Trình Bày Những Thành Phần Cơ Bản Của Bộ Điều Khiển Plc

2.1 Mở đầu

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-300

Ở hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất trong công nghiệp trước đây, các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo trên cơ sở các rơle và các mạch điện tử logic kết nối với nhau theo nguyên lý làm việc của hệ thống.

Đối với các hệ thống làm việc đơn giản và có tính độc lập thì việc sử dụng các phần tử logic có sẵn liên kết cứng với nhau rất có ưu điểm về giá thành. Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phức tạp, nhiều chức năng thì việc cấu trúc theo kiểu liên kết cứng có nhiều nhược điểm như:

- Hệ thống cồng kềnh, đấu nối phức tạp dẫn tới độ tin cậy kém.

- Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống hoặc sửa chữa các hư hỏng sẽ rất khó khăn và mất nhiều thời gian nếu hệ thống là phức tạp, số lượng rơle là lớn.

Sự phát triển của máy tính điện tử, sự phát triển của tin học cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động, dựa trên cơ sở tin học gắn liền với hàng loạt những phát minh liên tiếp như mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959, bộ vi xử lý - năm 1974... những phát minh đó đã đóng góp một vai trò quan trọng và quyết định trong việc phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật như PLC, CNC...

Thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây và việc sử dụng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hóa.

PLC (Programmable Logic Controler) là thiết bị điều khiển lập trình được (hay còn gọi là khả trình), cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, PLC thực chất là một máy tính, nhưng điểm khác ở đây là nó được thiết kế chuyên cho lĩnh vực điều khiển và làm việc được trong điều kiện phức tạp với sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm, hay nói một cách khác nó là một máy tính chuyên dụng.

Đặc điểm của PLC:

- Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt độ, độ ẩm và tiếng ồn.

- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra.

-Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết được các phép toán logic.

Đến nay các thiết bị và kỹ thuật PLC đã phát triển rất mạnh mẽ, những người sử dụng không cần kiến thức về điện tử cũng như kiến thức về máy tính mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất, nắm vững phương pháp lập trình để chọn thiết bị cho phù hợp là có thể đưa vào để tự động hóa dây truyền sản xuất đó.

2.2 Các thành phần cơ bản của một PLC

2.2.1 Cấu hình cứng

Hình 2.1 trình bày những thành phần cơ bản của bộ điều khiển PLC

Thiết bị lập trình

Bộ nhớ

Bộ xử lý

Giao diện đầu vào

Giao diện đầu ra

Nguồn cung cấp

Hình 2.1. Các thành phần cơ bản của một bộ điều khiển PLC

* Bộ vi xử lý

Bộ xử lý (còn gọi là bộ xử lý trung tâm CPU là hạt nhân của PLC) thực hiện các phép toán logic, số học và điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.

Bộ xử lý làm việc theo tuần tự từng bước, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình và chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu lạ và thực hiện các phép tính toán rồi đưa kết quả tới đầu ra.

Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ, chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan), thời gian quét phụ thuộc vào dung lương bộ nhớ, phụ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, phụ thuộc vào tốc độ của CPU.

Chu kỳ một vòng quét trong PLC được trình bày như hình 2.2.

Đưa dữ liệu tới ngoại vi Nhập dữ liệu từ đầu vào

Truyền thông nội bộ Thực hiện chương trình

Hình 2.2. Chu kỳ làm việc của PLC

* Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC 220v hoặc 110v

(50  60Hz)

thành điện áp thấp cho vi xử lý (5v hoặc 24v) và cho các modul còn lại.

* Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được nạp vào PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc có thể là thiết bị lập trình bằng tay, có thể là máy tính cá nhân có phần mềm được cài đặt trên đó.

Thiết bị lập trình cầm tay chỉ có thể dùng cho những bài toán đơn giản ngắn gọn, còn với những bài toán phức tạp và số lệnh là nhiều thì phải sử dụng những máy lập trình chuyên dụng hoặc có thể sử dụng phần mềm trên máy tính cá nhân để lập trình, chương trình sau khi viết được nạp xuống PLC qua thiết bị ghép nối.

* Bộ nhớ

Bộ nhớ PLC thường có các bộ nhớ như: RAM và ROM... có dung lượng tùy thuộc vào thiết kế riêng của từng loại PLC, có thể phân chia bộ nhớ của PLC ít nhất thành các vùng sau:

- Bộ nhớ điều hành:

Hệ điều hành thường nằm trong vùng nhớ của ROM, do được phát triển bởi nhà sản xuất nên ít khi cần thay đổi, hệ điều hành là một chương trình ngôn ngữ máy đặc biệt để chạy PLC, nó chỉ dẫn cho vi xử lý đọc và hiểu các lệnh, các biểu tượng do người sử dụng lập trình, theo dõi mọi trạng thái vào/ra và duy trì giám sát các trạng thái hiện tại của hệ thống.

-Bộ nhớ hệ thống

Khi hệ điều hành thực hiện nhiệm vụ của mình thường cần một số vùng để lưu giữ kết quả và thông tin trung gian, do đó một phần của bộ nhớ RAM được dùng cho mục đích này.

-Bộ nhớ đệm vào/ra

CPU không lấy dữ liệu trực tiếp từ đầu vào thiết bị đầu vào cũng như không đưa kết quả đến trực tiếp thiết bị đầu ra ngoại vi, mà nó sẽ đưa các tín hiệu đó đến bộ đệm vào/ra.

- Bộ nhớ chương trình

Vùng nhớ này dùng để chứa chương trình ứng dụng, đây là vùng nhớ mà hệ điều hành sẽ chỉ cho CPU đọc và thực hiện các lệnh của chương trình, vùng bộ nhớ chương trình nằm trong RAM, lưu ý rằng bộ nhớ RAM có đặc điểm là nội dung bộ nhớ thay đổi nhanh, nội dung bộ nhớ sẽ bị xóa khi có lỗi của nguồn cung cấp và không có nguồn dự phòng, để lưu giữ một cách an toàn thì chương trình điều khiển phải được ghi vào bộ nhớ ERPOM hay EEPROM.

*Giao diện vào/ra

Giao diện này thực hiện công việc ghép nối giữa các thiết bị công nghiệp công suất lớn với điện tử công suất nhỏ, phần lớn các PLC thực hiện với các điện áp

từ 5 15V DC (điện áp TTL và CMOS). Trong khi tín hiệu từ thiết bị vào có thể lớn

hơn rất nhiều từ 24V DC đến 240V AC với dòng một vài ampe.

Như vậy giao diện này là bộ ghép nối giữa mạch điện tử PLC với thế giới thực bên ngoài do đó phải đảm bảo được trạng thái tín hiệu cần thiết với tính chất cách ly, điều này cho phép PLC có thể được nối trực tiếp với các cơ cấu chấp hành, các thiết bị vào/ra.

PLC Ghép nối quang

Diode bảo vệ

Mạch phân áp

Tín hiệu vào

Tín hiệu đến CPU

Rơl

Tín hiệu ra

Cầu chì

Ghép nối quang Tín hiệu ra

PLC

Hình 2.3. Các phương pháp ghép nối giữa PLC với thế giới bên ngoài

-Tín hiệu vào được cách ly nhờ linh kiện quang (hình 2.3.a).

- Tín hiệu ra được cách ly kiểu rơle và cách ly quang (hình 2.3.b,c).

Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic, ví dụ như tín hiệu vào có thể là từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào

quang điện, thiết bị ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, động cơ nhỏ.

2.2.2. Cấu tạo chung của PLC

Kết cấu của PLC thường có 2 kiểu cơ bản là: kiểu modul hóa và kiểu hộp

đơn.

- Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần

lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình, chúng được chia nhỏ thành các modul (hình 2.4), tối thiểu phải có modul CPU, các modul còn lại là các modul nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modul có chức năng chuyên dụng như modul mờ, modul PID... chúng được gọi là các modul mở rộng, việc sử dụng các modul nào là tùy thuộc vào công việc cụ thể.

Nguồn CPU IM SM SM SM SM SM CP FM FM