Ứng dụng phương pháp lập trình plc s7-200 và kết hợp với một số linh kiện khác để đo lường

Trong những năm gần đây, nước ta đang đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Số lượng các nhà máy công nghiệp, các hoạt động thương mại, dịch vụ,… gia tăng nhanh chóng, dẫn đến quá trình sản xuất và tiêu dùng ở nước ta tăng lên đáng kể và dự báo sẽ tiếp tục tăng nhanh trong những năm tới. Do đó mà hiện nay chúng ta đang rất cần đội ngũ những người am hiểu về điện- tự động để làm công tác thiết kế cũng như vận hành, cải tạo và sửa chữa các hệ thống tự động nói chung.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đo lường là một vấn đề cần thiết không thể thiếu trong suốt quá trình phát truyển

và tồn tại của loài người Lịch sử phát truyển của đo lường là sự thỏa mãn nhu cầu của người tiêu dùng và sản xuất , là bộ phận thiết yếu không thể tách rời khỏi quá trình sản xuất của một số ngành nghề, công nghiệp ,nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp…

Vì vậy việc nắm bắt được khối lượng cần, cân đo đông đếm cho từng loại sảnphẩm là việc hết sức quan trọng Để giải quyết những vấn đề này đòi hỏi chúng taphải hiểu biết những thiết bị ,ứng dụng những quá trình đo đạt và xữ lý khố lượng vàsản phẩm theo từng mức và yêu cầu cần thiết của nó

Qua đó giúp chúng ta loại bỏ những sai lệch làm hư hỏng những sản phẩm cầnthiết mà chúng ta thường mắc phải khi sử dụng những thiết bị đo lường thô sơ ,dẩndến những thiệt hại ảnh hưởng đến nền kinh tế và lợi ích sản xuất của nhiều doanhnghiệp

Ngày nay với sự phát truyển của khoa học kỹ thuật,từ những vi mạch điện tử ,vi

xữ lý ,máy tính lập trình Nó góp phần không nhỏ vào việc thiết kế theo giỏi giám sátđiều khiển khối lượng ngày càng đơn giản hơn Cụ thể hơn ở đây chúng ta ứng dụng phương pháp lập trình PLC S7-200 và kết hợp với một số linh kiện khác để đo lường chính xác và đây cũng là một trong những ứng dụng mới của PLC vào điều khiển tự động hóa trong công nghiệp

Thời gian nghiên cứu về đề tài cũng có phần giới hạn về thời gian ,cùng với vốnkiến thứ được trang bị trong suốt quá trình học tập và đề tài được viết dưới dạng đồ

án môn học, vi vậy đề tài này được thực hiện trong phạm vi cụ thể sau Khống chếcân đo khối lượng sản phẩm từ (0 đến 300Kg).giúp chúng ta nắm bắt thêm cách đặtkhống chế khối lượng và diều khiển ngắt trong S7-200

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Trước tiên cơ sở lý thuyết trong S7-200

Nguyên tắc đo lường và không chế khố lượng mà đề tài yêu cầu mà từ đó tìm hiểu về tính năng của các thiết bị hệ thống điều khiển khối lượng, kết hợp với modul analog chuyển đổi tín hiện , từ đó giúp chúng ta hiểu thêm quá trình tự động hóa

ngày một phát truyển hơn, đồng thời cũng là hướng phát truyển tự động hóa vào công nghiệp sản xuất sau này.

3 NHIỆM VỤ THỰC HIỆN

Để hoan thành đề tài dùng S7-200 để đo lường và khống chế khối lượng ta cần thực hiên các bước sau

- Dẫn nhập

- Tìm hiểu giới thiệu PLC s7 -200

- Lý thuyết loadcell

- Vẽ sơ đồ kết nối và viết chương trình điều khiển

4 CÁCH THƯC NGHIÊN CỨU

Cách thức thực hiện đồ án môn học này là tổng họp về nghiên cứu đo lường khối lượng Tìm hiểu về S7-200,cách viết chương trình điều khiển từ các dề tài khóa trước,

từ đó rút ra những điều mới mẽ nhằm vận dụng và bổ xung để hoàn chỉnh bài báo cáo của mình

Sau đó tiến hành đề ra những hướng giải quyết và tư duy suy nghĩ của mình thực hiên đề tài theo mong muốn ban đầu “Viết chương trình điều khiển để cắt cuộn giấy khi đạt khối lượng là 300kg”

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PLC S7-200

1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC S7-200

1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-200

S7-200 là thiết bị điều khiển loại nhỏ của hãng SIMENS (Đức) có cấu trúc

theo kiểu modul và có các modul mở rộng

S7-200 gồm nhiều loại : CPU 212, 214, 215, 216, 221, 222, 224, 224XP, 226

Có nhiều nhất 7 modul mở rộng khi có yêu cầu tăng ngõ vào/ra Digital, ngõ vào ra Analog

Pin và nguồn nuôi bộ nhớ Sử dụng tụ vạn năng và Pin Khi naeng lượng của tụ bị cạnkiệt,PLC sẽ tự động chuyển sang dùng năng lượng từ Pin

- Đặc điểm và các thông số của cac loai PLC S7-200 khác nhau được giới thiệu trong bảng sau

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật của các CPU của PLC S7-200

Đặc trưng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 Kích thước (mm) 90.80.62 90.80.62 120,5.80.62 190.80.62

Bộ nhớ chương trình 2048 words 2048 words 4096 words 4096 words

Bộ nhớ dữ liệu 1024 words 1024 words 2560 words 2560 words

Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128

Analog I/O cực đại None 16 In/ 16 Out 32 In/ 32 Out 32 In/ 32

Out

Có 3 loại đèn báo hoat động :

- RUN : đèn màu xanh - Báo hiệu PLC đang hoạt động

- STOP : đèn màu vàng – Báo hiệu PLC dừng hoạt động

- SF (System Failure): đèn đỏ - Báo hiệu PLC có sự cố ở phần cứng hoạc 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 , phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ khi dịch sang mã máy

Đèn Ix.x – màu xanh: chỉ định trạng thái ON/OFF của đầu vào số

- Dòng vào tối đa 900 mA

- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms

- Cầu chì bên trong 2A/250V

- Không có các ly nguồn điện

1.6 Cổng truyền thông :

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục

vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là 300 33.400 baud

- Để ghép nối S7 -200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI Cáp đó đi kèm với máy lập trình

- Ghép nối S7 -200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/ PPI với

bộ chuyển đổi RS232 / RS485

Giải thích sơ dồ chân :

Để ghép nối S7-200 với máy tính PC qua

Cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đối sang RS485, như hình vẽ:

2 CẤU TRÚC BỘ NHỚ :

- Bộ nhớ S7 -200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệutrong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn Bộ nhớ S7 -200 có tính năng động cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đo

2.1 Vùng chương trình

Là nguồn nhờ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình Vùng này thuộc

kiểu non -volatile đọc / ghi được

2.2 Vùng tham số

- Là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm,cũng giống như vùng

chương trình, thuộc kiểu non - volatile đọc / ghi được

2.3 Vùng dữ liệu

- Là miền nhớ động được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình Nó

có thể được truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc theo từ kép (DW_ Double Word), vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với cáccông dụng khác nhau

- Chúng được ký hiệu bằng chữ cái đầu theo từ tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

 V : (ariable Memory) lưu các kết quả trung gian khi thực thi chương trình.

 I : ( Input image register): thanh ghi đệm, lưu các giá trị ngõ vào khi

PLC hoạt động

 Q : (Output image regiter): thanh ghi đệm, chứa các kết quả để điều

khiển ngõ ra

 M : (Internal Memory bits): sử dụng các Role điều khiển để lưu trạng thái

trung gian của 1 hoạt động hoạc các thông tin điều khiển khác (byte, Word, Dword)

 SM : (Special Memory bits): chứa các bít để lựa chọn và điểu khiển các

chức năng đặc biệt của CPU(byte, Word,Dword)

- Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ (word) hoặc từ kép (double word)

2.4 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 )

2.5 Mở rộng cổng vào ra

- CPU 214 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul Các modul mở rộng tương tự

và có thể mở rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mởrộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích Địa chỉ của các vị trí của các modul được xác định cùng kiểu Ví dụ như một modul cổng ra không thể gán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng như một modul tương tự không thể có địa chỉ nhưmột modul số và ngược lại

- Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổ trong bộ đệm, tương tự với số đầu vào /ra của modul

- Sau đây là địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU214

CPU214

Modul 0 4vào/4a

Modul 1

8 vào

Modul 2 3vào/1a

Modul3

8 ra

Modul 4 3vào/1a

I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7

AIW 0AIW 2AIW 4

AQW 0

Q3.0Q3.1Q3.2 Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7

AIW8 AIW12

Theo Word: tên miền + W + địa chỉ byte cao của Word

VW0, QW1, IW2, …(VW0=VB0 VB1)

Theo Double Word: tên miền + D + địa chỉ Word cao của Double Word VD0,

QD2, ID1, …

(VD0 = VW0 VW2 = VB0 VB1 VB2 VB3):

3 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 lýngắt

- 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

S7 -200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh

chương trình bao gồm một dãy các lệnh

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

Giải thích chu trình

Thực hiện chương trinh theo vòng quét trong PLC S7-200

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào / ra thông thường lệnh không làm việc trực tiếp cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn (1) và (4) do CPUquản lý Khi gặp lệnh vào / ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác,ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào và ra Nếu sử dụng các chế độ ngắt chương trình tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất

cứ điểm nào trong vòng quét

M và S : Dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC.

- Tất cả các phần tử (toán hạng) trên có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0)

- Cuộn dây có thể được dùng để điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (như phần

tử Q) hoặc có thể điều khiển bộ định thì, bộ đếm hoặc cờ (như phần tử M, S) Mỗi cuộc dây được gắn với các công tắc Các công tắc này có thể là thường mở hoặc thường đóng

- Các ngõ vào vật lý nối đến bộ điều khiển lập trình (phần tử I) không có cuộn dây để lập trình Các phần tử này chỉ có thể dùng ở dạng các công tắc mà thôi (loại thường đóng và thường mở)

1 Nhập dữ liệu từ N ngoại vi vào

-S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình Chươngtrình bao gồm một dãy các tập lệnh S7 -200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnhlập trình đầu tiên và kết thúc ở lập trình cuối trong một vòng quét (scan).

- Một vòng quét (scan cyele) được bắt đầu bằng một 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 bên trong và nhiệm vụ truyền thông Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lặp

- Cách lập trình cho S7 -200 nói riêng và cho các PLC nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản Phương pháp hình thang (Ladder, viết tắt là LAD) và phương pháp liệt kê lệnh (Statement list, viết tắt là STL)

- Nếu có một chương trình viết dưới dạng LAD, thiết bị lập trình sẽ tự dộng tạo

ra một chương trình theo dạng STL tương ứng Ngược lại không phải mọi chương trình viết dưới dạng STL đều có thể chuyển sang được dạng LAD

- Phương pháp hình thang (LAD): LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa, những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ le Trong chương trình LAD, các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau:

- Tiếp điểm: Là biểu tượng (Symbol) mô tả các tiếp điểm của rơ le

 Tiếp điểm thường mở

 Tiếp điểm thường đóng

- Cuộn dây (coil): Là biểu tượng   mô tả rơ le được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơ le

- Hộp (Box): Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian (Timer), bộ đếm (counter) và các hàm toán học Cuộn dây và các hộp phải mắc đúng chiều dòng điện

- Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải Đường nguồn bên trái là dây pha, đường nguồn bên phải là dây trung hòa và cũng là đường trở về nguồn cung cấp (thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEPT MICRO / DOS hoặc STEPT – MICRO /WIN Dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đến đóng các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn

4.2 Phương pháp liệt kê lệnh (STL)

Là phương pháp thể 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

- 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 giá trị logic mới đều có thể

được gửi vào ngăn xếp

CHƯƠNG III TÍN HIỆU ANALOG S7-200

1 TÍN HIỆU ANALOG VÀ BỘ A/D

- Khác với tín hiệu số, ngõ vào và ngõ ra chỉ có hai trạng thái là ON hoặc OFF (mức 1 hoặc 0), tín hiệu analog có biên độ liên tục theo thời gian

Hình 3.1: Sự khác biệt giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự

- Phần lớn những hiện tượng xảy ra trong thực tế đều ở dạng analog Các cảm biến ngõ có tín hiệu ra dạng analog như: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến dòng chảy, cảm biến mức… Những cơ cấu chấp hành có tín hiệu điều khiển dạng analog: Vale tuyến tính, biến tần

2 THỜI GIAN LẤY MẪU VÀ TẦN SỐ LẤY MẪU

- Đối với ngõ vào của PLC hay máy tính, tín hiệu analog không được đọc liên tục mà sẽ được lấy mẫu vào những khoảng thời gian nhất định Sau đó tín hiệu analog được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ A/D Trong một khoảng thời gian nhất định, nếu số mẫu lấy càng nhiều thì độ chính xác càng tăng Tuy nhiên mỗi bộ A/D chỉ có thể thu thập được một số mẫu nhất định trong một giây Đối với PLC thì tần số lấy mẫu có thể đạt 20hZ

Hình 3.2: Cách lấy mẫu tín hiệu tương tự

3 CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ A/D

- Một bộ A/D được đánh giá dựa vào các thông số như: Số bit chuyển đổi, thời gian lấy mẫu, tốc độ chuyển đổi, sai số chuyển đổi, tầm điện áp hoặc dòng điện mà

bộ A/D có thể chuyển đổi Các thông số này thường được cho bởi nhà sản xuất

V(t)=Tín hiệu analog t= Khoảng thời gian lấy mẩu của bộ A/D t= Thời gian

t1,t2 =Khoảng thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc lấy mẩuV(t1),V(t2)= Điện áp bắt đầu và thời gian kết thúc lấy mẫu

Vmin,Vmax=Dãy điện áp ngõ vào của bộ A/DN= số lượng bit của bộ A/D

3.1 Các thông số cần quan tâm của bộ A/D

VEROR = ( ) (2)

Quan hệ giữa các thông số trong bộ A/D

3.2 Quan hệ giữa các thông số trong bộ A/D

 Ghi chú :

Công thức 1 : Quan hện giữa số lượng bit và độ phân giải của timer

Công thức 2 : Sai số lượng tử

Công thức 3 : Quan hệ giữa giá trị số nguyên của bộ A/D với Vin, Vmin, Vmax, Vmin, R

Công thức 4 : Quan hệ giữa điện áp đưa vào với N , Vmax, Vmin, R

4 A/D TRONG PLC S7 200

- Đối với PLC thì bộ chuyển đổi A/D thường sử dụng 8 bit, 12 bit, 16 bit Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, độ chính xác, tính kinh tế mà người lập trình chọn bộ A/D nào cho phù hợp

4.1 Cấu trúc dữ liệu của bộ A/D trong PLC S7 200

- Module analog trong S7 200 thường sử dụng loại 12 bit Tín hiệu vào của module analog ở dạng điện áp hoặc dòng điện, điện áp có thể dương hoặc âm, dữ liệu chuyển đổi có thể ở dạng đơn cực hoặc lưỡng cực Tùy thuộc vào dạng Trang

104 sách điều khiển lập trình thầy Phương

chuyển đổi mà cách sắp xếp các bit dữ liệu cũng có sự khác nhau

Hình 3.5 Trình bày cách sắp xếp các bit dữ liệu dạng đơn cực và lưỡng cực