Chương 2

Các khái niệm về PLC

2.1.       Sự thực thi chương trình người dùng.

CPU hỗ trợ các kiểu khối mã sau đây, cho phép ta tạo ra một cấu trúc hiệu quả cho chương trình người dùng:

·        Khối tổ chức (OB) xác định cấu trúc chương trình. Một vài OB có trạng thái và các sự kiện khởi động được thiết lập trước, nhưng ta cũng có thể tạo ra các OB với các sự kiện khởi động tùy chỉnh.

·        Hàm (FC) và khối hàm (FB) chứa mã chương trình tương ứng với các nhiệm vụ riêng biệt hay với sự kết hợp các thông số. Mỗi FC và FB cung cấp một tổ hợp các thông số ngõ vào và ngõ ra dành cho việc chia sẻ dữ liệu với khối đang gọi.

FB cũng sử dụng một khối dữ liệu (đã gọi một DB tức thời) có liên quan để duy trì trạng thái của các giá trị giữa sự thực thi mà có thể được sử dụng bởi các khối khác trong chương trình.

·        Khối dữ liệu (DB) lưu trữ dữ liệu mà có thể được sử dụng bởi các khối chương trình.

Sự thực thi chương trình người dùng bắt đầu với một hay nhiều hơn các khối tổ chức (OB) khởi động tùy chọn, được thực thi một lần trong lúc đi vào chế độ RUN, và được theo sau bởi một hay nhiều hơn các OB chu kỳ chương trình được thực thi một cách tuần hoàn. OB cũng có thể kết hợp với một sự kiện ngắt, có thể là một sự kiện ngắt tiêu chuẩn hay một sự kiện lỗi, và thực thi khi nào mà sự kiện tiêu chuẩn hay sự kiện lỗi tương ứng xuất hiện.

Hàm (FC) hay khối hàm (FB) là một khối mã chương trình mà có thể được gọi từ một OB hay từ một FC hay FB khác, xuống đến các cấp độ sau đây:

·        16 từ OB chu kỳ chương trình hay OB khởi động

·        4 từ OB ngắt trì hoãn thời gian, OB ngắt theo chu trình, OB ngắt phần cứng, OB ngắt lỗi thời gian, hay OB ngắt lỗi chẩn đoán.

FC không liên kết với bất kỳ phần nào của khối dữ liệu (DB), trong khi FB được gắn kết một cách trực tiếp đến một DB và sử dụng DB để chuyển tiếp các thông số và lưu trữ các giá trị và các kết quả tạm thời.

Kích thước của chương trình người dùng, của dữ liệu và của sự cấu hình được giới hạn bởi bộ nhớ nạp có sẵn và bộ nhớ làm việc trong CPU. Không có giới hạn nào đối với số lượng các khối được hỗ trợ bên trong lượng bộ nhớ làm việc có sẵn.

Mỗi chu kỳ bao gồm việc ghi các ngõ ra, việc đọc các ngõ vào, việc thực thi các lệnh của chương trình người dùng, và việc thực hiện bảo trì hệ thống hay tiến trình xử lý nền sau. Chu kỳ được nói đến như là một chu kỳ quét hay một lần quét.

Bảng tín hiệu, các module tín hiệu và các module truyền thông được nhận biết và được ghi lại chỉ trong khi nguồn được bật.

Lưu ý

Việc lắp vào và tháo ra một bảng tín hiệu, các module tín hiệu và module truyền thông khi có nguồn (thao tác nóng) thì không được hỗ trợ. Chỉ một ngoại lệ là thẻ nhớ SIMATIC, có thể được lắp vào hay lấy ra trong khi CPU đang được cấp nguồn.

Dưới cấu hình mặc định, tất cả các điểm I/O kiểu số và kiểu tương tự được cập nhật một cách đồng bộ với chu kỳ quét bằng cách sử dụng một vùng nhớ bên trong được gọi là ảnh tiến trình. Ảnh tiến trình chứa một sự chụp nhanh các ngõ vào và ngõ ra vật lý (các điểm I/O trên CPU, trên bảng tín hiệu và trên các module tín hiệu).

CPU thực hiện các tác vụ sau đây:

·        CPU ghi các ngõ ra từ vùng ngõ ra ảnh tiến trình đến các ngõ ra vật lý.

·        CPU đọc các ngõ vào chỉ ưu tiên cho sự thực thi chương trình người dùng và lưu trữ các giá trị ngõ vào trong vùng ngõ vào ảnh tiến trình. Điều này đảm bảo rằng các giá trị này sẽ vẫn giữ nguyên tính nhất quán trong suốt sự thực thi của các lệnh người dùng.

