TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC

Chia sẻ: Nguyen Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

0
326
lượt xem
250
download

TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC

  1. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu về PLC 1.1 Tổng quan về PLC. 1.2 Cấu trúc và hoạt động của PLC. 1.3 Phân loại PLC 1.4 So sánh PLC với các hệ điều khiển khác. 1.5 Phạm vi ứng dụng của PLC. 1.6 Thiết kế hệ thống dùng PLC. 1.7 Giới thiệu PLC Siemens. Chương 2: PLC S7-200 2.1 Cấu trúc phần cứng. 2.2 Hoạt động của PLC. 2.3 Cấu trúc bộ nhớ. 2.4 Phương pháp lập trình. Chương 3: Tập lệnh PLC S7-200 3.1 Các lệnh cơ bản. 3.2 Counter và Timer. 3.3 Lệnh so sánh. 3.4 Lệnh về cổng logic. 3.5 Lệnh di chuyển nội dung MOVE 3.6 Lệnh chuyển đổi dữ liệu 3.7 Lệnh tăng giảm 1 đơn vị. 3.8 Lệnh số học 3.9 Lệnh nhảy và gọi chương trình con. 3.10 Truy cập đồng hồ thời gian thực. Chương 4: Cấu trúc chương trình PLC 4.1 Cấu trúc tuần tự. 4.2 Cấu trúc Automat. 4.3 Cấu trúc có chương trình con. Chương 5: Phần mềm lập trình và mô phỏng 5.1 Phần mềm STEP 7-Micro/WIN4.0 5.2 Phần mềm mô phỏng S7-200. TRANG - 1
  2. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ PLC 1.1 TỔNG QUAN VỀ PLC: 1.1.1 Lịch Sử Phát Triển: Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là lập trình dùng giản đồ hình thang, ký hiệu là LAD. Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng khác, đó là sự hỗ trợ bởi những thuật toán, vận hành với các dữ liệu cập nhật. Mặt khác, do sự phát triển của màn hình dùng cho máy tính nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn. Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… mà các nhà thiết kế còn xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển thông minh gọi là các siêu PLC (super PLC). 1.1.2 Đặc điểm của PLC: PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực hiện linh họat các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. PLC được sử dụng trong nhiều lập trình ứng dụng khác nhau và có những lợi ích như: - PLC dễ dàng thay thay đổi chương trình điều khiển để thích ứng một yêu cầu mới mà vẫn có thể giữ nguyên thiết kế phần cứng, đầu nối dây… - PLC có thể điều khiển nhiều chức năng khác nhau từ những thao tác đơn giản, lặp lại, liên tục đến những thao tác đòi hỏi chính xác, phức tạp. - PLC dễ dàng hiệu chỉnh chính xác công việc điều khiển và xử lý nhanh chóng các lệnh, từ lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm (Counter), định thời (time), chương trình con (SBS) v.v… - Giao tiếp dễ dàng với các thiết bị ngoại vi, các module và các thiết bị phụ trợ như màn hình hiển thị. - Có khả năng chống nhiễu trong công nghiệp. TRANG - 2
  3. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 - Ngôn ngữ lập trình cho PLC đơn giản, dễ hiểu. Với những ưu điểm trên thiết bị PLC đã trở thành thiết bị chính trong việc điều khiển các thiết bị công nghiệp. 1.2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT PLC: 1.2.1 Cấu trúc : Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit : CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0). Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình Khối xử lý trung tâm (CPU) gồm ba phần : Bộ xử lý, Hệ thống bộ nhớ và Hệ thống nguồn cung cấp. Hình 1.2 mô tả 3 thành phần của một CPU. Hình 1.2 : Sơ đồ khối tổng quát của CPU 1.2.2 Hoạt động của PLC : 1. Ñoïc döõ lieäu töø ngoaøi vaøo 4. Chuyeån döõ lieäu töø boä nhôù aûo ( Read input ) ñieàu khieån thieát bò ngoaïi vi 3. Truyeàn thoâng vaø 2.Thöïc hieän chöông trình töï kieåm tra loåi (Program excution ) Hình 1.3 :Một vòng quét của PLC. TRANG - 3
  4. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét. Mỗi vòng quét bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các ngõ vào (contact, sensor, relay...) vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh MEND. Sau giai đọan thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các ngõ ra. Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, lệnh này không trực tiếp làm việc với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với thiết bị ngoại vi trong giai đọan 1 và 4 là do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào/ra. Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…).Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất. Để khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn. - Ngõ vào: Ngõ vào thực là ngõ vào có các mạch điện chuyển đổi làm cho tín hiệu từ bên ngoài sau khi qua bộ chuyển đổi này sẽ có mức logic 0, hoặc 1 mà vi xử lý nhận biết được. Như vậy, các ngõ vào ảo dùng làm vùng nhớ. Ta chỉ có thể dùng ngõ vào thực để kết nối với các tiếp điểm bên ngoài - Ngõ ra: PLC sử dụng hai giải pháp để xuất tín hiệu đó là dùng Relay và Transistor. Relay với đặc điểm là đóng ngắt chậm, tốn nhiều không gian làm cho kích thước của PLC lớn. Hình 1.4: Ngõ ra dùng Relay Transistor có hạn chế về dòng điện ngỏ ra, thường mắc theo dạng cực thu hở. TRANG - 4
  5. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Hình 1.5: Ngõ ra dùng transistor 1.3 PHÂN LOẠI PLC: Đầ̀u tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người sử dụng chọn những loại PLC nào mà họ cần. Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên, nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dễ dàng lựa chọn. Hình 1.6: Phân loại PLC Hình 1.6 cho ta các “bậc thang” phân loại các loại PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất. Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao. Thường sử dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết. Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau: - Loại 1: Micro PLC (PLC siêu nhỏ). Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ. Các PLC này thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay, một vài micro PLC còn có khả năng hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (analog). Các tiêu chuẩu của một Micro PLC như sau: 32 ngõ vào/ra. Sử dụng vi xử lý 8 bit. Thường dùng thay thế rơle. Bộ nhớ có dung lượng 1K. TRANG - 5
  6. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Ngõ vào/ra là tín hiệu số. Có timers và counters. Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay. - Loại 2: PLC cỡ nhỏ (Small PLC) Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (ví dụ: Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức năng của các PLC này thường được giới hạn trong việc thực hiện chuổi các mức logic, điều khiển thay thế rơle. Các tiêu chuẩn của một small PLC như sau: Có 128 ngõ vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 8 bit. Thường dùng để thay thế các role. Dùng bộ nhớ 2K. Lập trình bằng ngôn ngữ dạng hình thang (ladder) hoặc liệt kê. Có timers/counters/thanh ghi dịch (shift registers). Đồng hồ thời gian thực. Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay. Chú ý vùng A trong sơ đồ hình 1.6. Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng tăng cường của PLC cỡ lớn hơn như: thực hiện được các thuật toán cơ bản, có thể nối mạng, cổng vào ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự. - Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLC) PLC trung bình điều khiển được các tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liệu, ứng dụng được những thuật toán, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm) các thông số của PLC trung bình như sau: Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 8 bit. Thay thế rơle và điều khiển được tín hiệu tương tự. Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên 8K. Tín hiệu ngõ vào ra là tương tự hoặc số. Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao. Có timers/Counters/Shift Register. Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…). Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao. Có timers/counters/Shift Register. Có khả năng xử lý chương trình con ( qua lệnh JUMP…). Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…). Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay. Có đường tín hiệu đặc biệt ở module vào/ra. Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS232. Có khả năng hoạt động với mạng. Lập trình qua màn hình máy tính để dễ quan sát. - Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC). Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu, có thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận… Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng. Tiêu chuẩn PLC cỡ lớn: Ngoài các tiêu chuẩn như PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn còn có thêm các tiêu chuẩn sau: Có 2048 cổng vào/ra (I/O). TRANG - 6
  7. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit. Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32K. Local và remote I/O. Điều khiển hệ thống rơle (MCR: Master Control Relay). Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts). PID hoặc làm việc với hệ thống phần mềm PID. Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS 232. Nối mạng. Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, hexa …). Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các module. - Loại 5: PLC rất lớn (very large PLC) Very large PLC được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xác cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn. Ngoài ra PLC loại này còn có thể giao tiếp I/O với các chức năng đặc biệt, tiêu chuẩn PLC loại này ngoài các chức năng như PLC loại lớn còn có thêm các chức năng: Có 8192 cổng vào/ra (I/O). Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bít. Bộ nhớ 64K, mở rộng lên được 1M. Thuật toán :+, -, *, /, bình phương. Dữ liệu điều khiển mở rộng: Bảng mã ASCII, LIFO, FIFO. 1.4 SO SÁNH PLC VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC: 1.4.