1.3. Các b−ớc thiết kế hệ thống điều khiển lôgic
1.3.5. Ngôn ngữ lập trình trên PLC
Để biểu diễn ch−ơng trình điều khiển trên PLC, có ba ph−ơng pháp biểu diễn là:
- Sơ đồ hình thang LAD ( Ladder Diagram): Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình tương tự như sơ đồ tiếp điểm dùng rơle trong sơ đồ điện công nghiệp.
- Lưu đồ hệ thống điều khiển FBD (Function Block Diagram): Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểm dùng các cổng logic.
Theo ph−ơng pháp này, các tiếp điểm ghép nối tiếp đ−ợc thay thế bằng cổng AND(&), các tiếp điểm ghép song song đ−ợc thay thế bằng cổng OR(>=1), các tiếp
điểm thường đóng thì có cổng NOT(-1). Phương pháp này thích hợp cho đối tượng sử dụng có kiến thức về điện tử - đặc biệt về mạch số.
- Liệt kê danh sách lệnh STL (Statement List): Ph−ơng pháp STL dùng các từ viết tắt gợi nhớ để lập công thức cho việc điều khiể n, tương tự với ngôn ngữ assembler ở máy tính. Phương pháp này thích hợp cho đối t−ợng làm việc trong lĩnh vực tin học.
Ba phương pháp biểu diễn chương trình điều khiển trên PLC để dành cho ng−ời sử dụng thuộc 3 lĩnh vực:
- Ngành Điện công nghiệp th−ờng dùng ph−ơng pháp LAD - Ngành Điện tử th−ờng dùng ph−ơng pháp FBD
- Ngành Tin học th−ờng dùng ph−ơng pháp STL
Có loại PLC có thể sử dụng cả ba ph−ơng pháp biểu diễn trên( nh− Simatic S5), có loại chỉ sử dụng đ−ợc hai ph−ơng pháp biểu diễn (simatic S7), hay có loại chỉ sử dụng đ−ợc một ph−ơng pháp biểu diễn ( nh− Logo và Easy). Ngoài các loại ngôn ngữ đã giới thiệu ở trên thì còn có các loại ngôn ngữ sau:
+ Ngôn ngữ lập trình SCL(Structured Control Language) kiểu viết ch−ơng trình này sử dụng ngôn ngữ Pascal rất phù hợp với những người đã viết các chương trình bằng ngôn ngữ máy tính.
+ Ngôn ngữ lập trình S7 - Graph.
+ Ngôn ngữ lập trình S7 - HiGraph. Đây là loại ngôn ngữ viết ch−ơng trình rất phù hợp cho các bài toán làm việc có tính tuần tự. Tại mỗi thời điểm chỉ có một b−ớc
đ−ợc thực hiện với kiểu lập trình này ng−ời lập trình phải sử dụng ph−ơng pháp lập trình có cấu trúc.
Ch−ơng 2: Nghiên cứu điều khiển và lập trình bằng PLC S7 – 200
2.1. Khái niệm chung về Simatic S7 – 200 2.1.1. Giới thiệu chung.
PLC , viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển logic lập trình đ−ợc, hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.
S7 – 200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng siemens(CHLB Đức), có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng.
Các module này đ−ợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối xử lý trung tâm CPU. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì các PLC hiện nay đã có rất nhiều loại CPU khác nhau nh−
CPU214, CPU 224….Để phân biệt các CPU này ng−ời ta dựa vào số l−ợng đầu vào và đầu ra của các CPU và nguồn cung cấp.
S7 -200 có nhiều loại module mở rộng khác nhau nh− : EM231, EM232, EM235….
Do điều kiện thực tế của đề tài chung ta sử dụng SIMATIC S7 -200 với CPU224. Vì vậy trong đề tài chung ta đi tìm hiểu tổng quát về cấu trúc của Simatic S7 – 200 víi CPU224.
2.1.2. Cấu trúc của Simatic S7 – 200 CPU224
S7 – 200 với CPU 224 có đầy đủ các tính năng kỹ thuật của S7 – 200 thế hệ tr−ớc nó và những cải tiến về kỹ thuật v−ợt trội thế hệ tr−ớc.
+ Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224.
