7.   Các phép toán logic

7.1   Ngăn xếp (logic stack) trong S7-200

Trong các CPU S7-200 có một ngăn xếp gồm 9 bit, chúng được sử dụng cho các câu lệnh mà dữ liệu là dạng bit. Khi viết chương trình dạng STL thì người lập trình cần hiểu rõ về phương thức hoạt động của các bit trong ngăn xếp. Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với bit đầu và bit thứ hai của ngăn xếp. Giá trị logic mới đều có thể được gửi (hoặc được nối thêm) vào ngăn xếp. Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp, thì ngăn xếp sẽ được kéo lên một bit. Ngăn xếp và tên của từng bit trong ngăn xếp được biểu diễn dưới đây:

Trong 9 Stack, thì Stack 0 là ngăn xếp quan trọng nhất. Giá trị logic của nó sẽ là kết quả của phép toán logic. Hay nói khác đi, sau một phép toán logic nhị phân thì kết quả của phép toán sẽ được lưu ở Stack 0. Nếu giá trị logic ở Stack 0 có giá trị là “0” thì kết quả thu được là “0”, tương tự nếu có giá trị là “1” thì kết quả thu được là “1”.

Ngoài ra giá trị logic “1” của Stack 0 còn là điều kiện bắt buộc cho việc thi hành đối với một số lệnh.

7.2   Các phép toán logic cơ bản

Trong phần này trình bày các phép toán đối với dữ liệu là bit. Trước tiên là phần lý thuyết sau đó tới ví dụ và chương trình. CPU sử dụng trong các ví dụ là loại DC/DC/DC (nguồn cung cấp cho ngõ vào, ra và CPU là 24Vdc).

Vì phần soạn thảo chương trình đã được trình bày ở chương 6, nên trong phần này không trình bày lại. Bạn đọc có thể xem mục 6.4.12 của chương 6 để thực hiện cho các ví dụ ở chương này và các chương tiếp theo.

Chương này chủ yếu trình bày về các phép toán liên quan đến bit hay còn gọi là phép toán nhị phân. Vì vậy khi viết chương trình, ta chỉ lấy các phần tử trong bit logic  của cây lệnh.

7.2.1    Phép toán AND

Phép toán AND được sử dụng khi có yêu cầu điều khiển là trạng thái của 2 hay nhiều tín hiệu đồng thời xảy ra thì sẽ thực hiện một nhiệm vụ điều khiển nào đó.

Ví dụ 7.1: Đèn H1 sẽ sáng nếu đồng thời cả 2 công tắc S1 và S2 ở trạng thái đóng mạch. Đèn tắt khi 1 trong 2 công tắc hở mạch.

7.2.2    Phép toán OR

Phép toán OR sẽ được sử dụng khi trạng thái của một trong hai (hoặc nhiều) tín hiệu thỏa mãn điều kiện của yêu cầu điều khiển thì sẽ thực hiện một nhiệm vụ điều khiển nào đó.

Ví dụ 7.2: Có 2 công tắc S3 và S4 đều là thường hở. Hãy viết chương trình sao cho nếu một trong 2 công tắc đóng lại thì đèn H2 sẽ sáng. Đèn tắt khi cả 2 công tắc đều mở.

7.2.3       Tổ hợp các cổng AND và OR

Trong thực tế, các đối tượng điều khiển phụ thuộc vào một tổ hợp các liên kết logic AND và OR. Tùy theo liên kết nào đứng trước mà sẽ có các lệnh ở STL khác nhau.

7.2.3.1     AND trước OR

Để thực hiện phép OR hai liên kết AND lại với nhau thì trong chương trình viết ở dạng STL phải sử dụng thêm lệnh OLD.

Ví dụ 7.3:

7.2.3.2    OR trước AND

Để thực hiện phép AND hai liên kết OR lại với nhau thì trong chương trình viết ở dạng STL phải sử dụng thêm lệnh ALD.

7.2.4    Phép toán XOR

Phép toán XOR được sử dụng khi có 2 tín hiệu mà nếu chúng có cùng trạng thái thì ngõ ra sẽ xuống mức 0 còn nếu 2 tín hiệu này khác trạng thái thì ngõ ra sẽ lên mức 1.

