1. Đặt vấn đề:
2.3.Cơ sở lý thuyết PLC
2.3.1. Khỏi niệm phần cứng và phần mềm Phần cứng: Bao gồm + CPU (Bộ xử lý trung tõm): - Tốc độ tớnh toỏn, xử lý thụng tin. - Khả năng quản lý bộ nhớ.
- Khả năng quản lý cỏc Modulemở rộng. - Khả năng kết nối mạng.
+ Bộ nhớ (ROM, RAM, EEPROM):
- Lưu trữ trạng thỏi biến vào và ra.
- Lưu trữ kết quả chương trỡnh tớnh, kết quả trung gian. - Lưu trữ chương trỡnh điều khiển, hệ điều hành.
Nhiệm vụ: Thực hiện cỏc chức năng xử lý thụng tin cơ bản ở mức thấp nhất tức là cỏc tớn hiệu nhị phõn (0,1).
Phần mềm:
- Là cỏc chương trỡnh (program) điều khiển cỏc hoạt động phần cứng và chỉ đạo việc xử lý dữ liệu.Bao gồm:
+ Hệ điều hành (HĐH) và tập lệnh:
- HĐH nằm trong bộ nhớ ROM.
- Tập lệnh được xử lý trong bộ nhớ RAM và EEPROM dưới dạng mó lệnh.
+ Chương trỡnh soạn thảo, gỡ rối và cỏc tiện ớch:
- Nằm trong gúi phần mềm, cung cấp khả năng điều khiển và giao tiếp giữa người với mỏy, đi kốm với cỏc thiết bị phần cứng.
2.3.2. Khỏi niệm vũng quột và thời gian quột trong PLC Vũng quột (Scan cycle): Vũng quột (Scan cycle):
Chức năng của CPU là thực hiện lặp đi lặp lại một chuỗi cụng việc. Sự thực hiện cỏc cụng việc cú tớnh tuần hoàn này gọi là vũng quột.
Trong mỗi vũng quột, CPU thực hiện hầu hết hoặc toàn bộ cỏc cụng việc sau
(hỡnh 2.1):
Được biểu diễn như sau: (Xem hỡnh 2.4)
Hỡnh 2.4: Vũng quột của CPU. Thời gian vũng quột (scan timer).
Khỏi niệm:
Đặc điểm:
o Thời gian vũng quột (TGVQ) khụng cố định, tức là khụng phải vũng quột nào cũng thực hiện trong một thời gian như nhau.
o TGVQ phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU.
o Thời gian quột nhanh chậm tựy thuộc vào số lệnh chương trỡnh được thực hiện và khối lượng dữ liệu truyền thụng.
o TGVQ quyết định tớnh thời gian thực của chương trỡnh điều khiển trong PLC.
o TGVQ càng ngắn thỡ tớnh thời gian thực càng cao.
2.3.3. Cấu trỳc PLC.
Hỡnh 2.5:Sơ đồ cấu trỳc đơn giản của PLC
Khối xử lý trung tõm CPU (Central Processing Unit ).
- Là linh kiện chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, cỏc bộ thời gian, bộ đếm và cổng truyền thụng.
Nhiệm vụ: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bộ xử lý biờn dịch cỏc tớn hiệu vào và thực hiện cỏc hoạt động điều khiển theo chương trỡnh được lưu trong bộ nhớ của CPU.
- Truyền cỏc quyết định dưới dạng tớn hiệu hoạt động đến cỏc thiết bị ra.
Cấu tạo: Gồm cỏc mạch điều khiển, khối thuật toỏn và logic, cỏc thanh ghi chuyờn dụng và thanh ghi dữ liệu tạm thời.
Đầu tiờn cỏc thụng tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trỡnh được gọi lờn tuần tự và được kiểm soỏt bởi bộ đếm chương trỡnh.
Tiếp theo là bộ xử lý liờn kết với cỏc tớn hiệu.
Cuối cựng là đưa kết quả điều khiển tới đầu ra.
Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quột (scan timer) như trỡnh bày ở phần trờn.
Hỡnh 2.6: Sơ đồ nguyờn lý PLC
Bộ nhớ trong. (Internal Memory)
- Là nơi lưu giữ chương trỡnh sử dụng cho cỏc hoạt động điều khiển.
Đặc điểm:
- Là loại bộ nhớ bỏn dẫn.
- Tương thớch về kớch thước và mức logic với cỏc thành phần khỏc của hệ thống.
