CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200
2.2 MODULE PHẦN CỨNG PLC S7 – 1200
2.2.1 MODULE CPU Xử Lý Trung Tâm
Module CPU xử lý trung tâm chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thơng Profinet…Module lưu trữ chương trình người dùng trong bộ nhớ. Ngồi ra, các module CPU có thể tích hợp một vài cổng vào/ra digital, analog. CPU S7 – 1200 hỗ trợ các giao thức truyền thông như: TCP/IP, ISO-on-TCP, S7 communication. Đồng thời, CPU tích hợp những tập lệnh hỗ trợ cho truyền thông như: USS, Modbus RTU, Freeport hoặc S7 communication, T-send/T-Receive…Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU có thể kết nối với HMI, máy tính lập trình, các bộ I/O phân tán (ET 200SP, ET 200MP, …) hay những bộ điều khiển PLC khác qua Profinet.
Hình 2.5: Bộ I/O ET 200SP tại nhà máy Vinacafé Biên Hòa
2.2.2 Module Nguồn – Power Module
Module nguồn cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU, viết tắt là PM 1207
Module PM 1207 yêu cầu điện áp đầu vào 120/230 VAC và điện áp đầu ra là 24VDC/2.5A thiết kế riêng cho PLC S7 – 1200 và khơng cần khai báo trong cấu hình phần cứng.
2.2.3 Module Tín Hiệu SM
Module AI: Đọc tín hiệu tương tự với các loại tín hiệu khác nhau như dòng 4 – 20 mA (theo cách đấu 2 dây và 4 dây), đọc tín hiệu điện áp 0 – 10 VDC, tín hiệu RTD, TC,...
- Module AI/AO: Cho phép đọc/ghi (xuất) tín hiệu tương tự. - Module AO: Ghi tín hiệu tương tự tới thiết bị ngoại vi. - Module DI: Đọc tín hiệu số (ON/OFF).
- Module DO: Ghi tín hiệu số tới thiết bị ngoại vi. - Module DI/DO: Cho phép đọc/ghi tín hiệu số.
2.2.4 Module Xử Lý Truyền Thơng
Module xử lý truyền thông được gắn bên trái CPU và ký hiệu CM 124x hoặc CP 124x. Tối đa gắn được 3 module truyền thông.
Module truyền thông CM 124x hỗ trợ các giao thức theo các tiêu chuẩn như:
- Truyền thông ASCII: Được sử dụng để giao tiếp với những hệ thống của bên thứ 3 (third – party) để truyền những giao thức đơn giản như kiểm tra các ký tự đầu/cuối, hoặc kiểm tra các thông số của khối dữ liệu...
- Truyền thông Modbus: Sử dụng truyền thơng Modbus RTU. + Modbus Master: Có thể giao thức với PLC S7 là Master. + Modbus Slave: Có thể giao thức với PLC S7 là Slave. Không hỗ trợ trao đổi dữ liệu giữa slave với slave trong truyền thông.
- Truyền thông USS Drives: Cho phép kết nối USS với biến tần. Các biến tần có thể trao đổi dữ liệu theo chuẩn RS – 485, cho phép điều khiển biến tần cũng như đọc/ghi các thông số.
- Truyền thông PtP: Kết nối đa điểm sử dụng theo truyền thông nối tiếp. Truyền thông đa điểm được ứng dụng trong hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 và những hệ thống tự động hóa khác sử dụng liên kết với máy in, điều khiển Robot, máy scan, bộ đọc mã vạch QR Code…
- Truyền thông Profibus: Theo tiêu chuẩn Profibus DP hỗ trợ DPV1, có thể sử dụng hàm làm Master hoặc Slave tùy thuộc vào ứng dụng và Module sử dụng.
- Module hỗ trợ truyền thông AS – I Master.
