Đồ án Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PLC S7-200 để điều khiển khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở theo nguyên tắc thời gian, không đảo chiều quay

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Lời nói đầu

Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật diễn ra nhanh chóng trên toàn

thế giới. Những thành tựu khoa học kỹ thuật đã được vận dụng trong thực tế để

tạo ra hàng loạt sản phẩm mới. Một trong những thành tựu khoa học đang được

ứng dụng rộng rãi đó là kỹ thuật điều khiển lập trình. Tuy mới phát triển trong

những năm gần đây nhưng nó đã nhanh chóng thay thế được các công nghệ điều

khiển lạc hậu, với nhiều đặc điểm ưu việt hơn. Trong số đó phát triển mạnh và

có khả năng ứng dụng rộng rãi là bộ điều khiển lập trình PLC.

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển

logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực

hiện một loạt trình tự các sự kiện. PLC dùng để thay thế các mạch rơle trong

thực tế, nó hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu

vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo.

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất bộ điều khiển lập trình như:

Siemens, Omron, ABB, Misubishi, Delta, GE fanus,... với nhiều ứng dụng như:

Điều khiển các thiết bị thuỷ lực và khí nén, điều khiển thang máy, hệ thống đèn

giao thông, khởi động động cơ một chiều,.... Sau khi kết thúc môn học Lập trình

PLC em được giao nhiệm vụ: “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển PLC S7-200

để điều khiển khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở theo nguyên

tắc thời gian, không đảo chiều quay“.

Trong quá trình làm đồ án tuy gặp nhiều khó khăn nhưng được sự hướng dẫn

của thầy giáo Nguyễn Đắc Nam em đã hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã cố

gắng nhưng do thời gian có hạn và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản

đồ án không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của các

thầỳ, cô cũng như bạn bè để bản đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Phú Thọ, ngày , tháng 04, năm 2016

Sinh viên thực hiện

Vũ Thanh Bình

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 1

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ PLC

1.1. Khái niệm, phân loại PLC

1.1.1 Khái niệm

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển

lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển

logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực

hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân

kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời

gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự

nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một

bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng

lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập

trình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều

khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu

sau :

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

• 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 mô Modul mở rộng.

• Giá cả có thể cạnh tranh được.

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và

các Logic thời gian.Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng

nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả …

Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công

nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh

đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 2

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số

lượng I/O nhiều hơn.

A, Cấu trúc của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua

một ngôn nhữ lập trình. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ

nhớ của PLC. Điều này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ

vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và

các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy

cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau :

Mô đun nguồn, Mô đun xử lý tín hiệu, Mô đun vào, Mô đun ra, Mô đun nhớ,

Thiết bị lập trình.

Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn ở hình bên dưới. Ngoài các mô

đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ như mô đun kết nối mạng,

mô đun truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu

như mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun

kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào…

Khối ngõ

vào

Bộ nhớ

Đơn vị xử lý

Quản lý ghép

trung tâm

nối

Bộ nguồn

Khối ngõ ra

Hình 1.1.1: Các thành phần cơ bản của một PLC

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 3

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ

trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các

lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái,

ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ

nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng.

Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo

chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị

lập trình chuyên dụng.

B, Nguyên lý hoạt động của PLC

❖ 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, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được

phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và 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 Modul 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.

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra

thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm

cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và

I/O. Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 18 MHZ.

Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định

thời, đồng hồ của hệ thống.

❖ Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 4

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I /O.

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi

các Relay.

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí

trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ.

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong

bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh

tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu

ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc.

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này

có khả năng chứa 2000 đến 16000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC

các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng.

RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi

bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả

năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong

thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng

hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn.

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà

người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được.

Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong

máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng

không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC.

Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM.

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng

trong máy lập trình.Đĩa cứng Hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường

được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài.

Kích thước bộ nhớ:

- Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 đến 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ

chế tạo.

- Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K đến 16K, có khả năng chứa từ 2000

đến 16000 dòng lệnh.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 5

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

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 modul (các đầu vào

của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC

).

