MÃ BÀI: MĐ21-01
Mục tiêu:
- Trình bày được các ưu điểm của điều khiển lập trình so với các loại điều khiển khác và các ứng dụng của chúng trong thực tế.
- Trình bày được cấu trúc và nhiệm vụ các khối chức năng của PLC - Thực hiện được sự kết nối giữa PLC và các thiết bị ngoại vi. - Lắp đặt được các thiết bị bảo vệ cho PLC theo yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận trong cơng việc.
Nội dung chính:
1. Giới thiệu PLC S7-300
PLC S7 – 300 là PLC loại trung bình, thích hợp cho những ứng dụng vừa phải.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Programmable Logic
Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đĩ bằng mạch số.
Ưu điểm: + Nhỏ gọn
+ Dễ thay đổi thuật tốn
+ Dễ trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính)
Các bộ phận chính của PLC:
- Hệ điều hành
- Bộ nhớ chương trình - Các cổng vào ra,…
Hình 1.1. Cấu trúc của PLC S7-300 2. Các module của PLC S7-300
Để tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế mà ở đĩ phần lớn các đối tượng điều khiển cĩ số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế khơng bị cứng hố về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào từng bài tốn, song tối thiểu bao giờ cũng cĩ module chính (module CPU, module nguồn). Các module cịn lại là những module truyền nhận tín hiệu với các đối tượng điều khiển, chúng được gọi là các module mở rộng. Tất cả các module đều được gá trên một thanh Rack.
Hình 1.3: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300.
Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm, cổng truyền thơng (RS485)… và cĩ thể cĩ các cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra tích hợp trên CPU gọi là cổng vào ra onboard.
PLC S7-300 cĩ nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý cĩ trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…
Những Module cùng cĩ chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard, khác nhau về các khối hàm đặc biệt cĩ sẵn trong thư viện của hệ điều hành được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm từ IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ Module CPU314 IFM.
Ngồi ra cịn cĩ các loại Module CPU với hai cổng truyền thơng, trong đĩ cổng truyền thơng thứ hai cĩ chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán cĩ kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP (Distributted Port) trong tên gọi. Ví dụ Module CPU 314C- 2DP…
CPU 312 IFM CPU 314C-2PIP CPU 314 CPU 314C-2DP Hình 1.1: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300.
Hình 1.2 Cổng giao tiếp của các PLC Module mở rộng: chia làm 5 loại
o PS ( Power Supply): Module nguồn nuơi. Cĩ 3 loại 2A, 5A và 10A. o SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: o DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng cĩ thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module.
SM321; DI 32 x DC 24V (6ES7321-1BL00-0AA0)
o DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng cĩ thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module.
SM 322; DO 32 x 24 VDC/ 0.5 A; (6ES7322-1BL00-0AA0)
o DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số cĩ thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc từng loại Module.
VD: SM 323; DI 16/DO 16 x DC 24 V/0.5 A; (6ES7323-1BL00-0AA0)
o AI (Anolog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành một tín hiệu số (nguyên) cĩ độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự cĩ thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module. Tín hiệu vào cĩ thể là áp, dịng, điện trở.
Ví dụ: Module SM 331; AI 2 x 12 bit; (6ES7331-7KB02-0AB0) Các dạng tín hiệu đọc được
- Điện áp - Dịng điện - Điện trở - Nhiệt độ
Độ phân giải 12 bit
o AO (Anolog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits (DA). Số các cổng ra tương tự cĩ thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module. Tín hiệu ra cĩ thể là áp hoặc dịng.
o AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra tương tự. Số cổng vào/ra tương tự cĩ thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy từng loại Module.
o IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module dùng để kết nối từng nhĩm các module mở rộng thành một khối và được quản lý bởi một module CPU. Thơng thuờng các module mở rộng được gá liền nhau trên một thanh rack. Mỗi thanh rack chỉ cĩ thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (khơng kể module CPU và module nguồn). Một module CPU cĩ thể làm việc nhiều nhất với 4 thanh rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM..
Hình 1.3. Sơ đồ nối dây của module IM 365; (6ES7365-0BA01-0AA0)
o FM (Function Module): Module cĩ chức năng điều khiển riêng, ví dụ như Module điều khiển động động cơ bước, Module điều khiển động cơ servo, Module PID, điều khiển đếm tốc độ cao…
o CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thơng trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
Hình sau là cấu hình đầy đủ của một thanh Rack và sơ đồ kết nối nhiều Rack:
Hình 1.7 Cấu hình tổng quát PLC S7-300 với 4 thanh rack nối với nhau nhờ module IM và cáp nối 368
Các mode hoạt động:
- PLC S7-300 cĩ 4 mode hoạt động, gồm:
o RUN_P: Xử lý chương trình, cĩ thể đọc và ghi được từ PG. o RUN: Xử lý chương trình, khơng thể đọc từ PG.
o STOP: Dừng, chương trình khơng được xử lý. o MRES: Chức năng reset hệ thống (Module Reset
Các mode này được chọn dựa vào cơng tắc chọn ở mặt trước CPU như hình 1.4
Trong đĩ:
1. Đèn báo trạng thái 2. Card nhớ
3. Nút chọn kiểu làm việc 4. Đầu nối 24V
5. Cổng giao tiếp MPI 6. Ngăn để pin
Hình 1.4: Mặt trước CPU S7-300
Ngồi ra, CPU cịn cĩ các đèn chỉ báo giúp người sử dụng chuẩn đốn được trạng thái hiện tại của PLC.
o SF: báo lỗi trong nhĩm, trong CPU hay trong các Module. o BATF: lỗi pin, hết pin hoặc khơng cĩ pin.
o DC5V: báo cĩ nguồn 5V.
o FRCE: báo ít nhất cĩ một ngỏ vào/ra đang bị cưỡng bức hoạt động. o RUN: nhấp nháy khi CPU khởi động và sáng khi CPU làm việc. o STOP: sáng khi PLC dừng, chớp chậm khi cĩ yêu cầu reset bộ nhớ, chớp nhanh khi đang reset bộ nhớ.
- Các thành phần khác trên CPU:
o Card nhớ: dùng để lưu chương trình mà khơng cần pin trong trường hợp mất điện.
o Ngăn để pin: nằm dưới nắp, chứa pin cung cấp năng lượng cho RAM khi mất điện.
o Đầu nối MPI: đầu nồi dành cho thiết bị lập trình hay các thiết bị cần giao tiếp qua cổng MPI.
o Đầu nối điện 24V: cung cấp nguồn cho CPU. 3. Các kiểu dữ liệu và phân vùng bộ nhớ
3.1. Các kiểu dữ liệu
Tương tự như PLC S7-200, các kiểu dữ liệu sử dụng trong chương trình của PLC S7-300 gồm cĩ:
- BOOL: cĩ dung lượng 1 bit, giá trị là 0 hoặc 1, sử dụng cho biến cĩ 2 giá trị
- BYTE: dung lượng 8 bit, thường dùng biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 255, mã BCD của số thập phân 2 chữ số, mã ASCII của ký tự,…
- WORD: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 65535.
- INT: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767. - DINT: dung lượng 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến 2147483647.
- REAL: dung lượng 4 byte, biểu diễn số thực cĩ dấu phẩy. Ngồi ra cịn cĩ các kiểu dữ liệu khác:
- S5T (S5TIME): biểu diễn khoảng thời gian, tính theo giờ/phút/giây/mgiây
S5T#0H_0M_0S_10MS đến S5T#2H_46M_30S_0MS - Time
T#- 24D_20H_31M_23S_648MS đến T#24D_20H_31M_23S_647MS - TOD: biểu diễn khoảng thời gian tính theo giờ/phút/giây
VD: TOD#0:0:0.0 đến TOD#23:59:59.999
- DATE: biểu diễn thời gian theo năm/tháng/ngày D#1990-1-1 đến D#2168-12-31
- CHAR: biểu diễn ký tự ‘A’, ‘B’, ‘c’,………… (tối đa 4 ký tự).
3.2. Phân vùng bộ nhớ của S7-300
Bộ nhớ của S7-300 được chia thành 3 vùng chính
• Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền
OB (Organisation Block): Miền chứa chương trình tổ chức.
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm cĩ biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nĩ.
FB (Function Block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và cĩ khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB-Data Block).
Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau gồm
I (Process image Input): Miền bộ điệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thơng thường chương trình ứng dụng khơng đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
Q (Process image output): Miền bộ điệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đọan thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thơng thường chương trình ứng dụng khơng trực tiếp gán giá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển vào bộ đệm Q.
M: Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và cĩ thể truy cập nĩ theo bit (M), Byte (MB), từ (MW), hay từ kép (MD).
T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt trước (PV- preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ timer.
C: Miền nhớ phục vụ đếm (counter) bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước (PVpreset value), giá trị đếm tức thời (CV-Current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ counter.
PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O external input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng cĩ thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từ kép (PID).
PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O external 0utput). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module đọc và chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng cĩ thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từ kép (PQD).
• Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia làm 2 loại
DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài tốn điều khiển. Chương trình cĩ 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 phương, được các khối chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nĩ. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xố khi kết thúc chương trình tương ứng OB, FC, FB. Miền này cĩ thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).
Những khối OB đặt biệt
OB10: Time of day Interrupt OB20: Time delay Interrupt Hardware Interrupt
OB 81: Powersuply fault OB 100: Start Up information
Tên gọi Kích thước truy cập
Kích thước tối đa (tùy thuộc vào CPU)
Process input image (I)
Bộ đệm vào số I IB IW ID 0.0 ÷ 127.7 0 ÷ 127 0 ÷126 0 ÷ 124 Process output image (Q)
Bộ đệm ra số Q QB QW ID 0.0 ÷ 127.7 0 ÷ 127 0 ÷ 126 0 ÷ 124 Bit memory (M) Vùng nhớ cờ M MB MW MD 0.0 ÷ 255.7 0 ÷ 255 0 ÷ 254 0 ÷ 252 Timer (T) T0 ÷ T255 Counter (C) C0 ÷ C255 Data block (DB)
Khối dữ liệu share DBX DBB DBW DBD 0.0 ÷ 65535.7 0 ÷ 65535 0 ÷ 65534 0 ÷ 65532 Data block (DI)
Khối dữ liệu instance DIX DIB DIW DID 0.0 ÷ 65535.7 0 ÷ 65535 0 ÷ 65534 0 ÷ 65532 Local block (L)
Miền nhớ địa phương cho các tham số hình thức L LB LW LD 0.0 ÷ 65535.7 0 ÷ 65535 0 ÷ 65534 0 ÷ 65532 Peripheral input (PI) PIB
PIW PID 0 ÷ 65535 0 ÷ 65534 0 ÷ 65532 Peripheral output (PQ) PQB PQW PQD 0 ÷ 65535 0 ÷ 65534 0 ÷ 65532
Trừ phần bộ nhớ EEPROM thuộc vùng Load memory và một phần RAM tự nuơi đặc biệt (non-volatile) dùng để lưu giữ tham số cấu hình trạm PLC như địa chỉ trạm (MPI address), tên các module mở rộng, tất cả các phần
bộ nhớ cịn lại ở chế độ mặc định khơng cĩ khả năng tự nhớ (non-retentive). Khi mất nguồn nuơi hoặc khi thực hiện cơng việc xố bộ nhớ (MRES), tồn bộ nội dung của phần bộ nhớ non-retentive sẽ bị mất.
4. Vịng quét chương trình.
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp được gọi là vịng quét (scan). Mỗi vịng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai thực hiện chương trình. Trong từng vịng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block end). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vịng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thơng nội bộ và kiểm tra lỗi.
Hình 1.6: Vịng quét chương trình
Bộ đệm I và Q khơng liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý mà khơng thơng qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vịng quét gọi là thời gian vịng quét. Thời gian vịng quét khơng cố định, tức là khơng phải vịng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Cĩ vịng quét thực hiện lâu, cĩ vịng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong
chương trình được thực hiện, tùy thuộc vào khối lượng dữ liệu được truyền thơng trong vịng quét.
Việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính tốn và gửi tín hiệu tới đối tượng cần một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vịng quét. Thời gian vịng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển.
Việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính tốn và gửi tín hiệu tới đối tượng cần một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vịng quét. Thời gian vịng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển.
Nếu sử dụng các khối OB đặc biệt cĩ chế độ ngắt như OB40, OB80, OB35 thì chương trình của khối đĩ được thực hiện khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng loại. Thời gian vịng quét càng lớn khi cĩ nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vịng quét.
5. Cấu trúc chương trình
Chương trình do người dùng viết cho S7-300 được lưu trong vùng nhớ chương trình, cĩ 2 dạng với cấu trúc khác nhau: