Truyền thông PLC và biến tần Siemens

Trong thực tế, các bộ biến tần thường dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều thay đổi trơn theo tần số.. Biến tần MM440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất

1

Mục Lục

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MUC BẢNG BIỂU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MM440 3

I PLC S7-200 3

1 Cấu trúc phần cứng của S7-200 3

2 Thực hiện chương trình 6

II Biến tần MM440 6

1 Các đầu dây điều khiển 7

2 Sơ đồ nguyên lý 9

CHƯƠNG II: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG VÀ GIAO THỨC USS 10

I Các giải pháp truyền thông PLC - Biến tần .10

II Cấu trúc giao thức USS 11

2.1 Điều kiện để sử dụng giao thức USS 11

2.2 Thời gian yêu cầu cho việc truyền thông Biến tần 12

2.3 Sử dụng các lệnh USS 12

2.4.Các lệnh trong giao thức USS 13

2.5 Kết nối và cài đặt biến tần 22

CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ ỨNG DỤNG 25

I Kết luận 25

II Ứng dụng 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

2

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình dạng và cấu trúc bên ngoài của S7-200………4

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200………5

Hình 1.3 Các đầu dây điều khiển của MICROMASTER 440………8

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý MM440 ………9

Hình 2.1 Sơ đồ kết nối PLC và biến tần………10

Hình 2.2 Các bit thể hiện trạng thái biến tần ……… 16

Hình 2.3Kết nối S7-200 với MM440 bằng RS485……… 22

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống……… 26

DANH MUC BẢNG BIỂU Bảng2.1 Quan hệ giữa tốc độ và thời gian hỏi vòng ……….12

Bảng2.2Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_INIT ……….14

Bảng2.3 Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_CTRLI ………17

Bảng 2.4Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_RPM_x……… 19

Bảng2.5 Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_WPM_x ……… 22

sử dụng để tăng tính chuyên môn hóa và dễ dàng cho lắp đặt, thay thế

Toàn bộ chương trình cài đặt được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu (Catridge )

- Đèn Ix.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu vào số(ON/OFF)

- Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF)

4

d Công tắc chuyển chế độ:

- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnh STOP thì PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở

vị trí RUN ( quan sát đèn trạngthái )

- STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF

- TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ

xa, ngoài ra còn được dùng để download chương trình người dùng

e Vít chỉnh tương tự:

Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ

để thay đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình

- Module đầu vào

- Module đầu ra

- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

- Module bộ nhớ

- Module quản lý ghép nối vào ra

6

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của S7-200

2 Thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi là một vòng

quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với 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 CPU quản lý Khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ

cho dừng mọi công việc khác ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với các chế độ ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình ngắt chỉ được thực hiện khi có sự kiện báo

ngắt và có thể xảy ra bất kỳ lúc nào trong một vòng quét

II Biến tần MM440

MM440 là loại biến tần độc lập (biến tần gián tiếp), thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi dòng điện xoay chiều cung

7

cấp thành dòng điện một chiều trung gian sử dụng cầu chỉnh lưu Sau đố điện áp một chiều lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi Nguồn cung cấp cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha (cho công suất thấp), hay sử dụng nguồn xoay chiều 3 pha

Trong thực tế, các bộ biến tần thường dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều thay đổi trơn theo tần số

Các bộ biến tần sử dụng trong sử dụng trong thực tế rất đa dạng, có chức năng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng, tính chất truyền động MicroMaster

440 là bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay chiều Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vào 1 pha đến 200kW nguồn vào 3 pha Biến tần MM440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất có thể phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản Ngoài ra MM440 cũng được dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ danh sách các thông số hỗn hợp của nó

Ưu điểm của MM440:

- Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt

- Điều khiển vecto vòng kín (tốc độ/Moment)

- Có nhiều lựa chọn truyền thông: Profibus, Device Net, Can open

- Ba bộ tham số trong một nhằm thích ứng biến tần với các chế độ hoạt động khác nhau

- Định mức theo tải moment không đổi hoặc bơm, quạt

- Dự trữ động năng chống sụt áp

- 4 tần số ngắt cộng hưởng lên máy

- Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay

- Khối chức năng logic tự do: AND, OR, định thời điểm

1 Các đầu dây điều khiển

8

Hình 1.3 Các đầu dây điều khiển của MICROMASTER 440

9

2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý MM440

10

CHƯƠNG II: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG VÀ GIAO THỨC USS

I Các giải pháp truyền thông PLC - Biến tần

Để điều khiển Biền tần thông qua PLC người ta sử dụng cách sau:

1 Dùng đầu vào/ra số của PLC nhưng chỉ thực hiện được những chức năng

đơn giản như dừng, khởi động, đảo chiều còn việc thay đổi thời gian khởi động

hoặc đặt lại tốc độ không thể thực hiện được ở chế độ này

2 Dùng các đầu vào/ra tương tự của PLC để thay đổi giá trị setpoint trong

điều khiển phản hồi, mỗi biến tần mất đi một đầu vào analog và một đầu ra

analog Ngoài ra còn phải dùng các đầu vào/ra số để điều khiển biến tần

3 Điều khiển biến tần thông qua mạng Profibus, đối với loại MM3, MM4

của Siemens đã có sắn giao diện Profibus trên RS458 Port Nhưng đối với các

ứng dụng nhỏ thì việc thiết kế một mạng Profibus sẽ đưa giá thành lên cao, do đó

không kinh tế

4 Dùng Port 0 của PLC để kết nối tới các Port của biến tần, một PLC có thể

kết nối tối đa với một mạng 31 biến tần Mạng này gọi là mạng USS Dạng kết nối

điểm (Poin to Point) Ta có thể điều khiển toàn bộ chức năng của biến tần thông

qua mạng này, ngoài ra còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ, chiều

quay dựa vào các vùng nhớ của PLC dành riêng cho mỗi biến tần

11

II Cấu trúc giao thức USS

+ Giao thức USS (Universal Serial Interface Protocol) định nghĩa là kỹ thuật truyền thông giữa PLC và biến tần chỉ của Siemen, truy cập theo nguyên tắc Master – Slave cho truyền thông qua 1 Bus nối tiếp và tối đa 31 slave có thể được kết nối với Bus, ở phương pháp này 1 PLC có thể điều khiển tối đa mạng gồm 31 biến tần, đây là dạng liên kết điểm-điểm Ta có thể điều khiển toàn bộ chức năng của biến tần thông qua mạng này Ngoài ra có thể giám sát các thông

số của biến tần thông qua mạng này ví dụ : chiều quay, tốc độ các lỗi thường gặp…vv dựa vào các vùng nhớ của PLC dành cho mỗi biến tần

+ Cho phép truyền thông trực tiếp giữa PLC và biến tần Nghĩa là PLC

có thể đọc trực tiếp các tham số từ biến tần

+ Thư viện USS cung cấp bởi Siemen, USS libraries gồm 4 khối chương trình chính(USS_INIT; USS_CTRL; USS_RPM_X; USS_WPM_X)

+ Cấu trúc USS sử dụng 14 chương trình con và 3 chương trình ngắt

+ Cấu trúc USS yêu cầu sử dụng 400-byte block miền nhớ V và 16-byte đệm giao tiếp.Vì vậy khi lập trình cần tránh sử dụng lại những vùng nhớ nằm trong khoảng vùng nhớ đã quy định cho USS

2.1 Điều kiện để sử dụng giao thức USS

+ Thư viện lệnh của Step 7 – Micro/Win cung cấp 14 chương trình con, 3 thủ tục ngắt và một tập lệnh (gồm 8 lệnh) hỗ trợ cho giao thức USS

+ Cáp kết nối: cáp chuẩn 485 với 1 chân truyền 1 chân nhận

+ Giao thức USS sử dụng Cổng 0 (Port 0) cho truyền thông USS

+ Sử dụng lệnh USS_INIT để lựa chọn Port 0 cho cả USS hoặc PPI Sau khi

đã lựa chọn Port 0 cho truyền thông với chuẩn USS, không được sử dụng Port 0 cho bất kì mục đích khác bao gồm cả kết nối với Step 7 Micro/Win

+ Để phát triển các chương trình ứng dụng sử dụng giao thức USS, nên sử dụng CPU 226, CPU 226XM hoặc module EM 277 PROFIBUS – DP kết nối đến card PROFIBUS – CP ở máy tính

12

2.2 Thời gian yêu cầu cho việc truyền thông Biến tần

+ Truyền thông với các Micro Master không đồng bộ với vòng quét của S7 – 200 S7 – 200 hoàn thành vài vòng quét trước khi một MM hoàn thành việc truyền thông Các yếu tố giúp xác định thời gian yêu cầu:

+ Số MM có trong mạng

+ Tốc độ baud

+ Thời gian vòng quét của S7 – 200

Sau khi lệnh USS_INT ấn định Port 0 cho giao thức USS, S7 – 200 sẽ thực hiện hỏi vòng tất cả các biến tần trong những khoảng thời gian sau:

Bảng 2.1 Quan hệ giữa tốc độ và thời gian hỏi vòng

PLC sẽ thực hiện quét tất cả các biến tần đang hoạt động với thời gian lấy mẫu ở bảng bên trên.Ta phải set tham số time-out của mỗi drive phù hợp với thời gian này

2.3 Sử dụng các lệnh USS

Các bước sử dụng các lệnh trong chương trình điều khiển S7 – 200 , cần phải theo các bước sau:

13

1 Đưa lệnh USS_ INT vào trong chương trình và thực hiện lệnh này cho mỗi vòng quét Có thể sử dụng lệnh này để thiết lập các giá trị hoặc thay đổi các thông số truyền thông

2 Cấp phát vùng nhớ V cho thư viện lệnh bằng cách kích chuột phải (lấy

từ

menu) trên Program Block trong cây thư mục

3 Cài đặt tham số về địa chỉ và tốc độ được sử dụng trong chương trình Drive

4 Dùng cáp để kết nối truyền thông từ S7 – 200 đến các drive

Lưu ý: Chỉ thực hiện một lệnh USS_INT trong chương trình cho mỗi Drive Có thể đưa vào nhiều lệnh USS_RPM_x hay USS_WPM_x khi được yêu cầu, nhưng chỉ một lệnh được làm việc trong một thời điểm

2.4.Các lệnh trong giao thức USS

1 Lệnh USS – INIT

Cấu trúc lệnh:

+ Lệnh USS_INIT được sử dụng để thiết lập hoặc các tham số truyền thông,

kích hoạt, khởi tạo giao thức USS Trước khi bất kỳ một lệnh USS nào khác được

sử dụng, lệnh USS_INIT phải được thực hiện xong

+ Lệnh này được thực hiện ở mỗi vòng quét đầu vào EN được tác động

14

+ Khi thay đổi các giá trị ban đầu của tham số thì sẽ thực hiện một lệnh USS_INIT mới

EN: chân kích hoạt USS_INIT(chỉ gọi USS_INIT 1 lần duy nhất)

Mode: giá trị là 010 ấn định Port 0 dùng cho giao thức USS và chỉ cho

phép giao thức này Nếu giá trị là 000 sẽ ấn định giao thức PPI cho Port 0 và không cho phép thực hiện USS

Baud: Tốc độ truyền thông: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

57600, 115200

Active: Xác định đầu địa chỉ của Drive Địa chỉ những biến tần sẽ được kích

hoạt(mã hóa dưới dạng thanh ghi bit nhị phân).Số địa chỉ hỗ trợ từ 0 đến 31

VD: Active có giá trị 3 thì 2 biến tần có địa chỉ 0 và 1 được kích hoạt

Done: Khi USS_INIT hoàn thành bit Done sẽ được kích lên mức 1

Error: Byte báo lỗi

Ðầu vào/ra Kiểu dữ

liệu

Toán hạng

Mode Byte VB,IB,QB,MB,SB,SMB,LB,AC,Constant,*VD,*AC, *LD Baud,Active Dword VD,ID,QD,MD,SD,SMD,LD,Constant,AC, *VD,*AC,*LD Done Bool I, Q, M, S, SM, T, C, V, L

Error Byte VB, IB, QB, MB, SB, SMB, LB, AC,*VD,*AC,*LD

Bảng2.2 Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_INIT

+ Khi lệnh USS_INIT kết thúc, đầu ra Done được set lên Đầu ra Error (kiểuByte) chứa kết quả thực hiện lệnh

15

2 Lệnh USS_CTRIL

Chức năng: Được sử dụng để điều khiển hoạt động của biến tần Mỗi chương trình con USS_CTRL chỉ điều khiển 1 địa chỉ biến tần duy nhất Lệnh này được gửi tới địa chỉ của biến tần, địa chỉ được xác định tham số Active trong lệnh USS_INIT

