Giáo trình PLC cơ bản: Phần 1

Giáo trình PLC cơ bản có kết cấu gồm 6 chương. Phần 1 Giáo trình PLC cơ bản gồm nội dung 2 chương đầu: Đại cương và điều khiển lập trình, các phép toán nhị phân của PLC. Tham khảo nội dung giáo trình để nắm bắt nội dung chi tiết.

Lời nói đầu

PLC : Programmable Logic Control

Là thiết bị Logic lập trình được, cho phép thực hiện các phép toán logic thông qua ngôn ngữ lập trình Thành phần cơ bản của các PLC S7 200 là khối vi

xử lý trung tâm, khối VXL này điều khiển các ứng dụng thông qua các modul ( modul có sẵn và các module mở rộng)

Chính những đặc điểm này cộng với khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp và tính tin cậy cao nên ngày nay PLC được ứng dụng rất nhiều trong hầu hết các ngành công nghiệp: Điều khiển nhiệt độ lò nung, điều khiển băng tải, các trạm trộn, thang máy…

Do tính ứng dụng cao của PLC nên ngày nay tất cả các ngành tự động hoá nói riêng và ngành điện - điện tử nói chung trong tất các các trường đều đưa PLC vào trong chương trình đào tạo của mình nhằm giúp cho sinh viên có thêm có hội tiếp cận với công nghệ mới, đồng thời tăng khả năng làm việc của sinh viên Nội dụng chính của tài liệu bao gồm 6 chương:

Chương 1: Đại cương về điều khiển lập trình

Chương 1: Đại cương về điều khiển lập trình

Bài 1.1: Tổng quát về điều khiển lập trình

I Điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình

Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho nó các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh)

PLC có khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình, trên các lệnh logic cơ bản: khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ, khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ

Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp:

• Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động

• Yêu cầu của người lập trình không cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ

Hỡnh 1.1 Hỡnh daùng thửùc teỏ PLC

cần nắm vững công nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được

• Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại cách nối dây

Như vậy, với chương trình điều

khiển của PLC, PLC trở thành bộ

điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi

thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi

thông tin với môi trường xung quanh

(với các PL khác hoặc với máy tính)

Toàn bộ chương trình điều khiển

được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới

dạng các khối chương trình (khối

OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp

theo chu kỳ của vòng quét

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải

có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ

điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có

Hỡnh 1.3 Heọ thoỏng ủieàu khieồn PLC

Hỡnh 1.2 Keỏt noỏi cụ baỷn cho PLC

thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer) , và những khối hàm chuyên dụng

II So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác

1 Hệ thống điều khiển rơ le( truyền thống)

Khi hình thành PLC, đó là sự bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt vào những năm 1960 & 1970, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơ – le cơ điện Những rơ – le này được lắp đặt cố định bên trong bảng

điều khiển Trong một vài trường hợp, bảng điều khiển rộng chiếm không gian Mọi kết nối ở ngõ rơ – le phải được thực hiện dẫn đến đi dây điện thường không hoàn hảo, nó phải mất nhiều thời gian vì những rắc rối hệ thống và đây là vấn đề rất tốn thời gian đối với nhà sử dụng Hơn nữa, các rờ – le bị hạn chế về tiếp điểm Nếu khi có yêu cầu hiệu chỉnh hay cải tiến thì máy phải ngừng hoạt

động, không gian lắp đặt bị giới hạn, và nối dây phải được làm để phù hợp những thay đổi của công nghệ

Bảng điều khiển chỉ có thể được sử dụng cho những quá trình riêng biệt nào

đó không đòi hỏi thay đổi ngay thành hệ thống mới Trong quá trình bảo trì, các

Hỡnh 1.4 Heọ thoỏng ủieàu khieồn duứng PLC

kỹ thuật viên phải được huấn luyện tốt và giỏi trong việc giải quyết những sự cố của hệ thống điều khiển Nói tóm lại, bảng điều khiển rờ – le cổ điển là rất kém linh hoạt và không thể thay thế được

*Nhược điểm của hệ thống điều khiển cổ điển

+ Có quá nhiều dây trong bảng điều khiển

+ Sự thay đổi hoàn toàn khó khăn

+ Việc sửa chữa vô cùng phiền phức vì bạn phải cần đến nhà kỹ thuật giỏi + Tiêu thụ điện năng lớn khi cuộn dây của rờ – le tiêu thụ điện

+ Thời gian dừng máy quá dài khi sự cố xảy ra, vì phải mất một thời gian dài để sửa chữa bảng điều khiển

+ Nó gây ra thời gian dừng máy lâu hơn khi bảo trì và điều chỉnh khi các bản vẽ gốc không còn nguyên vẹn qua thời gian nhiều năm

3 Thiết bị điều khiển lập trình

- Được dựa vào bộ vi sử lý và sử dụng bộ nhớ chương trình để lưu các lệnh

và thực hiện các chức năng như phép toán lôgic, định giờ, đếm, thuật toán

- Với sự xuất hiện của bộ điều khiển khả lập trình, những quan điểm và thiết kế điều khiển tiến bộ to lớn Có nhiều ích lợi trong việc sử dụng bộ điều khiển lập trình

- Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng

được các tính năng cũng như lợi ích của nó trong hoạt động công nghiệp

- Điện năng tiêu thụ giảm đáng kể vì PLC tiêu thụ ít điện năng Chức năng

tự chẩn đoán của PLC cho phép sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sát giữa người và máy (HMI)

- Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ nhưng bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống Chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt, đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay),

- Khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC

để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau),

- Hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn Độ tin cậy cao vì PLC được thiết

kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (Electrical Noise), vùng có từ truờng mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao Khả năng quyền lực mà PLC thực hiện được đó là sự phối hợp giữa các thiết điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một mạng sản xuất toàn cầu: giám sát, điều khiển

và thu thập dữ liệu (SCADA)

- PLC có thể sử dụng cùng 1 thiết bị điều khiển cơ bản cho cả 1 hệ thống

điều khiển Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc đang được sử dụng người ta chỉ cần nhập 1 tập lệnh khác mà không cần mắc nối lại dây, nhờ đó hệ

thống linh hoạt và hiệu quả

Bài 1.2: Cấu trúc phần cứng của PLC

1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Procesing Unit)

Thường trong mỗi PLC có một đơn vị xử lý trung tâm, ngoài ra còn có một

số loại lớn có tới hai đơn vị xử lý trung tâm dùng để thực hiện những chức năng

điều khiển phức tạp và quan trọng gọi là hot standby hay redundant

* Đơn vị xử lý "một -bit": Thích hợp cho những ứng dụng nhỏ, chỉ đơn thuần là logic ON/OFF, thời gian xử lý dài, nhưng kết cấu đơn giản nên giá

• Giá thành cao

- Nguyên lý hoạt động:

+ Thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình gọi tuần tự (do đã được điều khiển và kiểm soát bởi bộ đếm chương trình do đơn vị xử lý trung tâm khống chế)

+ Bộ xử lý liên kết các tín hiệu (dữ liệu) đơn lẻ (theo một quy định nào đó -

do thuật toán điều khiển) rút ra kết quả là các lệnh cho đầu ra

+ Sự thao tác tuần tự của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ rồi sau

đó lại bắt đầu lại từ đầu thời gian đó gọi là "thời gian quét"

+ Đo thời gian mà bộ xử lý xử lý 1 Kbyte chương trình để làm chỉ tiêu đánh giá giữa các PLC! Như vậy bộ vi xử lý quyết định khả năng và chức năng của PLC

Chương trình thực hiện liên tiếp, không

bị gián đoạn, thời gian của chu trình

tương đối dài

Các quá trình thời gian tới hạn được

địa chỉ hoá qua các lệnh gián đoạn hoặc chuyển đổi điều khiển khẩn cấp Chỉ phối được với máy tính đơn giản Phối ghép với máy tính hoặc hệ thống

2 Bộ nhớ: Bao gồm cả RAM, ROM, EEPROM

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 , tùy 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 xóa 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 CMOS RAM nhờ khả năng tiêu thụ 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 thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoăùc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường

được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Khối giao tiếp vào ra có vai trò giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với mạch công suất bên ngoài Thực hiện chuyển mức điện áp tín hiệu và cách ly bằng mạch cách ly quang (Opto-isolator) trên các khối vào ra Cho phép tín hiệu

nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu có mức cao xuống mức tín hiệu chuẩn Tác dụng chống nhiễu tốt khi chuyển công tắc bảo vệ quá áp từ nguồn cung cấp điện lên

đến điện áp 1500V

• Ngõ vào: nhận trực tiếp tín hiệu từ cảm biến

• Ngõ ra: là các transistor, rơle hay triac vật lý

4 Thiết bị lập trình

Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là

- Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tương ứng

- Máy tính có cài đặt phần mềm là công cụ lý tưởng nhất

- Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu

- Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và

điểu 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 trạnh 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

6 Modul quản lý việc phối ghép

Dùng để phối ghép bộ PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị

lập trình, bảng vận hành và mạng truyền thông công nghiệp

7 Bài tập: Khảo sát phần cứng của PLC

Bµi 1.3: ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn lËp tr×nh S7-200

1 §Þa chØ c¸c ®Çu vµo ®Çu ra

§Þa chØ ®Çu vµo

I: §Çu vµo (Ngâ vµo)

Q: §Çu ra ( Ngâ ra)

Sè byte

Sè bÝt

vào, và 3 = byte 3) là tiếp theo bởi một dấu chấm (“.”) để phân biệt địa chỉ bit (bit 4)

Truy cập một bit của dữ liệu trong bộ nhớ CPU (Địa chỉ byte.bit)

Ta có thể truy cập trong các vùng bộ nhớ CPU bất kỳ (V, I, Q, M, S, L và SM) như các byte, từ, từ kép bằng việc sử dụng định dạng địa chỉ byte Để truy cập một byte, từ hoặc từ kép của dữ liệu trong bộ nhớ CPU, bạn phải xác định

địa chỉ trong một cách tương tự để xác đinh địa chỉ cho một bit Vấn đề này bao gồm một vùng nhân biết, xác định cỡ dữ liệu và địa chỉ byte bắt đầu của giá trị byte, từ hoặc từ kép, như minh họa trong Dữ liệu trong các vùng bộ nhớ CPU khác (như là T, C, HC và các thanh tổng) là được truy cập bởi việc sử dụng một

định dạng địa chỉ bao gồm một vùng nhận biết và một số thiết bị

So sánh byte, từ và từ kép truy cập tới địa chỉ tương tự

3 Phần số chỉ địa chỉ của byte hoặc bít

Bảng minh họa phạm vi của giá trị số nguyên có thể được miêu tả bởi các

cỡ khác nhau của dữ liệu Các giá trị số thực là được truy cập trong các độ dài từ kép

8000 0000

đến 7FFF FFFF

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, counter, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng

Vùng nhớ dữ liệu và vùng nhớ đối tượng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình

b 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, hoặc theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, hàm truyền thông, lập bảng, 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 này 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

Hình 1.5 Phân chia bộ nhớ của S7-200

- SM: Special memory bits

c Vùng đối tượng.

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu trữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm Counter, bộ định thời Timer Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các Timer, Counter, các bộ đếm tốc độ cao, bộ

đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC)

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

Bảng đặc điểm và giới hạn vùng nhớ của CPU S7 22x

5 Bài tập

- Khảo sát các địa chỉ PLC, so sánh gữa các CPU221 và CPU 224

Bài 1.4: Xử lý chương trình

1 Vòng quét chương trình

- Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau:

+ Từ bộ đệm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình

+ Sau khi thực hiện xong chương trình,

+ Truyền thông nội bộ và kiểm lỗi

+ CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua môđun xuất

- Một chu kỳ vòng quét gồm đọc tín hiệu ở đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở đầu ra được gọi là một chu kỳ quét Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử

lý trực tiếp với cổng vào ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng chương trình xử lý ngắt hoặc chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt

sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình

Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt

và có thể xảy ra ở bất kì điểm nào trong vòng quét Chu kỳ quét một vòng của PLC được mô tả như hình vẽ Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không

được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở đầu ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở đầu ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi

(I)

(II)

(III) (IV)

(V)

Hình 1.6 Vòng quét chương trình PLC

xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở đầu ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở đầu ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa

được đưa ra Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở đầu ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở đầu ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, 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 chỉ có đọc được tín hiệu ở đầu vào chỉ khi nào tín hiệu này tác

động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu thời gian tác động ở

đầu vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem 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 khoảng 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,dùng

bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) 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

