Giáo trình Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử

ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Tốc độ của động cơ không đồng bộ được xác định bằng biểu thức: n = n11 – s = 60p f 1 - s vong phut Từ biểu thức ta thấy: với động cơ điện không đồ

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 3

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Cấu tạo 3

1.1.3 Phân loại 3

1.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 5

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8

1.2.3 các phương pháp điều chỉnh tốc độ 13

1.3 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 13

1.3.1 Đặc điểm 13

1.3.2 Phân loại 13

1.3.3 Cấu tạo 13

1.3.4 Nguyên lý làm việc 15

1.3.5 Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha 16

1.4 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 18

1.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 18

1.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số 19

1.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho Stato 20

1.4.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn 21

Chương 2 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC S7-300 22

2.1 Giới thiệu chung về PLC S7-300 22

2.1.1 Các module của PLC S7-300 23

2.1.2 Kiểu dữ liệu và phan chia bộ nhớ 28

2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ CPU 29

2.1.4 Vòng quét chương trình 31

2.1.5 Cấu trúc chương trình 32

2.1.6 Những khối OB đặc biệt 34

2.1.7 Tổ chức bộ nhớ của CPU 36

2.1.8 Xác định địa chỉ cho module mở rộng 37

2.1.9 Trao đổi dữ liệu giữa các CPU và các module mở rộng 38

2.2 Ngôn ngữ lập trình 40

2.2.1 Toán hạng địa chỉ 40

2.2.2 Thanh Ghi Trạng Thái 41

2.2.3 Nhóm lệnh logic tiếp điểm 43

2.2.4 Bộ thời gian (Timer) 47

2.2.5 Bộ đêm counter 53

2.3 Sử dụng phần mềm STEP7 56

2.3.1 Cài đặt phần mềm Step7 56

2.3.2 Soạn thảo một Project 58

2.3.3 Xây dựng cấu trình cứng và chương trình cho trạm PLC 59

Chương 3 ỨNG DỤNG CỦA PLC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP 64

3.1 Điều khiển mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc 64

3.2 Mở máy qua 3 cấp điện trở phụ 66

3.3 Điều khiển 3 băng tải 72

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY ĐIỆN 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỆN

1.1.1 Định nghĩa

Máy điện là thiệt bị điện từ làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Dùng đểbiến đổi dạng năng lượng cơ năng thành điện năng (máy phát điện) hoặc ngược lạibiến đổi điện năng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc dùng để biến đổi thông sốđiện như biến đổi U, I, F, số pha

Máy điện là máy thường gặp nhiều trong các ngành kinh tế như: công nghiệp,giao thông vận tải và trong các dụng cụ sinh hoạt trong gia đình

Máy điện có nhiều loại và được phận loại theo nhiều cách khác nhau:

+ Theo công suất

+ Theo cấu tạo

+ Theo chức năng

+ Theo loại dòng điện (xoay chiều, một chiều)

+ Theo nguyên lý làm việc

Phân loại theo nguyên lý làm việc được chia làm hai loại:

- Máy điện tĩnh: thường gặp là máy biến áp Làm việc dựa trên hiện tượngcảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây không có chuyển độngtương đối với nhau

Máy điện tĩnh thường dùng để biến đổi thông số điện năng U1, I1, f thành điệnnăng có thông số U2, I2, f hoặc ngược lại biến đổi U2, I2, f thành U1, I1, f

- Máy điện động (quay hoặc chuyển động thẳng): làm việc dựa vào hiện tượngcảm ứng điện từ, lực điện từ do từ trường và dòng điện của các cuộn dây có chuyểnđộng tương đối với nhau gây ra Loại máy điện này thường dùng để biến đổi điệnnăng thành cơ năng (động cơ điện) hoặc biến đổi điện năng thành cơ năng (máyphát điện) Quá trình biến đổi có tính chất thuận nghịch nghĩa là máy điện có thểlàm việc ở chế độ máy phát hoặc động cơ.

