3 điểm Đáp án: PLC là thiết bị điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, các thành phần cơ bản của nó gồm vẽ hình: - Khối xử lý trung tâm Central Processing Unit - CPU: Đây là bộ não của hệ thống
Trang 1Câu 1 Hãy giải thích tại sao PLC lại được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển quá trình (Điều khiển công nghiệp)?
3 điểm
Đáp án: Vì PLC có những ưu điểm như sau:
-Tính linh hoạt: có thể sử dụng một bộ điều khiển cho nhiều đối tượng khác nhau
với các thuật toán điều khiển khác nhau
0.4
- Dễ dàng thiết kế và thay đổi logic điều khiển: với các hệ thống điều khiển sử
dụng rơle, khi thay đổi logic điều khiển cần có nhiều thời gian để nối lại dây cho
các thiết bị và panel điều khiển, và đó là một công việc phức tạp Với hệ thống
điều khiển sử dụng PLC, thay đổi logic điều khiển bằng cách thay đổi chương
trình thông qua thiết bị lập trình và ngôn ngữ lập trình chuyên dùng Điều đó làm
giảm đáng kể thời gian thiết kế hệ thống
0.5
- Tối ưu logic điều khiển: được sự hỗ trợ của các công cụ mô phỏng và gỡ rối
trực tuyến và trực quan làm cho hệ thống được thiết kế có tính tối ưu hơn
0.4
- Khả năng bảo mật hệ thống khi sử dụng mã khóa 0.4
- Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống: do được chế tạo dưới dạng các modul
được chuẩn hóa cho phép ghép nối các thành phần không chỉ của một nhà sản
xuất Đây là một yêu cầu không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển hiện đại
0.5
Câu 2 Hãy trình bày cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của PLC? 3 điểm Đáp án: PLC là thiết bị điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, các thành phần cơ bản
của nó gồm (vẽ hình):
- Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU): Đây là bộ não của hệ
thống, có chức năng điều khiển và giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống bằng
cách thực hiện tuần tự các lệnh trong bộ nhớ Bên trong CPU gồm các mạch điều
khiển, khối thuật toán và logic, các thanh ghi chuyên dụng và thanh ghi dữ liệu
tạm thời Hoạt động cơ bản của CPU là: đọc lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ, giải
mã lệnh, phát tín hiệu điều khiển các thành phần khác và xử lý dữ liệu
0.7
Trang 2-Bộ nhớ trong (Internal Memory): Bộ nhớ trong là loại bộ nhớ bán dẫn, có ưu
điểm là tương thích về kích thước và mức logic với các thành phần khác của hệ
thống; tốc độ truy nhập cao; năng lượng tiêu thụ thấp PLC sử dụng các loại bộ
nhớ sau đây:
-ROM hệ thống: chứa chương trình hệ thống (hệ điều hành) và dữ liệu cố
định được CPU sử dụng Dữ liệu trong ROM được nhà sản xuất nạp vào và
không thay đổi trong suốt quá trình sử dụng sau này
-RAM chứa chương trình và dữ liệu của người sử dụng
-RAM làm bộ đệm cho các tín hiệu vào/ra và cho các đối tượng khác (bộ
đếm, định thời )
-EEPROM để lưu cố định chương trình của người sử dụng cũng như
những dữ liệu cần thiết mà người dùng lựa chọn
Một phần hoặc toàn bộ RAM có thể được nuôi bằng tụ điện hoặc nguồn
