3.3.1 Tìm hiểu công nghệ
Hầu hết các hệ thống điều khiển đều hoạt động tuần tự. Việc lập trình cấu trúc giúp cho việc thiết kế mạch ladder trở lên dễ kiểm soát hơn so với các hệ thống tuần tự đơn giản. Mặt khác các máy gia công thường hoạt động theo các bước tuần tự lặp lại, nên giải pháp lựa chọn giản đồ thang để xây dựng các hoạt động này là rất đúng đắn.
Hình 3.2. Sơ đồ hoạt động tuần tự
Phương pháp lập trình theo cấu trúc được chia thành các dạng như hình 3.3 dưới đây:
Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế tuần tự
Với các bài toán trình tự đơn giản, nhỏ mà các bước hoạt động đã rõ ràng ta SFC/GRAFSET KHỐI LOGIC Không chờ với những trạng thái đơn Phương trình Thời gian thực hiện ngắn
LƯU ĐỒ Hiệu suất quan
trọng Bước với một vài sai lệch Bước rõ ràng TRÌNH TỰ BITS Đệm (chờ) trạng thái kích hoạt SĐ TRẠNG THÁI Nhiều quy trình Một quá trình Đơn giản/ nhỏ Phức tạp/ lớn PETRI NET Bài toán trình tự Si S 2 S 3 S n Sn+1 S 1 Khởi động
(Start up) (Operation)Hoạt động
Dừng (Shut down)
Trạng thái (Step/state) hoạt động thứ i của hệ thống Mỗi trạng thái có nhiều hoạt động khác nhau
nên sử dụng phương pháp lập trình theo bít trình tự, còn với các bài trình tự đơn giản nhưng các bước chưa rõ ràng có thể sử dụng phương pháp lập trình theo lưu đồ thuật toán.
Với những bài toán trình tự phức tạp và lớn, ta xét xem đấy là bài toán một quá trình hay nhiều quá trình. Nếu bài toán chỉ có một quá trình sử dụng phương pháp giản đồ trạng thái, ở phương pháp này lại có thể sử dụng khối logic hoặc sử dụng các phương trình trạng thái. Nếu bài toán phức tạp, lớn nhiều quy trình có thể sử dụng phương pháp Grafset.
3.3.2 Biểu diễn thuật toán
Để biểu diễn thuật toán trong điều khiển, người ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:
Phương pháp dùng văn bản là phương pháp mô tả qui trình công nghệ, diễn giải một bài toán nào đó. Sự mô tả quá trình điều khiển thường dài, khó theo dõi và không chính xác.
Phương pháp dùng lưu đồ trạng thái thường dùng khi thiết thiết kế phần mềm cho máy tính, nhưng lại phổ biến để biểu diễn trình tự hoạt động của hệ thống điều khiển. Lưu đồ có quan hệ trực tiếp đến sự mô tả bằng lời hệ thống điều khiển, chỉ ra từng điều kiện cần kiểm tra từng bước và các xử lý trong các bước đó theo chuỗi trình tự. Các nội dung xử lý trong lưu đồ được ghi trong ô chữ nhật, trong khi các điều kiện được ghi vào ô hình thoi. Tuy nhiên, phương pháp này chiếm nhiều không gian khi biểu diễn hệ thống điều khiển lớn và trở nên cồng kềnh.
Phương pháp dùng giản đồ trạng thái để mô tả, liệt kê tất cả các trạng thái làm việc của hệ thống, xây dựng giản đồ trạng thái là mối quan hệ ràng buộc giữa các trạng thái làm việc của hệ thống.
Grafcet là một công cụ mô tả bằng hình học cho phép biểu diễn hoạt động của một hệ thống tuần tự, là đồ hình chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm việc và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái khác. Grafcet cho một quá trình luôn là một đồ hình khép kín từ trạng thái đầu tới trạng thái cuối.
3.3.3 Chuyển đổi thuật toán thành chương trình
Việc chuyển đổi thuật toán thành chương trình phụ thuộc vào phương pháp biểu diễn thuật toán khác nhau sẽ có cách thực hiện khác nhau. Trong phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày các phương pháp chuyển thành chương trình ladder từ các cách biểu diễn: giản đồ bit tuần tự, lưu đồ thuật toán, giản đồ trạng thái và grafcet.
3.3.4 Lập trình bít tuần tự
Nội dung phương pháp:
Các máy gia công thường hoạt động theo các bước tuần tự, lặp lại. Giản đồ thang
có thể được xây dựng theo các hoạt động này. Phương pháp lập trình theo bít tuần tự được thực hiện theo các bước sau:
Các bước thực hiện:
Bước 1: Tìm hiểu rõ qui trình hoạt động. Ở bước này cần khảo sát kỹ quy trình hoạt động của máy khi làm việc ở các chế độ khác nhau nếu có.
