CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU BỘ ðIỀU KHIỂN
3.1. Nghiên cứu về PLC
3.1.3. Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt ủộng
Tất cả PLC ủều cú thành phần chớnh là: một bộ nhớ chương trỡnh RAM bờn trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM), một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các module I/O.
Chương trỡnh ủiều khiển ủược nạp vào bộ nhớ, khi PLC hoạt ủộng tức ủược cấp nguồn nuụi và CPU ở chế ủộ Run, bộ vi xử lý sẽ xử lý cỏc tớn hiệu vào theo chương trỡnh ủó ủược lập ủể ủiều khiển cỏc tớn hiệu ủầu ra.
Bờn cạnh ủú, một bộ PLC hoàn chỉnh cũn ủi kốm thờm một ủơn vị lập trỡnh bằng tay hay bằng mỏy tớnh. Hầu hết cỏc ủơn vị lập trỡnh ủơn giản ủều cú ủủ RAM ủể chứa ủựng chương trỡnh dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung.
Nếu ủơn vị lập trỡnh là ủơn vị xỏch tay, RAM thương là loại CMOS cú pin dự phũng, chỉ khi nào chương trỡnh ủó ủược kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thỡ nú mới truyền sang bộ nhớ PLC. ðối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, ủọc và kiểm tra chương trỡnh. Cỏc ủơn vị lập trỡnh nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485,...
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 48 Hình 3.1. Cấu trúc của một PLC
b. Nguyờn lý hoạt ủộng của PLC
• Bộ xử lý trung tâm CPU
CPU ủiều khiển cỏc hoạt ủộng bờn trong PLC. Bộ xử lý sẽ ủọc và kiểm tra chương trỡnh ủược chứa trong bộ nhớ, sau ủú sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trỡnh, sẽ ủúng hay ngắt cỏc ủầu ra. Cỏc trạng thỏi ngừ ra ấy ủược phỏt tới cỏc thiết bị liờn kết ủể thực thi và toàn bộ cỏc hoạt ủộng thực thi ủú ủều phụ thuộc vào chương trỡnh ủiều khiển ủược giữ trong bộ nhớ.
• Hệ thống bus
Hệ thống bus là tuyến dựng ủể truyền tớn hiệu, hệ thống gồm nhiều ủường tớn hiệu song song:
+ Address bus: dựng ủể truyền ủịa chỉ tới cỏc module khỏc nhau + Data bus: bus dựng ủể truyền dữ liệu.
+ Control bus: bus ủiều khiển dựng ủể truyền cỏc tớn hiệu ủịnh thỡ và ủiều khiển ủồng bộ cỏc hoạt ủộng trong PLC
Trong PLC cỏc số liệu ủược trao ủổi giữa cỏc bộ vi xử lý và cỏc module vào ra thụng qua data bus. Address bus và data bus gồm 8 ủường, ở cựng thời ủiểm cho phộp truyền 8 bit của một byte một cỏch ủồng thời hay song song. Nếu một module ủầu vào nhận ủược ủịa chỉ của nú trờn Address bus, nú sẽ chuyển tất cả cỏc trạng thỏi ủầu vào của nú vào data bus. Nếu một ủịa chỉ byte của 8 ủầu ra xuất hiện trờn Address bus.
Module ủầu ra tương ứng sẽ nhận ủược dữ liệu từ data bus. Control bus sẽ chuyển cỏc
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 49 tớn hiệu ủiều khiển vào theo dừi chu trỡnh hoạt ủộng của PLC. Cỏc ủịa chỉ và số liệu ủược truyền lờn cỏc bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao ủổi thụng tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bờn cạnh ủú CPU ủược cung cấp một xung clock cú tần số từ 1,8 Mhz. Xung này quyết ủịnh tốc ủộ hoạt ủộng của PLC và cung cấp cỏc yếu
tố về ủịnh thời, ủồng hồ của hệ thống.
• Bộ nhớ
Bộ nhớ S7-200 ủược chia thành 4 vựng: vựng chương trỡnh, vựng tham số, vựng dữ liệu và vựng ủối tượng với 1 tụ cú nhiệm vụ duy trỡ dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất ủịnh khi mất nguồn. Bộ nhớ S7-200 cú tớnh năng ủộng cao, ủọc, ghi ủược trong toàn vựng, loại trừ cỏc bit nhớ ủặc biệt SM (Special memory) chỉ cú thể truy nhập ủể ủọc.
