Bài giảng Điều khiển lập trình PLC chương 4: Kỹ thuật lập trình

ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH Chủ đề: ƒ Biến và vùng nhớ ƒ Tổ chức quá trình ƒ Các kỹ thuật lập trình Mục đích: ƒ Sử dụng và định nghĩa các khối dữ liệu ƒ Khai báo và truy cập các hàm chức năng ƒ Mối quan hệ giữa các loại khối hàm và hiệu quả của việc sử dụng chúng trong thiết kế chương trình. 105 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình 4.1. KHÁI QUÁT Thiết bị điều khiển lập trình đóng một vai trò rất quan trọng trong điều khiển, giám sát và quản lý các hoạt động của các thiết bị, máy và công nghệ sản xuất về cả phương diện kinh tế, sử dụng và kỹ thuật. Đối với các hệ thống điều khiển mà sử dụng thiết bị này làm trung tâm điều khiển thì ngoài công việc kết nối, đảm bảo về tính đồng bộ, giữa thiết bị ngoại vi và điều khiển là rất đơn giản, yếu tố cần phải quan tâm đến là chương trình điều khiển mà người sử dụng viết cho thiết bị điều khiển. Khi đề cập đến những hệ thống có mức độ hoạt động phức tạp, nhiều đầu vào – ra, sự lặp lại các địa chỉ của các I/O nhiều lần thường xuyên trong quá trình quét đòi hỏi việc thiết kế và viết các chương trình phải có kỹ thuật hẳn hoi. Như vậy việc cấu trúc chương trình làm phân tán quá trình hoạt động của chương trình thành nhiều vùng chức năng tương ứng với các khối, hàm để quản lý và truy xuất chúng khi tác nhiệm làm cho chương trình tối ưu, hạn chế tối đa những lỗi, không gây nhầm lẫn, dễ dàng kiểm tra và sửa lỗi hay là cải tiến. Cấu trúc được mô tả hình 4.1. SFCFB FB FC FC FB H ệ đi ều h àn h OB Hình 4.1 – Cấu trúc gọi các khối chương trình 4.2. TỔ CHỨC BỘ NHỚ CPU Vùng nhớ của CPU được tổ chức như hình 4.2. ACCU 1 ACCU 1 Accumulators Address Registers ACCU 1 ACCU 1 Data Block Registers ACCU 1 ACCU 1 Status word ACCU 1 • Chương trình người sử dụng (RAM) • Chương trình người sử dụng (EEPROM) • Logic Block • Data Block • Local Block Bộ đệm ra số Q Bộ đệm vào số I Vùng nhớ cờ M Timer T Counter C Load memory Word memory System word Hình 4.2- Tổ chức bộ nhớ Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử dụng viết gồm các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình có sẵn trong thư viện hệ 106 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình thống SFC, SFB và các khối dữ liệu DB. Vùng nhớ này được tạo bởi một phần của bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM. Work memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FB, FC, SFC, 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 điều hành và các khối chương trình khác. Tại một thời điểm nhất định vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình để thực thi. Sau khi khối chương trình này được thi hành xong thì hệ điều hành sẽ xóa nó khỏi Work memory và nạp vào nó khối chương trình cần thực hiện tiếp theo. System memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ ra (I/ Q), các vùng biến cờ M, các thanh ghi C-word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-word, PV, C-bit của Counter. Việc truy cập, sửa đổi dữ liệu những ô nhớ của các vùng nhớ này được phân chia bởi hệ điều hành của CPU hoặc do bởi chương trình ứng dụng của người sử dụng. 4.3. TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Công việc này giúp thực hiện các công đoạn tạo dựng một chương trình đơn giản hơn. Hình 4.3 mô tả những công đoạn nền tảng để tổ chức các yêu cầu điều khiển quá trình. 