Bước 2: Viết các bước hoạt động theo trình tự và đánh số: Bước này cần liệt kê các hoạt động của máy theo đúng trình tự hoạt động của máy mỗi hoạt động được đánh một số tự nhiên và tăng dần theo các bước.
Bước 3: Mỗi bước hoạt động được gán cho một bít nhớ. Với mỗi bước hoạt động được liệt kê và đánh số ở bước 2 được gán 1 bít nhớ.
Bước 4: Xây dựng giản đồ thang để bật/tắt các bít trạng thái theo trình tự của quá trình.
Bước 5: Xây dựng giản đồ thang thực hiện các hoạt động của máy ở mỗi trạng thái. Bước 6: Nếu quá trình lặp lại thì từ bước cuối thực hiện quay lại bước đầu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ví dụ hệ thống tự động kéo và hạ cờ:
Hệ thống điều khiển tự động kéo và hạ cờ. Lá cờ sẽ được kéo lên khi nút "lên" được bấm và hạ xuống khi nút "xuống" được bấm. Có hai công tắc hành trình đặt ở điểm dưới và trên cùng của vị trí cờ. Khi bắt đầu khởi động thì cờ tự động hạ xuống tới khi gặp contact hành trình dưới.
Hình 3.4 . Sơ đồ công nghệ hệ thống nâng hạ cờ.
Bước 1: Tìm hiểu rõ quy trình hoạt động. Ta thấy hệ thống điều khiển này hoạt động theo một trình tự và lặp đi lặp lại.
Bước 2: Viết các bước hoạt động theo trình tự và đánh số. Hệ thống này gồm 4 trạng thái:
1. Cờ hạ xuống vị trí dưới tới khi gặp contact hành trình dưới. 2. Cờ dừng ở vị trí dưới cùng tới khi có tín hiệu nút kéo cờ. 3. Cờ di chuyển lên tới khi gặp contact hành trình trên. 4. Cờ dừng ở vị trí trên cùng tới khi có tín hiệu nút hạ cờ. Bước 3: Mỗi bước hoạt động được gán cho một bít nhớ
1. Cờ hạ xuống vị trí dưới tới khi gặp contact hành trình dưới (S1). 2. Cờ dừng ở vị trí dưới cùng tới khi có tín hiệu nút kéo cờ (S2). 3. Cờ di chuyển lên tới khi gặp contact hành trình trên (S3). 4. Cờ dừng ở vị trí trên công tới khi có tín hiệu nút hạ cờ (S4).
Bước 4: Xây dựng giản đồ thang để bật/tắt các bít trạng thái theo trình tự của quá trình.
CT_Dưới CT_Trên
Bước 5: Xây dựng giản đồ thang thực hiện các hoạt động của máy ở mỗi trạng thái. Từ giản đồ thang như ở bước 4 ta sẽ chuyển tương ứng thành chương trình Lader. Phần này sẽ được thực hiện chi tiết trong các ví dụ của chương 4.
Bước 6: Nếu quá trình lặp lại thì từ bước cuối thực hiện quay lại bước đầu.
Trong trong giản đồ thang ở bước 4 ta thấy rằng kết thúc trạng thái cuối cùng (trạng thái 4) trạng thái 1 lại được thiết lập lên như vậy quá trình lại hoạt động lặp lại từ bước 1.
3.3.5 Lập trình theo lưu đồ thuật toán (FLOWCHART BASED DESIGN)
Nội dung phương pháp:
Một quá trình có các bước xử lý tuần tự sẽ thích hợp khi sử dụng lưu đồ để thiết kế chương trình. Các bước trong lưu đồ được thực hiện theo một trình tự đơn giản các ký hiệu dùng trong lưu đồ bao gồm:
Hình khối Ý nghĩa Hình khối Ý nghĩa
Bắt đầu kết thúc Hiển thị (display) Nhập xuất dữ liệu
(Input/Ouput) Khởi tạo
Thực hiện (Process) Chương trình con(Procedure, function)
Kiểm tra Kết nối khác trang
Hướng thực hiện Kết nối cùng trang
Bảng 3.1 Ký hiệu biểu diễn dùng trong lưu đồ.
Các khối được nối với nhau bằng các mũi tên nhằm chỉ ra các bước thực hiện tuần tự. Các khối khác nhau diễn tả các lệnh khác nhau. Chương trình PLC luôn bắt
đầu bằng khối Start và ít khi sử dụng khối Stop vì chương trình luôn chạy liên tục.
Các bước thực hiện của phương pháp lập trình theo lưu đồ thuật toán
Bước 1. Xây dựng lưu đồ thuật toán. Xây dựng lưu đồ thuật toán được thực hiện theo các bước sau:
Bước 1.1:Tìm hiểu quá trình hoạt động của hệ thống.