Ví dụ 7.5: Ở sơ đồ hình 7.8a, mỗi một nút nhấn được gắn 2 tiếp điểm (1NO và 1NC), khi tác động nút nhấn thì cả 2 tiếp điểm này tác động theo. Đèn sáng nếu tác động chỉ một trong hai công tắc S1 hoặc S2.

7.3   Xử lý các tiếp điểm, cảm biến được nối với ngõ vào PLC

Một vấn đề quan trọng đối với người mới làm quen với chương trình PLC là việc xác định đúng trạng thái các loại tiếp điểm được viết ở LAD. Đặc biệt là các tiếp điểm ngõ vào.

Các cảm biến, công tắc hoặc nút nhấn thường có hai dạng là thường đóng (NC), hoặc thường hở (NO). Vì các ngõ vào số được nối với các đối tượng này nên các tiếp điểm trong chương trình, tùy theo trường hợp, cũng  sẽ có dạng tương ứng. Tuy nhiên, để dễ dàng phân biệt ta không nên gọi các tiếp điểm trong chương trình là thường đóng hoặc thường mở. Qui ước đặt tên cho các tiếp điểm trong chương trình như sau:

Để rõ hơn trạng thái các tiếp điểm được nối với ngõ vào số và kết quả xử lý chương trình trong PLC, ta xem bảng 7.1.

Từ bảng này, ta có một số nhận xét như sau:

1. Ngõ vào có logic “1” khi ngõ vào có điện áp.

Ví dụ sau đây sẽ làm sáng tỏ hơn về việc xử lý các tiếp điểm nối với ngõ vào.

Ví dụ 7.6: Trong 3 mạch dưới đây (hình 7.10), đèn H1 sẽ sáng khi ấn nút nhấn S1 và không ấn nút nhấn S2.

Từ ví dụ ta nhận thấy dù ngõ vào được nối với loại nút nhấn nào cũng vẫn có thể lập chương trình để thỏa mãn được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên việc sử dụng các tiếp điểm thường mở hoặc thường đóng trong quá trình điều khiển phụ thuộc vào các qui tắc an toàn.

Các tiếp điểm thường đóng luôn luôn được sử dụng cho công tắc hành trình và công tắc an toàn, để khống chế sự nguy hiểm nếu dây điện bị đứt trong mạch điện cảm biến.

Các tiếp điểm thường đóng cũng được dùng để tắt máy vì lý do tương tự như trên.

7.4    Ví dụ ứng dụng các liên kết logic

Phần này trình bày một số ví dụ ứng dụng nhỏ sử dụng các liên kết logic. Ở một số ví dụ có trình bày mạch điều khiển thông thường với kiểu nối dây khi không dùng PLC để chúng ta thấy sự giống nhau và khác nhau giữa 2 kiểu điều khiển.

7.4.1    Mạch tự duy trì ưu tiên mở máy

Mạch điều khiển dùng contactor có chức năng nhớ là mạch tự duy trì.

Trong trường hợp nếu cả hai nút nhấn mở máy S1 và dừng S2 cùng tác động mà contactor có điện thì là mạch tự duy trì ưu tiên mở máy.

7.4.2    Mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy

Trong trường hợp nếu cả hai nút nhấn mở máy S1 và dừng S2 cùng tác động mà contactor không có điện thì là mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy.

7.4.3    Điều khiển ON/OFF động cơ có chỉ báo

Một động cơ điện 3 pha được điều khiển bằng một PLC S7-200. Khi nhấn nút S2 (thường hở) thì động cơ sẽ chạy. Khi nhấn nút S1 (thường đóng) thì động cơ sẽ dừng lại. Các chế độ hoạt động chạy và dừng được báo bằng 2 đèn báo H1 và H2.

Các thiết bị động lực gồm có:

• Cầu chì 3 pha F1
• CB bảo vệ động cơ (Motor CB) Q1
• Contactor K1

Khi điều khiển dùng PLC thì mạch động lực vẫn giữ nguyên. Phần mạch điều khiển được biến đổi thành chương trình. Cần chú ý rằng các thiết bị điện như nút nhấn, CB, đèn báo đều giữ nguyên không thay đổi.

