Tải bản đầy đủ (.pdf) (63 trang)

Đồ án tốt nghiệp bộ mụn điều khiển tự động

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (870.47 KB, 63 trang )

Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

CHƯƠNGI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỆ SIMATIC

Giới thiêụ tổng quan về hệ Simatic
Trước hết ta sẽ tìm hiểu SIMATIC là gì? SIMATIC _tự động hố được
tích hợp một cách tổng thể . SIMATIC là một giải pháp tự động hố tồn
diện được xây dựng và phát triển bởi hãng Simens. Một hệ thống trong đó
kết hợpp tất cả các thiết bị phần cứng và phần mềm nhằm đáp ứng các nhiệm
vụ, yêu cầu về tự động hoá khác nhau.
Trước đây SIMATIC thường được hiểu một cách đơn thuần là thiết bị
diều khiển khả trình. Hiện nay SIMATIC được coi như một giảI pháp bao
gồm các yếu tố như: các bộ điều khiển, hệ thống bus truyền thông, phần
mềm kỹ thuật, HMI, các thiết bị vào/ra phân tán,IPC…
Vậy SIMATIC là giải pháp tự động hoá tổng thể nhờ các yếu tố nào?
-Phần quản lí dữ liệu: Dữ liệu chỉ cần đưa vào một lần và trở thành thông
tin chung cho toàn nhà máy.Điều này cho phép hạn chế những lỗi truyền
thông và sự bất ổn định trước đây.
-Phần cài đặt cấu hình và lập trình: Tất cả các thiết bị và hệ thống của các
giải pháp tự động hoá được cài đặt lập trình, khởi động thử nghiệm và được
điều khiển nhờ sử dụng q trình tích hợp tồn tổng thể thống nhất và hệ
thống được theo module hoá. Tất cả sẽ hoạt động dưới 4 giao diện với người
vân hành và các cơng cụ kỹ thuật thích hợp.

I. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC
1. Tổng quan về PLC:
1.1. Xuất xứ:
PLC viết tắt của từ Progammable Logic Control, là thiết bị điều khiển
logic khả trình xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1969 tại một hãng ôtô củaMỹ.


Bắt đầu chỉ đơn giản là một bộ logic thuần t ứng dụng để điều khiển các q
trình cơng nghệ, chủ yếu là điều khiển ON/OFF giống như hệ thống rơle, công
tắc tơ thông thường mà không điều khiển chất lượng hệ.
Từ khi xuất hiện PLC đã được cải tiến với tốc độ rất nhanh .
- năm 1974 PLCđã sử dụng nhiều bộ vi xử lý như mạchđịnh thời gian, bộ
đếm dung lượng nhớ.
- Năm 1976 đã giới thiệu hệ thống đưa tín hiệu vào từ xa.
- Năm 1977 đã dùng đến vi xử lý.
- Năm 1980 PLC phát triển các khối vào ra thông minh nâng cao điều
khiển thuận lợi qua viễn thông, nâng cao phát triển phần mềm, lập trình dùng
máy tính cá nhân.
4
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

- Năm 1985 PLC đã được ghép nối thành mạng PLC.
Ngày nay PLCđã được cải tiến nhiều và đáp ứng tất cả các yêu cầu điều
của khiển như:
Điều khiến số lượng (ON/OFF).
Điều khiển chất luợng( thực hiện các mạch vòng phản hồi: U, I,ω, S).
Thực chất PLC là một máy tính cơng nghiệp mà quá trình điều khiển
được thể hiện bằng chương trình. PLC thay thế hồn tồn các phương pháp điều
khiển truyền thống dùng rơ le, cơng tắc tơ.
Chính vì vậy PLC được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, nó được xem
như là một giải pháp điều khiển lý tưởng các q trình sản xuất.
1.2. Vị trí, nhiệm vụ của bộ PLC trong hệ thống điều khiển:

Trong hệ thống điều khiển PLC là một khâu trung gian có nhiệm vụ xử lý
các thơng tin đầu vào rồi đưa tín hiệu ra tới các thiết bị chấp hành.
1.3. Ưu -nhược điểm của PLC.
Ngày nay hầu hết các máy công nghiệp được thay thế các hệ điều khiển
rơ le thông thường, sử dụng bán dẫn bằng các bộ điều khiển lập trình.
Ưu điểm:
Giảm bớt quá trình ghép nối dây vì thế giảm giá thành đầu tư .
Giảm diện tích lắp đặt, ít hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ q trình điều
khiển nhanh, khả năng chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dưỡng tốt hơn vì nó có
module chuẩn hố.
Nhược điểm:
Chưa thích hợp cho quá trình điều khiển nhỏ (một vài đầu ra) vì thế nếu
dùng giá thành rất cao.
Ngơn ngữ hệ đóng ( ngơn ngữ của các hãng riêng ) nên khó thay thế.
1.4. Cấu trúc PLC:
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết
tắt thành PLC, là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật
tốn 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 tốn và đặc biệt dễ
trao đổi thơng tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với
máy tính). Tồn bộ chương trình được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới
dạng các khối chương trình (khối OB, FC hay FB) và được thực hiện lặp theo
chu kỳ của vịng qt (scan).
5
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp


Bộ mụn điều khiển tự động

Hình 1.1: Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC
Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC
phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một
hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có
cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông
tin với mơi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài tốn điều
khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ
đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng.
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/ra khác nhau mà các
bộ điều khiển PLC được thiết kế khơng được cứng hố về cấu hình. Chúng
được chia nhỏ thành các module. Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ
theo từng bài tốn, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU.
Các module cịn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển,
các module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động
cơ....Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các module được gá trên
những thanh ray (Rack).

