CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7-200 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạotừ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp.
Như vậy, PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển là tập hợp các máy móc và thiết bị điện tử ở một nơi để đảm bảo hoạt động của quá trình sản xuất hay một hoạt động của sản xuất ổn định chính xác và nhịp nhàng. Những thành tựu của sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, các nhiệm vụ điều khiển phức tạp được hoàn thành nhờ một hệ thống điều khiển tự động cao, đó chính là bộ điều khiển lập trình và có sự tham gia của cả máy tính.
Ngoài việc giao tiếp tín hiệu với các trường thiết bị vào – ra như (các bảng vận hành, động cơ, cảm biến, van.), khả năng giao tiếp truyền thông dữ liệu trên mạng giữa các thành phần điều khiển trong hệ thống cũng được thực hiện. Mỗi thành phần đơn giản trong hệ thống điều khiển đều đóng một vai trò quan trọng mà không cần quan tâm đến kích cỡ.1 Hệ thống điều khiển bằng PLC Qua hình 1.1 ta thấy PLC không biết điều gì xảy ra xung quanh nó khi không có bất kỳ một thiết bị cảm nhận tín hiệu. Nó cũng không thể thực hiện một chuyển động cơ học nếu không có nối kết giữa động cơ với nó. Vai trò của PLC Trong một hệ thống tự động, PLC được ví như là con tim của hệ thống điều khiển.
Với chương trình ứng dụng điều khiển (được lưu trữ trong bộ nhớ PLC) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tín hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào. Sau đó sẽ đưa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết. PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển một quá trình phức tạp. 3 a) Thiết bị đầu vào: Sự thông minh của một hệ thống tự động phần lớn dựa vào khả năng của PLC để đọc tín hiệu từ những loại cảm biến tự động khác nhau và thiết bị đầu vào cưỡng bức tín hiệu.
Những nút ấn, bàn phím, công tắc gạt tạo thành cơ bản của giao tiếp người và máy là các loại thiết bị vào cưỡn bức tín hiệu. Mặt khác, để phát hiện vật thể, quan sát sự di chuyển cơ cấu, kiểm tra áp suất và mức chất lỏng và nhiều sự kiện khác, PLC sẽ phải xử lý tín hiệu từ những thiết bị cảm ứng tự động đặc biệt như công tắc từ, công tắc hành trình, cản biến quan điện, cảm biến mức độ và v. Nhiều loại tín hiệu PLC có thể là ON/OFF hay tương tự. Những tín hiệu vào này được giao tiếp với PLC qua các loại modul vào khác nhau.
b) Thiết bị xuất: Hệ thống tự động không hoàn chỉnh và hệ thống PLC thật sự tê liệt nếu không có giao tiếp với các thiết bị xuất, chẳng hạn một số thiết bị thông thường như: động cơ, cuộn dây, đèn chỉ thị, chuông báo.Thông qua sự hoạt động của động cơ và cuộn dây, PLC có thể điều khiển từ đơn giản đến phức tạp. Khái niệm PLC PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tùy thuộc và người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bở các tác nhân kích thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào đầu ra của PLC. Như vậy nếu ta thay đổi các 4 chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau trong các môi trường điều khiển khác nhau.
Cấu trúc PLC Một PLC bao gồm một bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và ứng dụng và những modul giao tiếp nhập-xuất.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển lập trình 1. Hoạt động của PLC Về cơ bản, hoạt động của một PLC cũng khác đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output hay modul xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ. Sau khi nhận được tín hiệu wor đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua modul xuất ra các thiết bị được điều khiển.3 Mô tả hoạt động PLC Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đệm chương trính ẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành.
Chương trình ở dạng STL ( Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng là LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ mát cất trong bộ nhớ chương trình. Sau khi thực hiện xong chương trình sau đó là truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi sau đó CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua modul xuất. Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội và tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu wor đầu ra được gọi là một chu kỳ quét. Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp với cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm.
Nếu có sử dụng ngắt thì chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình. Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kỳ điềm đến nào trong vòng quét.4 Chu kỳ vòng quét của PLC Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF(, các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở đầu ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyern đổi ON/OFF. Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra”thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại modul out) vẫn chưa được đưa ra, Khhi xử lý kết thức chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự không tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở đầu ra. Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra dưới thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 10ms tới 100ms.
Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị. Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét. Nếu thời gian tác động ở đầu vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì xử lý xem như không có tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản phẩm, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất.
Để khắc phục khoảng 7 thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chi trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tin tức thời, dùng bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn. Đặc điểm bộ điều khiển lập trình Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thức đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình (programmable control systems) - hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động. Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc laajo trình trên các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thời, đếm, v., làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất.
Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở đầu vào, được đưa về tự quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ ở đầu ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu (transducers) ở đầu vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơ le trung gian. Tuy nhien, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn.
