1-Cấu trúc:
Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm cĩ hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)
I N P U T S CENTRAL PROCESSING UNIT O U T P U T S M M
Hình : sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình
- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp.
Hình : Sơ đồ khối tổng quát của CPU 2-Hoạt động của một PLC:
Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (cịn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …). Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển.
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thơng qua ngõ vào, sau đĩ thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành. Chương trình ở dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngơn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình. Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (update) tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thơng qua Module xuất. Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scanning).
Trên đây chỉ là mơ tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC. Nhằm cụ thể hĩa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vịng quét (scan) như sau: Processor Memory Power Supply Đọc ngõ vào Gửi đến ngõ ra Tự chẩn đoán Xử lý các yêu cầu giao tiếp Thực hiện chương trình
Hình :một vịng quét của PLC
Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này khơng được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra. Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hồn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra.
Thường việc thực thi một vịng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vịng quét đơn (single scan) cĩ thời gian thực hiện một vịng quét từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn cịn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…). Vi xử lý chỉ cĩ đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét. Nếu thời gian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như khơng cĩ tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên cĩ thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất. Để khắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế cịn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn cĩ số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thơng tin lớn.
III-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác _ Lợi ích của việc sử dụng PLC:
1-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác: a-PLC với hệ thống điều khiển bằng Relay:
Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng Relay trong các quá trình sản xuất. Khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn các hệ thống, hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng Relay do các nguyên nhân sau:
- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động. - Cĩ độ tin cậy cao.
- Khoảng khơng lắp đặt thiết bị nhỏ, khơng chiếm diện tích. - Cĩ khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao.
- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi, dễ dàng.
- Dễ dàng thay đổi cấu hình (hệ thống máy mĩc sản xuất) trong tương lai khi cĩ nhu cầu mở rộng sản xuất.
Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập
trình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (Relay, Contactor,…). Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do khơng phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới.
b-PLC với máy tính:
Cấu trúc giữa máy tính với PLC đều dựa trên bộ vi xử lý (CPU) để xử lý dữ liệu. Tuy nhiên cĩ một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự khác biệt giữa một PLC và một máy tính :
-Khơng như máy tính, PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong mơi trường cơng nghiệp. Một PLC cĩ thể được lắp đặt ở những nơi cĩ độ nhiễu diện cao (Electrical Noise), vùng cĩ từ truờng mạnh, cĩ các chấn động cơ khí, nhiệt độ mơi trường cao …
-Điều quan trọng thứ hai đĩ là: một PLC được thiết kế với phần cứng và phần mềm sao cho dễ lắp đặt (đối với phần cứng) đồng thời về mặt chương trình cũng phải dễ dàng để người sử dụng (kỹ sư, kỹ thuật viên) thao tác lập trình một cách nhanh chĩng, thuận lợi (ví dụ: lập trình bằng ngơn ngữ hình thang… ).
c-PLC với máy tính cá nhân PC (Personal Computer):
Đối với một PC, người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC với PLC, sự khác biệt cĩ thể biết được như sau:
- Máy tính khơng cĩ các cổng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động khơng tốt trong mơi trường cơng nghiệp.
- Ngơn ngữ lập trình trên máy tính khơng phải là dạng hình thang, máy tính ngồi việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, cịn phải thơng qua việc sử dụng các phần mềm khác, làm "chậm" đi quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển.
Tuy nhiên qua máy tính, PLC cĩ thể dễ dàng kết nối với các hệ thống khác, cũng như PLC cĩ thể sử dụng bộ nhớ (cĩ dung lượng rất lớn) của máy tính làm bộ nhớ của PLC.
2-Lợi ích của việc sử dụng PLC:
Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động cơng nghiệp. Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống diều khiển chỉ cần lắp dặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra …), mà khơng phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay), khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn.
Khơng như các hệ thống cũ, PLC cĩ thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng khơng gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn,
phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác.
Cuối cùng là người sử dụng cĩ thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau cĩ khả năng nhận biết các hỏng hĩc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm cho việc sửa chữa thuận lợi hơn.
IV.Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC :
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành cơng trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong cơng nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ cĩ chức năng đĩng/mở (ON/OFF) thơng thường đến các úng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,
địi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật tốn trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :
-Hĩa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hĩa …
-Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hĩa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lị kim loại,… -Bột giấy, giấy, xử lý giấy : điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt, …
-Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đĩng gĩi, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hồn tất sản phẩm, đo cắt giấy, …
-Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm sốt quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây, …), cân đong, đĩng gĩi, hịa trộn, …
-Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.
-Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin, …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ, …).
V. Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7_200, CPU 214 : - Gồm ba ngõ vào analog và một ngõ ra analog.
- Trở kháng vào >= 10MΩ.
- Điện áp cực đại ngõ vào : 30VDC. - Dịng điện cực đại ngõ vào : 32mA.
- Cĩ các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit).
- Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250µs. - Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V.
- Phạm vi dịng điện ngõ ra : 0 -> 20mA. - Cơng suất tiêu tán : 2W.
- Cĩ LED báo trạng thái.
- Cĩ núm chỉnh OFFSET và chỉnh GAIN.
- Cĩ các contact để lựa chọn phạm vi áp ngõ vào (contact ở một trong hai vị trí ON và OFF): contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp đơn cực, OFF với áp lưỡng cực; contact 3, 5, 7, 9, 11 chọn phạm vi điện áp:
Contact định cấu hình EM235 Chọn ngõ vào Đơn cực/Lưỡng cực Chọn độ lợi Chọn độ suy giảm SW11 SW9 SW7 SW5 SW3 SW1 ON Đơn cực OFF Lưỡng cực OFF OFF X1 OFF ON X10 ON OFF X100 ON ON Cấm ON OFF OFF 0.8 OFF ON OFF 0.4 OFF OFF ON 0.2
Contact định cấu hình Aùp ngõ
vào
Độ phân giải
1 3 5 7 9 11
ON ON OFF ON OFF OFF 0 ->50mV 12.5µV
ON ON OFF OFF ON OFF 0 ->100mV 25µV
ON OFF ON ON OFF OFF 0 ->500mV 125µV
ON OFF ON OFF ON OFF 0 ->1V 250µV
ON OFF OFF ON OFF OFF 0 ->5V 1.25mV
ON OFF OFF ON OFF OFF 0 ->20mA 5µA
ON OFF OFF OFF ON OFF 0 ->10V 2.5mV
OFF ON OFF ON OFF OFF +/- 25mV 12.5µV
OFF ON OFF OFF ON OFF +/-50mV 25µV
OFF ON OFF OFF OFF ON +/- 100mV 50µV
OFF OFF ON ON OFF OFF +/- 250mV 125µV
OFF OFF ON OFF ON OFF +/- 500mV 250µV
OFF OFF ON OFF OFF ON +/- 1V 500µV
OFF OFF OFF ON OFF OFF +/- 2.5V 1.25mV
OFF OFF OFF OFF ON OFF +/- 5V 2.5mV
*Các contact định cấu hình và các chiết áp chỉnh trong Module EM235:
*Sơ đồ khối các ngõ vào của EM235:
*Tín hiệu tương tự được đưa vào các đầu vào A+, A-, B+, B-, C+, C-, sau đĩ qua các bộ lọc nhiễu, qua bộ đệm, bộ suy giảm, bộ khuếch đại rồi đưa đến khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 12 bit. 12 bit dữ liệu này được đặt bên trong từ ngõ vào analog của CPU như sau:
MSB LSB
15 14 3 2 1 0
AIWxx 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0
Đơn cực
MSB LSB
15 4 3 2 1 0
AIWxx Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0
Lưỡng cực
12 bit dữ liệu ra từ bộ chuyển đổi ADC được canh trái trong từ dữ liệu. Bit MSB là bit dấu: 0 dùng để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương, 1 dùng để diễn tả giá trị từ dữ liệu âm.
*Sơ đồ khối ngõ ra của EM235:
*12 bit dữ liệu được đặt bên trong từ ngõ ra analog của CPU như sau:
MSB LSB
15 14 4 3 2 1 0
AQWxx 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 0 0
Dữ liệu ngõ ra là dịng
MSB LSB
15 4 3 2 1 0
AQWxx Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0
Dữ liệu ngõ ra là áp
12 bit dữ liệu trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DAC được canh trái trong từ dữ liệu ngõ ra. Bit MSB là bit dấu: 0 để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương. 4 bit thấp cĩ giá trị 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệu này được đưa vào bộ chuyển đổi DAC. Các bit này khơng ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra.
CHƯƠNG III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC SỬ DỤNG TRONG MẠCH
I-SCR:
SCRlà một tinh thể bán dẫn gồm bốn lớp bán dẫn loại P và N xen kẽ nhau. Giữa các lớp này là các mặt ghép P-N được ký hiệu JA, JC, và JK.
Lớp P1 được gọi là lớp anode, nĩ cĩ chiều dày và nồng độ tạp chất (nồng độ hạt mang điện đa số) trung bình. Lớp N1 gọi là lớp khĩa. Nĩ cĩ chiều dày lớn và nồng độ tạp chất bé nhất. Điều này cho phép các mặt ghép JA và JK chịu được điện áp ngược lớn. Lớp P2 được gọi là lớp điều khiển. Nĩ cĩ chiều dày bé và nồng độ tạp chất trung bình. Cuối cùng lớp N2 được gọi là lớp catode. Nĩ rất mỏng (vài µm) và cĩ nồng độ tạp chất lớn nhất. Điều này cho phép catode khuếch tán vào lớp điều khiển P2 qua JK một số lượng lớn điện tử tự do.
Từ ba lớp P1, P2, và N2, người ta đưa ra các điện cực anode A, điều khiển G, và catode K của SCR được ký hiệu như hình b).
Mạch tương đương của SCR gồm hai transistor như sau:
*Đặc tuyến V-A của SCR:
G
K A
Đặc tuyến V-A của SCR cĩ thể chia ra làm 4 đoạn:
-Đoạn I ứng với trạng thái khĩa của SCR. Trong đoạn này cĩ dịng điện rị chảy qua SCR I = Io; Io gọi là dịng điện duy trì của SCR, là giá trị dịng điện cần thiết để SCR dẫn, dưới giá trị này SCR sẽ tắt. Việc tăng điện áp U ít ảnh hưởng đến giá trị dịng điện I. Khi tăng U đến giá trị Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng trưởng nhanh chĩng của dịng điện, SCR chuyển sang trạng thái mở.
-Đoạn II của đường đặc tính ứng với giai đoạn chuyển dịch thuận của mặt tiếp giáp JC. Trong đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ của dịng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp. Đoạn này cịn được gọi là đoạn điện trở âm.
-Đoạn III của đường đặc tính ứng với trạng thái mở của SCR.Trong đoạn này, cả ba mặt tiếp giáp JA, JC, JK đều đã chuyển dịch thuận, một giá trị điện áp nhỏ cĩ thể tạo ra một dịng điện lớn. Lúc này dịng điện thuận chỉ cịn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngồi. Điện áp rơi trên SCR rất nhỏ, SCR được giữ ở trạng