12 – 24 VDC
2.5.2 Những đặc điểm của PLC
PLC có những đặc điểm sau: - Thiết bị chống nhiễu tốt
- Kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra. - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính - Độ tin cậy cao, kích thước gọn nhỏ
- Bảo trì dễ dàng
2.5.3 Phân loại PLC S7 200
Việc phân loại S7 200 dựa vào loại CPU mà nó được trang bị. Các loại PLC thông dụng như CPU 222, CPU 224, CPU 224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 XP.
Cổng mở rộng các ngõ vào ra của PLC Led ngõ ra của PLC Led ngõ vào của PLC Trạng thái hoạt động của PLC Tùy chọn mở rộng bộ nhớ hoặc RTC Cổng truyền thông nối tiếp
Thông thường S7 200 được phân ra làm hai loại chính dựa vào nguồn điện áp cấp cho CPU hoạt động
+ Loại cấp điện áp 220 VAC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC) - Ngõ ra: Relay
- Ưu điểm: ngõ ra là relay do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau.
- Nhược điểm: Do ngõ ra là relay nên thời gian đáp ứng không được nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung hoặc output tốc độ cao.
+ Loại cấp điện áp 24 VDC
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24 VDC (15 VDC – 30 VDC) - Ngõ ra: Transistor
- Ưu điểm: ngõ ra là transistor do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, output tốc độ cao.
- Nhược điểm: Do ngõ ra là transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24 VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra khác nhau. Trong trường hợp này phải thông qua một relay đệm 24 VDC.
Sau đây là bảng cung cấp cho chúng ta các thông số của các loại CPU của S7 200
Đặc điểm CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
Kích thước
(mm) 90x80x62 90x80x62 120,5x80x62 190x80x62 Bộ nhớ ROM 2048 Words 2048 Words 4096 Words 4096 Words Bộ nhớ RAM 1024 Word 1024 Word 2056 Word 2056 Word Số cổng logic vào 6 8 14 24 Số cổng logic ra 4 6 10 16 Module mở rộng Không 2 7 7 Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128 AnalogI/O cực
đại Không 16 In/16 Out 32 In/32 Out 32 In/32 Out
Bộ đếm 256 256 256 256 Bộ định thời 256 256 256 256 Tốc độ xử lý lệnh 0,37 s µ 0,37 µs 0,37 µs 0,37 µs Khả năng lưu trữ khi mất điện
50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ
Cổng giao tiếp 1 – RS 485 1- RS 485 1- RS 485 2 – RS 485 Bảng 2. 5 Thông số của các loại CPU dòng S7 200 [2]
2.5.4 Chức năng hình dạng bên ngoài PLC S7 200 CPU 224
CPU 224 có 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng kết nối thêm 7 modul mở rộng - Các đèn báo trên S7 200 CPU 224 (Hình 2.11)
+ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi.
+ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN, chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã nạp vào máy.
+ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP, chỉ PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại.
- Đèn cổng vào ra
+ Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng. Đèn
này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của công tắc.
+ Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
2.5.5 Cấu trúc bên trong
Cũng như các loại PLC tiêu biểu khác, PLC S7 200 gồm có 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất.
- Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. - Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24 VDC) cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất.
Hình 2. 12 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7 200 [2] PLC Sensors SW Bộ xử lý ( CPU) Bộ nguồn công suất Giao diện nhập Giao diện xuất Bộ nhớ Thiết bị điều khiển Thiết bị lập trình
- Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
- Các thành phần giao diện nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến, nút ấn,...Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid, bơm, đèn, chuông,...
2.5.6 Đặc điểm ngõ vào ra của PLC S7 200
1. Đặc điểm ngõ vào
- Mức logic 1: 24 VDC / 7mA - Mức logic 0: 0 – 5 VDC / 1mA - Đáp ứng thời gian: 0,2 ms - Địa chỉ ngõ vào: Ix.x 2. Đặc điểm ngõ ra - Ngõ ra relay
- Điện áp tác động: 24 – 28 VDC/2A - Chịu quá dòng đến 7A
- Điện trở cách ly nhỏ nhất là : 100Mega Ohm - Điện trở công tắc là: 200 mili Ohm
- Thời gian chuyển mạch tối đa: 10 ms - Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch 3. Nguồn cung cấp
- Điện áp nguồn 24VDC - Dòng tối đa 900 mA
- Cầu chì bên trong 2A / 250V
Hình 2. 13 Sơ đồ I/O của CPU 224 với nguồn cấp là 24VDC [2]
2.5.7 Cáp truyền thông
PLC S7 200 và PC hoạt động, trao đổi dữ liệu qua cáp PC/PPI
Hình 2. 14 Cáp PC/PPI kết nối RS232 và RS485 [3]
2.5.8 Thực hiện chương trình
- PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc
(END). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo tới các cổng ra.
Hình 2. 15 Vòng quét trong PLC S7 200
- Như vậy tại thời điểm vào/ra thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra [2].