6
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Hình1.2: Câú hình một thanh rack của một PLC S7-300
1.5. Ngơn ngữ lập trình phần mềm

Phần mềm PLC có các loại ngơn ngữ khác nhau như:
+ Danh sách lệnh: STL.
+ Sơ đồ bậc thang: LAD DE R.
+ Sơ đồ khối chức năng: Block Function.
+ Ngôn ngữ bậc cao.
II.Các giải pháp thiết kế điều khiển trên cơ sở hệ SIMATIC
1. Cấu trúc điều khiển tập trung
MTĐK
I/O


Phòng điều khiển
trung tâm

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Hiện trường
S

A

Phân đoạn 1

S

A

Phân đoạn2

S


A

Phân đoạn n

7
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Hình 1.3: cấu trúc điều khiển tập trung
Khái niệm điều khiển tập trung là việc sử dụng 1 thiết bị điều khiển duy
nhất để điều khiển tồn bộ q trình kĩ thuật. Một hệ có cấu trúc tập trung là
một hệ thống mà các quá trình đo lường, điều khiển, cảnh báo, lưu trữ số liệu,
chuẩn đoán được thực hiện tại trung tâm điều khiển. Trung tâm điều khiển có
thể là các bộ điều khioển số trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các
thiết bị điều khiển khả trình, ta sẽ dùng thống nhất bằng thuật ngữ thiết bị điều
khiển.
Hệ thống điều khiển tập trung bao gồm các thiết bị điều khiển, các bộ thu
thập có chức năng thu nhận tín hiệu trường đưa lên máy tính trung tâm. Các q
trình thu nhận tín hiệu, xử lí thơng tin, giám sát quá trình điều khiển đều do
trung tâm quyết định. Thông thường thiết bị điều khiển trung tâm cách xa hiện
trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm điểm vào thiết bị điều khiển tập trung qua các cổng vào/ra của nó. Thiết bị điều
khiển tập trung ngồi việc thu nhận tín hiệu đo và đưa ra các quyết định điều
khiển còn đảm nhận rất nhiều các chức năng khác như chức năng nhận dạng,
chuẩn đốn q trình, lưu giữ số liệu…
Ưu –nhược điểm của cấu trúc tập trung

Ưu điểm
Thích ứng cho các ứng dụng tự động hố quy mơ vừa và nhỏ, điều khiển
máy móc và thiết bị khoong mang tính chất quá phức tạp .
Cấu trúc đơn giản,dễ thực hiện, điểm đáng chú ý là sự tập trung chức
năng xử lí thơng tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất, phát huy được điểm
mạnh của bộ điều khiển
Nhược điểm
Độ tin cậy thấp do sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất, có
thể dùng giải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng nhưng sẽ dẫn đến chi
phí cao.
Cơng việc nối dây phức tạp,giá thành cao.
Độ linh hoạt không cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn.
Phạm vi ứng dụng hạn hẹp.
2 . Cấu trúc điều khiển phân tán

8
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động
MTĐK

Phòng điều khiển trung tâm

Bus hệ thống

I/O


A

I/O

S

A

A

S

S

Quá trình kĩ thuật
Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán
Do cấu trúc tập trung có những hạn chế nên một dây truyền sản xuất
thường được chia thành nhiều phân đoạn khác nhau, sử dụng nhiều thiết bị điều
khiển, mỗi phân đoạn được điều khiển bằng 1 hoặc nhiều thiết bị cục bộ. Các
thiết bị cục bộ này được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân
đoạn, phân xưởng, ở vị trí khơng xa với q trình kĩ thuật, bên cạnh đó q trình
điều khiển tổng hợp cần sự phối hợp điều khiển giữa các máy tính điều khiển.
Các máy tính được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính
giám sát trung tâm qua bus hệ thống. Một hệ thống như vậy được gọi là hệ
thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay còn gọi là hệ điều khiển phân tán
(DCS). Hệ thống bao gồm các module phân tán có chức năng điều khiển phân
tán được liên kết với nhau theo một hệ thống mạng tuân theo các giao thức
truyền thơng cơng nghiệp. Các module này có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo
lường, sử dụng hệ thống bus trường với kĩ thuật truyền tin số để truyền số liệu
lên cấp điều khiển giám sát và ngược lại.

Các module này đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát
như gửi số liệu quá trình để lưu trữ số liệu ở trên, điều khiển trực tiếp đối tượng
khi cần, thực hiện các chức năng phân tán trên các cơng đoạn phân tán, các máy
tính điều khiển. Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển, ra nhiệm vụ
cho các phần điều khiển riêng biệt sau đó giám sát q trình đó hoặc trực tiếp
điều khiển 1 thiết bị hoặc 1 q trình nào đó .
Ưu điểm của cấu trúc điều khiển phân tán
9
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc điều khiển truyền thống, dễ dàng mở
rộng và phát triển hệ thống.
Hiện năng và độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân
tán chức năng xuống các cấp dưới.
Nâng cao tính năng thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn, tính ổn định bền
vững của hệ thống tốt hơn.
Sự phân tán chức năng xử lí thơng tin và phối hợp điều khiển có sự giám
sát từ các trạm vận hành trung tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp
tổng thể trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển
theo cơng thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất.
Do những ưu điểm trên mà điều khiển phân tán ngày càng phát triển và
được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực khác.
3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán
Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán bao gồm các thành phần
sau: trạm điều khiển cục bộ (Local Control Station, LCS), các khối điều khiển