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle: Việc phát triển hệ thống điều khiển lập trình đã dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng rơle trong các quá trình sản xuất khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng rơ le do các nguyên nhân sau: - Thay đổi chương trình điều khiển một cách linh động. - Có độ tin cậy cao. - Không gian lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm nhiều diện tích. - Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra phù hợp: dòng, áp. - Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất. Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cũ (rơle, contactor …). Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải thay đổi, loại bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình sao cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới. 1.4.2 PLC với máy tính cá nhân: Đối với một máy tính cá nhân, người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau: Máy tính không có các cổng giao tiếp tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công nghiệp. TRANG - 7
  8. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải dạng hình thang, máy tính ngoài việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các phần mềm khác làm “chậm” đi quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển. Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dể dàng kết nối với các hệ thống khác, cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ (có dung lượng rất lớn) của máy tính làm bộ nhớ của PLC. 1.5 PHẠM VI ỨNG DỤNG PLC: Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm: - Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đông trong ngành hóa … - Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hoá trong chế tạo máy, cân đông, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại… - Bột giấy, giấy, xử lý giấy. Điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, cán, gia nhiệt … - Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy . - Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây …), cân đong, đóng gói, hòa trộn … - Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra chất lượng sản phẩm. - Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin …), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ). 1.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG PLC: Để thiết kế 1 chuơng trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bước sau: B1: Xác định qui trình công nghệ: Trước tiên, ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Mục đích cuối cùng của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động. Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào. Nó nhận tín hiệu và gởi tín hiệu đến CPU, CPU xử lý tín hiệu và gởi nó đến thiết bị xuất để điều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình. B2: Xác định ngõ vào, ngõ ra: Tất cả các thiết bị xuất, nhập bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển lập trình. Thiết bị nhập là những contact, cảm biến ... Thiết bị xuất là những cuộn dây, van điện từ , motor, bộ hiển thị. Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất nhập cần thiết, ta định vị các thiết bị vào ra tương ứng cho từng ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình. B3: Viết chương trình, và sửa lỗi: Khi viết chương trình theo sơ đồ hình bậc thang (ladder ) phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệ thống, hoặc theo dạng STL. Sau đó tiến hành sửa lỗi nếu có. B4: Nạp chương trình vào bộ nhớ: TRANG - 8
  9. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Chúng ta có thể cung cấp nguồn cho bộ điều khiển có lập trình thông qua cổng I/O. Sau đó nạp chương trình vào bộ nhớ thông qua máy tính có chứa phần mềm lập trình hình thang. Sau khi nạp xong, kiểm tra lại bằng hàm chuẩn đoán. Nếu được mô phỏng toàn bộ hoạt động của hệ thống để chắc chắn rằng chuơng trình đã hoạt động tốt. B5: Chạy chương trình: Trước khi nhấn nút Start, phải chắc chắn rằng các dây dẫn nối các ngõ vào, ra đến các thiết bị nhập, xuất đã được nối đúng theo chỉ định. Lúc đó PLC mới bắt đầu hoạt động thực sự. Trong khi chạy chương trình, nếu bị lỗi thì máy tính sẽ báo lỗi , ta phải sữa lại cho đến khi nó hoạt động an toàn Sau đây là lưu đồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển: TRANG - 9
  10. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Xác định yêu cầu của hệ thống điều khiển Vẽ lưu đồ chung của hệ thống điều khiển Liệt kê tất cả các ngõ ra, ngõ vào nối tương đối đến các cổng I/O của PLC Chuyển lưu đồ sang sơ đồ hình thang Nạp lập trình sơ đồ hình thang thiết kế cho PLC Mô phỏng chương trình và sửa lỗi phần mềm Hiệu chỉnh chương trình cho phù hợp Chương trình OK Kết nối toàn bộ thiết bị vào, ra với PLC Kiểm tra tất cả các tiếp điểm vào, ra TRANG - 10
  11. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Chạy thử chương trình Hiệu đính lại phần mềm Chương Trình OK Nạp chương trình vào EPROM Lập hồ sơ hệ thống cho tất cả các bản vẽ END Hình 1.7: Lưu đồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển 1.7 CẤU TRÚC ĐẶC TÍNH CỦA PLC SIEMENS: Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị PLC: Siemens, Omron, Panasonic, Mishumitshi, … Tuy nhiên do đặc thù của Khoa Điện tử nên tài liệu này chỉ tập trung vào PLC của hãng Siemens. Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: - Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). - Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. - Các Module vào /ra. Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa chương trình. Nếu đơn vị lập trình là loại xách tay thì RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS485. TRANG - 11
  12. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Chương 2: GIỚI THIỆU PLC S7-200 2.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG: S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens (Đức), có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng. Các module này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Hình dạng bên ngoài của PLC S7-200 được mô tả như hình 2.1. Các cổng ra SF I0.0 Q0.0 Q1.0 SIEMENS I1.0 RUN I0.1 Q0.1 Q1.1 I1.1 STOP I0.2 Q0.2 I1.2 I0.3 Q0.3 SIMATIC I1.3 I0.4 Q0.4 S7 - 200 I1.4 I0.5 Q0.5 I1.5 Q0.6 I0.6 I0.7 Q0.7 Các cổng vào Cổng truyền thông Hình 2.1: Bộ điều khiển lập trình S7-200 – CPU 214 Các đặc điểm và thông số của các loại PLC S7-200 khác nhau được giới thiệu trong bảng bên dưới: Đặc trưng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 Kích thước(mm) 90x80x62 90x80x62 120.5x80x62 190x80X62 Bộ nhớ chương trình 2048 words 2048words 4096words 4096words Bộ nhớ dữ liệu 1024 words 1024words 2560words 2560words Cổng logic vào 6 8 14 24 Cổng logic ra 4 6 10 16 Modul mở rộng none 2 7 7 Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128 Analog I/O cực đại none 16In/16Out 32In/32Out 32In/32Out Bộ đếm (Counter) 256 256 256 256 Bộ định thì (Timer) 256 256 256 256 Tốc độ thực thi lệnh 0.37μs 0.37μs 0.37μs 0.37μs Khả năng lưu trữ khi 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ mất điện TRANG - 12
  13. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 2.1.1 Các đèn báo: - SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF (System Falu báo hiệu hệ thống bị hỏng. - RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy. - STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại 2.1.2 Đầu vào: - Kiểu đầu vào IEC 1131-2. - Tầm điện áp mức logic 1: 15-30 VDC, dòng nhỏ nhất 4 mA; 35VDC ở thời gian tức thời 500ms. - Trạng thái mức logic 1 chuẩn: 24 VDC, 7mA. - Trạng thái mức logic 0: Tối đa 5 VDC, 1mA. - Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5: có thể chỉnh từ 0,2 đến 8,7 ms mặc định 0,2 ms. - Các chân từ I0.6 đến I1.5 được sử dụng bởi bộ đếm tốc độ cao HSC1 và HSC2 ở 30us đến 70us. - Sự cách ly về quang 500VAC.1 min. 2.1.3 Đầu ra: - Kiểu đầu ra: Relay hoặc Transistor. - Tầm điện áp: 24.4 đến 28.8 VDC. - Dòng tải tối đa: 2A/ điểm; 8A/common. - Quá dòng: 7A với contact đóng. - Điện trở cách ly: nhỏ nhất 100 MΩ. - Thời gian chuyển mạch: tối đa 10 ms. - Thời gian sử dụng: 10.000.000 với công tắc cơ khí; 100.000 với tốc độ tải. - Điện trở công tắc: tối đa 200 mΩ. - Chế độ bảo vệ ngắn mạch: không có. 2.1.4 Nguồn cung cấp: - Điện áp cấp nguồn: 20.4 đến 24.8 VDC - Dòng vào max load: 900mA tại 24 VDC - Cách ly điện ngõ vào: Không có - Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms ở 24 VDC - Cầu chì bên trong: 2A, 250V 2.1.5 Nguồn cấp cho sensor: - Tầm điện áp ra: 15.4 đến 28.8 VDC - Dòng ra tối đa: 280mA - Độ gợn sóng: Giống như nguồn cấp vào - Cách ly: không có 2.1.6 Chế độ làm việc: PLC có 3 chế độ làm việc: - RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP. - STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. - TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc RUN hoặc STOP. TRANG - 13
  14. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 2.1.7 Cổng truyền thông: S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI (Point to Point Interface) là 9600 bauds. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 ÷38.400 bauds. Chân Chức năng 1 GND 2 24 VDC 5 4 3 2 1 3 Tín hiệu A của RS485 ( RxD/TxD+) 9 8 7 6 4 RTS ( theo mức TTL) 5 GND 6 +5 VDC 7 Nguồn cấp 24 VDC 120mA max 8 Tín hiện B RS485 (RxD/TxD-) 9 chọn lựa cách giao tiếp Hình 2.2: Sơ đồ chân của cổng truyền thông Để ghép nối S7-200 với các máy lập trình PG 702 hoặc với các loại máy lập trình kiểu họ PG7xx có thể nối thẳng qua MPI. Cáp đó đi kèm theo máy lập trình. Để ghép S7-200 với các máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển dổi RS232/RS485, theo hình vẽ 2.3. Hình 2.3: Ghép nối S7-200 với máy tính qua cổng RS232 TRANG - 14
  15. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 2.1.8 Mở rộng cổng vào ra: Có thể mở rộng ngõ vào/ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào PLC các modul mở rộng về phía bên phải của CPU (CPU 214 có thể ghép nhiều nhất 7 modul), làm thành một móc xích, bao gồm các modul có cùng kiểu. Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổ trong bộ đệm, tương ứng với số đầu vào/ ra của các module. Sau đây là một ví dụ về cách đặt địa chỉ cho các module mở rộng : CPU MODUL 0 MODUL 1 MODUL 2 MODUL 3 MODUL 4 (4vào/4ra) (8 vào) ( 3 vào analog (8 ra) (3 vào analog 1 ra analog) 1 ra analog) I0.0 I2.0 I3.0 AIW0 Q3.0 AIW8 Q0.0 I2.1 I3.1 AIW2 Q3.1 AIW10 I0.1 I2.2 I3.2 AIW4 Q3.2 AIW12 Q0.1 I2.3 I3.3 Q3.3 I0.2 I3.4 AQW0 Q3.4 AQW4 Q0.2 Q2.0 I3.5 Q3.5 I0.3 Q2.1 I3.6 Q3.6 Q0.3 Q2.2 I3.7 Q3.7 I0.4 Q2.3 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 I1.1 Q1.0 I1.2 Q1.1 I1.3 I1.4 I1.5 2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 2.2.1 Đơn Vị Xử Lý Trung Tâm: CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ. 2.2.2 Hệ Thống Bus: Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu. TRANG - 15
  16. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1÷8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống. 2.2.3 Bộ Nhớ: PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: - Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. - Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay. Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ . Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc . Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng. - RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất . Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và tuổi thọ lớn. - EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được. Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG (Programmer) có sẵn chỗ ghi và xoá EPROM. Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình. Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài. Kích thước bộ nhớ: - Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tuỳ vào công nghệ chế tạo. - Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000 dòng lệnh. Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM. TRANG - 16
  17. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 Hình minh họa hoạt động của PLC khi ghép nối với thiết bị ngoại vi. TRANG - 17
  18. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 2.2.4 Các ngõ vào ra I/O: Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module vào (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC). Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản. Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra . 2.2.5 Hoạt động của PLC: PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan), theo hình 2.4. Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. 1. Ñoïc döõ lieäu töø ngoaøi vaøo 4. Chuyeån döõ lieäu töø boä nhôù aûo ( Read input ) ñieàu khieån thieát bò ngoaïi vi 3. Truyeàn thoâng vaø 2.Thöïc hieän chöông trình töï kieåm tra loåi (Program excution ) Hình 2.4: Vòng quét trong S7-200 Như vậy, 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 giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra. Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét. 2.3 CẤU TRÚC BỘ NHỚ: 2.3.1 Phân chia bộ nhớ: Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ S7-200 có tính năng động cao, TRANG - 18
  19. TÀI LIỆU HỌC TẬP PLC Copyright by Tuan Manh: 0915191501 đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc. Hình vẽ 2.5 mô tả bộ nhớ trong và ngoài của PLC, bao gồm: - Vùng chương trình: miền bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình. - Vùng tham số: miền lưu trữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm,… cũng giống như vùng chương trình. - Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, bộ đệm truyền thông… - Vùng đối tượng: Timer, Bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. - Hai vùng nhớ: dữ liệu và vùng nhớ đối tượng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình. EEPROM Miền nhớ ngoài Chương trình Chương trình Chương trình Tham số Tham số Tham số Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Vùng đối tượng Hình 2.5: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200 2.3.2 Vùng dữ liệu: Vùng dữ liệu là một miền nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word), hoặc theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ,… Ghi các dữ liệu kiểu bảng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu bảng thường chỉ được sử dụng theo những mục đích nhất định. Vùng dữ liệu lại được chia thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau. Chúng được ký hiệu bằng các chữ cái đầu của tên tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau: - V: Variable memory - I: Input image register - O: Output image register - M: Internal memory bits - SM: Special memory bits 2.3.3 Vùng đối tượng: Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC). TRANG - 19
Đồng bộ tài khoản