Tài liệu Xây dựng mô hình bãi gửi xe tự động

.. LỜI MỞ ĐẦU Đất nƣớc ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá để từng bƣớc bắt kịp sự phát triển của các nƣớc trong khu vực cũng nhƣ các nƣớc trên thế giới về mọi mặt kinh tế, văn hoá và xã hội. Trong đó công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của đất nƣớc. Trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay, yêu cầu về tự động hoá đang đƣợc chú trọng và phát triển. Tự động hoá giúp cho việc xử lý kết quả tự động, chính xác hơn, việc vận hành sửa chữa dễ dàng hơn và hiệu suất công việc cao hơn . Là sinh viên của chuyên ngành điện. Sau những tháng năm học hỏi và tu dƣỡng tại Trƣờng đại học dân lập Hải Phòng. Từ các thầy cô, từ các bạn bè, em đã nhận thức đƣợc con đƣờng em đã chọn là đúng đắn. Đặc biệt là với ngành điện là rất quan trọng và không thể thiếu cho bất kỳ một lĩnh vực nào, quốc gia nào. Khi đƣợc giao đồ án tốt nghiệp, xác định đây là công việc quan trọng để nhằm đánh giá lại toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài ” Xây dựng mô hình bãi gửi xe tự động”. Đây là một chuyên ngành còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Cho nên, trong đồ án này em chỉ tập trung đi sâu vào công việc chính là sử dụng ngôn ngữ lệnh, lập trình cho bộ PLC SIMATIC S7-200 của hãng SIEMENS (Đức) để điều khiển cho cửa tự động của gara ô tô. Sau 3 tháng tìm hiểu và tham khảo, với ý thức và sự nỗ lực của bản thân và đƣợc các thầy, cô, và đặc biệt là thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Đức Minh đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình. Em đã kết thúc công việc đƣợc giao. Qua bản đồ án này cho em xin đƣợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Thạc sĩ Nguyễn Đức Minh, cùng toàn thể các thầy cô giáo trong khoa và nhà trƣờng đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em để hôm nay em hoàn thành đồ án một cách đầy đủ. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC S7-200 CỦA HÃNG SIEMENS 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TỰ ĐỘNG HÓA ( TĐH ) VÀ PLC NÓI CHUNG 1.1.1. Sự phát triển của TĐH Cùng với công nghệ thông tin thì TĐH là một nghành khoa học phát triển cực kỳ mạnh mẽ trong thời gian gần đây. TĐH có mặt ở khắp mọi nơi, mọi lĩnh vực trong cuộc sống. Trong các nhà máy xí nghiệp, xƣởng sản xuất đó là các dây truyền sản xuất tự động hay trong các cơ quan, công sở, văn phòng nhƣ là thang máy, cửa tự động. Thậm chí cả ở sân bay, nhà ga, siêu thị là các cửa tự động các máy bán hàng tự động, các máy soát hàng tự động, … Những thành tựu mà nó đem lại cho nhân loại là không thể kể siết. Tầm quan trọng của nó không chỉ đối với những nƣớc đang phát triển, đang trong quá trình công nghiệp hóa nhƣ nƣớc ta mà còn đối với cả những nƣớc tƣ bản phát triển hàng đầu thế giới nhƣ: Mỹ, Nhật, Đức, … Vì vậy việc nghiên cứu các ứng dụng của TĐH áp dụng trong quá trình phát triển của xã hội là điều tất yếu và cần thiết đối với sinh viên nghành TĐH. Việc học hỏi tìm tòi và sáng tạo những ứng dụng của TĐH sẽ góp phần không nhỏ vào sự phát triển nền công nghiệp nƣớc nhà nói riêng và sự đi lên của xã hội nói chung. Một xã hội phát triển văn minh là một xã hội gắn liền với TĐH. 1.1.2. Sự phát triển của PLC Trong rất nhiều ứng dụng của TĐH, chúng ta không thể không kể đến công nghệ PLC, là một công nghệ lập trình tối ƣu dùng để điều khiển các chƣơng trình hoạt động tự động. Công nghệ PLC kết hợp với máy vi tính là 2 nền móng vững chắc cho nghành TĐH phát triển. Trong cạnh tranh công nghiệp thì hiệu quả của nền sản xuất nói chung là chìa khóa của thành công. Hiệu quả của nền sản xuất bao trùm những lĩnh vực rất rộng nhƣ: Tốc độ sản xuất ra một sản phẩm của thiết bị và của dây truyền phải nhanh. Giá nhân công và vật liệu làm ra sản phẩm phải hạ. Chất lƣợng cao và ít phế phẩm. Thời gian chết của máy móc là tối thiểu. Máy sản xuất có giá trị rẻ. Các bộ điều khiển chƣơng trình đáp ứng đƣợc hầu hết các yêu cầu trên và nhƣ là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trƣớc đây việc tự động hóa chỉ đƣợc áp dụng trong hàng hóa năng suất cao. Hiện nay cần thiết phải TĐH cả trong sản xuất nhiều loại hàng hóa khác nhau, trong việc nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ dễ đạt năng suất cao hơn và nhằm cực tiểu hóa vốn đầu tƣ cho thiết bị và xí nghiệp. Các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) đáp ứng đƣợc các nhu cầu này. Hệ thống bao gồm các thiết bị nhƣ các máy điều khiển số, rôbôt công nghiệp, dây truyền tự động và máy tính hóa công việc điều khiển sản xuất. Bạn sẽ tìm thấy nhiều ứng dụng của bộ điều khiển chƣơng trình trong thiết bị sản xuất tự động. Trƣớc khi có các bộ điều khiển chƣơng trình trong sản xuất đã có nhiều phần tử điều khiển, kể cả các trục cam, các bộ khống chế hình trống. Khi xuất hiện rơle điện tử thì panel rơle trở thành chủ đạo trong điều khiển. Khi trasistors xuất hiện nó đáp đƣợc áp dụng ngay ở những chỗ mà rơle điện tử không đáp ứng đƣợc những yêu cầu điều khiển cao. Hệ thống điều khiển logic thông thƣờng không thể thực hiện điều khiển tổng thể đƣợc và các bộ điều khiển chƣơng trình hóa hoặc điều khiển bằng máy vi tính đã trở lên cần thiết. 