Đồ án tốt nghiệp giới thiệu về PLC

Tổng quát , một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ , thiết bị điện tử , được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định , sự chính xác , sự chuyển đổi nhịp nhàng của một qui trình hoặc một hoạt động sản xuất . Nó thực hiện bất cứ yêu cầu nào của dụng cụ , từ cung cấp năng lượng đến một thiết bị bán dẫn . Với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hoá hoàn toàn, đó là PLC , nó được sử dụng kết hợp với máy tính chủ . Ngoài ra , nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác ( như là : bảng điều khiển, động cơ , contact , cuộn dây,.....) . Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn . Ngoài ra , nó còn thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển. Mỗi một bộ phận trong hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Từ hình 1.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận biết được điều gì nếu nó không được kết nối với các thiết bị cảm ứng . Nó cũng không cho phép bất kỳ các máy móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với động cơ. Và tất nhiên , vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động của một vùng sản xuất riêng biệt.

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC

1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÀ GÌ :

Tổng quát , một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ , thiết bị điện

tử , được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định , sự chính xác , sự

chuyển đổi nhịp nhàng của một qui trình hoặc một hoạt động sản xuất Nó thực

hiện bất cứ yêu cầu nào của dụng cụ , từ cung cấp năng lượng đến một thiết bị

bán dẫn Với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc

điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều

khiển tự động hoá hoàn toàn, đó là PLC , nó được sử dụng kết hợp với máy tính

chủ Ngoài ra , nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác ( như là : bảng

điều khiển, động cơ , contact , cuộn dây, ) Khả năng chuyển giao mạng của

PLC có thể cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn

Ngoài ra , nó còn thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều

khiển Mỗi một bộ phận trong hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan

trọng Từ hình 1.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận biết được điều gì nếu nó không

được kết nối với các thiết bị cảm ứng Nó cũng không cho phép bất kỳ các máy

móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với động cơ Và tất

nhiên , vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động của một vùng sản xuất

riêng biệt

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển PLC

Hiển thị

Cơ cấu Chấp hành

Cảm biến xử lý Điều khiển

1.2 VAI TRÒ CỦA PLC

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ

thống điều khiển Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ

nhớ của PLC ) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống , bao gồm: kiểm

tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chương trình logic để xử lý tín

hiệu và mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất

PLC được dùng để điều khiển thống từ đơn giản đến phức tạp Hoặc ta có

thể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một

quá trình phức hợp

1.3 CÁC THIẾT BỊ NHẬP VÀ XUẤT DÙNG TRONG PLC

1.3.1 Các thiết bị nhập

Sự thông minh của một hệ thống tự động hoá phụ thuộc vào khả năng đọc tín

hiệu từ các cảm biến tự động của PLC

Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao

phím , Ngoài ra PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động

như: công tắc trạng thái , công tắc giới hạn ,cảm biến quang điện, cảm biến cấp

độ , Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái logic ON/OFF hoặc tín

hiệu Analog Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các modul

nhập

1.3.2 CÁC THIẾT BỊ XUẤT

Trong một hệ thống tự động hoá, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan

trọng Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ

thống sẽ bị tê liệt hoàn toàn Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ , cuộn

dây nam châm , relay, chuông báo, Thông qua hoạt động của motor, các cuộn

dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Các loại thiết

bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hoá và vì thế nó ảnh hưởng trực

tiếp vào hiệu suất của hệ thống

Tuy nhiên , các thiết bị khác như là : đèn pilot ,còi và các báo động chỉ cho

biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết

bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC

1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐƯỢC PLC LÀ GÌ ?

PLC là bộ điều khiển logic theo chương trình bao gồm : bộ xử lý trung tâm

gọi là CPU (Central Procesing Unit ) chứa trương chình ứng dụng và các modul

giao diện nhập xuất Nó được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O Vì thế, khi tín

hiệu nhập, CPU sẽ xử lý tín hiệu và gởi tín hiệu đến thiết bị xuất

Bus

Tín hiệu đIều khiển

En

1D C1

En G1 RAM

Khối đầu

ra

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC với các khối nhớ vào và

ra

1.5 SO SÁNH PLC VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƯỜNG

KHÁC

Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các

hệ thống điều khiển bằng relay ,contactor thông thường Ta hãy thử so sánh ưu

khuyết điểm của hai hệ thống trên:

³ Hệ thống điều khiển thông thường :

• Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn trên bảng điều khiển

• Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế ,lắp đặt

• Tốc độ hoạt động chậm

• Công suất tiêu thụ lớn

• Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều

thời gian

• Khó bảo quản và sửa chữa

Hệ thống điều khiển bằng PLC:

• Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn

• Công suất tiêu thụ ít hơn

• Sự thay đổi các ngõ vào , ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn

nhờ phần mền điều khiển bằng máy tính hay trên console

• Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

• Bảo trì hệ thống và sửa chữa dễ dàng

• Độ bền và tin cậy vận hành cao

• Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

• Có thiết bị chống nhiễu

• Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

• Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện

các lệnh tuần tự của nó

• Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

Do có những lý do trên PLC thể hiện rất rõ ưu điểm của nó so với các thiết bị

điều khiển thông thường khác PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các

lệnh tuỳ theo yêu cầu của công nghệ Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của

nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC

1.6 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC :

Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý,

bộ nhớ, bộ nhập, xuất

1.6.1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) :

Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC , thực hiện

chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên

ngoài

1.6.2 Bộ nhớ ( Memory ) :

Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau Đây là nơi lưu gữi trạng thái hoạt động

của hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng Để đảm bảo cho PLC hoạt động, phải

cần có bộ nhớ để lưu giữ chương trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện

các chức năng khác như:

+ Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập được

gọi là Ram xuất nhập

+ Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong : Time,

counter, relay

Bộ nhớ gồm có những loại sau :

+ Bộ nhớ chỉ đọc (Rom: Read Only Memory ): Rom không phải là bộ

nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần Do đó không thích hợp cho việc

điều khiển "mềm "của PLC Rom ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác

+ Bộ nhớ ghi đọc (Ram : Random Access Memory ): Ram là một bộ nhớ

thường được dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình của người sử dụng Dữ liệu

trong Ram sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất Tuy nhiên vấn đề này được giải

quyết bằng cách gắn thêm vào Ram nguồn điện dự phòng Ngày nay , trong kỹ

thuật phát triển PLC , người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng khá

thấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các Ram này khi mất nguồn Pin dự

phòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc

gắn với hệ thống, pin sẽ được sạp khi cấp nguồn cho PLC

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được (EPROM: Eresable

Programmable Read Only Memory ): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như ROM ,

tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, người

viết phải viết lại chương trình trong bộ nhớ

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được bằng điện (EEPROM : Electric

Erasable Programmable Read Only Memory) : EEPROM kết hợp khả năng truy

linh động của Ram và tính khả biến của EEPROM, nội dung trên EEPROM có

thể bị xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định

CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN

LẬP TRÌNH PLC SIMATIC S7 -200

I: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA CPU

Khái quát chung:

S7- 200 làthiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng siemens

cấu trúc theo module có các module mở rộng các module này được sử dụng cho

nhiều ứng dụng lập trình khác nhau

Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi lý CPU 212 và CPU 214 về

hình thức bên ngoài sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số

đầu vào ra và nguồn cung cấp

CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra có khả năng mở rộng thêm bằng hai

module mở rộng

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

7 module mở rộng

Cấu trúc CPU 212

-512 từ đơn ( Word ) tức là 1 kbyte, để lưu chương trình thuộc miền bộ

nhớ đọc/ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện EPROM Vùng nhớ

với tính chất như vậy được gọi là vùng nhớ non-votatile

512 từ đơn được lưu dữ liệu trong đó có 100 từ nhớ đọc/ghi thuộc miền nhớ non

-volatile

8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic

Có thể ghép nối 2 module để mở rộng số cổng vào/ra , bao gồm cả 2

module tương tự (analog)

Tổng số cổng logic vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra

64 bộ tạo thời gian trễ (time ) trong đó có 2 time có độ phân giải 1ms , 8time có

độ phân giải 10 ms và 54 time có độ phân giải 100ms

64 bộ đếm (counter ) chia làm 2 loại bộ đếm chỉ đếm tiến và loại bộ đếm vừa

đếm tiến vừa đếm lùi

368 bít nhớ đặc biệt sử dụng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ

làm việc

Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu khác nhau bao gồm ngắt truyền thông

ngắt theo sườn lên hoặc xuống Ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm

2048 từ đơn (4kbyte ) thuộc miền nhớ đọc /ghi non - volatile để lưu chương trình

(dùng nhớ có giao diện EEPROM )

2048 từ đơn (4kbyte) thuộc kiểu đọc /ghi để lưu dữ liệu (trong đó có 512 từ đầu

thuộc miền EEPROM )

IO O ,QO O ,VO O, SMO.1

Tổng số cổng vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra

Có 14 ngõ vào từ IO.O , IO.1 và I1.O , I1.5

Có 10 ngõ ra từ QO.O , IO.1 và Q1.O , QI.1

Có thể gắn thêm 1 module mở rộng bao gồm cả module analog

128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau 4 timer 1ms, 16 timer 10

ms và 108 timer 100ms

Có 128 bộ đếm chia làm hai loại

+ Chỉ đếm lên CTU

+ Vừa đếm lên vừa đếm xuống CTUD

Có 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

+ SMO.O : luôn ở trạng thái 1

+ SMO.1 : bằng 1 trong vòng quét đầu tiên

Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm ngắt truyền thông , ngắt theo sườn lên hoặc

sườn xuống, ngắt thời gian ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

Có 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2khz và 7 khz

2bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu:

PTO ( Pulse traisn output ) : điều tần

PWM (Pulse width modulation ) : điều rộng xung

2 bộ chỉnh tương tự

Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC

bị mất nguồn nuôi

Các đèn báo trên S7 - 200 CPU 214

+ SF (ĐèN Đỏ ) : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng ĐènSF sáng lên khi

PLC bị hỏng hóc

+ Run (đèn xanh ) : đèn xanh chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện

chương trình được nạp vào trong máy

+ TERM : cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC

hoặc Run hoặc Stop

II :CẤU TRÚC BỘ NHỚ :

Bộ điều khiển lập trình S7 -200 được chia thành 4 vùng nhớ Với 1

tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ

nhớ S7 -200 có tính năng động cao ,đọc và ghi được trong phạm vi toàn

vùng loại trừ các bít đặc biệt SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập

Tham số

Dữ liệu

Chương trình Tham số

Dữ liệu

Hình II -1 : Bộ nhớ trong và ngoài của S7 -200

1 - Vùng chương trình : Là vùng bộ nhớ chỉ được sử dụng để lưu trữ

các lệnh chương trình vùng này thuộc bộ nhớ trong độc và ghi được

2 -Vùng tham số : Là vùng lưu dữ các tham số như : từ khoá, địa chỉ

trạm cũng giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được

3 - Vùng dữ liệu : Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của

chương trình bao gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit

từng byte vùng này được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác

nhau

Vùng I ( Input image register) :Là vùng nhớ gồm 8byte

I (đọc /ghi ) : I.O , I.7

- Vùng Q (Output image register ): Là vùng nhớ gồm 8byte

4 - Vùng đối tượng : Là time (định thì ), counter (bộ đếm ) tốc độ cao và

các cổng vào/ ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không

thuộc kiểu non - volatile nhưng đọc ghi được

- Timer (bộ định thì ): Đọc /ghi T0 , T127

- Counter (bộ đếm ) : Đọc /ghi C0 , C 127

- Bộ đệm vào analog (đọc) : AIW0 , AIW30

- Bộ đệm ra analog (ghi) : AQW0 , AQW30

- Accumulator (thanh ghi) : AC0 , AC3

- Bộ đếm tốc độ cao : HSCO , HSC2

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit , từng

byte , từng từ đơn (word - 2byte) , từ kép (Doudble word )

III CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH:

Chương trình cho S7 -200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính

(main program) sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý

ngắt

- Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình

(End)

- Chương trinh con là một bộ phận của chương trình Các chương trình

con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh

(End)

- Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau

chương trình chính sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng

cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn

trong việc đọc chương trình có thể trộn lẫn các chương trình con và

chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính

Thực hiện trong một vòng quét

End {Stop}

INT (n) { no , 255 } chương trình xử lý ngắt

Ret

SBR (n) {no , 255 } chương trình con

Ret

S7 -200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh nhập đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng Một vòng quét như vậy là

dòng quét (scan)

Một vòng quét (Scan cycle ) được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào và sau đó thực hiện chương trình, vòng quét kết thúc bằng

việc thay đổi trạng thái đầu ra Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo

S7 -200 thực thi các nhiệm vụ truyền thông Chu trìng tiếp theo là chu

trình lập

Giai đoạn chuyển Giai đoạn nhập

dữ liệu ra ngoại vi dữ liệu từ ngoại

- Chương trình được viết theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tạo ra một

chương trình thoe kiểu STL tương ứng và ngược lại

1 - Phương pháp LAD : LAD là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ

những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần

cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau :

- Tiếp điểm : là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm rơle cvác tiếp

điểm có thể thường đóng , thường mở

- Cuộn dây (coil) : là biểu tượng mô tả rơ le mắc theo

chiều dòng điện cung cấp cho rơle

- Hộp (box) : là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có

dòng điện chạy đến hộp thường là các bộ thời gian (time), bộ đếm

(counter) và các hàm toán học

- Mạng LAD : là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện , đi

từ đường nguồn bên trái sang nguồn bên phải dòng điện chạy từ trái

qua tiếp điểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn

2 - Phương pháp liệt kê lệnh STL: Phương pháp liệt kê (STL) là

phương pháp thực hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh

Mỗi câu lệnh trong chương trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn

một chức năng của PLC

Để tạo một chương trình dạng STL người lập trình cần phải hiểu rõ

phương pháp sử dụng của ngăn xếp logic của S7- 200 (S0 , S8)

Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau Tất cả các thuật

toán liên quan đến ngăn xếp , đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với

bit đầu và bit thứ hai của ngăn xếp (S0 , S1) giá trị logic mới đều có thể

được gửi vào ngăn xếp

V.CÚ PHÁP LỆNH CƠ BẢN TRONG S7 -200

1 - Lệnh vào ra : (Input/Oput)

- Load (LD) : Lệnh LD nạp giá trị của một tiếp

điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị cũ còn lại bị đẩy lùi xuống

Bị đẩy ra khỏi ngăn xếp

hiệu lệnh LDN

- Load not (LDN) : lệnh LDN nạp giá trị logic ngịch đảo của một

tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp , các giá trị cũ còn lại

trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit (hình V-2)

Các dạng lệnh khác nhau của lệnh LD , LDN cho LAD như sau :

Lad Mô tả Toán hạng

n Tiếp điểm thường mở sẽ được

Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN cho STL như sau: