Giới thiệu thiết bị điều khiển khả trình PLC A - GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC: Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển dây chuyền, thiết bị máy móc công nghiệp … người ta thực kết nối linh kiện điều khiển rời (rơle, timer, contactor …) lại với tuỳ theo mức độ yêu cầu thành hệ thống điện điều khiển Công việc phức tạp thi công, sửa chữa bảo trì giá thành cao Khó khăn cần thay đổi hoạt động Một hệ thống điều khiển ưu việt mà phải chọn điều khiển cho máy sản xuất cần phải hội đủ yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ hệ thống điều khiển lập trình PLC (Programable Logic Control) đời giải vấn đề Thiết bị điều khiển lập trình nhà thiết kế cho đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, việc lập trình cho hệ thống khó khăn, lúc thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đời vào năm 1969 Trong giai đoạn hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhằm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống điều khiển cổ điển Qua trình vận hành, nhà thiết kế bước tạo tiêu chuẩn cho hệ thống, tiêu chuẩn là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong năm đầu thập niên 1970, hệ thống PLC có thêm khả vận hành với thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với liệu cập nhật” (data manipulation) Do phát triển loại hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp người điều khiển để lập trình cho hệ thống trở nên thuận tiện Ngoài nhà thiết kế tạo kỹ thuật kết nối với hệ thống PLC riêng lẻ thành hệ thống PLC chung, tăng khả hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý hệ thống cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với chức phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn Một PLC có đầy đủ chức như: đếm, định thời, ghi (register) tập lệnh cho phép thực yêu cầu điều khiển phức tạp khác Hoạt động PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm nhớ, cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ Những đặc điểm PLC: • Thiết bị chống nhiễu • Có thể kết nối thêm modul để mở rộng ngõ vào/ra • Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu • Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển máy lập trình máy tính cá nhân • Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ • Bảo trì dễ dàng Do đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không nhiều thời gian nối dây phức tạp cần thay đổi chương trình điều khiển, cần lập chương trình thay cho chương trình cũ Việc sử dụng PLC vào hệ thống điều khiển ngày thông dụng, để đáp ứng yêu cầu ngày đa dạng này, nhà sản xuất đưa hàng loạt dạng PLC với nhiều mức độ thực đủ để đáp ứng yêu cầu khác người sử dụng Để đánh giá PLC người ta dựa vào tiêu chuẩn chính: • Dung lượng nhớ số tiếp điểm vào/ra • Các chức như: vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả mở rộng số ngõ vào/ra Với PLC việc giải toán tự động hoá khác không biến đổi cấu việc phải thay đổi chương thình điều khiển cho phù hợp.PLC có khả tuyệt đối khả linh động,mềm dẻo hiệu giải toán cao so với kỹ thuật cổ điển Bảng sau so sánh kỹ thuật điều logíc cổ điển kỹ thuật điều khiển chương