Giáo trình Kỹ thuật điều khiển lập trình

a chữa, độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp, đặc biệt là khả năng truyền thông cho phép nối mạng các cấp phục vụ cho điều khiển giám sát từ xa hay từ trung tâm điều khiển, với giá thành thấp phù hợp với mọi lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Hiện tại trong nước gần như chưa có giáo trình tiếng việt nào viết đầy đủ về bộ PLC phục vụ học tập và nghiên cứu. Qua nhiều năm giảng dạy và thực tế sản xuất, tham khảo các tài liệu về PLC của các hãng SIEMENS, OMRON, MITSUBISHI, tài liệu “Tự động hoá với Simatic S7-300” của PGS-TS Phan Xuân Minh, Tài liệu “Bộ điều khiển lập trình và ứng dụng” của PTS Lê Hoài Quốc – KS Chung Tấn Lâm, chúng tôi biên soạn giáo trình “Kỹ thuật điều khiển lập trình” nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Giáo trình được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học “kỹ thuật điều khiển lập trình” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ điện - điện tử, công nghệ tự động. Nội dung của giáo trình gồm bốn chương như sau: Chương 1: Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình Chương 2: Ngôn ngữ lập trình PLC Chương 3: Kỹ thuật lập trình PLC Chương 4: Truyền thông trên PLC Giáo trình được trình bày dõ dàng ngắn gọn dễ hiểu, phần ngôn ngữ lập trình giới thiệu về tập lệnh của PLC được viết theo nhiều ngôn ngữ do vậy phù hợp với nhiều đối tượng, ngành học khác nhau. Trong mỗi chương đều có ví dụ liên hệ với thực tế cụ thể. Cuối mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố được nội dung kiến thức. Để có được giáo trình “Kỹ thuật điều khiển lập trình” này chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám Hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. - 1- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Giáo trình được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi mong nhận được các ý kiến góp ý của các bạn đồng nghiệp và các em sinh viên. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. (Phòng 301 nhà C). Nam định, tháng 6 năm 2010 Các tác giả - 2- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Mục lục Lời nói đầu ........................................................................................................... 1 Chương 1. Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình .................. 6 1.1. Hệ thống điều khiển .................................................................................. 6 1.1.1. Khái quát về hệ thống điều khiển .......................................................... 6 1.1.2. Các phương pháp điều khiển ............................................................... 7 1.1.3. Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp............... 9 1.2. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) ...................................................... 11 1.2.1. Khái quát về hệ thống điều khiển dùng PLC .................................... 11 Các Mô đun SM thường có: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374. Trong đó: ............................................................... 33 Mô đun vào/ ra số: .............................................................................................. 33 Mô đun Analog in: ............................................................................................. 33 1.2.2.2. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ ................................................. 38 a) Toán hạng là dữ liệu ................................................................................ 43 b) Toán hạng là địa chỉ ................................................................................ 44 Bảng 1-3: ý nghĩa vùng nhớ của PLC S7-300 ............................................. 49 c) Thanh ghi trạng thái ................................................................................ 49 a) Vòng quét chương trình ........................................................................... 50 b) Những khối OB đặc biệt .......................................................................... 52 Câu hỏi chương 1 ........................................................................................... 55 Ngôn ngữ lập trình PLC ................................................................................... 56 2.1. Các dạng ngôn ngữ lập trình PLC ........................................ 56 2.1.1. Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder) .................................................... 56 2.1.2. Ngôn ngữ lập trình FBD (Function block Diagram) ........................ 56 2.1.3. Ngôn ngữ lập trình STL (Statement List) .......................................... 57 2.1.4. Ngôn ngữ lập trình SCL (Structured Control Language) .................. 57 2.1.5. Ngôn ngữ lập trình S7-Graph ............................................................ 58 2.2. Tập lệnh cơ bản của SIMATIC S7-300 và ứng dụng .......... 58 2.2.1. Nhóm lệnh bit logic ........................................................................... 58 2.2.2. Nhóm lệnh so sánh ............................................................................ 61 2.2.3. Nhóm lệnh đổi kiểu dữ liệu ............................................................... 63 2.2.4. Nhóm lệnh thực hiện chức năng làm tròn (đổi kiểu dữ liệu) ............ 65 2.2.5.Nhóm lệnh toán học ........................................................................... 66 2.2.5.1. Nhóm lệnh làm việc với số nguyên 16 bít ...................................... 66 2.2.6. Nhóm lệnh đảo giá trị các bít ............................................................ 73 2.2.7. Nhóm lệnh đổi dấu ............................................................................ 74 2.2.8. Nhóm lệnh làm việc với Bộ thời gian: (Timer) ................................. 75 2.2.9. Nhóm lệnh làm việc với Bộ đếm COUNTER ................................... 83 2.2.10. Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu (Move) ......................................... 86 2.2.11. Nhóm lệnh ghi dịch và quay số liệu trên thanh ghi ........................ 87 - 3- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 2.2.12. Nhóm lệnh Logic thực hiện trên thanh ghi ...................................... 90 Chương 3 ............................................................................................................. 95 Kỹ thuật lập trình .............................................................................................. 95 3.1. Cấu trúc chương trình .............................................................. 95 3.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................ 95 3.1.2. Cấu trúc và khai báo phần cứng........................................................ 99 3.2. Lập trình tuyến tính ................................................................... 99 Lập trình tuyến tính ứng dụng cho các bài toán điều khiển nhỏ và vừa mức độ phức tạp không cao ví dụ như điều khiển động cơ, bình trộn, .... ........ 100 3.3. Lập trình có cấu trúc và ứng dụng................................... 102 3.3.1. Khai báo local block cho FC ........................................................... 104 3.3.2. Gọi khối FC và thủ tục truyền tham trị ........................................... 107 3.3.3. Local block của FB .......................................................................... 108 3.3.4. Instance block và thủ tục gọi khối FB ............................................ 110 Ví dụ 4 ........................................................................................................... 113 3.4. Nghiên cứu các khối OB và ứng dụng ............................... 117 3.4.2. Khối OB1 ......................................................................................... 118 3.4.3. Các khối OB đặc biệt ....................................................................... 119 3.4.4. ứng dụng của các khối OB .............................................................. 121 3.4.4.1. Các khối OB chứa chương trình ứng dụng xử lý ngắt ................... 122 3.4.4.2. Các OB chứa chương trình khởi động (Initialization) .................. 126 3.4.4.3. Các khối OB xử lý lỗi hệ thống ..................................................... 127 3.5. Những hàm chuẩn quản lý ngắt ......................................... 136 3.5.1. Nghiên cứu các ngắt ........................................................................ 136 3.5.1.1. Xử lý ngắt ...................................................................................... 136 3.5.1.2. Ngắt phần cứng (Hardware interrupts) ....................................... 137 3.5.1.4. Ngắt tại một thời điểm định trước (Time-of-day Interrupts) ........ 139 3.5.1.5. Ngắt trễ thời gian ......................................................................... 140 3.5.2. Những hàm chuẩn quản lý ngắt ....................................................... 141 3.5.3. Một số ứng dụng của ngắt ............................................................... 143 3.5.3.1. Ngắt tại một thời điểm định trước ................................................ 143 3.5.3.2. Ngắt chu kỳ ................................................................................... 147 3.5.3.3. Ngắt cứng ..................................................................................... 147 Câu hỏi chương 3: ........................................................................................ 149 4.1. Khái quát về truyền thông trên PLC ............................... 154 4.2. Các yếu tố cơ bản về truyền thông ................................... 154 4.2.1. Tham số truyền thông ...................................................................... 154 4.2.2. Các cổng truyền thông ..................................................................... 