Sơ đồ phân loại máy điện thông dụng

1.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Máy điện xoay chiều

Máy điện một chiều

Máy phát không đồng bộ

Máy đồng bộ

Máy phát đồng bộ

Động

cơ không đồng bộ

Máy không đồng bộ

Máy biến áp

Động

cơ đồng bộ

Máy điện

Động

cơ một chiều

Máy phát một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phầnđộng.

Hình 1-1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Dây quấn phần ứngGông từ

Lõi sắtCực từ phụ

Dây quấn cực từ phụ

Dây quấn cực từ chínhCực từ chính

stato

Hình 1-2 Cấu tạo cực từ chính b) Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏmáy nhờ những bulông

c) Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d) Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn cótác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than baogồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộpchổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió

để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạnnhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làmviệc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vàotrục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto cóthể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

b) Dây quấn phần ứng

Hình 1-3 Sơ đồ cách quấn dây

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máyđiện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máyđiện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩnthận với rãnh của lõi thép.

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đèchặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

Hình 1- 4 Cấu tạo cổ góp

1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thìmạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi

là động cơ kích từ song song (hình 1- 5)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (hình 1- 6), lúc nàyđộng cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập

 Phương trình đặc tính cơ

Theo sơ đồ (hình 1- 6), có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạchphần ứng như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1-1)Trong đó:

IKT

-E I

+

-Hình 1-5 Sơ đồ nối dây của động

cơ kích từ song song

Hình 1- 6 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Rf

Rf

rcf : điện trở cuộn cực từ phụ,

rb : điện trở cuộn bù,

rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư = . K.

a 2

N.p

Trong đó: K =

a2

N.p

 - hệ số cấu tạo của động cơ,

p – số đôi cực từ chính,

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng,

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

 - từ thông kích từ dưới một cực từ Wb,

 - tốc độ góc, rad/s Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì:

 =

60

n

2 

Vì vậy Eư = n

a

N p

60



Ke =

a.60

N.p

: Hệ số sức điện động của động cơ,

Ke = 0,105K

55,9K



 = ­ ­ f I­

K

RR

K

RR

K

U

2 f

Giả thiết phản ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì các phương trình đặctính cơ điện (1 - 4 ) và phương trình đặc tính cơ (1 - 7) là tuyến tính Đồ thị củachúng được biểu diễn trên (hình 1 - 7).

Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :

­

RR

Inm, Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch,

Mặt khác, phương trình đặc tính (1 - 4) và (1 - 7) cũng có thể được viết ởdạng:

Hình 1- 7 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cơ của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập.

U

2)

Trong đó R = Rư + Rf , o =

K

U­

)K(

RI

.K

1.3.2 Phân loại

- Động cơ không đồng bộ một pha: chỉ có một dây quấn làm việc (đối với động

cơ có công suất nhỏ hơn 600w)

- Động cơ không đồng bộ hai pha: có hai dây quấn làm việc, trục của hai dâyquấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện (động cơ có công suất nhỏhơn 600w)

- Động cơ không đồng bộ ba pha: có ba dây quấn làm việc thường làloại động

cơ có công suất lớn hơn 600w, trục các dây quấn đặt lệch nhau trong không gianmột góc 1200 điện

1.3.3 Cấu tạo

Nhìn chung động cơ không đồng bộ ba pha gồm hai phần chính:

- Stato: là phần cố định tạo ra từ trường quay, được cấu tạo bởi các lá sắt có từtính hàm lượng silic từ 1% đến 2%, được ghép lại thành một khối trụ ống, phíatrong là stato có các đường rãnh là nơi đặt các cạnh dây dẫn Ba cuộn pha được bốtrí đều trên stato và lệch nhau một góc 1200 điện Phần mạch từ stato thường được

cố định trong thân máy là vỏ bọc bằng tôn lá hoặc bằng gang đúc có đế vững chắc

- Rôto: là phần quay cũng dược cấu tạo bởi các lá sắt từ tính ghép lại thànhkhối trụ đặc và xung quanh trụ có các đường rãnh là nơi đặt các thanh rãnh bằngđồng hoặc nhôm đúc Các đầu thanh dẫn được nối ngắn mạch với nhau tạo thànhmạch kín dang lồng sóc.

