Thiết kế hệ PLC - Lê Thành Sơn

§¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 1 [ PhÇn I: giíi thiÖu chung vÒ ®iÒu khiÓn logic vμ thiÕt bÞ plc §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 2 [ Trong phÇn nµy chóng ta ®i t×m hiÓu vÒ kh¸i niÖm ®iÒu khiÓn l«gic vµ c¸c kiÕn thøc vÒ PLC. 1.1. Kh¸i niÖm ®iÒu khiÓn logic. Trong thùc tÕ c«ng nghÖ cã nhiÒu ®¹i l−îng vËt lý cÇn ®iªï khiÓn vµ quan t©m ®Õn gi¸ trÞ cña nã t¹i mét thêi ®iÓm cã thÓ lµ lín hay nhá qu¸ tr×nh ®iÒu ®ã gäi lµ ®iÒu khiÓn qóa tr×nh. Nh−ng ngoµi ra cßn cã mét ®iÒu khiÓn kh¸c trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt cÇn quan t©m tíi ®ã lµ viÖc ®ång bé qu¸ tr×nh lµm viÖc cña toµn bé hÖ thèng. Khi ®ã ta chØ quan t©m ®Õn tr¹ng th¸i cña c¸c thiÕt bÞ ®ang lµm viÖc hay nghØ qu¸ tr×nh nµy gäi lµ ®iÒu khiÓn l«gic. §iÒu khiÓn l«gic xuÊt ph¸t tõ thùc tÕ ngoµi viÖc thiÕt bÞ lµm viÖc nh− thÕ nµo ng−êi ta cßn ph¶i quan t©m tíi viÖc khi nµo cho thiÕt bÞ lµm viÖc, khi nµo cho thiÕt bÞ nghØ ®Ó ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ cao trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn. VËy trong ®iÒu khiÓn l«gic ta cÇn quan t©m tíi 2 tr¹ng th¸i do ®ã vÒ mÆt tÝn hiÖu ng−êi ta quan t©m ®Õn 2 tr¹ng th¸i: Tr¹ng th¸i cao(High) vµ tr¹ng th¸i thÊp (low).Th«ng th−êng trong thiÕt kÕ ®iÒu khiÓn logic ng−êi ta ngÇm qui −íc thiÕt bÞ ®ang lµm viÖc cã tr¹ng th¸i Logic 1 hay tr¹ng th¸i cao cßn khi thiÕt bÞ ®ang nghØ th× ë møc l«gic 0 hay tr¹ng th¸i thÊp. Tuy nhiªn viÖc quy −íc trªn chØ lµ t−¬ng ®èi mµ tuú theo thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn mµ t−¬ng øng víi 0 lµ ®iÓm nghØ vµ lµ ®iÒu khiÓn lµm viÖc hoÆc ng−îc l¹i cßn nÕu con ng−êi chñ ®éng ¸p ®Æt 1 lµ lµm viÖc th× chän thiÕt bÞ cho phï hîp vµ cã thÓ ®Æt ng−îc l¹i. Trong ®iÒu khiÓn l«gic ta cÇn quan t©m ®Õn c¸c biÕn ®Çu vµo ®Ó gia c«ng theo hµm logic t¹o nªn gi¸ trÞ ®Çu ra. Quan hÖ gi÷a ®Çu ra vµ ®Çu vµo nhê ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm hay phÇn cøng ®iÒu khiÓn. C¸c biÕn ®Çu vµo ®−îc t¹o nªn tõ c¸c nót Ên, c«ng t¾c c¸c gi¸ trÞ nµy phô thuéc vµo ng−êi vËn hµnh hay tr×nh tù cña c«ng nghÖ. Ngoµi ra c¸c biÕn vµo kh¸c Sensor logic cña c¸c thiÕt bÞ do l−êng c¸c ®¹i lù¬ng vËt lý mµ ta cÇn ®iÒu khiÓn nh− tÝn hiÖu ra cña c¸c c«ng t¾c hµnh tr×nh, R¬le ®iÖn ¸p, R¬le ¸p lùc, R¬le nhiÖt… Hµm Logic ®Çu ra ®−a tíi ®iÒu khiÓn c¸c ®èi t−îng cã thÓ lµ nhãm c¸c thiÕt bÞ nh− c¸c cuén hót c¸c thiÕt bÞ ®ãng c¾t hay ®éng c¬ cña m¸y s¶n xuÊt… §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 3 [ 1.2. Kh¸i niÖm chung - øng dông cña PLC. 1.2.1. Kh¸i niÖm vÒ PLC. PLC (Programable Logic Controller) lµ mét thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn logic lËp tr×nh ®−îc. ThiÕt bÞ nµy cã c¸c ®Çu vµo logic sau qu¸ tr×nh xö lý theo ch−¬ng tr×nh bªn trong nã cho ®Çu ra lµ c¸c møc logic cã quan hÖ víi c¸c ®Çu vµo th«ng qua ch−¬ng tr×nh bªn trong thiÕt bÞ PLC cã øng dông réng r·i vµ dÇn kh«ng thÓ thiÕu ®−îc trong c¸c d©y truyÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i. Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn cña PLC rÊt ®a d¹ng nã cã thÓ thay thÕ cho 1 m¶ng r¬le h¬n thÕ viÖc më réng PLC gièng nh− mét m¸y tÝnh nã cã thÓ lËp tr×nh ®−îc. Ch−¬ng tr×nh cña PLC thay ®æi ®¬n gi¶n rÔ rµng b»ng mét m¸y lËp tr×nh cÇm tay hay mét m¸y tÝnh c¸ nh©n cã phÇn mÒm trî gióp. Khi ®ã cã thÓ mét nh©n viªn vËn hµnh còng cã thÓ lËp tr×nh ®−îc. Së dÜ PLC cã vai trß quan träng tíi møc kh«ng thÓ thiÕu ®−îc trong c¸c gi©y truyÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i chÝnh lµ bëi tÝnh mÒm dÎo vµ tiÖn dông ®−îc øng dông trong mäi lÜnh vùc v× quy luËt ®iÒu khiÓn cña nã hoµn toµn thay ®æi ®−îc mét c¸ch rÔ rµng. 1.2.2. CÊu tróc chung cña 1 bé PLC. Mét bé PLC cã cÊu tróc chung nh− sau: Khi nghiªn cøu tíi PLC ®iÒu ®Çu tiªn ®ã lµ sè l−îng c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra (Input, Output) ®èi víi mét PLC th× sè ®Çu vµo ra cã thÓ lµ 6 hoÆc 8 hay nhiÒu h¬n. Sè l−îng ®Çu vµo vµ ®Çu ra cho biÕt møc ®é qu¶n lý ®−îc nhiÒu thiÕt bÞ. IN0 IN1 INK Bé ®iÒu khiÓn theo ch−¬ng tr×nh. Out0 Out1 Outm C¸c ®Çu vµo logic ®éc lËp. C¸c ®Çu ra logic ®éc lËp. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 4 [ VÊn ®Ò nµy ®Æc biÖt quan träng khi øng dông PLC cho mét d©y truyÒn s¶n xuÊt phøc t¹p cÇn gia c«ng nhiÒu biÕn ®Çu vµo. C¸c biÕn ®Çu vµo ®−îc lÊy tõ c¸c c«ng t¾c ®ãng c¾t th«ng th−êng, c«ng t¾c vÞ trÝ hay c¸c Sensor logic ®Ó ®Æt c¸c gi¸ trÞ logic ë ®Çu vµo. C¸c ®Çu vµo nµy th−êng cã møc ®iÖn ¸p cao ®Ó t¨ng ®é tin cËy khi cÇu truyÔn xa. V× bªn trong cña PLC lµ mét bé vi ®iÒu khiÓn víi vi ®iÒu khiÓn kh«ng lµm viÖc víi møc ®iÖn ¸p cao v× vËy cÇn mét m¹ch chuyÓn møc ®iÖn ¸p vÒ møc chuÈn víi møc logic 1 lµ +5 vµ møc logic 0 lµ 0V. Khi ®ã PLC (bé ®iÒu khiÓn bªn trong) sÏ quÐt c¸c cæng vµo ®Ó lÊy d÷ liÖu sau mét qu¸ tr×nh xö lý bªn trong b»ng ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm sau ®ã d÷ liÖu ®Çu ra d¹ng sè víi møc logic 1 lµ +5V møc logic 0 lµ 0V qua m¹ch chuyÓn møc ta cã c¸c møc ra ®iÖn ¸p cao h¬n ®Ó ®¸p øng yªu cÇu ®iÒu khiÓn. C¸c ®Çu ra nèi víi c¸c cuén hót ®ãng c¾t r¬le, ®éng c¬ m¸y s¶n xuÊt, ®ãng më c¸c van… Víi PLC th× bé vi ®iÒu khiÓn MCU (Micro Controller Unit) lµ h¹t nh©n cña c¶ hÖ. Bé vi ®iÒu khiÓn ®¶m nhiÖm tÊt c¶ c¸c c«ng viÖc tõ thu nhËp d÷ liÖu ®Çu vµo, xö lý c¸c d÷ liÖu ®ã vµ ®−a ra ®Çu ra PLC lµm viÖc nh− mét m¸y tÝnh nhËn d÷ liÖu ®Çu vµo d¹ng sè vµ ®−a d÷ liÖu ra d¹ng sè vµ qu¸ tr×nh ho¹t ®éng lµ hoµn toµn tù ®éng. Ngoµi ra c¸c ®Çu vµo ra logic th× PLC cßn cã c¸c ®Çu vµo ®Ó cÊp nguån th«ng th−êng nguån nu«i PLC lµ mét ®iÖn ¸p xoay chiÒu qua xö lý nguån t¹o ra ®iÖn ¸p 1 chiÒu phï hîp ®Ó nu«i bé vi ®iÒu khiÓn vµ c¸c m¹ch ®iÖn tö kh¸c. 1.2.3. øng dông vμ −u nh−îc ®iÓm cña bé ®iÒu khiÓn logic cã kh¶ n¨ng lËp tr×nh (PLC). Sù ra ®êi cña PLC ®· ®¸p øng ®−îc yªu cÇu cÇn thiÕt cña viÖc ®iÒu khiÓn c¸c d©y truyÒn s¶n xuÊt vµ mét lo¹t c¸c yªu cÇu kh¸c mµ c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn logic tr−íc nã kh«ng thÓ ®¸p øng hoÆc ®¸p øng h¹n chÕ. §¬n cö viÖc øng dông PLC ®Ó thay thÕ cho 1 m¶ng r¬le. Trong c¸c hÖ thèng khèng chÕ - ®iÒu khiÓn logic truyÒn thèng qóa tr×nh nµy ®−îc thùc hiÖn b»ng m¶ng c¸c r¬le - c«ng t¾c t¬ vµ sau nµy cßn ®−îc thay thÕ b»ng