cục bộ (Local Control Unit, LCU), hoặc các trạm quá trình (Prcess Station, PS).
Các trạm vận hành (Operator Station, OS). Trạm kĩ thuật (Engieering Station,
ES) và các công cụ phát triển. Hệ thống truyền thơng (Industrial Ethernet bus,
system bus). Ngồi ra cịn có thể thêm các thành phần khác như trạm vào/ra từ
xa (Remote I/O station, các bộ điều khiển chuyên dụng).
3.1. Trạm điều khiển cục bộ
Các trạm điều khiển cục bộ được xác định theo cấu trúc module gồm các
thành phần chính.
Bộ cung cấp nguồn, khối xử lí trung tâm thơng thường có dự phịng.
Giao diện với bus hệ thống (cần có dự phịng).
Giao diện với bus trường.
Các module vào/ra số và tương tự, các module vao/ra an toàn cháy nổ.
Một trạm điều khiển cục bộ thường được cài giao diện HART và các
module ghép với phụ kiện. Các thiết bị này được lắp trong tủ điều khiển cùng
với các linh kiện khác. Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều
khiển, phòng điện, ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần các
khu vực hiện trường.
Trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm các chức năng như: Điều khiển q
trình, điều khiển các mạng vịng kín bằng các thuật toán PID, điều khiển tầng,
các hệ thống hiện đại cịn cho phép điều khiển mờ, thích nghi, điều khiển dựa
mơ hình. Điều khiển trình tụ, điều khiển logic, điều khiển cơng thức, lưu giữ xử
lí các tín hiệu q trình, tạo các thơng báo …
10
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động


Đây là các thành phần quan trọng nhất trong hệ thống nên địi hỏi tính
năng kiểm tra và sửa lỗi cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phịng. Các
u cầu quan trọng nhất về mặt kĩ thuật cho một trạm điều khiển cục bộ là:
Tính năng thời gian thực.
Độ tin cậy và tính sẵn sàng.
Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp.
Khả năng điều khiển lai ( liên tục, trình tự và logic).
3.2. Trạm vận hành
Trạm vân hành cũng như trạm kĩ thuật được đặt tại phòng điều khiển
trung tâm, các trạm vận hành có thể hoạt động song song và độc lập với nhau.
Trạm OS thực hiện chức năng giao diện người máy HMI, bao gồm các máy tính
cá nhân (PC), bao gồm các hệ thống phụ nối với DCS (như máy in, Card mạng
…)
Trạm vận hành cho phép hiển thị các hình ảnh của hệ thống, hiển thị các
hình ảnh đồ hoạ như lưu đồ cơng nghệ, các phím điều khiển, hỗ trợ vận hành hệ
thống qua các công cụ thao tác điều khiển, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và
hoạt động trợ giúp, tạo quản lí các cơng thức điều khiển. Xử lí các sự kiện, sự
cố, xử lí, lưu trữ và quản lí dữ liệu, chuẩn đốn hệ thống, hỗ trợ người vận hành
và bảo trì hệ thống, hỗ trợ lập báo cáo tự động.
Đa số các trạm vận hành chạy trên nền Windows NT/2000 hoặc Unix.
Một trạm vân hành có thể bố trí theo kiểu một người sử dụng. Các phần mềm
trên trạm vận hành thường phải đi kèm đồng bộ với hệ thống, hỗ trợ chuẩn phần
mềm, chuẩn giao tiếp công nghiệp như: TCP/IP, DDE, OLE, ODBC, OPC.
3.3 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển
Trạm kỹ thuật cho phép đặt cấu hình hệ thống, cài đặt các công cụ phát
triển, tạo và theo dõi các cấu hình ứng dụng điều khiển và giao diện Người –
Máy, đặt cấu hình tham số hố các thiết bị trường, có thể sử dụng các khối chức
năng sẵn có trong thư viện để tạo các ứng dụng điều khiển theo phương pháp
khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng.
Một trạm kỹ thuật có các tính chất như: tính hợp sẵn các cơng cụ phát

triển trong hệ thống, cho phép sử dụng các ngôn ngữ lập trình như FBD, CFC,
SFC, cho phép giao diện với các hệ thống cấp trên, cần có các thư viện khối
hàm chuyên dụng giúp cho việc thiết kế và phát triển hệ thống
ES thực hiện được chức năng phân vùng quản lý hệ thống. Máy tính thực
hiện chức năng của ES có thể dùng chung với trạm vận hành. Thực chất khi cần
mở rộng hệ thống thì trạm ES chính là công cụ đắc lực để thực hiện.
3.4. Bus hệ thống
11
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trung tâm điều khiển cục bộ với
nhau và các trạm vận hành, trạm kĩ thuật, thường cần có cấu hình dự phịng.
Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn
dẫn tới yêu cầu tốc độ đường truyền phải tương đối cao, đòi hỏi cả về tính năng
thời gian thực nhưng khơng q nghiêm ngặt như bus trường, thời gian phản
ứng thường chỉ yêu cầu trong phạm vi 0,1s trở lên.
3.5. Bus trường và các trạm vào/ ra từ xa
Đối với cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ được bổ
xung thêm các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote
I/O station) và một số thiết bị trường thơng minh. Các u cầu chung là tính
năng thời gian thời gian thực, mức độ đơn giản, giá thành thấp.
Ngồi ra, trong mơi trường dễ cháy nổ cịn địi hỏi các yêu cầu kiểm tra
khác như về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học, cáp truyền …Một trạmvào/ra
từ xa có cấu trúc khơngkhác nhiều so với một trạm điề khiển cục bộ, chỉ khác ở
điểm khơng có khối xử lí trung tâm cho chức năng điều khiển. Thường các trạm