·       CPU thực thi logic của các lệnh người dùng và cập nhật các giá trị ngõ ra trong vùng ngõ ra ảnh tiến trình thay vì

Chu trình này cung cấp logic nhất quán xuyên suốt sự thực thi của các lệnh người dùng đối với trong một chu kỳ đã cho và ngăn chặn sự chập chờn của các điểm ngõ ra, điều mà có thể thay đổi trạng thái nhiều lần trong vùng ngõ ra ảnh tiến trình.

Ta có thể chỉ định khi nào các điểm I/O kiểu số và kiểu tương tự được lưu trữ trong ảnh tiến trình. Nếu ta chèn vào một module trong kiểu xem thiết bị, dữ liệu của nó được đặt trong ảnh tiến trình của CPU S7-1200 (mặc định). CPU thực thi sự thay đổi dữ liệu giữa module và vùng ảnh tiến trình một cách tự động trong suốt việc cập nhật của ảnh tiến trình. Để gỡ bỏ các điểm kiểu số hay kiểu tương tự ra khỏi sự cập nhật tự động ảnh tiến trình, ta lựa chọn thiết bị tương ứng trong Device configuration, xem thẻ Properties, mở rộng nếu cần để đặt các điểm I/O mong muốn, và sau đó lựa chọn “IO addresses/HW identifier”. Sau đó thay đổi mục nhập cho “Process image:” từ “Cyclic PI” sang “---”. Để thêm các điểm trở lại sự cập nhật tự động ảnh tiến trình, thay đổi mục lựa chọn này trở về “Cyclic PI”.

Ta có thể đọc các giá trị ngõ vào và ghi các giá trị ngõ ra ngay lập tức khi một lệnh thực thi. Một lần đọc tức thời sẽ truy xuất đến trạng thái hiện thời của ngõ vào vật lý và không cập nhật vùng ngõ vào ảnh tiến trình, bất chấp dù cho một điểm được cấu hình để được lưu trữ trong ảnh tiến trình. Một lần ghi tức thời đến ngõ ra vật lý sẽ cập nhật cả vùng ngõ ra ảnh tiến trình (nếu một điểm được cấu hình để được lưu trữ trong ảnh tiến trình) và điểm ngõ ra vật lý. Ta nối thêm hậu tố “:P” vào địa chỉ I/O nếu muốn chương trình truy xuất ngay lập tức dữ liệu I/O một cách trực tiếp từ điểm vật lý thay vì sử dụng ảnh tiến trình.

Cấu hình các thông số khởi động

Ta sử dụng các thuộc tính của CPU để cấu hình cách thức CPU khởi động sau một chu kỳ cấp nguồn.

Lựa chọn khi nào CPU khởi động trong chế độ STOP, chế độ RUN, hay trong chế độ trước đó (ưu tiên chu kỳ cấp nguồn).

CPU thực hiện một sự khởi động lại nóng trước khi đi vào chế độ RUN. Sự khởi động lại nóng sẽ đặt lại toàn bộ các bộ nhớ giữ lại về các giá trị khởi động mặc định, nhưng vẫn giữ nguyên các giá trị hiện thời được lưu trữ trong bộ nhớ giữ lại.

Lưu ý

CPU luôn luôn thực hiện một sự khởi động lại sau một việc tải xuống

Khi ta tải xuống một phần tử của đề án (như một khối chương tình, một khối dữ liệu hay cấu hình phần cứng), CPU thực hiện một sự khởi động lại trong lần chuyển tiếp kế tiếp sang chế độ RUN. Ngoài việc xóa đi các ngõ vào, khởi chạy các ngõ ra và khởi chạy bộ nhớ không có khả năng giữ lại, sự khởi động lại còn khởi kích hoạt các vùng nhớ có khả năng giữ lại.

Sau một khởi động lại theo sau sự tải xuống, tất cả các chuyển đổi STOP sang RUN tuần tự cũng sẽ thực hiện một sự khởi động lại nóng (mà không kích hoạt bộ nhớ có khả năng giữ).

2.1.1.  Các chế độ hoạt động của CPU.

CPU có 3 chế độ hoạt động: chế độ STOP, chế độ STARTUP và chế độ RUN.

Các LED trạng thái trên mặt trước của CPU biểu thị chế độ hiện thời của sự vận hành.

·        Trong chế độ STOP, CPU không thực thi chương trình nào, và ta có thể tải xuống một đề án.

·        Trong chế độ STARTUP, các OB khởi động (nếu có) được thực thi một lần. Các sự kiện ngắt không được xử lý cho đến pha khởi động của chế độ RUN.