c¸c m¹ch IC §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 5 [ sè râ rµng thùc hiÖn qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn nµy hoµn toµn thùc hiÖn b»ng phÇn cøng v× vËy mµ mçi mét yªu cÇu ®iÒu khiÓn th× l¹i ph¶i ®i x©y dùng 1 phÇn cøng ®¸p øng yªu cÇu trªn mµ viÖc x©y dùng b»ng phÇn cøng nh− vËy lµ cùc kú khã kh¨n vÒ mÆt kü thuËt, chi phÝ tèn kÐm vÒ mÆt kinh tÕ vµ ®Æc biÖt lµ mÊt rÊt nhiÒu thêi gian khi x©y dùng còng nh− khi cã yªu cÇu thay ®æi hay hiÖu chØnh th× ph¶i cho hÖ thèng dõng vµ th¸o ra l¾p l¹i hoµn toµn b»ng phÇn cøng v× vËy mµ tæng chi phÝ cho qu¸ tr×nh nµy lµ rÊt lín. §Æc biÖt víi c¸c d©y truyÒn yªu cÇu ®iÒu khiÓn phøc t¹p th× m¹ch nµy chiÕm mét thÓ tÝch ®¸ng kÓ vµ ®é tin cËy kh«ng cao. ViÖc ®−a PLC vµo ®Ó thay thÕ cho qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn logic ®em l¹i nh÷ng −u ®iÓm næi bËt. Víi mét hÖ thèng lín th× chi phÝ cho mét bé PLC lµ rÊt nhá. Mét PLC rÊt gän nhÑ mµ møc ®é ®iÒu khiÓn lµ v« cïng lín. C¸c tiÕp ®iÓm trong m¹ch ®iÒu khiÓn logic b»ng cuén d©y r¬le ®· ®−îc thay thÕ b»ng c©u lÖnh v× vËy sè l−îng tiÕp ®iÓm lµ kh«ng h¹n chÕ. §Æc ®iÓm tÝnh mÒm dÎo trong ®iÒu khiÓn mµ ta cã thÓ thay thÕ luËt ®iÒu khiÓn rÊt ®¬n gi¶n vµ nhanh gän mµ hÇu nh− kh«ng ph¶i chi phÝ tµi chÝnh trong khi hÖ thèng ®ang lµm viÖc b»ng mét m¸y lËp tr×nh cÇm tay (HPC) hay mét m¸y tÝnh c¸ nh©n (PC) ta hoµn toµn cã thÓ gäi ch−¬ng tr×nh ra ®Õ söa ch÷a. ViÖc l¾p ®Æt PLC rÊt ®¬n gi¶n nhanh gän chØ cÇn x¸c ®Þnh c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra viÖc lËp tr×nh cho PLC hoµn toµn thùc hiÖn ®−îc b»ng phÇn mÒm do nhµ s¶n xuÊt cung cÊp, c¸c nhµ s¶n xuÊt . C¸c nhµ s¶n xuÊt PLC cã thÓ s¶n xuÊt theo ph−¬ng ph¸p s¶n xuÊt hµng lo¹t tuú theo øng dông mµ khi viÕt ch−¬ng tr×nh sÏ t¹o ra c¸c quy luËt ®Òu kh¸c nhau v× vËy mµ lµm gi¶m gi¸ thµnh cña PLC. VËy c¸c −u ®iÓm khi dïng PLC. - Thêi gian l¾p ®¹t c«ng tr×nh ng¾n. - DÔ dµng thay ®æi mµ kh«ng g©y tæn thÊt ®Õn tµi chÝnh. - Cã thÓ dÔ dµng tÝnh to¸n chÝnh x¸c gi¸ thµnh. - CÇn Ýt thêi gian huÊn luyÖn - DÔ dµng thay ®æi phÇm mÒm. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 6 [ - Ph¹m vi øng dông réng. - DÔ dµng b¶o tr×, xö lý sù cè dÔ nhanh h¬n. - §é tin cËy cao. - ChuÈn ho¸ ®−îc phÇn cøng ®iÒu khiÓn. - ThÝch øng trong m«i tr−êng kh¾c nghiÖt. Tuy nhiªn víi møc ®é qu¶n lý vµ ®iÒu khiÓn réng th× PLC l¹i kh«ng phï hîp víi nh÷ng hÖ thèng nhá, ®¬n gi¶n v× khi ®ã sÏ kh«ng tËn dông ®−îc kh¶ n¨ng lµm viÖc cña thiÕt bÞ nµy. C¸c øng dông chÝnh cña PLC. ™ §iÒu khiÓn gi¸m s¸t. a. Thay cho ®iÒu khiÓn r¬le. b. T¹o bé ®Õm thêi gian. c. Thay cho c¸c Panell ®iÒu khiÓn m¹ch in. d. §iÒu khiÓn tù ®éng, b¸n tù ®éng c¸c qóa tr×nh. ™ §iÒu khiÓn d·y. a. C¸c phÐp to¸n sè häc. b. Cung cÊp th«ng tin c. §iÒu khiÓn liªn tôc (nhiÖt ®é, ¸p suÊt). d. §iÒu khiÓn PID. e. §iÒu khiÓn ®éng c¬ chÊp hµnh. f. §iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc. ™ §iÒu khiÓn mÒm dÎo. a. §iÒu khiÓn qóa tr×nh b¸o ®éng. b. Ph¸t hiÖn lçi ®iÒu hµnh. c. GhÐp nèi m¸y tÝnh víi RS 232 / RS 242. d. GhÐp nèi m¸y in. e. M¹ng tù ®éng ho¸ xÝ nghiÖp. f. M¹ng côc bé. g. M¹ng më réng. h. FA, EMF, CIM. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 7 [ Nh− vËy øng dông PLC trong kü thuËt lµ v« cïng phong phó trong rÊt nhiÒu lÜnh vùc tõ ®iÒu khiÓn ®Õn xö lý th«ng tin v× vËy cµng thÊy vai trß cña nã. 1.3. Bé vi ®iÒu khiÓn vμ øng dông cña bé vi ®iÒu khiÓn trong hÖ PLC. Trong thêi ®¹i c«ng nghÖ th«ng tin vµ øng dông m¹nh mÏ cña nã vµo ®êi sèng vµ kü thuËt th× nh÷ng kiÕn thøc vÒ vi ®iÒu khiÓn (Micro Controller) vµ øng dông cña nã cµng trë nªn cÇn thiÕt. 1.3.1. Giíi thiÖu tæng quan vÒ bé vi ®iÒu khiÓn. 1.3.1.1. §Þnh nghÜa vi ®iÒu khiÓn. Bé vi ®iÒu khiÓn MC (Micro Controller) lµ mét m¹ng tÝch hîp rÊt cao trªn mét chip vµ cã thÓ lËp tr×nh ®−îc dïng ®Ó ®iÒu khiÓn hÖ thèng. Bé vi ®iÒu khiÓn suÊt hiÖn tõ viÖc ®−a bé VXL vµo qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn v× vËy cã thÓ hiÓu bé vi ®iÒu khiÓn nh− bé vi xö lý song song søc xö lý th−êng kh«ng lín nh− nh÷ng bé vi xö lý lín. Khi nghiªn cøu vi ®iÒu khiÓn ta quan t©m ®Õn c¸c vÊn ®Ò nh− sau: - KÝch th−íc bit xö lý. - Tèc ®é xö lý. - Kh¶ n¨ng vµo ra. - T−¬ng thÝch víi m¸y tÝnh c¸ nh©n (PC). - Ph©n tÝch øng dông. - Ngoµi ra cßn quan t©m ®Õn gi¸ thµnh cña thiÕt bÞ. 1.3.1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña bé vi ®iÒu khiÓn nh− mét bé vi xö lý Víi mçi mét bé vi ®iÒu khiÓn ngoµi c¸c phÇn tö phô nh− c¸c r¾c c¾m c¸c m¹ch ®Öm vµ l©ng møc ®iÖn ¸p cho phï hîp yªu cÇu th× víi mäi hÖ vi ®iÒu khiÓn ®Òu chøa c¸c phÇn tö c¬ b¶n nh− sau: - ChÝp vi xö lý ë ®©y diÔn ra c¸c qu¸ tr×nh xö lý th«ng tin nh− c¸c phÐp to¸n sè häc vµ logic, c¸c thao t¸c vµo ra d÷ liÖu mäi qu¸ tr×nh nµy theo mét §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 8 [ ch−¬ng tr×nh ®· ®−îc l¹p s½n ®Ó t¹o ra quan hÖ gi÷a ®Çu vµo vµ ®Çu ra theo yªu cÇu. - ROM (Read Only Memory) lµ mét bé nhí chØ ®äc th−êng l−u tr÷ hÖ ®iÒu hµnh ®Ó gióp chÝp vi xö lý tiÕn hµnh c¸c thao t¸c khëi t¹o khi dõng vµ 1 sè qu¸ tr×nh vµo ra d÷ liÖu. - RAM (Ramdom Access Memory) lµ bé nhí võa cã kh¶ kh¶ n¨ng ®äc vµ ghi víi bé nhí nµy th−êng dïng l−u tr÷ d÷ liÖu trong qu¸ tr×nh lµm viÖc hoÆc cã thÓ dïng RAM nh− mét ROM khi ®ã c¸c thao t¸c chung nhËp vµo RAM nh− viÖc ®äc ch−¬ng tr×nh ë ROM. S¬ ®å cña mét hÖ vi ®iÒu khiÓn víi c¸c phÇn tö chÝnh nh− sau: Ban ®Çu khèi t¹o vi xö lý ®äc ch−¬ng tr×nh trong ROM ®ã lµ ch−¬ng tr×nh ®iÒu hµnh nã quÐt vµ kiÓm tra toµn bé hÖ thèng vµ ®−a tr¹ng th¸i c¶ hÖ ë tr¹ng th¸i s½n sµng råi ch¹y ch−¬ng tr×nh chÝnh khi ®ã sÏ cã qu¸ tr×nh quÐt lÊy tÝn hiÖu vµo theo yªu cÇu cña ch−¬ng tr×nh råi tiÕn hµnh xö lý, gia c«ng ®Ó ®−a ra ®iÒu khiÓn c¸c thiÕt bÞ theo yªu cÇu. C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn nµy cã thÓ lµ d¹ng sè ®−îc l−u tr÷ b»ng mét vi m¹ch ®Öm chèt vµ cã thÓ chuyÓn møc ®iÒu khiÓn theo yªu cÇu. NÕu ®èi t−îng ®iÒu khiÓn lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù th× tõ tÝn hiÖu sè qua bé chuyÓn ®æi D/A t¹o ra tÝn hiÖu t−¬ng tù lµm tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. RAM d a a d RoM a d Ngo¹i vi Xung nhÞp TÝn hiÖu ng¾t Reset RXDTXD Cæng truyÒn nèi tiÕp VXL §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 9 [ T−¬ng tù nh− ®Çu ra, ®Çu