CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200
2.2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH S7-200
2.2.6. Nguồn nuôi bộ nhớ và pin
Nguồn nuôi dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trình mới.
Nguồn pin có thể sử dụng để mở rộng thời gian lưa trữ các dữ liệu có trong bộ nhớ. Nguồn pin tự động được chuyển sang trạng thái tích cực nếu như dụng lượng tụ nhớ cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu bộ nhớ không bị mất đi.
Hình 2.2. Bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài của S7-200.
Vùng chương trình: là miền nhớ được sử dụng để lưa trữ các lệnh chương trình (có thể đọc/ ghi được).
Vùng tham số: là miền lưa trữ các tham số nhớ từ khóa, địa chỉ trạm cũng có thể đọc/ghi được).
Vùng dữ liệu: được dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả phép tính, bộ đệm truyền thông…
Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra. Vùng này không thuộc kiểu Non-voletile nhưng đọc/ghi được.
Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình.
Vùng dữ liệu lại được chia thành những vùng nhớ nhỏ, được ký hiệu như sau:
V - Variable memory (miền nhớ có thể thay đổi: đọc/ghi được).
I - Input image register (vùng đệm cổng vào).
O - Output image register (vùng đệm cổng ra).
M - Internal memory bits (vùng nhớ nội).
SM - Special memory bits (vùng nhớ đặc biệt).
Tất cả các miền này đều truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn, từng
từ kép.
2.3. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH TRONG PLC S7-200.
Các chương trình trong PLC S7-200 có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt.
Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình MEND.
Chương trình con là bộ phận của chương trình chính và được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính.
Chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chươngtrình chính. Nếu cần sử dụng thì chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính.
2.4. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH S7-200
2.4.1. Phương pháp lập trình.
S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. Chương
trình bao gồm một tập dãy các lệnh. S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng. Một vòng như vậy gọi là một vòng quét (Scan cycle).
Một vòng quét (Scan cycle) được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào, và sau đó thực hiện chương trình. Scan cycle kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra. Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7-200 thực thi nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông.
Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của siemens nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản: phương pháp hình thang (Ladder Logic – viết tắt là LAD) và phương pháp liệt kê lệnh (Statement List – viết tắt là STL).
2.4.2. Định nghĩa về LAD:
LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thàng phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau:
Tiếp điểm: là biểu tượng mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó
có thể thường hở hoặc thường đóng
Cuộn dây (Coil): là biểu tượng mô tả rơle được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle.
Hộp (Box): là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải mắc đúng theo chiều dòng điện.
Mạng LAD: là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường
Nguồn bên phải là dây trung hòa hay đường dây trở về nguồn cung cấp. Dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đóng đến cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn.
2.5. THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH.
PLC thực hiện chương trình tự 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 đệm 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 (MEND).
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 đệm ảo tới các cổng ra.
Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đếm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đếm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4
do CPU quản lý.
Trong quá trình làm việc khi gặp lệnh khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ tất cả mọi công việc đang thực hiện, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra.
Hình 2.3. Chu kỳ vòng quét của PLC.
Nếu sử dụng chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Các chương trình xử lý
4.Chuyển
dữ liệu từ
bộ đệm ảo
ra ngoại vi
2.Thực hiện chương trình
3.Truyền thông nội bộ và kiểm lỗi 1.Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ
ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.
2.6 TẬP LỆNH LẬP TRÌNH PLC SIEMENS S7-200
2.6.1. Tiếp điểm thường mở
LAD Tiếp điểm thường mở sẽ đóng
lại khi giá trị của bit có địa chỉ
là n bằng 1
Toán hạng n: I, Q, M, SM, T,
C, V
2.6.2. Tiếp điểm thường đóng
LAD Tiếp điểm thường đóng sẽ
đóng lại khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 0
Toán hạng n: I, Q, M, SM, T,
C, V
2.6.3. Lệnh out
LAD Gía trị của bit có địa chỉ là
n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại
Toán hạng n: Q, M, SM, T,
C, V. Chỉ sử dụng 1 lệnh Out cho 1 địa chỉ
2.6.4. Lệnh set
LAD Gía trị của các bit có địa chỉ
đầu tiên là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng
1. Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái. Trong đó số bit là giá trị của i
Toán hạng n: Q, M, SM, T,
C, V.