Rôto chế tạo dạng này gọi là roto lồng sóc và thường đúc các cánh quạt phụthông gió dính liền với roto

Đối với động cơ không đồng bộ ba pha có công suất lớn người ta thường chếtạo với loại roto dây quấn đẻ đạt ưu điểm khi khởi động động cơ.Loại roto nàyđược quấn ba cuộn dây tương ứng với ba pha và mắc hình Y Ba đầu dây của bacuộn pha này được nối với ba vành đồng và chúng được nối ngắn mạch lại bởi biếntrở khởi động ba pha

1.3.4 Nguyên lý làm việc

Khi cho dòng điện ba pha tần số f vào ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từtrường quay p đuôi cực, quay với vận tốc n1= 60P f

Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto cảm ứng các sức điệnđộng Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòngtrong các thanh dẫn roto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy vớithanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ

n nhưng tốc độ quay của roto bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ quay của từ trườngquay Vì thế động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ

1.3.5 Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha có mômen mở máy Để mở máy được mômen

mở máy của động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy, đồng thờimômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở mảytong pham vi cho phép

Khi mở máy hệ số trượt S = 1, theo sơ đồ thay thế gần đúng, dòng điện phalúc mở máy:

- Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp váo mạch stato

Khi khởi động: CD2 cắt, đóng CD1 để nối dây quấn stato vào lưới thông qua

Ck, động cơ quay ổn định, đóng CD2 để ngắn mạch điện kháng, nối trực tiếp dâyquấn stato vào lưới

- Khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu

Trước khi khởi động: cắt CD2, đóng CD3, MBA tự ngẫu để ở vị trí điện ápđặt vào động cơ khoảng (0,6 – 0,8)Uđm, đóng CD1 để nối dây nối dây quấn statovào lưới điện thông qua MBA TN, động cơ quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 đểngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới.

- Khởi động bằng đổi nối Y - 

Khi máy làm việc bình thường động cơ nối tam giác , khi khởi động nối hìnhsao Y Sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối tam giác để làm việc

Khi khởi động động cơ bằng cách đổi nối Y -  dòng điện khởi động giảm 3lần và mômen khởi động giảm 3 lần

1.4 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Tốc độ của động cơ không đồng bộ được xác định bằng biểu thức:

n = n1(1 – s) = 60p f (1 - s) vong phut

Từ biểu thức ta thấy: với động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc có thểđiều chỉnh tốc đọ bằng cách thay đổi tần số dòng điện Stato bằng cách đổi nối dâyquấn Stato để thay đổi số đôi cực từ p của từ trường, hoặc thay đổi điện áp đặt vàoStato để thay đổi hệ số trượt s Hai phương pháp này đều thực hiện ở

thay đổi điện trở rôto để thay đổi hệ số trượt s việc điều chỉnh được thực hiện ởphía roto.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

+ Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho Stato

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch Roto của động cơ Rotodây quấn

1.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

Số đôi cực của từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn vì vậy thay đổi

số đôi cực p bằng cách thay đổi sơ đồ đấu dây của Stato động cơ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo dây quấn để thay đổi số đôi cực từ đượcgọi là động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ Phương pháp này chỉ sử dụng chođộng cơ loại Roto lồng sóc

Mặc dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp nhưng có ưu điểm là giữ nguyên độ cứngcủa đặc tính cơ, động cơ nhiều cấp tốc độ được sử dụng rộng rãi trong các máyluyện kim, máy tàu thuỷ

1.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

Có hai phương pháp:

+ Thay đổi tần số f của dòng điện Stato bằng bộ biến đổi tần số

+ Tăng tần số đồng thời tăng tốc độ động cơ

Trong thực tế thường dùng hệ biến đổi tần số là biến tần Việc điều chỉnh tốc

độ quay bằng cách thay đổi tần số thích hợp với điều chỉnh nhóm động cơ lồng sóc Đặc điểm:

+ Khi điều chỉnh tần số phải điều chỉnh cả điện áp sao cho U f không đổi.+ Điều chỉnh tốc độ bằng tần số cho phép điều chỉnh tốc độ một cách bằngphẳng trong phạm vi rộng nhưng giá thành còn khá lớn

1.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho Stato

Phương pháp này chỉ được thực hiện việc giảm điện áp Khi giảm điện ápđường đặc tính M = f(s) sẽ thay đổi Vì vậy hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơthay đổi Hệ số trượt s1, s2, s3 ứng với điện áp U1đm, 0.85U1đm, và 0.7U1đm

Nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng điện áp là:

+ Giảm khả năng quá tải của động cơ

+ Dải điều chỉnh tốc độ động cơ hẹp

+ Tăng tổn hao ở dây quấn Roto Pdt = sPdt = sM1

Việc điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp được dùng chủ yếu với các động

cơ công suất nhỏ có hệ số trượt tới hạn sth lớn

1.4.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch roto của động cơ roto dây quấn

Thay đôỉ điện trở dây quấn roto, bằng cách mắc biến trở 3 pha vào mạch roto Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài lên có kích thước lớn so vớibiến trở mở máy Họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ roto dây quấn khi cóbiến trở điều chỉnh tốc độ

M

Mc M mở M M mở 0

Rm

Ta thấy rằng khi tăng điện trở tốc độ quay của động cơ giảm

Nếu mômen cản không đổi, dòng roto không đổi, khi tăng điện trở để giảm tốc

độ sẽ tăng tổn hao công suất trong biến trở, do vậy phương pháp này không kinh tế.Tuy nhiên phương pháp đơn giản, điều chỉnh trơn và khoảng điều chỉnh tương đốirộng, được sử dụng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ công suất cỡ trung bình Nói chung khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ bị hạn chế.Đây là một nhược điểm của động cơ không đồng bộ

Chương 2 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC S7-300

2.1 Giới thiệu chung về PLC S7-300

Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiệnlinh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay choviệc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy với chương trình điềukhiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán vàđặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặcvới máy tính) Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng các khốichương trình (OB, FC, FB ) và được thực hiện với chu kì quét

Hình 2.1 Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình PLC

Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển Tất nhiên PLC phải có tínhnăng như một máy tính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm (CPU), một hệđiều hành, một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng như dữ liệu và tất

nhiên phải có các cổng vào rađể giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó,nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng nhưTimer, Counter, và các hàm chức năng đặc biệt khác

* Các Tín hiệu kết nối với PLC:

- Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2 trị 0 hoặc 1

Đối với PLC Siemens :

+ Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch+ Mức 1 : Tương ứng với 24V

Vd: Các tín hiệu từ nút nhấn, từ các công tắc hành trình… đều là những tín hiệu số

- Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA…

Vd: Tín hiệu đọc từ Loadcell, từ cảm biến lưu lượng…

- 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 thức RS232, RS485, Modbus…

2.1.1 Các module 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 loại tínhiệu vào ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá

về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các Modul Số các Modul được sử dụngnhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng có Modul chính làModul CPU Các Modul còn lại là những Modul nhận truyền tín hiệu với đối tượngđiều khiển, các Modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ…Chúng được gọi chung là Modul mở rộng Tất cả các Modul được gắn trên nhữngthanh ray (Rack)

Hình 2.2 Cấu trúc PLC S7-300

a/ Modul CPU: Modul CPU là loại Modul chứa vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) Và có thể còn có một vài cổngvào 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 vềcổng vào ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt tích hợp sẵn trong thư việncủa 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… Ngoài ra còn cócác loại module hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ 2 có chứcnăng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loại module CPU được phânbiệt với những loại CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distrubited port) trong têngọi Ví dụ module CPU 315-DP

Hình 2.3 Cổng giao tiếp trong các PLC

b/ Mudule mở rộng

- PS (Power Supply) : Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A và 10A

- SM (Signal Module) : Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, gồm có:

• DI (Digital Input) : Module mở rộng các cổng vào số với số lượng cổng

có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo từng loại module Gồm 24VDC và 120/230VAC

• DO (Digital Output) : Module mở rộng các cổng ra số với số lượng cổng

có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo từng loại module Gồm 24VDC và ngắt điện từ

• DI /DO (Digital Input/Digital Out) : Module mở rộng các cổng vào/ra số

với số lượng cổng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy theo từng loại module

• AI (Analog Input) : Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất

chúng là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương

tự được chuyển đổi thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits Số các cổngvào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module Tín hiệu vào có thể là áp,dòng, điện trở

• AO (Analog Output) : Module mở rộng các cổng ra tương tự Chúng là

những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits (DA) Số các cổng ra tương tự có thể là 2,

4 hoặc 8 tùy theo loại module Tín hiệu ra có thể là áp hoặc dòng

• AI /AO (Analog Input/Analog Output) : Module mở rộng các cổng

vào/ra tương tự Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy theotừng loại module

- IM (Interface Module) : Module ghép nối Đây là loại module chuyên dụng có

nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đượcquản lý chung bởi một module CPU Thông thường các module mở rộng được gáliền với nhau trên một thanh rack Trên mỗi thanh rack chỉ có thể gá tối đa 8module mở rộng (không kể module CPU, nguồn nuôi) Một module CPU S7-300

nhau bằng module IM

- FM (Function Module) : Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như

module điều khiển động cơ servo, module điều khiển động cơ bước, module PID,module điều khiển vòng kín, Module đếm, định vị, điều khiển hồi tiếp …

- CP (Communication Module) : Module phục vụ truyền thông trong mạng

(MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet) giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC vớimáy tính

Hình 2.4 Cấu trúc ghép qua module IMCác module được ghép với nhau trên một thanh rack được truyền thông quamột bus nối giữa các module theo thứ tự trên thanh rack lại với nhau như hình4.5.Bus này được bắt đầu từ module CPU

Hình 2.5 Ghép nói các module

• Trạng thái hiển thị LED:

- SF = Lỗi nhóm, chương trình sai hay lỗi từ khối chuẩn đoán

- BATF = Lỗi Pin, Pin hết hay không có pin

- DC5V = Báo có 5 VDC

- FRCE = Sáng lên khi biến cưỡng bức tác động

- RUN = Nhấp nháy khi CPU khởi động, ổn định ở chế độ RUN

+ Chớp chậm khi có yêu cầu RESET bộ nhớ+ Chớp nhanh khi đang RESET bộ nhớ

• Chìa khóa công tắc: Để đặt bằng tay các trạng thái hoạt động của CPU

- MRES = Reset bộ nhớ (Reset khối) Để reset CPU trước hết ta chuyển vềchế độ stop, sau đó gạt qua MRES và giữ trong 3s Tiêp đó nhả vể STOP và gạt vềMRES lần 2 trong khoảng thời gian <3s và giữ ở vị trí này thì CPU sẽ reset bộ nhớcủa mình

- STOP = Trạng thái dừng STOP, chương trình không thực hiện

- RUN-P = Trạng thái chạy RUN, CPU thực hiện chương trình

- RUN = Chương trình được thực hiện, hoặc có thể, tuy nhiên, chỉ đọc thôi không sửa được chương trình

2.1.2 Kiểu dữ liệu và phan chia bộ nhớ

- Bool: là kiểu bit chỉ có giá trị 0 hoặc 1 (đúng hoặc sai)

- Byte: 8 bit, thường để biểu diễn một số trong khoảng 0 – 255

o L B#16#14 //nạp vào số 14 theo hệ số Hex

- Word: gồm 2 byte, biểu diễn một số trong khoảng 0 – 65535

- REAL: gồm 4 byte, biểu diễn một số thực dấu phẩy động

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

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

có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

iii/ FB (Function block) : Miền chứa chương trình con, được tổ chức thànhhàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác Các

dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (Data Block khốiDB)

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 bắt đầuthực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cấtgiữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trựctiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I

giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới cáccổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra

mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q

M (Miền các biến cờ) : CHương trình ứng dụng sử dụng những biến này đểlưu 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 lưu trữ giátrị 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- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV _ Current Value) và giá trị logicđầu ra của bộ đệm PI : Miền địa chỉ cổng vào của các Modul tương tự (I/OExternal input) Các giá trị tương tự tại cổng vào của modul tương tự sẽ đượcmodule đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ Chương trình ứng dụng có thểtruy cập miền 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 External Output).Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ratượng tự Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo 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 Kích thướccũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điềukhiển 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 chương trình

OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu củabiến hình thức với những khối chương trình gọi nó Nội dung của một khối dữ liệutrong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng 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)

2.1.4 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòngquét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổngvào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trongtừng vòng quét chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối

OB ( Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nộidung của bộ đệm ảo Qtới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạntruyền thông nội bộvà kiểm tra lỗi

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào ra tương tự nêncác lệng truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lí chứ khôngthông qua bộ đệm Thời gian cần thiết để PLC thực hiện 1 vòng quét gọi là thờigian vòng quét (Scan Time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phảivòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòngquét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnhtrong chương trình được thực hiện và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lí, tính toán và việc gởi tínhiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gianvòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực củachương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gianthực của chương trình càng cao

Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khốiOB40, OB80… chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét

được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở tronggiai đoạn thực hiện chương trình Chẳng hạn nếu 1 tín hiệu báo ngắt xuất hiện khiPLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ ngừng công việctruyền thông, kiểm tra để thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báongắt đó Với hình thức xử lí tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớnkhi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tínhthời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình

xử lí ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trìnhđiều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trựctiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số.Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệđiều hành CPU quản lí ở 1 số modul CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức, hệthống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lí ngắt, để thựchiện lệnh trực tiếp với cổng vào ra

a/ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ

nhớ Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ,không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét vàthực hiện các lệnh trong đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng vàquay lại lệnh đầu tiên

Hình 2.7 Lập trình tuyến tính

b/ Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và

mỗi phần thực thi những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằmtrong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp vớinhững bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7_300 có 4 loại khối

cơ bản sau:

- Loại khối OB ( Organization Block) : Khối tổ chức và quản lí chươngtrình điều khiển Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúngđược phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm kí tự OB Ví dụ: OB1,OB35, OB40, OB80

- Loại khối FC (Program block) : Khối chương trình với những chức năngriêng giống như 1 chương trình con hoặc một hàm ( chương trình con có biến hìnhthức) Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC nàyđược phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm kí tự FC Ví dụ: FC1,FC2

- Loại khối FB ( Function Block) :Là loại khối FC đặc biệt có khả năngtrao đổi 1 lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phhải

ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối Fb này được phân biệt với nhau bằngmột số nguyên sau nhóm kí tự FB Chẳng hạn như FB1, FB2…

- Loại khối DB ( Data Block) : Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiệnchương trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứngdụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này được phân biệt với nhau bằngmột số nguyên sau nhóm kí tự DB Ví dụ: DB1, DB2…

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệng gọi khối,chuyển khối Xem những phần chương trình trong các khối như là các chương trìnhcon thì S7_300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là chương trình connày gọi một chương trình con khác và từ một chương trình con được gọi lại gọi tớimột chương trình con thứ 3… Số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủngloại module CPU mà ta đang sử dụng Ví dụ đối với module CPU 314 thì số lệnhgọi lồng nhau nhiều nhất có thể cho phép là 8.Nếu số lần gọi khối lồng nhau màvượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ tự chuyển qua chế độ Stop và đặt cờbáo lỗi