2 Cấu trúc chương trình S7-200

Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (Main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt

chương trình đó là lệnh MEND

Các chương trình xử lý ngắt cũng là một bộ phận của chương trình Nếu cần

sử dụng phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính (MEND)

Các chương trình được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính, sau đó đến các chương trình xử lý ngắt Cũng có thể do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt ở sau chương trình chính

3 Phương pháp lập trình

Lập trình cho S7 - 200 và các PLC khác của hãng Siemens dựa trên 3 phương pháp cơ bản:

Phương pháp hình thang (Ladder logic _ LAD)

Phương pháp khối hàm (Function Block Diagram _ FBD)

Phương pháp liệt kê câu lệnh (Statement List _ STL)

Chương này sẽ giới thiệu các thành phần cơ bản của ba phương pháp và cách sử dụng chúng trong lập trình

Nếu chương trình được viết theo ngôn ngữ LAD (hoặc FBD) thì có thể chưyển sang ngôn ngữ STL hay FBD (hoặc LAD) tương ứng Nhưng không phải bất cứ chương trình viết theo STL nào cũng chuyển sang ngôn ngữ LAD hay FBD được Bộ tập lênh STL được trình bày trong tài liệu này đều có một chức năng như các tiếp điểm, cuộn dây, các hộp (trong LAD) hay IC số trong FBD Những lệnh này phải phối hợp được trạng thái các tiếp điểm để quyết định

về giá trị trạng thái đầu ra hoặc giá trị logic cho phép hoặc không cho phép thực chức năng của một (hay nhiều) cuộn dây hoặc hộp Trong lập trình lôgic thường hay sử dụng hai ngôn ngữ LAD và STL vì nó gần gũi hơn đối với chuyên ngành

điện Sau đây là những định nghĩa cần phải nắm khi bắt tay vào thiết kế một chương trình:

a Định nghĩa về LAD: LAD là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa

Nhữnh thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với những thành phần cơ bản dùng trong bảng mạch rơle

+ Tiếp điểm có hai loại: Thường đóng

chuyển dữ liệu, hộp các hàm toán học, hộp trong truyền thông mạng

+ Mạng LAD: Là mạch nối các phần tử thành một mạng hoàn thiện, các phần tử như cuộn dây hoặc các hộp phải được mắc đúng chiều Nguồn điện có hai đường chính, một đường bên trái thể hiện dây nóng, một đường bên phải là dây trung tính (neutral) nhưng không được thể hiện trên giao diện lập trình Một mạch làm việc được khi các phần tử được mắc đúng chiều và kín mạch

b Định nghĩa về STL:

Là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh Để tạo ra một chương trình bằng STL, người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức

sử dụng 9 bit trong ngăn xếp (stack) logic của S7 200

Ngăn xếp là một khối 9 bit chồng lên nhau từ S0 - S8, nhưng tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều làm việc với bit đầu tiên và bit thứ hai (S0 và S1) của ngăn xếp giá trị logic mới có thể được gởi hoặc nối thêm vào ngăn xếp Hai bit S0 và S1 phối hợp với nhau thì ngăn xếp được kéo lên một bit

Ngăn xếp của S7 200 (logic stack):

c Function Data Block (FDB): lập trình dựa trên các khối logic cơ bản

AND, OR

4 Bài tập: Khảo sát các phương pháp lập trình

Bài 1.5: Kết nối dây giữa PLC và thiết bị ngoại vi

1 Giới thiệu CPU 222

a Các đèn trạng thái:

• Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình

• Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình

đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off)

• Đèn SF-màu đỏ, đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành ở đây cần phân biệt rõ lỗi hệ thống với lỗi chương trình người dùng, khi lỗi chương trình người dùng thì CPU không thể nhận biết được vì trước khi download xuống CPU, phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi dịch sang mã máy

• Đèn Ix.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào số

Hình 1.7 S7-200 CPU 222

• Đèn Qx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra số

•

b Port truyền thông

S7-200 sử dụng Port truyền thông nối tiếp: RS 485 protocol, 9 chân sử dụng cho việc phối ghép với PC, PG, TD200, TD200C, OP, mạng biến tần, mạng công nghiệp

Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu PPI ở tốc độ chuẩn là 9600 baud Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu Freeport là 300 - 38400 baud

c Công tắc chọn chế độ:

• Công tắc chọn chế độ RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình gặp lỗi hoặc gặp lệnh STOP thì PLC sẽ tự động chuyển sang chế

độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở chế độ RUN (nên quan sát đèn trạng thái)

• Công tắc chọn chế độ STOP: Khi chuyển sang chế độ STOP, dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các tín hiệu ra lúc này đều về off

• Công tắc chọn chế độ TERM: cho phép người vận hành chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra ở chế độ này được dùng để download chương trình người dùng

d Vít chỉnh định tương tự:

Mỗi CPU có từ 1 đến 2 vít chỉnh định tương tự, có thể xoay được một góc

2700, dùng để thay đổi giá trị của biến sử dụng trong chương trình

e Pin và nguồn nuôi bộ nhớ:

Sử dụng tụ vạn năng và pin Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt PLC sẽ tự

động chuyển sang sử dụng năng lượng từ pin

f Giao tiếp với thiết bị ngoại vi:

- Thiết bị lập trình loại PGxx (bàn lập trình cầm tay) được trang bị sẵn phần

mềm lập trình, chỉ lập trình được với ngôn ngữ STL

- Máy tính PC: Hệ điều hành Win 98/2000/NT4.x/XP/ Trên đó có cài

đặt phần mềm Step7 Micro/Win 32 hoặc Step7 Micro/Dos Hiện nay hầu hết sử dụng Step7 Mcro/Win 32 version 3.0, 3.2, 4.0, 5.0 cho phép người lập trình

có thể xem được giá trị, trạng thái cũng như đồ thị của các biến Nhưng chỉ sử dụng được trên máy tính có cài đặt hệ điều hành Window 2000/ WinNT và PLC loại version mới nhất hiện nay Sau đây là cách cài đặt và giao tiếp giữa PC-PLC:

2 Kết nối thiết bị ngoại vi

a Đầu vào PLC

- Đầu vào là đầu đưa tín hiệu vào PLC

- Phân loại đầu vào : Đầu vào Logic, Đầu vào Analog

- Số lượng đầu vào phụ thuộc loại PLC

- Cấu trúc đầu vào số như hình vẽ :

R1 R2

CT 24V

D

Mạch

vi xử

lý Tranzitor quang

Diot phát quang

Hình1.8 Kiểu đầu vào một chiều

- Đặc điểm đầu vào :

+ Đầu vào được đánh số

+ Đầu vào được tín hiệu hoá

+ Đầu vào được ghép quang, Cách ly vi sử lý trong PLC với thế giới bên ngoài về điện

+ Đầu vào được chế tạo chuẩn hoá (Dòng đầu vào 5mA - Logic)

b Đầu ra PLC

Là đầu đưa tín hiệu ra của PLC

- Đầu ra được đánh số

- Đầu ra được tín hiệu hoá

- Đầu ra được ghép Rơle hoặc ghép quang có tác dụng cách ly CPU trong PLC với thế giới bên ngoài về điện

- Đầu ra được chuẩn hoá tương thích với các thiết bị điều khiển khác

- Phân loại đầu ra:

+ Tuổi thọ thấp, phụ thuộc vào dòng tải đi qua zơle và tần số đóng tiếp

Hình 1.10 Kiểu đầu ra dùng Tranzitor.

Hình 1.11 Kiểu đầu ra dùng Triac

+

-

+ Tuổi thọ cao

+ Imax= 50 - 100 mA

* Bảo vệ đầu ra:

- Bảo vệ bằng Diode khi tải dầu ra là cuộn dây dùng nguồn một chiều

- Bảo vệ đầu ra bằng mạch R C khi cuộn dây tải dùng nguồn 1 chiều :

R= Vdc/ IL ( R tối thiểu bằng 10 Om)

C = IL x K ( Với K = 0.5 đến 1uF / A)

- Bảo vệ bằng mạch RC khi đầu ra dùng với nguồn xoay chiều :

Giá trị điện trở R và tụ C được tính theo công thức :

R> 0.5 x Vrmc ( tối thiểu = 10 khi đầu ra dùng nguồn xoay chiều Và

C = 0.002 đến 0.005uF cho mỗi 10VA của tải cuộn cảm

Tác dụng của mạch RC dùng để khép mạch dòng điện khi mở tiếp điểm Dòng (khép mạch) = 2 x 3.14 x f x C x V~ phải nằm trong giới hạn cho phép Bạn cũng có thể sử dụng áp biến trở MOV - Metal Oxide Varistor dùng để hạn chế xung điện áp Phải chon loại MOV có điện áp làm việc lớn hơn 20%

điên áp nguồn VAC~

Ví dụ : Cuộn cảm đầu ra sử dụng là 17VA, điện áp là 115VAC,

 Dòng cho phép chạy qua tiếp điểm và cuộn cảm là I = 183VA/115V

= 1.59A chon dòng tính toán Itt = 2A

 Giá trị điện trở R = 0.5 x 115 =57.5  -> chọn là 68

 Giá trị tụ điên C = (17VA/10) x 0.005 = 0.0085uF, chọn là 0.01uF

 Dòng khép mạch = 2 x 3.14 x 60 x 10-6 x 115 = 0.43mA rms

3 Ví dụ kết nối đầu vào / ra của PLC từ 1 sơ đồ điều khiển

4 Thực tập: Khảo sát sơ đồ kết nối dây của các mô hình trong phòng thực tập

Bài 1.6: Cài đặt và sử dụng phầm mềm

STEP 7 - Micro/Win 32

1 Những yêu cầu đối với máy tính PC

- Phần cứng PC: sử dụng các máy tính có cấu hình từ Pentum 3 trở lên

- Phần mềm: Trên đó có cài đặt phần mềm Step7 Micro/Win 32 hoặc Step7 Micro/Dos Hiện nay hầu hết sử dụng Step7 Mcro/Win 32 version 3.0, 3.2, 4.0, 5.0, 6.0 cho phép người lập trình có thể xem được giá trị, trạng thái cũng như đồ thị của các biến Nhưng chỉ sử dụng được trên máy tính có cài đặt hệ điều hành Window 98/ME/2000/NT/XP/Vistra và PLC loại version mới nhất hiện nay

2 Cài đặt phần mềm

a Cách 1:

Sau khi thực hiện xong, trên màn hình sẽ xuất hiện:

b Cách 2

- Nháy đúp chuột vào biểu tượng Setup

- Chọn OK / Next / YES / Next / Next / Next

- Chọn cách truyền thông chọn Properties

Để một hệ thống PLC có thể thực hiện được một quá trình điều khiển nào

đó thì bản thân nó phải biết được nó cần phải làm gì và làm như thế nào

Việc truyền thông tin về hệ thống ví dụ như quy trình hoạt động cũng như các yêu cầu kèm theo cho PLC người ta gọi là lập trình

Và để có thể lập trình được cho PLC thì cần phải có sự giao tiếp giữa người

và PLC Việc giao tiếp này phải thông qua một phần mềm gọi là phần mềm lập trình

Mỗi một loại PLC hoặc một họ PLC khác nhau cũng có những phần mềm lập trình khác nhau

Đối với PLC S7-200, SIEMEN đã xây dựng một phần mềm để có thể lập trình cho họ PLC loại này Phần mềm này có tên là STEP7- MicroWIN32

Đây là một phần mềm chạy trên nền Windows 32bit, trải qua nhiều phiên bản khác nhau Tài liệu này tập trung nói về STEP7- MicroWIN32 version 3.2

2

Ngoài việc phục vụ lập trình cho PLC S7-200, phần mềm này còn có rất

nhiều các tính năng khác như các công cụ gỡ rối, kiểm tra lỗi, hỗ trợ nhiều cách

lập trình với các ngôn ngữ khác nhau

Phần mềm này cũng đã được xây dựng một phần trợ giúp (Help) có thể nói

là rất đầy đủ, chi tiết và tiện dụng Người dùng có thể tra cứu các vấn đề về PLC

S7-200 một cách rất nhanh chóng, rõ ràng và dễ hiểu

Để có thể thực hiện phần mềm lập trình STEP7- MicroWIN32 ta có 2 cách:

Nỳt thay đổi trạng thỏi làm việc của PLC

Down load/Upload

Nỳt kiểm tra trạng thỏi của chương trỡnh

Mở, tạo mới, lưu một