Chương 4: Kỹ thuật lập trình

PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Mục đích: Sử dụng và định nghĩa các khối dữ liệu Khai báo và truy cập các hàm chức năng Mối quan hệ giữa các loại khối hàm và hiệu quả của việc sử dụng c

PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC)

Mục đích:

Sử dụng và định nghĩa các khối dữ liệu Khai báo và truy cập các hàm chức năng Mối quan hệ giữa các loại khối hàm và hiệu quả của việc sử dụng chúng trong thiết kế chương trình

4.1 KHÁI QUÁT

Thiết bị điều khiển lập trình đóng một vai trò rất quan trọng trong điều khiển, giám sát và quản lý các hoạt động của các thiết bị, máy và công nghệ sản xuất về cả phương diện kinh tế, sử dụng và kỹ thuật Đối với các hệ thống điều khiển mà sử dụng thiết bị này làm trung tâm điều khiển thì ngoài công việc kết nối, đảm bảo về tính đồng bộ, giữa thiết

bị ngoại vi và điều khiển là rất đơn giản, yếu tố cần phải quan tâm đến là chương trình điều khiển mà người sử dụng viết cho thiết bị điều khiển Khi đề cập đến những hệ thống có mức độ hoạt động phức tạp, nhiều đầu vào – ra, sự lặp lại các địa chỉ của các I/O nhiều lần thường xuyên trong quá trình quét đòi hỏi việc thiết kế và viết các chương trình phải có kỹ thuật hẳn hoi Như vậy việc cấu trúc chương trình làm phân tán quá trình hoạt động của chương trình thành nhiều vùng chức năng tương ứng với các khối, hàm để quản lý và truy xuất chúng khi tác nhiệm làm cho chương trình tối ưu, hạn chế tối đa những lỗi, không

gây nhầm lẫn, dễ dàng kiểm tra và sửa lỗi hay là cải tiến Cấu trúc được mô tả hình 4.1

SFC FB

Hình 4.1 – Cấu trúc gọi các khối chương trình

4.2 TỔ CHỨC BỘ NHỚ CPU

Vùng nhớ của CPU được tổ chức như hình 4.2

• Chương trình người sử dụng (EEPROM)

Load memory

Word memory

System word

Hình 4.2- Tổ chức bộ nhớ

Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử dụng viết gồm các

khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình có sẵn trong thư viện hệ

thống SFC, SFB và các khối dữ liệu DB Vùng nhớ này được tạo bởi một phần của bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM

Work memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FB,

FC, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và các khối chương trình khác Tại một thời điểm nhất định vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình để thực thi Sau khi khối chương trình này được thi hành xong thì hệ điều hành sẽ xóa nó khỏi Work memory và nạp vào nó khối chương trình cần thực hiện tiếp theo

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

thanh ghi C-word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-word, PV, C-bit của Counter Việc truy cập, sửa đổi dữ liệu những ô nhớ của các vùng nhớ này được phân chia bởi hệ điều hành của CPU hoặc do bởi chương trình ứng dụng của người sử dụng

4.3 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Công việc này giúp thực hiện các công đoạn tạo dựng một chương trình đơn giản hơn Hình 4.3 mô tả những công đoạn nền tảng để tổ chức các yêu cầu điều khiển quá trình

4.3.1 Chia quá trình thành nhiều nhiệm vụ

Một quá trình tự động hóa gồm nhiều nhiệm vụ

riêng biệt Bằng việc nhận định các nhiệm vụ có quan hệ

trong quá trình và rồi phân chia thành những nhiệm vụ nhỏ

hơn, thậm chí ngay cả quá trình phức tạp có thể được xác

định bởi những vùng nhiệm vụ đơn giản Ví dụ sau sử dụng

hệ thống trộn để mô tả cách tổ chức quá trình thành những

cụm chức năng và các nhiệm vụ riêng biệt Hình 4.4

Chia quá trình thành nhiều nhiệm vụ riêng lẽ

Mô tả cấu hình của máy

Thiết kế và mô tả các yêu cầu an toàn Mô tả mỗi nhiệm vụ

Định nghĩa và mô tả trạm

vận hành

Hình 4.4 – Phân chia quá trình

Hình 4.3 – Các nhiệm vụ

tổ chức quá trình

Với đặc tính cấu trúc của quá trình được điều khiển ta có thể phân chia quá trình

này thành nhiều nhóm có mối quan hệ với nhau Cơ bản thành 3 nhóm như mô tả ở hình

4.5

4.3.2 Mô tả mỗi nhiệm vụ

Khi mô tả mỗi khu vực hay nhiệm vụ, chúng ta không chỉ định nghĩa hoạt động của chúng mà còn các thành phần biến đổi điều khiển

Ví dụ quá trình trộn công nghiệp sử dụng các bơm, động cơ, van, chúng được mô ta đầy đủ để xác định các đặc tính hoạt

động và các quan hệ khắn khít

được đòi hỏi trong suốt thời

gian hoạt động Bảng 3-1 đến

3-4 cung cấp những mô tả điển

hình của thiết bị sử dụng trong

quá trình trộn

Hình 4.5 – Định nghĩa các nhóm trong quá trình Bảng 3-1 Mô tả động cơ bơm cung cấp thành phần A

Động cơ bơm cung cấp cấp thành phần A

1 Bơm cung cấp thành phần A tới thùng trộn

- Lưu lượng 75 gallons /min

- Công suất 80 HP, n = 1000 RPM

2 Bơm được điều khiển (start/stop) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn

3 Bơm cung cấp có những điều kiện ràng buộc:

- Intake van thành phần A mở

- Feed van thành phần A mở

- Thùng trộn là không đầy

- Drain van của thùng trộn đóng

- Động cơ bơm không lỗi ( tiếp điểm phụ trợ không được nhấc lên)

- Nút dừng khẩn cấp không làm việc

Bảng 3-2 Mô tả động cơ trộn

Động cơ trộn

1 Động cơ trộn thành phần A và B trong thùng trộn

- Công suất 80 HP, n = 1000 RPM

2 Động cơ trộn được điều khiển (start/stop) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn

3 Động cơ trộn có những điều kiện ràng buộc:

- Thùng trộn là không trống

- Drain van của thùng trộn đóng

- Động cơ trộn không lỗi ( tiếp điểm phụ trợ không được nhấc lên)

- Nút dừng khẩn cấp không làm việc

Bảng 3-3 Mô tả van xả

Van xả

1 Van xả có nhiệm vụ xả thành phần đã trộn Van có 1 cuộn dây và trả về bằng lò xo

- Nếu cuộn dây được kích, van xả mở

- Nếu cuộn dây không được kích, van xả đóng

2 Động cơ trộn được điều khiển (open/close) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn

3 Mở van xả có ràng buộc:

- Động cơ trộn không hoạt động

- Nút dừng khẩn cấp không làm việc

Bảng 3-4 Mô tả giới hạn mức thùng trộn

Các giới hạn thùng trộn

1 Các giới hạn mức thông báo trạng thái mức thùng và cung cấp những ràng buộc trong quá trình

Mô tả các đầu vào/ra và quan hệ vào – ra

Sau khi viết các mô tả vật lý của mỗi thiết bị được điều khiển, tạo sơ đồ logic của

các đầu vào / ra cho mỗi thiết bị hoặc vùng nhiệm vụ Hình 4.6 là sơ đồ thích nghi với các

khối logic được lập trình

Ví dụ :

Tạo sơ đồ I/O cho bơm của quá trình trộn Mỗi bơm yêu cầu 4 loại đầu vào: công tắc khởi

động, công tắc ngừng, điều kiện ràng buộc cho phép bơm khởi động và đầu vào phản hồi mỗi khi lỗi được phát hiện Đồng thời cũng có 2 đầu ra cho khối điều khiển này: một là bật

động cơ chạy, và một thông báo cho CPU là bơm không làm việc Hình 4.7 mô tả sơ đồ I/O của bơm cung cấp thành phần A