Các thông số:

EN: bit phải ON trong quá trình điều khiển biến tần mới cho phép lệnh

USS_CTRIL hoạt động Lệnh này luôn thực hiện ở mức cao

Run (Run/Stop): cho thấy drive là on hoặc off Khi bit RUN ở mức cao,

MM440 nhận lệnh khởi động ở tốc độ danh định và theo chiều đã chọn trước 1(ON) / 0 (OFF)

Để Drive làm việc, các điều kiện phải theo đúng như sau:

+ Địa chỉ Drive phải được lựa chọn từ đầu vào Active trong lệnh USS_INIT + Đầu vào OFF2 và OFF3 phải được set về 0

+ Các đầu ra Failt và Inhibit phải là 0

Khi đầu vào RUN là _OFF_ một lệnh được chuyển đến MM để điều khiển giảm tốc độ động cơ xuống cho đến khi động cơ dừng

OFF2: được sử dụng để cho phép điều khiển MM440 dừng với tốc độ chậm OFF3: được sử dụng để cho phép điều khiển MM440 dừng với tốc độ nhanh

16

F_ACK(Fault Acknowledge): được sử dụng để báo lỗi từ Drive, khi có lỗi

xảy ra fix lỗi sau đó nhấn F_ACK để clear lỗi Các lỗi từ Drive được xóa thì F_ACK được chuyển từ 0 lên 1

Dir : Direction xác định hướng quay mà MM440 sẽ điều khiển

Drive(Drive address): là địa chỉ của MM mà lệnh USS_CTRIL điều

khiển tới Địa chỉ hợp lệ từ 0 đến 31 (1 cấu trúc USS_CTRL chỉ điều khiển 1 biến tần)

Type: dùng để lựa chọn kiểu MM440 Đối với thế hệ MM3 (hoặc sớm hơn)

đầu vào Type được đặt 0; còn dối với MM440 giá trị đặt là 1

Speed – SP (Speed setpoint) : là tốc độ cần đặt theo tỷ lệ phần trăm Các

giá trị âm sẽ làm động cơ quay chiều ngược lại Phạm vi đặt: -200% -> +200%

Resp_R (response received): báo nhận phản hồi từ drive Tất cả các hoạt

động của MM được thăm dò thông tin trạng thái Tại mỗi thời điểm S7-200 nhận được một phản hồi từ drive, bit Resp_R được set lên và tất cả các giá trị tiếp theo được cập nhật

Error: là một byte lỗi chứa kết quả mới nhất của yêu cầu truyền thông Drive

(là byte chứa kết quả của lần truyền thông cuối cùng

Status: thông báo trạng thái biến tần

Hình 2.2 Các bit thể hiện trạng thái biến tần

17

Speed: là tốc độ động cơ theo tỉ lệ phần trăm tốc độ full set Phạm vi :

-200% -> +-200%

Run_EN:bit thông báo trạng thái động cơ(chạy=1,ngừng=0)

D- Dir: cho biết hướng quay

Inhibit: cho biết trạng thái hãm của động cơ (0- not inhitbit, 1 - inhitbit) Để

xóa bit inhitbit, bit Fault phải trở về off, và các đầu vào RUN, OFF2, OFF3 cũng

phải trờ về off

Fault: cho biết tình trạng của bit lỗi (0 – không có lỗi, 1 – lỗi) Drive sẽ

hiển thị mã lỗi, tra bảng error code ở trên để biết chi tiết lỗi Để xóa bit Fault cần

phải sửa lỗi và turn on bit F_ACK

RUN, OFF2, OFF3,

F_ACK, DIR

BOOL

I, Q, M, S, SM, T, C, V, C, L, Power Flow

Resp_R, Run_EN, D_Dir,

Inhibit, Fault

BOOL I, Q, M, S, SM, T, C, V, C, L

VB, IB, QB, MB, SB, SMB,

LB, AC, *VD, *AC, *LD, Constant

LD, AC, *VD, *AC, *LD, Constant

LD, AC, *VD, *AC, *LD

Bảng 2.3 Kiểu dữ liệu và toán hạng trong lệnh USS_CTRLI