156 4.2.3 Khoảng cách truyền thông ................................................................ 160 4.2.4. Điều khiển đường tín hiệu truyền thông .......................................... 160 4.2.5. Nghi thức truyền thông .................................................................... 160 4.3. PLC và hệ thống mạng ............................................................... 163 - 4- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 4.3.1. Khái quát ......................................................................................... 163 4.3.2. Mạng AS-I ....................................................................................... 164 4.3.3. Mạng MPI........................................................................................ 166 4.3.4. Mạng PROFIBUS ............................................................................ 168 Câu hỏi chương 4:.........................................................................................185 - 5- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Chương 1 Hệ thống điều khiển và bộ điều khiển logic khả trình 1.1. Hệ thống điều khiển 1.1.1. Khái quát về hệ thống điều khiển Trên thực tế ở mọi ngành sản xuất công nghiệp, mục tiêu tăng năng suất lao động số lượng và chất lượng sản phẩm được giải quyết bằng cách tăng mức độ tự động hoá các quá trình sản suất. Những hệ thống có khả năng khởi động, kiểm soát, và dừng một quá trình sản xuất theo yêu cầu giám sát hoặc đo đếm giá trị các biến đã được xác định của quá trình nhằm đạt được kết quả mong muốn ở sản phẩm đầu ra của máy hoặc thiết bị thì được gọi là hệ thống điều khiển. Quá trình tự động hoá sản xuất nhằm thay thế một phần hoặc toàn bộ các thao tác vật lý của công nhân vận hành máy móc, hoặc thiết bị thông qua hệ thống điều khiển. Những hệ thống điều khiển đã được tự động hoá có thể điều khiển quá trình sản xuất với độ tin cậy cao, ổn định mà không cần hoặc cần rất ít sự can thiệp của con người. Một hệ thống điều khiển bất kỳ được mô tả theo sơ đồ khối sau: Khối vào Tín hiệu vào Tín hiệu ra Bộ điều khiển Khối ra Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cơ bản Khối vào : Các tín hiệu vào thường qua bộ chuyển đổi để chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành các tín hiệu điện (đã được chuyển đổi chuẩn hoá). Các tín hiệu vào thường là bộ nút nhấn (Button), công tắc (Switch), cảm biến (sensor) tuỳ theo yêu cầu đầu vào của bộ điều khiển mà các tín hiệu ra khỏi bộ chuyển đổi có thể là dạng số (digital) hoặc dạng tương tự (Analog) và phải tuân theo một chuẩn nào đó về dòng hay áp. Bộ điều khiển: Bộ điều khiển thay thế người vận hành thực hiện các thao tác đảm bảo quá trình hoạt động có sự điều khiển. Nó nhận thông tin là các tín hiệu từ khối vào và thực hiện xử lý tín hiệu vào này theo một luật nào đó được đặt ra theo yêu cầu công nghệ và xuất ra các tín hiệu đến khối ra để thực hiện các tác động đến cơ cấu chấp hành. Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của bộ điều khiển. Các tín hiệu này được sử dụng để tạo ra những hoạt động đáp ứng cụ thể cho các máy hoặc - 6- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình thiết bị ở ngõ ra như động cơ, các van, xy lanh khí nén hay dầu ép, bơm, rơ le Chẳng hạn, động cơ biến đổi các tín hiệu điện thành chuyển động quay (các thiết bị ngõ ra cũng có cấu trúc của bộ chuyển đổi vào nhưng theo chiều ngược lại). Các thiết bị ngõ ra có thể làm việc với tín hiệu dạng on/off hoặc các tín hiệu liên tục. Từ thông tin của tín hiệu đầu vào bộ điều khiển tự động phải tạo ra được những tín hiệu ra cần thiết đáp ứng yêu cầu điều khiển đã xác định trong bộ phận xử lý. Yêu cầu điều khiển có thể thực hiện theo hai cách: dùng mạch điện kết nối cứng, hoặc dùng chương trình điều khiển. Mạch điện kết nối cứng được dùng trong trường hợp yêu cầu điều khiển không thay đổi, trong đó các phần tử trong hệ thống được kết nối với nhau theo mạch cố định. Trong đó, hệ thống dùng chương trình điều khiển hoạt động theo chương trình lập sẵn lưu trong bộ nhớ và chương trình có thể được điều chỉnh hoặc khi cần thiết thay bằng chương trình khác. 1.1.2. Các phương pháp điều khiển 1.1.2.1. Hệ thống điều khiển vòng hở (Open loop control system) Đối với hệ thống hở khâu đo lường không được dùng đến. Sự thay đổi của tín hiệu đầu ra không được phản ánh về thiết bị điều khiển. Sơ đồ hình (1-2) là hệ thống điều khiển hở. Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống hở là lý thuyết về rơ le (Relay) và lý thuyết aptomat hữu hạn. Dạng điều khiển đơn giản nhất là điều khiển vòng hở, ý tưởng cơ bản của điều khiển này là thiết lập một hệ thống hoạt động đạt đến mức độ chính xác cần thiết bằng cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động ngõ ra của hệ thống. Không có tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển để xác định hoặc điều chỉnh tín hiệu ra vì vậy hệ thống dùng điều khiển dạng này có thể cho tín hiệu ra với sai số lớn. Tín hiệu vào Bộ điều Tín hiệu ra Đối tượng Máy sản xuất điều khiển khiển Hình 1-2: Hệ thống điều khiển vòng hở Ví dụ: Hình 1-3 sơ đồ điều khiển động cơ DC. Trong sơ đồ này tốc độ động cơ phụ thuộc vào tín hiệu đặt và nó còn chịu ảnh hưởng của tải. Tải nặng thì động cơ quay chậm và ngược lại. Đặt tín Động cơ DC Tải hiệu điều (load) khiển Hình 1-3: Điều khiển động cơ kiểu vòng hở - 7- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.1.2.2. Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed loop control system) Hệ thống điều khiển kín là hệ thống điều khiển phải có tín hiệu phản hồi (Feed back) có nghĩa là tín hiệu ra được đo lường và đưa về thiết bị điều khiển. Tín hiệu phản hồi kết hợp với tín hiệu vào để tạo ra tín hiệu điều khiển để khống chế đầu ra theo mong muốn. Sơ đồ khối của hệ điều khiển kín được mô tả như hình 1-4. Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu hệ thống kín chính là lý thuyết điều khiển tự động. Hệ thống ĐKTĐ là hệ thống được xây dựng từ ba bộ phận chủ yếu: - Thiết bị điều khiển C (Controller). Thiết bị điều khiển chỉ tất cả các hệ thống điều khiển có thể thể là hệ rơ le contactor ..hay PLC. - Đối tượng điều khiển O (Object). - Thiết bị đo lường M (Measuring device). Noise R e X Y Bộ điều khiển Đối tượng F Thiết bị đo lường Hình 1- 4: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển kín Các tín hiệu tác động trong hệ thống: R - (Reference) tín hiệu đặt hay tín hiệu chủ đạo. Y - Tín hiệu ra OUTPUT. X - Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (Object) thường gọi tín hiệu vào của một khâu. e - Sai lệch điều khiển (Error). F- Tín hiệu phản hồi (Feed back). N- Tín hiệu nhiễu (Noise) tác động từ ngoài vào hệ thống. Hệ điều khiển vòng kín chính là hệ điều khiển tự động. Có thể nói một hệ có khả năng điều khiển tự động thì hệ thống nhất định phải có khâu phản hồi. Trong các hệ truyền động thì tín hiệu phản hồi thường lấy tín hiệu từ đầu ra sau đối tượng điều khiển ví dụ cảm biến nhiệt trong hệ điều khiển nhiệt độ, phản hồi tốc độ để ổn định tốc độ động cơ - 8- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.1.3. Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Quản lý công ty Mạng công ty Điều hành sản xuất Mạng xí nghiệp Điều khiển giám sát Bus hệ thống Bus điều khiển Điều khiển Bus trường Bus thiết bị Bus cảm biến Chấp hành Chấp hành Hình 1-5: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất. Với mô hình này các chức năng được phân cấp thành nhiều cấp khác nhau như được minh hoạ trên hình vẽ 1-5. Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một cấp chức năng ở trên được thực hiện dựa theo các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần xử lý trao đổi lại lớn hơn. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay thế cho “mạng” với lý do phần lớn các hệ thống mạng đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus. 1.1.3.1. Bus trường, bus thiết bị Bus trường (Fieldbus) là khái niệm chung (dùng nhiều trong công nghiệp chế biến) để chỉ các hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, - 9- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (Sensor, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (Actuator) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,ímtới vài miligiây. Trong khi đó yêu cầu về lượng thông tin trong bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông chỉ cần ở phạm vi Mbit/s. Các hệ thống bus trường thường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, Controlnet, INTERBUS, CAN, Foundation Fieldbus, DeviceNet, ASi. 1.1.3.2. Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (System bus) hay bus quá trình (Process bus). Thông tin được trao đổi theo chiều dọc và cả chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua các bus hệ thống. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây. Trong khi đó yêu cầu về lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường, tốc độ truyền thông trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi bus hệ thống được sử dụng để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính thời gian thực cao. Các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet như: Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP, PROFIBUS-FMS, ControlNet và Modbus Plus. 1.1.3.3. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực ra là mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật các số liệu tính toán thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. - 10- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi số lượng lớn tới hàng Mêgabyte. Có hai loại mạng được dùng phổ biến cho mạng xí nghiệp là: Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. 1.1.3.4. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên lớp trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hay mạng máy tính diện rộng. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và các khách hàng như thư viện điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh cung cấp dịch vụ truy cập internet và thương mại điện tử. Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như công nghệ được áp dụng tuỳ thuộc vào đầu tư của công ty. Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Các công nghệ đang được áp dụng là fast Ethernet, FDDI, ATM. 1.2. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) 1.2.1. Khái quát về hệ thống điều khiển dùng PLC 1.2.1.1. Sự ra đời của bộ điều khiển logic khả trình - Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng. Đến năm 1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ chính xác tới 6 con số thập phân. - Năm 1808, Joseph M.Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự động thực hiện các mẫu hàng phức tạp. - Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới. - Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC. Chiếc máy tính này bao gồm: 18.000 đèn điện tử chân không; 500.000 mối hàn thủ công; Chiếm diện tích 2 1613 ft ; Công suất tiêu thụ điện 174 kW; 6000 nút bấm; Khoảng vài trăm phích cắm. Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư hỏng đã xuất hiện. Việc sửa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất đến cả tuần. Tới năm 1948 áp dụng kỹ thuật bán dẫn được áp dụng đưa vào sản xuất công nghiệp, thì tới năm 1956 thì những máy tính điện tử lập trình mới được sản xuất và thương mại hoá. - 11- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật điều khiển tự động. + Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959. + Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965. + Bộ vi xử lý - năm 1974. + Dữ liệu chương trình - điều khiển. + Kỹ thuật lưu giữ ... Những phát minh này đẫ đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC, CNC, ... lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân biệt. Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các 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) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nh”m thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là “lập trình dùng giản đồ hình thang” ký hiệu là LAD. Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng khỏc, đó là sự hỗ trợ bởi những thuật toán, vận hành với các dữ liệu cập nhật. Mặt khác, do sự phát triển của màn hình dùng cho máy tính nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn. Đến cuối thập kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể những - 12- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình hệ thống máy tính chứ không điều khiển đơn lẻ từng máy. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho nó các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh); Hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam mà các nhà thiết kế còn xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển thông minh gọi là các siêu PLC (super PLC). Khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gửi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ. Những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp đó là + Khả năng kháng nhiễu rất tốt. + Cấu trúc dạng mô đun rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp... + Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động . + Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được. + Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình. + Có những mô đun chuyên dụng để thực hiện những chức năng đặc biệt hay những mô đun truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet... như thế hệ thống mới có thể đạt được khả năng điều khiển và giám sát từ xa. - 13- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 1-6: Hình ảnh mô tả hệ thống điều khiển dùng PLC Hình 1-7: Hình ảnh PLC trong tủ điều khiển lò nấu thép - 14- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.2.1.2. Giới thiệu một số nhóm PLC phổ biến trên thế giới a) PLC của Siemens (Đức) - PLC Logo. + Điện áp vào 24VDC, 220VAC + 8 ngõ vào số, 4 ngõ ra rơ le 10A + Có thể lập trình trực tiếp trên phím hoặc sử dụng qua phần mềm Logo-Soft Hình 1-8: PLC S7-300 của Siemens - PLC S7 200: CPU 21x: 210; 212; 214; 215-2DP; 216. CPU 22x: 221; 222; 224; 224XP; 226; 226XM. - PLC S7300: Các CPU phổ biến hiện có: 312IFM; 312C; 313; 313C; 313C-2DP+P; 313C-2DP; 314; 314IFM; 314C-2DP+P; 314C-2DP; 315; 315-2DP; 315E-2DP; 316-2DP; 318- 2DP. Hình 1-9: PLC S7-300 của Siemens - PLC S7400: PLC S7-400 Đây là loại CPU PLC có khả năng trung bình đến cao cấp, có nhiều loại CPU khác nhau theo ký hiệu CPU 41x. Nó có các đặc điểm sau: - Khả năng các cổng vào/ra: tuỳ từng loại CPU có thể lên đến 128 K ngõ vào/ra. - Có khả năng mở rộng đến 300 khối. - Bộ nhớ chương trình khi có gắn thêm card nhớ có thể lên đến 16 MB. - Có thể nối mạng: MPI, PROFIBUS, Ethernet công nghiệp .. - Có khả năng địa chỉ tự do. Hình 1-10: PLC S7-300 của Siemens - 15- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Có khiều khả năng xử lý song song (có đến 4 CPU được dùng ở rãnh trung tâm). - Có thể gắn thêm nhiều khối chức năng đặc biệt khác như: điều khiển vòng kín, định vị, đếm .... (... mô đun SM. Kết quả chuyển đổi là số nhị phân phụ hai với bit MSB là bit dấu. - SM331 AI 2*12: Mô đun chuyển đổi hai kênh vi sai áp hoặc dòng hoặc một kênh điện trở 2/3/4 dây, dùng phương pháp tích phân, thời gian chuyển đổi từ 5ms đến 100ms, độ phân giải 9, 12, 14 bit + dấu, các tầm đo như sau: 80 mV; 250 mV;  500 mV; 1000 mV;  2.5 V;  5 V;1 .. 5 V;  10 V;  3.2 mA;  10 mA;  20 mA; 0 .. 20 mA; 4 ..20 mA. Điện trở 150 ; 300 ; 600 ; Đo nhiệy độ dùng cặp nhiệt E, N, J, K, L, nhiệt kế điện trở Pt 100, Ni 100. Các thông số mặc định đã được cài sẵn trên mô đun, kết hợp với đặt vị trí của mô đun tầm đo (bốn vị trí A, B, C, D) nếu không cần thay đổi thì có thể sử dụng ngay. Hình 1-27: Mô đun SM331 AI 2*12 - 34- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Bảng 1-2: ý nghĩa của các vị trí trên mô đun tương tự - SM331, AI 8*12 bit, 8 kênh vi sai chia làm hai nhóm, độ phân giải 9 (12, 14 ) bit + dấu. - SM331, AI 8*16 bit , 8 kênh vi sai chia làm 2 nhóm, độ phân giải 15 bit + dấu. Mô đun Analog Out: Cung cấp áp hay dòng phụ thuộc số nhị phân phụ hai. - SM332 AO 4*12 bit: 4 ngõ ra dòng hay áp độ phân giải 12 bit, thời gian chuyển đổi 0.8 ms. - SM332 AO 2*12 bit. - SM332 AO 4*16 bit. Mô đun Analog In/Out: - SM 334; AI 4/AO 2 * 8 Bit. - SM334; AI 4/AO 2 *12 Bit. Xác định địa chỉ cho mô đun mở rộng: - Một trạm PLC được hiểu là một mô đun CPU ghép nối cùng với các mô đun mở rộng khác (mô đun DI, DO, AI, AO, CP, FM) trên những thanh Rack (giá đỡ), trong đó việc truy nhập của CPU vào các mô đun mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng. Một CPU có khả năng quản lý được 4 thanh Rack với tối đa 8 mô đun mở rộng trên mỗi thanh. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp đặt của các mô đun mở rộng trên mỗi thanh Rack. - Mà các mô đun có địa chỉ khác nhau. Tuy nhiên ngoại lệ với loại CPU 31xC có thêm các ngõ vào ra ngay trên mô đun CPU thì địa chỉ thường được ngầm định trước bởi nhà chế tạo. Việc xác định địa chỉ cho các ngõ vào ra là hết sức cần thiết trong lập trình cũng như lắp đặt và vận hành. Hình 1-28 và 1-29 trình bày quy tắc xác định địa chỉ cho các mô đun mở rộng tuỳ thuộc vào vị trí lắp đặt của nó. - 35- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình IM 640 656 672 688 704 720 736 752 Rack 3 + + + + + + + + Nhận 687 655 671 703 719 735 751 767 IM 512 528 544 560 576 592 608 624 Rack 2 + + + + + + + + Nhận 527 543 559 575 591 607 623 639 IM 384 400 416 432 448 464 480 496 Rack 1 + + + + + + + + Nhận 399 415 431 447 463 479 495 511 CPU IM 256 272 288 304 320 336 352 368 Rack 0 + + + + + + + + + PS Gửi 271 287 303 319 335 351 367 383 Slot 4 -:- Slot 11 Hình 2-28: Xác định địa chỉ cho các Mô đun tương tự - Như vậy mỗi Slot chỉ chấp nhận tối đa 16 byte địa chỉ cho ngõ vào tương tự, tối đa 8 ngõ vào hoặc ra tương tự. Thông thường khi lập trình người ta hay sử dụng địa chỉ ngầm định (System selection), tuy nhiên có thể thay đổi được trong khi thiết lập phần cứng (hardware configuration). IM 96.0 100.0 104.0 108.0 112.0 116.0 120.0 124.0 Rack 3 + + + + + + + + Nhận 99.7 103.7 107.7 111.7 115.7 119.7 123.7 127.7 IM 64.0 68.0 72.0 76.0 80.0 84.0 98.0 92.0 Rack 2 + + + + + + + + Nhận 67.7 71.7 .75.7 79.7 83.7 .87.7 91.7 95.7 IM 32.0 36.0 40.0 44.0 48.0 52.0 56.0 60.0 Rack 1 + + + + + + + + Nhận 35.7 39.7 43.7 47.7 51.7 55.7 59.7 63.7 CPU IM 0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 Rack 0 + + + + + + + + PS Gửi 3.7 7.7 11.7 15.7 19.7 23.7 27.7 31.7 Slot 4-:- Slot11 Hình 2-29: Xác định địa chỉ cho các Mô đun số * IM (Interface module): Mô đun ghép nối Đây là loại mô đun chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các mô đun mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một mô đun CPU. Thông thường các mô đun mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh - 36- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình đỡ gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 mô đun mở rộng (không kể mô đun CPU, mô đun nguồn nuôi). Một mô đun CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng mô đun IM. Mô đun IM360 gắn ở rack 0 kế CPU dùng để ghép nối với mô đun IM361 đặt ở các rack 1, 2, 3 giúp kết nối các mô đun mở rộng với CPU khi số mô đun lớn hơn 8. Cáp nối giữa hai rack là loại 368. Trong trường hợp chỉ có hai rack, ta dùng loại IM365. Hình 1-30: Mô hình kết nối đa tầng dùng mô đun IM * FM . Mô đun chức năng (Function module): Mô đun có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun điều khiển động cơ servo, mô đun PID, mô đun điều khiển vòng kín, . - FM350-1: đếm xung một kênh. - FM350-2: đếm xung tám kênh. - FM351, 353, 354, 357-2: điều khiển định vị. - FM352: bộ điều khiển cam điện tử. - FM355: bộ điều khiển hệ kín. * CP. Mô đun truyền thông (Communication module): Mô đun phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. - 37- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.2.2.2. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ a) Kiểu dữ liệu Một chương trình trong S7-300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau: * BOOL: Với dung lượng 1 bít và có giá trị là 0 hoặc 1 (đúng hoặc sai). Đây là kiểu dữ liệu cho biến hai trị. * BYTE: Gồm 8 bít, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dương trong khoảng từ 0 đến 225 hoặc mã ASCH của một kí tự. Ví dụ : L B # 16 #14 Lệnh nạp số nguyên14 viết theo hệ cơ số 16 độ dài 1 byte vào ACCU1. * WORD: Gồm 2 bytes, để biểu diễn một số nguyên dương từ 0 đến 65535. Ví dụ: L 930 L W#16#3A2 * INT: Cũng có dung lượng là 2 bytes, dùng để biểu diễn một số nguyên trong khoảng (–32768  32767). Ví dụ: L 930 L W#16#3A2 * DINT: Gồm 4 bytes, dùng để biểu diễn một số nguyên từ –2147483648 đến 2147483647. Ví dụ: L 930 L W#16#3A2 * REAL: Gồm 4 bytes, dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động. Ví dụ: L 1 . 234567e + 13 L 930 . 0 * S5T (hay S5TIME): Khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/mili giây. Ví dụ: L S5T#2h – 1m- 0s- 5ms Lệnh tạo khoảng thời gian là hai tiếng một phút và 5 mili giây. * TOD: Biểu diẽn giá ttrị thời giantính theo giờ/phút/giây. Ví dụ: L TOD#5: 45: 00. Lệnh khai báo giá trị hthời gian trong ngày là 6 giờ kém 15. * DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày. Ví dụ: L DATE# 1999- 12- 8 Lệnh khai báo ngày mùng 8 tháng 12 năm 1999. * CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều kí tự (nhiều nhất là 4 kí tự). Ví dụ: L `ABCD´ L `E´ - 38- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình b) Cấu trúc bộ nhớ của CPU Bộ nhớ của S7- 300 được chia làm ba vùng chính: * Vùng chứa chương trình ứng dụng (Load memory): Vùng nhớ chương trình (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 của hệ thống được sử dụng ( SFC, SFB) và các khối dư liệu DB. Vùng nhớ chương trình ứng dụng được chia làm 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 chứa 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 BD – Data block). Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPRROM (nếu có EEPROM). Khi thực hiện xoá bộ nhớ (MRES) toàn bộ khối chương trình dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xoá. Cũng như vậy khi chương trình hay khối dữ liệu được đổ (Download), từ thiết bị lập trình (Máy tính) vào mô đun CPU chúng sẽ được ghi lên RAM của vùng nhớ Load memory. * Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng (system memory): Được phân chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm: - I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ 1. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. - Q (Process image output): miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q. - M: Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ những tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit (M), byte ( MB), từ (MW) hay từ kép ( MD). - T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV – Current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian. - 39- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm tức thời (CV – Current value) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm. - PI: Miền địa chỉ cổng vào của các mô đun tương tự (I/ O External input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của mô đun tương tự sẽ được mô đun đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID). - PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các mô đun tương tự (I/ O External output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được mô đun tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD). Việc truy cập, sửa đổi dữ liệu các ô nhớ thuộc vùng nhớ này được phân chia hoặc bởi hệ điều hành của CPU hoặc do chương trình ứng dụng. Có thể thấy rằng các vùng nhớ đượ trình bày trên không có vùng nhớ nào được dùng làm bộ đêm cho các cổng vào ra tương tụ. Nói cách khác các cổng vào ra tương tự không có bộ đệm và như vậy mỗi lệnh truy nhập mô đun tương tự (Đọc hay gửi giá trị) đều có tác động tới cổng vật lý của Mô đun. * Vùng chứa các khối dữ liệu (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 đièu hành và với các khối chương trình khác (Local Block). Vùng nhớ này được chia thành hai loại: - DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy cập 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 pháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD). Tại một thời điểm nhất định vùng word memory chỉ chứa một khối chưong trình. Sau khi chương trình đó được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Word memory và nạp vào đó khối chương trình kế tiếp đến lượt thực hiện. - 40- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Trừ phần bộ nhớ EEPROM thuộc vùng Load memory và một phần RAM tự nuôi đặc biệt (Non-Volatile) (không có thể biến đổi) dùng để lưu giữ tham số cấu hình trạm PLC như địa chỉ trạm (MPI address), tên các Mô đun mở rộng, tất cả các phần bộ nhớ còn lại ở chế độ mặc định sẽ không có khả năng tự nhớ (Non – Retentive). Khi mất nguồn nuôi hoặc khi thực hiện công việc xoá bộ nhớ (MRES) toàn bộ nội dung trong phần bộ nhớ (Non – Retentive) sẽ bị mất. Tuy nhiên ta có thể sử dụng phần mềm STEP 7 để chuyển những khối DB chứa những dữ liệu quan trọng, cũng như các dữ liệu của Timer, Counter vào phần bộ nhớ Ram tự nuôi khi mất điện (gọi là phần Non – volatile hay retentive). Để chi tiết hơn về ý nghĩa các vùng nhớ (kích thước phụ thuộc vào chủng loại CPU) ta xem bảng 2-1 dưới đây. c) Phương pháp truy nhập bộ nhớ PLC lưu giữ thông tin trong bộ nhớ. Bộ nhớ của PLC được chia thành nhiều vùng (I, Q, M, V, T, C, ...), mỗi vùng nhớ đều có địa chỉ xác định. Ta có thể truy nhập (ghi hoặc đọc thông tin) vào các ô nhớ trong các vùng bằng địa chỉ của chúng. Có 2 cách truy nhập: truy nhập theo từng bit và truy nhập theo byte. * Truy cập địa chỉ vùng nhớ các đầu vào Digital (DI): Truy nhập theo từng bit: Để truy nhập theo từng Bit, ta phải đánh địa chỉ bao gồm: địa chỉ vùng nhớ, địa chỉ byte, địa chỉ bit (ngăn cách giữa địa chỉ byte và địa chỉ bit là dấu ''.''). Như vậy thông tin của đầu vào I3.4 sẽ được lưu giữ trong ô nhớ có địa chỉ I3.4 Truy nhập vào ô nhớ này ta sẽ biết được thông tin đầu vào I3.4 MSB LSB 7 6 5 4 3 2 1 0 V í dụ: I 3 . 4 I0 I1 Số thứ tự Bit trong byte: Bit thứ 5 (0 đến 7) I2 Ngăn cách giữa địa chỉ byte và địa chỉ bit I3 Địa chỉ byte: byte 3 (byte thứ 4) I4 Tên vùng nhớ: I = vùng nhớ vào I5 I6 I7 MSB: most significant bit LSB: least significant bit Hình 1-31: Truy cập theo bít Truy nhập theo byte: Ta có thể truy nhập vào các vùng nhớ theo Byte, Word (2byte), Double Word (4byte). Để truy nhập theo các phương pháp này ta phải đánh địa chỉ bao gồm: Địa chỉ vùng nhớ (V, I, Q, M, SM, T, C, HC...), địa chỉ byte đầu tiên. - 41- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 1-32: Truy cập theo byte * Địa chỉ vùng nhớ các đầu vào Analog (PI ): CPU S7-300 có thể chuyển đổi một giá trị analog (điện áp, dòng điện, nhiệt độ) ở đầu vào Analog thành giá trị digital 816bit (phụ thuộc vào loại Mô đun sử dụng) lưu trong các ô nhớ của vùng nhớ địa chỉ các đầu vào Analog. Ta có thể truy nhập lấy các giá trị này theo kiểu Byte, word, Double word: PI [kích thước][địa chỉ byte đầu tiên] PIB20,PIW8,PID6. Vì các giá trị ở đầu vào Analog được chuyển đổi và lưu trong 2 byte do đó các địa chỉ byte đầu tiên luôn là một số chẵn (0,2,4,6....) Địa chỉ vùng nhớ các đầu ra Analog ( PQ ): PLC S7-300 chuyển một giá trị kiểu Digital 816bit lưu trong vùng nhớ PQ thành dòng điện hoặc điện áp đưa ra các đầu ra Analog. Ta có thể ghi các giá trị vào vùng nhớ này bằng cách sử dụng địa chỉ như sau: PQ[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên] PQB20,PQW8,PQD6 - 42- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 1.2.2.3. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả Như đã nói cấu trúc của một lệnh STL có dạng “tên lệnh + toán hạng” Trong đó toán hạng có thể là dữ liệu hay một địa chỉ L PIW 256 // đọc nội dung cổng vào tương tự có địa chỉ PIW256 Tên lệnh Toán hạng a) Toán hạng là dữ liệu * Dữ liệu logic TRUE (1) và FALSE (0) có độ dài 1 bít Ví dụ: CALL FC1 In_Bit_1: = TRUE // Giá trị logic 1 gán cho biến hình thức In_Bit_1 In_Bit_2: = FALSE // Giá trị logic 0 gán cho biến hình thức In_Bit_2 Ret_val: = MWO // Giá trị trả về * Số nhị phân Ví dụ: L 2#110011 // Nạp số nhị phân 110011 vào thanh ghi ACCU1. * Số hecxadecimal x có độ dài 1 byte (B#16#x),1 từ (W#16#x) hoặc 1 từ kép (DW#16#x) Ví dụ: L B#16#1E // nạp số 1E vào byte thấp của thanh ghi ACCU1 L W#16#3A2 // nạp số 3A2 vào byte thấp của thanh ghi ACCU1 L DW#16#D3A2E // nạp số D3A2E vào thanh ghi ACCU1 * Số nguyên x với độ dài 2 bytes cho biến kiểu ITN Ví dụ: L 930 L - 1025 * Số nguyên x với độ dài 4 bytes dạng L#x cho biến kiểu DINT Ví dụ: L L#930 L L#-2047 * Số thực xcho biến kiểu REAL: Ví dụ: L 1.234567e+13 L 930.0 * Dữ liệu thời gian cho biến kiểu S5T dạng giờ-phút_giây_miligiây Ví dụ: L S5T#2h_1m_0s_5ms - 43- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình * Dữ liệu thời gian cho biến TOD dạng giờ: phút: giây Ví dụ: L TOD#5:45:00 * DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày Ví dụ: L DATE#1999-12-8. * C: biểu diễn giá trị số đếm đặt trước cho bộ đếm Ví dụ: L C#20. * P: Dữ liệu biểu diễn địa chỉ của một bít ô nhớ Ví dụ: L P#QO. O. * Dữ liệu ‘ký tự ’ Ví dụ: L ABCD L E * Sử dụng và khai báo các dạng tín hiệu: Trong quá trình thực hiện cấu trúc của tín hiệu số được biểu diễn dưới dạng: - Bit: (ví dụ I0.0) dùng để biểu diễn số nhị phân (có 2 giá trị 1 hoặc 0). 1 - Byte: (ví dụ MB0) Một Byte gồm có 8 bít. Ví dụ giá trị của 8 cổng vào (IB0) hoặc 8 cổng ra (QB1),... được gọi là một byte: 0 0 1 1 0 1 0 1 - Word: (ví dụ MW0= MB0 + MB1) một Word gồm có 2 Byte như vậy một Word có độ dài 16 bít: - 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 Byte 0 Byte 1 - Double word: (ví dụ MD0 = MW0 + MW2): có độ dài 2 từ hoặc 4 Byte tức là 32 bít. b) Toán hạng là địa chỉ Địa chỉ ô nhớ trong S7- 300 gồm hai phần: phần chữ và phần số Ví dụ: PIW304 hoặc M300.4 phần chữ phần số phần chữ phần số * Phần chữ : Chỉ vị trí và kích thước của ô nhớ, chúng có thể là: - M: Chỉ ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 1 bit. - 44- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - MB: Chỉ ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 1 byte (8bit). - MW: Chỉ ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 2 bytes (16bit). - MD: Chỉ ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 4 bytes (32bit). - I: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 bit trong miền bộ đệm cổng vào số. - IB: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 byte trong miền bộ đệm cổng vào số. - IW: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 từ trong miền bộ đệm cổng vào số. - ID: Chỉ ô nhớ có kích thước là 2 từ trong miền bộ đệm cổng vào số. - Q: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 bit trong miền bộ đệm cổng ra số. - QB: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 byte trong miền bộ đệm cổng ra số. - QW: Chỉ ô nhớ có kích thước là 1 từ trong miền bộ đệm cổng ra số. - QD: Chỉ ô nhớ có kích thước là 2 từ trong miền bộ đệm cổng ra số. - T: Chỉ ô nhớ trong miền nhớ của bộ thời gian (Timer). Mặc dù cùng tên nhưng nó có thể là địa chỉ của bit đầu ra bộ timer hay địa chỉ của thanh ghi đếm tức thanh ghi CV. Ví dụ: A T1 // T1 là địa chỉ đầu ra (bit) của bộ đếm. L T1 // T1 là địa chỉ của thanh ghi 16 bít CV. - C: Chỉ ô nhớ trong miền nhớ của bộ đếm (Counter). Mặc dù cùng tên song nó có thể là địa chỉ của bit đầu ra bộ đếm hay địa chỉ của thanh ghi đếm tức thời CV. Tuỳ vào lệnh mà địa chỉ này được hiểu là địa chỉ của bit đầu ra hay của thanh ghi CV. Ví dụ: A C1 // C1 là địa chỉ đầu ra (bit) của bộ đếm. L C1 // C1 là địa chỉ của thanh ghi 16 bít CV. - PIB : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte thuộc vùng peripheral input. Thường là địa chỉ cổng vào của các mô đun tương tự (I/O external input). - PIW: Chỉ ô nhớ có kích thước 1từ (2 bytes) thuộc vùng peripheral input. Thường là địa chỉ cổng vào của các mô đun tương tự (I/O external input). - PID : Chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ (4 bytes) thuộc vùng peripheral input. Thường là địa chỉ cổng vào của các mô đun tương tự (I/O external input). - PQB: Chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte thuộc vùng peripheral output. Thường là địa chỉ cổng ra của các mô đun tương tự (I/O external output). - PQW: Chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ (2 bytes) thuộc vùng peripheral output. Thường là địa chỉ cổng ra của các mô đun tương tự (I/O external output). - PQD: Chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ (4 bytes) thuộc vùng peripheral output. Thường là địa chỉ cổng ra của các mô đun tương tự (I/O external output). - 45- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - DBX: Chỉ ô nhớ có kích thước 1 bit trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DB (Open data block). - DBB: Chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DB (Open data block). - DBW: Chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DB (Open data block) - DBD: Chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DB (Open data block). - DBx.DBX : Chỉ trực tiếp ô nhớ có kích thước 1 bit trong khối dữ liệu DBx, với x là chỉ số của khối DB. Ví dụ DB5. DBX1. 6. - DBx.DBB : Chỉ trực tiếp ô nhớ có kích thước 1 byte trong khối dữ liệu DBx, trong đó x là chỉ số của khối DB. Ví dụ DB5. DBB 1. - DBx.DBW : Chỉ trực tiếp ô nhớ có kích thước 1 từ trong khối dữ liệu DBx, với x là chỉ số của khối DB. Ví dụ DB5. DBW 1. - DBx.DBD : Chỉ trực tiếp ô nhớ có kích thước 2 từ trong khối dữ liệu DBx, trong đó x là chỉ số của khối DB. Ví dụ DB5. DBD 1. - DIX : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 bit trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DI (Open instance data block). - DIB : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DI (Open instance data block). - DIW : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DI (Open instance data block). - DID : Chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ trong khối dữ liệu DB được mở bằng lệnh OPN DI (Open instance data block). - L : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 bit trong miền dữ liệu địa phương (local block) của các khối chương trình OB, FC, FB. - LB : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte trong miền dữ liệu địa phương (local block) của các khối chương trình OB, FC, FB. - LW : Chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ trong miền dữ liệu địa phương (local block) của các khối chương trình OB, FC, FB. - LD : Chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ trong miền dữ liệu địa phương (local block) của các khối chương trình OB, FC, FB. * Phần số: Chỉ địa chỉ của byte hoặc bit trong miền nhớ đã xác định. Nếu ô nhớ đã được xác định thông qua phần chữ là có kích thước 1bit thì phần số sẽ gồm địa - 46- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình chỉ của byte và số thứ tự của bit trong byte đó được tách với nhau bằng dấu chấm. Ví dụ: I 1.3 // chỉ bit thứ 3 trong byte 1 của miền nhớ bộ đệm cổng vào số I. M1.5 // chỉ bit thứ 5 trong byte 1 của miền các biến cờ M. Q 4. 5 // chỉ bit thứ 5 trong byte thứ 4 của miền bộ đệm cổng ra số Q. Trong trường hợp ô nhớ đã được xác định là byte, từ hoặc từ kép thì phần số sẽ là địa chỉ byte đầu tiên trong mảng byte của nhớ đó. Ví dụ: DIB 15//chỉ ô nhớ có kích thước 1 byte (byte 15) trong khối DB đã được mở bằng lệnh OPN DI. DBW 18 // chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ gồm 2 bytes 18 và 19 trong khối DB đã được mở bằng lệnh OPN DB. DB2.DBW 15 // chỉ ô nhớ có kích thước 2 bytes 15 và 16 trong khối dữ liệu DB2. MD 105 // chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ gồm 4 bytes 105, 106, 107 và 108 trong miền nhớ các biến cờ M. ý nghĩa các vùng nhớ có thể tóm tắt như bảng 1-3 dưới: - 47- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Kích Kích thước tối đa Tên gọi thước ( phụ thuộc ý nghĩa truy nhập CPU) Process- I 0.0-:-127.7 Đầu mỗi vòng quét hệ điều Image input IB 0-:-127 hành sẽ ghi vào phần nhớ này ( I ) IW 0-:-126 các giá trị được lấy từ cổng vào Bộ đệm vào số vật lý của mô đun mở rộng số ID 0-:-124 Process- Q 0.0-:-127.7 Cuối mỗi vòng quét hệ điều Image QB 0-:-127 hành sẽ đọc nội dung của miển output ( Q ) QW 0-:-126 nhớ này và chuyển ra công ra Bộ đệm ra số của các môdule mở rộng số QD 0-:-124 Bit Memory M 0.0-:-155.7 ( M) MB 0-:-255 Được sử dụng như một miền Vùng nhớ MW 0-:-254 các biến cờ cờ MD 0-:-252 Miền nhớ lưu giữ các giá trị PV,CV và Tbit của TIMER. Timer ( T) T0-:-T255 Được truy cập để sửa đổi bởi hệ điều hành và chương trình ứng dụng Miền nhớ lưu giữ các giá trị PV,CV và C-bit của Counter. Counter ( C) C0-:-C255 Được truy cập để sửa đổi bởi hệ điều hành và chương trình ứng dụng. Data block DBX 0.0-:-65535.7 ( DB) DBB 0-:- 65535 Được mở bằng lệnh “OPN DB” Khối dữ liệu DBW 0-:- 65534 Share DBD 0-:- 65532 Data block DIX 0.0-:-65535.7 ( DI) DIB 0-:- 65535 Là khối DB nhưng được mở Khối dữ liệu DIW 0-:- 65534 bằng lệnh “OPN DI”. Instance DID 0-:- 65532 - 48- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Local block Miền nhớ được cấp phát cho (L) L 0.0-:-65535.7 các khối OB, FC, FB mỗi khi Miền nhớ LB 0-:- 65535 khối này được gọi để thực hiện. địa phương LW 0-:- 65534 Miền nhớ này cũng được giải cho các phóng khi thực hiện xong tham số LD 0-:- 65532 chương trình đó. hình thức PIB 0-:- 65535 Peripheral Chỉ có địa chỉ truy cập để đọc, PIW 0-:- 65534 Input (PI) không có phần bộ nhớ thực sự. PID 0-:- 65532 PQB 0-:- 65535 Peripheral Chỉ có địa chỉ truy cập để ghi, PQW 0-:- 65534 output (PQ) không có phần bộ nhớ thực sự. PQD 0-:- 65532 Bảng 1-3: ý nghĩa vùng nhớ của PLC S7-300 c) Thanh ghi trạng thái Khi thực hiện lệnh, CPU sẽ ghi nhận lại trạng thái của phép tính trung gian cũng như của kết quả vào một thanh ghi đặc biệt 16 bít, được gọi là thanh ghi trạng thái (Status word). Mặc dù thanh ghi trạng thái này có độ dài 16 bít nhưng chỉ sử dụng 9 bít với cấu trúc như sau: BR CC1 CC0 OV OS OR STA RLO FC * FC ( First check): Khi phải thực hiện một dãy các lệnh liên tiếp nhau gồm các phép tính , V và nghịch đảo, bit FC có giá trị bằng 1. Nói cách khác, FC=0 khi dãy lệnh logic tiếp điểm vừa được kết thúc. Ví dụ: A IO.3 // FC = 1 AN IO. 3 // FC = 1 = Q4. O // FC = 0 * RLO (Result of logic operation): Kết quả tức thời của phép toán logic vừa được thực hiện Ví dụ lệnh: A IO.3 - Nếu trước khi thực hiện bit FC = 0 thì có tác dụng chuyển nội dung của cổng vào số IO. 3 vào bit trạng thái RLO. - 49- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Nếu trước khi thực hiện bit FC = 1 thì có tác dụng thực hiện phép tính AND giữa RLO và giá trị logic cổng vào IO. 3. Kết quả của phép tính được ghi lại vào bit trạng thái RLO. * STA (Status bit): Bit trạng thái này luôn có giá trị logic của tiếp điểm được chỉ định trong lệnh. Ví dụ: A IO. 3 AN IO. 3 Cả hai lệnh đều gán cho bit STA cùng một giá trị là nội dung của cổng vào số IO. 3. * OR: Ghi lại giá trị của phép tính logic AND cuối cùng được thực hiện để phụ giúp cho việc thực hiện phép toán OR sau đó. Điều này là cần thiết vì trong một biểu thức hàm hai trị, phép tính AND bao giờ cũng phải được thực hiện trước các phép tính OR. * OS (Stored overflow bit): Ghi lại giá trị bit bị tràn