BÀI GIẢNG: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH potx

Nó là một bộ điều khiển đa năng, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau nhờ khả năng thích ứng của nó với các chương trình điều khiển khác nhau... Năm 1969, hãng sản xuất ô

BÀI GIẢNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 4

1.1 Những khái niệm cơ bản về PLC 4

1.1.1 PLC là gì? 4

1.1.2 S ự ra đời và phát triển của PLC 5

1.1.3 Ưu nhược điểm của PLC 6

1.1.4 Các h ọ PLC hiện có trên thị trường quốc tế 6

1.2 Hệ thống điều khiển công nghiệp điển hình 7

1.2.1 H ệ thống thu thập số liệu, giám sát và điều khiển (Supervisory Control And Data Aquirition - SCADA) 7

1.2.2 H ệ thống điều khiển phân tán (DCS) 8

1.2.3 Các h ệ thống điển hình khác 10

1.3 Ngôn ngữ lập trình trên PLC 10

CHƯƠNG 2 LẬP TRÌNH CHO PLC S7X00 VÀ LOGO 13

2.1 PLC S7 - 200 13

2.1.1 Gi ới thiệu chung về PLC S7-200 13

2.1.2 C ấu trúc chung 14

2.1.3 Mô t ả các khối chức năng phần cứng 15

2.1.4 C ấu trúc của bộ nhớ 21

2.1.5 Ph ần mềm Lập trình cho PLC S7-200 26

2.2 Ngôn ngữ lập trình của Simatic 32

2.2.1 Phân tích đối tượng và hệ thống điều khiển 32

2.2.2 Ph ương pháp lập trình 37

2.2.3 Cú pháp h ệ lệnh của S7-200 (Phụ lục) 41

2.3 Kết nối hệ thống 41

2.3.1 Mô t ả hệ thống kỹ thuật 41

2.3.2 K ết nối PLC với các thiết bị ngoại vi 44

2.3.3 Ki ểm lỗi kết nối bằng Step 7-MicroWin 48

2.4 PLC LOGO 54

2.4.1 Gi ới thiệu chung 54

2.4.2 Đấu nối logo 54

2.4.3 Các thao tác chung trên logo 54

2.4.4 L ập trình cho logo 54

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH CHO PLC EASY VÀ ZEN 55

3.1 PLC Easy 55

3.1.1 Gi ới thiệu chung 55

3.1.2 Đấu nối PLC Easy 55

3.1.3 Các thao tác chung trên PLC Easy 55

3.1.4 L ập trình cho PLC Easy 55

3.2 PLC ZEN 55

3.2.1 Gi ới thiệu chung 55

3.2.2 Đấu nối PLC ZEN 55

3.2.3 Các thao tác chung trên PLC ZEN 55

3.2.4 L ập trình cho PLC ZEN 55

CHƯƠNG 4 MẠNG PLC 56

4.1 Hình trạng mạng 56

4.2 Các vấn đề quan tâm khi ghép nối mạng PLC 56

CHƯƠNG 5 CASE STUDY 57

5.1 Dây chuyền đóng gói tự động 57

5.2 Điều khiển bơm nước 58

5.3 Điều khiển động cơ 58

5.4 Điều khiển đóng mở cửa tự động 58

5.5 Điều khiển băng tải 58

5.6 Điều khiển thang máy 58

THỰC HÀNH VÀ BÀI TẬP LỚN 59

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

1.1 Những khái niệm cơ bản về PLC

PLC là viết tắt của ba từ tiếng anh: Programmable Logic Controller- có nghĩa

là bộ điều khiển logic có khả năng thích ứng với nhiều chương trình điều khiển khác nhau

Chương trình điều khiển của PLC do người lập trình tạo ra nhờ máy tính với

sự trợ giúp của phần mềm hoặc thiết bị lập trình cầm tay do các hãng chế tạo PLC cung cấp rồi nạp vào PLC

Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chương trình điều khiển, người lập trình chỉ cần lập trình lại rồi nạp chương trình điều khiển mới vào PLC bộ điều khiển sẽ làm việc theo chương trình mới ngay sau khi khởi động

Như vậy PLC thực chất là một thiết bị điều khiển đã được module hoá để sản xuất hàng loạt Nó là một bộ điều khiển đa năng, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau nhờ khả năng thích ứng của nó với các chương trình điều khiển khác nhau

1.1.2 Sự ra đời và phát triển của PLC

Trước khi có PLC đã có những bộ điều khiển tự động bằng các mạch công tắc tơ hoặc các mạch rơ le số/tương tự không tiếp điểm Các bộ điều khiển này ngày nay được gọi là các bộ điều khiển cứng

rơle-Khi cần phải thay đổi hoặc mở rộng chương trình điều khiển thì các bộ điều khiển cứng sẽ không thích ứng được, do đó cần thiết kế và chế tạo lại bộ điều khiển

để thay thế bộ điều khiển cũ, hoặc chí ít cũng cần thay đổi lại cách ghép nối các phần tử của bộ điều khiển cũ cho phù hợp với chương trình điều khiển mới

Việc thay đổi như vậy dẫn đến hiệu quả kinh tế bị giảm sút, thời hạn cải tạo thiết bị công nghệ kéo dài Năm 1969, hãng sản xuất ôtô GM đề xuất thiết kế các bộ điều khiển ứng dụng công nghệ điện tử và công nghệ máy tính có khả năng thích ứng với nhiều chương trình điều khiển khác nhau với các điều kiện sau:

a) Dễ dàng thay đổi được chương trình điều khiển

b) Đơn giản cho việc thay thế và sửa chữa

c) Độ tin cậy cao so với các bộ điều khiển cứng truyền thống

d) Nhỏ gọn hơn so với các bộ điều khiển thuyền thống

e) Dữ liệu gửi ra ở đầu ra phải được đưa tới các dụng cụ điều khiển trung tâm

f) Giá thành tốt hơn các bộ điều khiển rơ le

g) Đầu vào có khả năng nhận điện xoay chiều điện áp 115 v

h) Đầu ra có dòng cực tiểu là 2a và điện áp xoay chiều cực tiểu là 115 v i) Bộ điều khiển phải có khả năng mở rộng các chức năng bằng cách nối ghép thêm các module

PLC đã ra đời như thế do tính thích ứng với nhiều chương trình điều khiển, việc thay đổi chương trình dễ dàng và không đòi hỏi những chuyên gia lập trình và điều khiển có trình độ chuyên môn cao nên nó nhận được nhu cầu rất lớn trong thực

tế PLC sinh ra trên cơ sở của công nghệ máy tính và vật liệu bán dẫn, có thể giải quyết được bài toán điều khiển với nhiều chương trình khác nhau nên ngày càng được phát triển và ứng dụng vào tất cả các ngành công nghiệp và dân dụng

1.1.3 Ưu nhược điểm của PLC

Các điều kiện đưa ra để chế tạo PLC chính là các đặc điểm mang tính ưu việt của PLC so với các bộ điều khiển truyền thống, trong đó ưu điểm lớn nhất là khả năng thích ứng với các chương trình điều khiển khác nhau của PLC Trong PLC khi thay đổi chương trình điều khiển, do dùng các vi mạch để xử lý thông tin cho nên các ghép nối cần thiết trong quá trình lập chương trình điều khiển không phải là các ghép nối cơ học mà là các ghép nối Logic được người lập trình tạo ra bằng phần mềm (Software) và được cài đặt vào bộ nhớ

PLC có tốc độ xử lý cao, thường xử lý một lệnh trong khoảng thời gian 0,64µs Nó còn là thiết bị tiêu tốn ít năng lượng so với các bộ điều khiển truyền thống nó nhỏ, gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt trong các tủ điều khiển, dễ dàng ghép nối với các thiết bị khác của hệ thống

Sử dụng PLC trong điều khiển tự động chúng ta dễ dàng thiết lập được sự trao đổi thông tin với các PLC khác thông qua các mạng LAN (Local Area Network)

Việc lập chương trình và cài đặt chương trình cho PLC không phức tạp, không đòi hỏi người lập trình có trình độ chuyên môn cao về PLC, về hệ thống tự động Các PLC hiện nay không những chỉ nhận các tín hiệu số ở các cổng vào và cho ra các tín hiệu số ở các cổng ra mà còn có thể tiếp nhận các tín hiệu tương tự tại các cổng vào để cho ra các tín hiệu tương tự trên các cổng ra Tuy vậy tên gọi PLC vẫn đúng, bởi vì quá trình xử lý trong CPU của nó vẫn là các quá trình xử lý logic

Về nhược điểm: Hiện nay do chưa được tiêu chuẩn hoá trong phạm vị quốc

tế nên mỗi hãng sản xuất PLC lại đưa ra một ngôn ngữ lập trình riêng dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục Mỗi khi sử dụng một loại PLC khác, người lập trình lại phải học ngôn ngữ lập trình mới Với các mạch điều khiển đơn giản, có quy mô nhỏ

bộ điều khiển PLC có giá thành đắt hơn so với các bộ điều khiển truyền thống vì vậy không phải lúc nào cũng chọn lựa sử dụng PLC

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất và cung cấp các PLC Hãng SIEMENS

là một tập đoàn đa quốc gia về điện và điện tử hàng đầu thế giới, có doanh số đạt gần 100 tỷ mác Đức và hiện có mặt trên 190 nước trên toàn cầu SIEMENS đầu tư phát triển họ PLC SIMATIC S7

PLC S7 hiện có ba dòng: dòng SIMATIC S7-200 dùng cho các đối tượng điều khiển quy mô nhỏ, đơn giản; dòng SIMATIC S7-300 dùng cho các đối tượng điều khiển quy mô vừa; dòng SIMATIC S7-400 dùng cho các đối tượng điều khiển quy mô lớn, phức tạp Hãng OMRON của nhật bản có các dòng Micro PLC CPM

và dòng PLC cỡ nhỏ mạnh mẽ và mềm dẻo CQM ngoài ra còn có các họ PLC của Misubishi, Allen Bradley, Telemecanicque

1.2 Hệ thống điều khiển công nghiệp điển hình

And Data Aquirition - SCADA)

Hệ thống điều khiển kiểu thu thập, giám sát và điều khiển SCADA ra đời từ

những năm 1980, song song với việc ra đời các thiết bị Logic lập trình được (PLC) SCADA chủ yếu sử dụng PLC để điều khiển hệ thống SCADA thích hợp cho việc quản lý và điều khiển hệ thống sản xuất cỡ nhỏ với cấu trúc cơ bản như sau:

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống SCADA Trong đó:

- PC: Professional Computer (Máy tính chuyên dụng)

- LAN: Local Area Network (Mạng máy tính nội bộ)

- PLC: Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic lập trình được)

- I/O: Input/Output (Thiết bị vào/ra)

- UT: Unit Terminator (Thiết bị đầu cuối – hoặc RTU-Remote Terminator Unit)

- Si: Sensor (Thiết bị đo lường)

- CCCH: Cơ cấu chấp hành (Động cơ, van, rơ le, )

Trong hệ thống này, các bộ PLC thu thập số liệu, xử lý kết quả đo và đưa ra quyết định điều khiển, đồng thời gửi kết quả đo về máy tính trung tâm Máy tính trung tâm có nhiệm vụ hiển thị kết quả đo và cho phép vận hành hệ thống với yêu cầu từ máy tính Người điều khiển thông qua bàn phím và chuột có thể điều khiển hệ thống, máy tính truyền lệnh điều khiển xuống PLC thông qua các module vào ra (I/O), hệ thống thực hiện các công đoạn cần thiết để điều khiển quá trình sản xuất

Hệ thống kiểu này giá thành rẻ, thích hợp cho các hệ thống vừa và nhỏ Tuy nhiên

có hạn chế là: Khi áp dụng cho hệ thống lớn thì khó khăn; không có phần mềm chuyên dụng cho dự phòng; khả năng cho phép mở rộng các điểm đo bị hạn chế; tính ổn định thấp; tính năng thời gian thực chưa đáp ứng được

Hệ DCS (Distributed Control System) khắc phục được các nhược điểm của

hệ SCADA trên, đặc biệt là việc xử lý tập trung thông tin ở trung tâm điều khiển, do

đó lượng thông tin truyền đi và kênh truyền sẽ rất lớn đòi hỏi phần xử lý trung tâm phải có dung lượng cùng với tốc độ cao làm cho toàn hệ thống cồng kềnh phức tạp, chi phí lớn Cấu trúc của hệ DCS về cơ bản được bố trí như hình 1.2 sau đây

Phân cấp của hệ thống như sau:

• Cấp tiếp xúc gần nhất với đối tượng điều khiển: Gồm các cảm biến, Module chuẩn hoá tín hiệu, các van điều khiển, các Module I/O, các Module truyền thông và các khối xử lý trung tâm của từng nhóm tín hiệu và thường gọi là các khối xử lý phân tán Tập hợp của nhóm các thiết bị đó gọi là các thiết bị hiện trường

• Cấp điều khiển cục bộ (local control): Gồm các Module I/O, PLC, PC công nghiệp

• Cấp điều khiển giám sát: Gồm các máy tính với giao diện quan sát lớn, các bảng hiển thị thông số lớn, các thiết bị giám sát khác và máy in Cấp này có nhiệm vụ giám sát, điều khiển, lưu giữ, in ấn, hiển thị tức thời (động) các sơ đồ công nghệ và các thông số chính của quá trình sản xuất

• Cấp quản lý: Gồm các máy tính được nối mạng, làm nhiệm vụ thống kê số liệu sản xuất, lập bảng biểu, lưu trữ, tính toán tối ưu quá trình sản xuất

Hệ thống có ưu điểm như sau:

- Giao diện người dùng và các thông tin hiển thị rõ ràng

- Có chức năng dự phòng linh hoạt

- Có thể thay đổi quy trình công nghệ bằng phần mềm tương đối dễ

- Tính năng tác động nhanh được cải thiện

- Độ ổn định khá cao

- Thuận tiện cho việc kết nối với các hệ thống khác và dễ sử dụng

Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống:

- Giá thành đắt

- Yêu cầu kỹ thuật viên phải có trình độ cao, hiểu biết về công nghệ PLC,

PC, Controller,

Trong đó, PLC đóng một vai trò quan trọng nhờ các ưu điểm vượt trội của nó

so với các bộ điều khiển kiểu xử lý thông thường (vi xử lý)

- Hệ thống tích hợp: Từ năm 1998 đến nay trên thị trường công nghệ quốc tế

và trong nước đã dần dần triển khai hệ thống điều khiển công nghiệp kiểu tích hợp với tên gọi là Hệ thống thông tin tích hợp (Integrated Information Systems – IIS)

Hệ này có cấu trúc gần tương tự với kiểu DCS nhưng được tích hợp nhiều chức năng hơn Ngoài chức năng điều khiển phân tán và tính năng mở còn có chương trình điều khiển theo quy trình công nghệ đảm bảo sản xuất tối ưu Trên hệ thống còn tích hợp các chương trình tổ chức, lập kế hoạch sản xuất, tính toán lỗ lãi, marketing, thương mại điện tử, nhằm đem lại lợi nhuận cao cho sản xuất

- Các ứng dụng thông thường: Ngoài những ứng dụng của PLC trong các hệ thống điều khiển công nghiệp với quy mô lớn mà chúng ta đã xét, PLC còn có thể ứng dụng vào các công đoạn tự động hoá từng phần, từng mảng công việc khác nhau tuỳ từng điều kiện cụ thể về tính chất công việc, kinh tế, Chẳng hạn, PLC ứng dụng điều khiển hoạt động cửa tự động, tự động hoá toà nhà, cầu thang máy, trạm trộn bê tông, điều khiển Gara tự động, điều khiển Robot, điều khiển đèn đường giao thông, điều khiển hệ thống báo động,

Đây là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement list)

Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình được ghép gởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh” + “toán hạng”

- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram)

Đây cũng là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số

- Ngôn ngữ GRAPH

Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ hoạ Cấu trúc chương trình rõ ràng, chương trình ngắn gọn Thích hợp cho người trong ngành cơ khí vốn quen với giản

đồ Grafcet của khí nén

- Ngôn ngữ High GRAPH

CHƯƠNG 2 LẬP TRÌNH CHO PLC S7X00 VÀ LOGO

2.1 PLC S7 - 200

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình (lập trình được) loại nhỏ của hãng Siemens (CHLB Đức) Thiết bị này cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán bằng mạch số

Với chương trình điều khiển bên trong, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (các PLC khác hoặc máy tính) Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết

kế không bị cứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các mô đun Số các

mô đun được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, dự án cụ thể, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một mô đun chính là mô đun CPU Các mô đun còn lại

là các mô đun nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các mô đun chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ các mô đun này được gọi chung là môđun mở rộng Cụ thể, cấu trúc của một bộ PLC S7-200 có thể gồm các mô đun sau:

+ Mô đun nguồn PS (Power supply)

+ Mô đun CPU (Central processing unit)

+ Các mô đun tín hiệu SM (Signal module) Có chức năng mở rộng số cổng tín hiệu vào/ra

+ Các mô đun chức năng FM (Function module) phục vụ cho các điều khiển chuyên dụng

+ Các mô đun ghép nối IM (Interface module) Đây là loại mô đun chuyên dụng

có nhiệm vụ nối từng nhóm các mô đun mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một mô đun CPU

+ Mô đun CP (Communicate module) phục vụ cho việc truyền thông trong mạng được sử dụng để ghép nối giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Hình 2.1: Bộ điều khiển lập trình được S7-200

Cũng như các bộ PLC khác, PLC S7-200 có các thành phần chính là bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) với bộ vi xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, các giao diện vào ra (I/O modules), hệ thống bus (bus system) và khối nguồn cấp điện (Power Supply) Hình 2.2 minh hoạ các thành phần chức năng chính của một bộ điều khiển lập trình được và quan hệ tương tác giữa chúng

Bộ xử lý trung tâm bao gồm một hoặc nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết bị lập trình, được liên kết với nhau thông qua một hệ thống bus nội bộ Nhiệm vụ chính của CPU là quản lý các cổng vào ra, xử lý thông tin, thực hiện các thuật toán điều khiển Bộ nhớ chương trình thường có dạng EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) hoặc EFPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa hệ điều hành và mã chương trình ứng dụng Dữ liệu vào/ ra cũng như dữ liệu tính toán khác được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Acess Memory) Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theo chu kỳ, thông thường trong khoảng từ 0,01giây tới 1000 phút

Các thành phần vào/ ra (Input/Ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa CPU và qúa trình kỹ thuật Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách điện giữa các thiết bị ngoại vi (các cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU Các thành phần vào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ thống bus

Hệ thống bus (system bus) là tuyến để truyền các tín hiệu gồm nhiều đường tín hiệu song song:

- Tuyến địa chỉ (address bus) dùng để chọn địa chỉ trên các khối khác nhau

- Tuyến dữ liệu (data bus): mang dữ liệu

- Tuyến điều khiển (control bus): truyền các tín hiệu điều khiển dùng để đồng bộ các hoạt động trong PLC

Bộ cung cấp nguồn (POWER SUPPLY, PS) có vai trò biến đổi và ổn định nguồn nuôi (thông thường 5V cho CPU) và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V, 24V, )

Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể có các thành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng và xử lý truyền thông

số đầu vào ra và nguồn cung cấp

- CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng mở rộng được thêm bằng 2 modul mở rộng

- CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng được thêm bằng

7 modul mở rộng

- CPU 215 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng được thêm bằng

7 modul mở rộng

- CPU 216 có 24 cổng vào và 16 cổng ra và có khả năng mở rộng được thêm bằng

7 modul mở rộng

Hình sau chỉ ra các phần tử điều khiển và hiển thị của CPU 214:

