Luận văn Giới thiệu tổng quát về plc

Chương I : Giới thiệu tổng quát về plc 1.1 Hệ thống điều khiển là gì : Tổng quát , một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ , thiết bị điện tử , được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định , sự chính xác , sự chuyển đổi nhịp nhàng của một qui trình hoặc một hoạt động sản xuất . Nó thực hiện bất cứ yêu cầu nào của dụng cụ , từ cung cấp năng lượng đến một thiết bị bán dẫn . Với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc điều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hoá hoàn toàn, đó là PLC , nó được sử dụng kết hợp với máy tính chủ . Ngoài ra , nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác ( như là : bảng điều khiển, động cơ , contact , cuộn dây,.....) . Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn . Ngoài ra , nó còn thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển. Mỗi một bộ phận trong hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Từ hình 1.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận biết được điều gì nếu nó không được kết nối với các thiết bị cảm ứng . Nó cũng không cho phép bất kỳ các máy móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với động cơ. Và tất nhiên , vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động của một vùng sản xuất riêng biệt. Hình 1.1 Hệ thống điều khiển PLC 1.2 Vai trò của PLC. Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thống điều khiển . Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ của PLC ) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống , bao gồm: kiểm tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chương trình logic để xử lý tín hiệu và mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất. PLC được dùng để điều khiển thống từ đơn giản đến phức tạp. Hoặc ta có thể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình phức hợp . 1.3 Các thiết bị nhập và xuất dùng trong plc 1.3.1 Các thiết bị nhập Sự thông minh của một hệ thống tự động hoá phụ thuộc vào khả năng đọc tín hiệu từ các cảm biến tự động của PLC. Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao phím ,.....Ngoài ra PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động như: công tắc trạng thái , công tắc giới hạn ,cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ ,.....Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các modul nhập. 1.3.2 Các thiết bị xuất Trong một hệ thống tự động hoá, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng . Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị tê liệt hoàn toàn . Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ , cuộn dây nam châm , relay, chuông báo,.....Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hoá và vì thế nó ảnh hưởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên , các thiết bị khác như là : đèn pilot ,còi và các báo động chỉ cho biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC. 1.4 Bộ điều khiển lập trình được PLC là gì ? PLC là bộ điều khiển logic theo chương trình bao gồm : bộ xử lý trung tâm gọi là CPU (Central Procesing Unit ) chứa trương chình ứng dụng và các modul giao diện nhập xuất . Nó được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O. Vì thế, khi tín hiệu nhập, CPU sẽ xử lý tín hiệu và gởi tín hiệu đến thiết bị xuất. Bus Lựa chọn Lựa chọn I/O Tín hiệu điều khiển I/O RF Tín hiệu đIều khiển Dữ liệu vào Dữ liệu ra Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC với các khối nhớ vào và ra 1.5 So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệ thống điều khiển bằng relay ,contactor thông thường . Ta hãy thử so sánh ưu khuyết điểm của hai hệ thống trên: ( Hệ thống điều khiển thông thường : • Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn trên bảng điều khiển. • Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế ,lắp đặt. • Tốc độ hoạt động chậm. • Công suất tiêu thụ lớn . • Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian. • Khó bảo quản và sửa chữa. Hệ thống điều khiển bằng PLC: • Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn. • Công suất tiêu thụ ít hơn. • Sự thay đổi các ngõ vào , ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mền điều khiển bằng máy tính hay trên console. • Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn. • Bảo trì hệ thống và sửa chữa dễ dàng. • Độ bền và tin cậy vận hành cao. • Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. • Có thiết bị chống nhiễu. • Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. • Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó. • Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết. Do có những lý do trên PLC thể hiện rất rõ ưu điểm của nó so với các thiết bị điều khiển thông thường khác. PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tuỳ theo yêu cầu của công nghệ. Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC. 1.6 Cấu trúc phần cứng của PLC : Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nhập, xuất. 1.6.1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) : Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC , thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài. 1.6.2 Bộ nhớ ( Memory ) : Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Đây là nơi lưu gữi trạng thái hoạt động của hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng. Để đảm bảo cho PLC hoạt động, phải cần có bộ nhớ để lưu giữ chương trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như: + Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập được gọi là Ram xuất nhập. + Lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong : Time, counter, relay. Bộ nhớ gồm có những loại sau : + Bộ nhớ chỉ đọc (Rom: Read Only Memory ): Rom không phải là bộ nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần. Do đó không thích hợp cho việc điều khiển "mềm "của PLC . Rom ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ ghi đọc (Ram : Random Access Memory ): Ram là một bộ nhớ thường được dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình của người sử dụng . Dữ liệu trong Ram sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất . Tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cách gắn thêm vào Ram nguồn điện dự phòng . Ngày nay , trong kỹ thuật phát triển PLC , người ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lượng khá thấp của nó và cung cấp pin dự phòng cho các Ram này khi mất nguồn .Pin dự phòng có tuổi thọ ít nhất một năm trước khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ được sạp khi cấp nguồn cho PLC. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được (EPROM: Eresable Programmable Read Only Memory ): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như ROM , tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, người viết phải viết lại chương trình trong bộ nhớ. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xoá được bằng điện (EEPROM : Electric Erasable Programmable Read Only Memory) : EEPROM kết hợp khả năng truy linh động của Ram và tính khả biến của EEPROM, nội dung trên EEPROM có thể bị xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định . Chương II : giới thiệu bộ điều khiển Lập trình plc Simatic S7 -200 I: Cấu trúc phần cứng của CPU Khái quát chung: S7- 200 làthiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng siemens cấu trúc theo module có các module mở rộng các module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi lý CPU 212 và CPU 214 về hình thức bên ngoài sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào ra và nguồn cung cấp . CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra có khả năng mở rộng thêm bằng hai module mở rộng . CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 7 module mở rộng. Cấu trúc CPU 212 -512 từ đơn ( Word ) tức là 1 kbyte, để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ đọc/ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện EPROM .Vùng nhớ với tính chất như vậy được gọi là vùng nhớ non-votatile . 512 từ đơn được lưu dữ liệu trong đó có 100 từ nhớ đọc/ghi thuộc miền nhớ non -volatile . 8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic . Có thể ghép nối 2 module để mở rộng số cổng vào/ra , bao gồm cả 2 module tương tự (analog) Tổng số cổng logic vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. 64 bộ tạo thời gian trễ (time ) trong đó có 2 time có độ phân giải 1ms , 8time có độ phân giải 10 ms và 54 time có độ phân giải 100ms. 64 bộ đếm (counter ) chia làm 2 loại bộ đếm chỉ đếm tiến và loại bộ đếm vừa đếm tiến vừa đếm lùi 368 bít nhớ đặc biệt sử dụng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ làm việc. Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu khác nhau bao gồm ngắt truyền thông ngắt theo sườn lên hoặc xuống . Ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2khz) Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 50 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi 3- Cấu trúc CPU 214 CPU 214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra có khả năng mở rộng thêm bằng 7 module mở rộng. 2048 từ đơn (4kbyte ) thuộc miền nhớ đọc /ghi non - volatile để lưu chương trình (dùng nhớ có giao diện EEPROM ). 2048 từ đơn (4kbyte) thuộc kiểu đọc /ghi để lưu dữ liệu (trong đó có 512 từ đầu thuộc miền EEPROM ). IO .O ,QO .O ,VO .O, SMO.1. Tổng số cổng vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. Có 14 ngõ vào từ IO.O ( IO.1 và I1.O ( I1.5 Có 10 ngõ ra từ QO.O ( IO.1 và Q1.O ( QI.1 Có thể gắn thêm 1 module mở rộng bao gồm cả module analog. 128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau 4 timer 1ms, 16 timer 10 ms và 108 timer 100ms. Có 128 bộ đếm chia làm hai loại + Chỉ đếm lên CTU + Vừa đếm lên vừa đếm xuống CTUD. Có 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. + SMO.O : luôn ở trạng thái 1. + SMO.1 : bằng 1 trong vòng quét đầu tiên Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm ngắt truyền thông , ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt thời gian ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. Có 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2khz và 7 khz. 2bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu: PTO ( Pulse traisn output ) : điều tần PWM (Pulse width modulation ) : điều rộng xung 2 bộ chỉnh tương tự . Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi. Các đèn báo trên S7 - 200 CPU 214 + SF (ĐèN Đỏ ) : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng . ĐènSF sáng lên khi PLC bị hỏng hóc . + Run (đèn xanh ) : đèn xanh chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy. + Stop (đèn vàng ) : đèn vàng chỉ PLC đang ở chế độ dừng + Ixx (đèn xanh ) : đèn xanh ở cổng vào chỉ định ở trạng thái tức thời của cổng Ixx ( X.X = 0.0 ( 1.5 ) + Qy.y (đèn xanh ) :đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y (y.y = 0.0 ( 1.1 ) + TERM : cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc Run hoặc Stop II :Cấu trúc bộ nhớ : Bộ điều khiển lập trình S7 -200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7 -200 có tính năng động cao ,đọc và ghi được trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít đặc biệt SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc C Hình II -1 : Bộ nhớ trong và ngoài của S7 -200 1 - Vùng chương trình : Là vùng bộ nhớ chỉ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình vùng này thuộc bộ nhớ trong độc và ghi được. 2 -Vùng tham số : Là vùng lưu dữ các tham số như : từ khoá, địa chỉ trạm ...cũng giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được. 3 - Vùng dữ liệu : Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau. Vùng I ( Input image register) :Là vùng nhớ gồm 8byte I (đọc /ghi ) : I.O ( I.7 Vùng Q (Output image register ): Là vùng nhớ gồm 8byte Q (đọc /ghi ) : Q.O ( Q.7 Vùng M (Internal Memory bits ): Là vùng nhớ gồm 32 byte M (đọc /ghi ) : M.O ( M.31 Vùng V (Variable memory ): Là vùng nhớ gồm có 4096 byte V (đọc /ghi ) : V.O ( V.4095 Vùng SM ( Special memory ): Là vùng nhớ gồm có 86 byte chia làm 2phần SMO ( SM29 chỉ đọc SMO ( SM85 chỉ ghi 4 - Vùng đối tượng : Là time (định thì ), counter (bộ đếm ) tốc độ cao và các cổng vào/ ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu non - volatile nhưng đọc ghi được. Timer (bộ định thì ): Đọc /ghi T0 ( T127 Counter (bộ đếm ) : Đọc /ghi C0 ( C 127 Bộ đệm vào analog (đọc) : AIW0 ( AIW30 Bộ đệm ra analog (ghi) : AQW0 ( AQW30 Accumulator (thanh ghi) : AC0 ( AC3 Bộ đếm tốc độ cao : HSCO ( HSC2 Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit , từng byte , từng từ đơn (word - 2byte) , từ kép (Doudble word ) III Cấu trúc chương trình: Chương trình cho S7 -200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) 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 (End) . Chương trinh con là một bộ phận của chương trình . Các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh (End) . Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình có thể trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. Thực hiện trong một vòng quét Thực hiện khi được chương trình chính gọi Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt IV Phương pháp lập trình : S7 -200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh chương trình bao gồm một dãy các lệnh . S7 -200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh nhập đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng . Một vòng quét như vậy là dòng quét (scan) . Một vòng quét (Scan cycle ) được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào và sau đó thực hiện chương trình, vòng quét kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra. Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7 -200 thực thi các nhiệm vụ truyền thông . Chu trìng tiếp theo là chu trình lập Giai đoạn chuyển Giai đoạn nhập dữ liệu ra ngoại vi dữ liệu từ ngoại vi Giai đoạn truyền thông giai đoạn thực hiện nội bộ và tự kiểm tra lỗi chương trình Hình IV -1 : Thực hiện chương trình theo vòng quét trong S7 -200 Cách lập trình cho S7 -200 dựa trên hai phương pháp cơ bản : Phương pháp hình thang (lader logic -viết tắt là LAD ) và phương pháp liệt kê lệnh (statement list viết tắt là STL ). Chương trình được viết theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tạo ra một chương trình thoe kiểu STL tương ứng và ngược lại. 1 - Phương pháp LAD : LAD là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau : - Tiếp điểm : là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm rơle cvác tiếp điểm có thể thường đóng , thường mở - Cuộn dây (coil) : là biểu tượng mô tả rơ le mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle . Hộp (box) : là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp thường là các bộ thời gian (time), bộ đếm (counter) và các hàm toán học. Mạng LAD : là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện , đi từ đường nguồn bên trái sang nguồn bên phải dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. 2 - Phương pháp liệt kê lệnh STL: Phương pháp liệt kê (STL) là phương pháp thực hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh . Mỗi câu lệnh trong chương trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC Để tạo một chương trình dạng STL người lập trình cần phải hiểu rõ phương pháp sử dụng của ngăn xếp logic của S7- 200 (S0 ( S8). Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp , đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với bit đầu và bit thứ hai của ngăn xếp (S0 ( S1) giá trị logic mới đều có thể được gửi vào ngăn xếp. V.Cú pháp lệnh cơ bản trong S7 -200 1 - Lệnh vào ra : (Input/Oput) - Load (LD) : Lệnh LD nạp giá trị của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị cũ còn lại bị đẩy lùi xuống một bit (như hình V -1) Co   M   C0   M   C1   C1   C1   C1   C2   C2   C2   C2   C3   C3   C3   C3   C4   C4   C4   C4   C5   C5   C5   C5   C6   C6   C6   C6   C7   C7   C7   C7   C8     C8     Hình V-1: Trạng thái của ngăn xếp trước vào sau khi thực hiện hiệu lệnh LD  Hình V-2: Trạng thái của ngăn xếp trước và sau khi thực hiện hiệu lệnh LDN   Load not (LDN) : lệnh LDN nạp giá trị logic ngịch đảo của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp , các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit (hình V-2) Các dạng lệnh khác nhau của lệnh LD , LDN cho LAD như sau : Lad  Mô tả  Toán hạng   n  Tiếp điểm thường mở sẽ được đóng nếu n = 1  n : I, Q, M, SM,T, C, V (bit)   n  Tiếp điểm thường đóng sẽ mở Nếu n = 1    n  Tiếp điểm thường mở sẽ đóng tức thời khi n = 1  n: I   N  Tiếp điểm thường đóng sẽ mở Tức thời khi n = 1    Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN cho STL như sau: Lệnh  Mô tả  Toán hạng   LD n  Lệnh nạp giá trị logic của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp  n: I, Q, M, SM, T, C, V (bit)   LDN n  Lệnh nạp giá trị logic nghịch đảo của điểm n vào bit đầu tiền trong ngăn xếp    LDI n  Lệnh nạp tức thời giá trị logic của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp  n: I (bit)   LDNI n  Lệnh nạp tức thời giá trị logic nghịch đảo vào điểm n vào bit đầu tiên    Lad  Mô tả  Toán hạng    Cuộn dây đầu ra ở trạng thái kích thích khi có dòng điện điều khiển đi qua  N: I, Q, M, SM, T, C, V (bit)    Cuộn dây đầu ra được kích tức thời khi có dòng điều khiển đi qua  n: Q (bit)   + Mô tả lệnh Ouput bằng STL STL  Mô Tả  Toán hạng   = n  Lệnh= sao chép giá trị của đỉnh ngăn xếp Tới tiếp điểm n được chỉ dẫn trong lệnh  n : I, Q, M, SM, T, C, V (bit)   = I n  Lệnh = I (Immediate) sao chép tức thời giá trị của đỉnh stack tới tiếp điểm n được chỉ dẫn trong lệnh  n : Q bit