Phần cứng PLC cơ bản

Để có thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý CPU, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, d

TÂN PHÁT

Địa chỉ: Số 168 – Phan Trọng Tuệ – Thanh Liệt - Thanh Trì – Hà Nội

Điện thoại: 04.3685.7776/ Fax: 04 3685.7775 Website: www.tpa.com.vn - Email: tpa@tpa.com.vn

TÌM HIỂU PHẦN CỨNG PLC

Mã: EXAT.0017.00

Mục lục

1 Cấu tạo chung của PLC S7-300 3

2 Phân loại PLC theo cấu trúc 3

3 Cấu hình tập trung 4

4 Cấu hình vào ra phân tán 7

5 Mạng MPI (Multi-point-Capable-Interface) 9

1 Cấu tạo chung của PLC S7-300

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) viết tắt là PLC, là loại

thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số

Để có thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn phải

có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như: Bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng

Hình 1 Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình (PLC)

2 Phân loại PLC theo cấu trúc

2.1 PLC có cấu trúc Onboard.

Thông thường loại PLC này có sẵn một số cổng vào/ra cố định Một số cũng được tích hợp giao diện truyền thông cho một lọai bus trường

Trên loại CPU này có tích hợp các chức năng khác

+ Cung cấp nguồn

+ Giám sát hệ thống

+ Soạn thảo chương trình điều khiển

Ví dụ như LOGO, trên CPU của nó tích hợp cả chức năng vào/ra cả màn hình giám sát, tích hợp

cả các phím lập trình

CPU

Bộ nhớ chương trình

Bộ đệm vào / ra

Khối vi xử

lý trung tâm +

Hệ điều hành

Timer Counter Bít cờ

Cổng vào ra onboard

Cổng vào ra onboard

Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

Quản lý ghép nối

Bus của PLC

2.2 PLC có cấu trúc module (Great PLC)

Đối với các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, ta cần sử dụng các PLC có thiết kế module bởi độ linh hoạt cao

Thông thường để tăng tính mềm dẻo của PLC có cấu trúc module, trong ứng dụng thực tế

mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU Các module còn lại là những module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, chúng được gọi chung là module mở rộng Tất cả các module được gá trên các thanh ray (Rack)

Các module của PLC S7-300

 Module nguồn (PS)

 Module CPU

 Module tín hiệu vào/ra (SM)

 Module chức năng (FM)

 Module giao diện (IM) để nối các giá trong hệ SIMATIC S7-300

3 Cấu hình tập trung

Trong hệ thống điều khiển tập trung một máy tính duy nhất được sử dụng để điều khiển các quá trình con, các bộ cảm biến và chấp hành được nối trực tiếp, điểm đến với máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra của nó Mỗi bộ cảm biến nối với một cổng vào và mỗi thiết

bị chấp hành nối với một cổng ra bằng một dây nối riêng biệt Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ trí tuệ vào một thiết bị điều khiển duy nhất

Cấu trúc tập trung như vậy thường thích hợp cho việc tự động hóa các loại máy móc, các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện Ngoài ra còn có các ưu điểm sau:

+ Tiết kiệm dây nối và công đi dây

+ Giảm kích thước hộp điều khiển

+ Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản

+ Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

+ Khả năng chuẩn đoán lỗi tốt hơn

+ Tăng độ tin cậy của hệ thống

 Tuy nhiên cấu trúc này bộc những hạn chế sau:

+ Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

+ Việc mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn

+ Độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất

Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống, có thể dùng thêm một máy tính dự phòng giống hệt máy tính chính Tuy nhiên, trong trường hợp đó giá thành hệ thống bị đẩy lên rất cao

Hình 2 Cấu hình tập trung

3.1 Kết nối hệ SIMATIC PLC S7-300

Một trạm PLC có 4 thanh Rack và trên mỗi thanh Rack có một Module IM (Interface Module ) là Module ghép nối dùng để liên kết các Module mở rộng lại với nhau tạo thành một khối Với PLC có ghép các Module mở rộng thì địa chỉ được xác định cho các Module mở rộng từ 0.0  127.7, mỗi Module được gán địa chỉ riêng Ví dụ tại thanh rack 0 có ghép tất cả 10 Module trong

đó gồm một Module nguồn nuôi CPU, một Module ghép nối IM gửi, tại Slot 4 được ghép nối Module DI với 32 đầu vào số, địa chỉ của đầu vào này từ I0.0I3.7 Tại Slot 5 có Module DO với

32 đầu ra số với địa chỉ là Q4.0Q4.7

Slot1 Slot2 Slot3 Slot4 Slot5 Slot6 Slot7 Slot8 …Slot11

Slot1: Tùy chọn Slot2: Phải khai báo CPU Slot3: Interface Moule dùng để mở rộng rack Slot1 4 đến Slot11: SM, FM, CP

Hình 3 Cấu hình phần cứng

- Việc ghép nối được thực hiện theo từng giá bắt đầu từ giá có địa chỉ 0 Giá có địa chỉ 0 là giá có module CPU và được gọi là giá trung tâm

- Các module ghép nối trên giá trung tâm có địa chỉ từ 1 cho đến 11

- Với S7-300 có tối đa là 4 giá

3.2 Phương pháp gán địa chỉ tự động

Một trạm PLC được hiểu là gồm một Module CPU ghép nối với các Module mở rộng như Module DI, DO, AI… Các Module được gắn trên thanh các rack và được liên kết với nhau bởi Module IM (Interace Module) Module ghép nối Việc truy cập của CPU vào các Module mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng Tuỳ thuộc vào việc lắp đặt các Module mở rộng trên thanh rack mà chúng được gán các địa chỉ khác nhau

a Gán địa chỉ cho các Module tương tự

Địa chỉ đánh theo các khe, mỗi khe gồm 4 byte địa chỉ, tăng từ thấp đến cao Với

S7-300 từ rack 0 đến rack 3, rack 0 địa chỉ bắt đầu từ khe 4 trở đi, còn từ rack 1 thì địa chỉ từ khe thứ 2

Gán địa chỉ cho các Module số

IM nhậ n IM nhậ n IM nhậ n IM Gửi

CPU

+ng

uồn

Rack 3

Rack 2

Rack 1

Rack 0

Hình 4 Cấu trúc lắp ghép của một trạm PLC

IM nhận IM nhận IM nhận IM Gửi

CPU+

nguồ

n

Rack 3

Rack 2

Rack 1

Rack 0

96.0 99.7 64.0 67.7 32.0 35.7 0.0 3.7

100.0 103.7 68.0 71.7 36.0 39.7 4.0 7.7

104.0 107.7 72.0 75.7 40.0 43.7 8.0 11.7

108.0 111.7 76.0 79.7 44.0 47.7 12.0 15.7

112.0 115.7 80.0 83.7 48.0 51.7 16.0 19.7

116.0 119.7 84.0 87.7 52.0 55.7 20.0 23.7

120.0 123.7 88.0 91.7 56.0 59.7 24.0 27.7

124.0 127.7 92.0 95.7 60.0 63.7 28.0 31.7

Slot 4 Slot 11

Hình 5 Quy tắc xác định địa chỉ cho các Module số

3.3 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và Module mở rộng

Việc trao đổi giữ liệu giữa CPU và các Module mở rộng được thực hiện qua bus nội bộ, ở đầu vòng quét dữ liệu tại cổng vào số DI được CPU chuyển tới bộ đệm vào số, tại cuối vòng quét tại bộ đệm ra số lại được CPU chuyển tới cổng ra DO Khác với việc vào ra số, việc vào ra tương

tự lại được thực hiện trực tiếp với Module mở rộng (AI/AO), như vậy mỗi lần đọc giá trị tại vùng địa chỉ PI (Peripheral Input) sẽ thu được một giá trị thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh, khi thực hiện lệnh gửi địa chỉ đến vùng PQ giá trị đó được gửi ngay đến cổng ra của

Module

Sự khác nhau về mặt trao đổi dữ liệu tương tự và số đó là do đặc thù về sự tổ chức bộ nhớ và phân chia địa chỉ của S7-300 Chỉ có các địa chỉ vào/ ra số mới có bộ đệm còn Module vào/ ra tương tự thì không có mà chỉ được cung cấp địa chỉ để truy cập (PI và PQ)

4 Cấu hình vào ra phân tán

Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của hệ thống Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau, để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Trong phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống, giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy của hệ thống của hệ thống được nâng cao nhờ

sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức

và ghép nối với cấp điều hành sản xuất

Hình 6 Cấu hình vào ra phân tán Thiết bị vào/ra phân tán khác với một PLC ở chỗ nó không có bộ xử lý trung tâm CPU Thay vào đó, nó được tích hợp các vi mạch giao diện mạng cũng như phần mềm xử lý giao thức Tùy theo cấu trúc của thiết bị vào/ra phân tán là dạng module hay dạng gọn nhẹ mà phần giao diện mạng được thực hiện bằng một module riêng biệt hay không