vµo còng cã thÓ chuyÓn møc chuÈn v× th−êng c¸c tÝn hiÖu sè lÊy tõ Sensor logic v× yªu cÇu truyÒn xa nªn cã møc ®iÖn ¸p kh«ng phï hîp víi yªu cÇu lµm viÖc cña vi xö lý nÕu ®Çu vµo lµ mét tÝn hiÖu t−¬ng tù th× cÇn mét bé biÕn ®æi A/D ®Ó ®−a tÝn hiÖu sè vµo vi xö lý. Nh− vËy vi ®iÒu khiÓn nh− mét m¸y tÝnh mµ øng dông cña nã lµ t¹o ra c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn hÖ thèng b»ng ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm. 1.3.1.3. øng dông cña vi ®iÒu khiÓn. Sù lín m¹nh kh«ng ngõng cña c¸c thiÕt bÞ vi ®iÒu khiÓn (chip xö lý trung t©m) phÇn nµo nãi lªn vai trß quan träng cña hÖ vi ®iÒu khiÓn trong thùc tÕ. Vµo nh÷ng n¨m 1970 do sù ph¸t triÓn cña kü thuËt vi ®iÖn tö dùa trªn kü thuËt MOS (Metal Oxire Semicon Ductor) víi ®é tÝch hîp ngµy cµng cao. Vi m¹ch MSI (Mundium Size Integration) cã ®é tÝch hîp cì 103 Tranzito trªn mét chÝp, vi m¹ch LSI (Large Size Integretion) cã ®é tÝch hîp cì 104 Trangito trªn mét chÝp vµ vi m¹ch VLSI (Verry LSI) cã ®é tÝch hîp 105 Tranzito trªn chÝp nh−ng sè bit xö lý cßn nhá. N¨m 1971 bé vi xö lý Intel 4004 lo¹i 4 bit ra ®êi cã chøa 2250 Tranzito ®Õn n¨m 1975 h·ng Intel cã ra ®êi chÝp xö lý 8 bit 8080 vµ 8085. N¨m 1978 h·ng Intel cho ra ®êi vi xö lý 16bit 8086 cã 29.000 Tranzito vµ h·ng Motorola cho ra ®¬× vi xö lý 68.000 víi 70.000 Tranzito vµ vi xö lý 32bit cña Henlet packand cã 40.000 Tranzito. VËy tõ n¨m 1947 ®Õn n¨m 1984 sè Tranzito tÝch hîp trªn mét chÝp ®· t¨ng 100 lÇn. §Õn n¨m 1983 h·ng Intel cho ra vi xö lý 8286 dïng cho m¸y tÝnh AT (Advaned Tecchnology) dïng c¸c ®−êng I/0 16bit vµ cã 24 ®−êng ®Þa chØ vµ kh«ng gian nhí ®Þa chØ thùc lµ 16MB vµ n¨m 1987 vi xö lý 80386 xö lý 32bit n¨m 1989 h·ng Intel cho ra ®êi chip xö lý 80486 ph¸t triÓn trªn c¬ së 80386 cã thªm bé nhí Ên vµ m¹ch tÝnh to¸n dÊu phÈy ®éng. N¨m 1992 Intel cho ra 80586 cßn gäi lµ Pentium 64bit cã 4 triÖu Tranzito. C¸c bé vi xö lý nµy ph¸t triÓn theo h−íng ngµy cµng t¨ng chøc n¨ng vµ ®é tÝch hîp. Tõ c¸c con sè trªn ta thÊy ®−îc sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ lÜnh vùc vi ®iÒu khiÓn, riªng chip vi ®iÒu khiÓn 8051 mçi n¨m b¸n ra trªn thÞ tr−êng cì 1,5 tû bé. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 10 [ øng dông cña bé vi ®iÒu khiÓn rÊt réng r·i trong c¸c thiÕt bÞ th«ng minh b»ng viÖc lËp tr×nh t¹o ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn v× vËy mµ tÝnh mÒm dÎo cña nã rÊt cao, thay ®æi ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n ®Æc biÖt víi c¸c bé ®Õm thêi gian lËp tr×nh ®−îc cµng t¨ng tÝnh øng dông cña nã. Trong c«ng nghiÖp dïng hÖ vi ®iÒu khiÓn trong c¸nh tay rob«t, c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn d©y truyÒn hay tæng hîp thèng kª c¸c th«ng tin cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt nhµ m¸y hay dïng trong viÖc b¶o vÖ vµ tù ®éng ®iÒu khiÓn c¸c Camera quan s¸t. ViÖc kÕt hîp gi÷a hÖ vi ®iÒu khiÓn vµ c¸c c¶m biÕn t¹o nªn c¸c hÖ ®iÒu khiÓn th«ng minh ®−îc øng dông trong c¸c m¸y giÆt, qu¹t giã, ®iÒu hoµ nhiÖt dé, ®Çu ®Üa, ti vi, ®iÖn tho¹i di ®éng… §Æc biÖt cã thÓ tiªu chuÈn ho¸ phÇn cøng mµ øng dông trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt hµng lo¹t. VËy øng dông cña thiÕt bÞ vi ®iÒu khiÓn lµ rÊt phong phó trong mäi lÜnh vùc nhê kh¶ n¨ng lËp tr×nh cao cña thiÕt bÞ. 1.3.2. øng dông bé vi ®iÒu khiÓn trong PLC. Vi ®iÒu khiÓn trong bé PLC lµ h¹t nh©n ®iÒu hµnh vµ kiÓm so¸t mäi thao t¸c tõ ®äc d÷ liÖu ®Çu vµo råi xö lý vµ ®iÒu hµnh qu¸ tr×nh ®−a d÷ liÖu ra. ThiÕt bÞ PLC ®−îc t¹o lªn tõ hÖ vi ®iÒu khiÓn vµ c¸c m¹ch ®iÖn chèt, chuyÓn møc ®iÖn ¸p vµ mét cæng truyÒn RS232 ®Ó ®äc ra vµ ®−a vµo ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn. Nh− vËy bé vi ®iÒu khiÓn trong PLC quyÕt ®Þnh mäi sù ho¹t ®éng cña PLC. KÕt luËn: ë phÇn I nµy chóng ta ®· ®i t×m hiÓu mét sè kh¸i niÖm chung vµ mét sè kiÕn thøc cã liªn quan tíi PLC vµ bé vi ®iÒu khiÓn. §Ó t×m hiÓu vµ x©y dùng cô thÓ bé vi ®iÒu khiÓn vµ thiÕt bÞ PLC sÏ ®−îc ®Ò cËp ë phÇn sau. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 11 [ PhÇn II: GIíI thiÖu hä vi ®iÒu khiÓn mcs-51 §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 12 [ Vi ®iÒu khiÓn 8031 cã nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc tr−ng nh−: §¬n vÞ xö lý trung t©m 8bit ®· ®−îc tèi −u ho¸ ®Ó ®¸p øng c¸c chøc n¨ng ®iÒu khiÓn. - Khèi logic xö lý theo bit thuËn thiÖn cho c¸c phÐp to¸n Boolear. - Bé t¹o giao ®éng gi÷ nhÞp bªn trong ( ®Õn 12 MHZ). - TËp lÖnh rÊt phong phó. - Giao diÖn nèi tiÕp cã kh¶ n¨ng ho¹t ®éng song song ®ång bé (UART). 16(32) ®−êng dÉn vµo/ra 2 h−íng vµ tõng ®−êng dÉn cã thÓ ®−îc ®Þnh ®Þa chØ 1 c¸ch t¸ch biÖt. - N¨m nguån ng¾t víi hai møc −u tiªn. - Dung l−îng bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi ( ROM) cã thÓ ®Õn 64 KB. - Dung l−îng bé nhí d÷ liÖu ( RAM ) bªn ngoµi ®Õn 64KB. - Dung l−îng bé nhí RAM trong 128byte. - Hai bé ®Õm ®Þnh thêi 16 bit. - Bus vµ khèi ®Þnh thêi t−¬ng thÝch víi c¸c khèi ngo¹i vi cña bé vi xö lý 8085/88. - TÊt c¶ c¸c vi ®iÒu khiÓn cña dßng vi ®iÒu khiÓn MCS - 51 ®Òu cã chung bé lÖnh. NÕu ®é lín cña ch−¬ng tr×nh võa trong mét chip ROM vµ nÕu Ram trong ®Çy ®ñ th× vi ®iÒu khiÓn 8031 kh«ng yªu cÇu thªm logic ®Ó thi hµnh kÕt thóc ®iÒu khiÓn hÖ thèng. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 13 [ 2.1. CÊu t¹o chung cña hä vi xö lý 8031. Vi xö lý 8031 lµ vi xö lý thuéc hä 8051 do h·ng Intel chÕ t¹o cã s¬ ®å ch©n chuÈn nh− sau: * 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 Vcc P0.0 ADO P0.1 AD1 P0.2 AD2 P0.3 AD3 P0.4 AD4 P0.5 AD5 P0.6 AD6 P0.7 AD7 EA / Vpp ALE / PROG PSEN P2.7 A15 P2.6 A14 P2.5 A13 P2.4 A12 P2.3 A11 P2.2 A10 P2.1 A 9 P2.0 A 8 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.6 P1.6 P1.7 RST RXD P3.0 TXD P3.1 INTO P3.2 INT1 P3.3 TO P3.4 T1 P3.5 WR P3.6 RD P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss MCS 8031 .DIP40 §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 14 [ Ch©n KÝ hiÖu Chøc n¨ng 1 8 P1.0 P1.7 Cæng gi¶ 2 h−íng (quasi - biderectional)P1 Tù do sö dông 9 Reset Nèi vµo RST, khi ho¹t ®éng ë møc Hight 10 17 P3.09 P3.7 Cæng gi¶ 2 h−íng P3. XÊp xÕp tÊt c¶ c¸c chøc n¨ng ®Æc biÖt. 18 19 20 XTAL2 XTAL1 Vss Lèi ra cña bé giao ®éng th¹ch anh bªn trong Lèi vµo cña bé giao ®éng th¹ch anh bªn