TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA
Lịch sử phát triển hệ thống tự động hóa
Nửa cuối thế kỷ 20 chứng kiến sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ điện tử, máy tính và thông tin Nhờ vào những thành tựu này, tự động hóa đã có những bước tiến vượt bậc, từ việc tự động hóa từng máy riêng lẻ đến việc tự động hóa toàn bộ quy trình công nghệ và sản xuất.
Tự động hóa đã mang lại hiệu quả đáng kể, bao gồm việc nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất lao động và giảm chi phí sản xuất Do đó, hiện nay, tự động hóa ngày càng được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.
Một số khái niệm cơ bản
1.2.1 Khái niệm quá trình kỹ thuật Định nghĩa 1:
Quá trình kỹ thuật là sự chuyển đổi của vật liệu, năng lượng và thông tin từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng.
Trạng thái ban đầu của vật chất, năng lượng hoặc thông tin
Trạng thái cuối cùng của vật chất, năng lượng hoặc thông tin trong một hệ thống kỹ thuật
Hình 1.1: Sơ đồ quá trình kỹ thuật theo định nghĩa 1 Định nghĩa 2: DIN 66201 – Viện tiêu chuẩn Đức
Quá trình là tổng hợp các tương tác trong một hệ thống, cho phép hệ thống đó biến đổi và lưu trữ vật chất, năng lượng hoặc thông tin.
Quá trình kỹ thuật là một chuỗi hoạt động trong đó các tham số vật lý được ghi nhận và điều chỉnh thông qua các công cụ kỹ thuật.
Vật chất Năng lượng Thông tin
Vật chất Năng lượng Thông tin
Biến tác động Đại lượng ngõ ra trong một hệ thống kỹ thuật
Hình 1.2: Sơ đồ quá trình kỹ thuật theo định nghĩa 2
1.2.2 Khái niệm tự động hóa
Tự động hóa = tự động hóa một quá trình kỹ thuật
Hệ thống tự động hóa = Hệ thống kỹ thuật ứng với quá trình trình kỹ thuật + Máy tính và hệ thống truyền thông + Người vận hành quá trình.
Thành phần và cấu trúc của hệ thống tự động hóa
1.3.1 Cấu trúc hệ thống tự động hóa
Con người (vận hành quá trình) Quản lý và vận hành quá trình kỹ thuật cũng như can thiệp trong những tình huống ngoại lệ
Máy tính và hệ thống truyền thông (PLC, máy tính công nghiệp (IPC), hệ thống bus )
(sản phẩm kỹ thuật hay nhà máy kỹ thuật), mà ở đó diễn ra quá trình kỹ thuật.
Tín hiệu điều khiển tới quá trình kỹ thuật
Tín hiệu từ quá trình kỹ thuật
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa
1.3.2 Thành phần của hệ thống tự động hóa
Giao diện quá trình: các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu
Thiết bị điều khiển tự động bao gồm các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển số PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân, đi kèm với các phần mềm điều khiển tương ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát bao gồm các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, cùng với các trạm kỹ thuật và trạm vận hành Hệ thống này cung cấp khả năng giám sát và điều khiển cao cấp, đảm bảo hiệu quả trong quản lý và vận hành.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm – điểm (point to point), bus trường, bus hệ thống
Hệ thống bảo vệ: các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực hiện chức năng an toàn hệ thống.
Mô hình phần cấp hệ thống tự động hóa
Level 3 Điều khiển giám sát
Cấp điều điều hành sản xuất
Hình 1.4: Mô hình phân cấp hệ thống tự động hóa
Cấp chấp hành có chức năng chính là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Ngoài ra, các thiết bị thông minh còn có khả năng xử lý thông tin thô trước khi gửi lên cấp điều khiển.
Cấp điều khiển có nhiệm vụ chính là thu thập thông tin từ các cảm biến, xử lý dữ liệu theo một thuật toán cụ thể và truyền đạt kết quả đến các cơ cấu chấp hành.
Cấp điều khiển giám sát:
Cấp điều khiển giám sát có vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quá trình kỹ thuật Trong khi các chức năng như đo lường và điều khiển được thực hiện ở cấp cơ sở, cấp điều khiển giám sát hỗ trợ người dùng trong việc cài đặt, theo dõi và xử lý các tình huống bất thường Bên cạnh đó, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp và điều khiển theo công thức, đặc biệt trong các lĩnh vực như chế biến dược phẩm và hóa chất Khác với các cấp dưới, cấp điều khiển giám sát không yêu cầu thiết bị phần cứng đặc biệt, chỉ cần các máy tính thông thường như máy tính cá nhân, máy trạm hoặc máy chủ.
Cấp điều hành sản xuất:
Cấp này chịu trách nhiệm đánh giá kết quả sản xuất, lập kế hoạch bảo trì máy móc và đề xuất các giải pháp tối ưu cho người điều khiển lựa chọn.
Cấp quản lí công ty:
Là vị trí cao nhất trong một công ty sản xuất công nghiệp, người đảm nhận trách nhiệm tính toán giá thành, lãi suất, thống kê dữ liệu sản xuất và kinh doanh, xử lý đơn hàng, cũng như lập kế hoạch tài nguyên cho công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp trong hệ thống tự động hóa
Mạng truyền thông công nghiệp, hay còn gọi là mạng công nghiệp, là hệ thống mạng truyền thông số sử dụng phương thức truyền bit nối tiếp để kết nối các thiết bị trong môi trường công nghiệp.
Ghép nối thiết bị và trao đổi thông tin là yếu tố cốt lõi trong mọi giải pháp tự động hóa Để đảm bảo hiệu quả, một bộ điều khiển cần được kết nối với các thiết bị khác một cách chính xác và linh hoạt Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần trong hệ thống.
Trang 11 cảm biến và cơ cấu chấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiến phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất điều khiển Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc điểm là bus trường để thay thế cách nối điểm- điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích sau: Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất
Cấu trúc đơn giản của hệ thống giúp tiết kiệm dây nối và giảm chi phí thiết kế, lắp đặt Việc thay thế một lượng lớn cáp truyền bằng một đường duy nhất không chỉ làm cho quá trình thiết kế dễ dàng hơn mà còn giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Kỹ thuật truyền thông số giúp nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin bằng cách giảm thiểu tác động của nhiễu, điều mà phương pháp truyền thông tín hiệu tương tự cố điển không thể kiểm soát Các thiết bị mạng không chỉ truyền tải thông tin một cách chính xác hơn mà còn có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi Hơn nữa, việc giảm thiểu các lần chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số cũng góp phần nâng cao độ chính xác của thông tin truyền đi.
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều hãng khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn, đồng thời khả năng tương tác giữa các thành phần được cải thiện nhờ các giao diện chuẩn.
Đơn giản hóa và tiện lợi trong việc chuẩn hóa, chẩn đoán và định vị lỗi các thiết bị được thực hiện qua một đường truyền duy nhất Các thiết bị không chỉ có khả năng trao đổi dữ liệu quá trình mà còn gửi dữ liệu trạng thái, cảnh báo và chẩn đoán Nhờ vào khả năng tích hợp chẩn đoán, các trạm trong mạng có thể cảnh báo lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình, tham số hóa và chỉ định thiết bị từ xa thông qua trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, nhờ vào việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Điều này cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại, nâng cao hiệu quả hoạt động.
Trang 12 khiến phân tán, điều khiến phân tán với thiết bị trường, điều khiến giẩm sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiến và giảm sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty
Mạng truyền thông công nghiệp đã cách mạng hóa tư duy thiết kế và tích hợp hệ thống, không chỉ mang lại lợi ích kỹ thuật mà còn tối ưu hóa hiệu quả kinh tế Ứng dụng của nó rất đa dạng trong các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, tự động hóa tòa nhà và điều khiển giao thông Trong điều khiển quá trình, hệ thống bus trường đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4-20 mA, trong khi trong tự động hóa xí nghiệp và tòa nhà, nhiều phần tử trung gian đã được loại bỏ nhờ vào các hệ bus kết nối trực tiếp thiết bị cảm biến và chấp hành Tóm lại, mạng truyền thông công nghiệp là yếu tố không thể thiếu trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại.
1.5.2 Mô hình phân cấp mạng truyền thông
Hệ thống tự động hóa có năm cấp chức năng, tương ứng với bốn cấp độ của hệ thống truyền thông Trong các cấp từ điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ "bus" thường được sử dụng thay cho "mạng".
Level 3 Điều khiển giám sát
Level 4 Điều điều hành sản xuất
Bus hệ thống Bus điều khiển
Bus trường Bus thiết bị
Hình 1.5: Mô hình phân cấp mạng truyền thông
Bus trường, bus thiết bị:
Bus trường là hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị điều khiển như PC hoặc PLC với các thiết bị chấp hành và cảm biến Các thiết bị này bao gồm distributed I/O, sensor, transducer, transmitter, actuator và valve, tất cả đều tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số loại bus trường chỉ phù hợp cho việc kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Bus trường có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu từ quá trình lên cấp điều khiển và truyền quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, do đó yêu cầu về tính năng thời gian thực rất quan trọng, với thời gian phản ứng tiêu biểu từ 0.1 đến vài mili giây Mặc dù lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ khoảng vài byte, nhưng tốc độ truyền thông cần đạt Mbit/s hoặc thấp hơn Thông tin trao đổi chủ yếu mang tính định kỳ và tuần hoàn, kèm theo các thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo bất thường.
Các hệ thống bus trường phổ biến hiện nay bao gồm PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus, cùng với các hệ thống mới như Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-I, EIB và Bitbus, nổi bật trong lĩnh vực cảm biến và chấp hành.
Bus hệ thống, bus điều khiển:
Hệ thống mạng truyền thông, hay còn gọi là bus hệ thống, kết nối các máy tính điều khiển với máy tính cấp điều khiển giám sát, cho phép phối hợp hoạt động và trao đổi dữ liệu quá trình Qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển trung tâm nhận mệnh lệnh và tham số từ các trạm phía trên, đồng thời hỗ trợ việc trao đổi thông tin theo chiều dọc và ngang giữa các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và trạm chủ Hệ thống này cũng cho phép kết nối các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu, tạo nên một mạng lưới thông tin hiệu quả.
ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Tổng quan các bộ điều khiển trong hệ thống tự động hóa
2.1.1 Thiết bị điều khiển khả trình (PLC)
Hình 2.1: Một số loại PLC ngoài thực tế
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, được phát triển lần đầu bởi Richard Morley vào năm 1968 Ý tưởng này ra đời từ yêu cầu của General Motors về một thiết bị lập trình linh hoạt để thay thế cho mạch điều khiển logic cứng Hai công ty Allen Bradley và Bedford Associates (sau này là Modicon) đã giới thiệu các sản phẩm PLC đầu tiên, mang lại giải pháp hiệu quả cho ngành công nghiệp.
Trang 25 một số tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và 1kByte bộ nhớ Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là PC, được sử dụng rộng rãi Trong khi đó, programmable logic controller hay PLC là thương hiệu đăng ký của công ty Allen
Khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến, từ viết tắt PLC được sử dụng nhiều hơn để tránh nhầm lẫn Từ giờ, chúng ta sẽ sử dụng khái niệm thiết bị điều khiển khả trình với viết tắt là PLC.
PLC đã nhanh chóng thu hút sự chú ý trong ngành công nghiệp nhờ vào cấu trúc ghép nối linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kỳ và khả năng lập trình cùng lưu trữ chương trình mà không cần can thiệp vào phần cứng Trong bối cảnh máy tính điều khiển có kích thước lớn và giá thành cao, PLC trở thành giải pháp lý tưởng thay thế cho các mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiển quá trình gián đoạn Hiện nay, thị trường PLC rất phong phú với nhiều chủng loại khác nhau, không chỉ về công suất bộ xử lý, dung lượng bộ nhớ và số lượng cổng vào/ra, mà còn về các đặc tính chức năng như cấu trúc linh hoạt, phương pháp lập trình và khả năng kết nối mạng.
Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế bền chắc, độ tin cậy cao, thích hợp với môi trường làm việc công nghiệp
Khả năng xử lý tín hiệu logic (24VDC-240VAC) và tín hiệu Analog
Khả năng mở rộng số đầu vào/ra đơn giản
Lập trình và thay đổi chương trình đơn giản
Khả năng giám sát hoạt động của dây chuyển sản xuất
Tính năng thời gian thực
Giải pháp đơn lẻ, cần tích hợp giao diện người-máy (HMI)
Kiến trúc đóng kín, khó tích hợp sản phẩm ngoài
Năng lực tính toán tương đối yếu
Với sự phát triển nhanh chóng của PLC, thiết bị này ban đầu chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo để điều khiển các quá trình rời rạc Ngày nay, PLC đã được mở rộng ứng dụng trong điều khiển trình tự và điều khiển quá trình liên tục, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu trong các hệ thống SCADA.
2.1.2 Máy tính công nghiệp (IPC)
Giải pháp sử dụng máy tính công nghiệp (IPC) làm thiết bị điều khiển đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây IPC không chỉ vượt trội hơn so với các bộ điều khiển khả trình (PLC) nhờ vào tính năng mở, khả năng lập trình linh hoạt và hiệu năng tính toán cao, mà còn mang lại lợi ích kinh tế Những tiến bộ trong kỹ thuật máy tính, phần mềm công nghiệp và công nghệ bus trường đã thúc đẩy khả năng cạnh tranh của IPC trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp.
Hình 2.2: Máy tính công nghiệp (IPC)
Trong giải pháp điều khiển bằng máy tính công nghiệp, độ tin cậy của máy tính là một yếu tố quan trọng Với cấu trúc vào/ra phân tán, máy tính điều khiển thường được đặt trong phòng điều khiển trung tâm, tạo điều kiện làm việc tốt Thị trường hiện nay cung cấp nhiều loại máy tính công nghiệp có độ tin cậy cao, tương đương với PLC Khi máy tính chỉ cài đặt hệ điều hành và phần mềm điều khiển, khả năng gây lỗi do phần mềm sẽ được giảm thiểu.
Đối với các ứng dụng yêu cầu cao về tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống, việc áp dụng giải pháp dự phòng là cần thiết Một phương pháp đơn giản và tiết kiệm là sử dụng “dự phòng lạnh”, cho phép thay thế máy tính điều khiển bằng một máy mới có cấu hình và phần mềm giống hệt trong trường hợp có sự cố Tuy nhiên, giải pháp tối ưu hơn là sử dụng cấu hình dự phòng nóng, giúp nâng cao khả năng phục hồi và giảm thiểu thời gian gián đoạn.
Hiệu năng tính toán cao với giá thành thấp, chu kỳ điều khiển có thể xuống tới 1ms
Tính năng mở: Với hệ điều hành thông thông dụng, khả năng lập trình tự do sử dụng ngôn ngữ bậc cao, công cụ lập trình mạnh
Có thể tích hợp phần mềm SCADA
Kích thước vật lý tương đối lớn
Cần có hệ điều hành tốt hoạt động ổn định, đảm bảo tính năng thời gian thực
Cần có giải pháp dự phòng nóng trong trường hợp cần thiết
Các dây chuyền lắp ráp, đóng bao: thay thế PLC truyền thống, điều khiển và vận hành – giám sát tại chỗ
Điều khiển chuyển động: Thay thế giải pháp CNC truyền thống, điều khiển tay máy
Điều khiển nhóm thiết bị, máy móc đơn lẻ
Điều khiển quá trình: công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý nước sạch, nước thải, công nghiệp bán dẫn
Vi điều khiển là một máy tính mini tích hợp trên một chip, chủ yếu dùng để điều khiển thiết bị điện tử Nó bao gồm một vi xử lý hiệu suất vừa đủ và chi phí thấp, khác với các bộ vi xử lý đa năng trong máy tính Vi điều khiển kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, mô đun vào/ra, và các mô đun chuyển đổi tín hiệu số sang analog và ngược lại Trong máy tính, các mô đun này thường được tạo thành từ các chip và mạch ngoài.
Hình 2.3: Một số loại vi điều khiển
Vi điều khiển là thành phần quan trọng trong các hệ thống nhúng, thường được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, thiết bị điện, máy giặt, thiết bị đa phương tiện và dây chuyền tự động.
Hầu hết các vi điều khiển hiện nay dựa trên kiến trúc Harvard, bao gồm bốn thành phần thiết yếu cho hệ thống nhúng: CPU, bộ nhớ chương trình (thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), cùng với một hoặc nhiều bộ định thời và cổng vào/ra để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Tất cả các thành phần này được tích hợp trong một vi mạch.
Kích thước vật lí nhỏ
Yêu cầu cao về môi trường làm việc
Yêu cầu người lập trình phải hiểu rõ về cấu trúc phần cứng
Được ứng dụng nhiều trong dân dụng: nhà thông minh, điều khiển các thiết bị từ xa, hệ thống vệ sinh thông minh
Chế tạo các card thông minh
Ứng dụng trong hệ thống nhúng.
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC
Tất cả các bộ điều khiển lập trình được (PLC) cơ bản bao gồm hai thành phần chính: khối xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào ra.
Bộ xử lý trung tâm:
Bộ xử lý trung tâm là thành phần quan trọng nhất của PLC, bao gồm ba phần chính: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp Bộ xử lý thực hiện chương trình điều khiển được lưu trữ dưới dạng sơ đồ ladder trong hệ thống bộ nhớ, trong khi hệ thống nguồn cung cấp đảm bảo cung cấp các mức điện áp cần thiết cho hoạt động của bộ nhớ và bộ xử lý.
Ngõ vào và ngõ ra:
Ngõ vào và ngõ ra là yếu tố thiết yếu giúp PLC giám sát và điều khiển các quá trình Tín hiệu từ ngõ vào cho phép PLC thực hiện việc giám sát, trong khi ngõ ra đảm bảo việc điều khiển hiệu quả.
Ngõ vào của PLC được sử dụng để nhận trạng thái ON/OFF của thiết bị, chủ yếu nhằm thu thập thông tin từ các thiết bị ngoại vi Mỗi thiết bị đầu vào tiêu thụ năng lượng và điện áp khác nhau, tùy thuộc vào nút nhấn trên bảng điều khiển và các cảm biến kết nối với module input Do đó, người dùng cần lựa chọn module phù hợp với thiết bị đầu vào để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Module đầu vào số của PLC được phân loại thành ngõ vào DC và ngõ vào AC, tùy thuộc vào kiểu điện áp và tính năng cách ly Các ngõ vào cách ly giúp giảm thiểu nhiễu từ môi trường công nghiệp khắc nghiệt, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Module ngõ ra số của PLC cung cấp tín hiệu ON/OFF để điều khiển các quá trình Thiết bị ngõ ra này có thể kết nối với các thiết bị như đèn, contactor và relay để thực hiện các chức năng điều khiển cần thiết.
Module ngõ ra số của PLC có thể được chia thành ngõ ra relay, ngõ ra transistor, SSR
Ngõ vào Analog (Bộ chuyển đổi A/D):
Bộ chuyển đổi A/D là thiết bị chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số (số hóa hay A/D) để xử lý trong CPU Nhiệm vụ chính của quá trình này là biểu diễn giá trị số tương ứng với tín hiệu analog Độ phân giải của bộ chuyển đổi A/D được xác định bởi số bit đầu ra và được tính theo công thức: Độ phân giải = 2^N, trong đó N là số bit ngõ ra.
Ngõ ra Analog (Bộ chuyển đổi D/A):
Bộ chuyển đổi D/A (Digital to Analog) thực hiện chức năng chuyển đổi giá trị số thành tín hiệu Analog, cho phép xuất tín hiệu từ CPU ra bên ngoài Quá trình này nhằm biểu diễn giá trị số tương ứng với tín hiệu Analog, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin.
Hình 2.5: Chương trình thực hiện theo vòng quét (scan) trong PLC
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp, hay còn gọi là vòng quét Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ cổng vào đến vùng bộ đệm ngõ vào ảo, sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Tiếp theo, PLC tiến hành truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi, và cuối cùng là chuyển nội dung của bộ đệm ngõ ra ảo tới các cổng ra.
Ngôn ngữ lập trình SFC
2.3.1 Giới thiệu chung về ngôn ngữ SFC
SFC, hay Biểu đồ Hoạt động Tuần tự, là một trong năm ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn được quy định trong phiên bản IEC61131-3 phát hành năm 2003 Năm ngôn ngữ này bao gồm: Liệt kê Lệnh (IL), Sơ đồ Tiếp điểm (LD), Sơ đồ Khối Chức năng (FBD), Văn bản Có cấu trúc (ST) và SFC.
2.3.2 Cấu trúc một chương trình SFC cơ bản
Theo tiêu chuẩn IEC, một chương trình SFC bao gồm ba thành phần chính là:
Các sự chuyển tiếp (transitions)
Hình 2.6: Cấu trúc chương trình SFC
Một bước trong lập trình điều khiển logic có thể được hiểu là một trạng thái xác định, trong đó các hoạt động của chương trình được điều khiển bởi các tín hiệu đầu vào và đầu ra Trạng thái của các hoạt động này thay đổi tùy thuộc vào việc bước đó có được kích hoạt hay không Mỗi bước có thể đi kèm với một tác động liên kết, bao gồm chuỗi lệnh mà PLC thực hiện trong thời gian bước đang hoạt động Tác động này có thể được lập trình bằng một trong bốn ngôn ngữ lập trình theo tiêu chuẩn IEC61131-3.
Quá trình chuyển tiếp là yếu tố thiết yếu trong một khối điều khiển PLC, diễn ra sau khi PLC hoàn thành các lệnh trong phần tác động của bước hiện tại Để thực hiện bước tiếp theo, PLC cần một điều kiện chuyển tiếp, điều này có nghĩa là các bước tiếp theo chỉ được thực hiện khi điều kiện đó được đáp ứng Chuyển tiếp có thể dựa vào sự thay đổi tín hiệu ngõ vào, kết quả từ bước tác động trước hoặc kết quả của một phép so sánh.
Một số loại chuyển tiếp được cho trong Bảng 2.1:
Bảng 2.1: Các loại chuyển tiếp trong SFC
Loại Chức năng từng loại
Serial transition - Khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn, bước tiếp theo được thực hiện, và tương tự cho các bước sau đó
- Một nhánh ra hoặc vào với nhiều điều kiện chuyển tiếp
- Trong số nhiều điều kiện chuyển tiếp, bước tiếp theo sẽ được thực hiện nơi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn
- Thực hiện tiến hành nhiều bước từ một bước duy nhất
- Khi các bước tức thời trước khớp nối được thực thi, bước tiếp theo cũng sẽ được thực thi khi các điều kiện chuyển tiếp thông thường thỏa mãn
Jump transition - Khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn, sẽ tiến hành thực thi các bước quy định trong cùng một khối.
Chức năng của PLC
Xử lý tín hiệu vào:
PLC thu thập tín hiệu từ các thiết bị nhập bằng tay như nút nhấn và công tắc, cũng như từ các cảm biến để đo và kiểm tra các thông số như chuyển động, áp suất và lưu lượng chất lỏng Tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (Digital) hoặc tín hiệu tương tự (Analog), và chúng được giao tiếp với PLC thông qua các Module ngõ vào.
Chức năng điều khiển: Điều khiển logic:
PLC thay thế các bộ điều khiển như rơ-le và công tắc tơ phức tạp, cho phép điều khiển máy móc và quy trình theo ba chế độ: bằng tay, bán tự động và tự động hoàn toàn Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển liên tục.
PLC không chỉ thay thế bộ điều khiển relay trong việc thực hiện các chức năng điều khiển logic cơ bản, mà còn có khả năng điều khiển các quá trình liên tục như điều khiển PID và Fuzzy.
Tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi
Chức năng truyền thông của PLC FX
Trạm chủ cho phép kết nối thiết bị từ xa, I/O từ xa (biến tần, AC servo, cảm biến, van điện từ, ) hỗ trợ mạng CC-link
Khi trạm chủ là một PLC A/QnA
Số đơn vị có thể kết nối: 64
Tổng khoảng các các trạm: 1200m
Hình 2.7: Sơ đồ kết nối mạng CC-link trạm chủ là A/QnA CPU
Khi trạm chủ là một PLC Q
Số đơn vị có thể kết nối: 64
Tổng khoảng các các trạm: 1200m
Hình 2.8: Sơ đồ kết nối mạng CC-link trạm chủ là Q CPU
Khi trạm chủ là một PLC FX
Tổng khoảng các các trạm: 1200m
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối mạng CC-link trạm chủ là FX CPU
Mạng N : N cho phép kết nối 8 PLC FX, thiết bị được liên kết qua truyền thông theo chuẩn RS485
Một trong ba kiểu có thể được lựa chọn theo số thiết bị được liên kết (ngoại trừ PLC FX0N và FX1S chỉ thực hiện được kiểu 0)
Hình 2.10: Sơ đồ kết nối mạng N:N
Bảng 2.2: Thông số truyền thông mạng N:N
Tổng khoản cách mở rộng các trạm 500 m Khoảng cách thay đổi phụ thuộc vào loại thiết bị truyền thông Phương pháp truyền thông
Bán song cong, song công Tôc độ baud 38400 bps
Start bit Được cố định
Sum check Được cố định
Parallel link cho phép kết nối hai PLC FX cùng series, với tùy chọn chế độ bình thường hoặc tốc độ cao tùy theo số lượng thiết bị kết nối Khoảng cách tối đa giữa hai trạm là 500m, và tốc độ baud có thể đạt 115200bps hoặc 19200bps, tùy thuộc vào series.
Hình 2.11: Sơ đồ kết nối mạng parallel link
Computer link cho phép kết nối lên tới 16 trạm PLC FX và PLC A tới một máy tính làm việc như là một trạm chủ
Hình 2.12: Sơ đồ kết nối 1:N mạng computer link
Hình 2.12: Sơ đồ kết nối 1:N mạng computer link
Bảng 2.3: Thông số truyền thông mạng computer link
Chuẩn truyền Chuẩn RS485 hoặc RS-
Khoảng cách có thể thay đổi phụ thuộc vào loại thiết bị truyền thông
Tổng khoản cách mở rộng các trạm
RS-485: 500 m hoặc nhỏ hơn RS-232C: 15m hoặc nhỏ hơn
Khoảng cách thay đổi phụ thuộc vào loại thiết bị truyền thông
Bán song cong, song công
Start bit Được cố định
Parity bit Không có, chẳn hoặc lẻ
Sum check Được hoặc không được cung cấp
Truyền thông với biến tần:
Truyền thông biến tần hỗ trợ kết nối giữa PLC FX và tối đa 8 biến tần, cho phép giám sát hoạt động và thực hiện đọc, ghi thông số qua giao thức RS485 Khoảng cách tối đa giữa các trạm có thể lên đến 500m.
Hình 2.14: Sơ đồ mạng kết nối PLC với biến tần
Truyền thông không giao thức:
Truyền thông không giao thức được sử dụng để kết nối các thiết bị như máy in và đầu đọc mã vạch trong dòng PLC FX Đối với loại truyền thông này, người dùng có thể áp dụng các lệnh RS và RS2.
Tổng số point của truyền và nhận dữ liệu là 8000 points, khoảng các truyền là 15m đối với chuẩn truyền RS232 và 500m đối với chuẩn truyền RS485
Khối truyền thông FX2N-232IF
Khối truyền thông chức năng đặc biệt RS232C, FX2N-232IF kết nối với PLC FX2N, FX3U, FX2NC và FX3UC, cho phép chuyển đổi dữ liệu nối tiếp theo phương pháp full-duplex giữa PLC và các thiết bị hỗ trợ RS232 như máy tính, máy đọc mã vạch hoặc máy in.
PLC dòng FX có thể kết nối đến 8 khối FX2N-232IF, định dạng truyền thông được xác định bằng cách sử dụng vùng nhớ đệm (BFM)
Các lệnh FROM/TO được dùng để đọc hoặc ghi dữ liệu tới vùng nhớ đệm Vùng nhớ đệm gửi và nhận có thể lên tới 512 byte/256 word.
Truyền thông PLC FX2N và máy quét mã vạch thông qua khối truyền thông FX2N–232IF
2.6.1 Tổng quan về Barcode Ý tưởng về barcode được phát triển bởi Norman Joseph Woodland và Bernard Silver Năm 1948 khi đang là sinh viên ở trường Đại học tổng hợp Drexel, họ đã phát triển ý tưởng này sau khi được biết mong ước của một vị chủ tịch của một công ty buôn bán đồ ăn là làm sao để có thể tự động kiểm tra toàn bộ quy trình
Ngày nay Barcode được sử dụng trong mọi lĩnh vưc của đời sống trong công nghiệp cũng như dân dụng
Barcode hỗ trợ giao tiếp với các thiết bị theo các chuẩn công nghiệp phổ biến như truyền thông nối tiếp, Ethernet, CAN bus, PROFIBUS và DeviceNet.
Mã vạch (Barcode) là phương pháp lưu trữ và truyền tải thông tin thông qua ký hiệu gọi là ký mã vạch Ký mã vạch, hay mã vạch, là sự kết hợp của các khoảng trắng và vạch thẳng, dùng để biểu diễn chữ cái, ký hiệu và con số Thay đổi độ rộng của vạch và khoảng trắng giúp truyền tải thông tin dưới dạng mà máy có thể đọc được.
Là một công nghệ nhận dạng tự động, cho phép thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác
Barcode tuyến tính (linear barcode)/barcode 1D
2.6.2 Barcode tuyến tính Đây là một mã vạch tuyến tính thông thường Nó có một hàng duy nhất các thanh mã vạch tương tự như hàng rào Mã vạch được gọi là "một chiều" bởi vì tất cả dữ liệu được mã hóa trong chiều rộng ngang Tăng nội dung dữ liệu chỉ có thể đạt được bằng cách tăng chiều rộng
Các chuẩn mã hóa dữ liệu 1D – barcode:
UPC là mã số được ngành công nghiệp thực phẩm áp dụng từ năm 1973 để gán mã số không trùng lặp cho từng sản phẩm Hệ thống này hoạt động như "giấy phép bằng số" cho các sản phẩm riêng lẻ, giúp quản lý và phân phối hàng hóa hiệu quả hơn.
UPC bao gồm hai phần: mã vạch có thể được máy đọc và số mà con người có thể nhận diện Mã số UPC gồm 12 ký tự số, không chứa ký tự đặc biệt, và được sử dụng để xác định từng sản phẩm tiêu dùng một cách riêng biệt.
Nhìn ký hiệu UPC như hình trên ta thấy tổng cộng gồm 12 ký số:
Ký số thứ 1, hay còn gọi là ký số hệ thống số (number system digit) hoặc "Family code", là số 0 Nó nằm trong tập hợp 7 con số, mỗi con số đều có ý nghĩa và phân loại riêng cho sản phẩm.
5 – counpous: phiếu lĩnh hàng hóa
4 – Dành cho người bán lẻ sử dụng
3 – Thuốc và các mặt hàng có liên quan đến y tế
2 – Các mặt hàng tự nhiên như thịt và nông sản
0, 6, 7 – Gán cho tất cả các mặt hàng khác như là một phần nhận diện của nhà sản xuất
Năm ký số thứ 2 trong mã UPC, được biểu thị bằng 12345, đại diện cho mã người bán (Vendor Code), mã doanh nghiệp hoặc mã nhà sản xuất (Manufacturer Code) Tại Hoa Kỳ, mã này do hiệp hội UCC (The Uniform Code Council) cấp phát, đảm bảo rằng mỗi mã được cấp cho người bán hoặc nhà sản xuất là duy nhất Do đó, khi hàng hóa được lưu thông trên thị trường thông qua mã UPC, chỉ cần tra cứu 5 ký số này là có thể xác định được xuất xứ của sản phẩm.
Năm ký số kế tiếp là công cụ mà người bán sử dụng để gán cho sản phẩm của mình Mỗi người bán có thể tự tạo ra 5 ký số độc đáo nhằm mã hóa và phân biệt sản phẩm của họ.
Ký số cuối cùng: Ở đây là số 5, là ký số kiểm tra, xác nhận tính chính xác của tòan bộ số UPC
UPC được phát triển thành nhiều phiên bản (version) như UPC-A, UPC-B, UPC-
C, UPC-D và UPC-E trong đó UPC-A được coi như phiên bản chuẩn của UPC, các phiên bản còn lại được phát triển theo những yêu cầu đặc biệt của ngành công nghiệp
Mã UPC vẫn còn đang sử dụng ở Hoa Kỳ và Bắc Mỹ
EAN là bước phát triển kế tiếp của UPC, với cách mã hóa tương tự nhưng dung lượng lớn hơn với 13 ký số, trong đó 2 hoặc 3 ký số đầu tiên là "mốc" để biểu thị nước xuất xứ, được gọi là "mã quốc gia" do Tổ chức EAN quốc tế cấp.
EAN này được gọi là EAN-13 để phân biệt với phiên bản EAN-8 sau này gồm
Theo ký hiệu EAN-13 như hình vẽ phía trên, có thể phân chia như sau:
893 – Mã quốc gia Việt Nam
Mã số 123456789 được chia thành hai phần: phần đầu là mã nhà sản xuất, có thể gồm 4, 5 hoặc 6 ký số tùy thuộc vào mã được cấp, và phần còn lại là mã mặt hàng.
7 – Mã kiểm tra chính xác của toàn bộ số EAN
EAN có một biến thể khác của nó là JAN (Japaneses Artical Numbering), thực chất là EAN của người Nhật với mã quốc gia là 49
Mã EAN, phát triển với mã quốc gia, được sử dụng cho sản phẩm lưu thông toàn cầu và được quản lý bởi Tổ chức EAN quốc tế Tại Việt Nam, doanh nghiệp muốn sử dụng mã EAN cần trở thành thành viên của Tổ chức Mã Số Mã Vạch Việt Nam (EAN Việt Nam) để được cấp mã số doanh nghiệp.
UPC và EAN là hai loại mã vạch chuyên nghiệp và quốc tế, nhưng chúng có nhược điểm là dung lượng hạn chế và chỉ có khả năng mã hóa số, không thể mã hóa chữ.
Code 39 được phát triển sau UPC và EAN là ký hiệu chữ và số thông dụng nhất
Code 39 không có chiều dài cố định như UPC và EAN, cho phép lưu trữ nhiều thông tin hơn Với tính linh hoạt này, Code 39 được ưa chuộng trong các lĩnh vực bán lẻ và sản xuất Bộ ký tự của nó bao gồm tất cả các chữ hoa và các ký số.
0 đến 9 và 7 ký tự đặc biệt khác
