Đồ án tổng quan về edm

Chương 2 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH (PLC) PLC VÀ KHẢ NĂNG CỦA PLC PLC là gì ? Thiết bị điều khiển Logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt là PLC, là loại thiết bị cho phép nhập các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện các thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kì của vòng quét (scan). Bộ nhớ chương trình Khối vi xử lí trung tâm + Hệ điều hành Time Bộ đếm Bit cờ Cổng vào ra I/O Bộ đệm I/O Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lí ghép nối Nguyên lý chung về cấu trúc bộ PLC Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng Vào/Ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như: bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer), ... và những khối hàm chuyên dụng. Khả năng và ưu điểm của PLC so với các loại điều khiển khác Trong quá trình phát triển của khoa học kĩ thuật trước đây người ta mới chỉ phân biệt 2 phạm trù kĩ thuật: điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử. Nhưng từ cuối thập kỉ 20 người ta đã đưa ra những chỉ tiêu chi tiết để phân biệt các loại kĩ thuật điều khiển. Bởi vì trong thực tế sản xuất cần đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy chứ không phải điều khiển từng máy đơn lẻ. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy dễ dàng và tin cậy. Từ “khả lập trình” - nghĩa là có thể lập trình được - đã nói lên một mối liên hệ chặt chẽ với máy tính, trong đó các ngôn ngữ lập trình như FORTRAN, COBOR, PASCAL,...đã được sử dụng. Nó bao hàm cả khả năng giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ. Từ “điều khiển” hàm ý mục tiêu ứng dụng trong công nghiệp của PLC, nghĩa là tạo lập, gửi đi và tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát và sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng cụ thể của máy đã được ứng dụng PLC trong hệ thống. Kĩ thuật điều khiển Logic khả trình phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính từ năm 1968 - 1970 và đã từng bước tiếp cận và phát triển theo nhu cầu của công nghiệp. Quy trình lập lúc ban đầu được trang bị để sử dụng trong các xí nghiệp điện tử, ở đó trang bị kĩ thuật và tay nghề thành thạo đã được kết hợp với nhau. đến nay các thiết bị và kĩ thuật PLC đã phát triển tới mức những người sử dụng nó không cần giỏi những kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được. Trình độ của khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng hay khó khăn cũng là một chỉ tiêu quan trọng để xếp hạng hệ thống điều khiển. Ở đây có sự phân biệt giữa những bộ điều khiển mà người dùng có thể thay đổi được quy trình hoạt động so với các bộ điều khiển không thể thay đổi được quy trình hoạt động có nghĩa là điều khiển theo quy trình cứng. Tùy theo kết cấu của hệ thống và cấu tạo các thành phần mà mỗi phạm trù điều khiển trên đây lại chia làm nhiều loại điều khiển khác nhau. Rơle không phải là loại điều khiển duy nhất được coi là theo quy trình cứng và do đó không thay đổi được. Nhiều loại điều khiển bằng các thành phần mạch điện tử cũng nằm trong số các quy trình cứng này. Nếu chức năng của một hệ điều khiển đã được xác định bởi mối liên kết trong theo quy trình cứng của các phần tử cá thể thì nó thuộc loại điều khiển không thay đổi được hoặc còn gọi là loại có “chức năng cố định”. Khi đó sự thay đổi muốn có chỉ có thể được thực hiện bằng cách nối lại các đường dây hoặc thay đổi một số thành phần. Những hệ điều khiển không linh hoạt đó chứa các bộ phân phối thanh ngang, máy đọc băng đục lỗ hoặc các liên kết phích cắm khác thì có thể lập trình lại được nhưng chỉ trong một giới hạn rất hạn