trình hoaự: Điều khiển logic cổ điển Phần tử điều khiển phần cứng Phạm vi điều khiển Thay đổi thêm bớt Thời gian giao hng Bảo trì, bảo dỡng Độ tin cậy Hiệu kinh tế Mục đích đặc biệt Nhá vμ trung b×nh Khã Vμi ngμy Khã Phơ thc thiết kế v chế tạo Công suất nhỏ Điều khiển chơng trình logic Mục đích chung Trung bình v lớn DƠ Ngay lËp tøc DƠ Cao C«ng st nhá, trung b×nh vμ lín B – CẤU HÌNH PHẦN CỨNG S7-300: Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 thiết kế theo kiểu module.Các module sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống gọn nhẹ dể dàng cho việc mở rộng hệ thống Card nhí (CPU 313 trở lên) MPI (cổng nối nhiều chân) Giao diện thiết bị nối kết Nắp đậy thiết bị nối kết Ngn cung cÊp Ngn dù tr÷ Chỉ nèi ngn 24 V DC Nót chän mode ho¹t động Các đèn LED báo trạng tháI v lỗi Hình 1: Thiết bị điều khiển logic khả trình SIMATIC S7_300 I Module ngn PS307 cđa S7_300 : H×nh : Module ngn cđa S7_300 Module PS307 cã nhiƯm vơ chun ngn xoay chiỊu 120/230V thμnh ngn mét chiỊu 24V để cung cấp cho module khác khối PLC Ngoμi module ngn cßn cã nhiƯm vơ cung cấp nguồn cho sensor v thiết bị truyền động kết nối với PLC Module nguồn thờng đợc đặt bên trái khối CPU Mặt trớc module nguồn bao gồm: Một đèn led báo hiệu điện áp 24 V DC Một nút dùng để chọn điện áp đầu vo l 120 V AC 230 V AC Một công tắc dùng để tắt/bật diện áp Mặt sau module nguồn bao gồm: ã Các lổ để nhận điện áp vo v ã Khe dùng để gắn module lên panel Module nguồn PS307 có loại: PS307-1B, PS307-1E, PS307-1K Sự khác loại ny thể cờng độ dòng vo v dòng module Các thông số kỹ thuật cụ thể loại module nguồn S7-300 PS 307Đầu vo Điện áp đầu vo - Các mức điện áp - Giới hạn cho phép Tần số dòng điện - Các mức giá trị - Giới hạn cho phép Dòng vo Dòng ứng với điện áp vo 230V Dòng ứng với điện ¸p vμo 120V 1B 1E 1K 120/230 V AC 93÷132V AC/187ữ254V AC 50/60 Hz 47 đến 63 Hz 0,5 A A 1B 1K 2A 5A 10A 83% 87% 89% 10W 18W 30W 3,5 A 2A 1E 24 V DC 24V+5%, lúc không tải 1,7 A 0,8 A PS 307Đầu Điện áp đầu - Mức điện áp - Giới hạn cho phép Dòng - Các mức giá trị Các thông số chung Hiệu suất Hao phí điện Bảng 1: thông số kỹ thuật cụ thể cđa lo¹i module II Khèi xư lý trung t©m -Module CPU: Module CPU loại module có chứa vi xử lý,hệ điều hành, nhớ,các thời gian.bộ đếm,cổng truyền thông (RS485)…và có vài cổng vào số.Các cổng vào số có CPU gọi cổng vào onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau,được đặt tên theo vi xử lý có nhö module CPU 312, module CPU 314, module CPU 315… Những module sử dụng vi xử lý khác cổng vào/ra onboard khối hàm đặt biệt tích hợp sẵn thư viện hệ điều hành phục vụ việc sử dụng cổng vào/ra onboard phân biệt với tên gọi cụm từ chữ IFM (Intergrated Funtion Module) nh− CPU 312 IFM, CPU 313, CPU 314IFM, CPU 314, CPU 215 H×nh : CPU 314 vμ CPU 314IFM Ngoài có loại module CPU với hai cổng truyền thông,trong cổng truyền thông thứ hai có chức phục vụ việc nối mạng phân tán.Các loại module CPU phân biệt với loại CPU khác thêm cụm tửứ DS (Distributed Port) Các CPU ny đợc chế tạo theo mức độ tăng dần tính sử dụng: ã CPU 312 IFM, l tích hợp khối CPU với đầu vo/đầu số (digital inputs/outputs) dùng để điều khiển