3.2.1. Cấu trỳc phần cứng
3.2.1.1. Đặc điểm chung
S7-200 là loại PLC cỡ nhỏ của cụng ty Siemens (Đức).
Cấu trỳc S7-200 gồm 1 CPU và cỏc Module mở rộng cho nhiều ứng dụng khỏc nhau.
S7-200 gồm nhiều loại: CPU 212, 214, 215, 216, 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM.
Cú nhiều nhất 7 Module mở rộng khi cú nhu cầu tăng số ngừ vào/ra Digital, ngừ vào/ra Analog, kết nối mạng (AS-I, Profibus).
Mỗi CPU cú từ 1 đến 2 vớt chỉnh định tương tự, cú thể xoay được một gúc 270°, dựng để thay đổi giỏ trị của biến sử dụng trong chương trỡnh.
Pin và nguồn nuụi bộ nhớ: Sử dụng tụ vạn năng và Pin. Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt, PLC sẽ tự động chuyển sang sử dụng năng lượng từ Pin.
Hỡnh 3.2.1.1: Hỡnh dạng và cấu trỳc bờn ngoài của PLC s7 200 - 224
Đặc điểm và thụng số của cỏc loại PLC S7-200 khỏc nhau được giới thiệu trong bảng sau: Đốn trạng thỏi ngừ ra Đốn trạng thỏi ngừ vào Loại CPU Đốn trạng thỏi PLC Chõn cắm ngừ ra Cổng truyền thụng Cỏp kết nối Cụng tắc Ngừ vào
Đặc trưng CPU 221 CPU 222 CPU224 CPU 226
Kớch thước (mm) 90x80x62 90x80x62 120.5x80x62 190x80x62 Bộ nhớ chương trỡnh 2048 words 2048 words 4096 words 4096 words
Bộ nhớ dữ liệu 1024 words 1024 words 2560 words 2560 words
Cổng logic vào 6 8 14 24
Cụng logic ra 4 6 10 16
Modul mở rộng None 2 7 7
Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128 Analog I/O cực đại None 16 In/ 16 Out 32 In/ 32 Out 32In/ 32 Out
Bộ đếm(Counter) 256 256 256 256
Bộ định thời(Timer) 256 256 256 256
Tốc độ thực thi lệnh 0.37às 0.37às 0.37às 0.37às
Lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ
Bảng 1: Thụng số của cỏc PLC s7 200 - 22x
3.2.1.2. Cỏc đốn trạng thỏi
Đốn RUN - màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trỡnh đó được nạp vào bộ nhớ chương trỡnh.
Đốn STOP - màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trỡnh đang thực hiện lại (cỏc đầu ra đều ở chế độ OFF).
Đốn SF - màu đỏ (TERM), đốn bỏo hiệu hệ thống bị hỏng cú nghĩa là lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành. Ở đõy cần phõn biệt rừ lỗi hệ thống với lỗi chương trỡnh người dựng, khi lỗi chương trỡnh người dựng thỡ CPU khụng thể nhận biết được vỡ trước khi download xuống CPU, phần mềm lập trỡnh đó làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi dịch sang mó mỏy.
Đốn Qx.x - màu xanh: Chỉ định trạng thỏi ON/OFF của đầu vào số.
3.2.1.3. Ngừ vào
Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC. Trạng thỏi mức logic 1 chuẩn: 24 VDC, 7mA. Trạng thỏi mức logic 0: tối đa 5 VDC, 1mA.
Đỏp ứng thời gian lớn nhất ở cỏc chõn I0.0 đến I1.5: cú thể chỉnh từ 0.2ms đến 8.7ms. Thời gian mặc định 0.2ms.
Sự cỏch ly về quang: 500 VAC. Địa chỉ ngỏ vào Ix.x.
3.2.1.4. Ngừ ra
Kiểu đầu ra Rơle hoặc Transistor cấp dũng điện. Điện ỏp mức 1: 24.4 đến 28.8 VDC.
Dũng tải tối đa 2A/điểm, 8A/common. Điện trở cỏch ly nhỏ nhất 100MΩ. Thời gian chuyển mạch tối đa 10ms.
Thời gian sử dụng: 10 triệu lần với cụng tắc cơ khớ; 100.000 với tốc độ tải. Điện trở cụng tắc: tối đa 200mΩ.
Khụng cú chế độ bảo vệ ngắn mạch.
3.2.1.5. Nguồn cung cấp
Điện ỏp cấp nguồn: 20.4 đến 24.8VDC. Dũng vào Max Load: 900mA tại 24 VDC. Cỏch ly điện ngỏ vào: khụng cú.
Thời gian duy trỡ khi mất nguồn: 10ms ở 24 VDC. Cầu chỡ bờn trong: 2A, 250VAC.
3.2.1.6. Cổng truyền thụng nối tiếp
Port truyền thụng nối tiếp sử dụng cổng RS485, 9 chõn sử dụng cho việc phối ghộp với PC, PG, TD200, TD200C, OP, mạng biến tần, mạng cụng nghiệp. (Hỡnh 3.2)
Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu PPI ở tốc độ chuẩn là 9600 Baud. Tốc độ truyền - nhận dữ liệu theo kiểu Freeport (tự do) là 300 ữ 38400 Baud.
Chõn Chức năng 1 GND 2 24 VDC 3 Tớn hiệu A của RS485 (RxD/TxD+) 4 RTS ( theo mức TTL) 5 GND 6 + 5 VDC
7 Nguồn cấp 24 VDC 120mA Max
8 Tớn hiệu B của RS485 (RxD/TxD) 9 Chọn lựa cỏch giao tiếp
Để ghộp nối S7-200 với cỏc mỏy tớnh PC qua cổng RS232 cần cú cỏp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi sang RS485, theo hỡnh sau:
Hỡnh 3.2.1.6: Chuyển đổi RS232 sang RS485
3.2.1.7. Cụng tắc chọn chế độ làm việc
Cụng tắc chọn chế độ RUN: Cho phộp PLC thực hiện chương trỡnh, khi chương trỡnh gặp lỗi hoặc gặp lệnh STOP thỡ PLC sẽ tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dự cụng tắc vẫn ở chế độ RUN (chỳ ý: nờn quan sỏt đốn trạng thỏi).
Cụng tắc chọn chế độ STOP: Khi chuyển sang chế độ STOP, dừng cưỡng bức chương trỡnh đang chạy, cỏc tớn hiệu ra lỳc này đều về OFF.
Cụng tắc chọn chế độ TERM: cho phộp người vận hành chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra ở chế độ này được dựng để Download chương trỡnh người dựng.
3.2.1.8. Giao tiếp với thiết bị ngoại vi
Thiết bị lập trỡnh loại PGxx được trang bị sẵn phần mềm lập trỡnh, chỉ lập trỡnh được với ngụn ngữ STL.
Mỏy tớnh PC: Hệ điều hành Win 95/98/ME/2000/NT4.x.
Trờn đú cú cài đặt phần mềm Step7 Micro/Win 32 và Step7 Micro/Dos. Hiện nay hầu hết sử dụng Step7 Mcro/Win 32 Version 3.0, 3.2, 4.0. V4.0 cho phộp người lập trỡnh cú thể xem được giỏ trị, trạng thỏi cũng như đồ thị của cỏc biến. Nhưng chỉ sử dụng được trờn mỏy tớnh cú cài đặt hệ điều hành Window 2000/ WinNT và PLC loại Version mới nhất hiện nay.
3.2.2. Cấu trỳc bộ nhớ S7-200 3.2.2.1. Phõn chia bộ nhớ 3.2.2.1. Phõn chia bộ nhớ
Bộ nhớ được chia làm 4 vựng cơ bản, hầu hết cỏc vựng nhớ đều cú khả năng đọc/ghi chỉ trừ vựng nhớ đặc biệt SM (Special Memory) là vựng nhớ cú số chỉ đọc.