Hình 2.8 Lập trình có cấu trúc

2.1.6 Những khối OB đặc biệt

Trong khi khối OB được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét trong giai đoạnthực hiện chương trình thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi xuất hiện tínhiệu báo ngắt tương ứng, nói cách khác chương trình viết cho các khối OB nàychính là chương trình xử lí tín hiệu ngắt (event) Chúng bao gồm:

- OB10 ( Time of Day Interrupt) : Chương trình trong khối sẽ được thực hiệnkhi giá trị của đồng hồ thời gian thực nằm trong một khoảng thời gian đã được quyđịnh OB10 có thể gọi một lần, nhiều lần cách đều nhau từng phút, từng giơ, từngngày Việc quy định khoảng thời gian hay số lần gọi OB10 được thực hiện nhờchương trình hệ thống

- SFC28 hoặc trong bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm Step7.OB20 (Time Day Interrupt) : Chương trình trong khối sẽ được thực hiện sau mộtkhoảng thời gian trễ đặt trước kể từ khi gọi chương trình hệ thống SFC32 để đặtthời gian trễ

- OB35 (Cyclic Interrupt) : Chương trình trong OB35 sẽ được thực hiện cáchđều nhau 1 khoảng thời gian cố định Mặc định khoảng thời gian này sẽ là 100ms,xong ta có thể thay đổi nó trong bảng tham số của module CPU, nhờ phần mềmStep7

OB40 (Hardware Interrupt) : Chương trình trong OB sẽ được thực hiện khixuất hiện 1 tín hiệu báo ngắt từ ngoại vi đưa vào module CPU thông qua các cổngvào ra số onboard đặc biệt, hoặc thông qua các module SM, CP, FM

OB80 (Cycle Time Fault) : Chương trình trong khối OB80 sẽ được thực hiệnkhi thời gian vòng quét (Scan time) vượt quá khoảng thời gian cực đại đã được quyđịnh hoặc khi có một tín hiệu ngắt gọi một khối OB nào đó mà khối OB này chưakết thúc ở lần gọi trước Mặc định thời gian Scan time cực đại là 150ms, nhưng cóthể thay đổi nó thông qua bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm Step 7

OB81 (Power Supply fault) : CPU sẽ gọi chương trình trong khối OB81 khiphát hiện thấy có lỗi về nguồn nuôi

OB82(Diagnostic Interrupt) : Chương trình trong OB82 được gọi khi CPUphát hiện sự cố từ các Modul vào ra

OB85(Not Load fault) : Chương trình trong OB82 được gọi khi CPU pháthiện thấy chương trình ứng dụng có sử dụng chế độ ngắt nhưng chương trình sử lítín hiệu ngắt lại không có trong khối OB tương ứng

thấy lỗi trong truyền thông ví dụ như không có tín hiệu trả lời từ các đối tác

OB100 (Start Up Information) : Khối OB100 sẽ được thực hiện 1 lần khiCPU chuyển trạng thái Stop sang Run

OB121 (Synchronous error) : Khối OB121 sẽ được gọi khi CPU phát hiệnthấy lỗi logic trong chương trình như đổi sai kiểu dữ liệu hoặc lỗi truy nhập khối

DB, FC, FBkhông có trong bộ nhớ CPU

OB122 (Synchronous error) : Khối OB122 sẽ được gọi khi CPU phát hiệnthấy lỗi truy cập module trong chương trình, ví dụ chương trình có lệnh truy nhậpmodule vào ra mở rộng nhưng lại không tìm thấy module này

2.1.7 Tổ chức bộ nhớ của CPU

Một cách tổng quan bộ nhớ của CPU được chia thành các vùng sau:

- Vùng nhơ chứa các thanh ghi

- Vùng Sysem memory

- Vùng Load memory

- Vùng Work memoryKích thước các vùng nhơ này phụ thuộc vào chủng loại PLC

Load memory: là vùng nhơ chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết)

bao gồm tất cả các khỗi chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trìnhtrong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB Vùngnhớ này được tạo ra bởi một phần RAM của CPU và EEPROM (nếu có EEPROM).Khi thực hiện động tác xóa bọ nhớ (MRES) toàn bộ các khối chương trình và khối

dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xoá, cũng như vậy, khi chương trình hay khối dữ liệuđược đổ (down load) vào CPU, chúng sẽ ghi lên phần RAM của vùng Loadmemory

Work memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương

trình (OB, FC, FB, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phátcho những tham số hình thức để các khối chương trình trao đổi tham trị với hệ điều

hành và với các khối chương trình khác (local block) Tại một thời điểm nhất địnhvùng work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đóđược thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi work memory và nạp vào đómột khối chương trình tiếp đến lượt thực hiện

System memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào ra số (Q, I), các biến cờ

(M), thanh ghi T_Word, PV, T_bit của timer, C_Word, PV, C_bit của counter.Việc truy cập, sửa đổi dữ liệu những ô nhớ thuộc vùng nhớ này được phân chia bởi

hệ điều hành của CPU hoặc do chương trình ứng dụng

Có thể thấy rưàng trong các vùng nhớ được trình bầy ở trên không có vùngnhớ nào được dùng làm bộ đệm cho các cổng vào/ra tương tự Nói các khác cáccổng vào/ra tương tự không có bộ đệm mà mỗi lần lệnh truy cập module tương tự(đọc/ghi) đều có tác dụng trực tiếp tới cổng vật lý của module

2.1.8 Xác định địa chỉ cho module mở rộng

Một trạm PLC được hiểu là một module CPU ghép nối vói các vùng module

mở rộng khác (DI, DO, AI, AO, CP, FM) trên những thành rack, trong đó việc truycập CPU vào cac module mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng.Mỗi module CPU có khả năng quản lý được 4 thanh rack với tối đa 8 module mởrộng trên mỗi thanh

Tuỳ vào vị trí lắp đặt của module mở rộng trên những thanh rack mà cácmodule có những địa chỉ khác nhau Để minh hoạ cho điều này ta lấy ví dụ về mộttrạm PLC có cấu hình cứng như sau:

- Slot 1: module nguồn

- Slot 3: module CPU

- Slot 4: module DI với 32 đầu vào số Địa chỉ các đầu vào này sẽ làI0.0 – I3.7

- Slot 5: module DO với 32 đầu ra số Địa chỉ các đầu ra này sẽ làQ4.0 – Q7.7

đầu vào sẽ là I8.0 – I8.7 và Q8.0 – Q8.7

- Slot 7: module AI với 2 đầu vào tương tự: địa chỉ của hai đầu vàonày sẽ là PIW304 và PIW306

Hình 2.9 Quy tắc định địa chỉ cho module mở rộng

2.1.9 Trao đổi dữ liệu giữa các CPU và các module mở rộng

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa PLC với các module mởrộng thông qua Bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại các cổng vàocủa module số DI được CPU chuyển tới bộ đệm vào số I Cuối mỗi vòng quét nộidung của bộ đệm ra số Q được CPU chuyển tới cổng ra của các module só DO.Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng.Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc giá trị cổngvào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này có thể bị thay đổi nhưngtrong quá trình tựhc hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng mộtgiá trị từ I và giá trị đó là giá trị của cổng vào tại thởi điểm đầu vòng quét Cũngnhư vậy, nếu chương trình ứng dung nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra sốthì do nó chỉ thay đổi nội dung bít nhớ Q nên chỉ có giá trị ở lần thay đổi cuối cùngmới thực sự được đưa tới cổng ra vật lý của module DO