hệ thống nhỏ không xử lý tín hiệu tơng tự ã CPU 313 dùng để điều khiển hệ thống lớn đòi hỏi phải lập trình phức tạp ã CPU 314 IFM, l tích hợp khối CPU với đầu vo/đầu tơng tự v số (digital and analog inputs/outputs) dùng để điều khiển thiết bị đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh v chức riêng biệt ã CPU 314 đợc dùng để điều khiển hệ thống lớn đòi hỏi phải lập trình phức tạp v xử lý lệnh với tốc độ lớn ã CPU 315/315_2 DP đợc dùng cho công việc phức tạp đòi hỏi phải lập trình nhiều v phân chia cấu tróc tù ®éng Module mở rộng: có loại chính: PS (Power Supply): Module nguồn nuôi Có loại: 2A, 5A, 10A SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: • DI (Digital Input): Module mở rộng cổng vào số • DO (Digital Output): Module mở rộng cổng số • DI/DO: Module mở rộng cổng vào/ra số • AI (Analog Input): Module mở rộng cổng vào tương tự • AO (Analog Output): Module mở rộng cổng tương tự • AI/AO: Module mở rộng cổng vào/ra tương tự IM (Interface module): Module ghép nối Đây loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối nhóm module mở rộng lại với thành khối quản lý chung module CPU Các module mở rộng gá rack Trên rack gá tối đa module mở rộng (không kể module CPU module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 làm việc trực tiếp với nhiều racks racks phải nối với module IM FM (Function Module): Module có chức điều khiển riêng, ví dụ module điều khiển động bước, module điều khiển động servo, module PID, module điều khiển vòng kín, CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông mạng PLC với PLC với máy tính Cấu tạo bên ngoi CPU SIMATIC S7-300: Các đèn LED hiển thị trạng thái v lổi SIEMENS CPU 314 SF BATF DC5V FRCE RUN STOP Nót chọn Mode hoạt động RUN-P RUN STOP MRES Ngăn chứa pin dự phòng Điện cực dùng cho nguồn cấp v ®iƯn trë nèi ®Êt Khe c¾m memory card M L+ M MPI (Multipoint Interface) Hình : Cấu tạo bên ngoi CPU 314 Nút chọn Mode hoạt động cho phép lựa chọn bốn trạng thái hoạt động cña CPU Mode RUN-P (Run Program) RUN STOP MRES (Memory Reset) Mô tả CPU thực quét chơng trình Chơng trình đợc đọc từ CPU thiết bị lập trình v nạp vo CPU CPU thực quét chơng trình Chơng trình đợc đọc từ CPU thiết bị lập trình nhng thay đổi chơng trình đà đợc nạp vo nhớ CPU CPU không thực quét chơng trình Chơng trình đợc đọc từ CPU thiết bị lập trình v nạp vo CPU Mode thùc hiƯn reset bé nhí cđa CPU §èi víi CPU 312 IFM vμ CPU 314 IFM chóng ta thực reset nhớ CPU vùng nhớ tích hợp giữ nguyên không thay đổi Baỷng 2: Caực cheỏ ủoọ hoaùt ủoọng cuỷa CPU Các đèn LED thể trạng thái hoạt động v lỗi LED SF (đèn đỏ) BATF (đèn đỏ) (không có CPU 312 IFM) VDC (green) FRCE (yellow) RUN (green) STOP (yellow) ý nghÜa HƯ thèng bÞ lỗi (System Fault) Lỗi nguån VDC cung cÊp cho CPU vμ cho bus S7_300 Thực chơng trình CPU chế độ RUN CPU chế độ STOP Mô tả §Ìn s¸ng nÕu cã c¸c sù cè sau: C¸c lỗi phần cứng Các loói phần mềm hệ thống Các loói lập trình Nhập sai thông số Các loói số häc C¸c lỗi vỊ thêi gian Memory card cã vÊn đề Nguồn dự phòng hỏng Vo/ra mở rộng bị loói Sử dụng thiết bị lập trình để biết xác loói no xảy Đèn sáng nếu: Nguồn yếu Không có nguồn Nguồn