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là

12/24VDC hoặc 100/240VAC.

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các

kênh I/O được cung cấp bởi 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 .

❖ Vòng quét chương trình.

PLC thực hiện các công việc theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là

một vòng quét (Scancyle), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc chuyển dữ

liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện

chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu

tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1.

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung

của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử

lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm trạng thái của CPU. Mỗi vòng

quét có thể mô tả như sau:

Hình 1.1.2: Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 6

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là

thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là

không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như

nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh

tuỳthuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu

truyền thông. Trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối

tượngđể xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một

khoảngthời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian

vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong

PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng

cao.

1.1.2 Phân lọai PLC

* Theo hãng sản xuất

Các nhãn hiệu như: Siemens, Ormon, Misubishi, Alenbratlay, Delta,…

* Theo version

- PLC Siemens có các họ như S7-200, S7-300, S7-400,…

- PLC Misubishi có các họ như Alpha, Fx, Fx₀, Fx_0N,Fx_1N,Fx_2N

* Theo số lượng các đầu vào/ra

Ta có thể phân PLC thành bốn loại sau:

Micro PLC là loại có dưới 32 kênh vào/ra.

PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra.

PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra.

PLC có đến trên 1024 kênh vào/ra.

+Các micro-PLC:

Thường có ít hơn 32 đầu vào/ra. Ở hình vẽ bên là ví dụ về PLC họ T100MD-

1616 do hãng Triangle Research International sản xuất. Cấu tạo tương đối đơn

giản và toàn bộ các bộ phận được tích hợp trên một bảng mạch có kích thước

nhỏ gọn. Micro-PLC có cấu tạo gồm tất cả các bộ phận như bộ xử lý tín hiệu,

bộ nguồn, các kênh vào/ra trong một khối. Các micro – PLC có ưu điểm hơn

các PLC nhỏ là giá thành rẻ, dễ lắp đặt.

Một loại micro PLC khác là DL05 của hãng Koyo, loại này có 32 kênh vào/ra.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 7

Đồ án CN: Điều khiển PLC

+PLC loại nhỏ:

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Có thể có đến 256 đầu vào/ra. Hình dưới là PLC của hãng OMRON loại ZEN-

10C. Loại PLC này có 34 kênh vào/ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên mô

đun CPU, còn lại 3 mô đun vào/ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi mô đun

Hãng Siemens có các loại PLC nhỏ như S5-90U,S5-100U,S7-200, có số lượng

kênh vào/ra nhỏ hơn 256.

+Các PLC trung bình:

Có thể có đến 1024 đầu vào/ra. Loại CJ1M của Omron hình bên dưới có 320

kênh vào/ra.

+Các PLC loại lớn:

Hãng Siemens là các loại series S7-300, S7-400. Các loại này có số lượng kênh

vào/ra rất lớn. Các kênh này không thể đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua

các bộ dồn kênh và tách kênh (demultiplexeur và multiplexeur). PLC S7-400

của Siemens là PLC mạnh nhất hiện nay.

1.2 Ứng dụng, ưu nhược điểm của PLC

1.2.1: Ứng dụng của PLC

Ứng dụng của PLC trong công nghiệp.

•

Dây chuyền đóng gói.

Các robot lắp giáp sản phẩm .

Điều khiển bơm.

Dây chuyền xử lý hoá học.

Công nghệ sản xuất giấy .

Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh.

Sản xuất xi măng.

Công nghệ chế biến thực phẩm.

Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn.

Dây chuyền lắp giáp Tivi.

Điều khiển hệ thống đèn giao thông.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 8

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

•

Quản lý tự động bãi đậu xe.

Hệ thống báo động.

Dây chuyền may công nghiệp.

Điều khiển thang máy.

Dây chuyền sản xuất xe ôtô.

Sản xuất vi mạch.

