Bài tập lớn: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định nhiệt độ, cảnh báo nhiệt độ trong lò với dải đo: 0 ÷ 1200oC.

Hiện nay sản phẩm công nghiệp đang đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.Đặc biệt là những thành tựu khoa học kỹ thuật lại đang phát triển mạnh mẽ và được áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vực công nghiệp.Nước ta đang trong thời kỳ quá độ lên chủ nghĩa xã hội vì vây việc áp dụng những thành tựu khoa học của thế giới là mục tiêu công nhiệp hóa và hiện đại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa xã hội.Là sinh viên nghành cơ điện tử, sau những năm tháng học tập tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Chúng em đã nhận thức được ngành cơ điện tử là rất qua trọng và không thể thiếu cho bất kỳ môt lĩnh vực nào, quốc gia nào.Khi đươc giao bài tập lớn, xác định đây là công việc quan trọng để nhằm đánh giá toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài “Điều khiển và giám sát nhiệt độ lò”.Đây là một đề tài khá phổ biến nhưng là một sản phẩm của nghành điện.

Đề bài 1: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định nhiệt độ,

cảnh báo nhiệt độ trong lò với dải đo: [0 ÷ 1200]oC

Cảm biến

Bộ ĐK

I/O

Control BoardSTART

STOPRUNTLA

THA

Va

n %

Lò

Nhiên liệu

P C

Trong đó:

PC: Máy tính điều khiển và giám sát

Bộ ĐK: Trạm điều khiển (PLC, VXL…)

Bảng điều khiển tại chỗ

 Các nút ấn START, STOP: để khởi động và dừng hệ thống,

 Đèn RUN; Báo hệ thống làm việc,

 Đèn TLA: cảnh báo mức thấp,

 Đèn THA: cảnh báo mức cao

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

1.1.Mục đích 6

1.2.Phương pháp đo 6

1.2.1.Đo nhiệt độ trực tiếp 6

1.2.2.Đo nhiệt độ gián tiếp 7

1.3.Tìm hiểu chung về PLC 8

1.3.1.Giới thiệu chung về PLC 8

1.3.3.Các hoạt động bên trong PLC 16

1.3.4 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7-300 của SIEMEN 17

1.3.5.GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG SM331 26

1.4 Tìm hiểu HMI(WinCC, OPC) 29

1.4.1 Tìm hiểu WinCC 29

1.4.2 Tìm hiểu OPC 30

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31

2.1.Lựa chọn thiết bị 31

2.2.Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 32

2.2.1.Xây dựng sơ đồ khối 32

2.2.2.Sơ đồ đấu dây 34

2.3.Xây dựng thuật toán điều khiển 34

2.4.Chương trình điều khiển 35

2.5.Thiết kế giao diên HMI trên phần mềm WinCC V7.0 38

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 46

3.1 Kết quả nghiên cứu lí thuyết: 46

3.2 Kết quả thực nghiệm 47

PHỤ LỤC: 48

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay sản phẩm công nghiệp đang đóng một vai trò quan trọng trong nềnkinh tế quốc dân.Đặc biệt là những thành tựu khoa học kỹ thuật lại đang pháttriển mạnh mẽ và được áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vực côngnghiệp.Nước ta đang trong thời kỳ quá độ lên chủ nghĩa xã hội vì vây việc ápdụng những thành tựu khoa học của thế giới là mục tiêu công nhiệp hóa và hiệnđại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa xã hội

Là sinh viên nghành cơ điện tử, sau những năm tháng học tập tại trường ĐạiHọc Công Nghiệp Hà Nội - Chúng em đã nhận thức được ngành cơ điện tử là rấtqua trọng và không thể thiếu cho bất kỳ môt lĩnh vực nào, quốc gia nào

Khi đươc giao bài tập lớn, xác định đây là công việc quan trọng để nhằm đánhgiá toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài “Điều khiển và giám sátnhiệt độ lò”.Đây là một đề tài khá phổ biến nhưng là một sản phẩm của nghànhđiện

Trong quá trình làm việc, với trình độ còn non trẻ về kiến thức và kinhnghiệm thực tiễn nên chúng em không thể tránh được những sai sót Do đóchúng em rất mong muốn chỉ bảo thêm của các thầy và đóng góp của bạn bè đểchúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.Mục đích

Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo nhiệt

độ chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau:

- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng

- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo nhiệt độ và loại được

sử dụng

- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển

* Phương pháp nghiên cứu:

Do đặc thù của bài tập lớn nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽgặp nhiều khó khăn Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu

và kiến thức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học để hoànthiện phần lý thuyết của bài tập lớn, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phầnmềm mô phỏng trên máy tính

1.2.Phương pháp đo.

Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nhiềunguyên lý đo khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện vàyêu cầu là một điều không dễ dàng Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giớithiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo nhiệt độ và loại cảm biến được chọntrong đồ án

1.2.1.Đo nhiệt độ trực tiếp.

a Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện được chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệtđiện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điệnnăng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau Kết nốinày thường gọi là cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết

nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại Bằng cách đo vàtính toán hiệu điện thế này người ta sẽ tính ra được nhiệt độ của vật cần đo.

b Nhiệt điện trở kim loại

Điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ:

Trong đó:

l : chiều dài dây dẫn [m]

A : tiết diện dây dẫn [m2]

Nhiệt kế hồng ngọai (IRT) cơ bản gồm có 4 thành phần:

- Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target)

- Cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện

- Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai vớichỉ số bức xạ của vật thể được đo

- Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bêntrong thiết bị không bị truyền đến ngõ ra

Bộ phận chính của nhiệt kế hồng ngoại là bộ cảm biến nhiệt điện Với bộcảm biến này năng lượng của bức xạ hồng ngoại sẽ được hấp thụ và chuyểnthành tín hiệu điện Tín hiệu điện này sẽ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏngtheo một tỉ lệ đã được qui đổi hoặc được đổi ra tính hiệu Analog để truyền vềthiết bị điều khiển (PLC, vi điều khiển…)

Trong đề tài này chúng em chọn nghiên cứu cặp nhiệt điện để đo trực tiếpnhiệt độ trong lò sấy

1.3.Tìm hiểu chung về PLC

1.3.1.Giới thiệu chung về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lậptrình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiểnlogic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thựchiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhânkích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thờigian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự,

nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một

bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụnglập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lậptrình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điềukhiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầusau :

- Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học

- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng,các mô Modul mở rộng

- Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối vàcác Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dunglượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá

cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trongcông nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến cáclệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trêncác máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượnglớn , số lượng I / O nhiều hơn.

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽđược xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộnhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này Nhưvậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉcần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mởrộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự canthiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay

Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chếtạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiểnlogic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rấtnhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC

đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá Có thể liệt kê các ưuđiểm chính của việc sử dụng PLC gồm:

- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm

vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nốidây

- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống

- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm

- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào raOnboard Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra:

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC

1.3.2.Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC

a Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :Một bộ nhớ chương trìnhRAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM )

Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

Các Modul vào /ra

+ Kh i vi ố

x lý ử trung tâm H

+ ệ

u hành điề

Bộ đ m ế Bit cơ

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủRAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vịlập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉkhi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyềnsang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổtrợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối vớiPLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối Cũng

có một số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựachọn cấu hình PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng đượcyêu cầu ứng dụng Một bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơbản nhất của phần cứng trong bộ PLC bao giờ cũng có các khối sau:

Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC

Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra Thông thường các tín hiệu

xuất nhập đầu ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở dạng liên tục (Analog).

*Mô đun nguồn: (Moudule)

Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLChoạt động Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp24V một chiều Tuynhiên cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều

*Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):

Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ

*Mô đun nhập: (Input Module)

Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoàidạng tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút

ấn điều khiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của cácquy trình công nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệuđiện áp từ các căn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho một lò nào đó hoặc tín hiệu

từ máy phát tốc, cảm biến

* Mô đun xuất (Output Module):

Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng không kém modulenhập Nó có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sửdụng có thể kết nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp Đốivới những ứng dụng nhỏ thì cần 16 ngõ ra Những ứng dụng lớn hơn có thểdùng tới 26 hoặc 256 ngõ ra Cũng giống như Module nhập thì các ngõ ra củaModule xuất là các tiếp điểm của rơle, khả năng chịu tải lớn 220V/1A Nếumuốn khống chế phụ tải công suất lớn thì thông qua các thiết bị trung gian như:CTT Aptomat Triac…

b Nguyên lý hoạt động của PLC

Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC

Trong quá trình thực hiện chương trình CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra.Tiếp theo của việc quét chương trình là truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi.Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại

vi Những trường hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trìnhthực hiện chương trình Các PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điềunày Tập lệnh của PLC chứa các lệnh ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thờidừng hoạt động bình thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó sẽquay lại thực hiện chương trình Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được mộtvòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cốđịnh, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảngthời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thựchiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khốilượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó Một vòng quét chiếm thờigian quét ngắn thì chương trình điều khiển được thực hiện càng nhanh Nguyên

lý hoạt động dựa trên các bộ phận sau :

- Đơn vị xử lý trung tâm

li

n d u t Chuy ể ữ ệ ừ

c ng vào t i đ u vào I ổ ớ ầ

Truy n thông và ề

ki m tra b nh ớ ể ộ

c hi n Thự ệ

ng trình chươ

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được pháttới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụthuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của

8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữliệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chutrình hoạt động của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 118 MHZ Xungnày quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,đồng hồ của hệ thống

- Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi cácRelay.

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong

bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnhtiếp theo Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ởđấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này

có khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLCcác bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi

bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khảnăng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trongthực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướnghiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ màngười sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng khôngmuốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên

PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng

để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

- Kích thước bộ nhớ :

Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệchế tạo

Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênhI/O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm trahoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

1.3.3.Các hoạt động bên trong PLC

a. Xử lý chương trình

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ đượctrong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ

PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong

bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu chođến cuối chương trình Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối đượcgọi là một chu kỳ thực hiện Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc

độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình Một chu lỳ thực hiện bao gồm bagiai đoạn nối tiếp nhau :

• Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào Phần chương trìnhphục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành

• Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình.Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thựchiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra

• Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại cácmodul đầu ra.

*Chụp ảnh quá trình xuất nhập

Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I / O, vì thế CPU chỉ có thể

xử lý một lệnh ở một thời điểm Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗingõ nhập phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trongchương trình Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thờigian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào

Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I / O được cập nhật tớimột vùng đặc biệt trong chương trình Ở đây, vùng RAM đặc biệt này đượcdùng như một bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I / O.Mỗi ngõ vào ra đều có một địa chỉ I / O RAM này Suốt quá trình copy tất cảcác trạng thái vào trong I / O RAM Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chươngtrình (từ Start đến End )

Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O đượccopy tiêu biểu là vài ms Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiềudài chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1÷ 10 µs

1.3.4 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7-300 của SIEMEN

S7_300: Dòng sản phẩm cao cấp ,được dùng cho những ứng dụng lớn với

những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh,yêu cầu kết nối mạng,và cókhả năng mở rộng cho sau này Ngôn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sửdụng có quyền chọn lựa.Đặc điểm nổi bật của S7_300 đó là ngôn ngữ lập trìnhcung cấp những hàm toán đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt như : HàmSCALE… Hoặc ta có thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàmriêng cho ứng dụng mà ta cần Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theocấu trúc Modul,nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những Modul tích hợp cho nhữngứng dụng đặc biệt như Modul PID,Modul Đọc xung tốc độ cao…

* Thiết bị điều khiển Logic khả trình:

1/ PLC ( Progranable Logic Control) :

Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC Là loại thiết bị cho phép thựchiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua mộtngôn ngữ lậptrình ,thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy vớichương trình điều khiển trong mình ,PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn ,dễthay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh( với các PLC khác hoặc với máy tính).Toàn bộ chương trình được lưu trong bộnhớ.dưới dạng các khối chương trình (OB,FC,FB ) và được thực hiện với chu

kì quét

Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển.Tất nhiên PLC phải cótính năng như một máy tính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm( CPU),một hệ điều hành,một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũngnhư dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào rađể giao tiếp với các thiết bịbên ngoài Bên cạnh đó ,nhằm phục vụ bài toán điều khiển số ,PLC phải cócác khối hàm chức năng như Timer,Counter,và các hàm chức năng đặc biệtkhác

2/ Các Tín hiệu kết nối với PLC:

a/Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có

2 trị 0 hoặc1

Đối với PLC Siemens :

Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch

c/ Tín hiệu khác : Bao gồm các tín hiệu giao tiếp với máy tính ,với các thiết

bị ngoại vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thứcRS232,RS485,Modbus…

3/ Các Modul của PLC S7_300:

Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phầnlớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào đầu ra cũng như chủng loạitín hiệu vào ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bịcứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các Modul.số các Modulđược sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán ,song tối thiểu bao giờ cũng

có Modul chính là Modul CPU Các Modul còn lại là những Modul nhận truyềntín hiệu với đối tượng điều khiển ,các Modul chức năng chuyên dụng nhưPID,điều khiển động cơ… Chúng được gọi chung là Modul mở rộng.Tất cảcác Modul được gắn trên những thanh ray ( Rack)

a/ Modul CPU:

Modul CPU là loại Modul chứa vi xử lí,hệ điều hành ,bộ nhớ ,các bộ thờigian,bộ đếm,cổng truyền thông (RS485)… Và có thể còn có một vài cổng vào

ra số.Các cổng vào ra số trên CPU được gọi là cổng vào ra Onboard

Trong họ PLC S7_300 có nhiều loại CPU khác nhau : CPU 312,CPU

314 ,CPU 315…

Những Modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lí ,nhưng khác nhau về cổngvào ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệttích hợp sẵn trong thư viện của

hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phânbiệt với nhau tong tên gọi bằng tên cụm chữ cái IFM( viết tắt của IntergratedFunction Module ).Ví dụ Module CPU 312IFM,Modul314 IFM…

Ngoìa ra còn có các loại module hai cổng truyền thông,trong đó cổng truyềnthông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loạimodule CPU được phân biệt với những loại CPU khác bằng thêm cụm từ DP( Distrubited port)trong tên gọi Ví dụ module CPU 315-DP

b/Các Modul mở rộng:

Các Modul mở rộng được chia thành 5 loại chính:

- PS(Power Supply): Modul nguồn nuôi

- SM (Signal Module): Modul tín hiệu vào ra bao gồm:

DI (Digital Input) DO (Digital Output) DI/DO ( Digital In/Output) AI(Analog Input)AO ( Analog Output)AI/AO ( Analog In/Output)

- IM ( Interface Module) : Modul ghép nối Đây là loại Modul

chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các Modul mở rộng lại vớinhau thành từng một khối và được quản lí chung bởi một moduleCPU Thông thường các Modul mở rộng được gá liền với nhau trênmột thanh đỡ gọi là Rack

Trên mỗi một Rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng( không kể module CPU,module nguồn nuôi) Một module CPU cóthể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 Rack,và các Rack này phảiđược nối với nhau bằng Module IMIM360 :truyền IM361:nhận