Nếu ta sử dụng PLC S7-200 loại DC/DC/DC thì ngõ ra của PLC cần phải kết nối với một relay trung gian K11 sử dụng nguồn 24Vdc. Relay này được dùng để đóng điện cho cuộn dây contactor K1 (hình 7.15). Riêng các đèn báo ta có thể thay thế bằng loại 24Vdc nhằm tiết kiệm relay trung gian.

Chú ý: Cũng có thể sử dụng loại CPU DC/DC/RLY, thì ngõ ra của nó có thể kết nối trực tiếp với cuộn dây K1. (xem thêm chương 5 về nối dây PLC với ngoại vi).

7.4.4    Điều khiển đảo chiều quay động cơ

Một động cơ điện 3 pha cần được điều khiển đảo chiều. Khi ấn S1 (thường hở) thì động cơ sẽ quay phải và đèn H1 sáng báo động cơ đang quay phải. Khi nhấn nút S2 (thường hở) thì động cơ quay trái và đèn H2 sáng báo động cơ đang quay trái. Động cơ có thể dừng bất cứ lúc nào nếu ấn nút dừng S3 (thường đóng) hoặc động cơ xảy ra sự cố quá dòng làm cho tiếp điểm của thiết bị bảo vệ Q1 tác động (tiếp điểm 13, 14 của Motor CB). Khi động cơ dừng đèn báo H3 sáng.

Tương tự như mục 7.4.3, ta sử dụng PLC S7-200 loại DC/DC/DC, ngõ ra của PLC điều khiển quay phải kết nối với relay trung gian K11, ngõ ra của PLC điều khiển quay trái kết nối với relay trung gian K21 sử dụng nguồn 24Vdc. Các relay này được dùng để đóng điện cho cuộn dây contactor K1 và K2 (hình 7.17). Riêng các đèn báo ta có thể thay thế bằng loại 24Vdc nhằm tiết kiệm relay trung gian.

Chú ý: Trong các điều khiển có đảo chiều quay thì tại các ngõ ra PLC điều khiển 2 chiều quay của động cơ ta cần phải nối thêm 2 tiếp điểm thường đóng khóa chéo nhau của 2 contactor (hoặc relay) để đảm bảo an toàn.

Chương trình PLC:

Biểu diễn ở LAD và STL:

7.5   Bit nhớ M (bit memory)

Trong thiết kế các chương trình điều khiển, ta có thể có một số lượng lớn các logic được liên kết với nhau. Ví dụ như mạch sau:

Với các liên kết logic như thế này thì việc tìm lỗi rất khó khăn. Để dễ dàng hơn trong lập trình và tìm lỗi, thì các kết quả trung gian sẽ được lưu vào một ô nhớ. Trong S7-200 thì các ô nhớ này là bit memory (M).

Trong S7-200 có 32 byte nhớ M (từ M0.0 đến M31.7). Chúng được xem như là các ngõ ra trung gian. Khi mất nguồn cấp thì nội dung được nhớ trong các bit nhớ M có thể bị mất hoặc vẫn còn giữ lại tùy thuộc vào việc đặt thuộc tính cho vùng nhớ này là retentive (nhớ lâu dài) hay non-retentive (không nhớ lâu dài).

* Bit memory có thuộc tính Retentive: Các bit có thuộc tính này đều giữ lại giá trị của nó khi nguồn cung cấp bị mất. Nghĩa là nếu trước khi bị mất điện, ô  nhớ M có giá trị nào thì nó vẫn giữ nguyên giá trị đó khi PLC bị mất điện. Các ô nhớ được ứng dụng để nhớ các trạng thái hoạt động của máy móc hay thiết bị trước khi bị mất điện. Ở lần khởi động kế tiếp thì các máy móc hay thiết bị có thể tiếp tục làm việc tại vị trí trước lúc mất điện. Vùng retentive được thiết lập bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng system Block   hoặc vào menu View > Component > System Block. Chọn mục Retentive Ranges. Nếu chọn thẻ defauls thì tất cả các vùng nhớ có thuộc tính retentive đều theo chuẩn của nhà sản xuất. Đối với vùng nhớ M thì bắt đầu từ byte MB14 đến MB31. Tuy nhiên chúng ta vẫn có thể đặt lại theo ý muốn (hình 7.18).