1.2.2 Đánh giá ưu nhược điểm của PLC

Trước đây, bộ PLC thường rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình

lập trình phức tạp. Vì những lý do đó mà PLC chỉ được dùng trong những nhà

máy và các thiết bị đặc biệt. Ngày nay do giảm giá liên tục, kèm theo tăng khả

năng của PLC dẫn đến kết quả là ngày càng được áp dụng rộng rãi cho các thiết

bị máy móc. Các bộ PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào và 16 kênh đầu ra thích

hợp với các máy tiêu chuẩn đơn, các trang thiết bị liên hợp. Còn các bộ PLC với

nhiều khả năng ứng dụng và lựa chọn được dùng cho những nhiệm vụ phức tạp

hơn.

Có thể kể ra các ưu điểm của PLC như sau:

+ Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi

nhanh với mọi chức năng điều khiển. Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn sàng

làm việc ngay. Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ

dàng.

+ Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ-

điện. Độ tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần

thiết còn với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dưỡng định kỳ là cần thiết.

+ Dễ dàng thay đổi chương trình: Những thay đổi chương trình được tiến

hành đơn giản. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang

được sử dụng, người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, gần như không cần

mắc nối lại dây (tuy nhiên, có thể vẫn phải nối lại nếu cần thiết). Nhờ đó hệ

thống rất linh hoạt và hiệu quả.

+ Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và các đầu ra thì có thể

đánh giá được kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chương trình. Do đó, có

thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ

đặt ra.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 9

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

+ Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều PLC với quy cách kỹ thuật giống nhau

thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển rơle, đó là do

giảm phần lớn lao động lắp ráp.

+ Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển

rơle tương đương.

+ Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng

cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Người ta

thường dung PLC cho các quá trình tự động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện

trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi

các thông số.

+ Về giá trị kinh tế: Khi xét về giá trị kinh tế của PLC phải đề cập đến số

lượng đầu ra và đầu vào. Quan hệ về giá thành với số lượng đầu vào/ra: nếu số

lượng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle tỏ ra kinh tế hơn, những khi số lượng đầu

vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn.

Khi tính đến giá cả của PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận

phụ không thể thiếu như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi... cả việc đào tạo

nhân viên kỹ thuật. Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các

mục đích đặc biệt là khá đắt. Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp

chọn bộ đóng gói phần mềm đã được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi

các phần mềm là nhu cầu không thể tránh khỏi, do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ

năng phần mềm.

Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau:

- 50% cho phần cứng của PLC.

- 10% cho thiết kế khuân khổ chương trình.

- 20% cho soạn thảo và lập trình.

- 15% cho chạy thử nghiệm.

- 5% cho tài liệu.

Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu

tiền, nghĩa là hầu như chỉ còn chi phí phần cứng.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 10

Đồ án CN: Điều khiển PLC

So sánh đặc tính kĩ thuật giữa những hệ thống điều khiển:

Chỉ tiêu so sánh Rơ - le Mạch số Máy tính

Cao

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

PLC

Thấp

Giá thành từng Khá thấp Thấp

Chức năng

Kích thước vật lý Lớn

Rất gọn

Rất nhanh

Khá gọn

Khá nhanh

Khá tốt

Rất gọn

Nhanh

Tốt

Tốc độ điều khiển Chậm

Khả năng chống Xuất sắc Tốt

nhiễu

Lắp đặt

Mất thời Mất

thời Mất nhiều thời Lập trình và

gia thiết gian thiết kế gian lập trình

lắp đặt đơn

kế lắp đặt

giản

Khả năng điều Không

khiển tác vụ phức

tạp

Có

Để thay đổi điều Rất khó

khiển

Khó

Khá đơn giản

Rất đơn giản

Công tác bảo trì

Kém -có Kém-nếu IC Kém -có nhiều Tốt-các modul

rất nhiều được hàn

công tắc

mạch điện tử được

chuyên dùng chuẩn hóa

tiêu

Theo bảng so sánh PLC có những đặc điểm về phần cứng và phần mềm tốt

hơn hẳn so với các hệ thống khác làm nó trở thành bộ điều khiển công nghiệp

được sử dụng rộng rãi.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 11

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

CHƯƠNG HAI

BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-200

2.1: Cấu tạo của PLC S7-200

PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7-200

gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-200 gồm

nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi có

nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I, Profibus )

Hình 2.1.1: Hình dáng S7-200

PLC S7-200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau :

 Các đèn báo:

Có 3 loại đèn báo hoạt động:

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 12

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

- RUN: đèn xanh –báo hiệu PLC đang hoạt ðộng

- STOP:đèn vàng –báo hiệu PLC

- SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố.