pin bên ngoài Chương trình của người sử dụng được nạp vào RAM, sau đó tự
động nạp vào EPPROM để có thể lưu trữ vĩnh cửu
0.7
-Bus hệ thống (System Bus): Bus hệ thống phục vụ cho việc truyền thông tin
giữa các thành phần trong hệ thống Thông tin được truyền trong hệ thống dưới
dạng tín hiệu nhị phân Bus hệ thống gồm có các bus sau:
-Bus dữ liệu: bus dữ liệu là bus hai chiều, dùng để truyền tải dữ liệu giữa
các thành phần trong hệ thống
-Bus địa chỉ: bus địa chỉ là bus một chiều, khi CPU muốn truy cập đến
0.7
CPU
Bộ nhớ trong Khối nguồn
Khối ghép nối vào Khối ghép nối ra
Bus hệ thống
Trang 3một thành phần nào đó thì nó cung cấp địa chỉ của thành phần đó lên bus này, tín
hiệu địa chỉ qua bộ giải mã địa chỉ kích hoạt thành phần tương ứng
-Bus điều khiển: CPU sử dụng bus điều khiển để cung cấp các tín hiệu
điều khiển và nhận các tín hiệu thông báo từ các thành phần
Khối ghép nối vào/ra (Input/Output Interface):
- Khối ghép nối vào có các chức năng sau: nhận tín hiệu vào từ các thiết bị nhập
(ví dụ các cảm biến, chuyển mạch ); biến đổi các tín hiệu vào thành mức điện
áp một chiều; thực hiện cách ly tĩnh điện bằng bộ ghép nối quang; tạo tín hiệu
logic chuẩn đưa đến các mạch trong PLC
- Khối ghép nối ra hoạt động tương tự khối ghép nối vào: tín hiệu một chiều
chuẩn từ trong PLC qua các mạch biến đổi đến các đầu ra vật lý, cho phép điều
khiển trực tiếp các tải một chiều và xoay chiều công suất nhỏ với các mức điện
áp khác nhau Bộ ghép nối quang cũng được sử dụng để tránh cho các mạch bên
trong PLC khỏi ảnh hưởng của các thiết bị bên ngoài
0.7
-Khối nguồn (Power Supply): Khối nguồn có chức năng biến đổi nguồn điện áp
bên ngoài thành các mức điện áp phù hợp cung cấp cho các thành phần của PLC
0.2
Câu 3 Trình bày cấu trúc và sơ đồ nguyên lý mạch cơ bản của các cổng vào
của PLC?
3 điểm
Đáp án: Khối ghép nối vào có các chức năng sau: nhận tín hiệu vào từ các thiết
bị nhập (ví dụ các cảm biến, chuyển mạch ); biến đổi các tín hiệu vào thành
mức điện áp một chiều; thực hiện cách ly tĩnh điện bằng bộ ghép nối quang; tạo
tín hiệu logic chuẩn đưa đến các mạch trong PLC
Do đó mạch ghép nối vào có các khối sau:
-Bộ biến đổi
-Mạch cách ly tĩnh điện
-Mạch logic
Sơ đồ mạch ghép nối vào:
1.5
Trang 4Khối đầu tiên nhận tín hiệu từ các cảm biến, chuyển mạch Nếu tín hiệu
vào là điện áp xoay chiều thì bộ biến đổi chỉnh lưu thành điện áp một chiều có
giá trị nhỏ Đầu ra của bộ biến đổi không được đưa trực tiếp đến các mạch trong
PLC nhằm tránh cho nó khỏi ảnh hưởng của mạch ngoài Ví dụ trong trường hợp
bộ biến đổi làm việc không chính xác, thì điện áp xoay chiều lớn được đưa đến
PLC và làm hỏng hệ thống, bởi vì hầu hết các mạch xử lý chỉ làm việc với điện
áp 5V một chiều Do vậy phải có mạch cách ly để bảo vệ các mạch trong PLC
Mạch cách ly thường sử dụng bộ ghép nối quang, Tín hiệu được chuẩn hóa về
mức logic để đưa vào hệ thống Sơ đồ nguyên lý của mạch ghép nối vào:
1.5
Câu 4 Thế nào là vòng quét? Hãy trình bày chi tiết các giai đoạn làm việc
của PLC thông qua vòng quét?
