tìm hiểu về PLC s7 300

bài làm tổng quan về máy PLC s7 300 do sinh viên trường Điện Lực làm

M C L C Ụ Ụ

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PLC S7-300 3

1.1Tổng quan về PLC S7-300 3

1.2.Thiết bị điều khiển logic khả trình 4

1.3.Các module của PLC S7-300 6

1.4.Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng 12

CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC BỘ NHỚ CPU 14

CHƯƠNG 3: VÒNG QUÉT CHƯƠNG TRÌNH PLC 17

CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH 18

4.1 Lập trình tuyến tính 18

4.2 Lập trình cấu trúc 18

4.3 Các khối OB đặc biệt 19

CHƯƠNG 5: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 20

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay đất nước ta đang trong quá trình hội nhập và phát triển về mọi mặt:kinh tế,chính trị,xã hôi,khoa học kỹ thuật để tiến kịp với sự phát triển của thế giới.Đặc biệt là trong qúa trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì tự động hóa đóng một vai trò quan trọng đáp ứng các nhu cầu

đề ra của nền sản xuất công nghiệp hiện đại:tốc độ sản xuất,chất lượng,giá thành,khấu hao máy móc.Với sự phát triển như ngày nay các ngành công nghiệp ngày càng ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật đặc biệt là TỰ ĐỘNG HÓA

Trong những năm gần đây PLC ngày càng được sử dung rộng rãi và được coi như một giải pháp điều khiển lí tưởng cho việc tự động hóa trong công nghiệp Nhận thức được tầm quan trọng

đó và được sự giúp đỡ nhiều của thầy cô, chúng em tìm hiểu về PLC S7-300 để nâng cao hiểu biết

về hệ thống tự động hóa

Bản đồ án của chúng em được trình bày theo bố cục:

Chương 1: Giới thiệu PLC S7-300

Chương 2: Tổ chức bộ nhớ CPU

Chương 3:Vòng quét chương trình PLC

Chương 4: Cấu trúc chương trình

Chương 5:Ngôn ngữ lập trình

Quá trình thực hiện đồ án chúng em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo……Tuy vậy, trong quá trình tìm kiếm và tổng hợp chúng em còn nhiều hạn chế và thiếu xót, chúng em mong

có được những ý kiến góp ý và giúp đỡ của thầy cô để bản đồ án được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Hoàng Quang Cường

Phạm Văn Cường

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PLC S7-300

1.1Tổng quan về PLC S7-300

1 Lịch sử phát triển PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh

Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở nên ngày càng phổ biến Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét

Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện tự động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối chuyên dụng hay lập trình bằng tay

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD)

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley, General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…

PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505 Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như: Simatic S7 có S7-200, S7-300, S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau như S7-300 có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, CPU 614…

2 Vai trò của PLC

Trong hệ thống điều khiển tự động hoá PLC được xem như một trái tim, với chương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC Nó điều khiển trạng thái của hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng của chương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và xuất tín hiệu đến các thiết bị đầu ra

PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp

3 Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hoá

khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…

Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển dùng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả giải quyết bài toán cao

1.2.Thiết bị điều khiển logic khả trình

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) là loại thiết bị thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay vì phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số.Như vậy, PLC là một bộ điều khiển gọn, nhẹ và dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (với các PLC khác hoặc máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ của vòng quét (scan)

Hình 1.1: Cấu trúc của PLC S7-300

Hình 1.2 Cấu trúc bên trong của PLC

Để thực hiện một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thong tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn phải có thêm một số khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) … và những khối hàm chuyên dung

Ưu điểm của bộ điều khiển lập trình được so với điều khiển nối dây:

Tính năng mở rộng: khả năng mở rộng xử lí bằng cách thay đổi chương trình lập trình một cách dễ dàng

Độ tin cậy cao

Cách kết nối các thiết bị điều khiển đơn giản

Hình dáng PLC gọn nhẹ

Giá thành và chi phí lắp đặt thấp

Phù hợp với môi trường công nghiệp

Các ứng dụng của PLC trong sản xuất và trong dân dụng:

Điều khiển các Robot trong công nghiệp

Hệ thống xử lí nước sạch

Công nghệ thực phẩm

Công nghệ chế biến dầu mỏ

Công nghệ sản xuất vi mạch

Điều khiển các máy công cụ

Điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất

Điều khiển thệ thống đèn giao thông

…

1.3.Các module của PLC S7-300

Để tăng tính mềm dẻo trong các 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 cac bộ phận PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng có module chính (module CPU, module nguồn) Các module còn lại là những module truyền nhận tín hiệu với các đối tượng điều khiển, chúng được gọi là các module mở rộng.Tất cả các module đều được gá trên một thanh Rack

Module nguồn PS307 của S7-300

Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC Ngoài ra còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có công suất nhỏ

Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của CPU tuỳ theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc

Module nguồn PS307 có 3 loại: 2 A, 5A và 10 A

Mặt trước của module nguồn gồm có:

230VAC

vào và ra

Khối xử lý trung tâm (CPU)

-Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào/ra số Các

cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra onboard

-Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lí có

trong nó, như : module CPU312, module CPU314, module CPU315,…

-Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm

đặt trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng

vào /ra onboard, được phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated

Function Module) Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM…

Bên cạnh đó còn có loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính

là phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ điều hành Các loại module CPU này được phân biệt bằng cách thêm cụm từ DP (Distributed port) trong tên gọi Ví dụ: module CPU315-2DP, module CPU316-2DP

Module mở rộng cổng tín hiệu:

Digital Input Module: Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ nhận các tín hiệu số từ các

thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lý, gồm có các module

sau:

Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất các tín hiệu từ vùng

đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:

Digital Input/ Output Module: module mở rộng các cổng vào/ra số Tích hợp nhiệm vụ của hai

loại module trên Gồm có các loại sau:

Analog Input Module: Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu

tương tự từ bên ngoài thành các tín hiệu số để xử lý bên trong S7-300 Gồm các loại module sau:

Analog Output Module: Module mở rộng các cổng ra tương tự, có

nhiệm vụ chuyển các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu

tương tự để phục vụ cho quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài

Gồm các loại module sau:

Analog Input/Output Module: là module tích hợp nhiệm vụ của hai loại trên Gồm có:

4.4 Module ghép nối (Interface module-IM):

Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối

từng nhóm module mở rộng lại với nhau thành một

khối và được quản lý chung bởi một module CPU

Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp

với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối

với nhau bằng module IM Module IM gồm có các

loại:

Các module mở rộng được chia thành 5 loại:

PS (Power Supply): module nguồn là module tạo ra nguồn có điện áp 24Vdc cấp nguồn cho các

module khác Có 3 loại: 2A, 5A và 10A

Hình 1.2 Sơ đồ khối và sơ đồ đấu dây của module nguồn PS307;2A

(6ES7307-1BA00-0AB) Đèn chỉ thị nguồn 24Vdc

Đômino nối dây ngõ ra điện áp 24Vdc

Cầu chì bảo vệ quá dòng

Đôminô nói dây với điện áp 220Vac

ON/OFF Switch 24 Vdc

SM (Signal Module): Module mở rộng vào/ra, bao gồm:

DI (Digital Input): module mở rộng cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc

32 tùy thuộc vào từng loại module

Hình 1.3.Sơ đồ đấu dây của Module Hình 1.4.Sơ đồ đấu day của module

Số thứ tự các ngõ vào số trong module

Đèn chỉ thị mức logic

Bus bên trong của module

DO (Digital Output): module mở rộng cổng ra số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc

32 tùy thuộc vào từng loại module

Hình 1.5.Sơ đồ đấu dây của module Hình 1.6.Sơ đồ đấu dây của module

SM322; DO 32 x 24 VDC/0.5A; SM322; DO 16 x AC 120/230 V/1 A;

(6ES7322-1BL00-0AA0) (6ES7322-1EL00-0AA0)

Hình 1.7.Sơ đồ đấu dây của module Hình 1.8.Sơ đồ đấu dây của module

Số thứ tự các ngõ vào số trong module

Đèn chỉ thị mức logic

Bus bên trong của Module

DI/DO (Digital Input/Digital Output): module mở rộng cổng vào/ra số Số các cổng vào/ra số mở

rộng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc vào từng loại module

Hình 1.9.Sơ đồ đấu dây của module SM 323; DI 16/DO 16 x DC 24V/0.5A;

(6ES7323-1BL00-0AA0)

Số thứ tự các ngõ vào số trong module

Đèn chỉ thị mức logic

Bus bên trong của Module

AI (Analog Input): module mở rộng cổng vào tương tự Bản chất chúng là những bộ chuyển tương

tự sang số (ADC) Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy từng loại module, số bit có thể

là 8, 10, 12, 14, 16 tùy theo từng loại module

Ví dụ: Module SM 331; AI 2 x 12 bit; (6ES7331-7KB02-0AB0)

Các dạng tín hiệu đọc được:

Điện áp

Dòng điện

Điện trở

Nhiệt độ

Độ phân giải 12 bit:

Hình 1.10.Sơ đồ đấu dây của module Hình 1.11.Sơ đồ đấu dây của module

Hình 1.12.Sơ đồ đấu dây của module Hình 1.13.Sơ đồ đấu dây của module

AO (Analog Output): module mở rộng cổng ra tương tự Chúng là những bộ chuyển đổi từ số sang

tương tự (ADC) Số cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tùy thuộc từng loại module

Hình 1.14.Sơ đồ đấu dây của module SM 332; AO 4 x 12 bit;

(6ES7332-5HD01-0AB0)

AI/AO (Analog Input/Analog Output): module mở rộng vào/ra tương tự Số các cổng vào ra tương

tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy thuộc loại module

IM (Interface Module): Module kết nối.

Hình 1.15.Sơ đồ đấu dây của Module IM 365; (6ES7365-0BA01-0AA0)

Đây là loại module dung để kết nối từng nhóm các module mở rộng thành một khối và được quản lí bằng một module CPU.Thông thường các mở rộng được gá liền nhau trên một thanh Rack.Mỗi thanh Rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rông (không kể module CPU và module nguồn).Một module CPU có thể làm việc nhiều nhất với 4 thanh Rack và các Rack này phải được nối với nhau bằng module IM

FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển như : module điều khiển động cơ bước,

module điều khiển động cơ servo, module PID…

CP (Communication Processor): Module truyền thông giữa PLC với PLC hay giữa PLC với PC.

1.4.Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I) Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm

ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển tới cổng ra của các module ra số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào này

có thể 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 đối nội dung bít nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự đưa tới cổng ra vật

lý của module 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 module 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 bits ) tới địa chỉ của vùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ đượcü gửi ngay tới cổng ra tương tự của module

Chương trình ứng dụng (user program)

Process image input table (I) Process

imag output table (Q)

Hình 1.16: Nguyín lý trao đổi dữ liệu giữa CPU vă câc module mở rộng

Tuy nhiín miền địa chỉ PI vă PQ lại được cung cấp nhiều hơn lă số câc cổng văo/ra tương tự

có thể có của một trạm Điều năy tạo khả năng kết nối câc cổng văo/ra số với những địa chỉ dôi ra

đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực tiếp câc module DI/DO mở rộng

để có được giâ trị tức thời tại cổng mă không cần thông qua bộ đệm I vă Q

Systerm memory

Bộ đệm ra sốQ Bộ đệm vào sốI Vùng nhớ cờM TimerT

CounterC

Work memory

Logic block Data block Local block, Stack

Load memory

User program (EEPROM) User program (RAM)

ACCU1 ACCU2 Accumulator

AR1 AR2 Address register

DB (share)

DI (instance) Data block register

Status Status word

Hình 2.1: Tổ chức bộ nhớ trong CPU

CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC BỘ NHỚ CPU

Vùng nhớ chức các thanh ghi: ACCU1, ACCU2, AR1, AR2…

Load memory: là vùng nhớ chứa lượng chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao

gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FB, FC các khối chương trình trong thư viên hệ thốngđược sử dụng (SFC,SFB) và các khối dự liệu DB Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPROOM (nếu cĩ EEFROOM).Khi thực hiện động tác xĩa bộ nhớ (MRES) tồn bộ các khối chương trình và dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xĩa.Cũng như vậy khối chương trình hay dữ liệu được đổ (hay down load) từ thiết bị lập trình (PG,máy tính) vào module CPU,chúng sẽ được ghi lên phần RAM của vùng nhớ Load memory

Work memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FB,

FC, SFC hay SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức

để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và các khối chương trình khác (local block) Tại một số thời điểm nhất định vùng work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đĩ được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xĩa khỏi work memory và nạp vào đĩ khối chương trình kế tiếp đến lượt được thực hiện

System memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q,I) các biến cờ (M) thanh ghi

C-Word, PV, C-bit của couter.Việc truy nhập, sửa lỗi dữ liệu những ơ này được phân chia hoặc bởi hệ điều hành của CPU hoặc do chương trình ứng dụng

Cĩ thể thấy rằng trong các vùng nhớ được trình bày ở trên khơng cĩ vùng nhớ nào được dùng làm bộ đệm cho các cổng vào/ra tương tự.Nĩi cách khác các cổng vào/ra tương tự khơng cĩ bộ đệm và như vậy mỗi lệnh truy nhập module tương tự (đọc hoặc gửi giá trị) đều cĩ tác dụng trực tiếp tới các cổng vật lý của module