2.2.4.2 Module Xử Lý Truyền Thông CP124x
Module xử lý truyền thông CP 124x hỗ trợ những chuẩn truyền thông về GPRS/GSM, Messages/Email, DNP3, SNMP, TeleService…
- Module CP 1243 – 1: Hỗ trợ kết nối Messages/Email, DNP3, SNMP, Redundancy…
- Module CP 1242 – 7: Hỗ trợ kết nối GPRS/GSM.
2.2.5 Các Module Đặc Biệt Và Module SB
2.2.5.1 Module I/O Link
Module được sử dụng có thể kết nối lên tới 4 thiết bị I/O – Link phù hợp với đặc tính kỹ thuật I/O – Link. Các thông số của I/O Link có thể cấu hình bằng phần mềm PTC V3.2 trở lên.
2.2.5.2 Module Cân Siwarex
Module cân Siwarex WP231 là module cân đa năng cho các ứng dụng đơn giản, phức tạp hoặc ứng dụng trong đo lực… Module nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt với PLC S7 – 1200 và có thể hoạt động độc lập khơng cần PLC S7.
Hình 2.11: Mơ hình sử dụng Module cân Siwarex WP231
- Module cân Siwarex WP231 có thể kết nối trực tiếp với PLC S7 thông qua Ethernet (Modbus TCP/IP) và RS – 485 (Modbus RTU). Đồng thời, Module có thể hoạt động với những PLC hoặc thiết bị của các hãng tự động khác (có những hạn chế nhất định).
- Module Siwarex hồn tồn áp dụng được vào mơ hình phân loại sản phẩm theo khối lượng mà nhóm đang thực hiện. Tuy nhiên, vì chi phí của Module khá đắt cho ứng dụng mơ hình đồ án vừa và nhỏ, vì thế nhóm chọn giải pháp lập trình xử lý tín hiệu tương tự Analog của Loadcell thay vì dùng Module chuyên dụng đọc Loadcell là Siwarex WP231.
- Nhóm cũng lên kế hoạch sử Siwarex WP231 và lập trình sẵn để tìm hiểu một cách sử dụng khác khi đọc tín hiệu Loadcell.
2.2.5.3 Module SB
Module SB được cắm phía mặt trên thân CPU để mở rộng thêm một vài DI/DO, AI/AO, Pin backup dữ liệu (Battery board) thời gian thực, mở rộng truyền thơng RS – 485 (CB).
Hình 2.16: Module SB 1223 2.3 VÙNG NHỚ, ĐỊA CHỈ VÀ KIỂU DỮ LIỆU 2.3 VÙNG NHỚ, ĐỊA CHỈ VÀ KIỂU DỮ LIỆU
2.3.1 Vùng Nhớ Chương Trình PLC S7 – 1200
CPU hỗ trợ những vùng nhớ để lữu trữ chương trình ứng dụng, dữ liệu và cấu hình hệ thống như sau:
- Load Memory: Vùng nhớ không mất dữ liệu (non – valatile storage) và được sử dụng lưu trữ chương trình ứng dụng, dữ liệu và cấu hình PLC. Khi một project được tải xuống PLC, nó được lưu đầu tiên tại vùng nhớ Load memory. Vùng nhớ này nằm trong thẻ nhớ MMC hoặc nằm trên CPU. Có thể sử dụng thẻ MMC để tăng dung lượng vùng nhớ.
- Work Memory: Bị mất dữ liệu khi CPU mất điện. Trong q trình hoạt động, CPU có thể sao chép một phần, hoặc toàn bộ hàm chức năng project từ vùng nhớ Load memory sang vùng nhớ Work memory để thực hiện.
- Retentive Memory: Được sử dụng để lưu trữ những dữ liệu cần thiết/mong muốn khi CPU mất điện hoàn toàn.
2.3.2 Thẻ Nhớ MMC
Một lựa chọn khác để lưu trữ chương trình người dùng giống như những vùng nhớ được trình bày ở trên, đó là sử dụng thẻ nhớ SIMATIC MMC để lưu trữ hoặc sao chép chương trình người dùng.
Hình 2.17: Thẻ nhớ SIMATIC S7
Nếu thẻ nhớ MMC được sử dụng, CPU sẽ chạy chương trình từ thẻ nhớ chứ khơng phải trên vùng nhớ của CPU. Thẻ nhớ SIMATIC MMC có thể sử dụng như thẻ nhớ chương trình, thẻ Transfer, lưu trữ dữ liệu Datalog hoặc dùng để nâng cấp Firmware cho CPU
- Khi muốn tải chương trình cho nhiều CPU với cùng một project. Việc sử dụng phần mềm làm cho tốn kém thời gian thì việc sử dụng thẻ SIMATIC MMC với chức năng là thẻ Transfer giúp cho hiệu quả hơn rất nhiều. Người dùng chỉ cần cắm thẻ vào khe MMC, đợi Transfer xong và lấy thẻ nhớ ra.
- Dùng thẻ nhớ với chức năng thẻ nhớ chương trình thì tất cả những chức năng CPU hoạt động sẽ được tải từ thẻ nhớ.
- Ngồi ra, thẻ MMC cũng có thể sử dụng để lữu trữ thông tin về Datalog, mở rộng vùng nhớ lưu trữ cho Web Server, hoặc có thể sử dụng để nâng cấp Firmware cho CPU.
2.3.3 Kiểu Dữ Liệu Của PLC S7 – 1200
Kiểu dữ liệu hỗ trợ cho PLC S7 – 1200 được giải thích theo định dạng dữ liệu và kích thước dữ liệu thơng qua bảng 2.4 dưới đây:
Bảng 2.4: Kiểu dữ liệu của PLC S7 – 1200
Kiểu Dữ Liệu Miêu Tả
Bit và chuỗi Bit - Bool gồm 1 bit đơn - Byte gồm 8 bit - Word gồm 16 bit - Dword gồm 32 bit
Interger
- USInt (số interger không dấu 8 bit) - SInt (số interger có dấu 8 bit) - UInt (số interger không dấu 16 bit) - Int (số interger có dấu 16 bit)
- UDInt (số interger không dấu 32 bit) - DInt (số interger có dấu 32 bit)
Số thực – Real - Real – số thực dấu chấm động 32 bit - Lreal – số thực dấu chấm động 64 bit
Date and Time
- Date là kiểu dữ liệu 16 Bit chỉ số ngày có tầm từ D#1990-1-1 đến D#2168-12-31
- DTL (Date and time long): Dữ liệu với Byte lưu giữ thông tin về ngày, tháng, năm
- Year (UInt): 1970 => 2554 - Month (USInt): 1 => 12 - Day (USInt): 1 => 31
Bảng 2.4 (Tiếp theo)
2.3.4 Vùng Nhớ
Step 7 Basic V1x của TIA Portal hỗ trợ việc lập trình bằng Tag nhớ (Symbolic). Người dùng có thể tạo Tag nhớ hay symbolic (tên gợi nhớ) cho các địa chỉ dữ liệu cần dùng, khơng phân biệt vùng nhớ tồn cục (global) hay cục bộ (local). Để truy xuất các Tag nhớ trong chương trình chỉ cần gọi tên Tag cho các tham số lệnh. Để hiểu rõ hơn về cấu trúc CPU và vùng nhớ, nhóm sẽ trình bày sâu hơn về địa chỉ trực tiếp (absolute) là nền tảng cho việc sử dụng các Tag nhớ của PLC.
- Hours (USInt): 0 => 23 - Minutes (USInt): 0 => 59 - Seconds (USInt): 0 => 59
- Nanoseconds (UDInt): 0 => 999999999 - Time là kiểu dữ liệu 32 bit được miêu tả theo
tiêu chuẩn IEC Time tầm giá trị lên đến T#24D20H31M23S647MS
- TOD (Time of day) là kiểu dữ liệu 32 bit có tầm giá trị từ TOD#0:0:0.0 đến
TOD#23:59:59.999
Char và String - Char là kiểu dữ liệu ký tự với 8 bit
- String là kiểu dữ liệu chuỗi lên tới 254 char
Array và Structure
- Array là kiểu dữ liệu mảng bao gồm nhiều thành phần đơn giống nhau về kiểu dữ liệu, có thể tạo trong giao diện OB, FB, FC, DB. - Struct là kiểu dữ liệu định dạng theo cấu trúc
thành phần có thể bao gồm nhiều kiểu dữ liệu khác nhau
PLC data types - PLC Data types hay UDT: là dạng dữ liệu cấu trúc có thể định nghĩa bởi người dùng
Pointer - Pointer hay con trỏ sử dụng để định địa chỉ gián tiếp
BCD - BCD16 có giá trị từ -999 => 999
Bảng 2.5: Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7 – 1200
Vùng Nhớ Miêu Tả
Process image I Được sao chép dữ liệu từ tín hiệu ngõ vào vật lý khi bắt đầu quét chương trình.
Ngõ vào vật lý Ix.y:P Đọc địa chỉ ngay lập tức từ ngõ vào vật lý. Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý.
Process image Q Chuyển dữ liệu tới tín hiệu ngõ ra vật lý khi bắt đầu quét chương trình.
Ngõ ra vật lý Qx.y:P Ghi trực tiếp ngay lập tức tới ngõ ra vật lý. Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý.
Vùng nhớ nội M
Lưu trữ dữ liệu/tham số trước khi đưa ra ngoại vi. Có thể cài đặt để sử dụng chức năng Retentive Memory đối với vùng nhớ này.
Vùng nhớ tạm Local
Memory
Vùng nhớ được sử dụng để lưu trữ tạm thời trong các khối OB, FB, FC. Dữ liệu sẽ mất khi ngừng gọi khối. Khối dữ liệu DB
Được sử dụng theo định dạng vùng nhớ toàn cục, hoặc dữ liệu và tham số cho khối hàm FB. Có thể cài đặt để sử dụng chức năng Retentive Memory đối với vùng nhớ này.
Vùng nhớ toàn cục – Global Memory: CPU cung cấp những vùng nhớ toàn cục như: I (input), Q (output), vùng nhớ nội M (memory). Những vùng nhớ tồn cục có thể được truy cập bởi tất cả các khối.
- Khối dữ liệu DB: Cũng là vùng nhớ toàn cục. Ngoài ra, vùng nhớ DB nếu được sử dụng với chức năng Instance DB để lưu trữ chỉ định cho FB và cấu trúc bởi các tham số của FB.
- Vùng nhớ tạm – Temp (hay local): Vùng dữ liệu cục bộ được sử dụng trong khối chương trình OB, FC, FB. Vùng nhớ L được sử dụng cho các biến tạm (Temp) và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó. Dữ liệu vùng nhớ bị xóa khi kết thúc chương trình. Ngồi ra, vùng nhớ I và Q của PLC S7 – 1200 có thể truy xuất dưới dạng Process Image. Để truy cập trực tiếp và ngay lập tức với ngõ vào/ra vật lý, có thể “:P”. Ví dụ:
I0.0:P, Q0.0:P,…Chế độ cưỡng bức tín hiệu với Forcing chỉ có thể áp dụng cho các
2.4 PHẦN MỀM VÀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH
2.4.1 Phần Mềm Lập Trình PLC S7 – 1200
Năm 2009, Siemens giới thiệu PLC S7 – 1200 và phần mềm TIA Portal V10.5 tích hợp STEP 7 Basic để lập trình PLC S7 – 1200 và WinCC Basic thiết kế cho màn hình KTP. Từ năm 2010 đến nay, Siemens không ngừng cải thiện và nâng cấp phần mềm TIA Portal V10.5 lên tới TIA Portal V15. Hiện nay, phần mềm TIA Portal khơng chỉ lập trình cho các bộ điều khiển PLC mà còn thiết kế giao diện HMI/SCADA và cấu hình biến tần – Drives của Siemens.