2.5.9 Phần mềm lặp trình của PLC S7 200
- STEP7 MicroWin chạy trên hệ điều hành Windows, phần mềm này làm nhiệm vụ trung gian giữa người lặp trình và PLC. Có 3 khối lập trình chính: khối chương trình (Program Block), khối dữ liệu (Data Block) và khối hệ thống (System Block). Ngoài ra PLC S7 200 còn 4 khối lập trình phụ là: khối định nghĩa các ký hiệu (Symbol table), khối xem trạng thái các biến (Status chart), khối tham chiếu (Cross Reference) và khối truyền thông (Communication) [3].
- Trong STEP7 MicroWin có 3 cách soạn thảo một chương trình: soạn thảo chương trình dưới dạng thang (Ladder), dạng câu lệnh STL (Statement list) và sơ đồ khối FBD (Function Block Diagram). Trong 3 cách soạn thảo trên, soạn thảo chương trình bằng ladder là thông dụng nhất vì cho phép người lập trình quan sát được chương trình đang chạy một cách trực quan, việc chuyển đổi từ dạng soạn thảo này sang dạng soạn thảo khác một cách dễ dàng.
- Cấu trúc chương trình gồm: chương trình chính (Main program), chương trình con (Subroutine) và chương trình con phục vụ ngắt (Interrupt).
+ Ngôn ngữ lập trình Ladder
Ladder là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng trong Ladder tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle
- Các lệnh về Bit:
+ Load (LD): tiếp điểm thường hở NO. Lệnh Load được dùng khi một tín hiệu vào cần hiện hữu để output ON. Chương trình thí dụ: khi I0.0 ON thì Q0.0 ON.
1. Nhập dữ liệu từ ngoại Vi vào bộ nhớ ảo
2. Thực hiện chương trình
3. Truyền thông và tự kiểm tra lỗi
4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi
Hình 2. 16 Mô tả lệnh Load
+ Load Not (LDN): tiếp điểm thường đóng NC. Lệnh LOAD NOT được dùng khi tín hiệu vào không cần hiện hữu vẫn làm output ON. Chương trình thí dụ: khi I0.0 OFF thì Q0.0 ON.
Hình 2. 17 Mô tả lệnh Load Not
+ And (A): lệnh đấu nối tiếp một tiếp điểm NC. Chương trình thí dụ: khi I0.0 ON, I0.1 OFF thì ngõ ra Q0.0 ON. Nếu I0.0 và I0.1 đều OFF thì ngõ ra Q0.0 sẽ OFF.
Hình 2. 18 Mô tả lệnh đấu nối tiếp
+ Or (O): lệnh đấu song song một tiếp điểm NO. Chương trình thí dụ: khi I0.0 và M0.0 đều ON thì ngõ ra sẽ ON, nếu một trong hai tiếp điểm ON thì ngõ ra ON, nếu cả hai đều OFF thì ngõ ra sẽ OFF.
Hình 2. 19 Mô tả lệnh đấu song song
+ Set – Reset (S - R): SET (Một khi điều kiện ON, hàm này sẽ giữ tiếp điểm ở ngõ ra trạng thái ON cho dù điều kiện vào có OFF). RESET (Một khi điều kiện vào ON, hàm sẽ giữ trạng thái OFF cho dù điều kiện vào có ON).
Hình 2. 20 Mô tả lệnh Set và Reset
+ Và còn nhiều lệnh về bít khác (Xem thêm phần phụ lục).
- Các lệnh về Timer: Có chức năng tương tự như các rơle thời gian, PLC S7-200 có 3 loại timer: TON (Timer ON Delay), TOFF (Timer OFF Delay) và TONR (Timer ON Delay có nhớ). Và còn nhiều lệnh timer khác.
+ Timer ON Delay: lệnh đếm thời gian khi ngõ vào cho phép ON, bit của Timer ON khi giá trị hiện tại lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước (PT) và bit OFF khi ngõ vào OFF hoặc gặp lệnh Reset.
Hình 2. 21 Mô tả lệnh TON
+ Timer OFF Delay: lệnh đếm thời gian giống như Timer ON Delay, nhưng khác ở chỗ bit của lệnh sẽ ON ngay lặp tức khi ngõ vào cho phép ON, khi ngõ vào cho phép OFF thì sau khoảng thời gian đặt trước timer sẽ OFF.
Hình 2. 22 Mô tả lệnh Timer Off delay
+ Timer ON có nhớ (TONR): nguyên tắc hoạt động giống như Timer ON delay, nhưng khác nhau ở chỗ giá trị đặt của timer có thể được giữ mặc dù ngõ vào cho phép đã OFF.