- Với kích th−ớc nhỏ gọn tiết kiệm rất nhiều không gian, có −u điểm là sử dụng một cách thuận tiện đơn giản là có thể kết nối trực tiếp với cảm biến và bộ mã hoá với dòng điện 280mA có thể sử dụng nh− một dòng điện tải
- Tích hợp đầu vào/ra số: CPU 224 có 14 đầu vào và 10 đầu ra Hình 2.1: Simatic S7 - 200 với khối vi xử lý 224
- Bộ nhớ ch−ơng trình 8 KB bộ nhớ dữ liệu 5 KB.
- Có 7 module mở rộng thêm các cổng vào và cổng ra bao gồm cả module Analog
- Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào t−ơng t ự và 7 đầu ra t−ơng tù.
- Có 256 bộ timer chia làm ba loại có độ phân giải khác nhau, 4 bộ timer 1ms, 16 bộ timer 10ms và 236 bộ timer 100ms.
- Có 256 bộ đếm có thể đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và đếm lùi.
- Hai bộ điều chỉnh t−ơng tự
- Hai bộ phát xung tốc độ cao, tần số 20KHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.
- Tốc độ xử lý logíc 0,37μ s.
- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt , ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc ngắt sườn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.
- Để ghép nối CPU 224 với máy lập trình có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua MPI. Cáp đó đi kèm theo máy lập trình. Ghép nối CPU 224 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485.
- Có thể mở rộng cổng vào ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó cách module mở rộng về phía bên phải CPU làm thành một móc xích.
- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt cho phép PLC thực hiện các quá trình với tốc
độ cao, phản ứng kịp thời với các sự kiện bên trong và bên ngoài.
- CPU 224 không thể lập trình bằng việc sử dụng Step7 – Micro/Dos. Để lập trình cần phải thông qua bộ giao diện nối tiếp của thiết bị lập trình PC, đòi hỏi một cáp PC/PPI. Khi sử dụng phần mềm lập trình Step7- Micro/Win32, việc lập trình có thể thông qua Simatic CPS CP 551 hoặc CP561 hoặc giao diện MPI của thiết bị lập trình.
- Để việc ứng dụng các PLC đ−ợc hiệu quả và khả năng làm việc của của PLC với quy trình công nghệ phức tạp mà đối t−ợng điều khiển có số l−ợng đầu
kiểu module. Các CPU đ−ợc két nối thêm nhiều loại module mở rộng khác nhau.
Các module mở rộng vào/ra số hoặc các cổng vào ra t−ơng tự, tăng khả năng điều khiển cho các bộ PLC.
+ Mô tả các đèn báo trên S7 -200 của CPU 224
- Đèn đỏ SF: Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng, đèn SF sáng khi PLC có háng hãc.
- Đèn xanh RUN: Đèn xanh run chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và và thực hiện ch−ơng trình đ−ợc nạp vào trong PLC .
- Đèn vàng STOP: Chỉ định PLC đang ở chế độ dừng. Dừng chương trình
đang thực hiện lại.
- Đèn xanh Ix.x: Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của của cổng Ix.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
-Đèn xanh Qy.y. Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
+ Cổng truyền thông.
Các CPU của S7 – 200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối chín chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc đổ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600baud. Tốc độ truyền cùng cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 -38400 baud. Bộ chuyển đổi RS232 – RS485 phục vụ ghép nối truyền thông trực tiếp giữa máy tính và PLC.
Ghép nối máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485. Sau đây là sơ đồ cổng truyền thông.
Chân Giải thích Chân Giải thích
1 Đất 6 5VDC ( điện trở trong 100Ω) Hình 2.2 : Sơ đồ chân của
cổng truyền thông.
5 4 3 2 1
9 8 7 6
2 24VDC 7 24VDC (120mA tèi ®a) 3 Truyền và nhập dữ liệu 8 Truyền và nhận dữ liệu 4 Không sử dụng 9 Không sử dụng
5 §Êt
+Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC.
Các PLC S7 – 200 có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau cho CPU.
- Run cho phép PLC thực hiện ch−ơng trình trong bộ nhớ. PLC S7 – 200 sẽ rời khỏi chế độ Run và chuyển sang chế độ Stop nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chương trình gặp lệnh Stop thậm trí ngay khi công tắc ở chế độ Run. Do đó nên quan sát trạng thái thực tại của PLC thông qua đèn báo
- Stop c−ỡng bức PLC dừng công việc thực hiện ch−ơng trình đang chạy và chuyển sang chế độ Stop, ở chế độ Stop PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một ch−ơng trình mới.