·        Trong chế độ RUN, chu kỳ quét được thực thi một cách lặp lại. Các sự kiện ngắt có thể xuất hiện và được thực thi tại bất kỳ điểm nào nằm trong pha chu kỳ chương trình.

Ta không thể tải xuống một đề án trong khi đang ở chế độ RUN.

CPU hỗ trợ một sự khởi động lại nóng để đi vào chế độ RUN. Khởi động lại nóng không bao gồm một sự đặt lại bộ nhớ. Tất cả các hệ thống không có khả năng giữ và dữ

liệu người dùng đều được khởi chạy tại một sự khởi động lại nóng. Dữ liệu người dùng có khả năng giữ vẫn được giữ nguyên.

Một bộ nhớ đặt lại sẽ xóa tất cả các bộ nhớ làm việc, xóa các vùng nhớ có khả năng giữ và không có khả năng giữ, và sao chép bộ nhớ nạp đến bộ nhớ làm việc. Một sự đặt lại bộ nhớ không xóa đi bộ đệm chẩn đoán hay các giá trị được lưu vĩnh viễn của địa chỉ IP.

Ta có thể chỉ định chế độ bật nguồn của CPU hoàn thành với phương pháp khởi động lại bằng cách sử dụng phần mềm lập trình. Biểu tượng cấu hình này xuất hiện trong mục Device Configuration đối với CPU đang trong khởi động. Khi nguồn được bật, CPU thực hiện một tuần tự các kiểm tra chẩn đoán bật nguồn và khởi chạy hệ thống. CPU sau đó sẽ đi vào chế độ bật nguồn tương ứng. Tất nhiên các lỗi được phát hiện sẽ ngăn không cho CPU đi vào chế độ RUN. CPU hỗ trợ các chế độ bật nguồn sau đây:

·        Chế độ STOP

·        Chuyển sang chế độ RUN sau một sự khởi động lại nóng

·        Chuyển sang chế độ trước đó sau một sự khởi động lại nóng

Ta có thể thay đổi chế độ vận hành hiện thời bằng cách sử dụng các lệnh “STOP” hay “RUN” từ các công cụ trực tuyến của phần mềm lập trình. Ta cũng có thể bao gồm một lệnh STP trong chương trình để chuyển CPU về chế độ STOP. Điều này cho phép ta dừng sự thực thi chương trình dựa trên logic lập trình.

Trong chế độ STOP, CPU ^ xử lý bất kỳ các yêu cầu truyền thông nào (thích hợp) và ^‚ thực hiện tự chẩn đoán.

Trong chế độ STOP, CPU không thực thi chương trình người dùng, và các cập nhật tự động của ảnh tiến trình sẽ không xuất hiện.

Ta có thể tải xuống đề á chỉ khi CPU ở trong chế độ STOP.

Trong chế độ RUN, CPU thực hiện các tác vụ được thể hiện như trong hình sau

đây:

STARTUP

A   Xóa vùng nhớ I.

B   Khởi chạy các ngõ ra cả với giá trị cuối cùng hay giá trị thay thế.

C   Thực thi các OB khởi động.

D   Sao chép trạng thái của các ngõ vào vật lý đến vùng nhớ I.

E   Lưu trữ bất kỳ các sự kiện ngắt nào vào trong thứ tự để xử lý trong chế độ RUN.

F   Kích hoạt việc ghi vùng nhớ Q đến các ngõ ra vật lý.

RUN

^ Ghi bộ nhớ Q đến các ngõ ra vật lý.

^‚ Sao chép trạng thái các ngõ vào vật lý đến vùng nhớ I.

^ƒ Thực thi các OB chu kỳ chương trình.

^„ Thực hiện các chẩn đoán tự kiểm tra.

 Xử lý các ngắt và truyền thông trong suốt bất kỳ phần nào của chu kỳ quét.

Tiến trình khởi động (STARTUP)

Khi trạng thái hoạt động thay đổi từ STOP sang RUN, CPU xóa đi các ngõ vào ảnh tiến trình, khởi chạy các ngõ ra ảnh tiến trình và thực thi các OB khởi động. Bất kỳ việc đọc nào truy xuất đến các ngõ vào ảnh tiến trình bằng các lệnh trong các OB khởi động sẽ đọc giá trị zero hơn là giá trị ngõ vào vật lý hiện thời. Do vậy, để đọc trạng thái hiện thời của một ngõ vào vật lý trong suốt chế độ khởi động, ta phải thực hiện một việc đọc tức thời. Các OB khởi động và bất kỳ các FC và FB nào có liên quan sẽ được thực thi tiếp theo. Nếu có nhiều hơn 1 OB khởi động tồn tại, mỗi OB đó sẽ được thực thi theo thứ tự số hiệu OB, trong đó số hiệu OB thấp nhất được thực thi đầu tiên.