Hình 7 Cách nối mạng Profilbus-DP cho một thiết bị vào/ra phân tán có cấu trúc module

Về nguyên tắc, phương pháp này không khác so với cách ghép nối các bộ PLC

Có 2 loại module CPU để ghép nối vào/ ra phân tán:

Với module CPU này đã có sẵn cổng DP để nối với mạng vào/ra phân tán ta chỉ phải nháy đúp phím trái chuột vào biểu tượng của cổng DP để nối với mạng vào/ra phân tán, sau đó ta gắp các ET200 vào mạng Từ các ET vừa gắp ta có các thiết bị vào/ra phân tán

PS Interface DI DO AI AO Module

Cổng DP Profibus-DP

Distributed

I/0

5 Mạng MPI (Multi-point-Capable-Interface)

Mạng MPI là mạng giao diện nhiều điểm phục vụ cho việc nối máy lập trình với các thiết

bị ngoại vi khác Trong thiết bị điều khiển logic khả trình(PLC), chỉ tồn tại một đường nối duy nhất với máy lập trình MPI tạo ra khả năng ghép nối với các module khả trình khác như FM Giao diện MPI được nối bằng các bus ở phía sau như một bus truyền thông

Ghép nối: Một vài thiết bị có khả năng ghép nối dữ liệu với CPU

Khả năng: Một máy lập trình có khả năng cùng làm việc song song với một panel điều

hành, và nối thêm một PLC nữa Có thể nối đồng thời đồng nhiều điểm trong một CPU Bốn điểm /node có thể nối trong CPU 314

Hình 8 Ghép nối các trạm qua MPI

Đặc điểm của MPI: Sự linh hoạt của mạng MPI được thể hiện bằng văn bản trên màn

hình, bằng các panel điều hành, và bằng máy lập trình của Siemens, mạng MPI cung cấp các khả năng sau đây:

 Lập trình CPU và cổng vào/ra thông minh

 Chức năng điều hành hệ thống và chức năng thông báo

 Trao đổi dữ liệu giữa máy lập trình và PLC

 Trao đổi chương trình giữa CPU và thiết bị lập trình

 Cổng RS 485 và tốc độ truyền thông 187.5 Kbaud

+ Khoảng cách từ 50m cho đến 9100m cần có khuyếch đại trung gian(bộ phục hồi)

+ Các thành phần tiêu chuẩn của mạng PROFIBUS (Cable, nối, và bộ phục hồi)

1.6.2 Các bước khai báo một mạng MPI

a Nhập các S7-Station.

+ Để nhập các S7-Station ta tạo một Project mới và khai báo phần cứng

+ Sau đó ta vào InsertStationSIMATIC 300 Station hoặc InsertStationSIMATIC 400 Station

b Khai báo địa chỉ cho các trạm

+ Muốn khai báo địa chỉ cho các trạm ta nháy kép phím trái chuột vào tên module CPU trong bảng khai báo phần cứng để vào chế độ đặt lại tham số làm việc, trong đó ta lại chọn tiếp General  MPI và sửa lại địa chỉ ở Address

Trạm 1

Trạm 3

Trạm 2

Trạm 4

MPI

c Compile và soạn thảo trong bảng dữ liệu truyền thông Global Data Block

+ Để vào chế độ soạn thảo dữ liệu truyền thông ta vào:

View  Global Data Block

Hình 9 Soạn thảo dữ liệu truyền thông Global Data Block

d Ghép nối các trạm

Hình 10 Ghép nối PLC qua Profibus

e Download

Sau khi đã quy định địa chỉ MPI cho các module CPU ta phải ghi lại địa chỉ đó lên module CPU Công việc ghi địa chỉ MPI lên module CPU được thực hiện cùng với việc ghi tất cả các

tham số quy định chế độ làm việc của module bằng cách kích vào biểu tượng Download trên

thanh công cụ hoặc chọn PLC Download

Xin cảm ơn sự quan tâm của quý khách hàng về sản phẩm của chúng tôi, rất mong nhận được góp ý của quý khách hàng về tài liệu, sản phẩm để chúng tôi nâng cao hiệu quả khai thác,

sử dụng thiết bị

Người biên soạn tài liệu: ………

Địa chỉ email: doc.info@tpa.com.vn

Số điện thoại: : 04.3685.7776