luận văn đại học plc và ứng dụng

Phần I: Trình bày lý thuyết S VTH: Nguyễn Phước Hậu 1 PHẦN 1 TRÌNH BÀY LÝ THUYẾT C hương I: Tìm hiểu chung về PLC S VTH: Nguyễn Phước Hậu 2 C HƯƠNG I TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC 1.1 Giới thiệu PLC PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập t rình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau : - Lập trình dễ dàng , ngôn ngữ lập trình dễ học. - Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản , sửa chữa. - Dung lượng bộ nhớ lớn có thể chứa được những chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp . - Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các modul mở rộng. - Giá cả có thể cạnh tranh được. Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình, chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay relay. 1. 2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC C hương I: Tìm hiểu chung về PLC S VTH: Nguyễn Phước Hậu 3 1.2.1 Cấu trúc Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : - Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ). - Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. - Các modul vào /ra. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, … 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC 1.2.2.1 Đơn vị xử lý trung tâm CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. 1.2.2.2 Bộ nhớ 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 và 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 . Kích thước bộ nhớ :  Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo .  Các PLC loại lớn có kích thước từ 1k ÷ 16k, có khả năng chứa từ 2000 ÷ 16000 dòng lệnh. Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM. 1.2.2.3 Các ngỏ vào ra I/O C hương I: Tìm hiểu chung về PLC S VTH: Nguyễn Phước Hậu 4 Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul ( các đầu vào của PLC ), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra ( các đầu ra của PLC ). Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêu xử lý là 12/24 VDC hoặc 100/240 VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bỡi các đèn led trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản. Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON/OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra. 1.2.3 Các hoạt động xử lý bên trong PLC Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được lưu trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ. PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình. Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau :  Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC được gọi là hệ điều hành.  Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự từng lệnh một trong chương trình. Trong ghi, đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào và thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.  Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu ra. 1.2.4 So sánh PLC với hệ thống điều khiển khác. C hương I: Tìm hiểu chung về PLC S VTH: Nguyễn Phước Hậu 5 Hình 1.1: So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác Đ iều khiển Vớ i chức năng được lưu trữ bằng Tiếp xúc vật lý Q uy trình cứng Bộ nhớ khả lập trình Q uy trình mềm K hông thay đổi được Th ay đổi được Liên kết cứng Liên kết phích cắm R ơle, linh kiện điện tử, mạch điện tử K hả lập trình tự do Bộ nhớ thay đổi được RO M EPROM RA M EPROM P LC xử lý 1 bit PLC xử lý từ ngữ C hương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 S VTH: Nguyễn Phước Hậu 6 C HƯƠNG II T HIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH S7 200 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thao tác điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với các PLC hoặc máy tính). Hình 2.1: SIMATIC S7 của Siemen Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214. Về hình thức bên ngoài sự khác nhau của 2 loại CPU nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. - CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 2 modul mở rộng - CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 7 modul mở rộng. 2.1 Cấu trúc phần cứng của CPU 214 C hương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 S VTH: Nguyễn Phước Hậu 7 S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-214. Hình 2.2: Cấu trúc PLC CPU 214 2.1.1 Các thông số của CPU 214  CPU - 214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng.  2.048 từ đơn (4 kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương trình (vùng nhớ có giao diện với EPROM).  2.048 từ đơn (4 kbyte) thuộc kiểu đọc ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền non-volatile.  Tổng số ngõ vào/ra cực đại là 64 ngõ vào và 64 ngõ ra.  128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 timer 1ms, 16 timer 10ms và 108 timer 100ms.  128 bộ đếm chia làm 2 loại: Chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi.  688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.  Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.  3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2khz và 7 khz.  2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.  2 bộ điều chỉnh tương tự.  Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp. C hương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 S VTH: Nguyễn Phước Hậu 8 2.1.2 Các đèn báo trên S7-200 CPU 214  SF (đèn đỏ): đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.  Run (đèn xanh): đèn xanh run chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.  Stop (đèn vàng): đèn vàng stop chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại.  Ix.x (đèn xanh): đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của công tắc.  Qx.x (đèn xanh): đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. 2.1.3 Chế độ làm việc PLC có 3 chế độ làm việc:  Run: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ run sang stop nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh stop.  Stop: cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ stop.  Term: cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc run hoặc stop. 2.1.4 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. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. C hương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 S VTH: Nguyễn Phước Hậu 9 Hình 2.3: Cổng truyền thông Hình 2.4: Sơ đồ kết nối truyền thông cho PLC S7-200 2.1.5 Cáp truyền thông cho PLC S7-200 Do PLC thông qua liên kết RS485 nhưng máy tính chỉ có RS232 nên phải dùng cáp chuyển đổi. Quá trình chuyển đổi được thực hiện qua các bước: - Đặt tốc độ truyền cho cáp PC/PCI, có hai tốc độ truyền là 9600 baud và 19200 baud - Nối đầu cáp phía PC (RS232) vào cổng COM1 hoặc COM2 của máy tính. ····· ···· 1 2 3 4 5 9 8 7 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Đất 24 VDC Truyền và nhận dữ liệu Không sử dụng Đất 5 VDC (điện trở trong 100Ω) 24 VDC (120 mA tối đa) Truyền và nhận dữ liệu Không sử dụng chân giải thích C hương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 S VTH: Nguyễn Phước Hậu 10 EP ROM M iền nhớ ngoài - Nố i đầu còn lại của cáp PC/PCI (RS485) vào cổng giao tiếp của CPU S7- 200. 2.2 Cấu trúc bộ nhớ Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong 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 đọc. Chương trình Chương trình Chương trình Tham số Tham số Tham số Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Vùng đối tượng Hình 2.5: Cấu trúc bộ nhớ bên trong và ngoài của S7-200  Vùng chương trình Là nguồn nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.  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.  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 các [...]... xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét 2.4.2 Các toán hạng lập trình cơ bản  I : dùng để chỉ ngõ vào vật lý nối trực tiếp vào PLC  Q : dùng để chỉ ngõ ra vật lý nối trực tiếp từ PLC  T : dùng để xác định phần tử định thời có trong PLC  C : dùng để xác định phần tử đếm có trong PLC  M và S : dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC Tất cả các phần tử (toán... vi 1 Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào 2.Thực hiện chương trình 3 Truyền thông và tự kiểm tra lỗi Hình 2.7: Vòng quét trong S7-200 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... đổi đó tới CPU của PLC Các tham số này sẽ được chấp nhận Hình 3.2: Điều chỉnh các tham số truyền thông SVTH: Nguyễn Phước Hậu 33 Chương III: Giới thiều phần mềm lập trình cho PLC S7-200 3.5 Nạp chương trình từ máy tính vào PLC Sau khi đã lập xong chương trình từ phần mềm STEP7 Micro/WIN 32, tiếp theo là tải chương trình này vào PLC thực hiện các bước sau  Save dữ liệu lập trình vào đĩa  Compile để... modul cổng vào, cũng như một modul tương tự không thể có địa chỉ như một 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 PLC Modul kết nối Caple kết nối Hình 2.6: Kết nối modul với PLC SVTH: Nguyễn Phước Hậu 11 Chương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 Sau đây là địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU 214 Modul 0 4vào/4a... (double word)  Vùng đối tượng Bao gồm các thanh ghi timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi AC Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nên đọc/ghi được 2.3 Mở rộng cổng vào ra CPU 214 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 modul (bao gồm modul số và modul tương tự) Có thể mở rộng cổng vào, ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích Địa chỉ... các lệnh trong từng cửa sổ Thanh công cụ: gồm các thao tác các lệnh thường hay sử dụng ở dạng các ký Thanh trạng thái hiển thị nhiều trạng thái hiện tại và nhiều thông tin khác Thanh công tác: chứa các ứng dụng đang mở và cửa sổ dưới dạng các nút Bấm F1 chúng ta sẽ nhận được sự trợ giúp, hoặc bấm trực tiếp chuột phải vào biểu tượng soạn lệnh lập trình chúng ta sẽ nhận được hướng dẫn cụ thể của từng... nhảy và lệnh gọi chương trình con 2.6.6 Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét: Lệnh MEND, END, STOP, NOP, WDR SVTH: Nguyễn Phước Hậu 22 Chương II: Thiết bị điều khiển lập trình S7-200 Các lệnh này được dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện, và kéo dài trong khoảng thời của một vòng quét Trong LAD và STL chương trình chính phải được kết bằng lệnh kết thúc không điều kiện MEND Có thể sử dụng. .. 100 ms 3276,7s T5T31; T69T95 TONR Bảng 2.9: Độ phân giải của các timer Chú ý: khi sử dụng timer kiểu TOR, giá trị đếm tức thời được lưu lại và không bị thay đổi trong khoảng thời gian khi tín hiệu đầu vào có logic 0 Giá trị của t-bít không được nhớ mà hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước Một timer đang làm việc có thể được đưa lại về trạng thái khởi... 7-/Micro/WIN 32 cũng có phần hổ trợ định dạng TP070 cho màn hình cảm ứng 3.2 Những vấn đề thường gặp khi kết nối giữa PLC và máy tính - Các lỗi thường hay xảy ra  Sai tốc độ truyền thông  Sai địa chỉ trạm  Ðặt cáp PC/PP sai: kiểm tra cáp chuyển mạch DIP đặt trên cáp  Sai cổng truyền thông trên PC: kiểm tra cổng COM  PLC đang ở chế điều khiển: đặt PLC trở về chế độ STOP  Xung đột với các phần khác: tháo... trên cáp PC/PPI chọn tốc độ bằng với tốc độ của PC và chọn 11 bit  Đầu cuối của RS 323 hay RS485 của cáp đến cổng truyền thông của máy tính COM1 hoặc COM2 Hiện nay một số PLC sử dụng cổng USB  Trong cửa sổ STEP 7/Micro/WIN 32, nhấn vào biểu tượng truyền thông hoặc chọn View Component Comunication từ menu Hộp thoại Comunication Links xuất hiện  Nhấn vào biểu tượng cho cáp nối PC/PPI trong hộp thoại . được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. - CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 2 modul mở rộng - CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở. xanh run chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.  Stop (đèn vàng): đèn vàng stop chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện. vào vật lý nối trực tiếp vào PLC.  Q : dùng để chỉ ngõ ra vật lý nối trực tiếp từ PLC.  T : dùng để xác định phần tử định thời có trong PLC.  C : dùng để xác định phần tử đếm có trong PLC.