Chuyển đổi
o Vựng nhớ chương trỡnh: Là miền bộ nhớ được dựng để lưu giữ cỏc lệnh.
chương trỡnh. Vựng này thuộc kiểu Non-Valatie đọc/ghi được.
o Vựng nhớ tham số: Là miền lưu giữ cỏc tham số như từ khoỏ, địa chỉ trạm...
cũng giống như vựng chương trỡnh, vựng này thuộc kiểu (Non-Valatile) đọc/ghi được. o Vựng dữ liệu: được sử dụng để cất cỏc dữ liệu của chương trỡnh bao gồm kết
quả của cỏc phộp tớnh, hằng số được định nghĩa trong chương trỡnh, bộ đệm truyền thụng...
o Vựng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và cỏc cổng vào/ra tương
tự được đặt trong vựng nhớ cuối cựng. Vựng này khụng thuộc kiểu Non-Valatile nhưng đọc/ghi được.
Hai vựng nhớ cuối cựng cú ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trỡnh. Do vậy sẽ được trỡnh bày chi tiết ở mục tiếp theo.
Hinh 3.2.2.1: Cấu trỳc bộ nhớ S7 200
3.2.2.2. Vựng nhớ dữ liệu
Vựng nhớ dữ liệu là vựng nhớ động, nú cú thể truy cập theo từng bit, byte, từ đơn (Worrd), từ kộp (Double Word) và cũng cú thể truy nhập được với mảng dữ liệu. Nú được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho cỏc thuật toỏn, cỏc hàm truyền thụng, lập bảng, cỏc hàm dịch chuyển, xoay vũng thanh ghi, con trỏ địa chỉ...
Vựng nhớ dữ liệu bao gồm 5 miền nhỏ
Miền I (Input Image Register)
Thanh ghi đệm, lưu cỏc giỏ trị ngừ vào khi PLC hoạt động.
Miền Q (Output Image Register)
Miền V (Variable Memory)
Lưu cỏc kết quả trung gian khi thực hiện chương trỡnh.
Miền M (Internal Memory bits)
Được sử dụng như cỏc Rơle điều khiển để lưu trạng thỏi trung gian của 1 hoạt động hoặc cỏc thụng tin điều khiển khỏc. (byte, Word, Dword).
Miền SM (Special Memory bits)
Chứa cỏc bit để lựa chọn và điều khiển cỏc chức năng đặc biệt của CPU (byte, Word, Dword).
Vựng dữ liệu
CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
V V0.0 – V2047.7 V0.0 – V2047.7 V0.0 – V5119.7 V0.0 – V5119.7 I I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7 I0.0 – I15.7 Q Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7 Q0.0 – Q15.7 M M0.0 – M31.7 M0.0 – M31.7 M0.0 – M31.7 M0.0 – M31.7 SM SM0.0 – SM179.7 SM0.0 – SM179.7 SM0.0 – SM179.7 SM0.0 – SM179.7 S S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7 S0.0 – S31.7 L L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7 L0.0 – V63.7
Bảng 2: Phõn chia và toỏn hạng vựng dữ liệu
Địa chỉ truy nhập được qui ước theo cụng thức
Truy nhập theo bit
Tờn miền + địa chỉ byte.chỉ số bit.
Vớ dụ: V150.4 là địa chỉ bit số 4 của byte 150 thuộc miền V. Truy nhập theo byte
Tờn miền + B và địa chỉ byte.
Truy nhập theo từ (Word)
Tờn miền + W và địa chỉ byte cao của từ.
Vớ dụ: VW150 là địa chỉ từ đơn gồm hai byte 150 và 151 thuộc miền V, trong đú byte 150 cú vai trũ byte cao của từ.
Truy nhập theo từ kộp
Tờn miền + D và địa chỉ byte cao của từ.
Vớ dụ: VD150 là địa chỉ từ kộp gồm bốn byte 150, 151, 152 và 153 thuộc miền V, trong đú byte 150 cú vai trũ byte cao, 153 cú vai trũ là byte thấp của từ kộp.