Đặc điểm của các phần tử trên module CPU:

SF (đỏ) SF báo hiệu hệ thống bị hỏng Đèn SF sáng lên khi PLC có hỏng hóc RUN (xanh) chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy

STOP (vàng) STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thực hiện lại

Ix.x (xanh) ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

Qy.y (xanh) ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

- B ộ lựa chọn chế độ hoạt động (Mode selector):

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh các cổng ra của S7-200 có

ba vị trí cho phép chọn chế độ làm việc khác nhau của PLC

RUN mode: cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLCS7-200 sẽ

rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN Nên quan sát trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo

STOP mode: cưỡng bức PLC dừng công việc thực hiện chương trình đang chạy

và chuyển sang chế độ STOP ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới

TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong chế độ làm việc cho PLC

ở chế độ RUN hoặc STOP

- C ổng 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

Hình 2 5: K ết nối thiết bị lập trình tới một PLC S7-200

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485

Cáp nối PC/PPI cho phép nối cổng RS232 của máy tính PC với cổng RS485 của PLC qua giao diện điểm điểm PPI (Point to Point Interface)

Hình 2.5: K ết nối máy tính PC tới một PLC S7-200

nguồn cấp cho PLC):

Nguồn nuôi dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trình mới

Nguồn pin được sử dụng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu trong bộ nhớ Nguồn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực nếu như dung lượng tụ nhớ

bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi

Hình 2.6: L ắp nguồn pin lưu giữ vào CPU

- Th ẻ nhớ (Memory card):

Mục đích dùng memory card: Với memory card ta có thể mở rộng vùng nhớ cho CPU Có thể ghi chương trình ứng dụng và các tham số cài đặt tương ứng cho CPU và các mô đun trên memory card Cũng có thể lưu giữ hệ điều hành CPU tới một memory card Nếu ghi một chương trình ứng dụng trên memory card, nó sẽ còn lại trong CPU khi tắt nguồn thậm chí với cả trường hợp không có pin lưu giữ

Hình 2.7: Lắp memory card vào CPU

CPU 212 cho phép mở rộng nhiều nhất 2 mô đun và các CPU214, CPU 215, CPU216 nhiều nhất 7 mô đun Các mô đun mở rộng tương tự và số đều có trong S7-

200

Có thể mở rộng cổng vào ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các môđun

mở rộng về phía bên phải của CPU

Hình 2.8: Cách ghép n ối mô đun CPU với mô đun mở rộng

Mô đun vào số (DI module) chứa các đầu vào số dùng cho PLC S7-200 Các sensor số có thể được nối với PLC S7-200 thông qua mô đun này Mô đun vào số chuyển đổi mức tín hiệu số được truyền từ hệ thống bên ngoài thành mức tín hiệu bên trong PLC S7-200

Môđun ra số (DO module) chứa các đầu ra số dùng cho PLC S7-200 Các cơ cấu chấp hành số có thể được nối với PLC S7-200 thông qua mô đun này Mô đun ra số chuyển đổi mức tín hiệu số bên trong PLC S7-200 thành mức tín hiệu số cần cho hệ thống bên ngoài

Các mô đun mở rộng vào/ra tương tự chuyển đổi dữ liệu đầu vào tương tự sang giá trị số Giá trị số phụ thuộc vào dải tín hiệu đầu vào (0 đến 5 VDC, 1 đến 5 VDC,

0 đến 10VDC, -10 đến 10 VDC, 0 đến 4mA hoặc 4 đến 20 mA) Các dữ liệu đầu ra

số thì được chuyển đổi sang các giá trị tương tự (1 đến 5 VDC, 0 đến 10VDC, -10 đến 10 VDC, 0 đến 4mA hoặc 4 đến 20 mA)

Một trạm PLC được hiểu là một mô đun CPU ghép nối cùng với các mô đun mở rộng khác ( module DI, DO, AI, AO, CP, FM) trong đó việc truy nhập của CPU vào các mô đun mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng Tuỳ vào vị trí lắp đặt của mô đun mở rộng mà các mô đun có những địa chỉ khác nhau Hình sau là một ví dụ về cách đặt địa chỉ cho môđun mở rộng trên CPU 214:

- Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các môđun mở rộng:

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU và các mô đun mở rộng thông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các mô đun vào số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table

- I) Cuối mỗi vòng quét nội dung của bộ đệm ra số (process image output table - Q) lại được CPU chuyển tới cổng ra của các mô đun ra số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng (user program) Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực của cổng vào này có thể đã bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị từ I

và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét Cũng như vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do

nó chỉ thay đổi nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị ở lần thay đổi cuối cùng mới thực sự được đưa tới cổng ra vật lý của mô đun DO

Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại được CPU thực hiện trực tiếp với mô đun mở rộng (AI/AO) Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị

từ địa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bit) tới địa chỉ của vùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra tương tự của mô đun

Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là do đặc thù về sự tổ chức bộ nhớ và phân chia địa chỉ của S7-200 Chỉ có các mô đun vào/ra số mới có bộ đệm còn các mô đun vào/ra tương tự thì không, chúng chỉ được cung cấp địa chỉ để truy nhập (địa chỉ PI

và PQ)

Cấu trúc của bộ nhớ

2.1.4.1 Phân chia bộ nhớ

Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn

Hình 2.9:B ộ nhớ trong và ngoài của S7-200

Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình Ngôn ngữ lập chương trình cho PLC là ngôn ngữ đồ thị hình thang (LAD) hoặc danh sách lệnh (STL) Chương trình được lưu giữ trong bộ nhớ Non – valatile đọc/ ghi do đó không bị ảnh hưởng khi mất nguồn Khi muốn thay đổi vùng chương trình thì phải sử dụng một dụng cụ nạp chương trình Chương trình có thể được chia

ra làm hai phần: Chương trình “chính” thực hiện theo chu kỳ và “ chương trình ngắt” chỉ hoạt động khi có phát sinh ngắt tương ứng

Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khoá, địa chỉ trạm

Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả của phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông

Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự đặt trong vùng nhớ cuối cùng

Vùng chương trình, vùng tham số và một phần dữ liệu được lưu giữ trong EEPROM của CPU

Vùng dữ liệu là một miền nhớ động Nó có thể được truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hoặc theo từng từ kép và được sử dụng để 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

Hình sau mô tả vùng dữ liệu của CPU 212 và CPU 214

Vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau, Chúng được ký hiệu bằng các chữ cái tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

• V - Variable memory (miền nhớ thay đổi được)

• O - Output image register (thanh ghi đệm cổng ra)

• M - Internal memory bits (các bít nhớ nội)

• SM - Special memory bits (các bít nhớ đặc biệt)

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hoặc từng từ kép

a) Định nghĩa về Bit, Byte, Word, Double word

Bit là một đơn vị thông tin, nó có hai giá trị 0 hay 1

Byte là một nhóm 8 bit liên tiếp:

Trong PLC S7 -200 người ta dùng IB để chỉ byte vào (Input Byte) và QB để chỉ byte ra (Out Byte)

Word là kết hợp của 16 bit hay 2 byte

Trong PLC S7 -200 người ta dùng IW để chỉ word vào (Input word) và QW để chỉ word ra (Out word)

Double Word là kết hợp của 32 bit hay 4 byte hay 2 word

Trong PLC S7 - 200 người ta dùng ID để chỉ double word vào (Input Double word) và QD để chỉ double word ra (Out Double word)

Thí dụ: Địa chỉ vùng nhớ được qui định như sau:

b) Cách đánh địa chỉ bit, byte và word trong PLC S7-200

Các miền nhớ trong CPU (miền V, I, Q, M, SM) đều có thể được truy nhập thông qua địa chỉ bit, địa chỉ byte, địa chỉ word và địa chỉ double word

-Địa chỉ bit : Tên miền (+) x(+) • y(+)

Với x là địa chỉ của byte (x: 0 - 255) và y là thứ tự của bit trong byte (y: 0 - 7)

Ví dụ : Truy nhập cổng vào theo địa chỉ bit

- Địa chỉ byte: Tên miền (+) B(+) x

Với x là địa chỉ của byte (x: 0 -127)

Ví dụ : Truy nhập miền nhớ V theo địa chỉ byte

- Địa chỉ word: Tên miền (+) W(+) x

Với x là địa chỉ của word (x: 0 -126) Và word thứ x tạo bởi byte thứ x (byte cao) và byte thứ (x+1) ( byte thấp)

Ví dụ : Truy nhập miền V theo địa chỉ word

- Địa chỉ double word: Tên miền (+) D(+) x

Với x là địa chỉ của word (x: 0 -124) Và double word thứ x tạo bởi byte thứ x (byte cao nhất), byte thứ (x+1), byte thứ (x+2) và byte thứ (x+3) ( byte thấp nhất)

Ví dụ : Truy nhập miền V theo địa chỉ double word

2.1.4.3 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, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đếm vào ra tương tự và các thanh ghi Accumulator (Acc)

Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó

Vùng nhớ đối tượng được phân chia như sau:

Step7 là một phần mềm hỗ trợ:

- Khai báo cấu hình cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic

- Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-200 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng

- Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoặc nhiều trạm

- Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển trong một trạm PLC và gỡ rối chương trình

Ngoài ra Step7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời mọi câu hỏi của người sử dụng về cách sử dụng Step7, về cú pháp lệnh trong lập trình, về xây dựng cấu hình cứng của một trạm cũng như của một mạng gồm nhiều trạm PLC

Các bước cài đặt phần mềm STEP7 V3.2 như sau: Cho đĩa CD STEP7 vào ổ đĩa CD Nhấn đúp phím trái chuột vào tệp Setup.exe Quá trình cài đặt bắt đầu được thực hiện Công việc cài đặt Step7, về cơ bản, không khác nhiều so với việc cài đặt các phần mềm ứng dụng khác (như Windows, Office ), tức là cũng bắt đầu bằng việc chọn ngôn ngữ trong cài đặt (mặc định là tiếng Anh), chọn thư mục đích trên ổ cứng kiểm tra dung tích còn lại trên ổ đích, chọn ngôn ngữ sẽ được sử dụng trong quá trình làm việc với Step7 sau này

Sau khi cài đặt xong STEP7, trên màn hình (desktop) sẽ xuất hiện

biểu tượng (icon) của nó như hình bên Đồng thời trong Menu Start

của Windows cũng có thư mục Simatic với tất cả các tên của các

thành phần liên quan, từ các phần mềm trợ giúp đến các phần mềm đặt cấu hình, chế độ làm việc của Step7

Ngay sau khi STEP7 vừa được cài đặt xong, bằng cách mở đối tượng ta được màn hình chính của STEP 7 Màn hình này có dạng như sau:

Mô tả các khối chức năng trên giao diện phần mềm PLC:

- Thanh tiêu đề :gồm cửa sổ và các nút điều khiển cửa sổ (đóng, mở cửa sổ)

- Thanh thực đơn: gồm các danh mục cho cửa sổ đang mở:

- Thanh công cụ: gồm các thao tác thường dùng nhất dưới dạng ký hiệu

Ví dụ: cách soạn thảo một project:

Để khai báo một Project, từ màn hình chính của Step7 ta chọn File→New hoặc kích chuột vào biểu tựơng “ New Project/Library” Trong trường hợp muốn mở một

Project đã có, ta chọn File→Open hoặc kích chuột vào biểu tượng “Open

Project/Library” từ cửa sổ chính của Step7 rồi chọn tên Project muốn mở

2.1.5.3 Thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) 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 bằng lệnh kết thúc (MEND) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm

ảo tới các cổng ra

- Nh ập dữ liệu vào:

Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào số đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input register) Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào số mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số

CPU không thể tự động truy nhập dữ liệu tại các cổng vào tương tự, mà truy nhập trực tiếp bằng lệnh vào của chương trình

- Th ực hiện chương trình:

Trong mỗi vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh cuối cùng 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