Tạo sơ đồ I/O cho động cơ trộn

Cũng giống như bơm, động cơ

cũng có 4 loại đầu vào: công

tắc khởi động, công tắc ngừng,

điều kiện ràng buộc cho phép

bơm khởi động và đầu vào

phản hồi mỗi khi lỗi được phát

hiện Đồng thời cũng có 2 đầu

ra cho khối điều khiển này:

một là bật động cơ chạy, và

một thông báo cho CPU là bơm

không làm việc Hình 4.8 mô

tả sơ đồ I/O của động cơ trộn

Hình 4.6 - Sơ đồ I/O

Khởi độngDừngPhản hồi

Bơm cung cấp thành phần A Ràng buộc

Lỗi Chạy

Tạo sơ đồ I/O cho van xả

Khối điều khiển cho van xả có

cuộn dây kích chì có 3 đầu

vào: công tắc mở, công tắc

đóng và ràng buộc Có một

đầu ra là cuộn dây tác động,

hình 4.9

Hình 4.7 - Sơ đồ I/O của bơm cung cấp thành phần A

4.3.3 Mô tả những yêu cầu

an toàn

Khởi độngDừngPhản hồi

Động cơ trộnRàng buộc

Lỗi Chạy

Các thiết bị hệ thống cần phải

có tính an toàn để đảm bảo

điều kiện hợp pháp và tính

pháp lý, do đó trong mô tả quá

trình thường xuyên phải bao

gồm các thành phần an toàn

Hình 4.8 - Sơ đồ I/O của động cơ trộn

Ví dụ: Quá trình trộn sử dụng

điều kiện sau cho mạch an toàn:

Một nút nhấn Stop chuyển

- Bơm cung cấp thành phần A

- Bơm cung cấp thành phần B

- Động cơ trộn

- Cuộn dây của van xả

Hình 4.9 - Sơ đồ I/O của van xả

Nút dừng khẩn cấp đặt ngay ở trạm vận hành

Đầu vào điều khiển tương ứng với nút dừng khẩn cấp

4.3.4 Mô tả trạm vận hành

Mỗi quá trình cần có

một giao tiếp vận hành cho

phép sự can thiệp của con người

vào quá trình Hình 4.10 mô tả

một trạm vận hành bao gồm các

chỉ định, tác động…

4.3.5 Tạo cấu hình thiết bị

điều khiển

Sau khi các yêu cầu thiết kế đã

được thành lập, xác định loại

thiết bị điều khiển cần thiết cho

dự án Tức là xác định các

mođun I/O và số đầu I/O Hình

4.11 mô tả xác định cấu hình

của một quá trình

Tạo cơ sở dữ liệu của các tín

hiệu I/O

Ta có thể tạo cơ sở dữ liệu bằng

cách khai báo trong bảng các kí

hiệu điển hình (Symbol table) Hình 4.10 – Mô tả trạm vận hành

Xem file S7-300

4.3.6 Lựa chọn kỹ thuật lập

trình

Do nhu cầu của dự án,

múc độ phức tạp mà ta có thể

sử dụng các kỹ thuật lập trình

sau:

Lập trình tuyến tính

Lập trình phân cấp

Lập trình cấu trúc

4.4 KỸ THUẬT LẬP

TRÌNH TUYẾN TÍNH

Hình 4.11 – Tạo cấu hình của một quá trình

Lập trình tuyến tính là

chương trình ứng dụng được

tập trung trong một khối tổ

chức chương trình (OB1) chứa

chuỗi lệnh liên tiếp theo tuần

tự mà có khả năng thực hiện trực tiếp theo vòng quét Loại này thì gọn nhẹ nhưng chỉ đối với bài toán đơn giản

4.4.1 Local Block của khối OB1

Khi thực hiện khối OB1, hệ điều hành luôn cấp một local block có kích thước mặc định là 20 byte trong work memory để OB1 có thể lấy được những dữ liệu từ hệ điều hành Mặc dù mặc định là 20 byte nhưng người sử dụng có thể khai báo thêm các biến nhớ cho chương trình tùy theo khả năng sử dụng của chương trình

Chú ý do khối local block chỉ tồn tại trong một vòng quét và sau đó được cấp lại mới trong lần quét tiếp theo, do đó nên chỉ sử dụng local block cho việc lưu trữ biến nháp tạm thời

