Thiết kế hệ điều khiển cho lò nung trên nền PLC S7- 300

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ NUNG TRÊN NỀN PLC S7 – 300 3. Giới thiệu về PLC S7 – 300 3.1. Các module của PLC S7 – 300 Là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông(RS485)... và có thể còn có 1 vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard. Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bé vi xử lý có trong nã nh­ module CPU312, module CPU314, module CPU315… Ngoài ra còn có module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ ghép nối mạng phân tán. Kèm theo các cổng truyền thông thứ 2 này là những phần mềm tiện dụng được càI sẵn trong hệ điều hành. Ví dụ nh­ module CPU 315-DP,CPU3xx… IFM. Cấu tróc module của CPU: CPU Bé ®Öm vµo/ra Bé nhí ch­¬ng tr×nh Khèi vi xö lý trung t©m & HÖ ®iÒu hµnh Timer Counter BÝt cê Cæng vµo ra onboard Cæng ng¾t vµ ®Õm tèc ®é cao Bus cña PLC Qu¶n lý ghÐp nèi Cấu trúc của PLC: PLC gồm có 4 thành phần cơ bản *Bộ nhớ của S7-300 được chia làm 3 vùng chính: - Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia làm 3 miền: +/OB(Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức +/FC(Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó. +/FB(Function block): Miền chứa chương trình con,được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải được xây dung thành 1 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: +/I: 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 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: 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 cổng ra số.Thông thường chương trinh không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q. +/M: Miền các biến cờ.Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M),byte(MB),từ(MW),từ kép (MD) +/T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước(PV),giá trị đếm thời gian tức thời(CV) cũng nh­ 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 module tương tự(I/O).Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự dộng theo những địa chỉ.Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte(PIB),từng từ(PIW),từ kép(PID) +/PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự.Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được các module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự.Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng byte(PQB),từ(PQW),từ kép(PQD). Vùng chứa các khối dữ liệu,được chia làm 2 loại: +DB(Data block): Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối,các khối được đánh từ DB0- DB255.Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định,phù hợp với từng bàI toán điều khiển.Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit(DBX),byte(DBB),từ(DBW),từ kép(DBD) +L (Local data block): miền dữ liệu địa phương,được các khối chương trình OB,FC,FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó.Nội dung của 1 số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB,FC.FB.Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit(L),byte(LB),từ(LW),từ kép(LD) Các thanh ghi trong CPU: gồm có các thanh ghi tổng(Accumulator:ACCU1,ACCU2),thanh ghi địa chỉ (Address register:AR1,AR2)và thanh ghi trạng tháI (Status word :STW) Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các Module mở rộng PLC có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông qua bus nội bộ.Ngay tại đầu vòng quét các dữ liệu tại cổng vào của các module số(DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số.Cuối mỗi vòng quét nội dung của bộ đệm ra số lại được CPU chuyển tới cổng ra của các module ra (DO).Việc thay đổi nội dung 2 bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng. 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 có thể đã bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét,chương trình vẫn luôn đọc được 1 giá trị tới I và giá trị đó chính là giá trị cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét,nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho 1 cổng ra số thì 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 vào cổng số ,việc truy nhập cổng vào ra tương rự lại được module 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 1 giá trị đúng bằng giá trị thực có ở cổng ở thời điểm thực hiện lệnh.Tương tự khi thực hiện lệnh gửi 1 giá trị(số nguyên 16bits) tới địa chỉ của vùng PQ giá trị đó sẽ được gửi ngay đến cổng ra tương tự của module.Chỉ có các module vào ra số mới có bộ đệm còn các module tương tự thì không,chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy nhập(PI,PQ). Miền địa chỉ PI,PQ được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào ra tương tự có thể có của 1 trạm.Thực chất các cổng vào tương tự chỉ có từ địa chỉ PIB256 đến PIB 767 nhưng miền địa chỉ của PI và PQ lại từ 0 đến 65535.Điều này tạo khả năng kết nối vào ra số với những địa chỉ dôi ra trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực tiếp với các module DI/DO để mở rộng được giá trị tức thời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q. *Hoạt động của PLC S7-300 PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp.Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét(scan).Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.Trong mỗi vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1.Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số.Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Start ChuyÓn d÷ liÖu tõ cæng vµo tíi I Thùc hiÖn ch­¬ng tr×nh TruyÒn th«ng vµ kiÓm tra lçi ChuyÓn d÷ liÖu tõ Q tíi cæng ra Stop Vßng quÐt Chu trình vòng quét Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét(Scan time).Thời gian vòng quét không cố định,tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong 1 khoảng thời gian như nhau.Có vòng quét được thực hiện lâu,có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện,vào khối lượng dữ liệu được truyền thông... trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý,tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có 1 khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét.Nói cách khác,thời gian vòng quét quyết định thời gian thực của trương trình điều khiển trong PLC.Thời gian vòng quét càng ngắn tính thời gian thực của trương trình càng cao. 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 giưa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý.ở 1 sè module CPU khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức,hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác,ngay cả chương trình xử lý ngắt,để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra. - Module nguồn_Module PS(Power supply): Module nguồn nuôi.Có loại 2A,5A và 10A -Thẻ nhớ(Memory card): Mục đích dùng memory card: Với memory card ta có thể mở rộng vùng nhớ cho CPU của bạn. Bạn có thể ghi chương trình ứng dụng và các tham số cài đặt tương ứng cho CPU và các môđun trên memory card. Ta còng có thể lưu giữ hệ điều hành CPU cuả bạn tới một memory card. Nếu bạn ghi một chương trình ứng dụng trên memory card, nó sẽ còn lại trong CPU khi tắt nguồn thậm chí với cả trường hơp không có pin lưu giữ. - Module tín hiệu _Module SM(Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào ra,bao gồm: -DI(Digital input):Module mở rộng các cổng vào số.Số các cổng vào số có thể là 8,16,32 tuỳ thuộc vào từng loại module -DO(Digital output):Module mở rộng các cổng ra số.Số các cổng ra số có thể là 8,16,32 tuỳ thuộc vào từng loại module -DI/DO:Module mở rộng các cổng vào/ra số.Số các cổng vào/ra số có thể là 8vào/8ra,16vào/16ra tuỳ thuộc vào từng loại module -AI(Analog input):Module mở rộng các cổng vào tương tự.Số cổng vào tương tự có thể là 2,4,8 tuỳ thuộc vào từng loại module -AO(Analog output):Module mở rộng các cổng ra tương tự.Số cổng ra tương tự có thể là 2,4,8 tuỳ thuộc vào từng loại module -AI/AO:Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự.Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4vào/2 ra,4vào/4ra tuỳ thuộc vào từng loại module. - Module chức năng_Module FM(Function module): Module có chức năng điều khiển riêng,ví dụ nh­ module điều khiển động cơ bước,module điều khiển động cơ servo,module PID,module điều khiển vòng kín... - Module ghép nối truyền thông nội_Module IM(Interface module): Module ghép nối.Đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành 1 khôi và được quản lý chung bởi 1 module CPU.Thông thường các module mở rộng được gá liền với nhau trên 1 thanh đỡ gọi là rack.Trên mỗi 1 rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng.Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM. - Module truyền thông _Module CP(Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính 3.2.Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung CPU đảm bảo quản lý được toàn bộ các cảm biến và thiết bị chấp hành của quá trình công nghệ CPU đảm bảo thực hiện toàn bộ các luật điều khiển của quá trình Các cảm biến và thiết bị chấp hành phân bố tập trung về mặt địa lý(Khoảng cách từ chúng tới CPU < 100m) CPU đảm bảo tính thời gian thực Slot 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 PS CPU IM DI DO AI AO CP DO Rack 0 IM DI/DO AI/AO CP FM Rack 1 IM DI DO CP FM DI/DO AI/AO Rack 2 IM DI DO CP FM DI/DO AI/AO Rack 3 3.2.1. Hệ thống điều khiển tập trung và địa chỉ các cổng vào ra tương tự Địa chỉ được đánh theo các khe,mỗi khe gồm 4 byte địa chỉ,tăng từ thấp đến cao.Với S7-300 từ rack 3.Rack 0 địa chỉ bắt đầu từ khe 4 trở đi,còn rack 1 thì địa chỉ từ khe thứ 2 IM nhËn IM nhËn IM nhËn IM göi CPU nguån 640-655 656-671 672-687 688-703 704-719 720-735 736-751 752-767 512-527 528-543 544-559 560-575 576-591 592-607 608-623 624-639 384-399 400-415 416-431 432-447 448-463 464-479 480-495 496-511 256-271 272-287 288-303 304-319 320-335 336-351 352-367 368-383 Rack0 Rack1 Rack2 Rack3 3.2.2. Hệ thống điều khiển tập trung và địa chỉ các cổng vào ra sè IM nhËn IM nhËn IM göi CPU nguån 64.0-67.7 68.0-71.7 72.0-75.7 76.0-79.7 80.0-83.7 84.0-87.7 88.0-91.7 92.0-95.7 32.0-35.7 36.0-39.7 40.0-43.7 44.0-47.7 48.0-51.7 52.0-55.7 56.0-69.7 60.0-63.7 0.0-3.7 4.0-7.7 8.0-11.7 12.0-15.7 16.0-19.7 20.0-23.7 24.0-27.7 28.0-31.7 IM nhËn 96.0-99.7 100.0-103.7 104.0-107.7 108.0-111.7 112.0-115.7 116.0-119.7 120.0-123.7 124.0-127.7 Rack0 Rack1 Rack2 Rack3 3.3. Cấu trúc điều khiển phân tán 3.3.1.Hệ thống điều khiển phân tán vào ra CPU RTU2 RTU3 RTU1 TBCB/TBCH TBCB/TBCH Communication Cable TBCB/TBCH 3.3.2. Hệ thông điều khiển phân tán các trạm điều khiển CPU3 CPU1 CPU2 Communication Cable CPU4 3.3.3. Hệ thống điều khiển phân tán kết hợp RTU11 RTU10 CPU1 RTU1 RTU42 RTU41 CPU4 CPU3 CPU2 RTU2 Communication Cable