- Term cho phép máy lập trình tự quyết định một chế làm việc cho PLC hoặc ở Run hoặc ở Stop.
+ Cấu trúc bộ nhớ của CPU224.
Bộ nhớ của S7 – 200 đ−ợc chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ
liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ của S7 – 200 có tính năng động cao đọc và ghi d−ợc trong toàn vùng loại trừ các Bit nhớ đặc biệt đ−ợc ký hiệu bởi SM chỉ có thể truy nhập để đọc. Vùng nhớ được mô tả trên hình vẽ dưới
®©y.
EEPROM Miền nhớ ngoài
Ch−ơng trình Ch−ơng trình Ch−ơng trình
Tham sè Tham sè Tham sè
Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu
Tô
Hình 2.3: Cấu trúc bộ nhớ của CPU
- Vùng chương trình: Là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh của chương trình. Vùng này thuộc kiểu Non – Volatile đọc/ghi được.
- Vùng tham số: Là miền lưu giữ các tham số như từ khoá , địa chỉ trạm…Cũng giống nh− vùng ch−ơng trình vùng tham số thuộc kiểu
Non – Volatile đọc/ghi đ−ợc.
-Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đếm truyền thông…Vùng dữ liệu là một miền nhớ động, nó có thể truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn…..
Vùng dữ liệu lại đ−ợc chia ra thành những miền nhớ nhỏ có công dụng khác nhau. Đó là các miền sau:
V – Vairable Memory(miền nhớ)
I – Input Image Reister(bộ đệm cổng vào) O – Output Image Reister(bộ đệm cổng ra) M – Internal Memory Bits(vùng nhớ nội) SM – Special Menory Bits(vung nhớ đặc biệt)
-Vùng đối tượng: Được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm hay timer…Dữ liệu kiểu đối t−ợng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối t−ợng chỉ đ−ợc nghi theo mục
đích cần sử dụng đối t−ợng đó.
Trong bốn vùng nhớ của CPU S7 - 200 trên thì vùng nhớ dữ liệu, vùng nhớ đối t−ợng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một ch−ơng trình mà ta soạn thảo và điều khiển.
+ Kết nối PLC.
Để tìm hiểu và ứng dụng PLC trong các dây chuyền sản xuất ta cần biết cách ghép nối PLC với các thiết bị ngoại vi nh− cảm biến hay các cơ cấu chấp hành.
Việc kết nối nguồn cung cấp cho CPU và nối các đầu vào ra cho CPU đ−ợc thể hiện trên hình sau:
Hình 2.3: Sơ đồ kết nối PLC
Qua sơ đồ ta thấy nguồn cung cấp cho các đầu vào và ra của CPU là 24VDC.
Các đầu cuối của S7 – 200 đ−ợc nối đất để đảm bảo an toàn và để khử nhiễu cho tín hiệu.
Nguồn cung cấp cho cảm biến cũng là 24VDC cũng là nguồn một chiều có thể sử dụng làm nguồn nuôi cho các Module mở rộng, sử dụng cho các đầu vào cơ
sở, các cuộn Rơle mở rộng.
+Các module mở rộng
Simatic S7 – 200 có rất nhiều loại module mở rộng. Tiêu biểu là các module EM231, EM232, EM235…Các module mở rộng t−ơng tự và số có thể mở rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các module mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thanh một móc xích. Địa chỉ của các vị trí của các module
được xác định cùng kiểu. Các module mở rộng số hay tương tự đều chiếm chỗ trong
§ ể hiểu thê m về
cách ghÐp nèi các mod
ule mở rộng thi ta tìm hiểu cách ghép nối của hai module mở rộng đó là: EM231, EM235
Sơ đồ nối thiết bị vào/ra của Module mở rộng nh− sau:
Loại Module
Số l−ợng
đầu vào
Số l−ợng
®Çu ra
Tín hiệu
đầu vào
Tín hiệu
®Çu ra
KÝch th−íc
Réng x cao x s©u (mm)
EM221 8 0 24VDC 0
EM222 8 0 0 24VDC 46 x 80 x62
EM223 4 ÷ 16 4 ÷ 16 24VDC 24VDC (46 ÷ 173,3) x 80 x 62
EM231 4 0 Analog 0 71,2 x 80 x62
EM232 0 2 Analog Analog 46 x 80 x 62 EM235 4 1 Analog Analog 71,2 x 80 x62