Có 2 loại đèn chỉ thị :

- Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.

- Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra

 Ðặc điểm ngỏ vào

- Mức logic 1 : 24VDC/7mA

- Mức logic 0 : đến 5VDC/1mA

- Ðáp ứng thời gian : 0.2ms

- Cách ly quang : 500ACV

- Ðịa chỉ ngõ vào : Ix.x

 Ðặc điểm ngõ ra:

- Ðiện áp tác động: 24 -28VDC/2A.

- Ngõ ra Relay hoặc transitor Sourcing.

- Chịu quá dòng đến 7A.

- Ðiện trở cách ly nhỏ nhất 100 m Ω.

- Ðiện trở công tắc 200 Ω.

- Ðiện trở công tắc: 200 m Ω.

- Thời gian chuyển mạch tối đa 10 ms.

- Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch.

- Ðịa chỉ ngõ ra: Qx.x

- Nguồn cung cấp.

- Ðiện áp nguồn 20-24 VDC.

- Dòng tối đa 900 mA.

- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms.

- Cầu chì bên trong 2A/250V.

- Công tắc chọn mode.

- Không có cách ly nguồn điện.

 Modul công tắc chọn

Có 3 vị trí lựa chọn công tắc:

- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình.

- STOP: PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố.

- TERM: cho phép máy lập trình quyết định chế độ hoạt động PLC

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Trang 13

Lớp:

TĐ1Đ12

Đồ án CN: Điều khiển PLC

 Pin và nguồn nuôi

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Nguồn nuôi dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trình mới.

Nguồn pin có thể đuợc sử dụng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu

có trong bộ nhớ. Nguồn pin được tự động chuyển sang trạng thái tích cực nếu

như dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đó để dữ liệu

trong bộ nhớ không bị mất đi.

 Cổng truyền thông

- Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác.

- Tốc độ truyền là 9600 bauds.

- Cấu trúc cổng truyền thông được mô phỏng như sau:

- Ghép nối PLC và máy tính.

- Sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485.

- Chuyển đổi và kết nối như hình sau:

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 14

Đồ án CN: Điều khiển PLC

Hình 2.1.1: Kết nối PLC với máy tính.

 Đấu nối phần cứng

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Hình 2.1.2: Cấu hình vào ra của S7-200 CPU224 AC/DC/Relay

 Mở rộng cổng vào ra

CPU212 cho phép mở rộng nhiều nhất 2 modul và CPU 224 nhiều nhất 7

modul. Các modul mở rộng tương tự và số đều có trong S7-200 có thể mở rộng

cổng vào/ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về

phía bên phải của CPU, làm thành một mốc xích. Địa chỉ của các vị trí của

modul được xác định bằng kiểu vào/ra và vị trí của modul trong móc xích,

bao gồm các modul có 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 rời rạc đều

chiếm chỗ trong bộ đệm, tương ứng với số đầu vào/ra của modul.

2.2. Địa chỉ và gán địa chỉ

Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với một 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 và ghi được trong toàn vùng, loại trừ các phần bit nhớ

đặc biệt được ký hiệu bởi SM (special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 15

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

-Vùng chương trình: là miền bộ nhớ 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 khoá, địa chỉ trạm,...cũng

giống như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non volatile đọc/ghi

được.

-Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình bao gồm

các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm

truyền thông... Một phần của vùng nhớ này (200 byte đầu tiên đối vời CPU212,

1Kbyte đầu tiên đối với CPU214) thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.

-Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra

tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này không thuộc kiểu

nonvolatile nhưng đọc/ghi được.