Mỗi OB khởi động bao gồm thông tin khởi động giúp ta xác định tính hợp lệ của các dữ liệu lưu giữ và của đồng hồ giờ trong ngày. Ta có thể lập trình các lệnh bên trong các OB khởi động để kiểm tra các giá trị khởi động này và để thực hiện thao tác thích hợp. Các vùng khởi động sau đây được hỗ trợ bởi các OB khởi động:

CPU còn thực hiện các tác vụ sau đây trong suốt quá trình khởi động:

·        Các ngắt được sắp thứ tự nhưng không được thực thi trong suốt pha khởi động

·        Không có việc giám sát thời gian chu trình nào được thực hiện trong suốt pha khởi động

·        Sự cấu hình làm thay đổi các module HSC, PWM và PtP đều có thể được thực hiện trong lúc khởi động

Sau khi sự thực thi của các OB khởi động đã hoàn thành, CPU đi vào chế độ RUN và thực thi các tác vụ điều khiển trong một chu kỳ quét liên tiếp.

Việc thực thi chu kỳ quét trong suốt chế độ RUN

Đối với mỗi chu kỳ quét, CPU ghi các ngõ ra, đọc các ngõ vào, thực thi chương trình người dùng, cập nhật các module truyền thông, thực hiện các công việc nội dịch (housekeeping) và đáp ứng đến các sự kiện ngắt của người dùng và các yêu cầu truyền thông. Các yêu cầu truyền thông được xử lý một cách định kỳ xuyên suốt quá trình quét.

Các hoạt động này (ngoại trừ các sự kiện ngắt của người dùng) được thực hiện thường xuyên và theo một trật tự tuần tự. Các sự kiện ngắt của người dùng được kích hoạt sẽ được phục vụ với mức ưu tiên theo trật tự mà chúng xuất hiện.

Hệ thống đảm bảo rằng chu kỳ quét sẽ được hoàn tất trong một chu kỳ thời gian được gọi là thời gian chu trình tối đa, nếu không một sự kiện lỗi thời gian sẽ được sinh ra.

·        Mỗi chu kỳ quét bắt đầu bằng việc tìm kiếm các giá trị hiện thời của các ngõ ra kiểu số hay kiểu tương tự từ ảnh tiến trình và sau đó ghi chúng đến các ngõ ra vật lý của CPU, các module SB và SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tự động (cấu hình mặc định). Khi một ngõ ra vật lý được truy xuất bởi một lệnh, cả ảnh tiến trình ngõ ra và bản thân ngõ ra vật lý đều được cập nhật.

·        Chu kỳ quét tiếp tục bằng việc đọc các giá trị hiện thời của các ngõ vào kiểu số hay kiểu tương tự từ CPU, các module SB, SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tự động (cấu hình mặc định), và sau đó ghi các giá trị này đến ảnh tiến trình. Khi một ngõ vào vật lý được truy xuất bởi một lệnh, giá trị của ngõ vào vật lý được truy xuất, nhưng ảnh tiến trình ngõ vào không được cập nhật.

·                           Sau khi đọc các ngõ vào, chương trình người dùng được thực thi từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh cuối cùng. Điều này bao gồm tất cả các OB chu kỳ chương trình cộng với tất cả các FC và FB có liên quan của chúng. Các OB chu kỳ chương tình được thực thi theo trật tự của số hiệu OB, trong đó số hiệu OB thấp nhất được thực thi trước tiên.

Việc xử lý các truyền thông xuất hiện một cách định kỳ trong suốt quá trình quét, có thể ngắt sự thực thi chương trình người dùng.

Các kiểm tra tự chẩn đoán bao gồm cả các kiểm tra định kỳ của hệ thống và các kiểm tra trạng thái module I/O.

Các ngắt có thể xuất hiện trong suốt bất kỳ phần nào của chu kỳ quét, và được điều khiển theo sự kiện. Khi một sự kiện xuất hiện, CPU ngắt chu kỳ quét và gọi OB đã được cấu hình để thực thi sự kiện đó. Sau khi OB hoàn thành việc thực thi sự kiện, CPU khôi phục lại sự thực thi của chương trình người dùng tại điểm ngắt.

Khối tổ chức (OB)

Các OB điều khiển sự thực thi của chương trình người dùng. Mỗi OB phải có một số hiệu OB duy nhất. Một số số hiệu OB mặc định được đảo ngược dưới giá trị 200. Các OB khác phải được đánh số từ 200 hay lớn hơn.

Các sự kiện riêng biệt trong CPU kích hoạt sự thực thi của một khối tổ chức. Các OB không thể gọi lẫn nhau hay được gọi từ một FC hay FB. Chỉ có một sự kiện khởi động, như là một ngắt chẩn đoán hay một khoảng cách thời gian, là có thể khởi động sự thực thi của một OB. CPU xử lý các OB theo các lớp ưu tiên tương ứng của chúng, trong đó các OB có mức ưu tiên cao hơn được xử lý trước các OB có mức ưu tiên thấp hơn. Lớp ưu tiên thấp nhất là 1 (đối với chu kỳ chương trình chính), và lớp ưu tiên cao nhất là 27 (đối với các ngắt lỗi thời gian).

OB điều khiển các sự vận hành sau đây:

·        Các OB chu kỳ chương trình thực thi một cách tuần hoàn trong khi CPU đang ở chế độ RUN. Khối chính của chương trình là một OB chu kỳ chương trình. Đây là nơi mà ta đặt các lệnh điều khiển chương trình và cũng là nơi ta gọi các khối người dùng bổ sung. Nhiều OB chu kỳ chương trình được cho phép và được thực thi theo thứ tự bằng số. OB 1 là mặc định. Các OB chu kỳ chương trình khác phải được nhận dạng là OB 200 hay lớn hơn.

·                           Các OB trì hoãn thời gian thực thi tại một khoảng thời gian dừng được xác định sau một sự kiện, được cấu hình hình bởi lệnh ngắt khởi động (SRT_DINT). Thời gian trì hoãn được xác định trong thông số ngõ vào của lệnh mở rộng

SRT_DINT. Một OB trì hoãn thời gian ngắt sự thực thi chương trình theo chu trình chuẩn khi một thời gian trì hoãn được định trước đã trôi qua. Ta có thể cấu hình tối đa 4 sự kiện ngắt trì hoãn thời gian tại bất kỳ thời gian nào đã cho, với một OB được cho phép cho mỗi sự kiện trì hoãn thời gian được cấu hình. OB trì hoãn thời gian phải là từ OB 200 trở lên.

·        Các OB ngắt theo chu trình thực thi tại mỗi khoảng thời gian dừng được xác

định. Chúng sẽ ngắt sự thực thi chương trình theo chu trình tại khoảng thời gian do người dùng định trước, ví dụ như mỗi 2 giây. Ta có thể cấu hình tối đa 4 sự kiện ngắt theo chu trình, với một OB được cho phép cho mỗi sự kiện ngắt theo chu trình được cấu hình. OB này phải là OB 200 trở lên.

·        Các OB ngắt phần cứng thực thi khi sự kiện phần cứng có liên quan xuất hiện, bao gồm các ngưỡng tăng và giảm trên các ngõ vào số tích hợp và các sự kiện HSC. Một OB ngắt phần cứng sẽ ngắt sự thực thi chương trình theo chu trình chuẩn theo phản ứng đến một tín hiệu từ sự kiện phần cứng. Ta xác định các sự kiện trong các thuộc tính của cấu hinh phần cứng. Một OB được cho phép cho mỗi sự kiện phần cứng được cấu hình. OB này phải là OB 200 trở lên.

·        Các OB ngắt lỗi thời gian thực thi ki một lỗi thời gian được phát hiện. Một OB ngắt lỗi thời gian sẽ ngắt sự thực thi chương trình theo chu trình chuẩn nếu thời gian chu trình tối đa đã bị vượt quá. Thời gian chu trình tối đa được xác định trong các thuộc tính của PLC. Chỉ có OB 80 là OB được hỗ trợ cho các sự kiện lỗi thời gian. Ta có thể cấu hình thao tác để thực hiện khi không có mặt OB 80: hoặc bỏ qua lỗi hoặc chuyển về STOP.

·        Các OB ngắt lỗi chẩn đoán thực thi khi một lỗi chẩn đoán được phát hiện và

được báo cáo lại. Một OB chẩn đoán sẽ ngắt sự thực thi chương trình theo chu trình chuẩn nếu một module có khả năng chẩn đoán phát hiện ra một lỗi (nếu sự ngắt lỗi chẩn đoán đã được khởi động cho module). Chỉ có OB 82 là OB được hỗ trợ cho sự kiện lỗi chẩn đoán. Nếu không có OB chẩn đoán nào trong chương trình, ta có thể cấu hình CPU để hoặc bỏ qua lỗi hoặc chuyển về STOP.