I: IB, QB, MB, SMB, VB,
AC, hằng số
2.6.5 Lệnh reset
LAD Gía trị của các bit có địa
chỉ đầu tiên là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1. Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái. Trong đó số bit là giá trị của i
Toán hạng n: Q, M, SM, T,
C, V.
I: IB, QB, MB, SMB, VB,
AC, hằng số
2.6.6 Bộ định thời timer
LAD Khi ngõ vào chân IN lên mức 1
thì bộ định thời Ton hoạt động đếm thời gian, khi thời gian đếm được lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT thì các tiếp điểm của bộ định thời tác động. Các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại và các tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra
Khi ngõ vào chân IN xuống mức 0 thì thii gian đếm được sẽ reset đi, bộ Ton ngừng hoạt động và tiếp điểm của bộ định thời thường mở sẽ mở và tiếp điểm thường đóng sẽ đóng Toán hạng : Txxx Ton 1ms : T32, T96
10ms : T33->T36 ; T97->T100
100ms : T37->T63 ; T101-
>T255
2.6.7 Lệnh ưu tiên cho set
LAD Khi đầu vào chân S1 và chân R.
Nếu chân S1ở mức 1 và chân R ở mức 0 thì đầu ra của nó là mức 1
Nếu chân S1 ở mức 0 và chân R ở mức 1 thì đầu ra của nó là mức 0 Nếu chân S1 và chân R đều ở mức 1
Với: Bit: địa chỉ cần điều khiển
S1: ngõ vào Set và ưu tiên cho SetR: ngõ vào Reset
Out: ngõ ra có thể nối với một địa chỉ dạng bit
SR: kí hiệu gợi nhớ khâu SR
2.6.8 Lệnh ưu tiên cho reset
LAD Khi đầu vào chân S và chân R:
Nếu chân S ở mức 0 và chân R1
ở mức 1 thì đầu ra của nó là mức 0
Nếu chân S ở mức 1 và chân R1
ở mức 0 thì đầu ra của nó là mức 1
Nếu chân S và chân R1 đều ở mức 1 thì đầu ra sẽ nhận giá 0 Với: Bit: địa chỉ cần điều khiển S: ngõ vào Set
R1: ngõ vào Reset và ưu tiên cho Reset
Out: ngõ ra có thể nối với một địa chỉ dạng bit
SR: kí hiệu gợi nhớ khâu RS
2.6.9 Lệnh các bit đặc biệt
Bit Chức năng
SM0.0 Bit luôn luôn có trạng thái 1
SM0.1 Bit có trạng thái 1 ở vòng quét đầu tiên của chương trình
SM0.2 Bit báo dữ liệu bị thất lạc (0: dữ liệu còn đủ, 1: dữ liệu bị thất lạc).
SM0.3 Bit báo PLC được đóng nguồn. (1: ở vòng quét đầu tiên, 0: ở các vòng
quét còn lại).
SM0.4 Bit tạo ra xung có chu kỳ 1 phút (0: trong 30s đầu, 1 trong 30s sau).
SM0.5 Bit tao xung có chu kỳ 1s (tần số 1 Hz) (0: trong 0,5s đầu; 1 trong 0,5 s
sau).
SM0.6 Bit lên 1 ở một vòng quét và xuống 0 ở vòng quét tiếp theo. Nó được sử
dụng để làm ngõ vào của bộ đếm vòng quét.
SM0.7 Bit báo vị trí của công tắc chọn chế độ làm việc của PLC (0:
TERM, 1: RUN).
