Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG II. TÌM HIỂU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PLC

CHƯƠNG II. TÌM HIỂU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN PLC

Tải bản đầy đủ

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện. những
năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tinh
cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường công nghiệp khắc
nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao đó là bộ điều khiển PLC.
2.2. Giới thiệu về PLC:
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo
từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào
năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng
ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng
cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ
máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản
trong ứng dụng điều khiển công nghiệp.
Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công
nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh
hoạt trong điều khiển tự động hóa.

19

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

2.3 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
 Cấu trúc
• Đơn vị xử lý trung tâm:
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chương trình, đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới
các thiết bị liên kết để thực thi. Toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc
vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
• Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín
hiệu song song
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau.
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển
đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Bộ nhớ



Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông
tin cần xử lý trong chương trình của PLC.
Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các
chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần
cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.Bộ nhớ có một tụ dùng để
duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện
Kích thước bộ nhớ:
20

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
♦ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ
chế tạo.
♦ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1-16K, có khả năng chứa từ 2000 16000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
• Các ngõ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào
của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của
PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêu xử lý là
12/24 VDC hoặc 100/240 VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh
I/O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra
hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện
việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.


Bộ nguồn:

Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.


Khối quản lý ghép nối

Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị
lập trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.
2.4 Các hoạt động xử lý bên trong PLC
- Xử lý chương trình
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được
trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ.

21

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong
bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho
đến cuối chương trình. Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được
gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc
độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba
giai đoạn nối tiếp nhau:
♦ Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình
phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.
♦ Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình.
Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu
vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng
thái của các đầu ra.
♦ Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các
module đầu ra.
-Xử lý xuất nhập
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC:
 Cập nhật liên tục
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngõ vào (mà chúng xuất hiện trong
chương trình), khoảng thời gian delay được xây dựng bên trong để chắc chắn
rằng chỉ có những tín hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các
lệnh ngõ ra được lấy trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chương
trình , khi lệnh OUT được thực hiện thì các ngõ ra cài lại vào đơn vị I/O, vì thế
nên chúng vẫn giữ được trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
2.5 PLC Simatic S7-200 CPU 224

22

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

2.5.1 Cấu trúc phần cứng của CPU 224 AC/DC/RLY
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng SIEMENS
(CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng. Các modul
này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản
của S7-200 là khối vi xử lý CPU-224
PLC Siemens S7-200, CPU 224, 14 vào, 10 ra relay, nguồn 220 VAC
PLC S7-200, CPU 224.
6ES7214-1BD23-0XB8
Nguồn cung cấp: 220 VAC.
Ngõ vào: 14 DI DC.
Ngõ ra: 10 DO Relay.
Bộ nhớ chương trình: 12KB.
Bộ nhớ dữ liệu: 8KB.
Profibus DP extendable.
Điều khiển PID: Có.
Phần mềm: Step 7 Micro/WIN.
Thời gian xử lý 1024 lệnh nhị phân : 0.37ms.
Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256.
Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz.
Bộ đếm lên/xuống: Có.
Ngắt phần cứng: 4.
23

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
Số đầu vào/ra có sẵn: 14 DI / 10DO.
Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng:
DI/DO/MAX: 94 / 74 / 168
Số đầu vào / ra tương tự ( nhờ lắp ghép thêm Modul Analog mở rộng:
AI/AO/MAX: 28 / 7/ 35 hoặc 0 / 14 / 14.
IP 20
Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62.
Các đèn báo trên S7-200 CPU224
♦ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.
♦ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và

thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.
♦ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng

chương trình và đang thực hiện lại.

 Chế độ làm việc

PLC có 3 chế độ làm việc:
♦ RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển

từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp
lệnh STOP.
♦ STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế

độ STOP.
♦ TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC

hoặc RUN hoặc STOP.
 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 với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC
24

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
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 300 ÷38.400 baud.
Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình
thuộc họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI. Cáp đó đi kèm với máy
lập trình.
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC /
PPI với bộ chuyển đổi RS232/ RS485.
2.5.2 Cấu trúc bộ nhớ:
Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ
liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ S7-200 có
tính năng động cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc
biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.

Vùng chương trình



Là nguồn nhờ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này
thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.


Vùng tham số
Là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm, … cũng giống

như vùng chương trình, thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
♦ Vùng dữ liệu
Là miền nhớ động được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình.
Nó có thể được truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc
theo từ kép (DW_ Double Word), vùng dữ liệu được chia thành những miền
nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau. Chúng được ký hiệu bằng chữ cái đầu
theo từ tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:
25

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
V : Variable Memory.
I

: Input image register.

O : Output image regiter.
M : Internal Memory bits.
SM: Special Memory bits.
Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ
(word) hoặc từ kép (double word).
♦ Vùng đối tượng

Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi
AC. Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhưng đọc/ ghi được .
2.5.3 Mở rộng cổng vào ra
CPU 224 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul. Các modul mở rộng tương
tự và có thể mở rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các
modul mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích . Địa chỉ của
các vị trí của các modul được xác định cùng kiểu . Ví dụ như một modul cổng ra
không thể gán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng như một modul tương tự
không thể có địa chỉ như một modul số và ngược lại.
Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổ trong bộ đệm, tương tự
với số đầu vào/ra của modul.

CPU224

Modul 0

Modul 1

Modul 2

Modul 3

Modul 4

4vào/4ra

8 vào

3vào/1ra

8 ra

3vào/1ra

Analog

26

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
I0.0

Q0.0

I2.0

I3.0

AIW 0

Q3.0

AIW8

I0.1

Q0.1

I2.1

I3.1

AIW 2

Q3.1

AIW12

I0.2

Q0.2

I2.2

I3.2

AIW 4

Q3.2

AQW 4

I0.3

Q0.3

I2.3

I3.3

Q3.3

I0.4

Q0.4

Q2.0

I3.4

Q3.4

I0.5

Q0.5

Q2.1

I3.5

I0.6

Q0.6

Q2.2

I3.6

Q3.6

I0.7

Q0.7

Q2.3

I3.7

Q3.7

I1.0

Q1.0

I1.1

Q1.1

AQW 0

Q3.5

I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
Bảng địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU 224
2.5.4 Thực hiện chương trình của S7-200
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các 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 tại
lệnh kết thúc MEND. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền
thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các
nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.
4. Chuyển dữ liệu từ bộ
đệm ảo ra ngoại vi

27

3. Truyền thông và
tự kiểm tra lỗi

1. Nhập dữ liệu từ
ngoại vi vào
2.Thực hiện
chương trình

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6

Sơ đồ vòng quét của chương trình
Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường lệnh không làm
việc trực tiếp 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 ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng
mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực
tiếp với cổng vào và ra.
2.5.5 Ngôn ngữ lập trình của S7-200 CPU 224
Phương pháp lập trình
S7-200 biểu diễn chương trình dưới dạng một mạch logic cứng bằng một
dãy các lệnh và khối chương trình theo thứ tự quy định. Các lệnh và khối này sẽ
lần lượt được quét trong chương trình từ đầu đến cuối trong một vòng quét. PLC
sẽ làm việc ngay tại vòng quét đầu tiên và từ đó thực hiện liên tục chu kỳ quét.
Trong mỗi vòng quét nếu có một lệnh được gọi PLC sẽ nhận lệnh đó và thực
hiện, nếu không quét kịp thì tại vòng quét tiếp theo sẽ thực hiện.

Có ba phương pháp lập trình cơ bản:
- Lập trình hình thang (LAB – Ladder Logic).
- Phương pháp khối hàm (FBD – Funtion Block Diagram).
- Phương pháp liệt kê câu lệnh (STL – Statement List).
Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD hoặc FBD thì có thể chuyển sang
dạng STL nhưng không phải mọi chương trình viết bằng STL đều có thể chuyển
sang hai dạng kia.
LAD
Là ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ mô phỏng theo mạch relay. Các phần tử
cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic.

28

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM _TĐH3_K6
- Tiếp điểm: Mô tả các tiếp điểm dùng trong mạch relay, toán hạng của
tiếp điểm dùng trong chương trình là bit. Có hai loại tiếp điểm: thường
đóng và thường mở
- Cuộn dây: mô tả cuộn dây relay. Toán hạng sử dụng là bit.
- Hộp: Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau làm việc khi có tín hiệu
đến kích. Những hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các hàm tạo thời
gian (Timer), hàm đếm (Counter) và các hàm toán học.
- Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh.
Thông thường các tín hiệu điện phải đi từ dây nóng qua thiết bị rồi đến
dây trung hoà sau đó về nguồn, tuy nhiên trong phần mềm lập trình chỉ
thể hiện dây nóng và bên trái và các đường nối đến thiết bị từ đó.
STL
Phương pháp liệt kê lệnh là phương pháp lập trình bằng cách tập hợp các câu
lệnh, mỗi câu lệnh thể hiện một chức năng của chương trình.
Để tạo một chương trình dạng STL người lập trình cần phải hiểu rõ phương
thức sử dụng ngăn xếp. Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau từ
S0 – S8. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bít
đầu tiên (S0) và bit thứ hai (S1) của ngăn xếp. Giá trị logic mới đều có thể được
gửi hoặc nối thêm vào ngăn xếp. Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp thì
ngăn xếp sẽ được kéo lên một bit.

Ngăn xếp và tên bit:
S0 Bit đầu tiên hay bit trên cùng của ngăn xếp
S1 Bit thứ hai của ngăn xếp
S2 Bit thứ ba của ngăn xếp
S3 Bit thứ tư của ngăn xếp
S4 Bit thứ năm của ngăn xếp
S5 Bit thứ sáu của ngăn xếp
S6 Bit thứ bảy của ngăn xếp
S7 Bit thứ tám của ngăn xếp
29