Nghiên cứu về thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC S7-200 2.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC S7-200 2.1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-200 S7-200 là thiết bị điều khiển loại nhỏ của hãng SIMENS (Đức) có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng . S7-200 gồm nhiều loại : CPU 212, 214, 215, 216, 221, 222, 224, 224XP, 226. Có nhiều nhất 7 modul mở rộng khi co yêu cầu tăng ngõ vào/ra Digital, ngõ vào ra Analog. Pin và nguồn nuôi bộ nhớ Sử dụng tụ vạn năng và Pin. Khi naeng lượng của tụ bị cạn kiệt,PLC sẽ tự động chuyển sang dùng năng lượng từ Pin. Đặc điểm và các thông số của cac loai PLC S7-200 khác nhau được giới thiệu trong bảng sau Bảng 2.1 :Thông số kỹ thuật của các CPU của PLC S7-200 Đặc trưng CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 Kích thước (mm) 90×80×62 90×80×62 120.5×80×62 190×80×62 Bộ nhớ chương trình 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 Cổng 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 32 In/ 32 Out Bộ đếm(counter) 256 256 256 256 Bộ định thời (Timer) 256 256 256 256 Tốc độ thực thi lệnh 0.37 µs 0.37 µs 0.37 µs 0.37 µs Lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ Hình dạng và cấu trúc bên ngoài của PLC S7-200: 2.1.2. Các loại đèn báo: Có 3 loại đèn báo hoat động : RUN : đèn màu xanh - Báo hiệu PLC đang hoạt động. STOP : đèn màu vàng – Báo hiệu PLC dừng hoạt động. SF (System Failure): đèn đỏ - Báo hiệu PLC có sự cố ở phần cứng hoạc hệ điều hành. Ở đây cần phân biệt rõ lỗi hệ thống với lỗi chương trình người dùng, khi lỗi chương trình người dùng thì CPU , phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ khi dịch sang mã máy. Đèn Ix.x – màu xanh: chỉ định trạng thái ON/OFF của đầu vào số. Đèn Qx.x – màu xanh: chỉ định trạng thái ON/OFF của đầu vào số. 2.1.3.Ngõ vào : - Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoạc SIMATIC. - Mức logic 1: 24 VDC/7mA. - Mức logic 0: đến 5 VDC/1Ma. - Đáp ứng thời gian: 0.2 ms. - Các ly về quang : 500 ACV. - Địa chỉ ngõ vào: Ix.x. 2.1.4. Ngõ ra: - Ngõ ra Role hoạc transistor Sourcing. - Điện áp tác động: 24 – 27VDC/2A. - Chịu quá dòng đến 7A - Điện trở cách ly nhỏ nhất: 100MΩ - Điện trở công tắc: 200 MΩ. - Thời gian chuyển mạch tối đa 10ms.- Địa chỉ ngõ ra:Qx.x. - Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch. 2.1.5.Nguồn cấp: - Điện áp nguồn 20 – 24 DCV. - Dòng vào tối đa 900 mA - Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms. - Cầu chì bên trong 2A/250V. - Không có các ly nguồn điện. 2.1.6 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 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. ····· ···· 1 2 3 4 5 9 8 7 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Đất 24 VDC Truyền và nhận dữ liệu Không sử dụng Đất 5 VDC (điện trở trong 100?) 24 VDC (120 mA tối đa) Truyền và nhận dữ liệu Không sử dụng Chân Giải thích 1 Để ghép nối S7-200 với máy tính PC qua Cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với Bộ chuyển đối sang RS485, như hình vẽ: 2.2 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 đo. Tụ EEPROM Miền nhớ ngoài Chương trình Chương trình Chương trình Tham số Tham số Tham số Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Vùng đối tượng 2.2.1. 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. 2.2.2. 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. 2.2.3. 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: V: (ariable Memory) lưu các kết quả trung gian khi thực thi chương trình. I: ( Input image register): thanh ghi đệm, lưu các giá trị ngõ vào khi PLC hoạt động. Q: (Output image regiter): thanh ghi đệm, chứa các kết quả để điều khiển ngõ ra. M: (Internal Memory bits): sử dụng các Role điều khiển để lưu trạng thái trung gian của 1 hoạt động hoạc các thông tin điều khiển khác. (byte, Word, Dword). SM: (Special Memory bits): chứa các bít để lựa chọn và điểu khiển các chức năng đặc biệt của CPU(byte, Word,Dword). Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ (word) hoặc từ kép (double word). 2.2.4. 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 ) 2.2.5 .Mở rộng cổng vào ra CPU 214 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 . Sau đây là địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU214 CPU214 Modul 0 4vào/4a Modul 1 8 vào Modul 2 3vào/1a Analog Modul3 8 ra Modul 4 3vào/1a 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 I1.0 Q1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 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 AIW 0 AIW 2 AIW 4 AQW 0 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 AIW8 AIW12 AQW 4 2.2.6 Phương thức truy cập bộ nhớ [4] Theo Bit: tên miền + địa chỉ byte + ‘.’+ chỉ số bit M0.0, I2.5, Q1.0, … Theo Byte: tên miền + B + địa chỉ byte VB5, IB2, QB0, …(VB5=V5.0 V5.1 …V5.7) Theo Word: tên miền + W + địa chỉ byte cao của Word VW0, QW1, IW2, …(VW0=VB0 VB1) Theo Double Word: tên miền + D + địa chỉ Word cao của Double Word VD0, QD2, ID1, … (VD0 = VW0 VW2 = VB0 VB1 VB2 VB3): 2.3 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. Main program . . . End {Stop} Thực hiện trong một vòng quét. SBR (n) {no /255 } chương trình con . . Ret Thực hiện khi được chương trình chính gọi. INT (n) { no/255 } chương trình xử lý ngắt . . . Ret Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt. 2.4 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 4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảora ngoại vi 3. Truyền thông và tự kiểm tra lỗi 2.Thực hiện chương trình 1. Nhập dữ liệu từ N ngoại vi vào Giai . Thực hiện chương trinh theo vòng quét trong PLC S7-200 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. Nếu sử dụng các chế độ ngắt chương trình tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý 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. 2.4.1 Toán hạng lập trình cơ bản: Có 6 phần tử lập trình cơ bản, mỗi phần tử có công dụng riêng. Để dễ dàng xác định thì mỗi phần tử được gán cho mộ ký tự: - I : Dùng để chỉ ngõ vào vật lý nối trực tiếp vào PLC. - Q : Dùng để chỉ ngõ ra vật lý nối trực tiếp từ PLC. - T : Dùng để xác định phần tử định thời có trong PLC. - C : Dùng để xác định phần tử đếm có trong PLC. M và S: Dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC. Tất cả các phần tử (toán hạng) trên có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0). Cuộn dây có thể được dùng để điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (như phần tử Q) hoặc có thể điều khiển bộ định thì, bộ đếm hoặc cờ (như phần tử M, S). Mỗi cuộc dây được gắn với các công tắc. Các công tắc này có thể là thường mở hoặc thường đóng. Các ngõ vào vật lý nối đến bộ điều khiển lập trình (phần tử I) không có cuộn dây để lập trình. Các phần tử này chỉ có thể dùng ở dạng các công tắc mà thôi (loại thường đóng và thường mở). 2.5 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA PLC S7-200 CPU 217 2.5.1 Phương pháp lập trình : S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. Chương trình bao gồm một dãy các tập lệnh. S7 -200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lập trình cuối trong một vòng quét (scan). Một vòng quét (scan cyele) được bắt đầu bằng một 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 bên trong và nhiệm vụ truyền thông. Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lặp. Cách lập trình cho S7 -200 nói riêng và cho các PLC nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản. Phương pháp hình thang (Ladder, viết tắt là LAD) và phương pháp liệt kê lệnh (Statement list, viết tắt là STL). Nếu có một chương trình viết dưới dạng LAD, thiết bị lập trình sẽ tự dộng tạo ra một chương trình theo dạng STL tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình viết dưới dạng STL đều có thể chuyển sang được dạng LAD. Phương pháp hình thang (LAD): LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa, những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ le. Trong chương trình LAD, các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau: Tiếp điểm: Là biểu tượng (Symbol) mô tả các tiếp điểm của rơ le Tiếp điểm thường mở Tiếp điểm thương đóng Cuộn dây (coil): Là biểu tượng ¾( )¾ mô tả rơ le được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơ le. Hộp (Box): Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được 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 chiều dòng điện. Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải. Đường nguồn bên trái là dây pha, đường nguồn bên phải là dây trung hòa và cũng là đường trở về nguồn cung cấp (thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEPT MICRO / DOS hoặc STEPT – MICRO /WIN. Dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đến đóng các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. 2.5.2 Phương pháp liệt kê lệnh (STL): Là phương pháp thể 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.