Tìm hiểu về PLC S7 - 200 của hãng Siemens

Chương 2 Tìm hiểu về PLC S7-200 của hãng Siemens. 2.1 Giới thiệu về PLC. PLC viết tắt của (Progammble Logic Control), hình thành từ các nhóm kĩ sư hãng general Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau: Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. Dễ dàng sửa chũa thay thế. Ổn định trong môi trường công nghiệp. Giá cả cạnh tranh. Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp. Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trước đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao. Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng cao năng suất và chất lượng. Để thực hiện một trương trình điều khiển thì PLC phải có tính năng như một máy tính, hay phải có bộ vi xử lý( CPU ), một hệ điều hành, bộ nhớ lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với nhiều đối tượng điều khiển và trao đổi thong tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài tán điều khiển số, PLC còn cần có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm( Counter ), bộ định thì( timer)… và những khối hàm chuyên dụng khác. 2.2 PLC SIMATIC S7-200 CPU 226: 2.2.1 Cấu trúc phần cứng: 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-226. CPU 226 có các đặc điểm sau: CPU-226 bao gồm 24 ngõ vào và 16 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng. 6ES7216-2AD23-0XB0 Nguồn cung cấp: 24 VDC Ngõ ra số : 16 DO DC Bộ nhớ chương trình: 24KB Bộ nhớ dữ liệu: 10KB 2 PPI/FREEPORT PORTS 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 Sốđầuvào/racósẵn:24DI/16DO. Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng: DI/DO/MAX: 128 / 120 / 248 Số đầu vào / ra tương tự ( nhờ lắp ghép thêm Modul Analog mở rộng: AI/AO/MAX:28/7/35hoặc0/14/14.IP20 Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 196 x 80 x 62. Loại AC/DC/Rơle: CPU 226: Mã 6ES7 216-2BD23-0XB0 Nguồn: 100 tới 230 VAC; đầu vào: 24 VDC; đầu ra: Rơle Số đầu ra được tích hợp sẵn: 16 (Rơle) Thực hiện trọn gói những công việc kỹ thuật phức tạp Thêm cổng PPI làm tăng tính linh hoạt và lựa chọn truyền thông Ngoài ra, CPU 226 XM có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được nâng cao Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp. Các cổng vào ra
Các đèn báo trên S7-200 CPU226: 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. Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị Logic của công tắc. Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. 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. 2.2.2 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 38.400 baud. Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485.  Chân  Giải thích    1  Đất    2  24 VDC    3  Truyền và nhận dữ liệu    4  Không sử dụng    5  Đất    6  5VDC    7  24VDC    8  Truyền và nhận dữ liệu    9  Không sử dụng  
2.2.3 Mở rộng cổng vào ra. Thế hệ Simatic S7-200 rất linh hoạt và hiệu quả sử dụng cao do những đặc tính sau: Có nhiều loại CPU khác nhau trong hệ S7-200 nhằm đáp ứng yêu cầu của khác nhau của từng úng dụng. Có nhiều Modul mở rộng khác nhau như các Modul ngõ vào/ra tương tự, Modul ngõ vào/ra số. Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng Profibus-DP như là một Slave. Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng AS-I như là một MASTER. Phần mền STEP7 Mico/win sofwarl.
Đặc điểm kỹ thuật  CPU 226   Kích thước (mm)  190×80×62   Bộ nhớ chương trình  4096 words   Bộ nhớ dữ liệu  2560 words   Cổng logic vào  24   Cổng logic ra  16   Modul mở rộng  7   Digital I/O cực đại  128/128   Analog I/O cực đại  32 In/ 32 Out   Bộ đếm(counter)  256   Bộ định thời (Timer)  256   Tốc độ thực thi lệnh  0.37 µs   Lưu trữ khi mất điện  190 giờ   2.2.4 Thực hiện chương trình. PLC thực hiện chương trình theo chu trình 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 đếm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiên 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 đếm ảo tới các cổng ra. Như vậy tại thời điểm vào/ra thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với 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 1và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra. Cấu trúc chương trình. Có thể lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau : -STEP7-Micro/ DOS. -STEP7-Micro/ WIN. Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx và các máy tính cá nhân (PC). Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc chương trình chính (main progam) và sau đó đến các chương trình con và chương trình sử lý ngắt được chỉ ra sau đây: - Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND). - Chương trình 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 MEND. - Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử dụng chương trình, cần xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND. - 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 sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình sử lý ngắt đằng sau chương trình chính.
2.2.6 Các vùng nhờ của S7-200. Bộ nhớ của S7-200 có tính năng động cao, có thể đọc và ghi được toàn vùng, ngoại trừ phần các bít nhớ đặc biệt được kí hiệu SM( Special Memory) chỉ có thể truy cập đọc. Bộ nhớ có một tụ nhớ để nuôi, duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian khi mất điện. Bộ nhớ của s7-200 được chia thành 4 vùng: Vùng nhớ chương trình: Là vùng lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiêu không bị mất dữ liệu, đọc và ghi được. Vùng nhớ tham số: Là vùng lưu giữ các thông số như: từ khóa, địa chỉ trạm. Có thể đọc và ghi được. Vùng nhớ dữ liệu: Được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu của trương trình. Vùng dữ liệu được chia thành những vùng nhớ nhỏ vói các công dụng khác nhau. Chúng được kí hiệu bằng các chữ cái đầu tiếng anh: -V: Biến nhớ. V0-v4095 -I: Vòng đệm đầu vào. I0.x( x=0-7)-I7.x( x=0-7) -Q: Vòng đệm đầu ra. Q0.x( x=0-7)-Q7.x( x=0-7) -M: Vùng nhớ nội ( bits).M0.x( x=0-7)-M31.x( x= 0-7). -SM: vùng nhớ đặc biệt (bits). Vùng nhớ chi đọc SM0.x( x=0-7)- SM29.x( x=0-7). Vùng nhớ đọc/ghi SM30.x( x=0-7)- SM85.x( x=0-7) Ngôn ngữ lập trình. Có 3 dạng ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là: Phương pháp hình thang ( Ladder Logic ) viết tắt là LAD. Phương pháp liệt kê lệnh ( Statemnt List ) viết tắt là STL. Phương pháp theo dạng dữ liệu hình khối( Dât Block) viết tắt là DB. Nếu chương trình dược viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một chương trình theo kiểu STL tương ứng. Nhưng ngược lại không phải một chương trình nào được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển được sang LAD. Ở trong đồ án em sử dụng phương pháp hình thang(LAD). LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành 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 (symbol) mô tả các tiếp điểm của rơ le, các tiếp điểm đó có thể là thường mở hoặc thường đóng . Cuộn dây (coil): Là biểu tượng mô tả các 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 được 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 nóng, đường nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đường trở về nguồn cung cấp (đường nguồn bên phải thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEP7-Mcro/Dos hoặcMicro/Win). Dòng điện chạy từ bên trái qua các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. 2.2.8 Các tập lệnh cơ bản trong S7-200. 2.2.8.1 lệnh về bit. Tiếp điểm thường mở. Tiếp điểm thường đóng. Cuộn coil, ngõ ra. Trạng thái đảo bit. Set bit. Lấy sườn lên. Lấy sườn xuống. 2.2.8.2. Lệnh nạp tiếp điểm thường mở, thường đóng vào thanh nguồn (LD, LDI) Cấu trúc: Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 LD n (Load)  n: X, Y, M, S, T, C  1  
 LDI n (Load Inverse)  n: X, Y, M, S, T, C  1   2.2.8.3 Lệnh đầu ra (OUT) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 OUT n  n: Y, M, S, T, C  1   2.2.8.4 Nối tiếp tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng (AND, ANI) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 AND  n: X, Y, M, S, T, C  1  
 ANI  n: X, Y, M, S, T, C  1   2.2.8.5 Lệnh nối song song tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng (OR, ORI) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 OR  n: X, Y, M, S, T, C  1  
 ORI  n: X, Y, M, S, T, C  1   2.2.8.6 Lệnh lấy sườn lên, sườn xuống (LDP, LDF) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 LDP (Load Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2  
 LDF (Load Falling Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2   2.2.8.7 . Lệnh nối tiếp sườn lên, sườn xuống (ANP, ANF) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 ANP (And Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2  
 ANF (And Falling Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2   2.2.8.8. Lệnh nối song song sườn lên, sườn xuống (ORP, ORF) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 ORP (Or Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2  
 ORF (Or Falling Pulse)  n: X, Y, M, S, T, C  2   2.2.8.9 Lệnh nối nối tiếp các khối lệnh (ANB) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 ANB (And Block)   1   2.2.8.10. Lệnh nối song song các khối lệnh (ORB) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 ORB (Or Block)   1   2.2.8.11 Lệnh rẽ nhánh (MPS, MRD, MPP) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 MPS MRD MPP   1 1 1   2.2.8.12 Lệnh ghi xóa giá trị tiếp điểm (SET, RST) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 SET n  n: Y, M, S  1  
 RST n  n: Y, M, S, T, C, D, V, Z  1   Mô tả: Lệnh SET: Lệnh ghi giá trị logic 1 cho toán hạng n (tiếp điểm n) khi đầu vào của nó được thỏa mãn. Lệnh RST: Lệnh ghi giá trị logic 0 cho toán hạng n (tiếp điểm n) khi đầu vào của nó được thỏa mãn. 2.2.8.13 Lệnh lấy sườn xung tín hiệu đầu vào (PLS, PLF) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 PLS n  n: Y, M  2  
 PLF n  n: Y, M  2   2.2.8.14 Lệnh chuyển dữ liệu (MOV) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 MOV S D  S: Dữ liệu nguồn 16 bit (K, H, D, T, C, V, Z) D: Dữ liệu đích 16 bit (D, T, C, V, Z)  5   2.2.8.15 Lệnh tiếp điểm so sánh (=, >, , >=, <=) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 LD = n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 LD < n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 LD > n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 LD n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 LD <= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 LD >= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1   Mô tả: Lệnh tiếp điểm so sánh thực hiện việc so sánh dữ liệu trong 2 từ n1 và n2 hoặc 1 hằng số với dữ liệu của một từ. Kết quả của phép so sánh sẽ có giá trị bằng 1 nếu đúng (đóng tiếp điểm so sánh) và bằng 0 nếu sai (mở tiếp điểm so sánh). 2.2.8.16 Lệnh nối tiếp tiếp điểm so sánh (AND=, AND>, AND, AND>=, AND<=) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 AND = n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 AND < n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 AND > n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 AND n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 AND <= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 AND >= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1   Mô tả: Lệnh thực hiện phép toán AND giữa một tiếp điểm với tiếp điểm so sánh. Tùy thuộc vào trạng thái của tiếp điểm và kết quả của phép so sánh mà cho kết quả tổ hợp logic. 2.2.8.17. Lệnh nối song song tiếp điểm so sánh (OR, OR, OR>=, OR<=) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 OR = n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 OR < n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 OR > n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 OR n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 OR <= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1  
 OR >= n1 n2  n1, n2: K, H, D, T, C  1   Mô tả: Lệnh thực hiện phép toán OR giữa một tiếp điểm với tiếp điểm so sánh. Tùy thuộc vào trạng thái của tiếp điểm và kết quả của phép so sánh mà cho kết quả tổ hợp logic. 2.2.8.18 Lệnh trễ thời gian (Txxx) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 OUT Txxx K  Timer  1   Mô tả: - Txxx là tên của bộ trể thời gian; K là hằng số thời gian trễ -PLC họ FX có hai loại bộ trễ thời gian: Bộ trễ thời gian có nhớ (Retentive Timer) và bộ trễ thời gian không có nhớ (Non – retentive Timer). Bộ trễ thời gian sử dụng một từ để lưu giá trị đếm tức thời và sử dụng một bít làm cờ báo, khi giá trị trễ tức thời lớn hơn hoặc bằng hằng số đặt trước K thì bít cờ sẽ bằng 1. Bộ trễ thời gian không có nhớ giá trị trễ tức thời sẽ bị xóa về 0 khi mất điện đầu vào. Còn đối với bộ trễ thời gian có nhớ thì khi mất đầu vào, giá trị trễ tức thời được nhớ lại, và khi đầu vào có trở lại thì giá trị trễ tức thời lại tiếp tục trễ từ giá trị đang nhớ, giá trị trễ tức thời chỉ mất khi có lệnh reset. Bộ trễ thời gian có ba độ phân giải 1ms, 10ms, 100ms. Thời gian trễ phụ thuộc vào độ phân giải và hằng số đặt trước K. Thời gian trể thực của bộ trể được tính theo công thức: (thời gian trễ thực) = (độ phân giải) x (hằng số đặt trước K). Bảng phân bố các bộ trễ của các PLC họ FX: Timer Resolution  FX0(S)  FX0N  FX  FX2C  FX2N(C)   100 ms  56 (T0 – 55)  63 (T0-62)  200 (T0-199)   10 ms  24 (T32 – 55)  31 (T32-62)  46 (T200-245)   1 ms  N/A  1 (T63)  N/A   Retentive 1 ms  N/A  N/A  4 (T246-249)   Retentive 1 ms  N/A  N/A  6 (T250-255)   2.2.8.19. Lệnh đếm (Cxxx) Ladder  Intruction  Vùng nhớ  Bước lập trình  
 OUT Cxxx K  Counter  1   Mô tả: Cxxx là tên (thứ tự) của bộ đếm, K là giá trị đếm đặt trước. Bộ đếm của PLC họ FX có hai loại bộ đếm 16 bít và bộ đếm 32 bit. Bộ đếm 16 bít là bộ đếm tiến, mỗi khi đầu vào bộ đếm có một xung thì giá trị đếm tức thời tăng lên một đơn vị, khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước thì bit cờ Cxxx bằng 1. Giá trị đếm tức thời bị xóa về 0 khi có lệnh reset. Bộ đếm 32 bit là bộ đếm tiến lùi, chiều đếm được xác định bằng các bit từ M8200 đến M8234 tương ứng với các bộ đếm từ C200 đếm C234. Khi các bít định chiều bằng 0 bộ đếm 32 bit thực hiện đếm tiến, các bit định chiều bằng 1 bộ đếm 32 bít thực hiện đếm lùi. Giá trị đếm tức thời được so sánh với giá trị đặt trước, khi giá trị tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước thì bit cờ bằng 1. Bộ đếm 16 bit và 32 bit có 2 kiểu: bộ đếm thông thường (General) và bộ đếm chốt (Latched). Bộ đếm thông thường giá trị đếm tức thời bị xóa về 0 khi PLC mất nguồn nuôi. Bộ đếm chốt giá trị đếm tức thời không bị xóa về 0 khi PLC mất nguồn nuôi, nó chỉ xóa khi có lệnh reset. Bảng phân bố các bộ đếm của PLC họ FX: Counter Resolution  FX1s  FX1N  FX2N  FX2NC   General 16 bit up counter  16 (C0-15)  16 (C0-15)  100 (C0-99)   Latched 16 bit up counter  16 (C16-31)  184 (C16-199)  100 (C100-199)   General 32 bit up counter  N/A  20 (C200-219)   Latched 32 bit up counter  N/A  15 (C220-234)