PLC thường yờu cầu bộ nhớ trong cỏc trường hợp: làm bộ ủịnh thời cho cỏc kờnh trạng thỏi I/O; làm bộ ủệm trạng thỏi cỏc chức năng trong PLC như ủịnh thờim gian, ủếm, gọi cỏc Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ ủều ủược ủỏnh số, những số này chớnh là ủịa chỉ trong bộ nhớ. ðịa chỉ của từng ụ nhớ sẽ ủược trỏ ủến bởi một bộ ủếm ủịa chỉ nằm bờn trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giỏ trị trong bộ ủếm này thờm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một ủịa chỉ mới, nội dung của ụ nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở ủầu ra, quỏ trỡnh này gọi là quỏ trỡnh ủọc.
Bộ nhớ bờn trong của PLC ủược tạo bởi cỏc vi mạch bỏn dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tùy theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM ủều ủược sử dụng:
+ RAM (Read Only Memory) cú thể nạp chương trỡnh, thay ủổi hay xúa bỏ nội dung bất kỳ lỳc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn ủiện nuụi bị mất. ðể trỏnh tỡnh trạng này cỏc PLC ủều ủược trang bị pin khụ cú khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài thỏng ủến vài năm. Trong thực tế RAM ủược dựng khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao.
+ EPROM (Electrically Programable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 50 sử dụng bỡnh thường chỉ cú thể ủọc chứ khụng ghi nội dung vào ủược, nội dung của EPROM khụng bị mất khi mất nguồn, nú ủược gắn sẵn trong mỏy, ủó ủược nhà sản xuất nạp và chữa sẵn hệ ủiều hành. Nếu người sử dụng khụng muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC. Trên Programer có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.
+ EEEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh ủộng của RAM và cú tớnh ổn ủịnh. Nội dung của nú cú thể xúa và lập trỡnh bằng ủiện tuy nhiờn số lần là cú giới hạn. Kớch thước bộ nhớ +Cỏc PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy theo công nghệ chế tạo.
+Cỏc PLC loại lớn cú kớch thước từ 1k - 16k cú khả năng chứa từ 2000 ủến 16000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
• Các ngõ vào ra I/O
Cỏc ủường tớn hiệu từ bộ cảm biến ủược nối vào cỏc module (cỏc ủầu vào của PLC) cỏc cơ cấu chấp hành ủược nối với modul ra (cỏc ủầu ra của PLC). Hầu hết cỏc PLC cú ủiện ỏp hoạt ủộng bờn trong là 5V, tớn hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC.
Mỗi ủơn vị I/O cú duy nhất một ủịa chỉ, cỏc hiển thị trạng thỏi của cỏc kờnh I/O ủược cung cấp bởi cỏc ủốn LED trờn PLC, ủiều này làm cho việc kiểm tra hoạt ủộng nhập xuất trở nờn dễ dàng và ủơn giản. Bộ xử lý ủọc và xỏc ủịnh cỏc trạng thỏi ủầu vào (ON/OFF) ủể thực hiện việc ủúng ngắt mạch ở ủầu ra.
• Mở rộng cổng vào/ra
ðể mở rộng cỏc ủầu vào ra trong trường hợp số ủầu vào ra trờn PLC khụng ủủ hoặc các tín hiệu khác loại (Digital và Analog), người ta sử dụng các module mở rộng.
Có các loại module mở rộng như: EM231, EM235, EM241,… Tùy vào yêu cầu bài toán, loại CPU mà chọn loại module mở rộng hợp lý về số lượng, tính chất của từng module.
CPU224 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 module, gồm các module tương tự và số. Việc mở rộng cổng vào/ra của PLC thực hiện bằng cách ghép nối thêm vào nó các module mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích. ðịa chỉ của các
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 51 vị trớ của cỏc module ủược xỏc ủịnh cựng kiểu, vớ dụ như một module cổng ra khụng thể gỏn ủịa chỉ của một module cổng vào, cũng như một module tương tự khụng thể cú ủịa chỉ như một module số và ngược lại.
Hình 3.2. Kết nối CPU với module mở rộng Cổng truyền thông
ðể truyền thông giao tiếp với các trạm PLC, các modul mở rộng, người ta sử dụng ủường truyền thụng qua cỏp RS485 với phớch nối 9 chõn. ðể giao tiếp giữa mỏy tớnh PC với PLC thỡ sử dụng cỏp RS232, việc ủồng bộ húa giữa 2 tớn hiệu 232 và 485 ủược thực hiện bằng cỏp PC/PPI.
Hình 3.3. Giao tiếp giữa PLC với PC và vấu tạo cáp PC/PPI
• Bộ nguồn
Bộ nguồn cú nhiệm vụ chuyển ủổi ủiện ỏp xoay chiều 220VAC, 110VAC hoặc 24VDC thành một chiều 5VDC cấp nguồn nuụi cho bộ xử lý và cỏc mạch ủiện bờn trong.
• Cỏc ủốn trạng thỏi
SF (ựèn ựỏ): đèn ựỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.
RUN (ựèn xanh): đèn xanh RUN chỉ ựịnh PLC ựang ở chế ựộ làm việc và thực hiện
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 52 chương trỡnh ủược nạp vào trong mỏy.
STOP (ựèn vàng): đèn vàng STOP chỉ ựịnh rằng PLC ựang ở chế ựộ dừng chương trỡnh và ủang thực hiện lại.
c. Cỏc hoạt ủộng xử lý bờn trong PLC
• Xử lý chương trình
Khi một chương trỡnh ủó ủược nạp vào bộ nhớ của PLC , cỏc lệnh sẽ ủược trong một vựng ủịa chỉ riờng lẻ trong bộ nhớ.
PLC cú bộ ủếm ủịa chỉ ở bờn trong vi xử lý, vỡ vậy chương trỡnh ở bờn trong bộ nhớ sẽ ủược bộ vi xử lý thực hiện một cỏch tuần tự từng lệnh một, từ ủầu cho ủến cuối chương trỡnh . Mỗi lần thực hiện chương trỡnh từ ủầu ủến cuối ủược gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tựy thuộc vào tốc ủộ xử lý của PLC và ủộ lớn của chương trỡnh. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai ủoạn nối tiếp nhau:
- ðầu tiờn, bộ xử lý ủọc trạng thỏi của tất cả ủầu vào. Phần chương trỡnh phục vụ cụng việc này cú sẵn trong PLC và ủược gọi là hệ ủiều hành.
- Tiếp theo, bộ xử lý sẽ ủọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trỡnh. Trong ghi ủọc và xử lý cỏc lệnh, bộ vi xử lý sẽ ủọc tớn hiệu cỏc ủầu vào, thực hiện cỏc phộp toỏn logic và kết quả sau ủú sẽ xỏc ủịnh trạng thỏi của cỏc ủầu ra.
- Cuối cựng, bộ vi xử lý sẽ gỏn cỏc trạng thỏi mới cho cỏc ủầu ra tại cỏc module ủầu ra.
• Xử lý xuất nhập
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC:
- Cập nhật liên tục:
ðiều nay ủũi hỏi CPU quột cỏc lệnh ngừ vào (mà chỳng xuất hiện trong chương trỡnh), khoảng thời gian Delay ủược xõy dựng bờn trong ủể chắc chắn rằng chỉ cú những tớn hiệu hợp lý mới ủược ủọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Cỏc lệnh ngừ ra ủược lấy trực tiếp tới cỏc thiết bị. Theo hoạt ủộng logic của chương trỡnh, khi lệnh OUT ủược thực hiện thỡ cỏc ngừ ra cài lại vào ủơn vị I/O, vỡ thế nờn chỳng vẫn giữ ủược trạng thỏi cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
- Chụp ảnh quá trình xuất nhập:
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……… 53 Hầu hết các PLC loại lớn có thể có vài trăm I/O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời ủiểm. Trong suốt quỏ trỡnh thực thi, trạng thỏi mỗi ngừ nhập phải ủược xột ủến riờng lẻ nhằm dũ tỡm cỏc tỏc ủộng của nú trong chương trỡnh. Do chỳng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào.
ðể làm tăng tốc ủộ thực thi chương trỡnh, cỏc ngừ I/O ủược cập nhật tới một vựng ủặc biệt trong chương trỡnh. Ở ủõy, vựng RAM ủặc biệt này ủược dựng như một bộ ủệm lưu trạng thỏi cỏc logic ủiều khiển và cỏc ủơn vị I/O, mỗi ngừ vào ra ủều cú một ủịa chỉ I/O RAM này. Suốt quỏ trỡnh làm việc, PLC copy tất cả cỏc trạng thỏi vào trong I/O RAM. Quỏ trỡnh này xảy ra ở một chu kỳ chương trỡnh (từ Start ủến End ).
Thời gian cập nhật tất cả cỏc ngừ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O ủược copy tiêu biểu là vài ms. Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều dài chương trỡnh ủiều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1ữ10 às.