Phân loại và chức năng của một số dòng PLC được thể hiện rõ ở Bảng 2.1 Bảng phân loại chức năng một số dòng CPU PLC S7-1200
Bảng 2.1 Bảng phân loại chức năng một số dòng CPU PLC S7-1200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước, độ dài vật lý (mm): 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ người dùng: • Bộ nhớ làm việc • Bộ nhớ nạp • Bộ nhớ giữ lại • 25 kB • 1 MB • 2 kB • 50 kB • 2 MB • 2 kB I/O tích hợp cục bộ • Kiểu số • Kiểu tương tự • 6 ngõ vào / 4 ngõ ra • 2 ngõ ra • 8 ngõ vào / 6 ngõ ra • 2 ngõ ra • 14 ngõ vào / 10 ngõ ra • 2 ngõ ra Kích thước ảnh của tiến trình
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte
Độ mở rộng các module tín hiệu Không 2 8 Bảng tín hiệu 1 Những module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 14 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Các bộ đếm tốc độ cao • Đơn pha • Vuông pha 3 •3 tại 100 kHz • 3 tại 80 kHz 4 •3 tại 100 kHz 1 tại 30 kHz •3 tại 80 kHz 1 tại 20 kHz 6 • 3 tại 100 kHz 3 tại 30 kHz • 3 tại 80 kHz 3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2 Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ
thời gian thực
Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh 2.1.3. Cấu trúc PLC S7-1200 Tất cả các PLC đều có các thành phần chính là (xem Hình 2.2):
- Một bộ nhớ chương trình RAM phía trong (có thể mở rộng thêm được một số bộ nhớ ngoài EPROM).
- Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp sử dụng cho việc ghép nối với PLC. - Các module vào/ra.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 15 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
2.1.3.1. Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được lưu trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình theo thứ tự, sẽ đóng hoặc ngắt các đầu ra. Các trạng thái đầu ra đó được phát tới các thiết bị liên quan để thực thi. Và tất cả những lần thực thi đó phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ.
2.1.3.2. Hệ thống bus
Là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa chỉ sử dụng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau. - Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thời và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC, tất cả dữ liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các mô-đun I / O thông qua Bus dữ liệu. Bus dữ liệu và Bus địa chỉ bao gồm 8 đường, đồng thời cho phép truyền 8-bit của một byte đồng thời hoặc song song.
2.1.3.3. Các ngõ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ cảm biến được kết nối với các mô-đun đầu vào (đầu vào PLC), các cơ cấu chấp hành được kết nối với mô-đun đầu ra (đầu ra PLC).
Hầu hết các PLC đều có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12 / 24VDC hoặc 100 / 240VAC.
Mỗi đơn vị I / O chỉ có một địa chỉ, hiển thị trạng thái của các kênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, giúp dễ dàng kiểm tra các hoạt động đầu vào và đầu ra. dễ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện công việc đóng hoặc ngắt mạch ở đầu ra.
2.1.4. Module hỗ trợ
Các module hỗ trợ được liệt kê ở Bảng 2.2
Bảng 2.2 Bảng các module hỗ trợ PLC S7-1200
Module Ngõ vào Ngõ ra Kết hợp In/Out
Module tín hiệu (SM) Kiểu số 8 x DC In 8 x DC Out 8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x DC Out 8 x DC In / 8 x Relay Out 16 x DC In 16 x DC Out 16 x Relay Out 16 x DC In / 16 x DC Out 16 x DC In / 16 x Relay Out
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 16 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Kiểu tương tự 4 x Analog In 8 x Analog In 2 x Analog In 4 x Analog In 4 x Analog In / 2 x Analog Out Bảng tín hiệu (SB) Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu tương tự _ 1 x Analog In _
Module truyền thông (CM)
• RS485
• RS232
2.1.4.1. Module tín hiệu
Người dùng có thể sử dụng những module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Những module tín hiệu (xem Hình 2.3) kết nối vào phía bên phải của CPU.
Hình 2.3 Module tín hiệu của PLC S7-1200 Chú thích:
1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu. 2: Bộ phận kết nối đường dẫn.
3: Bộ phận kết nối nối dây với người dùng có thể tháo ra.
2.1.4.2. Module truyền thông
Họ S7-1200 sẽ cung cấp các module truyền thông (CM) (xem Hình 2.4) dành cho những tính năng bổ sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485.
CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 17 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
Hình 2.4 Module truyền thông PLC S7-1200 Chú thích:
1: Những LED trạng thái dành cho module truyền thông. 2: Bộ phận kết nối truyền thông.
2.1.4.3. Module nguồn cung cấp (Power Module)
Module nguồn Power module cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU. Tên viết tắt của module nguồn S7 – 1200 là PM 1207. Module nguồn PM 1207 yêu cầu áp cung cấp đầu vào là 120/230 VAC và ngõ ra là 24 VDC / 2,5 A được thiết lập riêng dành cho S7 – 1200 và không cần cấu hình trong phần cứng.
2.1.5. Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) sẽ cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng có thể thêm được một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước của CPU (Hình 2.4)
- SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC) - SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.
Hình 2.5 Bảng tín hiệu của PLC S7-1200 Chú thích:
1: Các LED trạng thái.
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 18 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
2.1.6. Các hoạt động xử lý bên trong PLC
2.1.6.1. Xử lý chương trình
Khi chương trình đã nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được lưu ở trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ.
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình. Mỗi lần thực hiện một chương trình từ đầu đến cuối sẽ được gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ sẽ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau (xem Hình 2.6):
- Đọc trạng thái của tất cả đầu vào: PLC thực hiện lưu các trạng thái vật lý của ngõ vào. Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.
- Thực hiện chương trình: bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự các lệnh một trong chương trình. Trong khi đọc và xử lý các tập lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
- Xử lý các yêu cầu truyền thông: suốt thời gian CPU xử lý thông tin trong chu trình quét. PLC xử lý tất cả thông tin nhận được từ cổng truyền thông hay những module mở rộng.
Thực hiện tự kiểm tra: Khi trong 1 chu kỳ quét, PLC kiểm tra hoạt động của CPU và trạng thái của modul mở rộng
Xuất tín hiệu ngõ ra: bộ vi xử lý sẽ gán những trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra.
Hình 2.6 Chu kỳ thực hiện xử lý chương trình
2.1.6.2. Xử lý xuất nhập
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC:
- Cập nhật liên tục: Ở phương pháp này, CPU phải mất một khoảng thời gian để đọc trạng thái của các ngõ vào sẽ được xử lý. Khoảng thời gian trên, thường là
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 19 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
3ms, nhằm tránh tác động xung nhiễu gay bởi contact ngõ vào. Các ngõ ra được kích trực tiếp (nếu có) theo sau tác vụ kiểm tra logic.
- Lưu ảnh quá trình xuất nhập: Hầu hết các PLC loại lớn có thể có vài trăm I/O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời điểm.
2.2. Tổng quan về phần mềm TIA Portal
2.2.1. Khái niệm
TIA Portal là viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tích hợp nhiều phần mềm quản lý vận hành điện và tự động hóa của hệ thống. Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng cùng một môi trường / nền tảng để thực hiện các tác vụ và điều khiển hệ thống.
TIA Portal được phát triển vào năm 1996 bởi các kỹ sư của Siemens, nó cho phép người dùng phát triển và viết các phần mềm quản lý cá nhân một cách nhanh chóng, trên một nền tảng thống nhất. Giải pháp giảm thời gian tích hợp các ứng dụng riêng biệt để tạo thành một hệ thống thống nhất.
TIA Portal - Tích hợp hoàn toàn tự động là phần mềm nền tảng cho tất cả các phát triển phần mềm khác: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm. Đặc điểm TIA Portal cho phép các phần mềm dùng chung cơ sở dữ liệu, tạo sự thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý và vận hành.
TIA Portal tạo ra một môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện:
- Thiết kế giao diện thông tin trang nhã và dễ sử dụng, với nhiều ngôn ngữ hỗ trợ. - Quản lý các quyền của Người dùng, Mã, Dự án nói chung.
- Thực hiện trực tuyến và Chẩn đoán cho tất cả các thiết bị trong dự án để xác định bệnh và lỗi hệ thống.
- Mô phỏng hệ thống tích hợp.
- Dễ dàng cấu hình và liên kết các thiết bị Siemens.
Hiện tại, phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14, TIA Portal V15, TIA Portal V16 và mới nhất là TIA Portal V17. Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng sẽ lựa chọn cài đặt phiên bản TIA portal tương ứng.
2.2.2. Ưu điểm – nhược điểm khi sử dụng phần mềm TIA Portal
- Ưu điểm:
• Tích hợp tất cả các phần mềm trong 1 nền tảng, dùng chung cơ sở dữ liệu dễ quản lý, cấu hình thống nhất. Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng và hiệu quả, tìm và khắc phục sự cố trong thời gian ngắn.
• Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI đều được lập trình và cấu hình trên TIA Portal, cho phép chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lập giao tiếp giữa các thiết bị. Chỉ với một biến của bộ lập trình
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 20 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
PLC được thả vào màn hình HMI, kết nối được thiết lập mà không cần bất kỳ thao tác lập trình nào.
- Nhược điểm: Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu của hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớ rất lớn. Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình và quản lý, mất nhiều thời gian làm quen.
2.2.3. Các thành phần trong bộ cài TIA Portal
Phần mềm TIA Portal do Siemens phát triển với nhiều thành phần giúp người dùng quản lý và lập trình PLC, HMI một cách hiệu quả. Các thành phần có trong bộ TIA Portal:
- Simatic Step 7 Professional và Simatic Step 7 PLCSIM: Giải pháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S7-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…
- Simatic WinCC Professional: Được sử dụng để lập trình màn hình HMI và giao diện SCADA.
- Simatic Start Driver: Được lập trình để cấu hình Siemens. - Sirius và Simocode: Cấu hình và chẩn đoán linh hoạt.
Điều khiển chuyển động một trục và nhiều trục với hỗ trợ Scout TIA. Thư viện Simatic Robot được đóng gói dữ liệu cho phép người dùng cấu hình và cấu hình hệ thống một cách nhanh chóng.
2.2.4. Các khối mã được sử dụng để lập trình
Nội dung trong phần này được trình bày dựa trên tài liệu [2].
Các khối chương trình để lập trình bao gồm Khối tổ chức (OB), khối hàm (FB), hàm (FC), khối dữ liệu (DB) (xem Hình 2.7)
Hình 2.7 Các khối mã trong TIA Portal
2.2.4.1. Khối tổ chức OB – OGANIZATION
Các khối tổ chức cung cấp cấu trúc cho chương trình. Chúng đóng vai trò là giao diện giữa hệ điều hành và chương trình người dùng. OB được định hướng theo sự kiện. Một sự kiện, chẳng hạn như ngắt chẩn đoán hoặc thời gian dừng, sẽ khiến CPU thực hiện OB. Một số OB có các sự kiện khởi động được xác định trước.
Chu trình chương trình OB chứa chương trình chính của người dùng. Bạn có thể bao gồm nhiều hơn một OB chu kỳ chương trình trong chương trình. Trong chế độ
Sinh viên thực hiện: Đặng Quang Chiến Người hướng dẫn: ThS. Phạm Duy Dưởng 21 Nguyễn Văn Xuân Mỹ
RUN, các OB chu kỳ chương trình thực thi ở mức ưu tiên thấp nhất và có thể bị gián đoạn bởi tất cả các quá trình xử lý chương trình khác. OB khởi động không làm gián đoạn OB chu kỳ chương trình vì CPU thực hiện OB khởi động trước khi vào chế độ RUN.
Sau khi xử lý xong các OB chu trình chương trình, CPU ngay lập tức thực hiện lại các OB chu trình chương trình. Xử lý tuần hoàn này là dạng xử lý “bình thường” được sử dụng cho bộ điều khiển logic khả trình. Đối với nhiều ứng dụng, toàn bộ chương trình người dùng được đặt trong OB chu kỳ chương trình duy nhất.
Ta có thể tạo các OB khác để thực hiện các chức năng cụ thể, chẳng hạn như các tác vụ khởi động, để xử lý các ngắt và lỗi hoặc để thực thi mã chương trình cụ thể trong các khoảng thời gian. thời gian dừng riêng biệt. Các OB này làm gián đoạn việc thực thi các OB chu kỳ chương trình.
2.2.4.2. Khối hàm FB – FUNCTION BLOCK
Khối chức năng là một khối mã sử dụng khối dữ liệu mẫu cho các tham số và dữ liệu tĩnh của nó. FB có bộ lưu trữ thay đổi nằm trong khối dữ liệu (DB), hoặc DB “mẫu”. Mẫu DB cung cấp một khối bộ nhớ được liên kết với giá trị mẫu (hoặc lệnh gọi) của FB đó và lưu trữ dữ liệu sau khi FB hoàn thành. Bạn có thể kết hợp các DB mẫu khác nhau với các cuộc gọi FB khác nhau. Các DB mẫu cho phép chúng ta sử dụng một FB chung để điều khiển nhiều thiết bị. Chúng tôi cấu trúc chương trình bằng cách có một khối mã thực hiện cuộc gọi đến FB và một DB mẫu. Sau đó, CPU sẽ thực thi mã chương trình trong FB đó và lưu trữ các tham số khối và dữ liệu cục bộ tĩnh trong DB mẫu. Khi quá trình thực thi FB hoàn tất, CPU sẽ trả về khối mã được gọi là