1.2.1. Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7 – 300
Thiết bị PLC Simatic S7-300 đƣợc thiết kế theo kiểu modul. Số các modul đƣợc sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào từng yêu cầu công nghệ, song tối thiểu bao giờ cũng có một loại modul chính là các modul CPU, các modul còn lại là các modul truyền nhận tín hiệu đối với đối tƣợng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng nhu PID, điều khiển động cơ, chúng đƣợc gọi chung là modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc modul rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dể dàng cho việc mở rộng hệ thống.
Hình 2.2: PLC Simatic S7 – 300
* Modul nguồn nuôi của PLC S7 – 300
Có 3 loại modul nguồn nuôi 2A, 5A và 10A. Ở đây đang xét đến loại modul PS307 2A có nhiệm vụ chuyển nguồn xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các modul khác của khối PLC. Ngoài ra modul nguồn còn có
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 115
nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các sensor và các thiết bị truyền động kết nối với PLC. Dòng tiêu thụ của các phân tử PLC phải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải.
Hình 2.3: Modul nguồn của S7 – 300
* Khối xử lí trung tâm – Modul CPU
Là modul có chứa bộ VXL, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (chuẩn truyền RS485) và có thể có một vài cổng vào/ra số (digital). Các cổng vào/ra có trên modul CPU đƣợc gọi là cổng vào/ra onboard.
Trong PLC S7 – 300 có nhiều loại modul CPU khác nhau, đƣợc đặt tên theo bộ VXL có trong nó nhƣ: CPU 312, CPU 314, CPU 315,… Những modul cùng sử dụng một loại bộ VXL, nhƣng khác nhau về onboard cũng nhƣ các khối làm việc đặc biệt, đƣợc tích hợp sẵn trong thƣ viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ đƣợc phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergate Function Modul) ví dụ CPU 312IM, CPU 314FM,…
Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là việc phục vụ nối mạng phân tán. Tất nhiên đƣợc cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại modul CPU này đƣợc phân biệt với các CPU khác bằng cách thêm cụm từ DP trong tên gọi. Ví dụ CPU 315 – DP.
* Modul mở rộng
Các modul mở rộng đƣợc chia làm 5 loại chính:
PS (Power Supply) là modul nguồn nuôi. Loại modul này có 3 loại, loại 2A, 5A và 10A
SM là loại modul mở rộng tín hiệu vào/ra, bao gồm modul mở rộng cổng vào số (DI); modul mở rộng cổng ra số (DO); modul mở rộng các cổng vào/ra số (DI/DO); modul mở rộng các cổng vào tƣơng tự (AI); modul mở rộng các cổng ra tƣơng tự (AO); modul mở rộng các cổng vào/ra tƣơng tự (AI/AO)
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 116
IM (Interface Modul) là loại modul ghép nối chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và đƣợc quản lý chung bởi một modul CPU. Thông thƣờng mở rộng đƣợc gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là Rack. Trên mỗi thanh Rack chỉ có thể gá đƣợc nhiều nhất 8 modul mở rộng. Một modul CPU S7 – 300 có thể làm việc trực tiếp đƣợc với nhiều nhất là 4 Rack và các Rack này phải đƣợc nối với nhau bằng modul IM.
FM (Function Modul) là loại modul có chức năng điều khiển riêng, ví dụ modul chức năng điều khiển động cơ bƣớc, modul điều khiển động cơ Servo, modul PID,…
CP (Communication Modul) là modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
1.2.2. Kiểu dữ liệu và cấu trúc bộ nhớ của hệ thống PLC S7 – 300 * Cấu trúc trúc bộ nhớ của hệ thống PLC S7 – 300
CPU S7 300 Có 3 vùng nhớ cơ bản:
Các vùng chứa chương trình ứng dụng:
OB (Organisation Block): miền chứa chƣơng trình tổ chức. FC (Function): miền chứa chƣơng trình con.
FB (Function Block) miền chứa chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm. Vùng chứa tham số của hệ điều hành và các chƣơng trình ứng dụng đƣợc chia thành 7 miền khác nhau:
I (Process Input Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Q (Process Output Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số.
M: Miền các biến cờ. Chƣơng trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lƣu trữ các tham số cần thiết.
T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ định thời bao gồm việc lƣu trữ các giá trị thời gian đặt trƣớc (PV-Preset Value), giá trị đệm thời gian tức thời (CV-Current
Value) cũng nhƣ giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đệm bao gồm việc lƣu trữ giá trị đặt trƣớc (PV-Preset Value), giá trị đệm tức thời (CV-Current Value) và giá trị logic của bộ đệm.
PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tƣơng tự. PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tƣơng tự.