* Bit memory có thuộc tính non-retentive: Giá trị các bit này bị xóa khi PLC mất nguồn cung cấp. Theo chuẩn nhà sản xuất thì ta có MB0 đến MB13 ở thuộc tính non-retentive.

Hình 7.18: Màn hình thiết lập retentive memory.

Khi sử dụng bit memory (M), ta có thể làm cho chương trình dễ đọc hơn.

Sơ đồ mạch như hình 7.19.

7.6   Các lệnh SET, RESET và mạch nhớ RS

7.6.1    Lệnh SET

Lệnh SET (S) là lệnh thông dụng rất thường được sử dụng và lệnh này đều có trong hầu hết các PLC. Lệnh Set sẽ đặt trạng thái của một hoặc nhiều bit (thuộc vùng nhớ V, M, Q, T, C, SM, L) có địa chỉ liên tục lên mức 1 và duy trì ở trạng thái này cho đến khi bị xóa bằng một lệnh khác. Chúng ta có thể Set một lần tối đa tới 255 bit. Lệnh SET chỉ được thực hiện khi Stack 0 có giá trị logic “1”.

Khi tín hiệu tại I0.0 xuống mức 0 thì 3 ngõ ra Q0.0, Q0.1, Q0.2 vẫn duy trì ở mức 1.

7.6.2    Lệnh RESET (R)

Lệnh Reset (R) đặt trạng thái của một hoặc nhiều bit có địa chỉ liên tục xuống mức 0. Tương tự như lệnh Set chúng ta có thể Reset tới 255 bit nhớ thuộc các vùng nhớ V, M, Q, T, C, SM, L. Lệnh RESET chỉ được thực hiện khi Stack 0 có giá trị logic “1”.

7.6.3   Mạch nhớR-S

7.6.3.1 Ưu tiên SET (khâu SR)

Biểu diễn ở LAD:

Nếu cả hai điều kiện cho S và R lên mức logic “1” thì ngõ ra OUT là “1”.

7.6.3.2 Ưu tiên RESET (khâu RS)

Khâu RS tương đương với mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy trong điều khiển dùng contactor.

7.6.4    Các qui tắc khi sử dụng Set và Reset

Khi sử dụng với các lệnh S và R trong chương trình PLC cần chú ý các qui tắc sau:

• Các điều kiện làm cho đối tượng điều khiển ở mức tích cực (logic “1”)được sử dụng với lệnh S.
• Các điều kiện làm cho đối tượng điều khiển ở mức không tích cực (logic “0”) được sử dụng với lệnh R.
• Khi viết lệnh S cho một đối tượng điều khiển thì nhất thiết (tùy theo yêu cầu công nghệ) phải có một lệnh R cho đối tượng điều khiển đó.
• Nếu lệnh S được viết trước lệnh R thì kết quả thu được sẽ là kết quả của lệnh R nếu cả hai điều kiện cho S và R cùng ở mức logic “1” nghĩa là đối tượng điều khiển ở mức logic “0”.
• Nếu lệnh R được viết trước lệnh S thì kết quả thu được sẽ là kết quả của lệnh S nếu cả hai điều kiện cho S và R cùng ở mức logic “1” nghĩa là đối tượng điều khiển ở mức logic “1”.
• Khi đã viết chương trình với lệnh S thì không được sử dụng tiếp điểm tự duy trì (loại bỏ tiếp điểm tự duy trì).
• Tùy theo công nghệ khi sử dụng các điều kiện cho lệnh R thì ở trạng thái bình thường các điều kiện này phải có mức logic “0”.

7.6.5    Ví dụ ứng dụng mạch nhớ R-S

Ví dụ 7.7 : Mạch ưu tiên mở máy.

Yêu cầu của mạch ưu tiên mở máy như ở mục 7.4.1, tuy nhiên cần phải sử dụng mạch nhớ R-S khi lập trình.

Để tránh lập lại ta sử dụng lại bảng ký hiệu và sơ đồ nối dây PLC ở mục 7.4.1

Phân tích: Theo yêu cầu của mạch ta có các nhận xét sau:

Ví dụ 7.8 : Mạch ưu tiên dừng máy.