bị hỏng Đèn sáng nguồn cung cấp tốt Đèn sáng tiến hnh thực công việc Đèn nháy trình CPU restart Đèn sáng suốt trình CPU thực vòng quét Đèn sáng CPU không thực vòng quét Đèn nháy khoảng hai giây CPU yêu cầu reset nhớ Bảng 3:mô tả ý nghĩa LED Các đặc tính chđ u cđa c¸c CPU hä S7_300: RAM Vïng nhớ chơng trình Ton phần 312IFM KB 313 12 KB 314 24 KB 314IFM 32 KB 315 315-2DP 48 KB 64 KB 316 128 KB 20 KB 20 KB 40 KB 48 KB 80 KB 96 KB RAM; RAM; RAM; RAM; RAM; RAM; 20 KB 48 KB EEPROM EEPROM 512 KB 512 KB 512 KB 512 KB 80 KB RAM; 512 KB Më réng b»ng card nhí Thêi gian thực Phép toán bit 0,6s 0,6s 0,3ữ0,6 0,3ữ0,6s 0,3ữ0,6 0,3ữ0,6 0,3ữ0,6s s s s Phép toán Word s μs μs μs PhÐpto¸n μs μs μs 15 μs 12 μs 15 μs 12 μs Timer/counter 12 μs 12 μs 12 μs μs μs μs μs PhÐp céng sè μs μs μs 60 μs 50 μs 60 μs 50 μs nguyªn 50 μs 50 μs 50 μs PhÐp céng sè thùc Thêi gian vßng quÐt ThiÕt lËp s¼n 150 ms 150 ms 150 ms 150 ms 150 ms 150 ms 150 ms Ci đặt 1ữ6000 ms 1ữ6000 1÷6000 1÷6000 ms 1÷6000 1÷6000 1÷6000 ms ms ms ms ms Tỉng céng bit nhí 1024 2048 Couter 32 64 Timer 64 128 Vïng nhí d÷ liƯu 72 bytes 4736 144 bytes 4736 bytes (max) bytes Digital input/output Input: 128 128 512 Input: 1024 496 +10 on+20 onboard board Output: 128 Output: 496 +6 on+16 onboard board Analog input/output 32 64 Input: 62 128 +4 onboard Output: 62 +1 onboard Bảng sau tóm tắt lệnh chuyển đổi BCD số nguyên (dạng STL): Lệnh BTI BTD ITB ITD DTB DTR Ý nghóa BCD sang số nguyên BCD sang số nguyên kép Số nguyên sang BCD Số nguyên sang số nguyên kép Số nguyên kép sang BCD Số nguyên kép sang số thực Chức Đổi số BCD word thấp ACCU1 sang số nguyên 16 bits Đổi số BCD ACCU1 sang số nguyên kép 32 bits Đổi số nguyên 16 bits word thấp ACCU1 sang số BCD Đổi số nguyên 16 bits word thấp ACCU1 sang số nguyên kép 32 bits Đổi số nguyên kép 32 bits ACCU1 sang số BCD Đổi số nguyên kép 32 bits ACCU1 sang số dấu chấm động IEEE 32 bits (số thực) Bảng 18: chuyển đổi số BCD số nguyên e Nhóm lệnh chuyển đổi số dấu chấm động 32 bits sang số nguyên 32 bits: Ta sử dụng lệnh sau để chuyển đổi số dấu chấm động IEEE 32 bits ghi ACCU1 thành số nguyên kép (các lệnh khác cách làm tròn) kết cất ACCU1 Lệnh RND Ý nghóa Làm tròn Chức Làm tròn số chuyển đổi đến số nguyên gần Nếu phần phân số kết chẵn lẻ chọn kết chẵn Làm tròn thành số Làm tròn thành số nguyên nhỏ mà lớn RND+ nguyên kép lớn hay số chấm động Làm tròn thành số Làm tròn thành số nguyên lớn mà nhỏ RNDnguyên kép nhỏ hay số chấm động Chỉ lấy phần nguyên số chấm động TRUNC Bỏ phần lẻ Bảng 19: chuyển đổi số dấu chấm động 32 bits sang số ngưyên 32 bits Hình 17: tóm tắt lệnh chuyển đổi làm tròn f Nhóm lệnh so sánh: Dùng để so sánh cặp giá trị số sau: Hai số nguyên 16 bits Hai số nguyên kép (32 bits) Hai số thực (dấu chấm động IEEE 32 bits) CPU so sánh giá trị số ACCU1, kết trả RLO=1, sai RLO=0 Với số nguyên 16 bits dựa so sánh word thấp ACCU2 với word thấp ACCU1 Dạng lệnh so sánh sau: op datatype với op (operator = toán tử) là: So sánh Bằng Không Lớn Nhỏ Lớn Nhỏ Op == > < >= ACCU1 ACCU2 < ACCU1 ACCU2 = ACCU1 ACCU2 ACCU1 ACCU2 >= ACCU1 ACCU2 0 nhảy đến nhãn, ngược lại thực lệnh kế • M (minus = negative): kết