Xem mẫu
- MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
PHẦN 1: Tổng quan về đề tài
Chương 1: Giới thiệu hệ thống cân định lượng
Chương 2: Thiết bị
Chương 3: Giới thiệu PLC S7 300
Chương 4: Tổng quan hệ thống SCADA phần mềm WINCC
PHẦN 2: Mô phỏng và lập trình
Chương 1: Mô phỏng WINCC
Chương 2: Lập trình PLC
LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu
định lượng vô cùng quan trọng. Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng
nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất. Các thiết bị định
lượng có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn
trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm…
Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói
riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của cac doanh nghiệp nhằm nâng cao năng
suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh
trong quá trình hội nhập hiện nay.
Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất lớn vì vậy em đã lựa
chọn để tài “ thiết kế hệ thống cân định lượng”. Thông qua những tìm hiểu của em về
hệ thống cân định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp ý của
thầy cô.
Page 1
- Em xin trân thành cảm ơn !
Hà nội, ngày tháng năm 2014
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
1.1 Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp ứng dụng của hệ
thống cân định lượng ngày càng lớn. Yêu cầu cho hệ thống ngày càng đòi hỏi độ chình
xác cao, sản lượng lớn. Những ứng dụng của hệ thống cân định lượng là rất nhiều, em
đã chon cân định lượng trong khâu định lượng bán thành phẩm nhà máy sản xuất thức
ăn chăn nuôi là hướng tìm hiểu sâu về đề tài của mình.
1.1.1 Sản xuất thức ăn chăn nuôi
Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi. Ở nước ta
hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng
thức ăn chăn nuôi truyền thống. Thức ăn công nghiệp cần sản xuất tại các nhà máy thức
ăn chăn nuôi quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống cân tự động
trong phối trộn nguyên liệu thức ăn. Việc áp dụng cân định lượng trong khâu sản xuất
giúp giảm lao động , nâng cao hiệu quả, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm
chăn nuôi.
Page 2
- Thức ăn chăn nuôi gồm nhiều thành phần với tỷ lệ khác nhau vì vậy cân định lượng
cần đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.
1.1.2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Page 3
- CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ
2.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỈ THỊ KHỐI LƯỢNG:
Thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khác
nhau. Tuỳ mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác
nhau. Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân vẫn là lấy tín hiệu điện áp t ừ
loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc
màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in. Ngoài ra còn
có các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”,… Để thực hiện các chức năng nh ư
trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho
loadcell và A/D. Thông thường A/D sử dụng là loại 16 bits hoặc cao hơn sẽ cho độ phân
giải là lớn hơn một phần 65536 (216) và như vậy độ chính xác sẽ rất cao. Ngoài bộ vi
xử lý đủ mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh.
Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa
hay không.
Sau đây giới thiệu hình ảnh một số đầu cân và thiết bị hiển thị từ xa trong thực tế :
Page 4
- Hình 2.1: Giới thiệu hình ảnh một số loại đầu cân có trong thực tế
2.1.1. Đặc điểm đầu cân BDI –9301:
- Điều chỉnh hoàn toàn dùng kỹ thuật số làm cho việc chỉnh điểm 0 và đ ịnh b ước
cân (span) trở nên dễ dàng. Không cần phải nạp và xoá trọng lượng đặt một cách liên
tục.
- Có 16 hàm chức năng được điều chỉnh thông qua 16 phím nhấn. Có thể sử dụng
cho rất nhiều ứng dụng cân tĩnh cũng như cân động.
- Cho phép khởi động lại các giá trị mặc định tạo bởi nhà sản xuất khi có sự cố đối
với hoạt động bình thường.
- Chức năng kiểm tra hệ thống sẽ kiểm tra từng bộ phận của hệ thống để bảo đảm
hoạt động đúng.
- Hai chương trình chứa các giá trị như: Final Weight (SETPOINT), Upper Limit (HI),
Lower Limit (LO), Preliminary Weight (PRELIM) và tầm bù rơi tự do (FreeFall) có thể
được lưu trữ.
2.1.2. Giải thích cách chỉnh cân:
- Chỉnh độ phân giải: Khối lượng hiển thị lên màn hình thì dựa vào độ phân giải này.
Đây là khoảng thay đổi nhỏ nhất mà thiết bị có thể nhận biết đ ược. Ví dụ nếu đ ặt đ ộ
phân giải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103.…
Nếu độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ hiển thị 100, 102, 104… Có thể lựa chọn độ phân
giải này là 1, 2, 5, 10, 20 hay 50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trong
catalogue của BDI-9301.
- Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân. Thực hiện việc
này là để BDI-9301 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với khối lượng thêm vào. Có
thể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường xuyên để tránh ảnh hưởng của việc
thay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng khác.
- Khối lượng tối đa: Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người sử dụng
muốn cân. Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là những giới hạn khác mà
người dùng đặt. Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối lượng lớn nhất này.
- Cân chỉnh bước cân (Span Calibration): Với việc chỉnh Zero nhằm mục đích đặt giá
trị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm giới hạn mà có thể cân đ ược
(khối lượng lớn nhất). Điều này là để cho BDI-9301 biết hai đầu mút mà có thể cân
được chính xác. BDI-9301 sẽ tính toán giá trị cân được nếu khối l ượng cần cân n ằm
trong hai giới hạn này. Tuy nhiên, trong thực tế có thể dùng các khối lượng chuẩn đ ể
cân chỉnh cho việc này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối
lượng chuẩn càng gần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác).
- Sở dĩ cần cân chỉnh Zero là để A/D đọc giá trị sai lệch điện áp ban đ ầu khi không
có vật gì ở trên bàn cân. Chỉnh bước cân là cho A/D biết được giá trị điện áp ứng với
một khối lượng chuẩn đặt lên bàn cân. Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá tr ị điện
Page 5
- áp này và chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu
các giá trị này vào bộ nhớ. Khi có khối lượng cần cân, bộ xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và
trừ đi điện áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ số đã l ưu tr ước đó sẽ ra đ ược kh ối
lượng cần cân.
Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu đi ện áp ngõ ra loadcell quá l ớn lúc ch ỉnh Zero
thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG- của Loadcell như hình 2.2a. Ho ặc ngược lại n ếu tín
hiệu ra của Loadcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh Zero thì trong tr ường h ợp này ph ải m ắc
thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và SIG+ như trong hình 2.2b.
Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ 50K Ω đến 500KΩ);
có chất lượng cao và có hệ số nhiệt thấp. Các lỗi khi cân chỉnh trên đây và m ột s ố l ỗi khác sẽ
được báo lên màn hình và cách xử lý đã được hướng dẫn trong “Operation Manual” c ủa BDI-
9301.
Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh điện áp đầu cân ngõ ra loadcell
2.2. GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL
2.2.1. Lý thuyết về loadcell:
Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell.
Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn
hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa
biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là
một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong
điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu
điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong
loadcell là cầu Wheatstone.
- Nguyên lý:
Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên
điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng. Phần
lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của
cầu Wheatstone đã được sàng lọc. Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại
mạch này là một điều cần thiết.
Page 6
- Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu
Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc
cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:
Em = (V)
Với: - Ġ là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri
- R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120
ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).
- V là hiệu thế nguồn.
Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng
lượng cung cấp thật ổn định. Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung
cấp xoay chiều. Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản đ ể có
thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu.
Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộ
khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:
Em = (V)
Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt
nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề
bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone
Page 7
- thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng đ ể
dùng cho các thiết kế đặc biệt .
2.2.2. Một số Loadcell thực tế:
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật),
Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh... Mỗi loại
loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo
hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau.
Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại
loadcell.
Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây. Sơ đồ
nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:
a. Dạng nối dây1 b.Dạng nối dây 2
Hình 2.4: Các dạng nối dây của loadcell
Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất v ẫn là 4 dây vì ở c ả hai cách
nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là n ối t ắt, các dây
-veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt.
Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách kết
nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp.
Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi
loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị
này có thể là từ 2 miliVolt/Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt
độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải... (Với giá
trị điện áp ra danh định là 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra
sẽ là 20 miliVolt ứng với khối lượng tối đa).
Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác
nhau. Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng. Sau
đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế.
Page 8
- CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PLC S7-300
3.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHẢ TRÌNH PLC:
3.1.1. Giới thiệu chung:
PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập
trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình.
Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lập
trình được sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 cà được sử
dụng chủ yếu để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sản
xuất trong công nghiệp. Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nó
cũng giống như con vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh
hơn và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng.
Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm do
người dùng lập nên và cài vào. Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán tự
động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển và chỉ thay
đổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau.
Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:
- Thời gian lắp đặt công trình ngắn
- Dễ dàng thay đổi nhưng không tốn kém về mặt chính
- Có thể tính toán chính xác giá thành
- Cần ít thời gian làm quen
Page 9
- - Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo công nghệ thì dễ dàng
- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng
- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn
- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển
- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng
ồn.
Đứng đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của Mỹ,
công ty MitSubiShi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ, Schnider của
Pháp…
Cấu trúc chung của một hệ thống PLC được thể hiện trên sơ đồ hình 3.1.
Page 10
- 3.1.2. Bộ nguồn:
Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòng tiêu
thụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC). Dòng tiêu thụ của các phân tử PLC
phải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải.
3.1.3. CPU:
Thành phần cơ bản của PLC là khối vi xử lý CPU. Sản phẩm của mỗi hãng có đ ặc
trưng cho tính linh hoạt, tốc độ xử lý khác nhau. Về hình thức bên ngoài, các hệ CPU
của cùng một hãng có thể được phân biệt nhờ các đầu vào, ra và nguồn cung cấp.
Tốc độ xử lí của CPU là tốc độ xử lý từng bước lệnh của chương trình. PLC đòi
hỏi CPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lý
xảy ra nhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao. Tuy
nhiên tốc độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC.
3.1.3.1. Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời
gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể còn có một vài cổng vào ra số.
Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard.
PLC S7_300 có nhiều loại
module CPU khác nhau. Chúng được đặt
tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module
CPU312, module CPU314, module CPU315…
Những module cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra
onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều
hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau
trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ như Module
CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó c ổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại
module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là
module CPU315-DP.
3.1.3.2. Module mở rộng:
Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module.
Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu
trúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc
mở rộng hệ thống. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng d ụng
nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, các module còn
lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như
động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ. Chúng được gọi chung là các module mở
rộng.
Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:
3.1.3.2.1. Module nguồn nuôi (PS - Power supply):
Page 11
- Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.
3.1.3.2.2. Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module):
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng
có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng
có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số... Số các
cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại module.
- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module.
- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra
tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module.
- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương tự.
Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.
Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều
phải được chuyển đổi thành tín hiệu số. Cũng như các module số, người sử dụng cũng
có thể thiết lập các thông số cho các module analog.
3.1.3.2.3. Module ghép nối (IM - Interface module):
Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được
quản lý chung bởi 1 module CPU. Thông thường các module mở rộng được gắn liền với
nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mở rộng
(không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc
trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.
Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình.
S7-300 cung cấp 3 loại module ghép nối sau:
- IM 360: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên đó
với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU.
- IM 361: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8
module với khoảng cách tối đa là 10 m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi
tầng.
- IM 365: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên
đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU.
3.1.3.2.4. Module chức năng (FM - Function module):
Module có chức năng điều khiển riêng. Ví dụ như module PID, module điều khiển
động cơ bước…
3.1.3.2.5. Module truyền thông (CP - Communication module):
Page 12
- Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC
với máy tính.
Hình 3.4: Mô hình kết nối của SIMATIC S7-300
3.1.4. Bộ nhớ:
Dung lương bộ nhớ nói lên khả năng nhớ của PLC đo bằng đơn vị Kbyte nhưng
cũng có thể là số tối đa dòng lệnh có khi được viết chương trình.
- Bộ nhớ của S7 -300:
Bộ nhớ được chia làm ba vùng:
+ Vùng chương trình: là miền nhớ để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này
thuộc kiểu non-volatile đọc ghi được. Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:
• OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức
• FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình
thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
• FB (Function block): Miền chưa chương trình con được tổ chức thành hàm và có
khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này
phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB).
+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia
thành 7 miền khác nhau:
• I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số
• Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
• M: Miền biến cờ
• T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)
• C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)
• PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input)
• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output)
+ Vùng dữ liệu: là miền để sử dụng để cất giữ các khối dữ liệu của chương trình
bao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộ
đệm truyền thông. Một phần của bộ nhớ này thuộc kiểu đọc ghi được.
Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:
• DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước
cũng như khối lượng do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển.
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 của biến hình
thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của dữ liệu trong miền nhớ này
sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB.
Page 13
- - Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau. Cấu trúc
bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:
+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi
+ Vùng system memory
+ Vùng Load memory
+ Vùng Work memory
Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU.
Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao
gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong
thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB.
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, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter.
Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB,
FC, FB, SFC hoặc 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
với các khối chương trình khác (Local Block). Tại một thời điểm nhất đ ịnh vùng Work
memory chỉ chứa một khối chương trình. Sau khi khối chương trình đó được thực hiện
xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kế
tiếp đến lược thực hiện.
Page 14
- 3.1.5. Vòng quét chương trình:
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét
(scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số
tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng
quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1
(Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của
bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông
nội bộ và kiểm tra lỗi .
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét
(Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng thực
hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình
được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông...trong vòng quét đó.
Hình 3.6: Vòng quét chương trình
Như vậy, việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều
khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói
cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều
khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình
càng cao.
Chương trình xử lí ngắt có thể xâm nhập vào bất kì giai đoạn nào của chu trình vòng
quét. Vì thế, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hi ện
trong vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển,
tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử
dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng
vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo. Việc truyền thông gữa bộ đệm ảo với ngoại vi
trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi
gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả
chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra.
3.1.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng:
Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông
qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số
(DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I). Cuối mỗi
Page 15
- vòng quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển
tới cổng ra của các module ra số (DO). Việc thay đổi nội dung hai bộ đ ệm này đ ược
thực hiện bởi chương trình ứng dụng. Nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh
đọc cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi
trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị
từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét. Cũng như
vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do nó
chỉ thay đối nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng
mới thực sự đưa tới cổng ra vật lý của module DO.
Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại được
CPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị từ
địa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có
ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh.
Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bits) tới đ ịa chỉ c ủa
vùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ đươc gửi ngay tới cổng ra tương t ự c ủa
module.
Page 16
- Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ra
tương tự có thể có của một trạm. Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số với
những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực
tiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không cần
thông qua bộ đệm I và Q.
3.1.7. Cấu trúc chương trình:
- Lập trình tuyến tính:
Kĩ thuật lập trình tuyến tính là phương pháp lập trình mà toàn bộ chương trình ứng
dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Kĩ thuật này có ưu điểm là gọn, rất phù hợp với
những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.
Hình 3.8: Lập trình tuyến tính.
- Lập trình có cấu trúc:
Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần
này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với
những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-300 có 4 loại khối cơ
bản:
+ Loại khối OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều
khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng được phân biệt
với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm kí tự OB, ví dụ OB1, OB35, OB40,
OB80,..Trong khi khối OB1 được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét trong giai đoạn
thực hiện chương trình (giai đoạn 2) thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi xuất
hiện tín hiệu báo ngắt tương ứng, nói cách khác chương trình viết trong khối OB này
chính là chương trình xử lý tín hiệu ngắt (event).
+ Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng riêng
giống như một chương trình con hoặc một thủ tục (chương trình con có biến hình
thức). Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự FC, chẳng hạn như FC1, FC2,
…
+ Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một
lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải đ ược tổ chức
Page 17
- thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Một chương trình ứng dụng có thể có
nhiều khối FB và các khối FB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau
nhóm ký tự FB, chẳng hạn như FB1, FB2,…
+ Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương
trình. Các tham số của khối do người dùng tự đặt. Một chương trình ứng dụng có thể
có nhiều khối DB và các khối DB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau
nhóm ký tự DB, chẳng hạn như DB 1, DB 2,…
Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển
khối. Xem những phần chương trình trong các khối như là chương trình con thì S7-300
cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là từ chương trình con này gọi đến một
chương trình con khác và từ chương trình con này lại gọi tới chương trình con thứ 3...
Số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng.
Ví dụ như đối với module CPU314 thì số lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất có thể cho
phép là 8. Nếu số lần gọi lồng nhau vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyển
sang chế độ STOP và đặt cờ báo lỗi.
Page 18
- 3.1.8 . Bộ thời gian (Timer):
Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ τ mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào u(t) và
tín hiệu logic đầu ra y(t).
S7-300 có 5 loại Timer khác nhau. Thời gian trễ τ mong muốn được khai báo với
Timer bằng 1 giá trị 16 bits trong đó 2 bits cao nhất không sử dụng, 2 bits cao kế tiếp là
độ phân giải của Timer, 12 bits thấp là 1 số nguyên BCD trong khoảng 0999 được gọi là
PV (Preset Value).
Thời gian trễ τ chính là tích:
τ = Độ phân giải x PV
Không sử dụng Giá trị PV dưới dạng mã BCD
Độ phân giải
10ms
100ms
1s
10s
Thời gian có thể được khai báo dưới dạng bằng kiểu S5T
- Ví dụ: S5T#3s
Trong đồ án sử dụng loại Timer SD là loại Timer trễ theo sườn lên không có nhớ (On
Delay Timer): Ngõ ra lên mức 1 khi ngõ vào EN=1 và giá trị CV (Current Value) = 0.
3.1.9. Bộ đếm (Counter):
Counter là bộ đếm có chức năng đếm sườn xung của tín hiệu đầu vào. Có tối đa 256
Counter được kí hiệu từ C0C255. Có 2 loại:
Page 19
- - Bộ đếm tiến:
Đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu và tức là đếm số lần thay đổi trạng thái từ
0 lên 1 của tín hiệu. Số sườn xung đếm được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm. Nội
dung của thanh ghi này gọi là giá trị đếm tức thời luôn so sánh với giá trị đặt trước của
bộ đếm. nếu giá trị đếm tức thời bằng hoạc lớn hơn Giá trị đặt trước thì bộ đ ếm d ặt
giá trị logic bằng 1 và một bit đặc biệt của nó, còn nhỏ hơn thì đặt giá trị logic 0.
Bộ đếm tiến đều có chân nối với tín hiệu điều khiển để đặt lại chế độ ban đầu. Bộ
đếm được Reset khi tín hiệu xoá này có giá trị logic1. Khi bộ đếm được Reset thì thanh
ghi và Bit đều có giá trị logic 0.
- Bộ đếm tiến lùi:
Bộ đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng tiến, đếm lùi khi gặp s ườn lên
của xung vào cổng lùi. Bộ đếm cũng có Reset như bộ đếm tiến. Nó có giá trị tức thời
lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước khi thanh ghi 2 byte có giá trị logic 1 ng ược l ại có
giá trị 0.
Ví dụ:
- CU: tín hiệu dếm lên (BOOL)
- CD: tín hiệu đếm (BOOL)
- S: tín hiệu đặt (BOOL), khi có sườn lên thì giá trị đặt được nạp cho CV
- PV: giá trị đặt (WORD)
- R : tín hiệu xoá (BOOL), khi có sườn lên thì giá trị CV được xoá về 0.
- Q: ngõ ra
- V: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng Integer
- CV_BCD: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng BCD
3.1.10. Truyền thông với thiết bị khác:
3.1.10.1. Giới thiệu chung:
Truyền thông là phần khá phức tạp trong việc làm chủ PLC. PLC họ S7 sử dụng
cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích cắm 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối
với thiết bị lập trình (PC) hoặc với các trạm PLC khác. Ghép nối với PC qua c ổng
RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485.
Page 20
nguon tai.lieu . vn