Hình 2. 23 Mô tả lệnh Timer ON có nhớ - Giá trị độ phân giải
Timer Độ phân giải(ms) Giá trị đếm cực đại (s) Số hiệu Timer
10 327.67 T1 - T4, T65 – T68
100 3276.7 T5 – T31, T69 – T95
TON, TOFF 1 32.767 T32, T96
10 327.67 T33 – T36, T97 – T100
100 3276.7 T37 – T63, T101 –T255
Bảng 2. 6 Các loại Timer và độ phân giải tương ứng [3]
- Các lệnh điều khiển Counter: Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xung trong S7-200. Các bộ đếm của S7-200 được chia làm 3 loại: Bộ đếm lên (CTU), bộ đếm xuống (CTD) và bộ đếm lên/xuống (CTUD). Và còn nhiều lệnh đếm khác + Bộ đếm lên CTU: đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số lần thay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu. Số sườn xung đếm được, được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm.
Hình 2. 24 Lệnh đếm lên được trình bày dưới dạng Ladder
+ Bộ đếm xuống CTD: nguyên tắc hoạt động giống như lệnh đếm lên nhưng đếm số xung xuống ở giá trị đặt trước đến khi bằng 0 thì bit của số hiệu sẽ chuyển trạng thái từ OFF lên ON. Nếu ngõ vào LD lên mức 1 thì bộ đếm sẽ load giá trị đặt trước và không thể đếm được.
Hình 2. 25 Lệnh đếm xuống được trình bày dưới dạng Ladder
+ Bộ đếm lên/xuống CTUD: đếm lên khi gặp sườn lên của xung vào, ký hiệu là CU và đếm xuống khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm xuống, ký hiệu là CD. Đầu vào Reset đặt lại trạng thái đầu của bộ đếm.
Hình 2. 26 Lệnh đếm lên xuống - Lệnh gọi chương trình con và lệnh nhảy:
+ Chương trình con (Subroutine) là tập hợp một số lệnh để thực hiện một công việc nào đó, chương trình con được thực thi khi và chỉ khi có chương trình khác gọi nó. Có thể là chương trình chính hoặc từ một chương trình con khác.
Hình 2. 27 Mô tả lệnh gọi chương trình con
+ Lệnh nhảy (Jumper): Khi ngõ vào cho phép chương trình sẽ thực hiện lệnh nhảy, sẽ nhảy tới nhãn tương ứng, khi đó đoạn chương trình ở giữa lệnh nhảy và nhãn sẽ được bỏ qua ở chu kỳ đó. Ký hiệu của nhãn nhảy phải là một số nguyên n.
Hình 2. 28 Mô tả lệnh nhảy
- Các lệnh so sánh (Compare): Lệnh so sánh số học, so sánh hai byte, so sánh 2 số nguyên đơn hoặc số nguyên kép, so sánh 2 số thực,…Khi IN1 và IN2 thỏa điều kiện so sánh trước đó thì tiếp điểm ngõ ra sẽ kín mạch.
+ IN1 >= IN2 so sánh lớn hơn hoặc bằng + IN1 <= IN2 so sánh nhỏ hơn hoặc bằng + IN1 > IN2 so sánh lớn hơn
+ IN1 < IN2 so sánh nhỏ hơn + IN1 <> IN2 so sánh khác
- Các lệnh di chuyển (Move): Trong S7-200 có các hàm Move sau: + Move_B: di chuyển các giá trị cho nhau trong giới hạn 1 Byte
+ Move_W: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Word + Move_DW: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Dword + Move_R: di chuyển các giá trị thực cho nhau trong giới hạn 1 Dint
- Các lệnh số học (Integer Math, Floating-Point Math): + Lệnh ADD_I: cộng 2 số nguyên 16 bit
+ Lệnh SUBB_I: trừ 2 số nguyên 16 bit
+ Lệnh Mul_I, DIV_I: nhân, chia 2 số nguyên 16 bit Tương tự ta có các lệnh đối với số thực, số nguyên 32 bit - Các hàm chuyển đổi
+ B_I: Đổi từ Byte sang Int và ngược lại
+ I_DI: Đổi từ số nguyên 16 bit sang số nguyên 32 bit và ngược lại + DI_R: Đổi số nguyên 32 bit sang số thực
+ BCD_I: Đổi số BCD 16 bit sang số nguyên 16 bit và ngược lại
- Trong trường hợp việc đổi từ số dung lượng nhỏ sang dung lượng lớn hơn (như từ Byte sang Int, từ Int sang Dint,...) thì chương trình luôn thực thi.
- Còn trường hợp ngược lại: Nếu giá trị chuyển bị tràn ô nhớ thì chương trình sẽ không thực thi và Bit tràn SM1.1 sẽ bật lên 1.
+ Phương pháp lập trình điều khiển
- Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc của bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình.
- Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, không cần thay đổi cách đấu dây bên ngoài, đó là ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển đấu cứng. Do đó, phương pháp
này rất mềm dẻo được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp.
- Phương pháp điều khiển lập trình thực hiên theo các bước sau
Hình 2. 29 Các bước điều khiển chương trình
2.6 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC 6.0 SP22.6.1 Các đặc điểm chính của WinCC 2.6.1 Các đặc điểm chính của WinCC
- WinCC (Windows Control Center) là một phần mềm của hãng Siemens dùng để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa hẹp WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với các chức năng chính là thu thập dữ liệu, giám