vào/ra từ xa được đặt gần với quá trình kỹ thuật, do vậy tiết kiệm cáp truyền và
đơn giản hoá cấu trúc của hệ thống.
4. Các cấu trúc phân tán
Tuỳ theo từng quan điểm mà có thể nhìn nhận khái niệm phân tán dưới
nhiều góc độ khác nhau, ở đây ta sẽ phân tích cấu trúc phân tán dưới theo 3 cấu
trúc:
Vào/ra phân tán
Bộ điều khiển phân tán
Cấu trúc lai
4.1. Vào/ra phân tán
Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm -điểm thể hiện một
nhựơc điểm cơ bản là cần số lượng các cáp nối lớn và phương pháp truyền dẫn
tín hiệu giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ bị ảnh hưởng của
nhiễu, dẫn đến sai số, khơng chính xác. Chính vì vậy sử dụng cấu trúc vào/ra
phân tán cùng với phương pháp bus trường khắc phục được những nhược điểm
đó. Cấu trúc vào/ra phân tán có nghĩa là các module vào/ra được đẩy xuống cấp
trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành vì vậy được gọi là vào/ra
phân tán hoặc vào/ra từ xa (remote I/O).
Ngồi ra cịn có thể sử dụng một cách ghép nối khác là dùng các cảm
biến, hoặc cơ cấu chấp hành thơng minh có khả năng nối mạng trực tiếp mà
không cần dùng qua các module vào/ra. Các thiết bị thơng minh này có khả
năng xử lí giao thức truyền thơng, đảm nhiệm một số chức năng xử lí tại chỗ
12
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động


như lọc nhiễu, chỉnh định hay tự đặt chế độ, điểm làm việc, thậm chí cịn có thể
thực hiện nhiệm vụ điều khiển đơn giản.
Cấu trúc vào/ra phân tán, cùng phương pháp sử dụng bus trường đem lại
những ưu điểm như: tiết kiệm dây dẫn, công lắp đặt nối dây cũng như giảm kích
thước hộp điều khiển, tránh sự cồng kềnh, phức tạp khi có q nhiều đầu vào/ra.
Cấu trúc này cịn có ưu điểm như khả năng ghép nối đơn giản cũng như tăng độ
linh hoạt mà hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao thức chuẩn. Tuy nhiên
vẫn có những mặt hạn chế như sự phụ thuộc vào thiết bị điều khiển duy nhất
dẫn đến độ tin cậy không cao, cũng như cấu trúc chưa đem lại độ linh hoạt cao,
khả năng mở rộng hệ thống hạn chế…
Trong cấu trúc điều khiển tập trung, hạn chế lớn nhất là sự phụ thuộc vào
một máy tính trung tâm để điều khiển. Trong khi đó một dây truyền sản xuất
thường bao gồm nhiều phân đoạn nằm ở những vị trí khác nhau. Với những ứng
dụng quy mô lớn, sự tập trung quá lớn truyền điều khiển vào một máy tính trung
tâm là rất khó nên sự phân chia điều khiển là cần thiết. Điều này tăng hiệu suất
của toàn thể hệ thống nhờ sự phân chia điều khiển cho những thiết bị điều khiển
khác, ta có thể thấy rõ độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống đựợc tăng lên rõ
rệt.
Các thiết bị điều khiển trung tâm được đặt ở nhiều nơi trong các phòng
điều khiển, phòng điện của các phân xưởng, các phân đoạn khác và ở vị trí
khơng xa với q trình kĩ thuật. Các thiết bị điều khiển phối hợp bởi các máy
tính điều khiển, giám sát trung tâm thông qua bus hệ thống, mạng Ethernet.
Sự phân tán chức năng điều khiển đem lại lợi ích cơ bản: hiện năng và độ
tin cậy tổng thể của hệ thống được tăng lên rõ rệt. Nhưng tất nhiên ở đây cấu
trúc này phù hợp với các ứng dụng quy mô lớn do giá thành của giải pháp, cịn
với những ứng dụng nhỏ khơng địi hỏi cao thì vẫn có thể dùng bộ điều khiển
tập trung.
Như vậy ta thấy cả hai cấu trúc chưa thực sự đem lại chức năng phân tán
một cách toàn diện, chưa đem lại tất cả các lợi thế và ưu điểm của một hệ thống
điều khiển phân tán. Để thể hiện rõ các ưu điểm như độ tin cậy, độ linh hoạt

cao, ta sử dụng cấu trúc lai: là cấu trúc kết hợp cả hai cấu trúc trên nghĩa là sử
dụng các bộ điều khiển phân tán kết hợp với cấu trúc vào/ra phân tán (sử dụng
bus hệ thống để kết nối các bộ điều khiển phân tán và các máy tính điều khiển
giám sát còn bus trường để kết nối với các module vào/ra phân tán hay các thiết
bị vào/ra phân tán).

III.Giới thiệu về bộ PLC S7-300:
PLC: Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thơng qua
13
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

một ngôn ngữ lập trình. PLC là 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 ( với PLC
khác hoặc với máy tính). Tồn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ
nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được
thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
Để thực hiện được chương trình thì PLC phải có tính năng như một máy
tính, nghĩa là phải có CPU, hệ điều hành, bộ nhớ, các cổng vào ra. Ngồi ra
PLC cịn phải có thêm các khối chức năng đặc biệt như Counter, Timer...và
những khối hàm chuyên dụng như bộ đệm vào /ra, bit cờ .
3.1. Các module của PLC S7 - 300:
Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó
phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như
chủng loại tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết

kế cũng khác nhau về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các Module. Số
các số Module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bài tốn, song tối thiểu
bao giờ cũng phải có một Module chính là Module CPU. Các Module cịn lại
là những Module nhận/truyền tín hiệu với số lượng điều khiển, các Module
chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung
là Module mở rộng. Tất cả các Module được gá trên những thanh ray (Rack).
1. Module nguồn-PS (Power Supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300.
Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A
*PS 307 2A dòng ra 2A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 5A dòng ra 5A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 10A dòng ra 10A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
2. Module CPU
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
thời gian, bộ đếm, cổng truyền thơng (RS 485)... và có thể cịn có một vài
14
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng

vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul
315...
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong
thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard
này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM
(Intergrated Function Module). Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM...
Ngồi ra cịn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thơng, trong đó
cổng truyền thơng thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân
tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện
dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU được
phân biệt với những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port)
trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP
2.1 Đặc điểm của các họ CPU S7-300
• Tốc độ xử lí:
Nhanh, chu kì vịng qt ngắn, tốc độ xử lý lệnh từ 0.1 μs − 0.2μs . tập lệnh
mạnh và hoàn chỉnh đáp ứng các nhiệm vụ phức tạp. Có thẻ nhớ (MMCflash Eprom) để mở rộng bộ nhớ hoặc backup dữ liệu.
• Truyền thơng:
S7-300 sử dụng các mạng truyền thơng sau INDUSTRIAL ERTHER
NET cho cấp giám sát, PROFIBUS cho cấp truờng, AS-i: cảm biến thiết bị
chấp hành, MPI nối giữa các CPU, PG/PC, TD/OP. Sử dụng các loại hình
mạng điểm-điểm hoặc bus truyền thơng qua giao diện tích hợp trên bus
trường sử dụng CPU hoặc qua IM (module giao diện, hoặc FM, CP)
• Giao diện MPI
MPI là giao diện thích hợp để nối giữa hệ thống PG/PC, HMI với hệ
thống SIMATIC S7/C7/WinAC có thể noối tối đa 125 điểm MPI với tốc
độ truyền 187.5Kbit/s. Thơng qua MPI có thể truyền dữ liệu giữa các bộ
điều khiển khác nhau, có nghĩa là 1 CPU có thể truy cập các đầu vào/ra

của bộ điều khiển khác. Ngoài các chức năng HM được tích hợp sẵn
trong hệ điều hành S7-300 và truyền dữ liệu đến các trạm vận hành mà
khơng cần lập trình giúp điều khiển vận hành và giao diện.
• Giao diện PROFIBUS-DP
S7-300 có thể nối vào hệ thống bus trường PROFIBUS có thể dễ dàng tạo
ra chương trình phân tán giúp truyền thông với các thiết bị trường. Các
15
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

module I/O phân tán được thiết lập bằng STEP7 tương tự như các I/O
module tập trung,do vậy S7-300 có thể được sử dụng làm master hoặc
slave.
• Tính năng chia sẻ
Có thể điều khiển vận hành, giám sát và lập trình thơng qua cả hai giao
diện (MPI, DP) ví dụ cho 1 thiết bị PG có thể lập trình, hoặc vận hành
nhiều CPU, hoặc nhiều PG có thể truy cập 1 CPU.
• Giao diện phụ
Ngồi giao diện MPI hay DP, S7 -300 cịn có thêm 1 số cổng serial (PtPpoint to point), nối các máy quét. Đây là giao diện RS422/485 cho phép
tốc độ truyền 38.4Kbit/s.
Một số CPU có cấu trúc các đầu vào /ra đặc biệt để đếm hoặc đo những
máy phát xung, hoặc có các chức năng tích hợp để điều khiển vị trí với
những đầu ra đặc biệt.
2.2.

Các họ CPU S7-300 và các Modul


Có nhiều loại CPU khác nhau để lựa chọn tuỳ theo các yêu cầu khác nhau
từ đơn giản đến phức tạp. Từ những CPU chỉ có chức năng cơ bản (thực hiện
lệnh, I/O nối trực tiếp qua MPI) đến các CPU có module I/O và giao diện truyền
thơng thích hợp.
Các CPU chỉ khác nhau về hiệu suất như bộ nhớ, số lượng module, số
đầu vào/ra có thể quản lí, khoảng địa chỉ và thời gian xử lí cũng như một số tính
năng thích hợp. Các CPU S7-300 có thể chia ra thành các loại như sau:
CPU 312, 313, 314, 315
CPU 312C, 313C.
CPU312IFM, 314IFM.
CPU35-2DP, 316-2DP, 318-2DP, 313C-2PtP, 314-2PtP, 313-2DP, 314C2DP.
2.2.1. Các họ CPU bình thường
CPU313
12K
128FC
128FB
127DB
Thời gian xử lí 0.6ms
1Klệnh
Bít nhớ
2048
Loại
Bộ nhớ chính
Số khối

CPU314
24K
128FC
128FB

127DB
0.3ms

CPU315
48K
192FC
192FB
255DB
0.3ms

2048

2048
16

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp
Bộ đếm
Bộ thời gian
Số module
Số CC/CE
Số đầu vào/ra
Số đầu vào/ra
tương tự
Giaodiện truyền
thông
Mạng làm việc


Bộ mụn điều khiển tự động
64
128
8
1/0
256
64/32

64
128
8
1/3
1024
256/128

MPI

MPI

64
128
8
1/3
1024
256 hoặc 128 O
tập trung
MPI

PROFIBUS
INDUSTRIAL

ETHRNET

PROFIBUS
INDUSTRIAL
ETHRNET

PROFIBUS
INDUSTRIAL
ETHRNET

2.2.2. Các họ CPU tích hợp module chức năng
Loại
CPU312C
Bộ nhớ 16K
chính
Số khối
66FC
64FB
62B
Thời gian 0.2ms
xửlí
1Klệnh
Bít nhớ
1024
Bộ đếm
128
Bộ thời 128
gian
Số
8

module
Số
1/0
CC/CE
Số
đầu 256
vào/ra
Số
đầu 64/32
vào/ra
tương tự

CPU313C
32K

CPU312-IFM CPU314-IFM
6K
32K

128FC
128FB
127DB
0.1ms

32FC
32FB
63DB
0.6ms

128FC

128FB
127DB
0.3ms

2048
256
256

1024
32
64

2048
64
128

31

8

31

1/3

1/0

1/3

1024


256

1024

256/128

640/32

256/128

17
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Hàm chức Hai bộ gỉai mã 3 bộ giải mã
1 Bộ đếm
1 Bộ đếm với
năng
2 kênh điều 3 kênh điều 1 kênh đo tần 4 đầu vào
chế xung
chế xung
số
1Kênh đo tần
Điều
khiển
số, điều khiển

PID
vị trí
Đầuvào/ra 10 đầu vào số 24DI/16DO
4AI/2AO
tích hợp 6 đầu ra số
sẵn

10 DI/6DO

Giaodiện MPI
truyền
thông
Mạng làm PROFIBUS
việc
INDUSTRIAL
ETHRNET

MPI

MPI

20DI/16DO
4AI/10 AO

PROFIBUS
PROFIBUS
PROFIBUS
INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL
ETHRNET
ETHRNET

ETHRNET

2.2.3. Các module tích hợp thêm giao diện khác
CPU 313C-2PtP và CPU314-PtP có thêm cổng serial (point to point) cho
phép nối thêm với một số thiết bị ngoại vi. CPU 313C-2DP và CPU 314C-2DP
là loại CPU vừa tích hợp các hàm chức năng,các đầu vào/ra và có thêm giao
diện PROFIBUS-DP.
CPU315-2DP,CPU316-2DP,CPU318-2DP: Có thêm một giao diện
PROFIBUS –DP ngồi giao diện MPI có sẵn. Ngồi ra riêng với 318-2DP có
thể dùng giao diện MPI như giao diện PROFIBUS-DP.
Loại
Bộ
nhớ
chính
Số
khối
Thời
gian
xử lí
1K

CPU312C CPU314C CPU313 CPU314 CPU315 CPU316 CPU318
-2PtP
-2PtP
-2DP
-2DP
-2D
-2DP
-2DP
32K

48K
32K
48K
66K
128K
512K
128FC
128FB
127DB
0.1ms

128FC
128FB
127DB
0.1ms

128FC
128FB
127DB
0.1ms

128FC
128FB
127DB
0.1ms

192FC
192FB
256DB
0.3ms


512FC
266FB
511DB
0.3ms

1024FC
1024FB
2047DB
0.1ms

18
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp
lệnh
Bít
nhớ
Bộ
đếm
Bộ
thời
gian
Số
modul
e
Số
CC/C
E

Số đầu
vào/ra
số

2048

2048

1024

2048

2048

2048

8192

256

256

256

256

64

64


512

256

256

256

256

128

128

512

31

31

31

31

32

32

32


1/3

1/3

1/3

1/3

1/3

1/3

1/3

1024

1024

1024

1024

256/128

256/128

Bốn bộ
giải mã
Bốn kênh
điều chế

xung
Bốn kênh
đo tần
Điều
khiển vị
trí PID

Ba
bộ
gảI mã
3 kênh
điều chế
xung
3 kênh
đo tần
Điều
khiển
PID

16
DI/16DO

24DI/16D
O
4AI/2AO

16
DI/16D
O


24DI/16
DO
4AI/10
AO

Khơng

Khơng

MPI
RS485/42

MPI
RS485/42

MPI
PROFIB

MPI
PROFIB

MPI
PROFIB

MPI
32
PROFIB (MPI)
19

Số đầu 256/128

vào/ra
tương
tự
Hàm
Ba bộ gảI
chức

năng
Ba kênh
điều chế
xung
Ba kênh
đo tần
Điều
khiển PID
Đầu
vào/ra
tích
hợp
sẵn
Giao
diện

Bộ mụn điều khiển tự động

8192(10 16384(1 65536
24
tập 024 tập (1024
trung)
trung)

tập
trung)
256/128 512
1024
4096
256/128
tập trung 256/128 256/128
tập trung tập trung
4 bộ giả Không
Không
Không

4kênh
điều chế
xung
4 kênh
đo tần
Điều
khiển
PID

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà

Khơng


Đồ án tốt nghiệp
truyền
thông


2

Bộ mụn điều khiển tự động
2

US-DP
số slave/
trạm 32

US-DP
US-DP
số slave/ sốslave/
trạm 32
trạm 64

US-DP

125
(DP)

3. Module tín hiệu – SM
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
-DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
-DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul
-DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra
số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng
loại modul.
-AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất

chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu
tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (ngun) có độ dài 12 bit. Số các
cổng vào tương tự có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul.
-AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự
có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại modul.
-AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra
tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ
từng loại modul.
4. Module chức năng - FM (Function modul): Modul có chức năng điều
khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơ bước, modul điều khiển
động cơ servo, modul PID, modul điều khiển vịng kín.
5. Module ghép nối - IM (interface modul): modul ghép nối. đây là loại
modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với
nhau thành một khối và được quản ly chung bởi modul CPU. Thông thường
các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên
mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể
modul CPU, modul nguồn ni. Một modul 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 modul IM.
6. Module truyền thông – CP ( Communication modul): Phục vụ truyền
thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
3.2. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ:
3.2.1. Kiểu dữ liệu:
Một chương trình ứng dụng S7 – 300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau:
20
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp


Bộ mụn điều khiển tự động

- BOOL: Với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai ). Đây là
kiểu dữ liệu cho biến hai trị.
- BYTE: Gồm 8 bits, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dương
trong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của một ký tự.
- WORD: Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535.
- INT: Cũng có dung lượng là 2 bytes, dùng để biểu diễn số nguyên trong
khoảng – 32768 đến 32767.
- DINT: gồm 4 bytes, dùng để biểu diễn một số nguyên từ – 2147483648 đến
2147483647.
- REAL: gồm 4 byte dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động.
- S5T (hay S5TIME): khoảng thời gian, được tính theo
giờ/phút/giây/mini giây.
- TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.
- DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.
- CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự)
3.2.2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU:
Bộ nhớ của S7–300 được chia làm 3 vùng chính:
* Vùng chứa chương trình ứng dụng
Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:
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 khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data
Block).
* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng

+ 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 tại vùng nhớ I, thơng thường chương trình ứng dụng
khơng 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 nhớ 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. Thơng thường chương trình khơng trực tiếp gán giá trị
tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ nhớ đệm Q.
+ M ( Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này
để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M) byte(MB), từ
(MW) hay từ kép (MD).
21
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

+ T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer ) bao gồm việc lưu trữ 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 - 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 các module tương tự (I/O: external input
).Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và
chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy cập
miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng kép (PID).
+ PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O - external

output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới
các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo
từng byte (PQB), từng từ kép (PQD).
3. 2.2.1. Vùng chứa các khối dữ liệu: 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 qui định và phù hợp với từng
bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX),
byte (DBB), từ (DBW), từ kép (DBD).
* L ( Local data block ): Đây là miền dữ liệu địa phương được các khối
chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao
đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung
của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương
ứng trong OB, FC. FB.
Miền nhớ này có thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB), từ
(LW) hoặc từ kép (LD).
3.2.2.2. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng:
Trong trạm PLC ln có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở
rộng thông qua bus nội bộ. Ngay tại vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các
module số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input
table - I). Cuối mỗi vòng quét nội dung của bộ đệm ra số (process image input
table - Q) lại được CPU chuyển tới cổng ra của các module ra số (DO). Việc
thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng
(user program). Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều
lệnh đọc giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này có
thể đã bị thay đổi trong q trình thực hiện vịng qt, chương trình sẽ vẫn luôn
đọc được cùng một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại
thời điểm đầu vòng quét. Cũng như vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần
thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi giá trị cho một cổng ra
22
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà



Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

số thì do nó chỉ thay đổi nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị ở
lần thay đổi cuối cùng mới thực sự được đưa tới cổng ra vật lý của module DO.
Khác hẳn với việc đọc/ ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ ra tương tự
lại được CPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi
lệnh đọc giá trị từ địa chỉ thuộc vùng PI sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị
thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh. Tương tự khi thực hiện lệnh gửi
một giá trị (số nguyên 16 bits) tới địa chỉ của vùng PQ (Periphenal Output), giá
trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra tương tự của module. Do sự phân chia địa
chỉ và đặc thù về tổ chức bộ nhớ của
S7-300 chỉ có các module vào/ ra số mới có bộ đệm cịn các module vào/ ra
tương tự thì khơng, chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy nhập (địa chỉ PI và
PQ). Tuy nhiên PI và PQ được cung cấp nhiều hơn AI/AO nên tạo khả năng kết
nối các cổng vào / ra số với những địa chỉ dơi ra trong PI/PQ giúp chương trình
ứng dụng có thể truy nhập trực tiếp các module DI/DO mở rộng để có giá trị tức
thời tại cổng mà khơng cần thơng qua bộ đệm I, Q.
3.3. Vịng qt chương trình:
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vịng 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 vịng qt 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 đếm ảo Q tới các cổng ra số, vòng quét
được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm sốt lỗi.


Truyền thơng và
kiểm tra nội bộ

Chuyển dữ liệu từ
cổng vào tới I
Vịng qt
Thực hiện
chương trình

Chuyển dữ liệu
từ Q tới cổng ra
Hình 1.5. Vịng qt chương trình.

23
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh
truy cập 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 vịng qt khơng cố định tức là khơng phải
vịng qt nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian như nhau. Có vịng qt
thực hiện lâu có vịng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương
trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thơng trong vịng qt đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính tốn và việc

gửi tín hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng
thời gian vòng quét. Nói cách khác thời gian vịng qt quyết định tính thời gian
thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vịng qt càng ngắn thì
tính thời gian thực của chương trình càng cao.
Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt như khối
OB40, OB80 thì chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vịng
qt khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này
có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vịng qt chứ khơng bị gị ép là phải
trong giai đoạn thực hiện chương trình. Ví dụ như một tín hiệu báo ngắt xuất
hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ PLC sẽ tạm
dừng công việc truyền thông và kiểm tra để thực hiện khối chương trình tương
ứng với tín hiệu báo ngắt. Với hình thức xử lý tín hiệu báo ngắt như vậy thì thời
gian vịng qt lớn khi trong vịng qt có nhiều tín hiệu ngắt. Do đó để nâng
cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển thì tuyệt đối khơng viết
chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt
trong chương trình điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ ra 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 ngoại vi trong các giai đoạn 1 và
3 do hệ thống điều hành CPU quản lý. ở một số module CPU khi gặp lệnh vào/
ra, ngay lập tức hệ thống cho dừng mọi công việc khác ngay cả chương trình xử
lý ngắt để thực hiện trực tiếp với cổng vào/ ra.

ChươngII: Ngôn ngữ lập trình S7 300
I.Giới thiệu chung về ngơn ngữ lập trình S7-300
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngơn ngữ lập trình nhằm phục
vụ các đối tượng sử dụng khác nhau. PLC S7 - 300 có ba ngơn ngữ lập trình cơ
bản. Đó là:
24
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà



Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

- Ngôn ngữ "liệt kê lệnh", ký hiệu là STL (Statement list): Đây là dạng
ngơn ngữ lập trình thơng thường của máy tính. Một chương trình được phép bởi
nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều
có cấu trúc chung "tên lệnh" + "tốn dạng".
- Ngơn ngữ "hình thang", ký hiệu là LAD (Ladder logic): Đây là dạng
ngơn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển
logic.
- Ngơn ngữ "hình khối", ký hiệu là FBD (Function block diagram): Đây
cũng là kiểu ngơn ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều
khiển số.

