đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống PLC S7 300 dùng WinCC và SCADA ở nhà máy DRC đà nẵng chuong4 PLC300

Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M CHƯƠNG PLC S7-300 VÀ TRUYỀN THÔNG VỚI ET200M I Tổng quan PLC S7-300 Lịch sử phát triển PLC Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) sáng tạo từ ý tưởng ban đầu nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằm thay mạch điều khiển Rơle thiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh Đến thập niên 70, công nghệ PLC bật điều khiển theo chu kỳ theo bit tảng CPU Thiết bị AMD 2901 AMD 2903 trở nên ngày phổ biến Lúc phần cứng phát triển: nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng Vào năm 1976, PLC có khả điều khiển ngõ vào/ra xa kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét Đến thập niên 80, nỗ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự động hóa, hãng General Motors cho đời loại PLC có kích thước giảm, lập trình biểu tượng máy tính cá nhân thay thiết bị lập trình đầu cuối chuyên dụng hay lập trình tay Đến thập niên 90, giao diện phần mềm có cấu trúc lệnh giảm cấu trúc giao diện cung cấp từ thập niên 80 đổi Cho đến loại PLC lập trình ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD) Hiện có nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley, General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon… PLC Siemens gồm có họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505 Mỗi họ PLC có nhiều phiên khác nhau, chẳng hạn như: Simatic S7 có S7-200, S7-300, S7-400… Trong loại S7 có nhiều đời CPU khác S7-300 có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, … Vai trò PLC Trong hệ thống điều khiển tự động hóa PLC xem trái tim, với chương trình ứng dụng lưu nhớ PLC Nó điều khiển trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi đầu vào, dựa tảng chương trình logic để định trình hoạt động xuất tín hiệu đến thiết bị đầu PLC hoạt động độc lập kết nối với với máy tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển trình phức tạp Ưu việc dùng PLC tự động hóa   Thời gian lắp đặt ngắn Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 31 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M  Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng  Độ tin cậy cao, chuẩn hóa phần cứng điều khiển  Thích ứng môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,… Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle hệ thống điều khiển dùng PLC có ưu tuyệt đối khả linh động, mềm dẻo, hiệu giải toán cao Phần cứng PLC S7-300 PLC S7-300 thiết kế theo kiểu module Các module sử dụng cho nhiều ứng dụng khác Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống gọn nhẹ dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số module sử dụng nhiều hay tùy theo ứng dụng, song tối thiểu có module module CPU Các module lại module truyền nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài, module chức chuyên dụng… Chúng gọi chung module mở rộng  Các module mở rộng gồm có:  Module nguồn (PS)  Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM), gồm có: DI, DO, DI/DO, AI, AO, AI/AO  Module ghép nối (IM)  Module chức điều khiển riêng (FM)  Module phục vụ truyền thông (CP) PS CPU IM SM: DI SM: SM: DO AI SM: AO M FM COIL CP VALE 4.1 Module nguồn PS307 S7-300 Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành nguồn chiều 24V để cung cấp cho module khác PLC Ngoài có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho cảm biến cấu chấp hành có công suất nhỏ SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 32 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M Module nguồn thường lắp đặt bên trái phía CPU tùy theo cách lắp đặt theo bề ngang theo chiều dọc Module nguồn PS307 có loại: A, 5A 10 A Mặt trước module nguồn gồm có:  Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp 24 V  Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp  Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào 120 VAC 230VAC Mặt sau module gồm có lỗ dùng để nhận điện áp vào 4.2 Khối xử lí trung tâm (CPU) Module CPU loại module có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, định thời, đếm cổng truyền thông (RS485)… có vài cổng vào/ra số Các cổng vào số gọi cổng vào onboard Trong họ PLC S7-300 module CPU đặt tên theo vi xử lí có nó, : module CPU312, module CPU314, module CPU315,… Ngoài có module tích hợp sẵn khối hàm đặt thư viện hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng cổng vào /ra onboard, phân biệt cụm chữ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh có loại CPU với hai cổng truyền thông, cổng thứ hai có chức phục vụ nối mạng phân tán kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn hệ điều hành Các loại module CPU phân biệt cách thêm cụm từ DP (Distributed port) tên gọi Ví dụ: module CPU3152DP, module CPU316-2DP 4.3 Module mở rộng cổng tín hiệu: Digital Input Module: Module mở rộng cổng vào số, có nhiệm vụ nhận tín hiệu số từ thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lí, gồm có module sau:  SM 321 DI16xAC120 V  SM 321 DI16xDC24 V  SM 321 DI16x24VDC, interrupt  SM 321 DI8xAC120/230V  SM 321 DI32xDC24V,… SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 33 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M Digital Output Module: Module mở rộng cổng số, có nhiệm vụ xuất tín hiệu từ vùng đệm xử lý thiết bị ngoại vi, số loại module số:  SM 322 DO16xAC120V/0.5A  SM 322 DO16xDC24V/0.5A  SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, … Digital Input/ Output Module: module mở rộng cổng vào/ra số Tích hợp nhiệm vụ hai loại module Gồm có loại sau:    SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A SM 323 DI8/DO8xDC24V/0.5A… Analog Input Module: Module mở rộng cổng vào tương tự, có nhiệm vụ chuyển tín hiệu tương tự từ bên thành tín hiệu số để xử lý bên S7-300 Gồm loại module sau:  SM 331 AI2x12bit  SM 331 AI8x12bit  SM 331 AI8x16bit… Analog Output Module: Module mở rộng cổng tương tự, có nhiệm vụ chuyển tín hiệu số bên S7-300 thành tín hiệu tương tự để phục vụ cho trình hoạt động thiết bị bên Gồm loại module sau:  SM 332 AO2x12bit  SM 332 AO4x12bit  SM 332 AO4x16bit… Analog Input/Output Module: module tích hợp nhiệm vụ hai loại Gồm có:  SM 334 AI4/AO2  SM 334 AI4/AO2x12bit  SM 334 AI4/AO4x14/12bit… 4.4 Module ghép nối (Interface module-IM): loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối nhóm module mở rộng lại với thành khối quản lý chung module CPU Một module CPU S7-300 làm việc trực tiếp với nhiều racks racks phải nối với module IM Module IM gồm có loại:  IM 360  IM 361  IM 365 Tổ chức nhớ CPU PLC S7-300 Bộ nhớ CPU bao gồm vùng nhớ sau:  Vùng nhớ chứa ghi SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 34 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M  Vùng System Memory  Vùng Load Memory  Vùng Work Memory Kích thước vùng nhớ tùy thuộc vào chủng loại module CPU System Memory: vùng nhớ chứa đệm vào số (I, Q), biến cờ (M), ghi T-Word, PV, T-bit Timer ghi C-Word, PV, C-bit Counter Accumulator Systerm memory ACCU1 Bộ đệm số Bộ đệm vào số Vùng nhớ cờ Timer Counter ACCU2 Address register AR1 AR2 Data block register Q I M T C Work memory • Logic block • Data block • Local block, Stack DB (share) DI (instance) Load memory Status word • User program (EEPROM) • User program (RAM) Status Tổ chức nhớ CPU Load Memory: vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng người sử dụng viết, bao gồm tất khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, khối chương trình thư viện hệ thống sử dụng (SFC, SFB), khối liệu DB Vùng nhớ tạo phần nhớ RAM CPU EEPROM Work Memory: vùng nhớ chứa khối DB mở, khối chương trình (OB, FC, FB, SFC, SFB) CPU thực phần nhớ cấp phát cho tham số hình thức để khối chương trình trao đổi tham trị với hệ điều hành với khối chương trình khác (local block) Vòng quét chương trình PLC thực chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét bắt đầu giai đoạn chuyển liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, giai đoạn thực chương trình Trong vòng quét chương trình thực từ lệnh đến lệnh kết thúc khối OB1 (Block End) Sau giai đoạn thực chương trình giai đoạn chuyển nội dung đệm ảo Q tới cổng số Vòng quét kết thúc giai đoạn truyền thông nội kiểm tra lỗi Thời gian cần thiết để PLC thực vòng quét gọi thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định mà tùy thuộc vào số lệnh SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 35 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M chương trình thực khối lượng liệu truyền thông vòng quét Truyền thông Chuyển liệu kiểm tra nội trình vào I Vòng quét Chuyền liệu từ Q tới cổng Thực chương trình Vòng quét chương trình Đối với cổng vào tương tự không liên quan tới đệm I Q nên lệnh truy nhập cổng tương tự thực trực tiếp với cổng vật lý không thông qua đệm Cấu trúc chương trình PLC S7-300 lập trình theo hai dạng cấu trúc sau: 7.1 Lập trình lập tuyến Lập trình lập tuyến phương pháp lập trình mà toàn chương trình ứng dụng nằm khối OB1 Cấu trúc có ưu điểm gọn, phù hợp với toán điều khiển đơn giản, nhiệm vụ Lệnh Lệnh Vòng lặp OB1 Lệnh cuối Lập trình tuyến tính 7.2 Lập trình cấu trúc Lập trình cấu trúc phương pháp lập trình mà chương trình chia thành phần nhỏ với nhiệm vụ riêng phần nằm khối chương trình khác nhau, tương tự việc thực chương trình Cấu trúc phù hợp với toán điều khiển nhiều nhiệm vụ, phức tạp thường sử dụng khối sau:  Khối OB (Orgnization block): khối tổ chức quản lý chương trình điều khiển Có nhiều loại khối OB với chức khác Chúng phân biệt với số nguyên sau nhóm ký tự OB Ví dụ: OB1, OB3, OB40,… SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 36 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M  Khối FC (Program block): khối chương trình với chức riêng giống chương trình hàm Một chương trình ứng dụng có nhiều khối FC khối FC phân biệt với số nguyên theo sau nhóm ký tự FC Ví dụ: FC1, FC2,  Khối FB (Function block): loại khối FC đặc biệt có khả trao đổi lượng liệu lớn với khối chương trình khác Các liệu phải tổ chức thành khối liệu riêng có tên gọi Data block Trong chương trình ứng dụng có nhiều khối FB khối FB phân biệt với số nguyên theo sau nhóm ký tự FB Ví dụ: FB1, FB2,  Khối DB (Data block): khối chứa liệu cần thiết để thực chương trình Các tham số khối người sử dụng tự đặt Trong chương trình ứng dụng có nhiều khối DB khối DB phân biệt với số nguyên theo sau nhóm ký tự DB Ví dụ: DB1, DB2, Chương trình khối liên kết với lệnh gọi khối, chuyển khối Xem phần chương trình khối chương trình S7-300 cho phép gọi chương trình lồng Số lệnh gọi lồng tùy thuộc vào chủng loại module CPU Hệ điều hành FC1 FB2 FC7 OB1 FB5 FC3 FB9 Số lần gọi lồng hoàn toàn phụ thuộc vào loại CPU Lập trình cấu trúc II Truyền thông với ET200M qua mạng Profibus: 1.Tổng quan truyền thông qua Profibus-DP Để truyền thông CPU S7-300 ( làm DP master) ET200M ( làm DP Slave ) Profibus-DP, yêu cầu S7-300 phải có giao diện DP tích hợp sẵn ( CPU 31X-2DP ) , phải sử dụng xử lý truyền thông Profibus CP ( CP 342-5 CP 342-5 FO) So sánh giao diện tích hợp sẵn giao diện qua Profibus CP: Giao diện DP tích hợp sẵn SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Giao diện qua Profibus CP Trang 37 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M Truy nhập trực tiếp I/O phân tán lệnh truy nhập thông thường I/O trung tâm.(sử dụng lệnh L,T) Hệ thống DP master hình thành CPU cấu hình Truy nhập I/O phân tán thực hàm FC hệ thống( FC1 , FC2 , FC3 , FC4 ) Hệ thống DP master hình thành CP đươc cấu hình xong Truyền thông qua mạng Profibus với CPU sử dụng Profibus CP Để thực truyền liệu, sử dụng khối hàm FC sau: FC FC1 “DP_SEND” FC2 “DP_RECV” FC3 “DP_DIAG” FC4 “DP_CTRL” FC dùng với DP Master DP Slave X X X X X X Ý nghĩa Truyền liệu Nhận liệu Chẩn đoán Điều khiển a.FC1 Tham số CPLADDR Mô tả INPUT Kiểu liệu WORD SEND INPUT ANY DONE OUTPUT BOOL ERROR OUTPUT BOOL STATUS OUTPUT WORD SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Các giá trị 1: liệu :lỗi Ghi Địa bắt đầu CP Địa độ dài vùng liệu cần gửi Tham số thể truyền thông có lỗi hay không Đưa mã lỗi Mã trạng thái Trang 38 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M b.FC2 Tham số CPLADDR Mô tả INPUT Kiểu liệu WORD RECV INPUT ANY NRD OUTPUT BOOL ERROR OUTPUT BOOL STATUS OUTPUT DPSTATUS OUTPUT Các giá trị 1: liệu chấp nhận :lỗi WORD BYTE Ghi Địa bắt đầu CP Địa độ dài vùng thông tin Tham số thể liệu có chấp nhận hay không Đưa mã lỗi Mã trạng thái Mã trạng thái DP c.FC3: Tham số CPLADDR Mô tả INPUT Kiểu liệu WORD DTYPE STATION INPUT INPUT BYTE BYPE DIAG NRD INPUT OUTPUT ANY BOOL ERROR OUTPUT BOOL STATUS DIAGLNG OUTPUT OUTPUT WORD BYTE Tham số CPLADDR Mô tả INPUT Kiểu liệu WORD CONTROL INPUT ANY DONE OUTPUT BOOL ERROR OUTPUT BOOL STATUS OUTPUT WORD Các giá trị 1: liệu chấp nhận :lỗi Ghi Địa bắt đầu CP Kiểu chẩn đoán Địa trạm DP Slave Định địa độ dài Tham số thể liệu có chấp nhận hay không Đưa mã lỗi Mã trạng thái Độ dài thực liệu d.FC4: SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Các giá trị 1: liệu :lỗi Ghi Địa bắt đầu CP Địa độ dài kiểu việc điều khiển Tham số thể truyền thông có lỗi hay không Đưa mã lỗi Mã trạng thái Trang 39 Đồ án tốt nghiệp PLC S7-300 truyền thông với ET200M Truyền thông qua mạng Profibus với CPU sử dụng cổng DP tích hợp sẵn Trong trường hợp này, việc truy cập I/O phân tán không khác với I/O tập trung, nghĩa ta sử dụng lệnh T để chuyển liệu đến đầu phân tán sử dụng lệnh L để thu thập liệu vào từ đầu vào phân tán Ngoài sử dụng SFC 26 (UPDAT_PI) , SFC14 (DPRD_DAT) để thu thập liệu vào từ I/O phân tán ; sử dụng SFC 27(UPDAT_PO) , SFC15 (DPWR_DAT) để truyền liệu đến I/O phân tán.Chú ý DP Slave có cấu trúc mođun, việc truy nhập liệu thực với slot trạm.Còn DP Slave có cấu trúc khối (compact), việc truy nhập liệu thực với toàn vùng nhớ DP Slave SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ Trang 40