Chương 1:Giới Thiệu Tổng Quan Về PLC và Cấu trúc họ phần cứng PLC S7-200.1 Cấu trúc phần cứng -PLC: Là tên viết tắt của “Programmable Logic Control” là thiết bị điều khiển được lập trình hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. -Lịch sử hình thành và phát triển: Bộ điều khiển lập trình đầu tiên đã được các kỹ sư của công ty General Motors- Hoa kỳ sáng chế ra năm 1968. -Với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển: Dễ lập trình và thay đổi chương trình. Cấu trúc dạng Moudule mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.
Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất.1a:PLC đầu tiên ra đời năm 1968 tại Hoa kỳ Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế đã chế tạo từng bước để hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ và dễ vận hành hơn. 9 Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển cầm tay ( Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển.1bPLC sản xuất năm 1969 Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn các chức năng mở rộng: Số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn. Nhiều loại module chuyên dùng hơn. Trong những năm 1970, với sự phát triển của công nghệ phần mềm, bộ lập trình điều khiển PLC không chỉ thực hiện các câu lệnh đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì , đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung , xử lý thời gian thực…. Từ năm 1970 đến nay, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong ngành công nghiệp tự động .Các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật ghép nối các PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ, tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét 10 nhanh hơn.
Bên cạnh đó, PLC còn được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng.Những hãng PLC phổ biến hiện nay :Misubishi, simen,… Thực chất PLC là một hệ vi xử lý có những ưu điểm mà hệ vi xử lý khác không có được và được cài đặt sẵn hệ điều hành với chức năng có thể điều khiển lập trình được. Hệ điều hành: Chứa chương trình hệ thống để xác định các cách thức thực hiện chương trình của người sử dụng, quản lý các đầu vào/ra phân chia bộ nhớ RAM trong quản lý dữ liệu. Bộ nhớ chương trình: Lưu giữ chương trình điều khiển, khi PLC hoạt động nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này. Bộ đếm đầu và ra (buffer): LÀ vùng nhớ đệm cho các đầu vào ra, các vùng này chiếm một phần của RAM.
Bộ định thời(Timer), Bộ đếm(Counter): Trong CPU có các bộ định thời, các bộ đếm có chức năng khác nhau từ vài chục đến vài trăm. Timer: TON, TOFF, TOR… Counter: CT, CU, CD,CUD 11 Vùng nhớ dữ liệu: Không giống như bộ nhớ chương trình, vùng nhớ này được sử dụng để lưu kết quả của người sử dụng. Có 2 loại vùng nhớ: -Vùng nhớ Bit hay còn gọi là vùng nhớ cờ (Internal Relay) thường được ký hiệu là M được sử dụng dữ liệu logic. -Vùng nhớ Byte các vùng nhớ này có thể đọc, ngoài ra còn có các vùng nhớ đặc biệt thường được ký hiệu S(Special).
Bộ xử lý CPU: Bộ xử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình để thực hiện một cách tuần tự theo chương trình. Bus vào/ra: Trong PLC dữ liệu trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Module vào ra thông qua bus vào/ra. Hệ thống bus chia làm 3 loại: bus địa chỉ, bus điều khiển, bus dữ liệu.1 d thành phần hệ thống PLC 1.2Phân Loại a, Micro PLC: Có cấu trúc Onboard và thường được sử dụng nhỏ như chiếu sáng, mở cửa, trong một máy phát điện tự động, tuy nhỏ nhưng Micro PLC được ứng dụng rất nhiều và đa dạng. 12 Logo( Simens) Zen (Omron) b, Mini PLC: Có cấu trúc On board nghĩa là trên CPU có thể tích hợp toàn bộ các chức năng như Module nguồn, module vào/ra.
cổng đọc tốc độ cao HSC (High Speed Counter), bộ timer couter, và các bộ pin nhớ…. VD như các loại: S5-900 , S7/200 hoặc Micro Smart IDEC , CPM1 Omron, c,Medium PLC : S7-300 , A1SHCPU Misubishi, FA IDEC, … có cấu trúc module và được sử dụng trong các hệ thống vừa và trung bình. Các module mở rộng cũng bao gồm các module như ở PLC cỡ lớn. d,Great PLC: PLC S7-400, PCS, DCS.
Có cấu trúc dạng module, có khả năng sử dụng các ngôn ngữ bậc cao trong lập trình máy tính… +Module nguồn +Module vào/ra (A/D): AI, AO, DI, DI/ DO, AI/AO, hoặc AI/DO, DI/ AO +Module truyền thông: Mạng Mobus, AS-I, Profilebus, Devinet, CC- Link… +Các module đặc biệt : PID, điều khiển động cơ , bộ đếm tốc độ cao.3 Chế độ làm việc và vòng quét. Chế độ làm việc: a, Chế độ nghỉ (Stop mode):Ở chế độ này người dùng không xử lý các chương trình điều khiển và người lập trình có thể cài đặt chương trình điều khiển từ máy tính sang PLC hoặc ngược lại. b, Chế độ chạy (Runner mode): Ở chế độ này PLC sẽ thực hiện chế độ điều khiển và làm việc theo chu tình vòng quét. c, Chế độ làm việc trung gian: Giữa chế độ chạy và nghỉ, ở chế độ này thì ta có thể chuyển sang chế độ Run hoặc Stop bằng phần mềm (bấm chuột trên thanh công cụ trên màn hình PC).
d, Lỗi (Error): Là một chế độ làm việc đặc biệt để thông báo lỗi chương trình truyền thông hoặc phần cứng vật lý của hệ thống. Vòng quét Scan: PLC thực hiện chương trình chạy vòng quét được biểu diễn thông qua hình sau: Dữ liệu từ DI/AI vào vùng đệm đầu vào Thực hiện chương Scan trình Đưa dữ Time liệu từ bộ đệm tới đầu Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Hình 1.3 Vòng quét Scan 14 1.4 Các thiết bị phụ trợ. Ở đây các thiết bị phụ trợ là các thành phần : Phần cứng, phần mềm giúp PLC giao tiếp với con người và đối tượng điều khiển hay với một thiết bị điều khiển khác. a, Phần cứng: +Máy tính(PC).
+Cáp truyền thông giữa PC và PLC. +Card truyền thông. +Cảm biến Sensor. b, Phần mềm: Để lập trình PLC chúng ta cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng của các hãng sản xuất phù hợp với các loại PLC chúng ta dùng.
VD: Step 7, GX, Win LDR, SysWin, Rslogix500… 1.5 Ngôn ngữ lập trình. Trong lập trình logic thường hay sử dụng hai ngôn ngữ là: -Ngôn ngữ LAD -Ngôn ngữ STL -Ngôn ngữ bảng lệnh (STL):Ngôn ngữ liệt kê , ký hiệu STL( Statement List). Đây là ngôn ngữ lập tình thông thường của một máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là : “tên lệnh” + “toán hạng”.
Một số lệnh đặc biệt có thể chỉ tên lệnh mà không cần toán hạng. 15 -Ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD): Ngôn ngữ hình thang, ký hiệu LAD( Ladder logic) với loại ngôn ngữ này rất thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển logic. Chương tình này được viết dưới dạng liên kết các công tắc.6 Ứng dụng PLC Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng điều khiển hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở ( ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng thuật toán trong quá trình sản xuất.
Các lĩnh vực tiêu biểu cho ứng dụng PLC hiện nay bao gồm: Phân tích vật liệu Hệ thống truyền tải Máy đóng gói Điều khiển robot gắp và xếp hàng Điều khiển bơm Hồ bơi Xử lý nước Thiết bị xử lý hóa chất Công nghiệp giấy Sản xuất thủy tinh Công nghiệp đúc bê tông Sản xuất xi măng Công nghiệp in ấn Xử lý thực phẩm Máy công cụ Máy CNC Nghành năng lượng Điều khiển máy lạnh Thiết bị sản xuất TV Trạm điện 17 1. Cấu trúc phần cứng họ PLC S7-200 1.1 Các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn của họ PLC s7-200. -Ở đây ta lấy ví dụ về PLC Simentic S7-200 CPU 224.1:PLC Simentic S7-200 CPU 224. -Đặc điểm của CPU 224: Kích thước:120.5mm x 80mm x62mm.
Dung lượng bộ nhớ chương trình:4096 Word Dung lượng bộ nhớ dữ liệu:2560 Word Có 14 cổng vào , 10 cổng ra Có 256 timer, 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực Có 6 bộ đếm tốc độ cao Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, theo truyền thông Toàn bộ bộ nhớ được lưu sau 190 giờ khi PLC bị mất điện 1.Tính năng của PLC S7-200 Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi hẹp. Có nhiều loại CPU. Có nhiều Module mở rộng. Có thể mở rộng đến 7 Module.
18 Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau. Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus. Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module. Không quy định rãnh cắm, phần mềm điều khiển riêng.
-Các phụ kiện : Các Bus nối dữ liệu. -Các đèn báo trên CPU: Các đèn báo trên PLC cho ta biết được các chế độ đang làm việc. +SF(đỏ): đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng. +Run (xanh): đèn báo hiệu hệ thống đang làm việc.
+Stop(vàng): đèn báo hiệu đang ở chế độ dừng. +Ixx, Qxx: chỉ định trạng thái tức thời của cổng. -Công tắc chọn chế độ làm việc: +Run: cho phép PLC vện hành theo chương trình trong bộ nhớ.PLc sẽ chuyển từ Run sang Stop nếu gặp sự cố trong khi làm việc. +Stop: PLC dừng công việc đang thực hiện ngay lập tức.
+Term: cho phép máy tính quết định chế độ làm việc của CPU, hoặc ở Stop hoặc ở Run.Cấu trúc bộ nhớ CPU. Bộ nhớ của S7-200 được chia làm 4 vùng: a, Vùng nhớ chương trình:Là vùng lưu giữ các lệnh chương trình, vùng này thuộc kiểu không bị mất dữ liệu, đọc/ghi được.