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 117
DB (Data block): miền chứa các dữ liệu đƣợc tổ chức thành khối. Kích thƣớc cũng nhƣ số lƣợng khối do ngƣời sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chƣơng trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).
L (Local Data block): miền dữ liệu địa phƣơng, đƣợc các khối chƣơng trình
OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biện pháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chƣơng trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền này sẽ bị xoá khi kết thúc hƣơng trình tƣơng ứng trong OB, FC, FB. Miền này Có thể truy nhập từ chƣơng trình theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).
* Kiểu dữ liệu
Trong một chƣơng trình có thể có các kiểu dữ liệu sau: BOOL: với dung lƣợng 1 bit và có giá trị là 0 hay 1. BYTE: gồm 8 bit, có giá trị nguyên dƣơng từ 0 đến 255. WORD: gồm 2 byte, có giá trị nguyên dƣơng từ 0 đến 65535.
INT: Có dung lƣợng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767.
DINT: gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147463846 đến 2147483647. REAL: gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động.
S5T: khoảng thời gian, đƣợc tính theo giờ/phút/giây/miligiây. TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây. DATE : biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày. CHAR: biểu diễn một hoặc nhiều kí tự (nhiều nhất là 4 kí tự).
1.2.3. Vòng quét chương trình của S7 300
PLC thực hiện chƣơng trình theo một chu trình lặp đƣợc gọi là vòng quét (scan). Một vòng lặp đƣợc gọi là một vòng quét. Có thể chia một chu trình thực hiện của S7- 300 ra làm 4 giai đoạn nhƣ hình dƣới.
Một điểm cần chú ý là tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thƣờng các lệnh không làm việc trực tiếp với các cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Chỉ khi gặp lệnh yêu cầu truy xuất các đầu vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng các công việc khác, ngay cả chƣơng trình xử lí ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với các cổng vào/ra. Các vòng quét nhanh, chậm phụ thuộc vào số lệnh trong chƣơng trình.
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 118
Nhƣ vậy việc đọc dữ liệu từ đối tƣợng để xử lý, tính toán và việc gữi tín hiệu điều khiển đến đối tƣợng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chƣơng trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chƣơng trình càng cao.
Nếu sử dụng các khối chƣơng trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ nhƣ khối OB40, QB80,... Chƣơng trình các khối đó sẽ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu cùng chủng loại.
Hình 2.4: Sơ đồ vòng quét chương trình PLC
1.2.4. Ngôn ngữ lập trình S7-300 * Nhóm hàm logic tiếp điểm
Hàm AND : Toán hạng là kiểu dữ liệu BOOL hay địa chỉ bit I,Q, M, T, C,
D
Hình 2.5: Khai báo hàm AND
Tín hiệu ra Q4.0 sẽ bằng 1 khi đồng thời tín hiệu I0.0=1 và I0.1=1.
Hàm OR : Toán hạng là kiểu dữ liệu BOOL hay địa chỉ bit I,Q, M, T, C,
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 119
Hình 2.6: Khai báo hàm OR
Tín hiệu ra sẽ bằng 1 khi ít nhất có một tín hiệu vào bằng 1.
Hàm NOT: tín hiệu ra sẽ là nghịch đảo của tín hiệu vào.
Hình 2.7: Khai báo hàm thực hiện chức năng phủ định.
Lệnh xoá RESET: Toán hạng là địa chỉ bit I, Q, M, T, C, D, L.
Hình 2.8: Khối thực hiện chức năng RESET
Tín hiệu ra Q4.0 = 0 (Q4.0 sẽ đƣợc xoá ) khi I0.0 =1 .
Lệnh SET: Toán hạng là địa chỉ bit I, Q, M, T, C, D, L.
Hình 2.9: Khối thực hiện chức năng SET.
Tín hiệu ra Q4.0 = 1 (Q4.0 sẽ đƣợc thiết lập ) khi I0.0 =1.
* Nhóm hàm so sánh:
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 120
Hình 2.10: Khối thực hiện chức năng so sánh bằng nhau
Có các dạng so sánh hai số nguyên 16 bits nhƣ sau :
• Hàm so sánh bằng nhau giữa hai số nguyên 16 bits: == • Hàm so sánh khác nhau giữa hai số nguyên 16 bits: <> • Hàm so sánh lớn hơn giữa hai số nguyên 16 bits: > • Hàm so sánh nhỏ hơn giữa hai số nguyên 16 bits: <
• Hàm so sánh lớn hơn hoặc bằng nhau giữa hai số nguyên 16 bits: >=
Nhóm hàm so sánh hai số nguyên 32 bits:
Hình 2.11: Khối thực hiện chức năng so sánh
Trong ví dụ trên đầu ra Q4.0 sẽ là "1" khi MD0 = MD4.