- FM ( Function Module): Các Modul điều khiển riêng,như điều khiển

Servo,điều khiển PID……

- CP( Communication Module):Module truyền thông

4/ Tín Hiệu: Thông thường có 2 tín hiệu

Tín hiệu số: Tín hiệu mức 1 hoặc mức 0 ( true hoặc False), Vd:I0.0,Q0.0…

Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu analog được đọc từ các Modul analog

Vd : PIW256…

5/Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ:

a/Kiểu Bool: True hoặc False ( 0 hoặc 1) VD: M0.0

b/Kiểu Byte : gồm 8 Bit

- OB ( Organisation block) : miền chứa chương trình tổ chức

- FC ( Function) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thành hàm và

có biến hình thức để trao đổi dữ liệu

- FB ( Function block) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thànhhàmvà có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nàokhác .Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng( Data Block khối DB)

b/ Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 7 miền khác nhau

I ( Process image input ) : Miền dữ liệu các cổng vào số,trước khi bắtđầu thực hiện chương trình ,PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầuvào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I.Thông thường chương trình ứng dụngkhông đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu củacổng vào từ bộ đệm I

Q ( Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số Kếtthúc giai đoạn thực hiện chương trình,PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Qtới các cổng ra số.Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tậncổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q.

M ( Miền các biến cờ): CHương trình ứng dụng sử dụng những biến này

để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit (M) ,byte(MB),từ (MW) hay từ kép (MD)

T ( Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian ( Timer) bao gồm việc lưutrữ giá trị thời gian đặt trước ( PV-Preset Value ),giá trị đếm thời gian tức thời( CV –Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian

C ( Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặttrước ( PV- PresetValue),giá trị đếm tức thời ( CV _ Current Value)và giá trịlogic đầu ra của bộ đệm

PI : Miền địa chỉ cổng vào của các Modul tương tự ( I/O External input).Các giá trị tương tự tại cổng vào của modul tương tự sẽ được module đọc vàchuyển tự động theo những địa chỉ.Chương trình ứng dụng có thể truy cậpmiền nhớ PI theo từng Byte ( PIB),từng từ

PIW hoặc từng từ kép PID

PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự ( I/O ExternalOutput).Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyểntới các cổng ra tượng tự Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQtheo từng Byte (PQB),từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD)

c/ Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm 2 loại:

DB(Data Block):Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối .Kíchthước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định ,phù hợp với từngbài toán điều khiển.Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit(DBX),byte (DBB),từ (DBW) hoặc từ kép (DBD)

L (Local data block) : Miền dữ liệu địa phương ,được các khối chươngtrình OB,FC,FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ

liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó Nội dung củamột khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tươngứng trong OB ,FC,FB.Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit(L),byte(LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD).

7/Các Loại CPU:

CPU 312: Bộ nhớ làm việc 16KB ,chu kì lệnh 0.1us

CPU 312C : Bộ nhớ làm việc 16KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp sẵn10DI/6DO,2 Xung tốc độ cao 2.5KHz,2 kênh đọc xung tốc độ cao10Khz

CPU 312IFM : Bộ nhớ làm việc 6KB,chu kì lệnh 0.6us,tích hợp sẵn10DI/6DO

CPU 313 : Bộ nhớ làm việc 12KB,chu kì lệnh 0,6us

CPU 313C : Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0,1us, tích hợp sẵn24DI,16DO,5AI, 2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênhđọc xung tốc độ cao (30Khz)

CPU 313C-2DP: Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợpsẵn

24DI,16DO, 5AI,2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênhđọc xung tốc độ cao (30Khz),có 2 cổng giao tiếp

CPU 313C-2PtP : Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợpsẵn

24DI,16DO, 5AI,2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênhđọc xung tốc độ cao (30Khz),có 2 cổng giao tiếp

MPI+ PtP connector (RS-422/485 (ASCII, )

CPU 314: Bộ nhớ làm việc 24KB ,chu kì lệnh 0.3us

CPU 314IFM : Bộ nhớ làm việc 24KB,chu kì lệnh 0.3us, tích hợpsẵn 20DI/16DO ,4AI

/ 1AO