ꢀHai vùng nhớ cuối cùng có ý nghĩa quan trong trong việc thực hiện một

chương

trình.

ꢀVùng dữ liệu là một miền nhớ động. Nó có thể truy nhập theo từng bit, từng

byte, từng từ đơn (word) hoặc theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu

trữ dư liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch

chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ… Ghi các dữ liệu kiểu bảng bị hạn

chế rất nhiều vì dữ liệu kiểu bảng thường chỉ được sử dụng theo những mục

đích nhất định. Vùng dữ liệu lại được chia ra thành những miền nhớ nhỏ với các

công dụng khác nhau. Chúng được ký hiệu bằng các chưa cái đầu tiên của tên

tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

ꢀ V: Variable memory

ꢀ I: Input image register

ꢀ O: Output image register

ꢀ M: Internal memory bits

ꢀ SM: Specical memory bits

Tất cả miền này đều có thể truy nhập được theo từmg bit, từng byte, từng từ đơn

(word – 2byte) hoặc từ kép (2 word)

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 16

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

❖ Truy xuất dữ liệu trong PLC

Truy cập theo bit: Tên miền(+) địa chỉ byte (+)  (+) chỉ số bit.

VD: I0.0, Q0.6, M10.2….

Truy cập theo byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền.

VD:VB0, QB0, MB10………

Truy cập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền.

VD:VW0, QW2, MW4………

Truy cập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền.

VD:VD0, QD2, MD4, ID0……

2.3 Lập trình PLC S7-200

2.3.1: 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:

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 17

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

- 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.

A. 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.

- 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:

Tiếp điểm thường đóng

Tiếp điểm 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.

B. 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

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 18

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

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

S8: Bit thứ chín của ngăn xếp

C. FBD:

Là phương pháp lập trình khối hàm mô phỏng các lệnh và khối làm việc trong

mạch số. Các phần tử cơ bản trong phương pháp này là các khối lệnh được liên

kết với nhau.

2.1.2: Các lệnh cơ bản

a. Lệnh vào / ra

• Lệnh Load (LD):

Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của

ngăn xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.

Toán hạng gồm: I, O, M, SM, V, C, T.

Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1.

Dạng LAD

I0.0

Dạng STL

LD I0.0

= Q0.0

Q 0.0

• Lệnh Load Not (LDN):

Lệnh LDN nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của

ngăn xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.

Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1

Dạng LAD

I0.0

Dạng STL

LDN I0.0

= Q0.0

Q0.0

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Trang 19

Lớp:

TĐ1Đ12

Đồ án CN: Điều khiển PLC

GVHD: Th.s Nguyễn Đắc Nam

Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN:

Toán

STL

LD n

LDN n

LDI n

LAD

Mô tả

hạng

n

Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi

n = 1

n: I, Q,

┤├

n

M, SM,

(bit) T, C.

Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi

n = 1

┤/├

n

Tiếp điểm thường mở sẽ đóng tức

thời khi n = 1

┤I├

n

n:1

LDNI

n

Tiếp điểm thường đóng sẽ mở tức

thời khi n = 1

┤/I├

• OUTPUT (=):

Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ

định trong lệnh. Nội dung ngăn xếp không bị thay đổi.

LAD

n

Mô tả

Toán hạng

Cuộn dây đầu ra ở trạng thái kích n: I, Q, M,

─( )

thích khi có dòng điều khiển đi qua

SM, T, C

(bit)

n

Cuộn dây đầu ra được kích thích tức n: Q (bit)

thời khi có dòng điều khiển đi qua

─( I )

b. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:

• Lệnh SET ( S ) và RESET ( R )

Hai lệnh này dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế.

Trong LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầu ra. Khi

dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuôn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm.

Trong STL, lệnh truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết

kế. Nếu bit này có giá trị bằng 1, các lệnh S hoặc R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc

một dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị

thay đổi bởi các lệnh này.

Mô tả lệnh S (Set) và R (Reset):

SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình

Lớp: TĐ1Đ12

Trang 20