Giới thiệu chung về thiết bị lập trình điều khiển PLC

A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển dây chuyền, thiết bị máy móc công nghiệp … người ta thực kết nối linh kiện điều khiển rời (rơle, timer, contactor …) lại với tuỳ theo mức độ yêu cầu thành hệ thống điện điều khiển Công việc phức tạp thi công, sửa chữa bảo trì giá thành cao Khó khăn cần thay đổi hoạt động Một hệ thống điều khiển ưu việt mà phải chọn điều khiển cho máy sản xuất cần phải hội đủ yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ hệ thống điều khiển lập trình PLC (Programable Logic Control) đời giải vấn đề Thiết bị điều khiển lập trình nhà thiết kế cho đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, việc lập trình cho hệ thống khó khăn, lúc thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đời vào năm 1969 Trong giai đoạn hệ thống điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhằm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống điều khiển cổ điển Qua trình vận hành, nhà thiết kế bước tạo tiêu chuẩn cho hệ thống, tiêu chuẩn là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong năm đầu thập niên 1970, hệ thống PLC có thêm khả vận hành với thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với liệu cập nhật” (data manipulation) Do phát triển loại hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp người điều khiển để lập trình cho hệ thống trở nên thuận tiện Ngoài nhà thiết kế tạo kỹ thuật kết nối với hệ thống PLC riêng lẻ thành hệ thống PLC chung, tăng khả hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý hệ thống cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với chức phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn Một PLC có đầy đủ chức như: đếm, định thời, ghi (register) tập lệnh cho phép thực yêu cầu điều khiển phức tạp khác Hoạt động PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm nhớ, cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ Những đặc điểm PLC: - Thiết bị chống nhiễu - Có thể kết nối thêm modul để mở rộng ngõ vào/ra - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu - Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển máy lập trình máy tính cá nhân - Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ - Bảo trì dễ dàng Do đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không nhiều thời gian nối dây phức tạp cần thay đổi chương trình điều khiển, cần lập chương trình thay cho chương trình cũ Việc sử dụng PLC vào hệ thống điều khiển ngày thông dụng, để đáp ứng yêu cầu ngày đa dạng này, nhà sản xuất đưa hàng loạt dạng PLC với nhiều mức độ thực đủ để đáp ứng yêu cầu khác người sử dụng Để đánh giá PLC người ta dựa vào tiêu chuẩn chính: dung lượng nhớ số tiếp điểm vào/ra Bên cạnh cần ý đến chức như: vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả mở rộng số ngõ vào/ B Giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7 – 200 Cấu trúc phần cứng S7 – 200 CPU 214 PLC viết tắt Programmable Logic Control, thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình S7 – 200 thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu modul có modul mở rộng Các modul sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác Thành phần S7 – 200 khối vi xử lý CPU 212 CPU 214 Về hình thức bên ngoài, khác hai loại CPU nhận biết nhờ số đầu vào/ra nguồn cung cấp - CPU 212 có cổng vào, cổng có khả mở rộng thêm modul mở rộng - CPU 214 có 14 cổng vào, 10 cổng có khả mở rộng thêm modul mở rộng S7 – 200 có nhiều loại modul mở rộng khác CPU 214 bao gồm: - 2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương trình (vùng nhớ có giao diện với EEPROM) - 2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu liệu, 512 từ đầu thuộc miền nhớ non-volatile - 14 cổng vào 10 cổng logic - Có modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm modul analog - Tổng số cổng vào/ra cực đại 64 cổng vào 64 cổng - 128 Timer chia làm loại theo độ phân giải khác nhau: Timer 1ms, 16 Timer 10ms vaø 108 Timer 100ms - 128 đếm chia làm loại: đếm tiến vừa đếm tiến vừa đếm lùi - 688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái đặt chế độ làm việc - Các chế độ ngắt xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên xuống, ngắt thời gian, ngắt đếm tốc độ cao ngắt truyền xung - đếm tốc độ cao với nhịp KHz 7KHz - phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO kiểu PWM - điều chỉnh tương tự - Toàn vùng nhớ không bị liệu khoảng thời gian 190 PLC bị nguồn nuôi Các cổng SIEMENS SF RUN STOP SIMATIC S7 - 200 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I.11 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Các cổng vào Cổng truyền thông Hình Bộ điều khiển lập trình S7 – 200, CPU 214 ● Mô tả đèn báo S7 – 200, CPU 214 SF (đèn đỏ) Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng Đèn SF sáng lên PLC bị hỏng hóc RUN (đèn xanh) Đèn xanh RUN định PLC chế độ làm việc thực chương trình nạp máy STOP (đèn vàng) Đèn vàng STOP định PLC chế độ dừng Dừng chương trình thực lại Ix.x (đèn xanh) Đèn xanh cổng vào định trạng thái tức thời cổng Ix.x (x.x = 0.0 ÷ 1.5) Đèn báo hiệu trạng thái tín hiệu theo giá trị logic cổng Qy.y (đèn xanh) Đèn xanh cổng báo hiệu trạng thái tức thời cổng Qy.y (y.y = 0.0 ÷ 1.1) Đèn báo hiệu trạng thái tín hiệu theo giá trị logic cổng Cổng truyền thông S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình với trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp PLC theo kiểu tự 300 đến 38.400 Hình Sơ đồ chân cổng truyền thông Chân Giải thích Đất 24 VDC Truyền nhận liệu Không sử dụng Đất Chân Giải thích VDC (điện trở 100) 24 VDC (120mA tối đa) Truyền nhận liệu Không sử dụng Để ghép nối S7 – 200 với máy lập trình PG702 với loại máy lập trình thuộc họ PG7xx sử dụng cáp nối thẳng MPI Cáp kèm theo máy lập trình Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với chuyển đổi RS232/RS485 Công tắc chọn chế độ làm việc PLC Công tắc chọn chế độ làm việc nằm phía trên, bên cạnh cổng S7 – 200 có ba vị trí cho phép chọn chế độ làm việc khác cho PLC - RUN cho phép PLC thực chương trình nhớ PLC S7 – 200 rời khỏi chế độ RUN chuyển sang chế độ STOP nế máy có cố chương trình gặp lệnh STOP, chí công tắc chế độ RUN Nên quan sát trạng thái thực PLC theo đèn báo - STOP cưỡng PLC dừng thực chương trình chạy chuyển sang chế độ STOP Ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình nạp chương trình - TERM cho phép máy lập trình tự định chế độ làm việc cho PLC chế độ RUN chế độ STOP Chỉnh định tương tự Điều chỉnh tương tự (1 CPU 212 CPU 214) cho phép điều chỉnh biến cần phải thay đổi sử dụng chương trình Núm chỉnh analog lắp đặt nắp đậy bên cạnh cổng Thiết bị chỉnh định quay 270o Pin nguồn nuôi nhớ Nguồn nuôi dùng để mở rộng thời gian lưu giữ cho liệu có nhớ Nguồn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt phải thay vào vị trí để liệu nhớ không bị Cấu trúc nhớ a Phân chia nhớ: Bộ nhớ S7 – 200 chia thành vùng với tụ có nhiệm vụ trì liệu khoảng thời gian định nguồn Bộ nhớ S7 – 200 có tính động cao, đọc ghi toàn vùng, loại trừ phần bit nhớ đặc biệt kí hiệu SM (Special Memory) truy nhập để đọc Vùng chương trình: miền nhớ sử dụng để lưu lệnh chương trình Vùng thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi Vùng tham số: miền lưu giữ tham số như: từ khóa, địa trạm … vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi Vùng liệu: dùng để cất liệu chương trình bao gồm kết phép tính, số định nghóa chương trình, đệm truyền thông … phần vùng nhớ thuộc kiểu non-volatile Vùng đối tượng: Timer, đếm, đếm tốc độ cao cổng vào/ra tương tự đặt vùng nhớ cuối Vùng không kiểu non-volatile đọc/ghi EEPROM Miền nhớ Chương trình Chương trình Chương trình Tham số Tham số Tham số Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Vùng đối tượng Hình Bộ nhớ S7 – 200 b Vùng liệu: Vùng liệu vùng nhớ động Nó truy nhập theo bit, byte, từ đơn từ kép sử dụng làm miền lưu trữ liệu cho thuật toán hàm truyền thông, lập bảng hàm dịch chuyển, xoay vòng ghi, trỏ địa … Vùng liệu lại chia thành miền nhớ nhỏ với công dụng khác Chúng ký hiệu chữ đầu tên tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng chúng sau: V - Variable memory I - Input image regigter O - Output image regigter M - Internal memory bits SM - Speacial memory bits Taát miền truy nhập theo bit, byte, từ đơn (word-2byte) từ kép (2 word) Hình Mô tả vùng liệu CPU 214 V0 I0.x (x=0÷7) V4095 I7.x (x=0÷7) Vùng nhớ nội M (đọc/ghi) M0.x (x=0÷7) Q0.x (x=0÷7) M31.x (x=0÷7) Q7.x (x=0÷7) Vùng đệm cổng Q (đọc/ghi) Vùng nhớ đặc biệt SM0.x (x=0÷7) SM30.x (x=0÷7 Vùng nhớ đặc SM29.x (x=0÷7 SM85.x (x=0÷7 Miền V (đọc/ghi) SM (chỉ đọc) Địa truy nhập qui ước theo công thức: Vùng đệm cổng vào I (đọc/ghi) biệt (đọc/ghi) Truy nhập theo bit: Tên miền (+) địa byte (+)•(+) số bit Ví dụ V150.4 - bit byte 150 thuộc miền V Truy nhập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa byte miền Ví dụ - VB150 150 thuộc miền V Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa byte cao từ miền Ví - dụ VW150 từ đơn gồm byte150 151 thuộc miền V, byte 150 có vai trò byte cao từ 15 14 13 12 11 10 VB150 (byte cao) VB150 VB151 (byte thấp) Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa byte cao từ miền - Ví dụ VD150 từ kép gồm byte150, 151, 152 153 thuộc miền V, byte 150 có vai trò byte cao byte 153 thấp từ kép 63 VB150 VD150 32 31 16 15 VB151 VB152 87 VB153 o Tất byte thuộc vùng liệu truy nhập trỏ Con trỏ định nghóa miền V ghi AC1, AC2 AC3 Mỗi trỏ địa chỉ gồm byte (từ kép) c Vùng đối tượng: Vùng đối tượng sử dụng để lưu giữ liệu cho đối tượng lập trình giá trị tức thời, giá trị đặt trước đếm, hay Timer Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm ghi Timer, đếm, đếm tốc độ cao, đệm vào/ra tương tự ghi Accumulator (AC) Kiểu đối tượng bị hạn chế nhiều liệu kiểu đối tượng ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng Hình Vùng nhớ đối tượng phân chia sau: CPU214 15 Timer (đọc/ghi) Bộ đếm (đọc/ghi) T0 bit T0 T127 T127 C0 C0 C27 C127 AW0  AW30 Bộ đệm cổng vào tương tự (chỉ đọc) AQW0  AQW30 Bộ đệm cổng tương tự (chỉ ghi) 31 Thanh ghi Accumulator (đọc/ghi) Bộ đếm tốc độ cao (đọc/ghi) d 23 AC0 (không có khả làm trỏ) AC1 AC2 AC3 HSC0 HSC1 (chỉ có CPU 214) HSC2 (chỉ có CPU 214) Mở rộng ngõ vào/ra: Có thể mở rộng ngõ vào/ra PLC cách ghép nối thêm vào modul mở rộng phía bên phải CPU (CPU 214 nhiều modul), làm thành móc xích, bao gồm modul có kiểu Các modul mở rộng số hay rời rạc chiếm chỗ đệm, tương ứng với số đầu vào/ra modul Sau ví dụ cách đặt địa cho modul mở rộng treân CPU 214: CPU214 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 MODUL (4vaøo/4ra) MODUL (8 vaøo) MODUL (3vaøo analog /1ra analog) MODUL (8 ra) MODUL (3vaøo analog /1ra analog) I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7 AIW0 AIW2 AIW4 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 AIW8 AIW10 AIW12 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 AQW0 AQW4 Thực chương trình: PLC thực chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi vòng quét (scan) Mỗi vòng quét bắt đầu gian đoạn đọc liệu từ cổng vào vùng đệm ảo, gian đoạn thực chương trình Trong vòng quét, chương trình thực lệnh kết thúc lệnh kết thúc (MEND) Sau giai đoạn thực chương trình gian đoạn truyền thông nội kiểm tra lỗi Vòng quét kết thúc giai đoạn chuyển nội dung đệm ảo tới cổng Chuyển liệu từ đệm ảo ngoại vi Nhập liệu từ ngoại vi vào đệm ảo Truyền thông tự kiểm tra lỗi Thực chương trình Hình Chương trình thực theo vòng quét (scan) S7 – 200 Như vậy, thời điểm thực lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc mà thông qua đệm ảo cổng vùng nhớ tham số Việc truyền thông đệm ảo với ngoại vi giai đoạn CPU quản lý Khi gặp lệnh vào/ra hệ thống cho dừng công việc khác, chương trình xử lý ngắt, để thực lệnh cách trực tiếp với cổng vào/ra Nếu sử dụng chế độ xử lý ngắt, chương trình tương ứng với tín hiệu ngắt soạn thảo cài đặt phận chương trình Chương trình xử lý ngắt thực vòng quét xuất tín hiệu báo ngắt xảy điểm vòng quét Cấu trúc chương trình S7 – 200 Có thể lập trình cho S7 – 200 cách sử dụng phần mềm sau đây: - STEP – Micro/DOS - STEP – Micro/WIN Những phần mềm cài đặt máy lập trình họ PG7xx máy tính cá nhân (PC) Các chương trình cho S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình (main program) sau đến chương trình chương trình xử lý ngắt sau đây: - Chương trình kết thúc lệnh kết thúc chương trình (MEND) - Chương trình phận chương trình Các chương trình phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, lệnh MEND - Các chương trình xử lý ngắt phận chương trình Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình MEND Các chương trình nhóm lại thành nhóm sau chương trình Sau đến chương trình xử lý ngắt Bằng cách viết vậy, cấu trúc chương trình rõ ràng thuận tiện việc đọc chương trình sau Có thể tự trộn lẫn chương trình chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình Main Program Thực vòng quét MEND SBR 0chương trình thứ Thực chương trình gọi RET SBR n  RET chương trình thứ n+1 INT 0chương trình xử lý ngắt thứ RET INT n chương trình xử lý ngắt thứ n+1  RET Hình Cấu trúc chương trình S7 – 200 Thực có tín hiệu báo ngắt Hình 8: Hình ảnh thực tế PLC SIMATIC S7 – 200 Hình 9: Hình ảnh thực tế modul analog ... lập trình, khả mở rộng số ngõ vào/ B Giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7 – 200 Cấu trúc phần cứng S7 – 200 CPU 214 PLC viết tắt Programmable Logic Control, thiết bị điều khiển. .. để điều khiển ngõ Những đặc điểm PLC: - Thiết bị chống nhiễu - Có thể kết nối thêm modul để mở rộng ngõ vào/ra - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu - Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển máy lập trình. .. trên, PLC cho phép người điều hành không nhiều thời gian nối dây phức tạp cần thay đổi chương trình điều khiển, cần lập chương trình thay cho chương trình cũ Việc sử dụng PLC vào hệ thống điều khiển