- Tốc độ truy nhập cao. - Năng lượng tiờu thụ thấp.
Cỏc loại bộ nhớ sử dụng trong PLC: - ROM hệ thống ( Read-Only Memory):
Chứa chương trỡnh hệ thống (hệ điều hành) và dữ liệu cố định được CPU sử dụng.
Dựng để bảo vệ dữ liệu hoặc chương trỡnh, trỏnh bị xúa. - RAM( Random Access Memory) :
Là bộ nhớ khụng ổn định,dễ mất khi mất điện.
Chứa chương trỡnh và dữ liệu của người sử dụng (ghi và đọc ). - EPROM (Erasable Programable Read-only Memory):
Là bộ nhớ cố định cú thể lập trỡnh và xúa được .
Nội dung của EPROM cú thể xúa bằng tia cực tớm và cú thể lập trỡnh lại. - EEPROM (Electrically Erasable Programable ROM) :
Để lưu cố định chương trỡnh của người sử dụng cũng như những dữ liệu cần thiết mà người dựng lựa chọn.
Cho phộp lập trỡnh và xúa được bằng điện. Bộ đếm (counter):
- Là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn xung của cỏc tớn hiệu đầu vào. - Là vựng nhớ mà hệ điều hành ghi nhớ cỏc giỏ trị đếm trong nú.
Kớ hiệu: Cx
Trong đú: x là số nguyờn trong khoảng 0 ữ 255
Tớn hiệu đếm tiến Tớn hiệu đếm lựi Tớn hiệu kớch đếm Tớn hiệu đặt (set) Giỏ trị đặt trước Tớn hiệu xúa
Hỡnh 2.7:Cỏc dạng tớn hiệu cú trong Counter
Bộ định thời (timer):
- Là bộ tạo thời gian trễ τ mong muốn giữa tớn hiệu logic đầu vào u(t) và tớn hiệu logic đầu ra y(t) (hỡnh 2.8) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CU C-Bit CD Enable S PV R C-Word Bỏo trạng thỏi C-Word
Hỡnh 2.8:Sơ đồ tớn hiệu logic của bộ định thời.
- Là vựng nhớ mà hệ điều hành ghi nhớ cỏc giỏ trị đếm trong nú.
- Thời gian trễ τ mong muốn được khai bỏo với Timer bằng 1 giỏ trị 16 bớt. Bộ đệm (Proccess Image).
Là một vựng nhớ mà hệ điều hành ghi nhớ cỏc trạng thỏi tớn hiệu. Bớt nhớ (Bit memory).
Cỏc bớt Memory là cỏc phần tử nhớ mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thỏi tớn hiệu. Khối ghộp nối vào.
Chức năng:_Nhận tớn hiệu vào từ cỏc thiết bị nhập (vớ dụ cỏc cảm biến, chuyển mạch...).
- Biến đổi cỏc tớn hiệu vào thành mức điện ỏp một chiều. -Thực hiện cỏch ly tĩnh điện bằng bộ ghộp nối quang. -Tạo tớn hiệu logic chuẩn đưa đến cỏc mạch trong PLC.
Mạch ghộp nối vào bao gồm cỏc khối :
-Bộ biến đổi: Nhận tớn hiệu từ cỏc cảm biến, chuyển mạch...Nếu tớn hiệu vào là điện ỏp xoay chiều thỡ bộ biến đổi chỉnh lưu thành điện ỏp một chiều cú giỏ trị nhỏ.
Đầu ra của bộ biến đổi khụng được đưa trực tiếp đến cỏc mạch trong PLC nhằm trỏnh cho nú khỏi ảnh hưởng của mạch ngoài.
-Mạch cỏch ly tĩnh điện: Bảo vệ cỏc mạch trong PLC nếu bộ biến đổi làm việc khụng chớnh xỏc, vỡ hầu hết cỏc mạch xử lý chỉ làm việc với điện ỏp 5V một chiều
-Mạch logic: Tớn hiệu được chuẩn húa về mức logic để đưa vào hệ thống (xem sơ đồ 2.9,2.10)
Đầu vào
Hỡnh 2.9: Sơ đồ mạch ghộp nối vào
Hinh 2.10: Sơ đồ nguyờn lý mạch ghộp nối vào
Khối ghộp nối ra.
Khối ghộp nối ra hoạt động tương tự khối ghộp nối vào (xem hỡnh 2.11): + Tớn hiệu một chiều chuẩn từ trong PLC qua cỏc mạch biến đổi đến cỏc đầu ra vật lý, cho phộp điều khiển trực tiếp cỏc tải một chiều và xoay chiều cụng suất nhỏ với cỏc mức điện ỏp khỏc nhau.
+ Bộ ghộp nối quang cũng được sử dụng để trỏnh cho cỏc mạch bờn trong PLC khỏi ảnh hưởng của cỏc thiết bị bờn ngoài.
Từ bộ đệm
Hỡnh 2.11: Sơ đồ mạch ghộp nối ra
Mạch ghộp nối ra bao gồm cỏc khối :
-Mạch logic, mạch cỏch li tĩnh điện : (Giống như khối ghộp nối vào).
-Mạch giao tiếp: Sử dụng rơle, tranzitor, triac cho phộp nối trực tiếp PLCvới tải cụng suất nhỏ.
Khi nối đầu ra với tải cụng suất lớn cần cú mạch cụng suất bờn ngoài. Bộ biến đổi Mạch cỏch li tĩnh điện Mạch logic Đến bộ đệm Mạch logic Mạch cỏch li tĩnh điện Mạch giao tiếp Đầu ra
+ Mạch giao tiếp kiểu rơle:
Hỡnh 2.12: Mạch giao tiếp kiểu role
+ Mạch giao tiếp kiểu trazitor:
Hỡnh 2.13: Mạch giao tiếp kiểu Tranzitor
Như vậy, mặc dự cỏc mạch bờn trong PLC làm việc với tớn hiệu chuẩn 5V một chiều, nhưng nhờ cú mạch ghộp nối ra nờn cú thể nối trực tiếp PLC với phụ tải một chiều hoặc xoay chiều cú cỏc mức điện ỏp khỏc nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ thống Bus.
Bộ nhớ chương trỡnh, hệ điều hành, cỏc Module ngoại vi (cỏc cổng ra/vào) được kết nối với PLC thụng qua Bus nối.
Bus hệ thống phục vụ cho việc truyền thụng tin giữa cỏc thành phần trong hệ thống.
Thụng tin được truyền trong hệ thống dưới dạng tớn hiệu nhị phõn.
Một Bus bao gồm cỏc dõy dẫn mà cỏc dữ liệu được trao đổi. Hệ điều hành tổ chức truyền dữ liệu trờn cỏc dõy dẫn này.
Bus hệ thống gồm cú cỏc bus sau:
- Bus dữ liệu.
- Bus điều khiển.
- Bus hệ thống.
Khối nguồn.
- Khối nguồn cú chức năng biến đổi nguồn điện ỏp lưới (110V hoặc 220V) thành cỏc mức điện ỏp phự hợp cung cấp cho cỏc thành phần của PLC.
- Điện ỏp này là 24V DC (hỡnh 2)
- Cỏc điện ỏp cho cảm biến, thiết bị điều chỉnh và cỏc đốn bỏo nằm trong khoảng (24..220V) thỡ cú thể được cung cấp thờm từ cỏc nguồn phụ (biến ỏp).
Hỡnh 2.14:Nguồn nuụi
Loại DC nguồn nuụi cú kớ hiệu là M, L+ Loại AC nguồn nuụi cú kớ hiệu là N, L1.
2.3.3.1 . Cấu trỳc bộ nhớ trong PLC S7 300.
Được chia làm 3 vựng chớnh:
+ Vựng chứa chương trỡnh ứng dụng (gồm 3 vựng chớnh).
+ Vựng chứa cỏc tham số của hệ điều hành và chương trỡnh ứng dụng. (gồm 7 miền)
+ Vựng chứa cỏc khối dữ liệu.
Vựng chứa chương trỡnh ứng dụng.
FC (Funktion): Miền chứa chương trỡnh con được tổ chức thành hàm cú biến hỡnh thức để trao đổi dữ liệu với chương trỡnh đó gọi nú.
FB (Fucktion Block): Miền chứa chương trỡnh con, được tổ chức thành hàm và cú khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trỡnh nào khỏc.Cỏc dữ liệu phải được xõy dựng thành một khối dữ liệu riờng(DB – Data Block).
Vựng chứa cỏc tham số của hệ điều hành và chương trỡnh ứng dụng.
I(Procees image input): Miền bộ đếm cỏc dữ liệu cổng vào số.
Q (Procees image output): Miền bộ đếm cỏc cổng ra số.
M: Miền cỏc biến cờ. Chương trỡnh ứng dụng sử dụng vựng nhớ này để lưu trữ cỏc tham số cần thiết và cú thể truy cập theo Bớt (M), Bite (MB), từ (MW) và từ kộp (MD).
T: Miền nhớ phụ bộ nhớ thời gian (TIME) bao gồm việc lưu trữ giỏ trị thời gian đặt trước (PV-Preset Value.
C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu trữ giỏ trị đặt trước PV, giỏ trị đếm tức thời CV và giỏ trị logic đầu ra của bộ đếm.
PI: Miền địa chỉ cổng vào của cỏc Moduletương tự. Cỏc giỏ trị tương tự tại cổng vào của Module sẽ được đọc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho Moduletương tự.Cỏc giỏ trị theo những địa chỉ này được Moduletương tự chuyển tới cỏc cổng ra tương tự.
Vựng chứa khối dữ liệu.
DB (Data Block): Miền chứa cỏc dữ liệu được tổ chức thành khối.
L (Local Data Block): Miền dữ liệu địa phương, được cỏc khối chương trỡnh OB, FB và FC tổ chức và sử dụng cho cỏc biến nhỏp tức thời và trao đổi dữ liệu của cỏc biến hỡnh thức của chương trỡnh với cỏc khối chương trỡnh đó gọi nú.
2.3.3.2. Phương thức hoạt động.
Hỡnh 2.15: Chu kỳ quột trong PLC
PLCthực hiện chương trỡnh theo chu trỡnh lặp (hỡnh 2.15):
a) Đọc cỏc đầu vào số
Mỗi vũng quột bắt đầu bằng việc đọc giỏ trị hiện thời của cỏc đầu vào số và lưu cỏc giỏ trị này ở bộ đệm vào.
CPU quản lý bộ đệm dành cho cỏc đầu vào số theo từng byte. Nếu CPU hoặc Modulemở rộng khụng cú đủ một đầu vào vật lý cho mỗi bit của byte nào đú, thỡ khụng thể gỏn lại cỏc bit này cho cỏc Moduletiếp theo cũng như khụng thể sử dụng chỳng trong chương trỡnh.
a
c,d b
b) Thực hiện chương trỡnh
Trong giai đoạn thực hiện chương trỡnh, cỏc lệnh được thực hiện lần lượt từ lệnh đầu tiờn đến lệnh cuối cựng.
Nếu chương trỡnh cú sử dụng ngắt, thỡ trỡnh xử lý ngắt chỉ được thực hiện khi sự kiện ngắt tương ứng xuất hiện (sự kiện ngắt cú thể xuất hiện tại bất kỳ thời điểm nào trong vũng quột).
c) Xử lý cỏc yờu cầu truyền thụng
Trong giai đoạn này, CPU sẽ xử lý bất kỳ yờu cầu nào nhận được từ cổng truyền thụng.
d) Thực hiện tự chẩn đoỏn
Trong giai đoạn này, CPU thực hiện kiểm tra phần lừi của nú (chương trỡnh hệ thống), cỏc Module vào/ra, bộ nhớ chương trỡnh người dựng (chỉ ở chế độ RUN). e) Ghi cỏc đầu ra số
Tại thời điểm kết thỳc mỗi vũng quột, CPU ghi dữ liệu lưu trong bộ đệm tới cỏc đầu ra vật lý.
CPU quản lý bộ đệm ra cũng theo từng byte như bộ đệm vào.
Khi chế độ hoạt động của CPU chuyển từ RUN sang STOP, thỡ cỏc đầu ra số nhận giỏ trị được chỉ ra trong Output Table (sử dụng phần mềm STEP 7- Micro/WIN 32).
2.3.4. Cảm biến.
Giới thiệu:
Cảm biến (sensor) cho phộp PLC phỏt hiện trạng thỏi của một quỏ trỡnh.Cỏc cảm biến logic chỉ cú thể phỏt hiện trạng thỏi đỳng hoặc sai.
Một số hiện tượng vật lý tiờu biểu cần được phỏt hiện:
+ Tiếp cận cảm: Cho biết một đối tượng là kim loại cú đến gần vị trớ cần nhận biết chưa ?
+ Tiếp cận dung: Cho biết một đối tượng khụng phải kim loại cú đến gần vịt trớ cần nhận biết chưa?
