- Cảm biến mức
a. Chạy chương trỡnh
PL2.2 PLC S7-
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trỡnh (lập trỡnh được) loại nhỏ của hóng Siemens (CHLB Đức). Thiết bị này cho phộp thực hiện linh hoạt cỏc thuật toỏn điều khiển số thụng qua một ngụn ngữ lập trỡnh, thay cho việc phải thể hiện thuật toỏn bằng mạch số. Với chương trỡnh điều khiển bờn trong, PLC trở thành một bộđiều khiển số nhỏ
gọn, dễ thay đổi thuật toỏn và đặc biệt dễ trao đổi thụng tin với mụi trường xung quanh (cỏc PLC khỏc hoặc mỏy tớnh). Để tăng tớnh mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đú phần lớn cỏc đối tượng điều khiển cú số tớn hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tớn hiệu vào/ra khỏc nhau mà cỏc bộđiều khiển PLC được thiết kế khụng bị cứng hoỏ về cấu hỡnh. Chỳng được chia nhỏ thành cỏc mụ đun. Số cỏc mụ đun dược sử dụng nhiều hay ớt tuỳ theo từng bài toỏn, dự ỏn cụ thể, song tối thiểu bao giờ cũng phải cú một mụ đun chớnh là mụ đun CPU. Cỏc mụ đun cũn lại là cỏc mụ đun nhận truyền tớn hiệu với đối tượng điều khiển, cỏc mụ đun chức năng chuyờn dụng như PID, điều khiển động cơ... cỏc mụ đun này được gọi chung là mụđun mở rộng. Cụ thể, cấu trỳc của một bộ PLC S7-200 cú thể gồm cỏc mụ đun sau:
+ Mụ đun nguồn PS (Power Supply). + Mụ đun CPU (Central Processing Unit).
+ Cỏc mụ đun tớn hiệu SM (Signal Module) cú chức năng mở rộng số cổng tớn hiệu vào/ra.
+ Cỏc mụ đun chức năng FM (Function Module) phục vụ cho cỏc điều khiển chuyờn dụng.
+ Cỏc mụ đun ghộp nối IM (Interface Module). Đõy là loại mụ đun chuyờn dụng cú nhiệm vụ nối từng nhúm cỏc mụ đun mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một mụ đun CPU.
+ Mụ đun truyền thụng (Communicate Module) phục vụ cho việc truyền thụng trong mạng được sử dụng để ghộp nối giữa cỏc PLC với nhau hoặc giữa PLC với mỏy tớnh.
Hỡnh 5.1: Bộđiều khiển lập trỡnh được S7-214
CPU224 CPU224XP CPU226 Hỡnh5.1: Một số mụ đun họ S7-22x
a. Cấu trỳc chung
Cũng như cỏc bộ PLC khỏc, PLC S7-200 cú cỏc thành phần chớnh là bộ xử lý trung tõm (Central Processing Unit) với bộ vi xử lý, cỏc bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trỡnh , cỏc giao diện vào/ ra (I/O Modules), hệ thống Bus (Bus System) và khối nguồn cấp
điện (Power Supply).
Hỡnh 5.2 minh hoạ cỏc thành phần chức năng chớnh của một bộ điều khiển lập trỡnh
được và quan hệ tương tỏc giữa chỳng.
Bộ xử lý trung tõm bao gồm một hoặc nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trỡnh, bộ nhớ
làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết bị lập trỡnh, được liờn kết với nhau thụng qua một hệ thống bus nội bộ. Nhiệm vụ chớnh của CPU là quản lý cỏc cổng vào ra, xử lý thụng tin, thực hiện cỏc thuật toỏn điều khiển. Bộ nhớ chương trỡnh thường cú dạng EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) hoặc EFPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa hệđiều hành và mó chương trỡnh
ứng dụng. Dữ liệu vào/ ra cũng như dữ liệu tớnh toỏn khỏc được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Acess Memory). Đồng hồ nhịp cú vai trũ tạo ngắt cứng để điều khiển chương trỡnh theo chu kỳ, thụng thường trong khoảng từ 0,01giõy tới 1000 phỳt.
Cỏc thành phần vào/ ra (Input/Ouput, I/O) đúng vai trũ là giao diện giữa CPU và qỳa trỡnh kỹ thuật. Nhiệm vụ của chỳng là chuyển đổi, thớch ứng tớn hiệu và cỏch điện giữa cỏc thiết bị ngoại vi (cỏc cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU. Cỏc thành phần vào/ra
được liờn kết với CPU thụng qua một hệ thống bus.
Hệ thống Bus (System Bus) là tuyến để truyền cỏc tớn hiệu gồm nhiều đường tớn hiệu song song:
- Tuyến địa chỉ (Address Bus) dựng để chọn địa chỉ trờn cỏc khối khỏc nhau. - Tuyến dữ liệu (Data Bus): mang dữ liệu.
- Tuyến điều khiển (Control Bus): truyền cỏc tớn hiệu điều khiển dựng để đồng bộ cỏc hoạt động trong PLC.
Bộ cung cấp nguồn (Power Supply, PS) cú vai trũ biến đổi và ổn định nguồn nuụi (thụng thường 5V cho CPU) và cỏc thành phần chức năng khỏc từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V,...) hoặc một chiều (12V, 24V,...).
Bờn cạnh cỏc thành phần chớnh nờu trờn, một hệ thống PLC cú thể cú cỏc thành phần chức năng khỏc như ghộp nối mở rộng, điều khiển chuyờn dụng và xử lý truyền thụng.
Hỡnh 5.2: Cỏc thành phần chức năng chớnh của một PLC
b. Cỏc khối chức năng phần cứng - Mụ đun CPU
CPU của S7-200 bao gồm: CPU212, CPU214, CPU215, CPU216, CPU222, CPU224, CPU226, CPU216XM. Ký hiệu loại CPU được thể hiện bờn ngoài nhón mỏc.
Hiện nay, trờn thị trường thiết bị điều khiển, CPU22x phổ biến, cũn loại CPU21x rất ớt hoặc hầu như khụng cú nữa.
+ CPU 214 cú 14 tiếp điểm vào và 10 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng tới 7 mụ
đun mở rộng.
+ CPU 215 cú 14 tiếp điểm vào và 10 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng tới 7 mụ
đun mở rộng.
+ CPU 216 cú 24 tiếp điểm vào và 16 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng tới 7 mụ
đun mở rộng, tớch hợp chức năng điều khiển tỉ lệ, vi, tớch phõn (PID).
+ CPU 224 cú 14 tiếp điểm vào và 10 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng tới 7 mụ
đun mở rộng (168I/O) tớch hợp chức năng điều khiển PID.
+ CPU 224XP cú 14 tiếp điểm vào và 10 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng 7 mụ
đun mở rộng (168I/O), tớch hợp chức năng điều khiển PID, tớch hợp thờm 2 đầu vào tương tự, 1 đầu ra tương tự trờn CPU.
+ CPU 226 cú 24 tiếp điểm vào và 16 tiếp điểm ra và cú khả năng mở rộng tới 7 mụ
đun mở rộng (248I/O), tớch hợp chức năng điều khiển PID.
Cỏc CPU 22x (từ CPU 221 đến CPU 226XM) cú thờm 8 vũng điều khiển PID, cú khả năng mở rộng tới 256 tiếp điểm vào/ ra.
Hỡnh sau chỉ ra cỏc phần tửđiều khiển và hiển thị của CPU 214:
Hỡnh 5.3: Mụ tả cỏc phần tử trờn CPU 214 - Cỏc Mụ đun vào/ra mở rộng
Cỏc CPU 22x cho phộp mở rộng nhiều nhất 7 mụ đun và cỏc CPU214, CPU 215, CPU216 nhiều nhất 7 mụ đun. Cỏc mụ đun mở rộng tương tự và số đều cú trong S7 -
Cỏc tiếp điểm à Cỏc tiếp điểm ra Cổng truyền thụng Ký hiệu CPU Đốn trạng thỏi Chọn chếđộ
200. Cú thể mở rộng cổng vào ra của PLC bằng cỏch ghộp nối thờm vào nú cỏc mụđun mở rộng về phớa bờn phải của CPU.
+ Mụ đun vào/ra số (Digital Module):
Mụ đun vào số (DI Module) chứa cỏc đầu vào số dựng cho PLC S7-200. Cỏc sensor số cú thể được nối với PLC S7-200 thụng qua mụ đun này. Mụ đun vào số chuyển đổi mức tớn hiệu sốđược truyền từ hệ thống bờn ngoài thành mức tớn hiệu bờn trong PLC S7- 200.
Mụ đun ra số (DO Module) chứa cỏc đầu ra số dựng cho PLC S7-200. Cỏc cơ cấu chấp hành số cú thể được nối với PLC S7-200 thụng qua mụ đun này. Mụ đun ra số
chuyển đổi mức tớn hiệu số bờn trong PLC S7-200 thành mức tớn hiệu số cần cho hệ
thống bờn ngoài.
+ Mụ đun tương tự (Analog Module):
Cỏc mụ đun mở rộng vào/ra tương tự chuyển đổi dữ liệu đầu vào tương tự sang
giỏ trị số. Giỏ trị số phụ thuộc vào dải tớn hiệu đầu vào (0 đến 5 VDC, 1 đến 5 VDC, 0
đến 10VDC, -10 đến 10 VDC, 0 đến 4mA hoặc 4 đến 20 mA). Cỏc dữ liệu đầu ra số thỡ
được chuyển đổi sang cỏc giỏ trị tương tự (1 đến 5 VDC, 0 đến 10VDC, -10 đến 10 VDC, 0 đến 4mA hoặc 4 đến 20 mA).
c. Cấu trỳc bộ nhớ S7-200 - Phõn chia bộ nhớ
Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vựng với một tụ cú nhiệm vụ duy trỡ dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn.
Hỡnh 5.5: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200
Vựng chương trỡnh: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ cỏc lệnh chương trỡnh. Ngụn ngữ lập chương trỡnh cho PLC là ngụn ngữ đồ thị hỡnh thang (LAD) hoặc danh sỏch lệnh (STL). Chương trỡnh được lưu giữ trong bộ nhớ Non - valatile đọc/ ghi do đú khụng bị ảnh hưởng khi mất nguồn. Khi muốn thay đổi vựng chương trỡnh thỡ phải sử
dụng một dụng cụ nạp chương trỡnh. Chương trỡnh cú thể được chia ra làm hai phần: Chương trỡnh “chớnh” thực hiện theo chu kỳ và “ chương trỡnh ngắt” chỉ hoạt động khi cú phỏt sinh ngắt tương ứng.
Vựng tham số: là miền lưu giữ cỏc tham số như: từ khoỏ, địa chỉ trạm...
Vựng dữ liệu: được sử dụng để cất cỏc dữ liệu của chương trỡnh bao gồm cỏc kết quả
của phộp tớnh, hằng sốđược định nghĩa trong chương trỡnh, bộđệm truyền thụng.
Vựng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và cỏc cổng vào/ra tương tự đặt trong vựng nhớ cuối cựng.
Vựng chương trỡnh, vựng tham số và một phần dữ liệu được lưu giữ trong EEPROM của CPU.
- Vựng dữ liệu
Vựng dữ liệu là một miền nhớ động. Nú cú thể được truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từđơn hoặc theo từng từ kộp và được sử dụng để làm miền lưu trữ dữ liệu cho cỏc thuật toỏn, cỏc hàm truyền thụng, lập bảng, cỏc hàm dịch chuyển, xoay vũng thanh ghi, con trỏđịa chỉ...
Vựng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với cỏc cụng dụng khỏc nhau, Chỳng được ký hiệu bằng cỏc chữ cỏi tiếng Anh, đặc trưng cho cụng dụng riờng của chỳng như sau:
L - Local memory (miền nhớ nội bộ)
V - Variable memory (miền nhớ thay đổi được) I - Input image register (thanh ghi đệm cổng vào)
O - Output image register (thanh ghi đệm cổng ra) M - Bit memory (cỏc bớt nhớ nội)
SM - Special memory bits (cỏc bớt nhớđặc biệt)
Tất cả cỏc miền này đều cú thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hoặc từng từ kộp (double word).
Hỡnh sau mụ tả vựng dữ liệu của CPU 224 và CPU 214
CPU 214 7 6 5 4 3 2 1 0 V0 V4095 I0.x (x=0ữ7 ) I7.x (x=0ữ7 ) Q0.x (x=0ữ7 ) Q7.x (x=0ữ7 ) SM0.x (x=0ữ7 ) SM29.x(x=0ữ7) SM30.x (x=0ữ7) SM85.x (x=0ữ7) M0.x (x=0ữ7 ) M31.x (x=0ữ7 ) CPU 224 7 6 5 4 3 2 1 0 V0 V5119 I0.x (x=0ữ7 ) I15.x (x=0ữ7 ) Q0.x (x=0ữ7 ) Q15.x (x=0ữ7 ) SM0.x (x=0ữ7 ) SM29.x (x=0ữ7) ) SM30.x (x=0ữ7) SM549.x (x=0ữ7) M0.x (x=0ữ7 ) M31.x (x=0ữ7 ) Miền V(đọc/ ghi) Vựng đệm cổng vào (I) (đọc/ghi) Vựng đệm cổng ra (Q) (đọc/ghi) Vựng nhớ nội (M)(đọc/ghi) Vựng nhớđặc biệt (SM) (chỉđọc) Vựng nhớđặc biệt (SM) (đọc/ghi)
d. Phần mềm Microwin32 - Cài đặt phần mềm
Microwin32 là phần mềm lập trỡnh cho S7-200, với chức năng như sau: + Khai bỏo cấu hỡnh cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic.
+ Xõy dựng cấu hỡnh mạng gồm nhiều trạm PLC S7-200 cũng như thủ tục truyền thụng giữa chỳng.
+ Soạn thảo và cài đặt chương trỡnh điều khiển cho một hoặc nhiều trạm.
+ Quan sỏt việc thực hiện chương trỡnh điều khiển trong một trạm PLC và gỡ rối chương trỡnh.
Ngoài ra Microwin32 cũn cú cả một thư viện đầy đủ với cỏc hàm chuẩn hữu ớch, phần trợ giỳp online rất mạnh cú khả năng trả lời mọi cõu hỏi của người sử dụng về cỏch sử dụng, về cỳ phỏp lệnh trong lập trỡnh, về xõy dựng cấu hỡnh cứng của một trạm cũng như của một mạng gồm nhiều trạm PLC.
Cỏc bước cài đặt phần mềm Microwin32 như sau: Cho đĩa CD Microwin32 vào ổ đĩa CD (hoặc cú thể copy phiờn phản này vào ổ cứng của mỏy tớnh, từ đú cài đặt ra). Nhấn đỳp phớm trỏi chuột vào tệp Setup.exe. Quỏ trỡnh cài đặt bắt đầu được thực hiện.
- Cỏc khối chức năng trờn giao diện PLC
Sau khi cài đặt xong STEP7, trờn màn hỡnh (desktop) sẽ xuất hiện biểu tượng (icon) của nú như hỡnh bờn. Đồng thời trong Menu Start
của Windows cũng cú thư mục Simatic với tất cả cỏc tờn của cỏc thành phần
liờn quan, từ cỏc phần mềm trợ giỳp đến cỏc phần mềm đặt cấu hỡnh, chếđộ làm việc của Step7.
Ngay sau khi STEP7 vừa được cài đặt xong, bằng cỏch mở đối tượng ta được màn hỡnh chớnh của STEP 7. Màn hỡnh này cú dạng như sau:
Thanh trạng thỏi Thanh tiờuđề
Thanh thựcđơn
Thanh cụng cụ
Mụ tả cỏc khối chức năng trờn giao diện phần mềm PLC:
+ Thanh tiờu đề :gồm cửa sổ và cỏc nỳt điều khiển cửa sổ (đúng, mở cửa sổ) + Thanh thực đơn: gồm cỏc danh mục cho cửa sổđang mở:
+ Thanh cụng cụ: gồm cỏc thao tỏc thường dựng nhất dưới dạng ký hiệu
- Thực hiện chương trỡnh
PLC thực hiện chương trỡnh theo chu trỡnh lặp. Mỗi vũng lặp được gọi là vũng quột (scan). Mỗi vũng quột được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ cỏc cổng vào vựng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trỡnh. Trong từng vũng quột, chương trỡnh được thực hiện bằng lệnh đầu tiờn và kết thỳc bằng lệnh kết thỳc (MEND). Sau giai
đoạn thực hiện chương trỡnh là giai đoạn truyền thụng nội bộ và kiểm lỗi. Vũng quột
được kết thỳc bằng giai đoạn chuyển cỏc nội dung của bộđệm ảo tới cỏc cổng ra
+ Nhập dữ liệu vào:
Ngay tại đầu vũng quột, cỏc dữ liệu tại cổng vào số đó được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input register). Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào thụng thường lệnh khụng làm việc trực tiếp với cổng vào số mà chỉ thụng qua bộ đệm ảo của cổng trong vựng nhớ tham số.
CPU khụng thể tự động truy nhập dữ liệu tại cỏc cổng vào tương tự, mà truy nhập trực tiếp bằng lệnh vào của chương trỡnh.
Trong mỗi vũng quột, chương trỡnh được thực hiện bằng lệnh đầu tiờn và kết thỳc bằng lệnh cuối cựng. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thỡ hệ thống sẽ cho dừng mọi cụng việc khỏc ngay cả chương trỡnh xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cỏch trực tiếp với cổng vào ra.
Nếu sử dụng cỏc chếđộ ngắt, chương trỡnh con tương ứng với từng tớn hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trỡnh. Chương trỡnh xử lý ngắt chỉđược thực hiện trong vũng quột khi xuất hiện tớn hiệu bỏo ngắt và cú thể xẩy ra ở bất cứ thời
điểm nào trong vũng quột.
+ Truyền thụng và kiểm tra lỗi:
Việc truyền thụng giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong cỏc giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý.
Trong suốt giai đoạn này của mỗi vũng quột, CPU sẽ kiểm tra chương trỡnh, bộ nhớ
chương trỡnh cũng như trạng thỏi của cỏc mụ đun vào ra
+ Chuyển dữ liệu ra ngoài:
Cuối mỗi vũng quột nội dung của bộđệm ra số (process image output register) lại
được CPU chuyển tới cổng số. Tương tự CPU khụng làm việc trực tiếp với cổng ra số
mà cũng chỉ thụng qua bộ đệm ảo, nhưng việc truy nhập cổng ra tương tự lại được CPU thực hiện trực tiếp.
- Cỏc chếđộ hoạt động
CPU của bộđiều khiển lập trỡnh S7-200 cú hai chếđộ hoạt động STOP và RUN. Chế độ STOP: chương trỡnh khụng thể thực hiện ở chếđộ này. Chế độ này được dựng để thực hiện cỏc bước chuẩn bị cho việc thực hiện chương trỡnh như: viết, nạp hay kiểm tra chương trỡnh hoặc đặt cỏc thụng số hoạt động cho CPU.
Chế độ RUN: Chương trỡnh được chạy ở chế độ này. Ta khụng thể tiến hành cỏc bước hoạt động như viết, nạp chương trỡnh hay thay đổi cỏc giỏ trị đặt nhưng vẫn cú thể
theo dừi được tỡnh trạng cỏc bit vào ra.
- Tổ chức chương trỡnh
Tất cả chương trỡnh của S7-200 phải cố định theo cỏch tổ chức thõn chương trỡnh chớnh và sau đú là cỏc chương trỡnh con và cỏc thủ tục ngắt như sau:
+ Chương trỡnh chớnh được gọi một lần trong mỗi vũng quột và kết thỳc bởi lệnh kết thỳc MEND.
+ Chương trỡnh con là một bộ phận của chương trỡnh, được thực hiện khi được gọi từ chương trỡnh chớnh. Cỏc chương trỡnh con phải được viết sau lệnh kết thỳc chương trỡnh chớnh đú là lệnh MEND. Sử dụng lệnh RET để thoỏt khỏi chương trỡnh con.
+ Thủ tục ngắt cũng là một bộ phận của chương trỡnh được thực hiện theo sự
xuất hiện ngắt. Nếu sử dụng thủ tục ngắt phải theo sau sự kết thỳc của chương trỡnh chớnh. Lệnh RETI được sử dụng để thoỏt khỏi chương trỡnh xử lý ngắt và trả điều khiển về chương trỡnh chớnh.
Nhúm tất cả cỏc chương trỡnh con với nhau theo sau chương trỡnh chớnh và cỏc chương trỡnh ngắt theo sau chương trỡnh con, ta cú một cấu trỳc chương trỡnh dễ dàng đọc và hiểu. Cú thể tự do trộn lẫn cỏc chương trỡnh con và chương trỡnh xử lý ngắt đằng sau chương trỡnh chớnh.
PL2.3. Chương trỡnh điều khiển bằng PLC
- Chương trỡnh điều khiển hệ thống bơm chỡm bằng PLC-1