Tất cả cỏc byte thuộc vựng dữ liệu đều cú thể truy nhập bằng con trỏ. Con trỏ được định nghĩa trong miền V hoặc cỏc thanh ghi AC1, AC2, AC3. Mỗi con trỏ chỉ địa chỉ gồm 4 byte (từ kộp). Qui ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau:
& + địa chỉ byte cao
Vớ dụ:
+ AC1 = &VB150 là thanh ghi AC1 chứa địa chỉ byte 150 thuộc miền V. + VD100 = &VW150 là từ kộp VD100 chứa địa chỉ byte cao của từ đơn VW150 thuộc miền V.
+ AC2 = &VD150 là thanh ghi AC2 chứa địa chỉ byte cao 150 của từ kộp VD150 thuộc miền V.
Toỏn hạng * (con trỏ): là lấy nội dung của byte, từ hoặc từ kộp mà con trỏ đang chỉ vào. Với cỏc địa chỉ đó xỏc định trờn ta cú cỏc vớ dụ:
+ Lấy nội dung của byte VB150 là: *AC1. + Lấy nội dung của từ đơn VW150 là: *VD100.
+ Lấy nội dung của từ kộp VD150 là: *AC2.
3.2.2.3. Vựng đối tượng
Vựng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho cỏc đối tượng lập trỡnh như cỏc giỏ trị tức thời, giỏ trị đặt trước của Counter hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm cỏc thanh ghi của Counter, Timer, cỏc bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và cỏc thanh ghi AC (Accumulator).
Timer (bộ định thời): đọc/ ghi T T127 Counter (bộ đếm): đọc/ ghi C C127
Bộ đệm vào Analog (đọc): AIWO AIW3O
Accumulator (thanh ghi): ACO AC3
Bộ đếm tốc độ cao: HSCO HSC2
Tất cả cỏc miền này đều cú thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (Word – 2byte), từ kộp (Double Word).
Vựng dữ liệu
CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226
Timer T0 – T255 T0 – T255 T0 – T255 T0 – T255 Counter C0 – C255 C0 – C255 C0 – C255 C0 – C255 Analog
Input
None AIW0 – AIW30 AIW0 – AIW62 AIW0 – AIW62
Analog Output None AQW0 – AQW30 AQW0 – AQW62 AQW0 – AQW62 Thanh ghi ACC
AC0 – AC3 AC0 – AC3 AC0 – AC3 AC0 – AC3
Bộ đếm tốc độ cao HC0,HC3, HC4,HC5 HC0,HC3,HC4, HC5 HC0,HC3,HC4, HC5 HC0,HC3,HC4, HC5
Bảng 3: Toỏn hạng và phõn chia vựng đối tượng
3.2.2.4. Mở rộng cổng vào ra
Khi chương trỡnh lớn đũi hỏi số lượng ngừ vào, ra lớn hơn số lượng của CPU hiện hành ta cú thể mở rộng cổng vào/ra bằng cỏch ghộp thờm vào cỏc Module mở rộng để đỏp ứng yờu cầu của chương trỡnh. Số Module mở rộng tuỳ thuộc vào từng loại CPU. Cỏc Module mở rộng được mắc nối tiếp (theo một múc xớch) về phớa bờn phải của Module CPU. Đối với CPU 224 cú thể ghộp nối nhiều nhất 5 Module theo bảng 4.
CPU224 MODUL 0 (4vào/4ra) MODUL 1 (8 vào) MODUL 2 (3vào Analog /1ra Analog) MODUL 3 (8 ra) MODUL 4 (3vàoAnalog /1ra Analog) I0.0 Q0.0 I0.1 Q0.1 I0.2 Q0.2 I0.3 Q0.3 I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 I1.1 Q1.0 I1.2 Q1.1 I1.3 I1.4 I1.5 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7 AIW0 AIW2 AIW4 AQW0 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 AIW8 AIW10 AIW12 AQW4
Bảng 4: Cỏc module mở rộng của CPU 224
3.2.2.5. Phương thức truy cập bộ nhớ
Theo Bit: tờn miền + địa chỉ byte + ‘.’+ chỉ số bit M0.0, I2.5, Q1.0, …
Hỡnh 3.2.2.5a: Truy cập theo bit
Theo Byte: tờn miền + B + địa chỉ byte
VB5, IB2, QB0, …(VB5=V5.0 V5.1 …V5.7)
Hỡnh 3.2.2.5b: Truy cập theo Byte
Theo Word: tờn miền + W + địa chỉ byte cao của Word. VW0, QW1, IW2, …(VW0=VB0 VB1).