Trong mơ hình thiết kế của nhóm sử dụng phần mềm TIA Portal V15.1
2.4.2 Ngơn Ngữ Lập Trình PLC S7 – 1200
Bộ điều khiển PLC S7 – 1200 ứng dụng cho hệ thống vừa và nhỏ, Siemens phát triển và ưu tiên hỗ trợ cho 3 ngơn ngữ lập trình là:
- LAD – Ladder: Ngơn ngữ lập trình theo sơ đồ mạch. Đơn giản, dễ hiểu, dễ chỉnh sửa và tiện lợi.
- FBD – Function Block Diagram: Ngơn ngữ lập trình theo đại số Boolean. - SCL – Structure Language Control: Ngơn ngữ lập trình theo dạng Text, đây là ngơn ngữ lập trình cấp cao sử dụng nền tảng Pascal phát triển. Ngơn ngữ lập trình SCL có thể coi là ngơn ngữ hướng đối tượng cho PLC, vì nó gần gũi với tư duy người dùng.
Có thể sử dụng một trong ba ngơn ngữ trên để có thể lập trình cho bất kỳ khối OB, FB hoặc FC. Nhóm sử dụng ngơn ngữ lập trình LAD cho mơ hình thiết kế phân loại sản phẩm theo khối lượng, đóng gói và quản lý thơng tin sử dụng PLC S7 – 1200.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ MƠ HÌNH
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
3.1.1 Sơ Đồ Khối
Hình 3.1: Lưu đồ giải thuật ngun lý hoạt động của mơ hình
3.1.2 Nguyên Lý Hoạt Động
Khi bắt đầu khởi động hệ thống, thùng hàng được đặt ở băng tải nhận sản phẩm đi đóng gói, sẽ di chuyển đến cảm biến phát hiện thùng và dừng thùng hàng tại vị trí mà cảm
cân được Loadcell đo được sẽ xác định sản phẩm đó có đạt trong khoảng giá trị mà người sử dụng đã cài hay không.
Trường hợp 1: Sản phẩm quá trọng lượng hoặc nhẹ hơn trọng lượng đã cài đặt thì tay
gạt sản phẩm lỗi sẽ chạy để loại bỏ sản phẩm, đồng thời cảm biến phát hiện lỗi sẽ phát hiện sản phẩm có đi tới hay chưa và đếm sản phẩm lỗi, nếu sản phẩm khơng có thực trên băng tải thì tay gạt sẽ giữ ngun vị trí gạt đến khi có sản phẩm đi qua.
Trường hợp 2: Sản phẩm đúng khối lượng trong khoảng đã cài đặt trước đó, tay gạt
khơng hoạt động lúc này, và sản phẩm trên băng tải thứ hai rơi xuống băng tải thứ nhất có thùng hàng đã dừng để chứa sản phẩm, bắt đầu đếm sản phẩm vào thùng. Khi đạt số lượng sản phẩm đã cài thì băng tải thùng hàng sẽ di chuyển để lấy thùng chứa tiếp theo, đồng thời băng tải cân sản phẩm cũng dừng lại và bắt đầu lại quá trình ban đầu.
3.2 BẢN VẼ ĐIỆN
- CPU 1214C sử dụng nguồn cấp 24 VDC, nguồn (+) vào chân L+ và nguồn (-) vào chân M
- Chân 1M kết nối với 0 VDC - Cảm biến phân loại đấu chân I0.1 - Nút nhấn Start đấu chân I0.3 - Nút nhấn Stop đấu chân I0.4
- Cơng tắc hành trình loại sản phẩm 1 đấu chân I0.5