• Hàm so sánh bằng nhau giữa hai số nguyên 32 bits: == • Hàm so sánh khác nhau giữa hai số nguyên 32 bits: <> • Hàm so sánh lớn hơn giữa hai số nguyên 32 bits: > • Hàm so sánh nhỏ hơn giữa hai số nguyên 32 bits: <
• Hàm so sánh lớn hơn hoặc bằng nhau giữa hai số nguyên 32 bits: >= • Hàm so sánh nhỏ hơn hoặc bằng nhau giữa hai số nguyên 32 bits: <=
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 121
Hình 2.12: Khối thực hiện chức năng so sánh hai số thực.
Trong ví dụ trên đầu ra Q4.0 sẽ là "1" khi MD0 < MD1 . Các dạng so sánh hai số thực 32 bits nhƣ sau :
• Hàm so sánh bằng nhau giữa hai số thực 32 bits: == • Hàm so sánh khác nhau giữa hai số thực 32 bits: <> • Hàm so sánh lớn hơn giữa hai số thực 32 bits: > • Hàm so sánh nhỏ hơn giữa hai số thực 32 bits: <
• Hàm so sánh lớn hơn hoặc bằng nhau giữa hai số thực 32 bits: >= • Hàm so sánh nhỏ hơn hoặc bằng nhau giữa hai số thực 32bits: <=
* Nhóm hàm toán học:
Nhóm hàm làm việc với số nguyên 16 bits: Cộng hai số nguyên 16 bits
Hình 2.13: Khối thực hiện chức năng cộng hai số nguyên 16 bits.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện cộng hai số nguyên 16 bits MW0 với MW2. Kết quả đƣợc cất vào MW10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 122
Hình 2.14: Khối thực hiện chức năng trừ hai số nguyên 16 bits.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện trừ hai số nguyên 16 bits MW0 với MW2. Kết quả đƣợc cất vào MW10. Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Nhân hai số nguyên 16 bits
Hình 2.15: Khối thực hiện chức năng nhân hai số nguyên 16 bits.
Dữ liệu vào /ra: EN: bool ; IN1: int ; IN2: int ; OUT: int; ENO: bool
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.1 = và hàm sẽ thực hiện nhân hai số nguyên 16 bits MW0 với MW2. Kết quả đƣợc cất vào MW10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 123
Hình 2.16: Khối thực hiện chức năng chia hai số nguyên 16 bist.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện chia hai số nguyên 16 bits MW0 với MW2. Kết quả đƣợc cất vào MW10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Nhóm hàm làm việc với số nguyên 32 bits: Cộng hai số nguyên 32 bits
Dữ liệu vào/ra:
EN: BOOL; IN1: DINT IN2: DINT OUT: DINT ENO: BOOL
Hình 2.17: Khối thực hiện chức năng cộng hai số nguyên 16 bits.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện cộng hai số nguyên 32 bits MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 124
Hình 2.18: Khối thực hiện chức năng trừ hai số nguyên 16 bits.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện trừ hai số nguyên D16 bits MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MW10. Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Nhân hai số nguyên 32 bits
Hình 2.19: Khối thực hiện chức năng nhân hai số nguyên 32 bits.
Dữ liệu vào /ra: EN: bool IN1: Dint IN2: Dint OUT: Dint ENO: bool
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.1 = và hàm sẽ thực hiện nhân hai số nguyên 32 bits MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
+ Chia hai số nguyên 16 bits
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 125
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện chia hai số nguyên 32 bits MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Nhóm hàm làm việc với số thực: Cộng hai số thực
Dữ liệu vào/ra:
EN: BOOL; IN1: REAL; IN2: REAL; OUT: REAL; ENO: BOOL
Hình 2.21: Khối thực hiện chức năng cộng hai số thực.
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện cộng hai số thực MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Trừ hai số thực
Khoa Điện Lớp ĐH Điện A K3
Đồ án tốt nghiệp 126
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện trừ hai số thực MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10. Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Nhân hai số thực
Hình 2.23: Khối thực hiện chức năng nhân hai số thực
Dữ liệu vào /ra: EN: bool IN1: Dint IN2: Dint OUT: Dint ENO: bool
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.1 = và hàm sẽ thực hiện nhân hai số thực MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực hiện chức năng.
Chia hai số nguyên 16 bits
Hình 2.24: Khối thực hiện chức năng chia hai số thực
Khi tín hiệu vào I0.0 = 1 đầu ra Q4.0 = 1 và hàm sẽ thực hiện chia hai số thực MD0 với MD2. Kết quả đƣợc cất vào MD10.
Trong trƣờng hợp tín hiệu vào I0.0 = 0 đầu ra Q4.0 = 0 và hàm sẽ không thực