hẹp. Tiếp xúc vật lí Quy trình cứng Không thay đổi Thay đổi Liên kết cứng Liên kết phích cắm Rơle, linh kiện điện tử Mạch ĐT, cơ thuỷ khí Bộ nhớ khả LT Quy trình mềm Khả LT tự do Bộ nhớ Thay đổi RAM EEPROM ROM EPROM PLC xử lí một bit PLC xử lí từ ngữ Chức năng lưu trữ ĐIỀU KHIỂN Các hệ điều khiển linh hoạt được chia làm hai loại: Điều khiển linh hoạt có thể lập trình trực tiếp, hoặc còn gọi là “có thể lập trình tự do”. Loại điều khiển này chứa bộ nhứ tiếp cận ngẫu nhiên (Random Access Memories), cho phép nhập dữ liệu hoặc phát lệnh thay đổi, hoặc thêm vào mà không cần thao tác cơ học. Điều khiển linh hoạt có bộ nhớ thay đổi được. Loại này dùng bộ nhớ chỉ ghi một lần và sau đó chỉ có thể đọc ra mà thôi (ROM) và có thể lập trình lại được bằng cách thay bộ nhớ. Một số thành phần của nó có thể được thay khi một chương trình được soạn thảo hoặc biến đổi. Vì cấu trúc các bộ điều khiển khả lập trình được dựa trên cùng một nguyên lí với kiến trúc của máy tính cho nên nó không chỉ thi hành các nhiệm vụ chuyển đổi mà có thể thực thi các ứng dụng khác như đếm, so sánh, tính toán hoặc xử lí các tín hiệu tương tự cho những mục đích riêng chẳng hạn như trong các quy trình kĩ thuật cơ khí... Như vậy, sự khác nhau chính giữa bộ điều khiển Logic khả trình và công nghệ Rơle hoặc bán dẫn là ở chỗ kĩ thuật nhập chương trình vào như thế nào. trong điều khiển Rơle, bộ điều khiển chuyển đổi bao gồm một cách cơ học những modun cá thể phù hợp với chương trình mạch và dãy điều khiển được kiểm soát bằng tay thông qua việc nối dây do đó được gọi là “điều khiển cứng”. Trái lại, việc nhập một dãy điều khiển vào một PLC được thực hiện thông qua một panel lập trình và một ngoại vi chương trình, có thể chỉ ra mọi phương pháp và quy trình có thể nhập Logic vào các bộ phận lưu trữ điện tử. Thế mạnh của bộ điều khiển Logic khả trình so với các phương pháp điều khiển mạch cứng là ở chỗ nó có thể dễ dàng thay đổi được chương trình cũ và nạp chương trình mới trong một thời gian ngắn và ít tốn kém. LÍ DO SỬ DỤNG PLC & GIÁ TRỊ KINH TẾ Lí do sử dụng PLC Trước kia bộ PLC rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình rất phức tạp. Vì những lí do đó mà nó chỉ được dùng cho những thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và lập luận chứng. Do giảm giá liên tục kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến kết quả là sự phát triển rộng rãi của việc áp dụng kĩ thuật PLC. Bây giờ nó thích hợp cho một phạm vi rông các loại thiết bị máy móc. Sự hấp dẫn của PLC trên thị trường được khẳng định cho những áp dụng rộng rãi nói trên bởi vì nó có độ tin cậy cao, chiếm ít chỗ và loại bỏ được nhu cầu nối dây, ghép các Rơle và các bộ đếm thời gian. Những ưu điểm chính của việc ứng dụng kĩ thuật PLC: Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế modun cho phép với bất kì mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ kiện đã được lắp ghép thì bộ PLC vào tư thế sẵn sàng làm việc ngay. Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: các thành phần điện tử có tuổi thọ cao hơn các thiết bị cơ điện tử. Không phải bảo dưỡng định kì như các thiết bị Rơle. Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản: Nừu như các con số đung của đầu vào và đầu ra cần thiết thì có thể đánh giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ tối đa là bao nhiêu. Do đó cũng có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp. Xử lí tư liệu tự động: Trong nhiều bộ PLC, việc xử lí tư liệu được tiến hành tự động làm cho việc thiết kế điện tử trở nên đơn giản hơn. Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển Rơle tương đương, trong nhiều trường hợp không gian được thu hẹp vì có nhiều bộ phận được giảm bớt. Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều máy PLC với những quy cách kĩ thuật của bộ điều khiển giống hệt nhau thì làm chi phí lao động sẽ rất thấp so với bộ điều khiển Rơle. Điều đó là do giảm phần lớn lao động lắp ráp. Hơn nữa người ta ưa dùng PLC hơn các loại khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các máy mà vì nó còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà người ta có thể thay đổi, cải tiến trong quá trình vận hành. Sự cải biến thuận tiện: Những bộ điều khiển nếu chỉ muốn cải biến một phần nhỏ trong dãy chức năng có thể tái tạo một cách dơn giãn bằng sao chép, cải biến và/hoặc thêm vào những phần mới. Những phần trong chương trình vẫn sẵn sàng sử dụng được thì vẫn được dùng lại mà không cần thay đổi gì. So với kĩ thuật rơle, ở đây có thể giảm phần lớn thời gian lắp ráp bởi vì có thể lập trình các chức năng điều khiển trước hoặc trong khi lắp ráp bằng điều khiển. Nhiều chức năng: Người ta thường hay dùng PLC cho tự động linh hoạt bởi vì nó có thể dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi các thông số. Một lí do nữa là nó đã được nối sẵn với một máy tính mạnh. Giá trị kinh tế Lắp đặt bộ PLC đơn giản hơn rất nhiều so với lắp đặt hệ Rơle. Sử dụng bộ điều khiển PLC rất kinh tế do sự phát triển của các bản thiết kế ngày càng rẻ hơn và tăng số lượng của PLC ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Hơn nữa khi so sánh giá cả thì phải tính đến cả bán của các bộ phận phụ không thể thiếu được như panen lập trình, máy in, băng ghi ...và cả việc đào tạo nhân viên kĩ thuật . Một điều quan trọng là phải dùng đội ngũ nhân viên kĩ thuật lành nghề có kinh nghiệm, có hiểu biết tốt về phần mềm để thiết kế lập trình và thao tác bộ điều khiển PLC và phần mềm dùng cho những mục đích đặc biệt là cực kì đắt giá. Tuy nhiên nhiều cái đã trở nên khả thi nhờ phần mềm rẻ đi. Nhiều nhà chế tạo PLC cung cấp trọn gói bộ phần mềm đã được thử nghiệm. Nhưng việc thay thế và/hoặc thêm các phần mềm cho các nhu cầu riêng là không thể tránh khỏi và khi đó đòi hỏi kĩ năng phần mềm. Chẳng hạn do một công ty phần mềm sản xuất thì điều tối quan trọng là mọi yêu cầu phải được xác định chính xác, tỉ mỉ và dễ dàng từ lúc bắt đầu. Việc lắp đặt một bộ PLC tiếp theo chỉ giá trị bằng một nửa giá trị cho bộ mẫu đầu tiên, nghĩa là chỉ còn phải chi cho phần cứng mà thôi. Bộ thứ hai trở đi có giá thành rẻ đi rất nhiều so với bộ điều khiển bằng Rơle. CẤU HÌNH CỨNG Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia thành các modun được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán song tối thiểu bao giờ cũng phải có một modun chính là modun CPU. Các modun còn lại là những modun nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modun chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ,...chúng được gọi chung là modun mở rộng. Tất cả các modun được gá trên những thanh ray (rack). Modun CPU: Là loại modun có chứa bộ vi xử lí, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)...và có thể còn có một vài cổng vào ra số có trên modun CPU được gọi là cổng vào ra on board. Trong một họ PLC có nhiều loại modun CPU khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó. Những modun cùng sử dụng một loại vi xử lí nhưng khác nhau về cổng vào/ra on board cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành. Họ PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens (Đức) có cấu trúc theo kiểu modun và có các modun mở rộng. Các modun này được sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lí CPU212 hoặc CPU214. Về hình thức bên ngoài sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. Trong đồ án này ta sẽ tìm hiểu khối CPU214: CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm 7 modun mở rộng khác nhau. CPU214 bao gồm: 2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volative để lưu chương trình (vùng nhớ có giao diện với EEPROM). 2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dũ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền non-volative. 14 cổng vào và 10 cổng ra logic. Có 7 modun để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm cả modun analog. Có 128 timer chia ra làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau : + 4 timer 1ms. + 16 timer 10ms. + 108 timer 100ms. 128 bộ đếm chia ra làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi. 688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. Các chế độ ngắt và xử lí ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2KHz và 7KHz. 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. 2 bộ điều chỉnh tương tự. Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi. Các modun mở rộng: PS (Power Supply): modun nguồn nuôi. Có 3 loại 2A, 5A & 10A. SM (Signal Modun): modun mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: DI (Digital Input): modun mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại modun. DO (Digital Output): modun mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại modun. DI/DO (Digital Input/ Digital Output): modun mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8, hoặc 16 tuỳ thuộc từng loại modun. AI (Analog Input): modun mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự/số 12Bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số có độ dài 12Bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, hoặc 8 tuỳ thuộc từng loại modun. AO (Analog Output): modun mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ theo từng loại modun. AI/AO (Analog Input/Analog Output): modun mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4vào/2ra hoặc 4vào/4ra tuỳ từng loại modun. IM (Interface Modun): modun ghép nối. Đây là loại modun chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm các modun mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lí chung bởi modun CPU. Thông thường các modun mở rộng được gá liền với nhau trên 1 giá đỡ gọi là rack. Trên mỗi thanh rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modun mở rộng. FM (Function Modun): modun có chức năng điều khiển riêng. Ví dụ như modun điều khiển động cơ bước, modun điều khiển động cơ servo, modun PID, modun điều khiển vòng kín,... CP (Communication modun): modun phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. Cổng truyền thông: PLC S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC. Tốc độ truyền cho máy tính lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 đến 38400. Đất. 24 V DC. Truyền và nhận dữ liệu. Không sử dụng. Đất . 5V DC. 24V DC. Truyền và nhận dữ liệu. (120 mA tối thiểu) Không sử dụng. Sơ đồ chân của cổng truyền thông RS485 Để ghép nối S7-200 với máy tính lập trình thuộc họ PG7** có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua MPI. Cáp đó đi kèm theo máy lập trình. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS - 232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. PC/PPI S7-200 MPI card Computer S7-200 COM Computer Ghép nối máy tính với PLC để truyền thông CẤU TRÚC BỘ NHỚ Phân chia bộ nhớ Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất địch khi bị mất nguồn. Bộ nhớ của S7-200 có tính năng động cao, đọc và ghi trong toàn vùng, loại trừ phần các bit nhớ đặc biệt được kí hiệu bởi SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc. Chương trình Tham số Dữ liệu Vùng đối tượng Chương trình Tham số Dữ liệu Chương trình Tham số Dữ liệu Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volative đọc/ghi. Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khoá, địa chỉ trạm. Cũng giống như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volative đọc/ghi. Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông,...một phần của vùng nhớ này (1K byte với CPU214) thuộc kiểu non-volative đọc/ghi được. Vùng đối tượng: time, bộ đếm tốc độ và cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này thuộc kiểu non-volative nhưng không đọc/ghi được. Vùng chứa chương trình ứng dụng Được chia làm 3 miền: OB (Organication 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 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 DB_Data Block). Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng Được 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 thPLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. 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 cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q. M: miền các biến cờ. Chương trình sử dụng tham sồ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập 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. C: miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước PV, giá trị đếm tức thời CV và giá trị logic đầu ra của bộ đếm. PI: miền địa chỉ cổng vào của các modun tương tự (I/O External Input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của modun tương tự sẽ được đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từ (PIW) hay từ kép (PID). PQ: miền địa chỉ cổng ra cho các modun tương tự (I/O External Output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được modun tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo byte (PQB), từ (PQW) hay từ kép (PQD). Vùng dữ liệu Vùng dữ liệu là một miền nhớ động. Nó có thể truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hay theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ,... Vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau. Chúng được kí hiệu bằng các chữ cái đầu của tên tiếng Anh đặc trưng cho công dụng riêng của chúng: + V: Variable memory. + I: Input image register. + O: Output image register. + M: Internal memory bits. + SM: Special memory bits. Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bits, từng byte, từng từ đơn hay từ kép. Mô tả vùng dữ liệu của CPU 214 V0 . . . V4095 I0.x (x=0¸7) . . . I7.x (x=0¸7) M0.x (x=0¸7) . . . M31.x (x=0¸7) Q0.x (x=0¸7) . . . Q7.x (x=0¸7) SM0.x (x=0¸7) . . . SM29.x (x=0¸7) SM30.x (x=0¸7) . . . SM85.x (x=0¸7) Miền V (đọc/ghi) Vùng đệm cổng vào I (đọc/ghi) Vùng nhớ nội M (đọc/ghi) Vùng nhớ đặc biệt SM (chỉ đọc) Vùng đệm cổng ra Q (đọc/ghi) Vùng nhớ đặc biệt (đọc/ghi) 7 6 5 4 3 2 1 0 Địa chỉ truy nhập được quy ước với công thức: Truy nhập theo bit: Tên miền (+) địa chỉ byte (+) · (+) chỉ số bit. Chẳng hạn như : V150.4 chỉ bit số 4 của byte 150 thuộc miền V. Truy nhập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền. Ví dụ VB150 chỉ byte 150 thuộc miền V. VB150 (byte cao) VB151 (byte thấp) 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 VW150 Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ VW150 chỉ từ đơn gồm 2 byte 150 và 151 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte cao trong từ. Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền. Ví dụ VD150 chỉ từ kép gồm 4 byte 150, 151, 152 và 153 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte cao và byte 153 có vai trò là byte thấp trong từ kép. VB150 (byte cao) VB151 (byte thấp) Bit : 63 32 31 16 15 8 7 0 VD150 VB151 VB151 Tất cả các byte thuộc vùng dữ liệu đều có thể truy nhập được bằng con trỏ. Con trỏ được định nghĩa trong miền V hoặc các thanh ghi AC1, AC2, và AC3. Mỗi con trỏ chỉ địa chỉ gồm 4 byte (từ kép). Quy ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau: &địa chỉ byte (cao). Ví dụ: AC1 = &VB105, thanh ghi AC1 chứa địa chỉ của byte 150 thuộc miền V. VD100 = &VW150, từ kép VD100 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ đơn VW150. AC2 = &VD150, thanh ghi AC2 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ kép VD150. *con trỏ là toán hạng lấy nội dung của byte, từ hoặc từ kép mà con trỏ đang chỉ vào. Ví dụ như với phép gán địa chỉ con trỏ trên thì: *AC1, lấy nội dung của byte VB150. *VD100, lấy nội dung của byte VW150. *AC2, lấy nội dung của byte VD150. Phép gán địa chỉ và sử dụng con trỏ như trên cũng có tác dụng với những thanh ghi 16 bit của Timer. Vùng đối tượng Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi AC (Accumulator). Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó. Sự phân chia vùng nhớ đối tượng của CPU214 15 0 T0 . . . T127 C0 . . . C127 AQW0 . . . AQW30 AW0 . . . AW30 HSC0 HSC1 HSC2 Timer (đọc/ghi) Bộ đếm (đọc/ghi) Bộ đệm cổng ra tương tự (chỉ ghi) Thanh ghi Accumulator (đọc/ghi) Bộ đệm cổng vào tương tự (chỉ đọc) Bộ đếm tốc độ cao (đọc/ghi) AC0 (không có khả năng làm con trỏ) AC1 AC2 AC3 31 23 8 0 T0 . . . T127 C0 . . . C127 bit THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét chương trình được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan đến 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 một 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 một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh bên trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông,...trong vòng quét đó. Như vậy, giữa việc đọc dữ liệu để xử lí, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thồi gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực hiện của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực hiện của chương trình càng cao. 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 được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở trong giai đoạn truyền thông và 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 lí 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 lí ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển. Cáp lập trình Phần mềm Step7 Chuyển tải một chương trình Thiết bị lập trình CPU Môdul nguồn nuôi Môdul đầu vào Môdul đầu ra Máy được điều khiển THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC VỚI PHẦN MỀM STEP7 HOẠT ĐỘNG CỦA CPU VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Hoạt động của CPU Ngay sau khi được cung cấp nguồn, hoạt động của nó được khởi động lại theo chế độ khởi động cứng hoặc khởi động mềm tuỳ thuộc vào vị trí của bộ chọn chế độ ở CPU. Khi khởi động cứng, quá trình diễn ra tuần tự như sau: Reset cờ, bộ đếm, bộ thời gian, PII, PIO Kiểm tra các byte ra của các Modun vào/ra Khi khởi động mềm, chu kỳ của PLC được khôi phục lại tại điểm trước khi ngắt, đồng thời sẽ thực hiện các công việc sau: Reset PII, PIO Kiểm tra các byte vào/ra của các Modun vào/ra Trong PLC, bộ xử lý thực hiện chương trình theo chu kỳ, chương trình lưu giữ trong bộ nhớ của PLC được CPU thực hiện đọc từ đầu với chu kỳ : TChu kỳ = TLàm việc Giá trị của TChu kỳ phụ thuộc vào tốc độ xử lí của từng loại CPU và phụ thuộc vào độ lớn của chương trình thực hiện. Khi một chu kỳ bắt dầu, CPU đọc trạng thái của tất cả các tín hiệu trên đầu vào và lưu trữ chúng trong PII (Process Image Input). CPU sẽ đọc trạng thái tín hiệu từ PII ra và xử lí lần lượt các lệnh. Địa chỉ của từng ô nhớ lưu giữ lệnh được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ bên trong bộ xử lí. CPU tăng giá trị của bộ đếm này lên một đơn vị trước khi đọc lệnh tiếp theo, kết quả của việc xử lí các lệnh sẽ đưa ra các tín hiệu ra, trạng thái hiện tại của tín hiệu này được lưu trữ vào PIO (Process Image Output). Khi chu kỳ kết thúc các kết quả sẽ được chuyển từ PIO tới các đầu ra của PLC. Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ, trong khi đó bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ rồi sau đó lại bắt đầu từ đầu vào. Thời gian chu kỳ này được gọi là thời gian quét, nó phụ thuộc vào tầm vóc của bộ nhớ. Thông thường người ta đo thời gian quét của chương trình 1Kbyte và lấy giá trị đó làm chỉ tiêu so sánh giữa các PLC. Quá trình điều khiển Điều khiển vị trí. Để gia công được thì vị trí tương đối giữa dụng cụ và phôi phải được xác định chính xác, điều này được đảm bảo bởi quá trình điều khiển vị trí. Máy EDM (tại C8) có sơ đồ điều khiển vị trí như sau: PC CPU CSĐC Bàn máy V-B SM Như vậy việc định vị không cần đo đoạn dịch chuyển để làm tín hiệu phản hồi, nó là một hệ thống điều khiển hở. Ứng với một bước góc của động cơ tương ứng với một xung được cung cấp thì sẽ làm cho bàn máy dịch chuyển một bước cơ sở (BCS). Dựa vào đó mà giá trị khoảng cách cần dịch chuyển của bàn máy được nhập vào PC và chuyển đến CPU. Tại đây nó tính toán ra dạng số lượng xung, thông qua cụm công suất điều khiển (CSĐK) truyền đến SM. SM sẽ đổi giá trị cần của đoạn dịch chuyển ở dạng số (số lượng xung) sang một giá trị góc quay của Roto thông qua vít me bi - đai ốc làm dịch chuyển bàn máy. Như vậy, SM đã thực hiện chức năng của bộ biến đổi tương tự số (D/A). Tốc độ chạy dao tỉ lệ với tần số phát xung và được phát thông qua một máy phát tần số điều chỉnh được. Như vậy, ưu điểm chính của phương pháp này là bỏ được hệ thống đo đường dịch chuyển, nó cũng bỏ được bộ so sánh và các thiết bị điều chỉnh về điện. Do đó SM cần tới một thiết bị chuyên dùng để chia xung điện và để khuếch đại. Điều khiển gia công. Đây là một quá trình điều khiển để lấy đi một lượng kim loại trên phôi (có ý nghĩa tương tự chuyển động cắt). Sơ đồ khối của quá trình như sau: PC CPU CSĐC Điện cực/phôi V-B SM CS xung FBU FBI Các thông số gia công được nhập vào PC và chuyển tới CPU, ở đây tín hiệu được xử lí và đưa ra những chỉ tiêu quan trọng, trong đó có khe hở điện cực d nó cũng tương đương với điện áp phóng tia lửa điện Ue. Khi mở máy, tức là đặt vào 2 điện cực một điện áp. Nếu khoảng cách 2 điện cực hiện tại d1 d. Như đã phân tích ở trên, việc đo lường khe hở điện cực d được thực hiện gián tiếp thông qua điện áp phóng tia lửa điện Ue, giá trị Ue luôn được đo và phản hồi về CPU qua mạch phản hồi điện áp (FBU). Giá trị Ue tỉ lệ thuận với d. Như vậy, trong quá trình gia công điện cực phải được điều chỉnh. Hệ điều khiển biết được chính xác điện áp Ue nào ứng với chiều rộng khe hở là bao nhiêu, do vậy CPU so sánh Ue phản hồi về với giá trị danh nghĩa ban đầu để ra lệnh điều chỉnh: Nếu điện áp khe hở được đo tăng lên (do điện cực đã gia công hết một lớp) thì hệ điều khiển biết rằng khe hở d1 > d và nó cấp xung cho SM trục Z để điện cực dịch chuyển một đoạn: D = d1 - d Ngược lại, nếu điện áp khe hở được đo giảm xuống tức là khe hở đã quá hẹp thì hệ điều khiển cấp xung cho SM trục Z để nâng khe hở lên một lượng phù hợp. Như đã phân tích ở trên, dòng phóng tia lửa điện có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt và lượng hớt vật liệu. Do vậy, trong quá trình gia công dòng