trong Nèi ®Êt. 21 28 P2.0 P2.7 Cæng gi¶ 2 h−íng P.2. Chøc n¨ng ®Æc biÖt: c¸c ®−êng dÉn ®Þa chØ A8.A15 29 PSEN Progam strobe Enable, xuÊt ra c¸c xung ®äc dïng cho bé nhí cña ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi 30 ALE Address Latch Enable, xuÊt ra c¸c xung ®iÒu khiÓn l−u tr÷ kh«ng gian c¸c ®Þa chØ. 31 EA External Access: møc Low th× lµm viÖc víi bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi. 32 39 P0.7 P0.1 Cæng 2 h−íng cùc m¸ng hë PO hoÆc Bus d÷ liÖu h−íng dïng cho Ram, Ram vµ thiÕt bÞ ngo¹i vi bªn ngoµi. Còng chuyÓn giao c¶ 8 bit phÝa d−íi cña ®Þa chØ A0 - A7 40 Vcc Nguån nu«i +5V §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 15 [ 2.2. CÊu tróc bªn trong cña 8031. c¸c ng¾t ngoµi c¸c sù kiÖn cÇn ®Õm NGuåN NG¾t TRONG xtal1 xtal2 psen ale D÷ liÖu, §Þa chØ ®Þa chØ møc cao møc thÊp. PhÇn chÝnh cña vi m¹ch lµ ®¬n vÞ xö lý trung t©m ( CPU: Central processing Unit), ®¬n vÞ nµy cã chøa: +. Thanh ghi tÝch lòy ( kÝ hiÖu lµ A). +. Thanh ghi tÝch luü phô (B) dïnngcho phÐp nh©n vµ chia. +. §¬n vÞ logic (ALU: Arithmetic Logical Unit) +. Tõ tr¹ng th¸i ch−¬ng tr×nh ( PSW: Progam Status Word) +. Bèn b¨ng thanh ghi. Ram trong 128 byte ram thanh ghi sfr timer o timer 1 ®iÒu khiÓn ng¾t cpu bé dao ®éng qu¶n lý bus p 0 r t 0 p 0 r t 2 p 0 r t 1 txd rxd p 0 r t 3 cæng nèi tiÕp §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 16 [ +. Con trá ng¨n xÕp (SP) còng nh− con trá d÷ liÖu ®Ó ®Þnh ®Þa chØ cho bé nhí d÷ liÖu ngoµi. +. Ngoµi ra ë ®©y cßn cã: Bé ®Õm ch−¬ng tr×nh (PC), bé gi¶i m· lÖnh, bé ®iÒu khiÓn thêi gian vµ logic. §¬n vÞ xö lý th«ng tin nhËn trùc tiÕp xung nhÞp tõ bé t¹o dao ®éng ®−îc l¾p thªm vµo, linh kiÖn phô trî cã thªm lµ mét khung dao ®éng b»ng vËt liÖu gèm hoÆc mét céng h−ëng b»ng th¹ch anh. Ch−¬ng tr×nh ®ang ch¹y cã thÓ dõng l¹i nhê mét khèi logic ng¾t ë bªn trong. C¸c nguån ng¾t cã thÓ lµ: C¸c biÕn cè ë bªn ngoµi, sù trµn bé ®Õm/ ®Þnh thêi hoÆc còng cã thÓ lµ giao diÖn nèi tiÕp. Bé vi xö lý 8031 nhËn ®−îc ch−¬ng tr×nh ®iÒu hµnh cña nã tõ mét bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi, 8031 cã 128 bytes RAM bªn trong ®Ó cã thÓ x¾p xÕp c¸c d÷ liÖu vµ th«ng tin ®iÒu khiÓn. 8031 cã 2 bé ®Þnh thêi 16 bit, chóng còng ®−îc xö dông nh− lµ bé ®Õm sù kiÖn. 8031 cã 4 cæng réng 8 bit, ®éc lËp víi nhau, cæng P.0 dïng ®Ó truyÒn nöa d−íi cña c¸c ®Þa chØ vµ còng dïng cho c¸c d÷ liÖu 8 bit. Cæng P.2 ®Ó truyÒn nöa trªn cña c¸c ®Þa chØ. ë cæng P.3 cßng cã thªm c¸c ®−êng dÉn ®iÒu khiÓn dïng ®Ó trao ®æi tin víi bé nhí ngoµi, ®Ó ®Êu nèi giao diÖn nèi tiÕp còng nh− c¸c ®−êng dÉn ng¾t bªn ngoµi. Giao diÖn nèi tiÕp cã chøa mét bé truyÒn vµ mét bé nhËn kh«ng ®ång bé, lµm viÖc ®éc lËp víi nhau. B»ng c¸ch ®Êu nèi víi c¸c bé ®Öm thÝch hîp, ta cã thÓ h×nh thµnh mét cæng nèi tiÕp RS - 232 ®¬n gi¶n. Tèc ®é truyÒn qua cæng nèi tiÕp cã thÓ ®−îc ®Æt trong mét vïng réng vµ ®−îc Ên ®Þnh b»ng mét bé ®Þnh thêi. 2.3. Ho¹t ®éng víi bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoμi cña VXL 8031. H×nh vÏ sau chØ ra mét s¬ ®å nguyªn t¾c cÊu tróc mét m¹ch ®iÖn dïng víi bé VXL 8031 vµ bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi cïng víu bé chèt ( latch) 8 bit. §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 17 [ ROM: Read Only Memorry Mét vµi vi xö lý hä MCS 8051 cã nhí ROM trong,nh−ng 8031 kh«ng cã bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn trong do ®ã ho¹t ®éng ®−îc th× 8031 ph¶i lµm viÖc víi bé nhí ch−¬ng tr×nh ngoµi(ROM ngoµi). Khi lµm viÖc víi bé nhí ch−¬ng tr×nh ngoµi ch©n EA cña vi xö lý 8031 ph¶i ®−îc nèi Mass.VXL8031 cã thÓ ®Þa chØ ho¸ ®−îc 64KB bé nhí ch−¬ng tr×nh ngoµi. Khi lÊy d÷ liÖu tõ ROM vi xö lý 8031 thùc hiÖn c¸c b−íc sau: - §−a ®Þa chØ byte thÊp (A0 ÷ A7) lªn bus d÷ liÖu. - Chèt c¸c ®Þa chØ b»ng m¹ch ngoµi. ViÖc nµy thùc hiÖn b»ng c¸ch lËp xung chèt qua ch©n ALE cho m¹ch chèt ngoµi. §−a ®Þa chØ byte cao ®Õn ROM (nÕu cÇn) cho phÐp ROM ®−a d÷ liÖu lªn bus d÷ liÖu . Khi ®äc d÷ liÖu tõ ROM vi xö lý sÏ ®−a ch©n PSEN suèng møc thÊp. Vi xö lý 8031 cã thÓ ®Þa chØ ho¸ ®−îc 64KB bé nhí ch−¬ng tr×nh ngoµi nªn ta cã thÓ cho ROM 64KB. §iÓn h×nh lµ lo¹i 2764 gåm c¸c ch©n nh− sau: - A0 ÷ A12 lµ c¸c ch©n ®Þa chØ - D0 ÷ D7 c¸c ch©n d÷ liÖu. - OE (Out Enable) ch©n cho phÐp d÷ liÖu ra khi ch©n OE ë møc thÊp th× ROM cho d÷ liÖu lªn bus d÷ liÖu cña vi xö lý. P2 P1 P3 CHèT ALE D0..D7 A0..A7 ROM A8..A15 OE 8031 Psen EA P0 §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 18 [ 2.4. Truy nhËp lªn bé nhí ch−¬ng tr×nh cña 8031. H×nh vÏ sau ®©y chØ ra diÔn biÕn mét qu¸ tr×nh truy nhËp lªn bé nhí ch−¬ng tr×nh cña 8031. Bé lÖnh cña VXL 8031 nhËn biÕt 2 ®é dµi lÖnh kh¸c nhau. PhÇn lín c¸c lÖnh ®−îc VXL trong ph¹m vi cña mét chu tr×nh m¸y, sè Ýt c¸c lÖnh cßn l¹i cÇn cã 2 chu tr×nh m¸y, Mét chu tr×nh m¸y b»ng 12 chu kú dao ®éng cña tÝn hiÖu gi÷a nhÞp. Trong mét chu tr×nh m¸y, ®−êng dÉn ®iÒu khiÓn ALE cã 2 lÇn chuyÓn tr¹ng th¸i ®−îc kÝch ho¹t, ngay c¶ khi do cã lÖnh ®ang ®−îc thùc hiÖn nªn chØ cÇn cã mét chu tr×nh. ChØ sù truy nhËp viÕt hoÆc ®äc lªn bé nhí d÷ liÖu bªn ngoµi, n¬i kh«ng cÇn ®Õn mét chu tr×nh ALE lµ mét tr−êng hîp ngo¹i lÖ. Kh«ng cã bé nhí d÷ liÖu bªn ngoµi, tÇn sè ALE còng lµ h»ng sè ( OSC/6). TÝn hiÖu ALE trong tr−êng hîp nµy cã thÓ sö dông lµm tÝn hiÖu gi÷ nhÞp cho c¸c m¹ch bªn ngoµi. Trong chu tr×nh ALE ®−îc kÝch ho¹t ë møc Hight, bé VXL ®Æt ë trong ®−êng dÉn ®Þa chØ phÝa d−íi ®Ó truy nhËp lªn bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi lªn Bus chung dïng cho d÷ liÖu vµ ®Þa chØ. Sau ®ã khi cã s−ên dèc xuèng trªn xung tÝn hiÖu ALE th× néi dung cña ®Þa chØ thÊp nµy ®−îc chuyÓn vµo bé nhí trung gian. A0..A7 A0..A7I ALE PSEN INST P0 INST INST A8..A15 P2 A8..A15 A8..A15 §¹i Häc S− Ph¹m Kü ThuËt H−ng yªn ThiÕt kÕ hÖ PLC Lª Thμnh S¬n \ 19 [ B»ng viÖc x¾p xÕp c¸c ®Þa chØ phÝa d−íi vµo Bus d÷ liÖu, c¸c ®−êng dÉn ®Þa chØ A8 ®Õn A15 ®−îc xÕp vµo cæng P2 møc cu¶ c¸c ®−êng dÉn nµy gi÷ nguyªn æn ®Þnh cho ®Õn khi kÕt thóc chu tr×nh truy nhËp lÖnh. Khi xung tÝn hiÖu cña ALE cã ®o¹n dèc xuèng th× bé VXL ®Æt ®−êng dÉn ®iÒu khiÓn PSEN cña nã vµo møc Low. Sau mét vµi chu tr×nh gi÷ nhÞp, bé nhí ch−¬ng tr×nh bªn ngoµi cÇn ph¶i s¾p xÕp c¸c d÷ liÖu( c¸c lÖnh) cña nã lªn Bus d÷ liÖu vµ Bus ®Þa chØ chung. Sau ®ã b»ng s−ên dèc lªn cña P