Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 8: Thao tác với PLC
8. THAO TÁC VỚI PLC
Các chủ đề:
Cấu trúc máy tính của một PLC
Kiểm tra tính đúng, quét đầu vào, quét đầu ra và quét logic
Các trạng thái và các kiểu bộ nhớ
Mục tiêu:
Hiểu cách hoạt động của một PLC
8.1 GIỚI THIỆU
Cho lập trình đơn giản mô hình rơ le của PLC là đủ. Khi các chức năng phức tạp
hơn được sử dụng mô hình VonNeuman phức tạp hơn của PLC phải được sử dụng.
Một máy tính VonNeuman xử lý một lệnh tại một thời điểm. Hầu hết các máy tính
làm việc theo cách này, mặc dù chúng xuất hiện như làm nhiều thứ trong một thời
điểm. Xem xét các thành phần máy tính được chỉ ra trong hình 8.1.
Figure 8.1 Simplified Personal Computer Architecture
Kiến trúc máy tính cá nhân được rút gọn
Đầu vào được lấy từ bàn phím và chuột, đầu ra được gửi tới màn hình, và đĩa và
bộ nhớ được sử dụng cho cả đầu vào và đầu ra cho lưu trữ. (Ghi chú: các hướng của
các mũi tên là rất quan trọng cho các kỹ sư, luôn luôn dành sự chú ý để nhận ra nơi
mà thông tin đang dịch chuyển). Hình này có thể được vẽ lại như hình 8.2 để làm rõ
vai trò của các đầu vào và các đầu ra.
Figure 8.2 An Input-Output Oriented Architecture
Một kiến trúc hướng đầu vào – đầu ra
Trong hình này dữ liệu vào bên trái qua các đầu vào. (Ghi chú: hầu hết các sơ đồ
kỹ thuật có các đầu vào bên trái và các đầu ra bên phải). Nó đi qua các mạch đệm
trước khi vào trong CPU. CPU này đưa dữ liệu ra qua các mạch khác. Bộ nhớ và các
đĩa là sử dụng cho việc lưu trữ dữ liệu mà dữ liệu này là không được dành cho đầu
ra. Nếu ta coi một máy tính cá nhân như một bộ điều khiển, nó đang điều khiển
người dùng bằng cách đưa ra các kích thích trên màn hình, và đưa vào các phản hồi
từ chuột và bàn phím.
Một PLC cũng là một máy tính kiểm soát một quá trình. Khi tích hợp một cách
đầy đủ vào một ứng dụng các tín hiệu tương tự trở thành:
- các đầu vào – bàn phím là tương tự tới một chuyển mạch lân cận
- các mạch đầu vào – chíp đầu vào nối tiếp giống như một thẻ đầu vào 24Vdc
- máy tính – CPU đời 686 như là một đơn vị CPU PLC
- các mạch đầu ra – một thẻ đồ họa như là một thẻ đầu ra triac
- các đầu ra – một màn hình như là một đèn
- chỗ lưu trữ - bộ nhớ trong các PLC là tương tự như các bộ nhớ trong các máy
tính cá nhân
Cũng có thể thực hiện một PLC bằng cách dùng một máy tính cá nhân thông
thường, mặc dù là không nên. Trong trường hợp một PLC các đầu vào và các đầu ra
được thiết kế để tin cậy hơn và tốt hơn cho các môi trường sản xuất khắc nghiệt.
8.2 TRÌNH TỰ THỰC HIỆN
Mọi PLC có bốn giai đoạn cơ bản của hoạt động mà được lặp lại nhiều lần một
giây. Ban đầu khi bật lên lần đầu tiên nó sẽ kiểm tra phần cứng và phần mềm của nó
để phát hiện lỗi. Nếu không có lỗi nó sẽ sao chép mọi đầu vào và sao chép các giá trị
của các đầu vào vào trong bộ nhớ, đây được gọi là quét đầu vào. Sử dụng chỉ bản sao
bộ nhớ của các đầu vào chương trình logic bậc thang sẽ được giải quyết một lần, đây
gọi là quét logic. Trong khi giải quyết logic bậc thang các giá trị đầu ra là chỉ bị thay
đổi trong bộ nhớ tạm. Khi quét bậc thang xong các đầu ra sẽ được cập nhật bằng
cách sử dụng các giá trị tạm thời trong bộ nhớ, đây gọi là quét đầu ra. PLC giờ đây
khởi động lại quá trình này bằng cách khởi động một tự kiểm tra để phát hiện lỗi.
Quá trình này thông thường lặp lại 10 đến 100 lần một giây như được chỉ ra trong
hình 8.3.
TỰ KIỂM TRA – Kiểm tra để biết nếu mọi thẻ không có lỗi, đặt lại bộ bấm giờ
giám sát (watchdog timer), v.v... (Một bộ bấm giờ giám sát sẽ gây ra một lỗi, và tắt
PLC nếu không đặt lại với một khoảng thời gian ngắn – điều này sẽ chỉ ra logic bậc
thang này là không đang được quét một cách bình thường).
QUÉT ĐẦU VÀO – Đọc các giá trị đầu vào từ các chíp trong các thẻ đầu vào, và
sao chép giá trị của chúng vào bộ nhớ. Điều này làm PLC hoạt động nhanh hơn, và
tránh các trường hợp ở đó một đầu vào thay đổi từ bắt đầu đến kết thúc của chương
trình (ví dụ: một sự dừng lại khẩn cấp). Có các chức năng PLC đặc biệt mà đọc các
đầu vào một cách trực tiếp, và loại trừ các bảng đầu vào.
GIẢI QUYẾT/QUÉT LOGIC – Dựa trên bảng đầu vào trong bộ nhớ, chương trình
được thực thi 1 bước một lần, và các đầu ra được cập nhật. Điều này được chú ý
trong các phần sau.
QUÉT ĐẦU RA – Bảng đầu ra được sao chép từ bộ nhớ tới các chíp đầu ra. Các
chíp này sau đó điều khiển các thiết bị đầu ra.
Figure 8.3 PLC Scan Cycle – Vòng quét PLC
Các vòng quét đầu vào và các vòng quét đầu ra thường làm nhầm lẫn người mới
bắt đầu, nhưng chúng rất quan trọng. Quét đầu vào dùng một thời gian cho các đầu
vào, và xử lý logic ấy. Điều này chống lại các vấn đề tiềm tàng mà có thể xuất hiện
nếu một đầu vào mà đầu vào ấy được dùng trong nhiều nơi trong chương trình logic
bậc thang được thay đổi trong một nửa đường qua một vòng quét bậc thang. Do đó
thay đổi cách hành xử của một nửa chương trình logic bậc thang. Vấn đề này có thể
có các tác động mạnh tới các chương trình phức tạp mà được phát triển sau trong
cuốn sách này. Một hiệu ứng phụ của quét đầu vào là nếu một thay đổi trong đầu
vào là duy trì quá ngắn, nó có thể rơi vào giữa các quét đầu vào và bị bỏ qua.
Khi PLC bắt đầu được bật lên các đầu ra thông thường sẽ bị tắt đi. Điều này
không ảnh hưởng tới các giá trị của các đầu vào.
8.2.1 Vòng quét đầu vào và đầu ra
Khi các đầu vào PLC được quét các giá trị đầu vào vật lý được sao chép vào
trong bộ nhớ. Khi các đầu ra PLC được quét chúng được sao chép từ bộ nhớ tới các
đầu ra vật lý. Khi logic bậc thang được quét nó dùng các giá trị trong bộ nhớ, không
phải là các giá trị đầu vào hay các giá trị đầu ra thực sự. Lý do chính cho việc làm đó
là để nếu một chương trình sử dụng một giá trị đầu vào trong nhiều nơi, một thay
đổi trong giá trị đầu vào sẽ không làm mất hiệu lực logic bậc thang đó. Ngoài ra, nếu
các bit đầu ra đã được thay đổi khi mỗi bit đã được thay đổi, thay vì mọi sự thay đổi
một lần tại thời điểm cuối của vòng lặp PLC sẽ làm việc chậm hơn nhiều.
8.2.2 Vòng quét logic
Các chương trình logic bậc thang được làm mẫu sau logic rơ le. Trong logic rơ le
mỗi phần tử trong bậc thang này sẽ chuyển mạch càng nhanh càng tốt. Nhưng trong
một chương trình các yếu tố chỉ có thể được kiểm tra một lần một thời điểm trong
một thứ tự được cố định. Xem xét logic bậc thang trong hình 8.4, logic bậc thang này
sẽ được diễn giải từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Trong hình này vòng quét
logic bậc thang bắt đầu ở bậc trên cùng. Ở bậc cuối nó diễn giải đầu ra trên cùng đầu
tiên, sau đó là đầu ra được rẽ nhánh ở dưới nó. Trên bậc thứ hai nó thực hiện các
nhánh rẽ, trước khi chuyển dọc theo bậc logic bậc thang.
Figure 8.4 Ladder Logic Execution Sequence - Trình tự thực hiện logic bậc thang
Trình tự vòng quét logic trở nên quan trọng khi giải quyết các chương trình logic
bậc thang mà các chương trình này dùng các đầu ra như là các đầu vào, như ta sẽ
thấy trong chương 8. Nó cũng trở nên quan trọng khi xem xét việc sử dụng đầu ra.
Xem hình 8.5, dòng đầu của logic bậc thang sẽ kiểm tra đầu vào A và đặt đầu ra X có
cùng một giá trị. Dòng thứ hai sẽ kiểm tra đầu vào B và đặt đầu ra X có giá trị ngược
lại. Vì thế giá trị của X chỉ bằng A cho tới dòng thứ hai của logic bậc thang được quét.
Nhắc lại rằng trong suốt vòng quét logic các đầu ra này chỉ được thay đổi trong bộ
nhớ, các đầu ra thực sự chỉ được cập nhật khi vòng quét logic bậc thang hoàn thành.
Do đó vòng quét đầu ra sẽ cập nhật các đầu ra thực sự dựa trên dòng thứ hai của
logic bậc thang, và dòng đầu của logic bậc thang sẽ được vô hiệu.
Ghi chú: Một lỗi phổ biến của những người mới là vô tình nhắc lại cùng một đầu
ra logic bậc thang hơn một lần. Điều này cơ bản sẽ làm mất hiệu lực đầu ra đầu tiên,
trong trường hợp này dòng đầu tiên sẽ không bao giờ làm bất cứ điều gì.
Figure 8.5 A Duplicated Output Error - Một lỗi đầu ra kép
8.3 TRẠNG THÁI PLC
Việc thiếu bàn phím, hay các thiết bị vào-ra khác là rất đáng chú ý trên một PLC.
Trên phía trước của PLC thường có hạn các đèn trạng thái. Các đèn chỉ thị thông
thường:
đèn báo có điện (power on) – đèn này sẽ là bật bất cứ khi nào PLC có điện
chạy chương trình (program running) – nó sẽ thường thường chỉ thị nếu một
chương trình đang chạy, hay nếu không có chương trình nào đang chạy
lỗi (fault) – đèn này chỉ thị khi PLC đã thấy một lỗi nặng của phần cứng hay phần
mềm
Các đèn này là thường được sử dụng cho dò lỗi. Các nút bấm có giới hạn sẽ
cũng được chuẩn bị cho phần cứng PLC. Cái thông dụng nhất sẽ là một chuyển mạch
chạy/chương trình (run/program) mà chuyển mạch này sẽ được chuyển mạch tới
chương trình khi việc bảo trì đang được tiến hành, và chạy trở lại trong sản xuất. Việc
chuyển mạch này thông thường yêu cầu một chìa khóa để giữ cho các cá nhân không
được phép không được thay đổi chương trình PLC hay làm dừng PLC. Một PLC sẽ hầu
như không bao giờ có một chuyển mạch bật/tắt (on/off) hay nút bắt đầu lại (reset) ở
mặt trước. Điều này cần được thiết kế vào trong phần còn lại của hệ thống.
Trạng thái của PLC cũng có thể được phát hiện bởi logic bậc thang. Thông
thường có các chương trình kiểm tra để thấy nếu chúng đang được thực thi ở lần
đầu tiên, như trong hình 8.6. Đầu vào ‘vòng quét đầu tiên’ (first scan) sẽ là đúng
(true) ở lần đầu tiên khi logic bậc thang được quét, nhưng là sai (false) ở tất cả các
lần quét khác. Trong trường hợp này địa chỉ cho ‘vòng quét đầu tiên’ trong một PLC-
5 là ‘S2:1/14’. Với logic trong ví dụ này vòng quét đầu tiên sẽ làm dấu bật ‘đèn’, cho
tới khi ‘làm sạch’ (clear) được bật lên. Vì thế đèn sẽ bật sau khi PLC đã được bật,
nhưng nó sẽ tắt và giữ việc tắt này sau khi ‘làm sạch’ được bật. Bit nhớ ‘vòng quét
đầu tiên’ cũng được gọi là bit ‘vượt qua đầu tiên’ (first pass).
Figure 8.6 An program that checks for the first scan of the PLC
Một chương trình kiểm tra cho vòng quét đầu tiên của PLC
8.4 CÁC LOẠI BỘ NHỚ
Có một vài loại cơ bản của bộ nhớ máy tính mà các bộ nhớ này đang được dùng
ngày nay:
RAM (Random Access Memory) – bộ nhớ này là nhanh, nhưng sẽ mất nội
dung của nó khi không còn điện, đây là được biết như là bộ nhớ
không ổn định. Mọi PLC dùng bộ nhớ này cho CPU trung tâm khi chạy
PLC.
ROM (Read Only Memory) – bộ nhớ này là vĩnh cửu và không thể bị xóa.
Nó thường được dùng để lưu trữ hệ điều hành của PLC.
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) – bộ nhớ này có thể
lập trình để có thể hoạt động như loại ROM, nhưng nó có thể bị xóa
bởi tia cực tím và lập trình lại.
EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory) – Bộ
nhớ loại này có thể lưu trữ các chương trình như ROM. Nó có thể
được lập trình và bị xóa bằng cách sử dụng điện áp, vì vậy nó trở nên
thông dụng hơn là các EPROM.
Mọi PLC dùng RAM cho CPU và ROM cho lưu giữ hệ điều hành cơ bản cho PLC.
Khi có điện nội dung của RAM sẽ được giữ lại, nhưng vấn đề là cái gì xảy ra khi điện
nguồn cho bộ nhớ này mất. Các nhà cung cấp PLC ban đầu đã dùng RAM với một pin
để nội dung bộ nhớ này sẽ không bị mất nếu mất điện. Phương pháp này vẫn được
sử dụng, nhưng mất dần sự ưa thích. Các EPROM cũng đã là một sự lựa chọn thông
dụng cho lập trình các PLC. Loại EPROM được lập trình ra bên ngoài các PLC, và sau
đó được tham gia vào cho PLC. Khi PLC được bật chương trình logic bậc thang trên
EPROM được tải vào trong PLC và chạy. Phương pháp này có thể rất đáng tin cậy,
nhưng kỹ thuật xóa và lập trình có thể tốn thời gian. Các bộ nhớ EEPROM là một
thành phần vĩnh cửu của PLC, và các chương trình có thể được lưu giữ trong chúng
như EPROM. Giá cả của bộ nhớ tiếp tục giảm, và các loại mới hơn (như là bộ nhớ tia
(flash)) là trở nên có sẵn, và các thay đổi này sẽ tiếp tục ảnh hưởng tới các PLC.
8.5 PHẦN MỀM CHO CÁC PLC
Giá cả hạ của các máy tính cá nhân đang tăng cường việc sử dụng của chúng
trong điều khiển, bao gồm cả những thay thế cho các PLC. Phần mềm được cài đặt
cho phép máy tính cá nhân giải quyết logic bậc thang, đọc các đầu vào từ các cảm
biến và cập nhật các đầu ra tới các bộ truyền động. Những điều này là quan trọng để
đề cập ở đây bởi vì chúng không tuân theo mô hình thời gian trước đó. Ví dụ, nếu
máy tính đang chạy một trò chơi nó có lẽ chậm hay dừng hẳn máy này. Vấn đề này và
các điều khác là đang được điều tra và các giải pháp tốt sẽ được mong đợi sớm.
8.6 TÓM TẮT
Một PLC và một máy tính là giống nhau với các đầu vào, các đầu ra, bộ nhớ,
v.v...
PLC đi qua một chu kỳ bao gồm một kiểm tra tính đúng, một quét đầu vào,
một quét logic, và một quét đầu vào một cách liên tục.
Trong khi quét logic đang được thực hiện, các thay đổi trong các đầu vào là
không được phát hiện, và các đầu ra là không được cập nhật.
Các PLC sử dụng RAM, và đôi khi các EPROM được sử dụng cho các chương
trình vĩnh cửu.
8.7 BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Một PLC thường bao gồm có RAM, ROM, EPROM và/hoặc các pin phải không?
2. Các đèn chỉ thị trong một PLC được sử dụng cho cái gì?
3. Một PLC có thể đi qua logic bậc thang một vài lần một giây. Tại sao?
4. Cái gì sẽ xảy ra nếu thời gian quét cho một PLC là lớn hơn thời gian cho một xung?
Tại sao?
5. Sự khác biệt giữa một PLC và một máy tính bàn là gì?
6. Tại sao các PLC làm một sự tự kiểm tra trong mỗi vòng quét?
7. Thời gian kiểm tra cho một PLC sẽ là dài so với thời gian yêu cầu cho một chương
trình đơn giản phải không?
8. Cái gì là sai với logic bậc thang sau? Cái gì sẽ xảy ra nếu nó được dùng?
9. Địa chỉ cho một vị trí bộ nhớ mà vị trí này chỉ thị khi một PLC chỉ mới được bật
lên là gì?
8. GIẢI PHÁP CHO BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Mọi PLC có RAM và ROM, nhưng chúng có thể cũng có EPROM hay các pin.
2. Chẩn đoán và bảo trì.
3. Thậm chí nếu chương trình là không có PLC sẽ vẫn cần quét các đầu vào và các đầu
ra, và làm một tự kiểm tra.
4. Xung có thể bị mất (bỏ qua) nếu nó xuất hiện giữa các quét đầu vào.
5. Một vài khác biệt cơ bản bao gồm các đầu vào, các đầu ra, và các việc sử dụng.
Một PLC đã được thiết kế cho nền tảng của nhà máy, vì vậy nó không có các đầu vào
như là các bàn phím hay chuột (mặc dầu một vài loại mới hơn là có). Chúng cũng
không có các đầu ra như là màn hình hay âm thanh. Thay vì thế chúng có các đầu vào
và các đầu ra cho các điện áp và dòng. PLC chạy các chương trình được thiết kế bởi
người dùng cho các công việc chuyên môn, trong khi trên một máy tính cá nhân
không là thông thường cho một người dùng lập trình cho hệ thống của họ.
6. Điều này giúp phát hiện lỗi phần cứng hay phần mềm. Nếu một lỗi đã xảy ra, và
PLC đã tiếp tục hoạt động, bộ điều khiển có thể làm việc (ứng xử) như trong một
cách chưa được biết trước và trở nên nguy hiểm cho người và cho thiết bị. Việc tự
kiểm tra giúp phát hiện những loại lỗi này, và tắt hệ thống một cách an toàn.
7. Đúng, việc kiểm tra là tương tự với khoảng 1ms trong nhiều PLC, nhưng một câu
lệnh chương trình đơn là khoảng 1µs.
8. Đầu ra thường Y được nhắc lại hai lần. Trong ví dụ này giá trị của Y sẽ luôn phù hợp
với B, và bậc trước đó với A sẽ không ảnh hưởng tới Y.
9. S2:1/14 cho micrologix, S2:1/15 cho PLC-5.
8.9 GIAO BÀI TẬP
1. Mô tả các bước cơ bản của hoạt động cho một PLC sau khi nó được bật lên.
2. Nhắc lại một đầu ra bình thường trong logic bậc thang mà nó không được làm một
cách bình thường. Thảo luận tại sao?
3. Tại sao khi gỡ một pin ra khỏi một vài PLC thì bộ nhớ bị làm sạch?
9 trang
21101
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 8: Thao tác với PLC", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_he_thong_san_xuat_tu_dong_hoa_voi_plcs_phan_8_tha.pdf