4.3.1. Chia quá trình thành nhiều nhiệm vụ Một quá trình tự động hóa gồm nhiều nhiệm vụ riêng biệt. Bằng việc nhận định các nhiệm vụ có quan hệ trong quá trình và rồi phân chia thành những nhiệm vụ nhỏ hơn, thậm chí ngay cả quá trình phức tạp có thể được xác định bởi những vùng nhiệm vụ đơn giản. Ví dụ sau sử dụng hệ thống trộn để mô tả cách tổ chức quá trình thành những cụm chức năng và các nhiệm vụ riêng biệt. Hình 4.4. Chia quá trình thành nhiều nhiệm vụ riêng lẽ Mô tả cấu hình của máy Thiết kế và mô tả các yêu cầu an toàn Mô tả mỗi nhiệm vụ Định nghĩa và mô tả trạm vận hành Hình 4.4 – Phân chia quá trình Hình 4.3 – Các nhiệm vụ tổ chức quá trình 107 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình Với đặc tính cấu trúc của quá trình được điều khiển ta có thể phân chia quá trình này thành nhiều nhóm có mối quan hệ với nhau. Cơ bản thành 3 nhóm như mô tả ở hình 4.5. 4.3.2. Mô tả mỗi nhiệm vụ Khi mô tả mỗi khu vực hay nhiệm vụ, chúng ta không chỉ định nghĩa hoạt động của chúng mà còn các thành phần biến đổi điều khiển. Ví dụ quá trình trộn công nghiệp sử dụng các bơm, động cơ, van, chúng được mô ta đầy đủ để xác định các đặc tính hoạt động và các quan hệ khắn khít được đòi hỏi trong suốt thời gian hoạt động. Bảng 3-1 đến 3-4 cung cấp những mô tả điển hình của thiết bị sử dụng trong quá trình trộn. Hình 4.5 – Định nghĩa các nhóm trong quá trình Bảng 3-1 . Mô tả động cơ bơm cung cấp thành phần A Động cơ bơm cung cấp cấp thành phần A 1. Bơm cung cấp thành phần A tới thùng trộn - Lưu lượng 75 gallons /min - Công suất 80 HP, n = 1000 RPM 2. Bơm được điều khiển (start/stop) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn. 3. Bơm cung cấp có những điều kiện ràng buộc: - Intake van thành phần A mở - Feed van thành phần A mở - Thùng trộn là không đầy - Drain van của thùng trộn đóng - Động cơ bơm không lỗi ( tiếp điểm phụ trợ không được nhấc lên) - Nút dừng khẩn cấp không làm việc 108 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình Bảng 3-2 . Mô tả động cơ trộn Động cơ trộn 1. Động cơ trộn thành phần A và B trong thùng trộn - Công suất 80 HP, n = 1000 RPM 2. Động cơ trộn được điều khiển (start/stop) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn. 3. Động cơ trộn có những điều kiện ràng buộc: - Thùng trộn là không trống - Drain van của thùng trộn đóng - Động cơ trộn không lỗi ( tiếp điểm phụ trợ không được nhấc lên) - Nút dừng khẩn cấp không làm việc Bảng 3-3 . Mô tả van xả Van xả 1. Van xả có nhiệm vụ xả thành phần đã trộn. Van có 1 cuộn dây và trả về bằng lò xo. - Nếu cuộn dây được kích, van xả mở. - Nếu cuộn dây không được kích, van xả đóng. 2. Động cơ trộn được điều khiển (open/close) từ trạm vận hành được đặt gần thùng trộn. 3. Mở van xả có ràng buộc: - Động cơ trộn không hoạt động - Nút dừng khẩn cấp không làm việc Bảng 3-4 . Mô tả giới hạn mức thùng trộn Các giới hạn thùng trộn 1. Các giới hạn mức thông báo trạng thái mức thùng và cung cấp những ràng buộc trong quá trình. Mô tả các đầu vào/ra và quan hệ vào – ra Sau khi viết các mô tả vật lý của mỗi thiết bị được điều khiển, tạo sơ đồ logic của các đầu vào / ra cho mỗi thiết bị hoặc vùng nhiệm vụ. Hình 4.6 là sơ đồ thích nghi với các khối logic được lập trình. Ví dụ : Tạo sơ đồ I/O cho bơm của quá trình trộn. Mỗi bơm yêu cầu 4 loại đầu vào: công tắc khởi động, công tắc ngừng, điều kiện ràng buộc cho phép bơm khởi động và đầu vào phản hồi mỗi