ra ngoài mảng ô nhớ. * OV (Overflow bit): Bit báo kết quả phép tính bị tràn ra ngoài mảng ô nhớ. * CC0 và CC1 (Condiction code): Hai bit báo trạng thái của kết quả phép tính với số nguyên, số thực, phép dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU. Chú ý: Một chương trình viết có thể gồm nhiều network. Mỗi network chứa một đoạn chương trình phục vụ một công đoạn cụ thể. ở đầu mỗi network, thanh ghi trạng thái nhận giá trị 0. Chỉ sau lệnh đầu tiên của network, các bit trạng thái mới thay đổi theo kết quả của phép tính. 1.2.2.4. Vòng quét và cấu trúc chương trình a) Vòng quét chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ 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 OBI (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 lỗi (hình 1-33). - 50- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó. Như vậy giữa 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 thơì 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. Chuyển dữ liệu từ Truyền thông và cổng vào tới I kiểm tra nội bộ Vòng quét chương trình Thực hiện Chuyển dữ liệu từ chương trình Q tới cổng ra Hình 1-33: Vòng quét chương trình Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80, chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này có thể thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thôngvà kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện 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. - 51- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với các ngoại vi trong... dữ liệu động, thông báo và thông tin khác thông qua máy in hay màn hình. - Thu nhận và cập nhật dữ liệu vào tập tin trên máy vi tính hày máy tính mini, để phân tích quá trình hoạt động và quản lý thông tin trên phần mềm được cung cấp bởi nhà sản xuất PLC. - Nhập dữ liệu và tham số vào chương trình PLC từ người điều khiển thông qua các thiết bị nhập liệu hay từ các bộ điều khiển giám sát, PLC hay máy vi tính. - Thay đổi chương trình điều khiển: nạp vào (downloading) hay lấy ra (uploading) từ bộ điều khiển giám sát. - Thay đổi cưỡng bức trạng thái các ngõ ra và xem trạng thái ngõ vào từ các thiết bị ở xa (I/O link). - 154- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Nối kết PLC vào hệ thống gồm nhiều loại PLC và máy vi tính. Có ba yếu tố phải xem xét trong truyền thông nối tiếp. Thứ nhất, tốc độ truyền, là số bit truyền mỗi giây và độ rộng của mỗi bit này, đơn vị là bps (bit per second). Thứ hai, mức logic, nó qui định loại tín hiệu biểu diễn logic 1 và 0 và thứ tự truyền đi của chúng. Cuối cùng, phương pháp đồng bộ dữ liệu, cho phép thiết bị nhận hiểu được dữ liệu truyền đến. Dữ liệu truyền qua RS232 được mô tả trong hình 4-1. Ta thấy rằng để truyền một ký tự, giả sử ký tự A, cần 10 bit: bắt đầu bằng một bit gọi là start bit; tiếp sau là chuỗi bit dữ liệu biểu diễn ký tự A; một bit parity; cuối cùng là một bit gọi là stop bit. Start bit là một xung có logic 1, thông báo cho thiết bị nhận biết rằng sau đó là chuỗi bit dữ liệu. Chuỗi bit dữ liệu là chuỗi bit biểu diễn mã ASCII của ký tự cần truyền, chuẩn RS232 cho phép chọn chuỗi dữ liệu có sáu, bảy, hay tám bit với tốc độ truyền khoảng 75-19000 bps. Parity là bit kiểm tra số bit 0 hay 1 trong chuỗi bit dữ liệu gửi đI; parity là có logic 0 hay 1 cho biết rằng số bit là lẻ hay chẵn, tuỳ thộc vào kiểu kiểm tra parity là lẻ hay chẵn. Stop bit là bit thông báo kết thúc việc truyền một ký tự.4 Các tốc độ truyền chuẩn là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600. Rõ ràng rằng các thiết gửi và nhận dữ liệu phải hoạt động cùng tốc độ truyền, cùng khuôn dạng dữ liệu, nếu không dữ liệu nhận được sẽ không đúng. Tóm lại, tham số truyền thông gồm start bit, số bit dữ liệu, stop bit, parity bit; các tham số này phảI được xác định trước tiên khi mở một cổng nối tiếp. Chuỗi dữ liệu Logic 1 0 1 2 3 4 5 Stop bit Logic 0 Start bit Bit parity (a) Start bit +12V 0V - 12V (b) Stop bit Hình 4-1: Chuỗi bit dữ liệu truyền nối tiếp cho ký tự ‘A’: (a) Các mức logic; (b) Các mức điện áp tín hiệu. Chuỗi dữ liệu 10 bit gồm start bit, 7 bit dữ liệu, bit parity và stop bit. - 155- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 4.2.2. Các cổng truyền thông 4.2.2.1. Cổng RS232 và RS422/423 Truyền thông thường được thực hiện thông qua cổng nối tiếp; ví dụ, gửi dữ liệu từ máy tính đến PLC, máy in hay màn hình hiển thị. Việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa hai thiết bị thường dùng chuẩn RS232 và sau đó là RS422/423. Đây là các chuẩn do EIA (Electronics Industry Association- Hiệp Hội Công Nghiệp Điện Tử Hoa Kỳ) đưa ra. Truyền thông RS232C được dùng để truyền thông có khoảng cách ngắn, hầu hết là giữa máy vi tính và các thiết bị ngoại vi như máy in và màn hình. Chuẩn RS232C (‘C’ chỉ chuẩn hiện sử dụng) qui định các chỉ tiêu về nối kết vật lý, mạch điện, mối tương quan giữa các đường tín hiệu và các thủ tục truyền thông. Đầu cắm 25 chân (D-type-25way) được dùng phổ biến trong truyền thông RS232 và được sử dụng trên hầu hết các PLC, máy vi tính và thiết bị ngoại vi. V24 do CCIT đưa ra cũng là chuẩn RS232, được dùng phổ biến ở Châu Âu. Tuy nhiên, V24 chỉ qui định các thủ tục dùng trong trao đổi thông tin, nên V28 xác định thêm về số lượng các chân và điện áp của tín hiệu. Nói chung, RS232 cũng có thể được xem là tương đương, ngoại trừ sự khác nhau về điện áp của tín hiệu gửi nhận và về khả năng của tốc độ truyền. Chân Tên Mô tả 1 AA Protective ground 2 BA .Transmitted data 3 BB .Received data 4 CA .Request to send 5 CB .Clear to send 6 CC .Data set ready 7 AB .Signal ground 8 CF Received line signal detector 9/10 - (Reverved for data set testing) 11 - Unassigned 12 SCF Secondary received line 13 SCB Secondary clear to send 14 SBA Secondary transmitted data 15 DB Transmit signal element timing (DCE source) 16 SBB Secondary receiced data - 156- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 17 DD Receive signal element timing 18 - Unassigned 19 SCA Secondary request to send 20 CD .Data terminal ready 21 CG Signal quality detector 22 CE Ring indicator 23 CH/CI Data signal rate select (DTE/DCE source) 24 DA Tranmist signal element timing (DTE source) 25 - Unassigned Bảng 4-1: Đầu nối RS232 tiêu biểu (loại 25 chân) với chức năng của từng chân; Số chân tối thiểu có dấu chấm. Trong bảng 4.2, ta thấy các chân của đầu cáp RS232 không được sử dụng hết, nhưng các chân tối thiểu phải có là transmitted data, received data, signal ground, frame ground. Các nhà sản xuất thường chỉ dùng số chân tối thiểu trên, các thay đổi khác nhằm tạo một cấu hình nào đó cho riêng thiết bị của họ; RS232- compatible không có nghĩa là sự tương thích toàn cầu. Khi sử dụng khả năng truyền thông trên các thiết bị cụ thể thì các chân được sử dụng sẽ được trình bày trong tài liệu của nhà sản xuất. Truyền thông hai chiều với khoảng cách lớn thường sử dụng khi kết nối giữa các thiết bị có bộ vi xử lý (Intelligent devices) hoặc máy tính, và thường dùng RS422 hoặc một dạng truyền thông nối tiếp phổ biến khác nguồn dòng kín 20 mA. 4.2.2.2. Nguồn dòng kín 20 mA Khi khoảng cách truyền xa thì nguồn dòng kín 20 mA thích hợp hơn RS232. Chuẩn này được dùng nhiều trong hệ thống công nghiệp vì nó có khả năng chống nhiễu cao. Một mạch thực hiện đóng mở nguồn dòng 20 mA để xuất đI dữ liệu nối tiếp. Thực hiện so sánh, RS232 chỉ có thể truyền khoảng cách tối đa là 15m với tốc độ truyền 9600 bps, trong khi đó tín hiệu 20mA có thể truyền lên đến 300m với cùng tốc độ. Giao tiếp này cần một đường truyền 2 dây để gửi nhận tín hiệu và có thể cần thực hiện cách ly quang (opto-isolators) giữa máy truyền và máy nhận (hình 7.3 (a)). Tuy nhiên, chuẩn này lại không tương thích hoàn toàn với RS232 nên phảI có mạch giao tiếp trung gian để thực hiện việc chuyển đổi khi truyền thông giữa 2 máy. Sự bất tiện của loại truyền thông này là không có sự chuẩn hoá về mạch điện, không có đường tín hiệu điều khiển (handshake) như ở RS232 (đường điều - 157- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình khiển handshake cho phép một máy thông báo về tình trạng gửi và nhận tín hiệu đến máy kia, như sẵn sàng truyền dữ liệu, máy bận, ). 4.2.2.3. RS422/RS423 Với truyền thông dùng RS232 thì không truyền đI xa được; do đó, chuẩn RS422 được phát triển để cảI thiện các chỉ tiêu kỹ thuật, chuẩn này khắc phục các thiếu sót của RS232 và kết hợp ưu điểm của hệ thống nguồn dòng kín. Mạch điện giao tiếp chuẩn RS422 được cân bằng về điện do dùng hai đường dây riêng biệt cho mỗi đường tín hiệu, đường tín hiệu gửi và đường tín hiệu nhận; như vậy, khoảng cách truyền và tốc độ truyền sẽ lớn hơn chuẩn RS232. Tiêu chuẩn RS422 có vùng truyền tín hiệu rộng hơn nhiều (0.4V với 6V), cho phép mạch giao tiếp dùng được điện áp 5V có trong đa số các thiết bị có sử dụng bộ vi xử lý. Hầu như tất cả PLC có chức năng truyền thông đều có cổng RS232/V24, thường có thêm cổng RS422 được lấy từ đường RS232 (hình 7.3 (b)). Cổng RS232 được dùng nối kết với khoảng cách gần như VDU, máy in hay máy vi tính đặt gần đó. Cổng RS422 hay nguồn dòng được dùng khi kết nối với khoảng cách xa hơn, thường giữa nhiều PLC trong hệ thống phân bố (hình 7.4). PLC PLC TX + RX - + - + RX - + TX - Dữ liệu (i). Dùng cáp đơn PLC 1 PL 2 + TX - + RX - + Dữ liệu + + TX - Dữ liệu + RX - (ii). Dùng cáp đôi - 158- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Số chân nối T (3) (2 R ) RS232 CTS (4) UART RTS (5) DCD (8) Opto- couplers (7 ) (16) UART= Universal (15) Asynchronous RS485 Receiver/ (19) Transmitter (18) RS422 (21) Hình 4.2: (a). Kết nối nguồn dòng kín 20mA; (b). Cổng RS232/422 Thiết bị ngoại vi Thiết bị ngoại vi (máy tính, máy in) (máy tính, máy in) Mạch giao tiếp RS232 Mạch giao tiếp RS422 Cáp RS422 Môđun Computer CPU CPU CPU Mạch giao tiếp RS232 Mạch giao Mạch giao Mạch giao Cáp tiếp RS422 Cáp tiếp RS422 tiếp RS422 RS422 RS422 Hình 4-3: Ví dụ về sử dụng RS232/422 để kết nối nhiều PLC - 159- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 4.2.3 Khoảng cách truyền thông RS232 có khoảng cách truyền thông hiệu quả xấp xỉ 15m ở tốc độ 9600 bps, do trên cáp truyền có điện dung và ảnh hưởng của nó đến khoảng thời gian chuyển tiếp giữa các chuỗi dữ liệu nghĩa là giữa các ký tự giới hạn. Mạch giao tiếp RS232 phát ra một điện áp giữa +5 và +25V biểu diễn một trong 2 logic của tín hiệu, và điện áp này thường không có trong máy vi tính mà chỉ có mức điện áp TTL/ CMOS 5V, nên cần có thêm nguồn cấp điện. Khoảng cách truyền có thể lên đến 100m khi dùng cáp có bọc bảo vệ và truyền ở tốc độ thấp hơn. Bảng 4-2 so sánh giữa các chuẩn truyền thông về tốc độ và khoảng cách truyền. Giao tiếp Khoảng cách truyền (m) Tốc độ tối đa (bps) 10 10000 RS232 100 1000 1000 _ 10 1000000 RS422 100 100000 1000 10000 100 10000 Nguồn dòng 20mA 300 10000 2000 1000 Bảng 4-2: So sánh tốc độ truyền và khoảng cách truyền thông 4.2.4. Điều khiển đường tín hiệu truyền thông Trong truyền thông giữa các máy vi tính, máy tính lớn hay PLC, ta phảI xem xét đến điều khiển của dòng thông tin: chiều dữ liệu truyền thông và truyền thông một chiều hay hai chiều. Truyền thông một chiều là một thiết bị gửi và thiết bị còn lại nhận dữ liệu, ví dụ như PLC gửi dữ liệu đến máy in. Trong trường hợp này, máy in không cần biết thông tin về máy tính, có nghĩa là PLC luôn là máy truyền dữ liệu và máy in là máy nhận dữ liệu. Trường hợp truyền thông giữa máy vi tính và PLC thì cần truyền thông hai chiều. Chúng ta có hai loại truyền thông: một thiết bị truyền và sau đó đến thiết bị còn lại (half- duplex) hay cả hai thiết bị truyền đồng thời (full- duplex). 4.2.5. Nghi thức truyền thông Để có thể truyền dữ liệu được đúng giữa hai thiết bị, ta phảI điều khiển được dòng dữ liệu, để một thiết bị có thể gửi thông báo cho thiết bị kia. Ví dụ, giả sử máy vi tính gửi dữ liệu sang PLC với tốc độ cao hơn khả năng nhận của - 160- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC, khi đó máy vi tính phảI được thông báo để dừng hay tạm dừng quá trình truyền dữ liệu đó cho đến khi PLC sẵn sàng nhận tiếp dữ liệu. Việc điều khiển dòng truyền thông hay nghi thức truyền thông (protocol) được xử lý bằng cách dùng thêm một đường tín hiệu hoặc bằng cách đưa thêm ký tự điều khiển vào chuỗi dữ liệu truyền. 4.2.5.1. Dùng thêm đường tín hiệu Thường dùng thêm hai đường tín hiệu, tín hiêu handshake, được nối giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận: một đường dây thông báo cho máy nhận rằng máy gửi sẵn sàng truyền dữ liệu, gọi là RTS (Ready To Send); và môt đường dây thông báo cho máy gửi rằng máy nhận đã sẵn sàng nhận dữ liệu, gọi là CTS (Clear To Send). Hoạt động của hai đường tín hiệu này như sau: một thiết bị yêu cầu truyền dữ liệu bằng cách đưa RTS xuống mức thấp; thiết bị đầu kia trả lời bằng cách đưa CTS xuống mức thấp; và dữ liệu được truyền đI cho đến khi CTS tắt (có mức cao) từ thiết bị nhận. Đường tín hiệu RTS/CTS có trong chuẩn RS232, và chúng thường được dùng trong truyền thông giữa máy vi tính và các thiết bị ngoại vi (xem hình 7.5). 4.2.5.2. Dùng thêm ký tự điều khiển Hai dạng nghi thức rất thông dụng dùng ký tự điều khiển trên các đường truyền/nhận là XON/XOFF và ENQ/ACK (ENQ: Enquiry; ACK: Acknowledge). Cơ chế hoạt động của các nghi thức này được minh hoạ trong hình 7.6 (a, b). Với nghi thức XON/XOFF, khi một thiết bị đang nhận dữ liệu muốn dừng tác vụ thì nó gửi lệnh XOFF (03 hex) đến thiết bị gửi, tín hiệu này làm dừng tác vụ gửi dữ liệu của máy gửi và chờ nhận lệnh XON (01 hex) từ máy nhận để gửi tiếp dữ liệu. Trong khi đó, nghi thức ENQ/ACK gửi ‘gói’ dữ liệu đến máy nhận cùng với một ký tự ENQ (03 hex), ký tự này báo hiệu kết thúc một ‘gói’ dữ liệu. Và khi máy nhận thực hiện xử lý dữ liệu gửi đến thì nó có thể yêu cầu khối dữ liệu khác bằng cách gửi về ký tự ACK (06 hex). Transmit Receiver PLC hay PC RTS Máy vi tính CTS Hình 4-4: Truyền thông dùng RTS và CTS (handshake) - 161- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Máy in Máy tính hay Dữ liệu PLC Bộ đệm máy in đầy XOFF Máy tính hay (DC3. 03 hex) PLC Máy in gửi ký tự XOFF về máy tính In dữ liệu Máy tính hay PLC In dữ liệu cho đến khi hết dữ liệu trong bộ đệm XON Máy tính hay (DC1. 01 hex) PLC Ký tự XON Báo cho máy tính gửi tiếp dữ liệu (a) Không cần thêm đường tín hiệu Hình 4- 5: Nghi thức truyền: (a) Nghi thức XON/XOFF (dùng trong full-duplex vì XOFF được gửi trở về dòng dữ liệu chính) - 162- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình “TôI đang chờ “TôI vừa ký gửi 80 nhận dữ liệu ... chờ nhận ký tự kết ký tự. Bạn sẵn sàng nhận tiếp 80 ký tự thúc nứa không” Máy gửi Máy nhận 80 ký tự ASCCII (gửi thông báo) ENQ (nhận thông báo) Chờ đến khi máy nhận đủ 80 ký tự “TôI đã lưu 80 ký tự “TôI đang nghe bạn và tôI sẵn sàng nói với tôI rằng bạn nhận thêm đã sẵn sàng” Máy gửi Máy nhận ACK (gửi thông báo) (nhận thông báo) (b) Không cần thêm đường tín hiệu Hình 4-6: (b) Nghi thức ENQ/ACK (có thể dùng trong half-duplex vì thiết bị gửi truyền byte ENQ) 4.3. PLC và hệ thống mạng 4.3.1. Khái quát Khi một PLC làm việc độc lập tức là nó chỉ thực hiện một công đoạn hay một nhiệm vụ duy nhất mà không có sự liên kết dàng buộc hay chia sẻ trách nhiệm điều khiển đối với công đoạn khác. Thực tế cho thấy khi công việc quá lớn thì số lượng các dây dẫn về tới bộ PLC quá nhiều không những gây tổn thất về dây dẫn mà quan trong hơn cả là nó thật sự gây khó khăn cho việc sửa chữa bảo trì hệ thống, vấn đề nữa là nếu đường truyền quá dài thì các giá trị thu nhận từ cảm biến hay tín hiệu điều khiển có sự sai lệch quá lớn gây ảnh hưởng nghiêm - 163- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình trọng tới sản xuất. Giải pháp sử dụng đường truyền duy nhất và chia sẻ nhiệm vụ điều khiển sử dụng công nghệ mạng đang được áp dụng rộng rãi đáp ứng yêu cầu sản xuất hiện đại. Hiệu quả hệ thống mạng PLC mang lại. 4.3.2. Mạng AS-I Mạng AS-I (Giao tiếp cảm biến chấp hành Actuator Sensor interface) là cấp mạng thấp nhất trong hệ thống tự động hoá. Mạng này giúp thay thế bó dây điện nối từ cảm biến và chấp hành ở dây chuyền sản xuất đến trung tâm điều khiển bằng cáp điện. Cáp làm hai nhiệm vụ: cung cấp nguồn cho cảm biến và trao đổi thông tin giữa ASI master với Cảm biến- Chấp hành nhị phân. Mạng được bảo trợ bởi hội quốc tế AS có địa chỉ www.as-interface.com. Mạng ASI là mạng một chủ nhiều tớ, mỗi tớ có một địa chỉ, chủ sẽ lần lượt truy cập thông tin từ tớ và chờ đợi trả lời. Thông tin truyền trên đường dây cấp điện theo nguyên lý điều chế dòng. Cáp mạng nối theo cấu trúc cây với chiều dài lên đến 100m. Nếu chiều dài lớn hơn nên dùng bộ lặp lại repeater. Một mạng ASI có tối đa 31 thiết bị tớ, mỗi thiết bị có địa chỉ từ 1 đến 31, ấn định bởi ASI chủ. Mỗi thiết bị tớ nhận 4 bit và truyền 4 bit dữ liệu, do đó mạng ASI nhận và truyền đến 248 cảm biếõn/ chấp hành nhị phân (Chuẩn V2.1 nối đến 62 trạm tớ). Vận tốc truyền trên tuyến là 167kb/s với thời gian truy cập khoảng 5ms. * Các thông số kỹ thuật của AS-I: Chuẩn AS-I theo chuẩn IEC TG 178 Số lượng trạm cho phép 1 Master và max 31 Slave Phương pháp thâm nhập đường dẫn Master – Slave Tốc độ truyền 167 Kbit/s Môi trường truyền thông Dây dẫn thẳng không bọc Khoảng cách các thiết bị trong mạng 300 m với Repeater Kiểu nối Đường thẳng, cây, sao Dịch vụ truyền thông AS-I Function Bảng 4-3: Các thông số kỹ thuật của mạng AS-I Các thành phần của mạng ASI gồm có: - AS-i Chủ: điều khiển mạng - Mô đun AS-I: ghép Cảm biến/ Chấp hành với mạng - Cáp AS-I: hai dây tiết diện 1.5mm2 vỏ cao su nối vật lý các phần tử trong mạng - Bộ nguồn AS-I: cấp nguồn - 164- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Cảm biến/ Chấp hành nhị phân với chip AS-i - Bộ xác định địa chỉ: tạo địa chỉ cho các thiết bị tớ - SCOPE AS-Interface: chương trình giám sát cho máy tính Kết nối các thành phần thực hiện theo sơ đồ sau AS-i Chủ: làm nhiệm vụ kết nối PLC hay máy tính với mạng. Thời gian truy cập tất cả trạm tớ tối đa là 5ms. Hãng Siemens sản xuất các loại sau: - SIMATIC S5 PLC: - 165- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình + CP 2433 với S5-90U, S5-95U, S5-100U. + CP 2430 với S5-115U, S5-135U, S5-155U. - SIMATIC S7 PLC: + CP 242-2, CP 242-8 với S7-200. + CP 342-2 với S7-300. - SIMATIC C7: C7-621 AS-i - Distributed I/Os: + DP/AS-Interface Link 20 (type of protection IP 20), ghép nối mạng Profibus và ASI. + CP 242-8 với S7-200. + CP 2433 với ET 200U. + CP 342-2 với ET 200M. + CP 142-2 với ET 200X. + DP/AS-Interface Link (loại bảo vệ IP 65). + CP 2413 cho máy tính PC-AT. 4.3.3. Mạng MPI Mỗi CPU của SIMATIC S7 được trang bị một "giao tiếp đa điểm" (MPI, multipoint interface). Giao tiếp này thiết lập một mạng con trong đó CPU, màn hình điều khiển và các thiết bị lập trình có thể trao đổi dữ liệu với nhau. Sự trao đổi dữ liệu được thực hiện qua giao thức riêng của Siemens. MPI sử dụng cáp hai dây hoặc một cáp sợi quang bằng thuỷ tinh hay nhựa làm đường truyền . Chiều dài tối đa của cáp cho một phân đoạn là 50 mét . Sử dụng bộ lặp RS 485 làm tăng chiều dài tối đa lên đến 1100 mét . Mô-đun nối cáp quang Optical Link làm tăng chiều dài cho phép thậm chí hơn 100 km . Tốc độ truyền thường là 187,5 kbit/ giây . Số trạm tối đa là 32. Mỗi trạm mất một số lượng thời gian nhất định để truy cập bus và gửi dữ liệu. Khi thời gian này kết thúc, trạm sẽ chuyển tín hiệu ( các quyền truy cập ) sang trạm kế tiếp . Phương pháp này được gọi là "chuyển giao quyền truy cập" (Token passing). Có thể dùng truyền thông dữ liệu toàn cục ( global), truyền thông trạm ngoài SFC hay truyền thông SFB để chuyển dữ liệu giữa các CPU trong một mạng con MPI mà không cần thêm mô-đun phụ nào . * Những đặc điểm cơ bản của mạng MPI: - Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản. - 166- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ. - Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông. Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. + Các thông số kỹ thuật của mạng MPI: Chuẩn SIEMENS Số trạm cho phép Max 32 Phương pháp thâm nhập đường Token Passing dẫn Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s Môi trường truyền dẫn Đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo) Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m, với cáp quang qua OLM> 100 km Cấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn Dịch vụ truyền thông Nhóm lệnh chức năng của S7 Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD) Bảng 4-4. Thông số kỹ thuật của mạng MPI Mô hình mạng MPI S7-300 :CPU 312 IFM, CPU 313, CPU 314, CPU 314 IFM, CPU 315, CPU 315-2 DP - 167- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình S7-400 :CPU 412-1, CPU 413-1, CPU 414-1, CPU 416-1, CPU 413-2 DP, CPU 414-2 DP, CPU 416-2 DP OP :OP 3, OP 5, OP 7, OP 15, OP 17; OP 25, OP 35, OP 37 PC :CP 5412-A2 (ISA), CP 5411 (ISA), CP 5511 (PCMCIA), MPI card (ISA),CP 5611 (PCI) 4.3.4. Mạng PROFIBUS Hình 4.7 Mạng PROFIBUS PROFIBUS- Process Field Bus. Đây là một chuẩn truyền thông được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245. PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường. Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác. 4.3.4.1. Các loại PROFIBUS Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau: - PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh. - PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển. PROFIBUS – DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều khiển cũng như các bộ - 168- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave. Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master). Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s. Hình 4-8: Mạng PROFILBUS - DP S7-300 Master Class1 PC with CP Master Class1 PROFIBUS DP S7-300 ET-200 S7-200 Slave Hình 4-9: Mạng PROFIBUS - DP nhiều chủ - 169- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình - PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification). Trao đổi lượng thông tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát. Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI. Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất không định kỳ. Hình 4-10: Cấu trúc của mạng PROFIBUS FMS -PROFIBUS – PA (Process Automation) : Được thiết kế riêng cho những khu vực nguy hiểm. PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2. PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu. Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP. Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA. - 170- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình 4.3.4.2. Các phương pháp truy cập bus Token bus Master Master Master Profibus Slave Slave Slave Slave Slave Slave Master-Slave Hình 4-11: Các phương pháp truy cập bus Phương pháp thâm nhập vào mạng được quy định ở EN 50170, Volume 2 bao gồm các phương pháp: Token Passing cho các trạm chủ. Master/Slave cho các trạm tớ. Tuy nhiên trong trường hợp có nhiều Master trên một mạng, quyền điều hành sẽ được luân chuyển lần lượt từ trạm Master này sang Master khác nhờ kỹ thuật Token Passing. Truyền thông giữa các trạm chủ (hay còn gọi là trạm tích cực) được điều khiển bằng một vòng logic (Logical Ring - LR). Vòng này được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động. Vòng này quyết định tại thời điểm nào, trạm chủ nào tích cực và tích cực được trong bao lâu. Trạm chủ tích cực còn gọi là trạm chiếm giữ token. Trong thời gian chiếm giữ token trạm có quyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi dữ liệu. Vòng logic hoàn toàn không phụ thuộc vào cấu trúc các trạm chủ với nhau trong mạng. Khoảng thời gian không cho phép các trạm chủ khác thâm nhập vào - 171- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình đường dẫn, hay là khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token, được gọi là thời gian chiếm giữ token. Nếu hết thời gian token mà trạm vẫn chưa gửi xong dữ liệu, thì chỉ dữ liệu của trạm nào có mức ưu tiên cao nhất được tiếp tục truyền đi, nếu không thì trạm chủ đó phải ngưng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt sau. Nếu trạm nào chiếm giữ token nhưng không có nhu cầu truyền thông thì token được tự động chuyển sang trạm tiếp sau theo quy định của vòng logic. Nếu một trạm tớ được nối với một trạm chủ đang chiếm giữ token thì trong thời gian token, trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ được chiếm giữ token. Các trạm chỉ thực hiện được việc trao đổi trong thời gian mạng còn hoạt động. Trong SIMATIC, các thiết bị nối lên mạng PROFIBUS thông qua mô đun CP. PROFIBUS-DP cung cấp dịch vụ truyền thông giữa các trạm SIMATIC S7 và các thiết bị trường (DP-Slave) để thực hiện trao đổi dữ liệu vào/ra của một quá trình. Quá trình trao đổi dữ liệu giữa DP-Master và DP-Slave được thực hiện theo chu trình lặp lại và với một dung lượng thông tin không lớn. 4.3.4.3. Những tính chất đặc trưng của mạng PROFIBUS - Thông qua PROFIBUS có thể được thực hiện đồng thời những hàm chức năng của các dịch vụ truyền thông sau: - FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Message Specification) và Nhóm lệnh chức năng của C7 - FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Data Link) và Nhóm lệnh chức năng của S7. - PROFIBUS – DP tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ của các nhà sản xuất khác nhau theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt nào. - Đối với SIMATIC S7/M7 tồn tại giao diện tích hợp PROFIBUS – DP (hai giao diện đối với S7 hoặc một mô đun giao diện cho các CPU M7). - Thời gian đáp ứng nhanh (1  5 ms) khi đòi hỏi một trạm tớ DP (DP-Slave) phục vụ trạm chủ (DP-Master). 4.3.4.4. Môi trường truyền dẫn a) Đường truyền RS 485 Tuân theo chuẩn EIA RS-485/4 máy tính truyền dẫn, cáp xoắn đôi (STP), mỗi đoạn cáp được chặn đầu bởi một trở kháng gọi là một đoạn segment. Các trạm được nối với bus qua đầu nối tối đa 127 trạm trên một network dùng bộ lặp. Độ dài tối đa một segment phụ thuộc vào: tốc độ truyền, loại cáp sử dụng, tốc độ < 12 Mbit/s. - 172- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 4-12: Mạng PROFIBUS sử dụng RS 485 b) Đường truyền quang Mạng PROFIBUS của SIMATIC sử dụng các mô đun tích hợp cổng quang như OBT (Optical Bus Terminal), OLM (Optical Link Mô đun) để tạo thành mạng quang theo nhiều cấu trúc bus khác nhau, tăng độ dài truyền dẫn, giảm ảnh hưởng điện từ, tăng tốc độ truyền thông, số trạm tối đa trong một mạng là 127 (126 khi sử dụng OLM với cấu trúc vòng). Hình 4-13: Mạng PROFIBUS sử dụng OLM - 173- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình c) Kỹ thuật hồng ngoại Mạng PROFIBUS không dây sử dụng ánh sáng hồng ngoại để truyền tín hiệu, khoảng cách tối đa giữa hai trạm là 15 m, mạng không dây sử dụng mô đun ILM (Infrared Mô đun). Mạng không dây có độ linh hoạt cao, đòi hỏi không vật chắn trên đường truyền giữa hai trạm cấu trúc Point - Point, Point – MultiPoint, số trạm tối đa trên một mạng là 127. Hình 4-14: Mạng PROFIBUS không dây kết nối điểm - điểm 4.3.4.5. Các cấu trúc mạng a) Cấu trúc mạng RS-485 Khi dùng kỹ thuật truyền RS-485 có thể có các tốc độ truyền như: 9,6 Kbit/s; 192 Kbit/s; 45,45 Kbit/s; 93,75 Kbit/s; 185,5 Kbit/s; 500 Kbit/s; 1,5 Mbit/s; 3,6 Mbit/s; 12 Mbit/s. Có thể chia thành hai nhóm chính: Các thiết bị cho phép tốc độ truyền từ 9,6 Kbit/s  1,5 Mbit/s. Các thiết bị cho phép tốc độ truyền từ 9,6 Kbit/s  12 Mbit/s. Cấu trúc mạng quang Một mô đun liên kết quang OLM (Optical Link Mô đun). Trạm PROFIBUS Sử dụng mạng quang để tăng khoảng cách truyền dẫn, giảm sự tác động của nhiễu. Trạm PROFIBUS sử dụng giao diện PROFIBUS-DP (RS-485) nối vào mạng quang sử dụng đầu nối quang OBT (Optical Bus Terminal) hoặc với cổng FO (Fiber Optic) tích hợp như ET 200M (IM 153-2FO), S7-400 (IM 467FO) có thể nối trực tiếp vào mạng quang với cấu trúc bus. - 174- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Hình 4-15: Cấu trúc bus của mạng PROFIBUS quang b) Cấu trúc mạng không dây Trong SIMATIC NET, sử dụng mô đun liên kết hồng ngoại (ILM để tạo mạng không dây với cấu trúc Point – Point, Point - MultiPoint). Hình 4-16: Mạng PROFIBUS không dây kết nối điểm- nhiều điểm - 175- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình c) Cấu trúc mạng DP-PA Theo cấu trúc bus hoặc hình sao. Khi sử dụng DP/PA là nguồn cung cấp qua đường dữ liệu cho các thiết bị trường, chú ý tổng dòng của các thiết bị trường không lớn hơn dòng ra cực đại của DP/PA, điều này làm hạn chế số thiết bị trường gắn vào. Hình 4-17: Mạng PROFIBUS sử dụng liên kết DP/PA Đặc tính PROFIBUS Số lượng trạm 127 Token Bus (cho các trạm chủ) Phương pháp thâm nhập mạng Master-Slave (cho các trạm tớ) Tốc độ truyền 9,6 Kbit/s - 12 Mbit/s Môi trường truyền thông Đôi dây xoắn và cáp quang Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của mạng PROFIBUS. Câu hỏi chương 4: Câu 1: Trình bày các tham số truyền thông trong mạng PLC Câu 2: Đặc điểm cơ bản của mạng ASI, PROFIBUS và ứng dụng. Câu 3: So sánh mạng ASI với mạng MPI. - 176- Kỹ thuật điều khiển logic khả trình Tài liệu tham khảo [1] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm: Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng- NXB KH&KT-99 [2] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp- NXB khoa học kỹ thuật 2004 [3] Phạm Thượng Hàn: Hệ thống thông tin công nghiệp- NXB giáo dục 2007 [4] PX Minh- Tự động hoá với Simatic S7-300, NXB KHKT 2004 [5] Vũ Quang Hồi Trang bị điện máy công nghiệp; NXB KHKT 2000 [6] Siemens AG: Simatic STEP7 Hardware Configuration and Structure, 1995. [7] Siemens soft ( help manual), V5.4 Tham khảo một số website www. siemens.de/en www. siemens.com.vn - 177-