2. Tìm hiểu về PLC S7-200
2.1. Cấu hình cứng
Hình 3.1 trình bày những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển PLC :
(trang bên)
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
Hình 3.1 Các thành phần cơ bản của một bộ điều khiển PLC Bộ xử lý Thiết bị lập trình Nguồn cung cấp Giaodiện
đầu vào Giaodiện đầu ra
Bộ nhớ Tín hiệu vào Tín hiệu ra - Bộ vi xử lý. - Bộ nhớ. - Bộ nguồn.
- Giao diện đầu vào/ra. - Thiết bị lập trình.
* Bộ vi xử lý (Bộ xử lý trung tâm CPU )
Bộ xử lý thực hiện dịch tín hiệu vào theo các phép toán logic, số học và thực hiện các hoạt động điều khiển của toàn bộ thiết bị ra.
Bộ xử lý làm việc theo tuần tự từng bớc, đầu tiên các thông tin lu trữ trong bộ nhớ chơng trình đợc gọi lên tuần tự và đợc kiểm soát bởi bộ đếm chơng trình và chơng trình đợc thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu lại và thực hiện các phép tính toán rồi đa kết quả tới đầu ra.
Sự thao tác tuần tự của chơng trình dẫn đến một thời gian trễ, chu kỳ thời gian này đợc gọi là thời gian quét (scan), thời gian quét phụ thuộc vào dung l-
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
thuộc vào tốc độ xử lý của CPU.
Chu kỳ của một vòng quét trong PLC đợc trình bày nh hình 3.2.
Để đánh giá thời gian trễ của một chu kỳ ngời ta đo thời gian quét của một chơng trình có độ lớn là 1Kbyte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC, nhiều thiết bị thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc lớn hơn, nếu quá lớnphải có biện pháp xử lý.
- Bộ xử lý đơn bít thực hiện xử lý các tín hiệu theo kiểu đơn lẻ từng bít loại xử lý này có chậm nhng vẫn đợc dùng cho những trờng hợp giải quyết những bài toán đơn giản, không quá phức tạp.
- Ngoài đơn vị xử lý đơn bít còn có đơn vị xử lý nhiều bits (xử lý “từ ngữ”) loại này đạt đợc tốc độ cao vì nó không xử lý đơn lẻ từng bít mà xử lý nhiều bít nh 16 bít, 32 bít bộ xử lý này có cấu trúc phức tạp do đó có giá thành đắt.
* Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC 220V hoặc 110V (50ữ60Hz) thành điện áp thấp DC 5V hoặc 24V cho vi xử lý và cho các modul còn lại.
* Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình đợc sử dụng để lập các chơng trình điều khiển sau đó đợc nạp vào PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc có
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
56
Hình 3.2 Chu kỳ làm việc của PLC
Đưa dữ liệu tới ngoại vi
Truyền thông nội bộ Thực hiện chương trình
thể là thiết bị lập trình bằng tay, có thể là máy tính cá nhân có phần mềm đợc cài đặt trên đó.
Thiết bị lập trình cầm tay chỉ có thể dùng cho những bài toán đơn giản ngắn gọn, còn với những bài toán phức tạp và số lệnh là nhiều thì phải sử dụng những máy lập trình chuyên dụng hoặc có thể sử dụng phần mềm trên máy tính cá nhân để lập trình, chơng trình sau khi viết đợc nạp xuống PLC qua thiết bị ghép nối.
* Bộ nhớ
Bộ nhớ PLC thờng có các bộ nhớ nh RAM và ROM . có dung l… ợng tuỳ thuộc vào thiết kế riêng của từng loại PLC, bộ nhớ đợc chia thành các vùng cơ bản nh :
- Bộ nhớ điều hành:
Hệ điều hành thờng nằm trong vùng nhớ của ROM, do đợc phát triển bởi nhà sản xuất nên ít khi cần thay đổi, hệ điều hành là một chơng trình ngôn ngữ máy đặc biệt để chạy PLC, nó chỉ dẫn cho vi xử lý đọc và hiểu các lệnh, các biểu tợng do ngời sử dụng lập trình, theo dõi mọi trạng thái vào/ra và duy trì giám sát các trạng thái hiện tại của hệ thống.
- Bộ nhớ hệ thống
Khi hệ điều hành thực hiện nhiệm vụ của mình thờng cần một số vùng để lu giữ kết quả và thông tin trung gian, do đó một phần của bộ nhớ RAM đợc dùng cho mục đích này.
- Bộ nhớ đệm vào/ra
CPU không lấy dữ liệu trực tiếp từ đầu vào thiết bị đầu vào cũng nh không đa kết quả đến trực tiếp thiết bị đầu ra ngoại vi, mà nó sẽ đa các tín hiệu đó đến các bộ đệm vào/ra.
- Bộ nhớ chơng trình
Vùng nhớ này dùng để chứa chơng trình ứng dụng, đây là vùng nhớ mà hệ điều hành sẽ chỉ cho CPU đọc và thực hiện các lệnh của chơng trình, vùng bộ nhớ chơng trình nằm trong RAM. Đặc điểm của bộ nhớ RAM là nội dung bộ nhớ thay đổi nhanh, nội dung bộ nhớ sẽ bị xoá khi có lỗi của nguồn cung cấp
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
RAM với thời gian duy trì tuỳ từng loại.
* Giao diện vào/ra
Giao diện vào/ra là nơi để thu nhận tín hiệu vào ,tín hiệu vào có thể từ các công tắc tơ ,bộ cảm biến nhiệt độ, tế bào quang điện Tín hiệu ra để cung… cấp cho cuộn dây công tắc tơ, rơ le, bóng đèn,động cơ công suất nhỏ một chiều.
Hình 3.3 Các tín hiệu vào/ra của PLC
Mỗi tín hiệu vào ra đều có một địa chỉ duy nhất. Các kênh vào/ra đều có chức năng cách ly và điều hoà tín hiệu, do đó các tín hiệu vào/ra có thể đợc nối trực tiếp không cần các mạch phụ trợ. Tín hiệu vào thờng đợc ghép cách ly quang nh hình 3.4a:
Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn thờng là: 5v, 110v, 220v và PLC cỡ nhỏ thờng là 24v.
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
58 Nút bấm và công tắc PLC Van động cơ Đèn Cuộn hút Chuyển mạch công tắc hành trình Tham số điều khiển nh nhiệt độ, áp suất Tín hiệu báo động
Hình 3.4 Các phương pháp ghép nối giữa PLC với thế giới bên ngoài
Tín hiệu vào Tín hiệu đến
CPU Ghép nối quang Diode bảo vệ Mạch phân áp a) PLC Tín hiệu ra Rơle PLC b) Cầu chì Tín hiệu ra Ghép nối quang PLC c)
Tín hiệu ra cũng đợc ghép cách ly đối với mạch ra thờng có hai kiểu ghép cách ly nh hình 3.4b,c
Tín hiệu vào/ra có thể chuyển mạch 24v, 100mA hoặc đến 100v, 1A thậm chí có loại 240v, với các PLC cỡ lớn thì dải tín hiệu ra có thể thay đổi dựa vào việc chọn các module vào/ra khác nhau.
- Các thiết bị vào/ra thờng gặp.
•Các thiết bị vào.
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
59
•Các thiết bị ra thờng gặp.
1.2.2 Cấu tạo chung của PLC
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
60
Hình 3.8 Cấu trúc chung của PLC kiểu hộp đơn Công tắc nút bấm sensor nhiệt độ Mạch ghép nối
PLC
Đầu vào
Đầu ra Cuộn hút Đèn chỉ thị Van Mạch phối ghép
Cấu tạo của PLC thờng có 2 kiểu cơ bản là: kiểu hộp đơn và kiểu module ghép nối.
- Để tăng tính mềm dẻo trong trong ứng dụng thực tế và để bộ PLC không bị cứng hoá về cấu hình ngời ta chế tạo thành các module và ghép nối chúng lại với nhau theo yêu cầu cụ thể gọi là kiểu module ghép nối.
Hình 3.7 Cấu trúc PLC kiểu modu
- Kiểu hộp đơn thờng dùng cho các PLC cỡ nhỏ và đợc cung cấp dới dạng
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
61
Nguồn CPU IM SM SM SM SM SM CP FM FM
hộp đơn vẫn có thể ghép nối thêm các module.
1.3. Lập trình cho PLC
1.3.1 Khái niệm
Việc sử dụng PLC một cách kinh tế là do sự chuyển đổi bằng lập trình, khi trang bị một bộ PLC thì đồng thời phải trang bị một thiết bị lập trình cho nó. tuy nhiên ngày nay ngời ta có thể lập trình bằng phần mềm trên máy tính, sau đó chuyển sang PLC bằng mạch ghép nối riêng.
Sự khác nhau chính giữa bộ điều khiển PLC và công nghệ rơle hoặc bán dẫn ở chỗ kỹ thuật nhập chơng trình vào bộ điều khiển nh thế nào và nó đợc thể hiện nh sau.
PLC
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
62
Hình 3.9 Trình tự thiết kế một chương trình điều khiển PLC Biểu đồ
chức năng
Biểu đồ thời gian
Cán bộ kỹ thuật
Biểu đồ công tắc Biểu đồ bán dẫn Biểu đồ dãy
Tủ điều khiển Bộ lập trình Máy vi tính
Trong điều khiển rơle thì bộ điều khiển chuyển đổi bao gồm những modul cá thể phù hợp với chơng trình mạch đợc kiểm soát bằng tay thông qua việc nối dây, ngời ta gọi là điều khiển cứng . Trái lại với PLC việc nhập một dãy điều khiển đợc thực hiện thông qua panel lập trình và một ngoại vi chơng trình.
Để lập trình ngời ta có thể sử dụng những mô hình sau: - Mô hình khuôn khổ dãy.
- Mô hình khuôn khổ chức năng.
- Mô hình biểu đồ nối dây hoặc biểu đồ mạch chức năng. - Mô hình khuôn khổ logic.
Việc lựa chọn mô hình nào trong 4 mô hình trên cho thích hợp là tuỳ thuộc vào loại PLC, điều quan trọng là lựa chọn loại PLC nào cho phù hợp với từng bài toán cụ thể để giảm bớt chi phí. Đa số thiết bị lu hành hiện nay dùng mô hình khuôn khổ dãy hoặc biểu đồ nối dây, những thiết bị hiện đại thì cho phép ngời dùng chuyển đổi từ phơng pháp lập trình này sang phơng pháp lập trình khác.
Phơng pháp lập trình theo mô hình biểu đồ nối dây có cách thể hiện gần giống mạch role công tắc tơ, nhng với những ngời đã có sẵn hiểu biết cơ bản về ngôn ngữ lập trình phát hiện đợc rằng sẽ dễ dàng hơn nếu dùng mô hình dãy.
1.3.2 Các phơng pháp lập trình
Từ các cách mô tả hệ tự động kể trên các nhà chế tạo PLC đã soạn thảo ra các phơng pháp lập trình khác nhau, các phơng pháp lập trình đều đợc thiết kế sao cho đơn giản, gần với cách mô tả đã đợc biết đến.
Nói chung có 3 phơng pháp lập trình cơ bản là: - Phơng pháp biểu đồ bậc thang LAD (Ladder logic). - Phơng pháp liệt kê lệnh STL (Statement list).
-Phơng pháp lu đồ điều khiển CSF (Control System Flowchart). Cấu trúc lệnh:
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
viết khác nhau.
00 A I 0.1 1 2 3
4 5
1: Là địa chỉ tơng đối của lệnh (khi lập trình thiết bị lập trình thờng tự đa ra ).
2: Phần lệnh là công việc mà PLC phải thực hiện.
3: Đối tợng lệnh là phần mà lệnh tác động theo yêu cầu điều khiển, trong đối tợng lệnh lại có 2 phần là:
4: Loại đối tợng, nh tín hiệu vào, ra, cờ, rơle nội…
5: Tham số của đối tợng để xác định cụ thể đối tợng, cách ghi tham số phụ thuộc vào từng loại PLC khác nhau.
Ký hiệu thờng có trong mỗi câu lệnh: Các ký hiệu trong lệnh, qui ớc cách viết với mỗi quốc gia có khác nhau, thậm chí mỗi hãng, mỗi thời chế tạo của hãng có thể có các ký hiệu riêng, cách ghi của một số quốc gia là:
* Mỹ: + Ký hiệu đầu vào là I (In), đầu ra là Q (out tránh nhầm O là không).
+ Các lệnh viết gần đủ tiếng Anh ví dụ ra là out. + Lệnh ra (gán) là out.
+ Tham số của lệnh dùng cơ số 10. + Phía trớc đối tợng lệnh có dấu % .
+ Giữa các số của tham số không có dấu chấm.
Ví dụ: AND% I09; out%Q10.
* Nhật: + Đầu vào ký hiệu là X, đầu ra ký hiệu là Y. + Các lệnh hầu nh đợc viết tắt từ tiếng anh. + Lệnh ra (gán) là out.
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
+ Tham số của lệnh dùng cơ số 8. + Giữa các tham số không có dấu chấm.
Ví dụ: A X 10; out Y 07
• Tây đức
+ Đầu vào ký hiệu là I, đầu ra ký hiệu là Q. + Các lệnh hầu nh đợc viết tắt từ tiếng Anh. + Lệnh ra (gán) là =
+ Tham số của lệnh dùng cơ số 8.
+ Giữa các số của tham số có dấu chấm để phân biệt khe và kênh.
Ví dụ: A I 1.0 = Q 0.7
Ngoài các ký hiệu nh trên thì mỗi hãng còn có các ký hiệu riêng, có bộ lệnh riêng, ngay cùng một hãng ở các thời chế tạo khác nhau cũng có đặc điểm khác nhau với bộ lệnh khác nhau. Do đó, khi sử dụng PLC thì mỗi loại PLC ngời lập trình phải tìm hiểu cụ thể phơng pháp sử dụng của loại PLC đó.
* Phơng pháp STL
Đây là phơng pháp lập trình thông thờng của máy tính, một chơng trình đ- ợc ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, các lệnh đợc liệt kê thứ tự, để phân biệt các đoạn chơng trình ngời ta dùng mã nhớ, khởi đầu mỗi đoạn ngời ta dùng lệnh khởi đầu nh LD, L, A, O.
Kết thúc mỗi đoạn thờng là lệnh gán cho đầu ra, đầu ra có thể là cho các thiết bị ngoại vi hay hoặc là cho các rơle nội.
*Phơng pháp hình thang LAD
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
Hình 3.7 Ngôn ngữ lập trình dạng LAD I0.0 I0.1 I0.2 Q3.0 khiển logic. Mạng LAD là đờng nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, theo thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dới. Quá trình quét của PLC cũng theo thứ tự này .
Một sơ đồ LAD có nhiều nấc
thang, trên mỗi phần tử của biểu đồ hình thang LAD có các tham số xác định tuỳ thuộc ký hiệu của từng hãng sản xuất PLC (bảng 3.1)
Bảng 3.1 Sự khác nhau về phơng pháp viết chơng trình của một số loại PLC
PLC STL LAD OMRON 0 LD 000.01 1 OR 010.00 2 AND NOT 000.00 3 AND 000.03 4 OUT 010.00 S5 0 A I 0.0 1 AN I 0.1 2 = Q 1.0 S7-200 0 LD I 0.1 1 AN I 0.2 2 = Q 1.0 S7-300 0 A I 0.0 1 AN I 0.1 2 O 3 A I 0.2 4 AN I 0.3
SVTK: Bùi Ngọc linh - Lớp K36IC Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển
66 I 0.0 I 0.1 Q 1.0 I 0.1 I 0.2 Q 1.0 000.01 010.00 000.00 0 010.00 000.03 I 0.0 I 0.1 Q 4.1 I 0.2 I 0.3
&
I0.0
I0.1 Q0.0
Hình 3.8 Ngôn ngữ lập trình dạng CSF
5 = Q 4.1
* Phơng pháp CSF (Control System Flow)
Phơng pháp lu đồ điều khiển CSF trình bày các phép toán logic với các ký hiệu đồ họa đã đợc tiêu chuẩn hoá (hình 3.8). Phơng pháp lu đồ điều khiển
thích hợp với ngời đã quen với điều khiển bằng đại số Booole.
So sánh các phơng pháp biểu diễn:
Nhìn chung, mỗi phơng pháp biểu diễn kể trên đều có khả năng riêng của nó, tuy nhiên phơng pháp STL là vạn năng hơn cả bởi vì nó có thể biểu diễn mọi lệnh trong mọi khối của các phơng pháp điều khiển. Trong khi 2 phơng pháp CFS và LAD bị hạn chế trong một số lệnh thuộc một số khối nhất định. Chơng trình đợc viết dới dạng CFS hoặc LAD thì bao giờ cũng cũng có thể chuyển sang dạng STL, nhng ngợc lại thì không phải ở trờng hợp nào cũng có thể chuyển đợc từ dạng STL sạng dạng CFS và LAD đợc, ví dụ:
- Nhóm lệnh cơ bản dùng trong tất cả các loại khối và có thể đợc biểu diễn trong cả 3 phơng pháp là STL, CFS và LAD.
- Một số nhóm lệnh hệ thống và nhóm lệnh bổ trợ chỉ đợc dùng trong các