OB1

4.4.2 Điều khiển quá trình trộn

Quá trình được mô tả ở sơ đồ hình 4.4 và hoạt động theo các bảng 3-1 tới 3-4

4.5 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH PHÂN BỐ

Chương trình được phân bố thành các khối, mỗi

khối chứa các lệnh logic để thực hiện các nhiệm vụ của

các thiết bị Những lệnh định nghĩa ở khối tổ chức OB1 sẽ

hi hành các khối phân bố của chương trình điều khiển Ví

dụ chương trình phân bố chứa các khối lệnh để điều khiển

mỗi chế độ vận hành của hệ thống sản xuất

Trong lập trình phân bố, các lệnh điều khiển các

thành phần điển hình được tháo ra khỏi khối OB1 và đặt

chúng trong các khối khác (FC, FB)

4.5.1 Lệnh gọi khối chương trình

Một chương trình có thể cấu trúc thành nhiều thành phần

(sub-rountines) được lưu trữ dưới các khối khác nhau Một

đoạn chương trình được lưu trữ trong một khối có thể truy cập đến các đoạn khác mà được

lưu trữ trong khối khác bằng các lệnh gọi hàm

Chương trình thực thi

Kết thúc khối

Khối được gọi (FB,

Gọi hàm chức năng (FC)

Trong đó FC n là tên khối con được gọi từ OB1

Gọi khối hàm chức năng (FB)

Trong đó FBn là tên khối hàm được gọi và DBm là khối dữ liệu đi kèm theo

Khai báo local block cho chức năng FC và FB

Khi chúng ta khai báo các tham số và các biến cục bộ, ta phải xác định được loại dữ liệu được sử dụng bởi chương trình Các tham số được định nghĩa như: In, Out và In-Out là những dữ liệu trao đổi qua lại giữa các khối; Biến cục bộ được định nghĩa là các biến tạm thời (TEMP) và tĩnh (STAT)

Bảng 3-5 mô tả các kiểu khai báo biến Khi tạo bảng khai báo biến của khối thì các

biến được khai báo phải được liệt kê theo bảng 3-5

Đối với khối FB, các khối dữ liệu Instance DB lưu trữ toàn bộ các loại biến In, Out, In-Out, Temp và Stat

Các khối FC không có biến Stat Các tham số In, Out, In-Out được lưu trữ dưới dạng con trỏ tham chiếu tới các tham số được cung cấp bởi các khối gọi

In Biến hình thức sử dụng để nhận tham trị từ khối mẹ làm sơ kiện cho chương

trình trong khối con

Out Biến hình thức dùng để trả tham trị từ khối con về khối mẹ

In-Out Biến hình thức, loại biến này vừa có khả năng trả và vừa có khả năng nhận

tham trị từ khối mẹ

STAT Nội dung của biến loại này có khả năng được lưu giữ lại khi kết thúc chương

trình trong FB

TEMP Biến tạm thời Nội dung sẽ bị mất khi chương tình trong FB kết thúc

Bảng 3-5 – Khai báo biến

4.5.2 Điều khiển quá trình trộn theo phân bố

Hệ thống trộn có quá trình được mô tả ở trên sử dụng lập trình phân bố ta có giải pháp thiết kế như sơ đồ dưới

Trong đó:

Khối OB1 chứa những câu lệnh mà sẽ gọi các FC điều khiển quá trình

FC1 (hình 4.5) chứa các câu lệnh điều khiển bơm (động cơ) cung cấp các thành phần A FC2 (hình 4.6) chứa các câu lệnh điều khiển bơm (động cơ) cung cấp các thành phần B FC3 (hình 4.7) chứa những câu lệnh điều khiển động cơ trộn

FC4 (hình 4.8) chứa các câu lệnh điều khiển solenoid cho van xả thùng trộn

FC5 (hình 4.9) chứa các câu lệnh hiển thị các chỉ định trên trạm vận hành

OB1: Partition Program for Mixed process

Network 2: Ingredient B Feed Pump Start/Stop

4.6 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH CẤU TRÚC

- Là lập trình chia nhỏ ra thành các khối riêng biệt với mỗi

khối thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó của bài toán

điều khiển chung và tất cả các khối này đều được quản lý

một cách thống nhất bởi khối OB1 Trong khối này dĩ nhiên

chứa các lệnh gọi các khối chương trình và chúng được bố

trí theo yêu cầu làm việc của bài toán đặt ra

- Các khối chương trình được liệt kê:OB, FC, FB, SFC, SFB,

trong đó: OB, FC, FB là các khối hàm do người dùng soạn

thảo, còn SFC ( System Function), SFB (System Finction

Block) đều được tích hợp sẵn trong phần mềm như: khối hệ

thống giao tiếp đọc và viết dữ liệu cho các thành phần

mạng, khối hàm hệ thống đếm tốc độ cao, các thủ tục ngắt…

- Lập trình cấu trúc cho phép chúng ta có thể tích hợp được các khối hàm chứa nhiều chức năng, nhiều nhiệm vụ và có thể hiển thị

tất cả các trạng thái của hệ thống Đồng

thời ta có thể truy xuất tất cả các thành

phần bất kỳ của hệ thống

Ingred.A Feed Pump

DB2 DB1

Agitator Motor DB3 Ingredent B Ingredent A OB1

FB1 Motor Agitator

Motor

FC1

Ingred.B Feed Pump

Ví dụ: Lập trình cấu trúc của hệ thống

khuấy trộn đã đề cập ở trên

Với kiểu lập trình này ta phân tích bài

toán và xác định chúng theo các cấp như

mô tả ở hình 4.12

Hình 4.12 – Xác định cấp cho lập trình cấu trúc

Tạo Khối OB1, FB1, FC1, và 3 khối dữ liệu được chia xẻ (Instance Data Block) DB1, DB2, DB3 Do 3 khối này đều có cùng các đặc điểm giống nhau nên dưới đây chỉ khai báo 1 DB1 mà thôi

• Bảng địa chỉ của các thành phần trong hệ thống, bảng 4-6

Bảng 4.6 – Định nghĩa địa chỉ

• Bảng khai báo biến của khối OB1

• Bảng khai báo biến của Motor FB

• Bảng khai báo biến của Drain FC

• Bảng khai báo biến của khối dữ liệu DB1 (InA_Data)

• Chương trình khối Motor FB

• Chöông trình khoái Drain FC

Network1: Drain Valve Control

• Chöông trình khoái OB1

Network1: Ingredient A Feed Pump Permissive

Network2: Call Motor FB for Ingredient A

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 Bài 1: Một dây chuyền sản xuất có 4 động cơ điện M1, M2, M3 và được chạy ở 3 chế độ

(CĐ) khác nhau bằng 3 nút nhấn (push button)

Nhấn nút CĐ1 : động cơ M1 và M2 chạy

Nhấn nút CĐ2 : động cơ M2 và M3 chạy

Nhấn nút CĐ3 : động cơ M1 và M3 chạy

Hãy viết chương trình điều khiển trên PLC

Bài 2: Hệ thống điều khiển của một máy dập

Thực tế trong một hệ thống, máy điều khiển có 2 chế độ vận hành: tự động và bằng tay Chế độ tự động là máy chạy theo một chương trình đã tạo sẳn; chế độ bằng tay được dùng để thử từng động tác của một cơ cấu trong hệ để kiểm tra sản phẩm tạo ra trước khi làm việc tự động hoặc đôi khi ta sử dụng chế độ này để sản xuất thay cho tự động khi hư hỏng Viết chươngtrình sử dụng chương trình con cho hệ thống dập ở hai chế độ, nguyên tắc hoạt động như sau:

• Đầu tiên, chuyển qua chế độ tay đưa 2 pít tông về vị trí A và B Do hầu hết pít tông nằm ở vị trí lưng chừng của xy lanh

• Tác động tín hiệu khởi động (nút nhấn PB_START) pít tông kẹp chặt dịch chuyển từ vị trí A đến B thực hiện kẹp chặt phôi, lúc này LS2 được tác động và pít tông dập dịch chuyển từ vị trí C đến D để dập định hình phôi (theo hình dạng khuôn) lúc này LS4 tác động làm cho pít tông dập lùi về C và LS3 tác động LS3 tác động làm cho pít tông kẹp dịch chuyển từ B về A và LS1 tác động thực hiện lần dập tiếp theo

LS2 LS1

Van 5/2/2 side

Van 5/2/2 side