2.7. GIỚI THIỆU VỀ TIMER VÀ COUNTER
2.7.1. Lệnh điều khiển Timer.
Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển thường được gọi là khâu trễ.
S7-200 từ CPU 214 trở lên có 128 Timer được chia làm 2 loại khác nhau đó là:
Timer tạo thời gian trễ không có nhớ có nghĩa là khi tín hiệu logic vào IN ở mức 0 thì Timer sẽ bị reset. Timer Txx này có thể Reset bằng 2 cách đó là cho tín hiệu logic vào bằng 0 hoặc dùng lệnh R Txx (trong STL) để Reset lại Timer Txx. Timer này được dùng để tạo thời gian trễ trong một thời gian liên tục kí hiệu là TON.
Timer tạo thời gian trễ có nhớ nghĩa là khi tín hiệu logic vào IN ở mức 0 thì Timer này không chạy nữa, nhưng khi tín hiệu lên mức cao lại thì Timer lại tiếp tục chạy tiếp. Timer này có thể Reset bằng cách dùng lệnh R Txx (trong STL) để Reset lại Timer Txx. Timer này được dùng để tạo thời gian trễ trong một thời gian gián đoạn (trong nhiều khoảng thời gian khác nhau) kí hiệu là TONR.
Cả hai loại Timer trên đều chạy đến giá trị đặt trước PT thì nó tự dừng lại nếu muốn cho nó hoạt động lại thì ta phải Reset lại.
Timer có những tính chất sau:
Các bộ Timer đều được điều khiển bởi một cổng vào và một giá trị đếm tức thời. Giá trị đếm tức thời được lưa trong một thanh ghi 2byte (gọi là Tword) của Timer xác định khoảng thời gian trễ được kích. Giá trị đếm tức thời của Timer luôn được
so sánh với giá trị PT đặt trước.
Timer có 3 độ phân giải đó là 1ms, 10ms, 100ms và phân bố các Timer trong CPU 224 như sau:
Cú pháp khai báo sử dụng Timer trong LAD như sau:
Lệnh Độ phân
giải
Giá trị cực
đại Tên Timer
TON
1 ms 32,767 s T32 ; T96
10 ms 32,767 s T33 T36
T97 T100
100 ms 32,767 s
T37 T63
T101 T127
TONR
1 ms 32,767 s T0 ; T64
10 ms 32,767 s T1 T4
T65 T68
100 ms 32,767 s
T5 T31 T69 T95
2.7.2. Lệnh điều khiển Counter.
Counter là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn xung trong S7-200. Các bộ đếm của S7-200 được chia làm 2 loại: Bộ đếm tiến lên (CTU) và trong bộ đếm tiến lùi (CTUD).
Bộ đếm tiến 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. Số sườn xung đếm được, được ghi vào thanh ghi 2byte của bộ đếm gọi là thanh ghi C_word.
Nội dung của C_word, gọi là giá trị đếm tức thời của bộ đếm, luôn được so sánh với giá trị đặt trước của bộ đếm, được ký hiệu là PV. Khi giá trị đếm tức thời bằng hoặc lớn hơn giá trị đặt trước này thì bộ đếm báo ra ngoài bằng cách đặt giá trị logic 1 vào 1bit đặc biệt của nó gọi là C_bit. Trường hợp giá trị đếm tức thời nhỏ hơn giá trị đặt trước thì C_bit có giá trị logic 0.
Chân nối với tín hiệu điều khiển xóa để thực hiện đặt lại chế độ khởi phát ban đầu (Reset) cho bộ đếm được ký hiệu bằng R (trong LAD). Bộ đếm được Reset khi tín hiệu xóa này có mức logic hoặc khi lệnh R được thực hiện với C_bit. Khi bộ đếm được Reset, cả C_bit và C_word đều nhận giá trị bằng 0.