3 điểm
Đáp án: Chức năng của CPU là thực hiện lặp đi lặp lại một chuỗi công
việc Sự thực hiện các công việc có tính tuần hoàn này gọi là vòng quét (Scan
cycle) Trong mỗi vòng quét, CPU thực hiện hầu hết hoặc toàn bộ các công việc
1.5
Đầu vào
Bộ biến đổi Mạch cách
ly tĩnh điện Mạch logic
Đến bộ đệm
Đầu vào
LED
Đến bộ đệm
Trang 5- Đọc các đầu vào
- Thực hiện chương trình
- Xử lý các yêu cầu truyền thông
- Thực hiện tự chẩn đoán
- Viết các đầu ra
Có thể biểu diễn vòng quét của CPU như sau:
Đọc các đầu vào số Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc giá trị hiện
thời của các đầu vào số và lưu các giá trị này ở bộ đệm vào CPU quản lý bộ đệm
dành cho các đầu vào số theo từng byte Nếu CPU hoặc module mở rộng không
có đủ một đầu vào vật lý cho mỗi bit của byte nào đó, thì không thể gán lại các
bit này cho các module tiếp theo cũng như không thể sử dụng chúng trong
chương trình Tại thời điểm bắt đầu mỗi vòng quét, CPU gán các bit không sử
dụng này bằng 0 Trong trường hợp các module mở rộng không được lắp đặt, thì
có thể sử dụng các bit đầu vào mở rộng này trong chương trình như các bit nhớ
thông thường
0.5
Thực hiện chương trình Trong giai đoạn thực hiện chương trình, các
lệnh được thực hiện lần lượt từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng Các lệnh vào/ra
trực tiếp cho phép truy nhập trực tiếp đến các đầu vào/ra vật lý trong khi thực
hiện chương trình hoặc trình xử lý ngắt Nếu chương trình có sử dụng ngắt, thì
trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện khi sự kiện ngắt tương ứng xuất hiện (sự kiện
0.4
Thực hiện chương trình Đọc các đầu vào
Xử lý các yêu cầu truyền thông
Tự chẩn đoán
Viết các đầu ra
Trang 6ngắt có thể xuất hiện tại bất kỳ thời điểm nào trong vòng quét).
Xử lý các yêu cầu truyền thông Trong giai đoạn này, CPU sẽ xử lý bất kỳ yêu
cầu nào nhận được từ cổng truyền thông
0.2
Thực hiện tự chẩn đoán Trong giai đoạn này, CPU thực hiện kiểm tra phần lõi
của nó (chương trình hệ thống), các module vào/ra, bộ nhớ chương trình người
dùng (chỉ ở chế độ RUN)
0.2
Ghi các đầu ra số Tại thời điểm kết thúc mỗi vòng quét, CPU ghi dữ liệu lưu
trong bộ đệm tới các đầu ra vật lý
0.2
Câu 5 Trình bày cấu trúc và sơ đồ nguyên lý mạch cơ bản của các cổng ra
của PLC?
3 điểm
Đáp án: Khối ghép nối ra hoạt động tương tự khối ghép nối vào: tín hiệu một
chiều chuẩn từ trong PLC qua các mạch biến đổi đến các đầu ra vật lý, cho phép
điều khiển trực tiếp các tải một chiều và xoay chiều công suất nhỏ với các mức
điện áp khác nhau Bộ ghép nối quang cũng được sử dụng để tránh cho các mạch
bên trong PLC khỏi ảnh hưởng của các thiết bị bên ngoài
Mạch giao tiếp sử dụng rơle, tranzitor, triac cho phép nối trực tiếp PLC với tải
công suất nhỏ Khi nối đầu ra với tải công suất lớn cần có mạch công suất bên
ngoài
1.5
Mạch giao tiếp kiểu rơle: tín hiệu từ PLC được sử dụng để điều khiển rơle,
có khả năng chuyển mạch dòng điện lớn trong mạch tải Ngoài ra rơle còn có
chức năng cách ly PLC với mạch ngoài Rơle có khả năng chịu quá tải trong thời
gian ngắn Tuy nhiên, nhược điểm của rơle là tốc độ chuyển mạch chậm Mạch
rơle được sử dụng cho cả tải một chiều và xoay chiều
1.5
Từ bộ đệm
Mạch giao tiếp
Mạch cách
ly tĩnh điện
Trang 7Mạch giao tiếp kiểu tranzitor: tín hiệu từ PLC điều khiển tranzitor làm
việc ở chế độ khóa Ưu điểm của tranzitor là tốc độ chuyển mạch nhanh Nhưng
dễ bị hư hỏng do quá tải hoặc khi chuyển từ trạng thái thông sang khóa Do đó
phải sử dụng các mạch bảo vệ Mạch tranzitor chỉ dùng cho điện áp một chiều
Mạch giao tiếp kiểu triac: chuyên dùng với mạch điện xoay chiều, có tốc
độ chuyển mạch nhanh Nhưng dễ bị hư hỏng do quá tải, nên phải có mạch bảo
vệ
Như vậy, mặc dù các mạch bên trong PLC làm việc với tín hiệu chuẩn 5V một
chiều, nhưng nhờ có mạch ghép nối ra nên có thể nối trực tiếp PLC với phụ tải
một chiều hoặc xoay chiều có các mức điện áp khác nhau
Câu 6 Hãy trình bày các vùng nhớ cơ bản của PLC S7-200? 3 điểm Đáp án: Các vùng nhớ cơ bản của PLC S7 như sau:
-Vùng nhớ đệm vào I: CPU lấy mẫu các đầu vào vật lý tại thời điểm bắt đầu của
0.3
+ V
PLC
Từ mạch
logic
LED
Đầu ra
+ V
Từ mạch
logic
LED
PLC
Đầu ra
Trang 8mỗi vòng quét và ghi các giá trị này ở vùng đệm vào Chương trình có thể truy
nhập vùng đệm vào theo bit, byte, từ, hoặc từ kép
-Vùng nhớ đệm ra Q: Tại thời điểm kết thúc mỗi vòng quét, CPU sao chép các
giá trị được lưu trong vùng đệm ra đến các đầu ra vật lý Chương trình có thể
truy nhập vùng đệm ra theo bit, byte, từ, hoặc từ kép
0.3
-Vùng nhớ V: Có thể sử dụng vùng nhớ V để lưu các kết quả trung gian của các
thao tác đang được thực hiện trong chương trình Cũng có thể sử dụng vùng nhớ
V để lưu các dữ liệu khác có liên quan đến quá trình điều khiển Có thể truy nhập
vùng nhớ V theo bit, byte, từ, hoặc từ kép
0.3
-Vùng nhớ bit M: Có thể sử dụng vùng nhớ bit M như các rơle điều khiển bên
trong Mặc dù có tên là vùng nhớ bit nhưng có thể truy nhập theo bit, byte, từ,
hoặc từ kép
0.2
-Vùng nhớ S (Sequence Control Relay - SCR): Các bit thuộc vùng nhớ S được
sử dụng để tổ chức các hoạt động theo một trình tự nào đó của máy móc thành
các đoạn chương trình tương đương Các bit nhớ S được gọi là các rơle điều
khiển trình tự Nó cho phép phân đoạn chương trình về mặt logic Có thể truy
nhập vùng nhớ S theo bit, byte, từ, hoặc từ kép
0.3
-Vùng nhớ đặc biệt SM: Các bit nhớ đặc biệt SM được sử dụng để giao tiếp
giữa CPU và chương trình của người sử dụng Chương trình có thể sử dụng các
bit này để lựa chọn và điều khiển một số chức năng đặc biệt của CPU S7-200
Có thể truy nhập dữ liệu trong vùng nhớ này theo bit, byte, từ, hoặc từ kép
0.3
-Vùng nhớ của các bộ định thời T: Trong CPU S7-200, các bộ định thời có
chức năng đếm thời gian Các bộ định thời S7-200 có các độ phân giải 1ms,
10ms, 100ms
0.2
-Vùng nhớ của các bộ đếm C: Trong CPU S7-200, các bộ đếm có chức năng
đếm theo sườn dương của xung ở các đầu vào đếm CPU cung cấp ba loại bộ
đếm: đếm tiến, đếm lùi, đếm cả tiến và lùi
0.2
-Địa chỉ các đầu vào tương tự AI: PLC S7 biến đổi một giá trị tương tự (như
nhiệt độ hoặc điện áp) thành một giá trị số có độ dài 16 bit Việc đọc các giá trị
này bằng cách sử dụng địa chỉ gồm nhận dạng vùng nhớ (AI), kích thước dữ liệu
0.3
Trang 9(W), địa chỉ byte đầu tiên Bởi vì các đầu vào tương tự là các từ và luôn bắt đầu
bằng các byte số chẵn, nên địa chỉ byte là các số chẵn Các giá trị đầu vào tương
tự là các giá trị chỉ đọc được (read-only)
-Địa chỉ các đầu ra tương tự AQ: S7-200 biến đổi một giá trị số 16 bit thành tín
hiệu điện tỷ lệ với giá trị số Việc ghi các giá trị này bằng cách sử dụng địa chỉ
gồm nhận dạng vùng nhớ (AQ), kích thước dữ liệu (W), địa chỉ byte đầu tiên
Bởi vì các đầu ra tương tự là các từ và luôn bắt đầu bằng các byte số chẵn, nên
địa chỉ byte là các số chẵn Các giá trị đầu ra tương tự là các giá trị chỉ ghi được
(write-only)
0.3
- Địa chỉ các bộ đếm tốc độ cao HC: Các bộ đếm tốc độ cao được thiết kế để
đếm các sự kiện có tốc độ rất cao không phụ thuộc vào vòng quét của CPU Bộ
đếm tốc độ cao có một giá trị hiện thời là số nguyên không dấu 32 bit Truy nhập
giá trị này bằng cách sử dụng địa chỉ như sau:
0.3
Câu 7 Hãy trình bày việc xác định các đầu vào/ra môdun CPU và mô đun
mở rộng của PLC S7-200?