+ Sự xuất hiện ỏnh sỏng: Cho biết một đối tượng cú làm ngắt chựm tia sỏng hay ỏnh sỏng phản xạ ?
+ Tiếp xỳc cơ học: Đối tượng cú chạm vào cụng tắc hay khụng? (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đặc điểm, cấu tạo và nối dõy cho cảm biến:
Khi một cảm biến phỏt hiện một sự thay đổi trạng thỏi logic thỡ nú phải truyền trạng thỏi thay đổi này đến PLC. Tiờu biểu là việc đúng hoặc ngắt dũng điện hay điện ỏp.
Trong một vài trường hợp, ngừ ra của cảm biến sử dụng để đúng mạch trực tiếp cho tải mà khụng thỗng qua PLC.
Một số ngừ ra tiểu biểu :
+ Sinking/Sourcing: Đúng hoặc ngắt dũng điện. + Switches: Đúng hoặc ngắt điện ỏp.
+ Solid State Relay: Chuyển mạch AC. + TTL (Transistor Transistor Logic)
Cụ thể về ngừ ra của cảm biến Sinking/Sourcing: Đặc điểm:
- Cỏc cảm biến cú ngừ ra Sinking (rỳt dũng) cho phộp dũng điện chạy vào cảm biến.
- Cỏc cảm biến cú ngừ ra Sourcing (nguồn dũng) cho phộp dũng điện chạy từ cảm biến ra đối tượng được kết nối.
- Cả 2 ngừ ra này là dũng điện chứ khụng phải điện ỏp nờn sẽ nhiễu sẽ được loại trừ bớt.
- Trong thực tế cả 2 ngừ ra của cảm biến được thường là Transistor chuyển mạch.
- Ngừ vào Sinking dựng Transistor NPN. - Ngừ ra Sourcing dựng Transistor PNP.
Cấu tạo:
Hỡnh 2.16: Cảm biến rỳt dũng –NPN(Sinking)
Hỡnh 2.17: Cảm biến nguồn dũng-PNP (Sourcing)
Nối dõy: Trong ứng dụng PLC để giảm lượng dõy nối người ta thường dựng cảm biến 2 dõy.Cảm biến 2 dõy cú thể dựng cho cả 2 loại ngừ vào Sinking và Sourcing (Xem hỡnh 2.18 a,b)
Hỡnh 2.18: Nối dõy của cảm biến 2 dõy với nguồn. Phỏt hiện đối tượng: Cú 2 cỏch phỏt hiện
Tiếp xỳc: Nghĩa là tiếp điểm cơ khớ cần một lực tỏc động giữa cảm biến và đối tượng.
Tiếp cận: Để chỉ bỏo rằng một đối tượng đang ở gần nhưng khụng yờu cầu tiếp xỳc.
Phõn loại cảm biến:
Cảm biến Sourcing: Cho phộp dũng điện chạy từ cực L+ của nguồn.
Cảm biến Sinking: Cho phộp dũng điện chạy từ cực L- của nguồn.
Cảm biến Reed Switches và hiệu ứng Hall: Cú thể phỏt hiện được nam chõm.
Cảm biến quang (Optical Sensor): Cú thể sử dụng chựm tia phản xạ, đầu phỏt và đầu thu và ỏnh sỏng phản xạ để phỏt hiện đối tượng.
Cảm biến điện dung (Capacitive Sensor): Cú thể phỏt hiện kim loại và cỏc vật liệu khỏc.
Cảm biến điện cảm (Inductive Sensor): Phỏt hiện được kim loại.
Cảm biến siờu õm: Sử dụng súng õm để phỏt hiện đối tượng cỏch xa nhiều met.
2.4.5. Màn hỡnh giao tiếp HIM.
- Màn hỡnh giao tiếp với người dựng, hay cũn gọi là HMI (Human Machine Interface) là thiết bị thực hiện giao tiếp giữa người dựng với mỏy bằng cỏch hiển thị, cho phộp truy cập, điều khiển cỏc ngừ vào, ngừ ra, cỏc ụ nhớ…. trờn PLC dưới một hỡnh ảnh, định danh quen thuộc với người dựng.
- Một số cỏc loại mới, ngoài cỏc chức năng kể trờn cũn tớch hợp luụn chức năng lập trỡnh cho PLC. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- HMI giao tiếp với PLC thụng qua cỏp lập trỡnh.(xem hỡnh 2.16)