Yêu cầu của mạch ưu tiên dừng máy như ở mục 7.4.2, tuy nhiên cần phải sử dụng mạch nhớ R-S khi lập trình.

Để tránh lập lại ta sử dụng lại bảng ký hiệu và sơ đồ nối dây PLC ở mục 7.4.2

Ví dụ 7.9 : Mạch đảo chiều quay động cơ.

Để đơn giản và dễ hiểu, ví dụ này lấy lại yêu cầu công nghệ của mạch điều khiển đảo chiều quay ở mục 7.4.4. Tuy nhiên cần phải sử dụng mạch nhớ R-S khi lập trình.

Để tránh lập lại ta sử dụng lại bảng ký hiệu và sơ đồ nối dây PLC ở mục 7.4.4. Phân tích: Theo yêu cầu công nghệ ta có các nhận xét sau:

1. Đối với contactor K1 (được đóng điện gián tiếp bởi K11).
   • Điều kiện Set (làm cho K1 có điện): Nút nhấn S2 được ấn. Tuy nhiên vì lý do an toàn K2 mất điện mới được phép mở máy nên phải kết hợp thêm điều kiện K2 mất điện.

7.7   Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu và lệnh NOT

Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu và lệnh NOT thực hiện các thuật toán đặc biệt trên bit đầu tiên của ngăn xếp (Stack 0).

7.7.1    Lệnh NOT

Lệnh NOT đảo giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp (Stack 0). Nếu sau một phép toán nhị phân mà sử dụng lệnh NOT thì kết quả sẽ bị đảo lại. Nghĩa là nếu kết quả phép toán nhị phân làm cho Stack 0 có giá trị logic “1” thì lệnh NOT sẽ cho kết quả là “0”, và ngược lại.

– Kết hợp lệnh NOT sau các cổng logic như OR, AND, XOR ta thu được các cổng NOR, NAND, XNOR.

Ví dụ:

• Cổng NAND với 2 ngõ vào I0.0 và I0.1 và ngõ ra Q0.0 là:

7.7.2   Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu

Hai lệnh nhận biết cạnh tín hiệu là lệnh nhận biết cạnh lên (EU) và nhận biết cạnh xuống (ED).

Lệnh nhận biết cạnh lên (EU) sẽ đặt giá trị logic “1” vào bit đầu tiên của Stack 0 trong một chu kỳ quét chương trình khi phát hiện sự chuyển trạng thái từ 0 lên 1 trong Stack 0. Còn các trường hợp khác nó sẽ đặt Stack 0 về “0”.

Lệnh nhận biết cạnh xuống (ED) sẽ đặt giá trị logic “1” vào bit đầu tiên của Stack 0 trong một chu kỳ quét chương trình khi phát hiện sự chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 trong Stack 0. Còn các trường hợp khác nó sẽ đặt Stack 0 về “0”.

Ví dụ: Lấy cạnh lên của I0.0 xuất ra Q0.0, còn cạnh xuống xuất ra Q0.1.

Hình 7.20: Giản đồ thời gian của ví dụ lấy cạnh lên và xuống của tín hiệu.

Ví dụ 7.10: Viết chương trình điều khiển đơn giản cho băng tải sản phẩm (hình 7.21). Khi sản phẩm A được vận chuyển đến vị trí cần thao tác thì băng tải dừng lại (được phát hiện bởi cảm biến CB1). Ấn nút S1 thì băng tải tiếp tục hoạt động cho đến khi nào một sản phẩm đến đúng vị trí thì dừng lại. Quá trình cứ lặp lại như trên.

7.8   Các Bit nhớ đặc biệt (Special Memory bits)

Các bit nhớ SM (Special memory bits) cung cấp nhiều chức năng trạng thái và điều khiển, cũng như cung cấp thông tin truyền thông giữa S7-200 và chương trình. Các bit nhớ đặc biệt có thể được sử dụng ở dạng bits, bytes, words và double words. Trong phần này chỉ trình bày các bit trạng thái của SMB0. Còn các bit nhớ SM khác sẽ được trình bày ở mỗi chương tương ứng trong quyển sách này và ở quyển tiếp theo (tập 2).

SMB0 chứa tám bit trạng thái và được cập nhật ở mỗi chu kỳ quét của S7-200. Đây là các bit nhớ chỉ đọc.

7.9       Câu hỏi và bài tập

Các bài tập ứng dụng giả sử dùng CPU 224 DC/DC/DC để điều khiển.

BT7.1       An toàn cho lò hơi

BT7.3           Băng tải chuyển vật liệu

Một thiết bị băng tải dùng để chuyển vật liệu từ thùng chứa vào xe goòng. Hãy viết chương trình sao cho: Khi bật công tắc khởi động S0 (NO), thì đèn H0 sáng báo hệ thống sẵn sàng làm việc. Khi nhấn nút S1 (NO) động cơ M1 chạy kéo băng tải và nguyên liệu trong thùng chứa được vận chuyển theo băng tải. Khi nhấn nút dừng S2 (NC) thì băng tải dừng lại. Khi xảy ra sự cố quá dòng (tiếp điểm nhiệt F3 (NC) tác động) thì động cơ sẽ dừng lại.

Hình 7.24 Băng tải chuyển vật liệu

• Bảng ký hiệu:

BT7.4           Điều khiển cổng ra vào

Một cổng ở công ty cần được điều khiển ở 2 chế độ tay và tự động nhờ một công tắc chọn S0 có 2 vị trí :

• Ở chế độ tay: Nhấn nút mở S1 (NO) thì động cơ M1 quay phải và cổng mở ra, nếu thả tay ra thì động cơ dừng lại. Tuy nhiên, nếu cổng mở ra đụng công tắc hành trình giới hạn mở S3 (NC) thì cũng dừng lại. Tương tự, nếu nhấn nút đóng S2 (NO) thì động cơ M1 quay trái và cổng đóng lại, nếu thả tay ra thì động cơ dừng lại. Nếu đụng công tắc hành trình giới hạn đóng S4 (NC) thì cổng cũng dừng lại.
• Ở chế độ tự động: Nhấn nút mở thì cửa sẽ mở cho tới khi đụng công tắc hành trình giới hạn mở S3 mới dừng lại. Khi nhấn nút đóng, cổng sẽ đóng lại cho tới khi đụng công tắc hành trình đóng S4 mới dừng lại.
• Có thể dừng quá trình đóng hoặc mở bất cứ lúc nào nếu nhấn nút dừng S5 (NC) hoặc động cơ bị quá tải (tiếp điểm nhiệt F3 (NC) tác động ).
• Trong quá trình đóng hoặc mở một đèn báo H1 sẽ sáng lên báo cổng đang hoạt động. Hãy :
• Viết 2 chương trình con: Sub0 cho chế độ tay và Sub1 cho chế độ tự động.
• Vẽ sơ đồ nối dây phần cứng
  5. Sơ đồ công nghệ:

BT7.5           Điều khiển xe rót vật liệu vào bồn chứa

Một xe kéo dùng để rót vật liệu vào bồn chứa. Khi bật công tắc khởi động S0 (NO) thì đèn H0 sáng báo hệ thống sẵn sàng làm việc. Khi nhấn nút S1 (NO), động cơ M1 có điện kéo xe di chuyển lên, đồng thời đèn H1 chớp sáng với tần số 1Hz. Khi xe lên tới vị trí trên cùng đụng phải công tắc hành trình S4 (NC) thì dừng lại. Nhấn nút S2 (NO) động cơ M1 đảo chiều và kéo xe di chuyển xe xuống, đồng thời đèn báo H2 chớp với tần số 1Hz. Khi xe đến vị trí cuối cùng đụng phải công tắc hành trình S3 (NC) thì dừng lại. Khi động cơ M1 có sự cố quá dòng (tiếp điểm nhiệt F3 (NC) tác động) thì động cơ sẽ dừng lại) và đèn H0 sẽ chớp sáng với tần số 1Hz.. Quá trình mới được khởi động khi bật lại công tắc S0. Hãy:

• Viết chương trình điều khiển
• Vẽ sơ đồ nối dây phần cứng với PLC