khi lỗi được phát hiện. Đồng thời cũng có 2 đầu ra cho khối điều khiển này: một là bật 109 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình động cơ chạy, và một thông báo cho CPU là bơm không làm việc. Hình 4.7 mô tả sơ đồ I/O của bơm cung cấp thành phần A. Tạo sơ đồ I/O cho động cơ trộn Cũng giống như bơm, động cơ cũng có 4 loại đầu vào: công tắc khởi động, công tắc ngừng, điều kiện ràng buộc cho phép bơm khởi động và đầu vào phản hồi mỗi khi lỗi được phát hiện. Đồng thời cũng có 2 đầu ra cho khối điều khiển này: một là bật động cơ chạy, và một thông báo cho CPU là bơm không làm việc. Hình 4.8 mô tả sơ đồ I/O của động cơ trộn. Hình 4.6 - Sơ đồ I/O Khởi động Dừng Phản hồi Bơm cung cấp thành phần A Ràng buộc Lỗi Chạy Tạo sơ đồ I/O cho van xả Khối điều khiển cho van xả có cuộn dây kích chì có 3 đầu vào: công tắc mở, công tắc đóng và ràng buộc. Có một đầu ra là cuộn dây tác động, hình 4.9. Hình 4.7 - Sơ đồ I/O của bơm cung cấp thành phần A 4.3.3. Mô tả những yêu cầu an toàn Khởi động Dừng Phản hồi Động cơ trộn Ràng buộc Lỗi Chạy Các thiết bị hệ thống cần phải có tính an toàn để đảm bảo điều kiện hợp pháp và tính pháp lý, do đó trong mô tả quá trình thường xuyên phải bao gồm các thành phần an toàn. Hình 4.8 - Sơ đồ I/O của động cơ trộn Ví dụ: Quá trình trộn sử dụng điều kiện sau cho mạch an toàn: ƒ Một nút nhấn Stop chuyển dừng những thiết bị sau không lệ thuộc vào PLC. Mở Đóng Chạy Ràng buộc Van xả- Bơm cung cấp thành phần A - Bơm cung cấp thành phần B - Động cơ trộn - Cuộn dây của van xả. Hình 4.9 - Sơ đồ I/O của van xả 110 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình ƒ Nút dừng khẩn cấp đặt ngay ở trạm vận hành. ƒ Đầu vào điều khiển tương ứng với nút dừng khẩn cấp. 4.3.4. Mô tả trạm vận hành Mỗi quá trình cần có một giao tiếp vận hành cho phép sự can thiệp của con người vào quá trình. Hình 4.10 mô tả một trạm vận hành bao gồm các chỉ định, tác động… 4.3.5. Tạo cấu hình thiết bị điều khiển Sau khi các yêu cầu thiết kế đã được thành lập, xác định loại thiết bị điều khiển cần thiết cho dự án. Tức là xác định các mođun I/O và số đầu I/O. Hình 4.11 mô tả xác định cấu hình của một quá trình. Tạo cơ sở dữ liệu của các tín hiệu I/O Ta có thể tạo cơ sở dữ liệu bằng cách khai báo trong bảng các kí hiệu điển hình (Symbol table). Hình 4.10 – Mô tả trạm vận hành Xem file S7-300 4.3.6. Lựa chọn kỹ thuật lập trình Do nhu cầu của dự án, múc độ phức tạp mà ta có thể sử dụng các kỹ thuật lập trình sau: ƒ Lập trình tuyến tính ƒ Lập trình phân cấp ƒ Lập trình cấu trúc. 4.4. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TUYẾN TÍNH Hình 4.11 – Tạo cấu hình của một quá trình Lập trình tuyến tính là chương trình ứng dụng được tập trung trong một khối tổ chức chương trình (OB1) chứa chuỗi lệnh liên tiếp theo tuần 111 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình tự mà có khả năng thực hiện trực tiếp theo vòng quét. Loại này thì gọn nhẹ nhưng chỉ đối với bài toán đơn giản. 4.4.1. Local Block của khối OB1 Khi thực hiện khối OB1, hệ điều hành luôn cấp một local block có kích thước mặc định là 20 byte trong work memory để OB1 có thể lấy được những dữ liệu từ hệ điều hành. Mặc dù mặc định là 20 byte nhưng người sử dụng có thể khai báo thêm các biến nhớ cho chương trình tùy theo khả năng sử dụng của chương trình. Chú ý do khối local block chỉ tồn tại trong một vòng quét và sau đó được cấp lại mới trong lần quét tiếp theo, do đó nên chỉ sử dụng local block cho việc lưu trữ biến nháp tạm thời. OB1 4.4.2. Điều khiển quá trình trộn Quá trình được mô tả ở sơ đồ hình 4.4 và hoạt động theo các bảng 3-1 tới 3-4. 