Hỡnh 3.2.2.5c: Truy cập theo word
Theo Double Word: tờn miền + D + địa chỉ Word cao của Double Word VD0, QD2, ID1, …
(VD0 = VW0 VW2 = VB0 VB1 VB2 VB3).
Hỡnh 3.2.2.5c: Truy cập theo Double word
3.2.3. Cấu trỳc chương trỡnh của S7-200
Cú thể lập trỡnh cho S7 – 200 bằng cỏch sử dụng một trong những phần mềm sau đõy:
- STEP 7 – Micro/DOS - STEP 7 – Micro/WIN
Những phần mềm này đều cú thể cài đặt được trờn cỏc mỏy lập trỡnh họ PG7xx và cỏc mỏy tớnh cỏ nhõn (PC).
Cỏc chương trỡnh cho S7 – 200 phải cú cấu trỳc bao gồm chương trỡnh chớnh (Main Program) và sau đú đến cỏc chương trỡnh con và cỏc chương trỡnh xử lý ngắt được chỉ ra sau đõy:
Chương trỡnh chớnh được kết thỳc bằng lệnh kết thỳc chương trỡnh (MEND).
Chương trỡnh con là một bộ phận của chương trỡnh. Cỏc chương trỡnh con phải được viết sau lệnh kết thỳc chương trỡnh chớnh, đú là lệnh MEND.
Cỏc chương trỡnh xử lý ngắt là một bộ phận của chương trỡnh. Nếu cần sử dụng chương trỡnh xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thỳc chương trỡnh chớnh MEND.
chớnh. Sau đú đến cỏc chương trỡnh xử lý ngắt. Bằng cỏch viết như vậy, cấu trỳc chương trỡnh được rừ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trỡnh sau này. Cú thể tự do trộn lẫn cỏc chương trỡnh con và chương trỡnh xử lý ngắt phớa sau chương trỡnh chớnh.
3.2.4. Nguyờn lý hoạt động
PLC thực hiện chương trỡnh theo chu trỡnh lặp. Mỗi vũng lặp được gọi là một vũng quột (Scan). Mỗi vũng quột được bắt đầu bằng gian đoạn đọc dữ liệu từ cỏc cổng vào vựng đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trỡnh. Trong từng vũng quột, chương trỡnh được thực hiện bằng lệnh đầu tiờn và kết thỳc bằng lệnh kết thỳc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương trỡnh là giai đoạn truyền thụng nội bộ và kiểm tra lỗi. Vũng quột được kết thỳc bằng giai đoạn chuyển cỏc nội dung của bộ đệm ảo tới cỏc cổng ra.
Hỡnh 3.2.4: Chương trỡnh thực hiện theo vũng quột (Scan) trong S7 200
4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi 3. Truyền thụng và tự kiểm tra lỗi 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo 2. Thực hiện chương trỡnh
Main Program Thực hiện trong một vũng
quột
SBR 0 Chương trỡnh con thứ nhất Thực hiện khi được chương trỡnh chớnh gọi SBR n Chương trỡnh con thứ n+1 RET INT 0 Chương trỡnh xử lý ngắt thứ nhất RET
Thực hiện khi cú tớn hiệu bỏo ngắt
INT n Chương trỡnh xử lý ngắt thứ n+1
Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thụng thường lệnh khụng làm việc mà chỉ thụng qua bộ đệm ảo của cổng trong vựng nhớ tham số. Việc truyền thụng giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong cỏc giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thỡ hệ thống sẽ cho dừng mọi cụng việc khỏc, ngay cả chương trỡnh xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cỏch trực tiếp với cổng vào/ra.
Nếu sử dụng cỏc chế độ xử lý ngắt, chương trỡnh con tương ứng với từng tớn hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trỡnh. Chương trỡnh xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vũng quột khi xuất hiện tớn hiệu bỏo ngắt và cú thể