối tượng. Phần này khụng ủi sõu vào cỏc cảm biến mà chỉ mô tả các nguyên lý trong lĩnh vực ứng dụng.
ẹề ểề ẹề ểọõuyển mạch tiếp xỳc
Chuyển mạch tiếp xúc (contact switch ) thường có hai dạng là thường hở (normally open) và thường ủúng (normally closed). Vỏ của chỳng ủược gia cố ủể cú thể chịu ủược lực cơ tỏc ủộng nhiều lần.
ẹề ểề ẹề ễồổổòSwitches
Reed switches thì rất giống relay, ngoại trừ một nam châm vĩnh cửu ủược sử dụng thay thế cuộn dõy. Khi nam chõm ở xa thỡ tiếp ủiểm mở, nhưng khi nam chõm ủến gần thỡ tiếp ủiểm ủúng lại (hỡnh 3.7). Cỏc cảm biến này rẻ tiền và chỳng thường ủược sử dụng cho cỏc màn chắn và cửa an toàn.
Hình 3.7: Read switch
ẹề ểề ẹề ẹọảm biến quang (Optical Sensor)
Cảm biến ỏnh sỏng ủược sử dụng gần một thế kỷ qua. Nguyờn thủy là tế bào quang ủược sử dụng cho cỏc ứng dụng như ủọc cỏc track õm thanh trờn cỏc hỡnh ảnh chuyển ủộng. Nhưng cỏc cảm biến quang hiện ủại thỡ phức tạp hơn nhiều.
Các cảm biến quang yêu cầu có cả hai bộ phận là nguồn sáng (phát) và ủầu thu (detector). Cỏc ủầu phỏt (emitter) sẽ phỏt ra cỏc tia sỏng trong vựng phổ nhỡn thấy và khụng nhỡn thấy ủược sử dụng LED và diode laser. Đầu thu có cấu tạo là các diode quang (photodidode) hoặc transistor quang (phototransistor). Đầu phỏt và ủầu thu ủược ủặt vào vị trớ ủể ủối tượng khi
3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic Chõu Chớ Đức
24
xuất hiện sẽ cắt ngang hoặc phản xạ lại tia sỏng. Cảm biến quang ủơn giản cho ở hình 3.8.
Trong hỡnh, chựm sỏng ủược tạo ra nằm ở bờn trỏi, ủược hội tụ qua một thấu kớnh. Đối diện là ủầu thu, chựm tia ủược hội tụ bằng một thấu kớnh thứ hai. Nếu chựm tia bị ngắt, thỡ ủầu thu sẽ chỉ bỏo một ủối tượng xuất hiện. Ánh sỏng ủược tạo ra dưới dạng xung ủể cảm biến cú thể lọc ủược ỏnh sỏng bỡnh thường trong phũng. Ánh sỏng từ ủầu phỏt ủược tắt và mở tại một tần số ủặt.
Khi ủầu thu nhận ỏnh sỏng, nú kiểm tra ủể ủảm bảo chắc chắn rằng nú cú cựng tần số. Nếu ỏnh sỏng ủang nhận ủược tại tần số ủỳng thỡ chựm tia khụng bị ngắt. Tần số dao ủộng nằm trong phạm vi KHz. Ngoài ra với phương phỏp tần số thỡ cỏc cảm biến cú thể ủược sử dụng với cụng suất thấp hơn và khoảng cỏch dài hơn. Đầu phỏt cú thể bắt ủầu từ một ủiểm trực tiếp tại ủầu thu, ủõy cũn gọi là chế ủộ tự phản xạ. Khi tia sỏng bị ngắt, thỡ ủối tượng ủược phỏt hiện. Cảm biến này cần hai bộ phận riờng (hỡnh 3.9a). Sự xếp ủặt này làm việc tốt với cỏc ủối tượng chắn sỏng và phản xạ với ủầu phỏt và ủầu thu ủược tỏch riờng với khoảng cỏch lờn ủến cả trăm một.
Gương phản xạ Ánh sỏng ủược truyền
Đối tượng nhận biết
Ánh sáng phản xạ
b. Đối tượng nhận biết ngắt ánh sáng
Phần tử phát Phần tử thu
Sensor
Chõu Chớ ỗốc 3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic
Hình 13.9: Các loại cảm biến quang khác nhau
Đầu thu và ủầu phỏt tỏch riờng làm tăng vấn ủề về bảo trỡ và yờu cầu về sự thẳng hàng. Một giải phỏp khỏc là ủầu phỏt và ủầu thu ủược ủặt chung trờn một vỏ. Nhưng ủiều này yờu cầu ỏnh sỏng tự phản xạ trở về (hỡnh 3.9b,c). Cỏc cảm biến này chỉ tốt cho cỏc ủối tượng lớn với khoảng cỏch một vài met.
Trong hỡnh, ủầu phỏt phỏt một chựm tia sỏng. Nếu ỏnh sỏng bị dội trở về từ gương phản xạ thỡ hầu hết sẽ trở về ủầu thu. Khi một ủối tượng ngắt chựm tia giữa ủầu phỏt và gương phản xạ thỡ chựm tia sẽ khụng tự phản xạ trở về ủầu thu và cảm biến ủược tỏc ủộng. Một vấn ủề rủi ro cho cỏc cảm biến này là cỏc ủối tượng tự phản xạ lại chựm tia sỏng tốt. Để giải quyết thỡ sử dụng biện phỏp phõn cực ỏnh sỏng tại ủầu phỏt (bằng bộ lọc), và sau ủú sau ủú sử dụng một bộ lọc phõn cực tại ủầu thu.
ộ ờ ởờ ộờ ỡợảm biến ủiện dung (Capacitive Sensor)
Cỏc cảm biến ủiện dung cú thể phỏt hiện hầu hết cỏc vật liệu với khoảng cách vài cm.
Cụng thức biểu diễn mối quan hệ ủiện dung:
d
C = ε . A với C: Điện dung (Farads)
ε: Hằng số ủiện mụi A: Diện tích bản cực
D: Khoảng cách giữa các bản cực.
Trong cảm biến, diện tích các bản cực và khoảng cách giữa chúng là cố ủịnh. Nhưng hằng số ủiện mụi của khụng gian xung quanh chỳng sẽ thay ủổi khi cỏc vật liệu ủược mang ủến gần cảm biến. Minh họa ở hỡnh 3.10.
Bề mặt của cảm biến ủiện dung ủược hỡnh thành bởi hai ủiện cực kim loại ủồng tõm của một tụ ủiện. Khi một ủối tượng ủến gần bề mặt nhận biết nú ủi vào vựng ủiện trường của cỏc ủiện cực và thay ủổi ủiện dung trong mạch dao ủộng. Kết quả là bộ tạo dao ủộng bắt ủầu dao ủộng. Mạch trigger ủọc biờn ủộ của bộ dao ủộng và khi ủạt ủến mức xỏc ủịnh thỡ trạng thỏi ngừ ra sẽ thay ủổi. Khi ủối tượng rời khỏi cảm biến thỡ biờn ủộ của bộ dao ủộng giảm, cảm biến chuyển về trạng thái bình thường.
3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong ủiều khiển logic Chõu Chớ Đức
26
Hỡnh 3.10: Cảm biến ủiện dung
Cỏc cảm biến này làm việc tốt ủối với chất cỏch ủiện (như chất dẻo) cú hằng số ủiện mụi cao (làm tăng ủiện dung). Hằng số ủiện mụi càng lớn thỡ khoảng cỏch hoạt ủộng càng cao. Vớ dụ khi hiệu chỉnh ủỳng thỡ chất lỏng trong thựng chứa cú thể ủược phỏt hiện ủược dễ dàng. Tuy nhiờn, chỳng cũng làm việc tốt ủối với kim loại.
Cỏc cảm biến thường ủược chế tạo với cỏc vũng (khụng phải bản cực) theo hỡnh 3.11. Trong hỡnh, hai vũng kim loại nằm bờn trong là cỏc ủiện cực của tụ ủiện, nhưng vũng ngoài thứ ba ủược thờm vào ủể bự sự thay ủổi.
Nếu không có vòng bù này thì cảm biến sẽ rất nhạy cảm với bụi bặm, dầu và các chất khác dính trên cảm biến.
Hỡnh 3.11: Bề mặt nhận biết của cảm biến ủiện dung
Phạm vi và ủộ chớnh xỏc của cỏc cảm biến ủược xỏc ủịnh bởi kớch thước của chỳng. Cỏc cảm biến lớn cú thể cú ủường kớnh vài centimeter. Cỏi nhỏ cú ủường kớnh nhỏ hơn một centimeter và cú phạm vi nhỏ hơn nhưng chính xác hơn.
ùð ủð ùð ũúảm biến ủiện cảm (Inductive Sensor)
Cỏc cảm biến ủiện cảm sử dụng dũng ủiện cảm ứng ủể phỏt hiện ủối tượng là kim loại. Cảm biến ủiện cảm sử dụng một cuộn dõy ủể tạo một từ trường tần số cao ủược cho ở hỡnh 3.12. Nếu cú một ủối tượng là kim loại ủến gần làm thay ủổi từ trường, thỡ sẽ cú dũng chảy vào ủối tượng. Dũng chảy này tạo ra một từ trường mới ngược với từ trường ban ủầu. Kết quả là nú làm thay
Điện cực Điện cực bù
Khụng cú Cú ủối tượng Khụng cú
ủối tượng ủối tượng