Hình 2.: Ba kiểu ngơn ngữ lập trình cho S7-300
Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng
STL, nhưng ngược lại thì khơng. Trong STL có nhiều lệnh khơng có trong LAD
hay FBD (hình 3.5). Cũng chính vì lý do đó, STL được chọn làm ngơn ngữ lập
trình minh họa trong đồ án này
1. Ngơn ngữ lập trình STL
+ Bit logic thường làm việc với RLO
Tên vùng + địa chỉ byte + số thứ tự bit
+ Word logic làm việc với thanh ghi ACCU
Địa chỉ của toán hạng trong Word logic
Tên vùng + kích thước ơ nhớ + địa chỉ byte
I
B, W, D

địa chỉ byte đầu tiên
Q
B byte W=2B
M
D(double word)=4B
25
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp

Bộ mụn điều khiển tự động

STL

FBD
LAD

Hình 2.2: STL là ngôn ngữ mạnh nhất trong ba loại ngôn ngữ

lập trình cho S7-300.
2. Hệ lệnh lập trình
2.1 Các lệnh cơ bản
2.2.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm
Nội dung của một toán hạng: I0.0
Giá trị logic của một toán hạng/ biểu thức: M0.0
Lệnh
Cú pháp
AND


A

(I0.0)

AN

AN

(I0.0)

O

O

(I0.0)

ON

O

(I0.0)

Gán
Lệnh thực
hiện phép
tính ^ với
giá trị của
một biểu
thức
Lệnh thực

hiện phép
tính ^ với
giá
trị
nghịch
đảo của
một biểu

=
A(

(I0.0)

AN(

FC=0 ⇒
FC= 1 ⇒
FC= 0 ⇒
FC= 1 ⇒
FC= 0 ⇒
FC= 1 ⇒
FC= 0 ⇒
FC= 1 ⇒

Chức năng

RLO= I0.0
RLO= (RLO) ∩ (I0.0)
RLO= ( I 0 . 0 )
RLO= (RLO) ∩ ( I 0 . 0 )

RLO= I0.0
RLO= (RLO) ∩ (I0.0)
RLO= M0.0
RLO= (RLO) ∪ (I0.0)

FC=0 ⇒ RLO= M0.0
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) ∩ (M0.0)

FC=0 ⇒ RLO= M0.0
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) ∩ (M 0.0)

26
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp
thức
Lệnh thực
hiện phép
tính V với
giá
trị
một biểu
thức
Lệnh thực
hiện phép
tính V với
giá
trị
nghịch

đảo của
một biểu
thức
Thực hiện
phép tính
exclusive
or

Thực hiện
phép tính
exclusive
or not

Bộ mụn điều khiển tự động

O(

FC=0 ⇒ RLO= M0.0
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) ∪ (M0.0)

ON(

FC=0 ⇒ RLO= (M 0.0)
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) ∪ (M 0.0)

X

(I0.0)

FC=0 ⇒ RLO= M0.0

FC= 1 ⇒ Nếu nội dung của RLO khác của
M0.0 thì RLO= 1
Nếu nội dung của RLO khơng khác
của M0.0 thì RLO= 0

XN

(I0.0)

FC=0 ⇒ RLO= (M 0.0)
FC= 1 ⇒ Nếu nội dung của RLO khác của
M0.0 thì RLO= 0
Nếu nội dung của RLO giống của
M0.0 thì RLO= 1

Thực hiện X(
phép tính
exclusive
or với giá
trị
của
một biểu
thức
Thực hiện XN(
phép tính
exclusive
or với giá

FC=0 ⇒ RLO= M0.0
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) ∪ (M 0.0)


FC=0 ⇒ RLO= (M 0.0)
FC= 1 ⇒ RLO= (RLO) khi M0.0= 0
27

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà


Đồ án tốt nghiệp
trị nhịch
đảo của
một biểu
thức
Lệnh ghi
giá
trị
logic1
vào RLO
Lệnh ghi
giá
trị
logic
0
vào RLO
Lệnh gán
có điều
kiện giá
trị logic 1
vào nhớ
Lệnh gán

có điều
kiện giá
trị logic 0
vào ô nhớ
Lệnh phát
hiện sườn
lên

Bộ mụn điều khiển tự động

SET

NOT

S

(I0.0)

Nếu RLO= 1 lệnh sẽ ghi giá trị 1 vào ơ nhớ
có địa chỉ cho trong tốn hạng

R

(I0.0)

Nếu RLO= 1 lệnh sẽ ghi giá trị 0 vào ơ nhớ
có địa chỉ cho trong toán hạng

FP


(I0.0)

Lệnh phát FN
hiện sườn
xuống

(I0.0)

Dùng để ghi nhận lại giá trị của RLO tại 1
vị trí trong vịng qt trước. RLO ln có
giá trị 1 trong 1 vịng qt khi có sườn lên
trong RLO
Dùng để ghi nhận lại giá trị của RLO tại 1vị
trí trong vịng qt trước. RLO ln có giá
trị 1 trong 1 vịng qt khi có sườn xuống
trong RLO

2.1.2.Lệnh so sánh
Thuộc nhóm lệnh khơng tốn hạng là các lệnh thực hiện khơng điều kiện,
lệnh so sánh được thực hiện trong hai thanh ghi ACCU1 và ACCU2 kết quả của
phép so sánh được ghi trong bit RLO của từ trạng thái STW.

Nhóm lệnh so sánh
ACCU1

= = ;< ; <=; > ; >= ; < >

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà

ACCU2


28


×