3 điểm
Các đầu vào/ra tích hợp trên module CPU có các địa chỉ cố định Có thể thêm
các đầu vào/ra bằng cách kết nối các module mở rộng về bên phải của CPU để
tạo thành một dãy các đầu vào/ra Địa chỉ của các vị trí trên module được xác
định bằng kiểu vào/ra và vị trí của module trong dãy, và có liên hệ với địa chỉ
các module cùng kiểu trước đó Các module mở rộng số sử dụng bộ đệm vào/ra
theo từng byte Điều này có nghĩa là nếu một module không có đủ 8 đầu vào
hoặc ra cho một byte trong bộ đệm, thì các bit chưa sử dụng trong byte đó không
thể gán cho các module tiếp theo trong dãy, cũng như không thể dùng chúng
trong chương trình Đối với module vào, các bit chưa dùng này được xóa về 0
khi CPU cập nhật đầu vào
1.5
Trang 10Câu 8 Hãy trình bày các phương pháp lập trình và nêu ưu nhược điểm của
từng phương pháp trên?
3 điểm
Cách lập trình cho S7 dựa trên ba phương pháp chính:
- Phương pháp liệt kê lệnh (Statement List - viết tắt là STL),
- Phương pháp hình thang (Ladder Logic - viết tắt là LAD),
- Phương pháp biểu đồ khối chức năng (Function Block Diagram - viết tắt là
FBD)
0.5
-Phương pháp liệt kê lệnh:
Phương pháp liệt kê lệnh cho phép tạo ra các chương trình điều khiển
bằng cách nhập mã gợi nhớ của lệnh Nhìn chung, phương pháp liệt kê lệnh phù
hợp cho những nhà lập trình chuyên nghiệp Phương pháp STL cho phép tạo ra
các chương trình mà đôi khi không thể viết được bằng các phương pháp LAD
hoặc FBD, bởi vì đó là các phương pháp đồ họa nên phải có một số quy tắc để vẽ
và nối các phần tử cho đúng Để lập trình bằng phương pháp STL cần phải hiểu
rõ phương thức sử dụng ngăn xếp logic, bởi vì các lệnh này can thiệp vào các bit
của ngăn xếp Các thao tác can thiệp vào ngăn xếp tác động đến bit đầu tiên hoặc
bit đầu tiên và bit thứ hai của ngăn xếp Giá trị mới có thể ghi đè hoặc chèn vào
bit đầu tiên của ngăn xếp Khi giá trị mới chèn vào vị trí bit đầu tiên thì các bit bị
đẩy xuống một vị trí và bit cuối cùng sẽ bị mất Thao tác với hai bit đầu tiên sẽ
kéo các bit tiếp theo lên một vị trí
1.0
CPU 224 4 I / 4Q 8 I 4 AI/ 1 AQ 8 Q 4AI/ 1 AQ
I0.0 Q0.0
I0.1 Q0.1
I0.2 Q0.2
I0.3 Q0.3
I0.4 Q0.4
I0.5 Q0.5
I0.6 Q0.6
I0.7 Q0.7
I1.0 Q1.0
I1.1 Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I2.0 Q2.0
I2.1 Q2.1
I2.2 Q2.2
I2.3 Q2.3
I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7
Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7
AIW0 AQW0 AIW2 AIW4 AIW6
AIW8 AQW4 AIW10 AIW12 AIW14