Bộ đếm tiến - lùi (CTUD) đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm tiến,
ký hiệu là CU trong LAD hoặc bit thứ 3 của ngăn xếp trong STL, và đếm lùi khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm lùi, ký hiệu là CD trong LAD hoặc bit thứ 2 của ngăn xếp trong STL. CTUD cũng được đưa về trạng thái ban đầu bằng 2 cách: Khi đầu vào của logic của chân xóa, ký hiệu R trong LAD hoặc bit thứ nhất của ngăn xếp trong STL, có giá trị logic1. Bằng lệnh Reset với C_bit của bộ đếm. CTUD có giá trị đếm tức thời đúng bằng giá trị đang đếm và được ghi trong thanh ghi 2byte C_word của bộ đếm. Giá trị đếm tức thời luôn được so sánh với giá trị đặt trước PV của bộ đếm. Nếu giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước thì C_bit có giá trị logic bằng 1. Còn các trường hợp khác C_bit có giá trị logic bằng 0.
Bộ đếm tiến CTU có miền giá trị đếm tức thời từ 0 ÷ 32,767. Bộ đếm tiến lùi CTUD có miền giá trị đếm tức thời từ -32,767 ÷ 32,767.
2.8. CỔNG TRUYỀN THÔNG.
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự
do là từ 300 đến 38
5 4 3 2 1
9 8 7 6
Hình 2.4. Sơ đồ chân của cổng truyền thông.
Chân 1: Nối đất.
Chân 3: Truyền và nhận dữ liệu.
Chân 4: Không sử dụng.
Chân 5: Đất.
Chân 6: Nối nguồn 5 VDC.
Chân 7: Nối nguồn 24 VDC.
Chân 8: Truyền và nhận dữ liệu.
Chân 9: Không sử dụng.
Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc với các loại máy lập trình khác thuộc họ PG7xx có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua MPI. Cáp này đi kèm theo máy lập trình.
Ghép nối S7-200 với một máy tính PC thông qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485.
2.9 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC
2.9.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
PLC gồm 3 khối chức năng cơ bản: bộ xử lí, bộ nhớ và khối vào/ra. Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm, PLC thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm , sau đó trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng.
2.9.2 BỘ XỬ LÍ TRUNG TÂM
Bộ xử lí trung tâm (CPU-Central Processing Unit) điều khiển và quản lí tất cả hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ra được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MHz, tùy thuộc vào bộ xử lí sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC
và được dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả phần tử trong hệ thống.
2.9.3 BỘ NHỚ
Tất cả các PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:
ROM (Read Only Memory).
RAM (Random Access Menmory).
EEPROM (Electronic Erasable Programmable Read Only Memory).
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ nên hầu như các PLC đều sử dụng bộ nhớ EEPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ RAM có nguồn nuôi và bộ nhớ EEPROM. Ngoài ra PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các chức năng sau:
Bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra.
Bộ nhớ tạm cho các tác vụ định thì, đếm, truy xuất cờ.
Đối với PLC loại nhỏ thường có dung lượng cố định đủ áp ứng khoảng 80% hoạt động trong công nghiệp. Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn cho các sản phẩm của họ.
2.9.4 KHỐI VÀO/RA
Mọi hoạt động xử lí tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp thấp 5VDC và 15VDC (điện áp cho TTL và CMOS) trong khi tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể lớn hơn nhiều thường là từ 24VDC đến 240VDC với dòng rất lớn.
Khối vào/ra đóng vai trò là mạch chuyển tiếp giữa vi mạch PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động: nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách li. Tuy nhiên, khối vào/ra cho phép PLC kết nối với các mạch công suất nhỏ không cần khâu relay trung gian.
Ngõ ra dùng relay:
Có thể nối với cơ cấu tác động làm việc với cấp điện áp AC lẫn DC.
Cách li dạng relay nên có đáp ứng chậm.
Tuổi tho relay phụ thuộc vào dòng tải mạch công suất và tần số đóng ngắt tiếp điểm caa relay.
Ngõ ra dùng transistor: