do an PLC CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC S7-200

Các đèn trạng thái: Đèn RUN - màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình.. Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC S7-200

3.1 Cấu trúc phần cứng

3.1.1 Đặc điểm chung

S7-200 là loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens(Đức)

Cấu trúc S7-200 gồm 1 CPU và các Module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau

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

Có nhiều nhất 7 Module mở rộng khi có nhu cầu tăng số ngõ vào/ra Digital, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng (AS-I, Profibus)

Mỗi CPU có từ 1 đến 2 vít chỉnh định tương tự, có thể xoay được một góc 270°, dùng để thay đổi giá trị của biến sử dụng trong chương trình

Pin và nguồn nuôi bộ nhớ: Sử dụng tụ vạn năng và Pin Khi năng lượng của

tụ bị cạn kiệt, PLC sẽ tự động chuyển sang sử dụng năng lượng từ Pin

Đèn trạng thái ngõ vào

Loại CPU

Đèn trạng thái ngõ ra Đèn trạng thái PLC

Hình 3.1 - Hình dạng và cấu trúc bên ngoài của PLC S7-200 CPU 224

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

Bảng 1 - Thông số của các CPU PLC S7-200

Kích thước (mm) 90x80x62 90x80x62 120.5x80x62 190x80x62

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 32In/ 32 Out

Lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ

3.1.2 Các đèn trạng thái:

Đèn RUN - màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình

Đèn STOP - màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình

Chân cắm ngõ ram ngõ ra

Ngõ

vào

Cổng truyền thông

Công tắm ngõ rac

Cáp kết nối

đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ OFF)

Đèn SF - màu đỏ (TERM), đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc 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 không thể nhận biết được vì trước khi download xuống CPU, phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi dịch sang mã máy

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

Đèn Qx.x - màu xanh: Chỉ định trạng thái ON/OFF của đầu vào số

3.1.3 Ngỏ vào

Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC

Trạng thái mức logic 1 chuẩn: 24 VDC, 7mA

Trạng thái mức logic 0: tối đa 5 VDC, 1mA

Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5: có thể chỉnh từ 0.2ms đến 8.7ms Thời gian mặc định 0.2ms

Sự cách ly về quang: 500 VAC

Địa chỉ ngỏ vào Ix.x

3.1.4 Ngỏ ra

Kiểu đầu ra Rơle hoặc Transistor cấp dòng điện

Điện áp mức 1: 24.4 đến 28.8 VDC

Dòng tải tối đa 2A/điểm, 8A/common

Điện trở cách ly nhỏ nhất 100MΩ

Thời gian chuyển mạch tối đa 10ms

Thời gian sử dụng: 10 triệu lần với công tắm ngõ rac cơ khí; 100.000 với tốc độ tải Điện trở công tắm ngõ rac: tối đa 200mΩ

Không có chế độ bảo vệ ngắm ngõ ran mạch

3.1.5 Nguồn cung cấp

Điện áp cấp nguồn: 20.4 đến 24.8VDC

Dòng vào Max Load: 900mA tại 24 VDC

Cách ly điện ngỏ vào: không có

Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms ở 24 VDC.

Cầu chì bên trong: 2A, 250VAC

3.1.6 Cổng truyền thông nối tiếp

Port truyền thông nối tiếp sử dụng cổng RS485, 9 chân sử dụng cho việc phối ghép với PC, PG, TD200, TD200C, OP, mạng biến tần, mạng công nghiệp (Hình 3.2)

Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu PPI ở tốc độ chuẩn là 9600 Baud Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu Freeport (tự do) là 300 ÷ 38400 Baud

1 5

Chân Chức năng

3 Tín hiệu A của RS485

(RxD/TxD+)

4 RTS ( theo mức TTL)

7 Nguồn cấp 24 VDC 120mA Max

8 Tín hiệu B của RS485 (RxD/TxD)

9 Chọn lựa cách giao tiếp

Hình 3.2 - Sơ đồ chân của port RS485

Để ghép nối S7-200 với các máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi sang RS485, theo hình sau:

Hình 3.3 - Chuyển đổi RS232 sang RS485

Chuyển đổi

RS232- RS485

3.1.7 Công tắc chọn chế độ làm việc

Công tắm ngõ rac chọn chế độ RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình gặp lỗi hoặc gặp lệnh STOP thì PLC sẽ tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắm ngõ rac vẫn ở chế độ RUN (chú ý: nên quan sát đèn trạng thái)

Công tắm ngõ rac chọn chế độ STOP: Khi chuyển sang chế độ STOP, dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các tín hiệu ra lúc này đều về OFF

Công tắm ngõ rac chọn chế độ TERM: cho phép người vận hành chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra ở chế độ này được dùng để Download chương trình người dùng

3.1.8 Giao tiếp với thiết bị ngoại vi

Thiết bị lập trình loại PGxx được trang bị sẵn phần mềm lập trình, chỉ lập trình được với ngôn ngữ STL

Máy tính PC: Hệ điều hành Win 95/98/ME/2000/NT4.x

Trên đó có cài đặt phần mềm Step7 Micro/Win 32 và Step7 Micro/Dos Hiện nay hầu hết sử dụng Step7 Mcro/Win 32 Version 3.0, 3.2, 4.0 V4.0 cho phép người lập trình có thể xem được giá trị, trạng thái cũng như đồ thị của các biến Nhưng chỉ sử dụng được trên máy tính có cài đặt hệ điều hành Window 2000/ WinNT và PLC loại Version mới nhất hiện nay

3.2 Cấu trúc bộ nhớ S7-200

3.2.1 Phân chia bộ nhớ

Bộ nhớ được chia làm 4 vùng cơ bản, hầu hết các vùng nhớ đều có khả năng đọc/ghi chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt SM (Special Memory) là vùng nhớ có số chỉ đọc

Vùng nhớ chương trình: Là miền bộ nhớ được dùng để lưu giữ các lệnh chương trình Vùng này thuộc kiểu Non-Valatie đọc/ghi được

Vùng nhớ tham số: Là miền lưu giữ các tham số như từ khoá, địa chỉ trạm cũng giống như vùng chương trình, vùng này thuộc kiểu (Non-Valatile) đọc/ghi

được

Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông

Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, 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-Valatile nhưng đọc/ghi được

Hai vùng nhớ cuối cùng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình Do vậy sẽ được trình bày chi tiết ở mục tiếp theo

Chương trình Tham số

Dữ liệu Vùng đối tượng

Chương trình Tham số

Chương trình Tham số

Tụ duy trì

khi mất điện

EEPROM Miền nhớ ngoài

Hình 3.4 - Cấu trúc bộ nhớ S7-200

3.2.2 Vùng nhớ dữ liệu

Vùng nhớ dữ liệu là vùng nhớ động, nó có thể truy cập theo từng bit, byte, từ đơn (Worrd), từ kép (Double Word) và cũng có thể truy nhập được với mảng dữ liệu Nó được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ

3.2.2.1 Vùng nhớ dữ liệu bao gồm 5 miền nhỏ

 Miền I (Input Image Register): thanh ghi đệm, lưu các giá trị ngõ vào khi PLC hoạt động

 Miền Q (Output Image Register): thanh ghi đệm, chứa các kết quả

chương trình để điều khiển ngỏ ra.

 Miền V (Variable Memory): lưu các kết quả trung gian khi thực hiện chương trình

 Miền M (Internal Memory bits): được sử dụng như các Rơle điều khiển để lưu trạng thái trung gian của 1 hoạt động hoặc các thông tin điều khiển khác (byte, Word, Dword)

 Miền SM (Special Memory bits): chứa các bit để lựa chọn và điều khiển các chức năng đặc biệt của CPU (byte, Word, Dword)

Bảng 2 - Phân chia và toán hạng vùng dữ liệu

Vùng

V2047.7 V0.0 – V2047.7 V0.0 – V5119.7 V0.0 – V5119.7

I I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7

Q Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7

M31.7 M0.0 – M31.7 M0.0 – M31.7 M0.0 – M31.7

SM SM0.0 –

SM179.7 SM0.0 – SM179.7 SM0.0 – SM179.7 SM0.0 – SM179.7

S S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7

L L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7

3.2.2.2 Địa chỉ truy nhập được qui ước với công thức

* Truy nhập theo bit:

Tên miền + địa chỉ byte.chỉ số bit

Ví dụ: V150.4 là địa chỉ bit số 4 của byte 150 thuộc miền V

* Truy nhập theo byte:

Tên miền + B và địa chỉ byte

Ví dụ: VB150 là địa chỉ byte 150 thuộc miền V

* Truy nhập theo từ (Word):

Tên miền + W và địa chỉ byte cao của từ

Ví dụ: VW150 là địa chỉ từ đơn gồm hai byte 150 và 151 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò byte cao của từ

* Truy nhập theo từ kép :

Tên miền + D và địa chỉ byte cao của từ

Ví dụ: VD150 là địa chỉ từ kép gồm bốn byte 150, 151, 152 và 153 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò byte cao, 153 có vai trò là byte thấp của từ kép

Tất cả các byte thuộc vùng dữ liệu đều có thể truy nhập bằng con trỏ Con trỏ được định nghĩa trong miền V hoặc các thanh ghi AC1, AC2, AC3 Mỗi con trỏ chỉ địa chỉ gồm 4 byte (từ kép) Qui ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau:

& + địa chỉ byte cao

Ví dụ: + AC1 = &VB150 là thanh ghi AC1 chứa địa chỉ byte 150 thuộc miền V

1 + VD100 = &VW150 là từ kép VD100 chứa địa chỉ byte cao của từ đơn VW150 thuộc miền V

2 + AC2 = &VD150 là thanh ghi AC2 chứa địa chỉ byte cao 150 của từ kép VD150 thuộc miền V

Toán hạng * (con trỏ): là lấy nội dung của byte, từ hoặc từ kép mà con trỏ

đang chỉ vào Với các địa chỉ đã xác định trên ta có các ví dụ:

Ví dụ: + Lấy nội dung của byte VB150 là: *AC1

+ Lấy nội dung của từ đơn VW150 là: *VD100

+ Lấy nội dung của từ kép VD150 là: *AC2

3.2.3 Vùng đối tượng

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của Counter hay Timer Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Counter, Timer, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi AC (Accumulator)

 Timer (bộ định thì): đọc/ ghi T  T127

 Counter (bộ đếm): đọc/ ghi C  C127

 Bộ đệm vào Analog (đọc): AIWO  AIW3O

 Bộ đệm ra Analog (ghi): AQWO  AQW3O

 Accumulator (thanh ghi): ACO  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 (Double Word)

Bảng 3 - Phân chia và toán hạng vùng đối tượng

Vùng dữ

Timer T0 – T255 T0 – T255 T0 – T255 T0 – T255

Counter C0 – C255 C0 – C255 C0 – C255 C0 – C255

Analog

Input None AIW0 – AIW30 AIW0 – AIW62 AIW0 – AIW62 Analog

AQW30 AQW0 – AQW62 AQW0 – AQW62 Thanh ghi

Bộ đếm

tốc độ cao HC0,HC3,

HC4,HC5 HC0,HC3,HC4,HC5 HC0,HC3,HC4, HC5 HC0,HC3,HC4, HC5

3.2.4 Mở rộng cổng vào/ra

Khi chương trình lớn đòi hỏi số lượng ngõ vào, ra lớn hơn số lượng của CPU hiện hành ta có thể mở rộng cổng vào/ra bằng cách ghép thêm vào các Module

mở rộng để đáp ứng yêu cầu của chương trình Số Module mở rộng tuỳ thuộc vào từng loại CPU Các Module mở rộng được mắm ngõ rac nối tiếp (theo một móc xích) về phía bên phải của Module CPU Đối với CPU 224 có thể ghép nối nhiều nhất 5 Module theo bảng 4:

Bảng 4 - Các Module mở rộng của CPU 224

(4vào/4ra) MODUL 1(8 vào) (3vào AnalogMODUL 2

/1ra Analog)

MODUL 3 (8 ra) (3vàoAnalogMODUL 4

/1ra Analog) I0.0 Q0.0

I0.1 Q0.1

I0.2 Q0.2

I0.3 Q0.3

I0.4 Q0.4

I0.5 Q0.5

I0.6 Q0.6

I0.7 Q0.7

I2.0 I2.1 I2.2 I2.3

Q2.0 Q2.1 Q2.2

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

AIW0 AIW2 AIW4 AQW0

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

AIW8 AIW10 AIW12 AQW4

I1.1 Q1.0

I1.2 Q1.1

I1.3

I1.4

I1.5

Q2.3

3.2.5 Phương thức truy cập bộ nhớ [4]

Theo Bit: tên miền + địa chỉ byte + ‘.’+ chỉ số bit

M0.0, I2.5, Q1.0, …

Theo Byte: tên miền + B + địa chỉ byte

VB5, IB2, QB0, …(VB5=V5.0 V5.1 …V5.7)

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)

3.3 Cấu trúc chương trình của S7 – 200

Có thể lập trình cho S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau đây:

- STEP 7 – Micro/DOS

- STEP 7 – Micro/WIN

Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx và các máy tính cá nhân (PC)

Các chương trình cho S7 – 200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính

(Main Program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắm ngõ rat được chỉ ra sau đây:

Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND) Chương trình 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 MEND

Các chương trình xử lý ngắm ngõ rat là một bộ phận của chương trình Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắm ngõ rat phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND

Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính Sau đó đến các chương trình xử lý ngắm ngõ rat Bằng cách viết như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này

Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắm ngõ rat phía sau chương trình chính

Main Program

MEND

Thực hiện trong một vòng quét

SBR 0 chương trình con thứ nhất

RET

Thực hiện khi được chương trình chính gọi

SBR n chương trình con thứ n+1

Hình 3.5 - Cấu trúc chương trình của S7 – 200 3.4 Nguyên lý hoạt động

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắm ngõ rat đầu bằng gian đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng 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 bằng lệnh kết thúc (MEND) 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

Hình 3.6 - Chương trình thực hiện theo vòng quét (Scan) trong S7 – 200.

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc 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 ngắm ngõ rat, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra

4 Chuyển dữ liệu từ bộ

đệm ảo ra ngoại vi

3 Truyền thông và tự

kiểm tra lỗi

1 Nhập dữ liệu từ ngoại

vi vào bộ đệm ảo

2 Thực hiện chương trình

INT n chương trình xử lý ngắm ngõ rat thứ n+1

RET

INT 0 chương trình xử lý ngắm ngõ rat thứ nhất

RET

Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắm ngõ rat

Nếu sử dụng các chế độ xử lý ngắm ngõ rat, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắm ngõ rat được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình xử lý ngắm ngõ rat chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắm ngõ rat

và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắm ngõ ran, một vòng quét đơn (Single Scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắm ngõ ran còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý

có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành “là các hệ thống cơ khí nên

có tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắm ngõ rac phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được

áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

3.5 Ngôn ngữ lập trình

Ngôn ngữ lập trình là cách sử dụng lệnh để viết chương trình cho PLC

Có 2 vấn đề cần quan tâm khi viết chương trình cho PLC S7-200:

Chọn loại tập lệnh nào: SIMATIC hay IEC

Chọn ngôn ngữ lập trình nào: STL, LAD, FBD

Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của Siemens nói chung dựa trên ba phương pháp lập trình cơ bản: Phương pháp hình thang (Ladder Logic