112 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình 113 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình 114 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình 115 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình 4.5. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH PHÂN BỐ Chương trình được phân bố thành các khối, mỗi khối chứa các lệnh logic để thực hiện các nhiệm vụ của các thiết bị. Những lệnh định nghĩa ở khối tổ chức OB1 sẽ hi hành các khối phân bố của chương trình điều khiển. Ví dụ chương trình phân bố chứa các khối lệnh để điều khiển mỗi chế độ vận hành của hệ thống sản xuất. Trong lập trình phân bố, các lệnh điều khiển các thành phần điển hình được tháo ra khỏi khối OB1 và đặt chúng trong các khối khác (FC, FB). 4.5.1. Lệnh gọi khối chương trình Một chương trình có thể cấu trúc thành nhiều thành phần (sub-rountines) được lưu trữ dưới các khối khác nhau. Một đoạn chương trình được lưu trữ trong một khối có thể truy cập đến các đoạn khác mà được lưu trữ trong khối khác bằng các lệnh gọi hàm. Chương trình thực thi Kết thúc khối Khối được gọi (FB, FC, SFC, SFB ) Khối gọi ( OB, FB, FC, SFC, SFB ) Chương trình thực thi Câu lệnh gọi khối khác FC8 FC2 FC6 FC4 OB ƒ Gọi hàm chức năng (FC) Cú pháp CALL FC n 116 Trong đó FC n là tên khối con được gọi từ OB1. ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình ƒ Gọi khối hàm chức năng (FB) Cú pháp CALL FBn, DBm Trong đó FBn là tên khối hàm được gọi và DBm là khối dữ liệu đi kèm theo. ƒ Khai báo local block cho chức năng FC và FB Khi chúng ta khai báo các tham số và các biến cục bộ, ta phải xác định được loại dữ liệu được sử dụng bởi chương trình. Các tham số được định nghĩa như: In, Out và In-Out là những dữ liệu trao đổi qua lại giữa các khối; Biến cục bộ được định nghĩa là các biến tạm thời (TEMP) và tĩnh (STAT). Bảng 3-5 mô tả các kiểu khai báo biến. Khi tạo bảng khai báo biến của khối thì các biến được khai báo phải được liệt kê theo bảng 3-5. Đối với khối FB, các khối dữ liệu Instance DB lưu trữ toàn bộ các loại biến In, Out, In-Out, Temp và Stat. Các khối FC không có biến Stat. Các tham số In, Out, In-Out được lưu trữ dưới dạng con trỏ tham chiếu tới các tham số được cung cấp bởi các khối gọi. Biến Mô tả In Biến hình thức sử dụng để nhận tham trị từ khối mẹ làm sơ kiện cho chương trình trong khối con Out Biến hình thức dùng để trả tham trị từ khối con về khối mẹ In-Out Biến hình thức, loại biến này vừa có khả năng trả và vừa có khả năng nhận tham trị từ khối mẹ. STAT Nội dung của biến loại này có khả năng được lưu giữ lại khi kết thúc chương trình trong FB TEMP Biến tạm thời. Nội dung sẽ bị mất khi chương tình trong FB kết thúc. Bảng 3-5 – Khai báo biến 4.5.2. Điều khiển quá trình trộn theo phân bố Hệ thống trộn có quá trình được mô tả ở trên sử dụng lập trình phân bố ta có giải pháp thiết kế như sơ đồ dưới. Trong đó: Khối OB1 chứa những câu lệnh mà sẽ gọi các FC điều khiển quá trình. FC1 (hình 4.5) chứa các câu lệnh điều khiển bơm (động cơ) cung cấp các thành phần A. FC2 (hình 4.6) chứa các câu lệnh điều khiển bơm (động cơ) cung cấp các thành phần B. FC3 (hình 4.7) chứa những câu lệnh điều khiển động cơ trộn. FC4 (hình 4.8) chứa