phóng tia lửa điện luôn được đo lường và phản hồi về CPU để nó xử lí và điều khiển đảm bảo yêu cầu gia công. Nếu khi mở máy điện cực tiếp xúc vào phôi thì hệ điều khiển sẽ phải cung cấp xung cho SM trục Z sao cho điện cực đi lên tách khỏi bề mặt phôi đảm bảo khoảng cách phóng tia lửa điện Nhập dữ liệu X ~ xo xung Phát xung cho SM Bộ đếm lùi: x (Ban đầu là xo) x = 0 Ngừng cấp xung Sai Đúng SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Giả sử muốn dịch chuyển bàn máy hay điện cực đi một lượng là X, sau khi nhập giá trị X thì bộ điều khiển sẽ chuyển đổi sang dạng xung (xo) và tiến hành cấp xung cho SM, đồng thời hệ điều khiển khởi động bộ đếm số lượng xung đã cấp cho SM. Có thể dưới dạng đếm tiến hay đếm lùi, giả sử ta sử dụng bộ đếm lùi: giá trị bộ đếm ban đầu là x = xo qua bộ so sánh đến khi giá trị bộ đếm x = 0 thì ngừng cấp xung cho SM. Ngược lại nếu x ¹ 0 thì hệ điều khiển phải phát tín hiệu tiếp tục cấp xung nho SM. Nhập dữ liệu H ~ xo xung Phát xung So sánh x < xo Dừng máy Sai SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN GIA CÔNG Bộ đếm tiến Bộ đếm lùi Bộ cộng: x So sánh Uph, Udn Ngừng cấp xung cho trục Z Cấp xung cho trục Z đi lên x2 Cấp xung cho trục Z đi xuống x1 Cấp xung cho trục Z đi lên ao x1 xung Uph > Udn Uph Đúng Uph Uph ao xung = const Uph = Udn Uph < Udn x2 xung Phân tích thuật toán: Sau khi đã gá lắp và điều chỉnh chính xác vị trí tương quan giữa điện cực và phôi. Giả sử gia công một hốc có chiều sâu là h, khi đó bộ điều khiển sẽ chuyển đổi h sang số lượng xung là xo và ra lệnh phát xung. Trong bộ điều khiển có bộ đếm tiến, lùi và bộ cộng, giá trị bộ cộng là số lượng xung x phản ánh chiều sâu mà điện cực đi xuống. Tín hiệu ra được so sánh với xo thông qua bộ so (1) Nếu x = xo : tức là đã gia công đủ chiều sâu, thì ra lệnh dừng máy. Nếu x < xo : chưa đạt được chiều sâu, như vậy phải tiếp tục gia công. Để xác định được trạng thái gia công thì tín hiệu tiếp tục phải được so sánh. Điện áp giữa điện cực và phôi luôn được phản hồi về Uph và được so sánh với điện áp khe hở điện cực Udn thông qua bộ so sánh (2): Nếu Uph > Udn : tức là khoảng cách thực tế giữa điện cực và phôi d1 lớn hơn khoảng cách phóng tia lửa điện d (d1 > d). Như vậy phải cấp xung cho trục Z đi xuống và lượng xung đã cấp x1 phải được phản hồi về bộ đếm tiến. Trong khi đó điện áp Uph vẫn được đưa về bộ so sánh (2). Nếu Uph < Udn : tức là điện cực đã đi xuống quá sâu khoảng cách thực tế giữa điện cực và phôi d1 nhỏ hơn khoảng cách phóng tia lửa điện d (d1 < d). Hiện tượng này dễ xảy ra ngắn mạch phải, khi đó hệ điều khiển phải cấp xung cho trục Z đi lên và lượng xung đã cấp x2 phải được phản hồi về bộ đếm lùi. Trong khi đó điện áp Uph vẫn được đưa về bộ so sánh (2). Nếu Uph = Udn : (xem xét lại phần nhấc điện cực để thoát phoi ) tức là khoảng cách thực tế giữa điện cực và phôi d1 bằng khoảng cách phóng tia lửa điện d (d1 = d). Quá trình phóng tia lửa điện xảy ra. Lúc này hệ điều khiển phải ra lệnh ngừng cấp xung dịch chuyển vị trí, quá trình gia công tiếp tục xảy ra. Giai đoạn này lại xuất hiện bộ so sánh mới (3) so sánh Uph và Udn để xác định thời điểm đã gia công xong một lớp. Khi gia công xong một lớp thì Uph > Udn, theo lý thuyết thì điện cực phải tiếp tục đi xuống để gia công nhưng thực tế thì hệ điều khiển lại ra lệnh cấp một lượng xung không đổi ao cho SM để đưa điện cực đi lên làm tăng khe hở điện cực. Lúc đó dưới tác dụng của dung dịch điện môi, phoi sẽ bị đẩy hết ra ngoài đảm bảo quá trình gia công vẫn được tiếp tục tránh được hiện tượng hồ quang hoặc ngắn mạch. Tất nhiên giá trị Uph vẫn được đưa về bộ so sánh (2) để so sánh. Mục lục