Bước 1.2: Xác định các hoạt động chính, biểu diễn dưới dạng lưu đồ Bước 1.3: Xác định trình tự hoạt động, biểu diễn liên kết bằng các mũi tên Bước 1.4: Khi trình tự hoạt động hay đổi, sử dụng khối kiểm tra ( Decision ) để thực hiện rẽ nhánh.
Bước 2. Lập trình. Trong phần này chia thành 3 bước nhỏ
Bước 2.1: Đặt tên cho các khối trong lưu đồ thuật toán. Mỗi khối được đánh số sẽ được chuyển thành Lader. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mỗi khối trong lưu đồ được chuyển thành một khối của logic bậc thang.
Có thể sử dụng set, reset các hoạt động trong các khối hoặc mỗi khối thực hiện bằng một chuơng trình con SBR.
Bước 2.2: Viết logic lader cho trạng thái khởi động của PLC
Bước 2.3: Viết logic lader cho mỗi khối chức năng của lưu đồ thuật toán
Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ hệ thống điều khiển thùng nước.
Khi nhấn nút khởi động nước sẽ đổ vào thùng và van xả đầu ra sẽ được khóa lại. Khi bể đầy hoặc khi nút dừng được nhấn van xả đầu ra sẽ được mở và nước vào sẽ ngừng.
Bước 1. Biểu diễn bài toán dưới dạng lưu đồ Nguồn Start Stop Sensor báo đầy Van vào Van ra
Hình 3.6. Lưu đồ điều khiển thùng nước START Mở van ra Đóng van vào Bắt đầu ấn nút bơm? No Mở van vào Đóng van ra No Yes No Mở van ra Đóng van vào Yes Bồn chứa đầy Nút ấn ngừng bơm
Bước 2 Lập trình
Bước 2.1 Đặt tên cho các khối trong lưu đồ thuật toán
Hình 3.7. Đặt tên cho các khối trong lưu đồ.
Bước 2.2 Viết logic Ladder cho trạng thái đầu (khởi động) của PLC START Mở van ra Đóng van vào F1 F2 Bắt đầu ấn nút bơm? No Yes F3 Mở van vào Đóng van ra T5 No Yes F4 F5 No Mở van ra Đóng van vào F6 Yes Bồn chứa đầy Nút ấn ngừng bơm
Ngoài ra phần lập trình cũng có thể sử dụng bít tuần tự để lập trình. Đặt tên cho các khối và các mũi tên
Hình 3. 8 Đặt tên cho các khối trên lưu đồ START Mở van ra Đóng van vào T_1 F1 T_2 F2 Bấm nút khởi động? No Yes T_3 T_4 F3 Mở van vào Đóng van ra T_6 T_5 No Yes F4 F5 No Mở van ra Đóng van vào F6 Yes Bồn chứa đầy Nút ấn ngừng bơm
3.3.6 Lập trình theo giản đồ trạng thái (STATE BASED DESIGN)
Nội dung: Trạng thái “Là một chế độ làm việc của hệ thống”
Phương pháp lập trình theo giản đồ trạng thái thực hiện liệt kê tất cả các trạng thái làm việc của hệ thống, xây dựng giản đồ trạng thái là mối quan hệ ràng buộc giữa các trạng thái làm việc của hệ thống sau đó sẽ chuyển đổi sang lader.
Khi xây dựng giản đồ trạng thái chúng ta cần chú ý đến các vấn đề: Chức năng làm việc của hệ thống.
Sự thay đổi trạng thái của hệ thống.
Các vấn đề làm thay đổi trạng thái của hệ thống Các hoạt động thực hiện theo tuần tự.
Liệt kê trạng thái hoạt động của hệ thống, các điều kiện làm thay đổi trạng thái của hệ thống (chú ý: một số trạng thái chỉ là chờ). Các trạng thái phải phù hợp với hệ thống được thiết kế. Các trạng thái phải độc lập không thể là một phần của các trạng thái trước và sau. Giữa các trạng thái phải có sự khác biệt rõ ràng.
Các bước thực hiện:
Bước 1: Xác định tín hiệu vào ra của hệ thống, biến trạng thái của hệ thống. Các tín hiệu vào được sử dụng để xác định điều kiện thay đổi trạng thái. Các tín hiệu ra được sử dụng để xác định trạng thái hệ thống.
Bước 2: Định nghĩa trạng thái và đặt sơ bộ tuần tự của trạng thái Bước 3: Bổ xung điều kiện chuyển trạng thái.