các câu lệnh điều khiển solenoid cho van xả thùng trộn. FC5 (hình 4.9) chứa các câu lệnh hiển thị các chỉ định trên trạm vận hành. OB1: Partition Program for Mixed process CALL "Ingred_A" CALL "Ingred_B" CALL "Agtr_Mtr" CALL "Drn_Valve" CALL "Opr_Stn" 117 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình FC1: Ingred_A Network 1: Ingredient A Feed Pump Permissives A "InA_Ivlv_Opn" A "InA_Fvlv_Opn" A "E_Stop_Off" AN "Tank_Full" AN "Dm_Sol" AN "InA_Mtr_Fault" = #permit_A Network 2: Ingredient A Feed Pump Start/Stop A( O "InA_Start_PB" O "InA_Mtr_Coil" ) AN "InA_Stop_PB" A #permit_A = "InA_Mtr_Coil" Network 3: Ingredient A Feed Pump Motor Fault Detection A "InA_Mtr_Coil" AN "InA_Mtr_Fbk" L S5T#10S SD T 1 AN "InA_Mtr_Coil" R T 1 L T 1 T #Cur_Tim1_Bin LC T 1 T #Cur_Tim1_Bcd A T 1 S "InA_Mtr_Fault" Network 4: Ingredient A Feed Pump Motor Fault Reset A "InA_Mtr_Fbk" R "InA_Mtr_Fault" FC2: Ingred_B Network 1: Ingredient B Feed Pump Permissives A "InB_Ivlv_Opn" A "InB_Fvlv_Opn" A "E_Stop_Off" AN "Tank_Full" AN "Dm_Sol" AN "InB_Mtr_Fault" = #Permit_B 118 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình Network 2: Ingredient B Feed Pump Start/Stop A( O "InB_Start_PB" O "InB_Mtr_Coil" ) AN "InB_Stop_PB" A #Permit_B = "InB_Mtr_Coil" Network 3: Ingredient B Feed Pump Motor Fault Detection A "InB_Mtr_Coil" AN "InB_Mtr_Fbk" L S5T#10S SD T 2 AN "InB_Mtr_Coil" R T 2 L T 2 T #Cur_Tim2_Bin LC T 2 T #Cur_Tim2_BCD A T 2 S "InB_Mtr_Fault" Network 4: Ingredient B Feed Pump Motor Fault Reset A "InB_Mtr_Fbk" R "InB_Mtr_Fault" FC3: Agtr_Mtr Network 1: Agitator Motor Permissives A "Tank_Empty" AN "Dm_Sol" A "E_Stop_Off" AN "A_Mtr_Fault" = #permit_M Network 2: Agitator Motor Start/Stop A( O "A_Mtr_Start_PB" O "A_Mtr_Coil" ) AN "A_Mtr_Stop_PB" A #permit_M = "A_Mtr_Coil" Network 3: Agitator Motor Fault Detection A "A_Mtr_Coil" AN "A_Mtr_Fbk" 119 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình L S5T#8S SD T 3 AN "A_Mtr_Coil" R T 3 L T 3 T #Cur_Tim3_Bin LC T 3 T #Cur_Tim3_BCD A T 3 S "A_Mtr_Fault" Network 4: Agitator Motor Fault Reset A "A_Mtr_Fbk" R "A_Mtr_Fault" FC4: Drn_Valve Network 1: Drain Valve Control A( O "Dm_Opn_PB" O "Dm_Sol" ) AN "Dm_Cls_PB" A "Tank_Empty" A "E_Stop_Off" AN "A_Mtr_Fbk" = "Dm_Sol" FC5: Opr_Stn Network 1: Operation Station Lamps A "InA_Mtr_Fbk" = "InA_Start_Lt" Network 2: Operation Station Lamps AN "InA_Mtr_Fbk" = "InA_Stop_Lt" Network 3: Operation Station Lamps A "InB_Mtr_Fbk" = "InB_Start_Lt" Network 4: Operation Station Lamps AN "InB_Mtr_Fbk" = "InB_Stop_Lt" Network 5: Operation Station Lamps A "A_Mtr_Fbk" = "A_Mtr_Start_Lt" Network 6: Operation Station Lamps AN "A_Mtr_Fbk" 120 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 4 – Kỹ thuật lập trình = "A_Mtr_Stop_Lt" Network 7: Operation Station Lamps A "Dm_Sol" = "Dm_Open_Lt" Network 8: Operation Station Lamps AN "Dm_Sol" = "Dm_Cls_Lt" Network 9: Operation Station Lamps AN "Tank_Empty" = "Tank_Empty_Lt" Network 10: Operation Station Lamps AN "Tank_Low" = "Tank_Low_Lt" Network 11: Operation Station Lamps A "Tank_Full" = "Tank_Full_Lt" 4.6. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH CẤU TRÚC - Là lập trình chia nhỏ ra thành các khối riêng biệt với mỗi khối thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó của bài toán điều khiển chung và tất cả các khối này đều được quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1. Trong