Bước 4: Vẽ Giản đồ trạng thái
Bước 5: Chuyển đổi sang lader. Ở bước này có thể định nghĩa đầu vào ra I/O sau đó xây dựng các khối khởi tạo, điều khiển các trạng thái, điều khiển chuyển trạng thái. Nếu từ một trạng thái có thể chuyển thành 2 trạng thái khác nhau ta phải sử dụng ưu
tiên chuyển trạng thái
Hình 3. 9 Giản đồ trạng thái.
Ngoài ra cũng có thể chuyển đổi sang lader bằng cách sử dụng phương trình trạng thái. Trường hợp này cần viết các phương trình trạng thái, biến đổi phương trình, loại bỏ các phần tử đảo được phương trình tối giản rồi chuyển sang lader.
Ví dụ điều khiển đèn giao thông: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nút giao thông gồm 2 hướng đi đông/tây và nam/bắc. Mỗi hướng gồm đèn, xanh, đỏ, vàng. Đèn xanh cho phép đi, đèn đỏ dừng và đèn vàng là đèn chuyển trạng thái cho biết chuẩn bị phải dừng. Thông thường đèn xanh >10s. Đèn vàng 4s. Đèn đỏ = Đèn xanh+Đèn vàng của hướng đối diện. Có 2 nút bấm dành cho người đi bộ để bật tắt đèn đi bộ và có thể làm tăng thời gian của đèn xanh. Ban đầu khởi tạo xanh Đông/tây sáng khi bấm vào nút B/N thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái đèn vàng Đ/T sáng. Khi đèn xanh B/N đang sáng nếu bấm vào nút Đ/T thì hệ thống sẽ chuyển sang đèn vàng B/N sáng. Sau đó hệ thống sẽ lặp lại trạng thái như cũ.
Hình 3. 10. Sơ đồ công nghệ đèn giao thông tại ngã tư.
Bước 1: Xác định tín hiệu vào ra của hệ thống Input: S1- nút bấm B/N S2- nút bấm Đ/T FS: First scan Đèn xanh: thường >10 s Đèn vàng: 4s Đèn đỏ= Đèn xanh+ Đèn vàng Nút cho người đi bộ dùng để bật đèn cho người đi bộ và có thể làm tăng thời gian đèn xanh
Nút ấn người đi bộ- S2 Đỏ Vàng Xanh Đỏ Vàng Xanh Nút ấn người đi bộ- S1 Đông/Tây Nam/Bắc .
Output: Đầu ra L1- Đỏ B/N L2- Vàng B/N L3- Xanh B/N L4- Đỏ Đ/T L5- Vàng Đ/T L6- Xanh Đ/T
Bước 2: Định nghĩa trạng thái và đặt sơ bộ tuần tự trạng thái
Bảng trạng thái
Mô tả trạng thái # L1 L2 L3 L4 L5 L6
Xanh Đông/ Tây 1 1 0 0 0 0 1
Vàng Đông/ Tây 2 1 0 0 0 1 0
Xanh Bắc/ Nam 3 0 0 1 1 0 0
Vàng Bắc/ Nam 4 0 1 0 1 0 0
Bước 3: Bổ xung điều kiện chuyển trạng thái
Bảng trạng thái Chuyển
trạng thái
Mô tả trạng thái # L1 L2 L3 L4 L5 L6
Xanh Đông/ Tây 1 1 0 0 0 0 1
Vàng Đông/ Tây 2 1 0 0 0 1 0 Xanh Bắc/ Nam 3 0 0 1 1 0 0 Vàng Bắc/ Nam 4 0 1 0 1 0 0 S1 Trễ 4 s S2 1
47
Bước 4: Vẽ giản đồ trạng thái
Hình 3.11. Giản đồ trạng thái đèn giao thông
Bước 5: Chuyển đổi sang lader Thiết lập trạng thái khởi tạo
3.3.7 Lập trình theo giản đồ chức năng tuần tự (SEQUENTIAL FUNCTION CHARTS)
Nội dung phương pháp:
Lập trình theo giản đồ chức năng tuần tự SFCs: (Sequential Function Charts) có tính năng phù hợp với lập trình nhiều trạng thái đồng thời
Lập trình theo giản đồ chức năng tuần tự còn được gọi là Grafcet IEC 848 Các phần tử cơ bản
Ký hiệu Giải thích
Tran sistion- Cho phép chuyển sang bước tiếp theo khi điều kiện được thỏa mãn
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Init- Khởi tạo
Step- Thường là một trạng thái thực hiện. Trạng thái có thể có các hoạt động đi kèm
Macrostep- Tập hợp các bước nhỏ (thường là một chương trình con)
Rẽ nhánh có lựa chọn- OR- Chỉ thực hiện theo một nhánh có thỏa mãn điều kiện
Nhánh đồng thời (song song) – AND- cả hai hoặc nhiều nhánh được thực hiện đồng thời
Hình 3.12 SFCs có hai nhánh song song làm việc đồng thời