3 1.2. TỔNG QUAN VỀ PLC 1.2.1. Giới thiệu PLC PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình đƣợc (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Ngƣời sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này đƣợc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. Một khi sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài đƣợc gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chƣơng trình do “ngƣời 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 nhƣợc điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) ngƣời 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 lƣợng bộ nhớ lớn có thể chứa đƣợc những chƣơng trình phức tạp Hoàn toàn tin cậy trong môi trƣờng công nghiệp . Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng. Giá cả có thể cạnh tranh đƣợc. 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 cƣờng dung lƣợng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng nhƣ 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 4 đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch,… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn. Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lƣợng lớn, số lƣợng I / O nhiều hơn. Trong PLC, phần cứng CPU và chƣơng trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đƣợc xác định bởi một chƣơng trình. Chƣơng trình này đƣợc nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chƣơng trình này. Nhƣ vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chƣơng trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ đƣợc thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay . 1.2.2. Phân loại PLC đƣợc phân loại theo 2 cách: - Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu nhƣ Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly, ... - Version: Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo. PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon. 1.2.3. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: Bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào ra và thiết bị lập trình. Sơ đồ hệ thống nhƣ sau: 5 Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống.  Bộ xử lý: Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý nhận các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chƣơng trình đƣợc lƣu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dƣới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra. Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bƣớc tuần tự. Đầu tiên các thông tin lƣu trữ trong bộ nhớ chƣơng trình đƣợc gọi lên tuần tự và đƣợc kiểm soát bởi bộ đếm chƣơng trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đƣa kết quả ra đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan). Thời gian vòng quét phụ thuộc vào tầm vóc bộ nhớ, tốc độ của CPU. Chu kỳ một vòng quét có hình nhƣ hình 1.2. 6 Hình 1.2: Chu kỳ một vòng quét. Sự thao tác tuần tự của chƣơng trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chƣơng trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó lại bắt đầu lại từ đầu.  Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thƣờng là 5VDC) và cho các mạch điện cho các module còn lại (thƣờng là 24V).  Thiết bị lập trình: Thiết bị lập trình đƣợc sử dụng để lập các chƣơng trình điều khiển cần thiết sau đó đƣợc chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm đƣợc cài đặt trên máy tính cá nhân.  Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi lƣu trữ chƣơng trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM. Ngƣời ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAM để duy trì chuơng trình trong trƣờng hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng có thể đƣợc chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm. 7  Giao diện vào / ra: Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện, ... Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ, ... Tín hiệu vào/ra có thể là các tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic, ... Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện nhƣ sau: Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ duy nhất đƣợc PLC sử dụng. Hình 1.3: Giao diện vào ra của PLC. Các kênh vào ra đã có chức năng cách ly và điều hoá tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác. 1.2.4. Các hoạt động xử lý bên trong PLC 1.2.4.1. Xử lý chƣơng trình Khi một chƣơng trình đã đƣợc nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ đƣợc trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ . PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chƣơng trình ở bên trong bộ nhớ sẽ đƣợc bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ 8 đầu cho đến cuối chƣơng trình. Mỗi lần thực hiện chƣơng trình từ đầu đến cuối đƣợc gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chƣơng trình. Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau: Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chƣơng trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và đƣợc gọi là hệ điều hành . Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chƣơng trình. Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra. Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu ra. 1.2.4.2. Xử lý xuất nhập Gồm hai phƣơng pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC:  Cập nhật liên tục Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngõ vào (mà chúng xuất hiện trong chƣơng trình ), khoảng thời gian Delay đƣợc xây dựng bên trong để chắc chắn rằng chỉ có những tín hiệu hợp lý mới đƣợc đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các lệnh ngõ ra đƣợc lấy trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chƣơng trình, khi lệnh OUT đƣợc thực hiện thì các ngõ ra cài lại vào đơn vị I / O, vì thế nên chúng vẫn giữ đƣợc trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.  Chụp ảnh quá trình xuất nhập Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I / O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời điểm. Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập phải đƣợc xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong chƣơng trình. Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào. 9 Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O đƣợc copy tiêu biểu là vài ms. Thời gian thực thi chƣơng trình phụ thuộc vào chiều dài chƣơng trình điều khiển tƣơng ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1 10 s. 1.2.5. Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC Từ các ƣu điểm trên, hiện nay PLC đã đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp nhƣ: * Hệ thống nâng vận chuyển. * Dây chuyền đóng gói. * Các ROBOT nắp ráp 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 sản phẩm. * Điều khiển hệ thống đèn giao thông. * Quản lý tự động bãi đỗ xe. * Hệ thống may công nghiệp. * Điều khiển thang máy…. 1.2.6. Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của PLC Trƣớc đây, Bộ PLC thƣờng rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình phức tạp. Vì những lý do đó mà PLC chỉ đƣợc dùng trong những nhà máy và các thiết bị đặc biệt. Ngày nay, do giá thành hạ kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến là PLC ngày càng đƣợc áp dụng rộng 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 10 bộ PLC với nhiều khả năng ứng dụng và lựu chọn đƣợc dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn. Có thể kể ra các ƣu điểm của PLC nhƣ sau: * Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh với mọi chức năng điều khiển. Khi đã đƣợc lắp ghép thì PLC sẵn sàng làm việc ngay. Ngoài ra nó còn đƣợc 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 dƣỡng định kỳ thƣờng không cần thiết còn với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dƣỡng định kỳ là cần thiết. * Dễ dàng thay đổi chƣơng trình: Việc thay đổi chƣơng trình đƣợc tiến hành đơn giản. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang đƣợc sử dụng, ngƣời vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, gần nhƣ không cần mắc nối lại dây. Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả. * Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và đầu ra thì có thể đánh giá đƣợc kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chƣơng trình. Do đó có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ đặt ra. * Khả năng tái tạo: Nếu dùng 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 tƣơng đƣơng. * Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ƣu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Ngƣời ta thƣờng dùng PLC cho các quá trình tự động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tƣơng quan, thay đổi chƣơng trình và thay đổi thông số. 11 * Về giá trị kinh tế: khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lƣợng đầu vào và đầu ra. Quan hệ về giá thành với số lƣợng đầu vào và đầu ra có dạng nhƣ hình1.7. Nhƣ vậy, nếu số lƣợng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle kinh tế hơn, nhƣng khi số lƣợng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn. Hình 1.4: Quan hệ giữa số lƣợng vào/ra và giá thành Có thể so sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC nhƣ sau: * Hệ rơle: Nhiều bộ phận đã đƣợc chuẩn hoá. Ít nhạy cảm với nhiễu. Kinh tế với các hệ thống nhỏ. Thời gian lắp đặt lâu. Thay đổi khó khăn. Kích thƣớc lớn. Cần bảo quản thƣờng xuyên. Khó theo dõi và kiểm tra các hệ thống lớn, phức tạp. * Hệ PLC: Thay đổi dễ dàng. Lắp đặt đơn giản. Thay đổi nhanh quy trình điều khiển. Kích thƣớc nhỏ. 12 Có thể nối với mạng máy tính. Giá thành cao. Bộ thiết bị lập trình thƣờng đắt, sử dụng ít. 1.3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỌ S7 – 200 1.3.1. Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật họ S7-200 PLC Simentic S7-200 có các thông số kỹ thuật sau: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214 đƣợc giới thiệu trong bảng: Bảng 1.1: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214 Bộ nhớ chƣơng trình Bộ nhớ dữ liệu Số cổng lôgic vào Số cổng lôgic ra Số modul I/O mở rộng Tổng số cổng lôgic vào Tổng số cổng lôgic ra Số bộ tạo thời gian trễ Số bộ đếm Số bộ đếm tốc độ cao Số bộ phát xung nhanh Số bộ điều chỉnh tƣơng tự Số bít nhớ đặc biệt Chế độ ngắt và xử lý tín hiệu Thời gian lƣu trữ bộ nhớ Pin kéo dài thời gian nhớ LED chỉ thị trạng thái I/O Ghép nối máy tính CPU 212 512 words(1KB) có nhớ 512 words, chứa 100 words có nhớ 8 6 2 64 64 64/2:1ms,8:10ms, 54:10ms 64 0 0 0 368 X 50 giờ X X X CPU214 2048 words(1KB) có nhớ 2048 words, chứa 512 words có nhớ 14 10 7 64 64 128/4:1ms, 16:10ms, 108:10ms 128 3 2 2 688 X 190 giờ X X X 1.3.2. Các 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. 13 - Có thể mở rộng đến 7 Module. - 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. - Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module. - “Micro PLC với nhiều chức năng tích hợp. 1.3.3. Cấu trúc phần cứng của CPU 214 S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMNS (CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng. Các modul này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-214. 14 Hình 1.5: Cấu trúc của CPU 214 CPU-214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng. 2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc / ghi non-volatile để lƣu chƣơng trình (vùng nhớ có giao diện với EEPROM). 2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc kiểu đọc ghi để lƣu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền non-volatile. Tổng số ngõ vào / ra cực đại là 64 ngõ vào và 64 ngõ ra. 128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms và 108 Timer 100ms. 128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi. 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc. Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sƣờn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2Khz và 7 Khz. 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. 2 bộ điều chỉnh tƣơng tự 15 Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp. 1.3.3.1. Các đèn báo trên S7-200 CPU214 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 chƣơng trình đƣợc nạp vào trong máy. STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chƣơng trình và đang thực hiện lại. 1.3.3.2. Cổng vào ra 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. 1.3.3.3. Chế độ làm việc PLC có 3 chế độ làm việc: RUN: cho phép PLC thực hiện chƣơng trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chƣơng trình gặp lệnh STOP. STOP: Cƣỡng bức PLC dừng chƣơng 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. 1.3.3.4. 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 16 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. Chân Giải thích Đất 24 VDC Truyền và nhận dữ liệu 2 1 5 4 3 Không sử dụng Đất 9 8 7 6 5 VDC (điện trở trong 100Ω) 24 VDC (120 mA tối đa) Truyền và nhận dữ liệu Không sử dụng Hình 1.6: Cổng truyền thông 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ····· ···· 1.3.4. Cấu trúc bộ nhớ Bộ nhớ S7-200 đƣợc 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 đƣợc trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc. Vùng chƣơng trình Là nguồn nhớ đƣợc sử dụng để lƣu giữ các lệnh chƣơng trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc / ghi đƣợc. Vùng tham số Là miền lƣu giữ các tham số nhƣ: từ khóa, địa chỉ trạm, … cũng giống nhƣ vùng chƣơng trình, thuộc kiểu non-volatile đọc / ghi đƣợc. 17 Vùng dữ liệu Là miền nhớ động đƣợc sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chƣơng trình. Nó có thể đƣợc truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc theo từ kép (DW_ Double Word), vùng dữ liệu đƣợc chia thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau. Chúng đƣợc ký hiệu bằng chữ cái đầu theo từ tiếng Anh, đặc trƣng cho công dụng riêng của chúng nhƣ sau: V : Variable Memory. I : Input image register. O : Output image regiter. M : Internal Memory bits. SM : Special Memory bits. Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ (word) hoặc từ kép (double word). Vùng đối tƣợng Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi AC. Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhƣng đọc / ghi đƣợc. 1.3.5. Mở rộng cổng vào ra CPU 214 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul. Các modul mở rộng tƣơng 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 đƣợc xác định cùng kiểu. Ví dụ nhƣ một modul cổng ra không thể gán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng nhƣ một modul tƣơng tự không thể có địa chỉ nhƣ một modul số và ngƣợc lại . Các modul mở rộng số hay tƣơng tự đều chiếm chỗ trong bộ đệm, tƣơng tự với số đầu vào/ra của modul . 1.4. CẤU TRÚC CHƢƠNG TRÌNH CỦA S7-200 Có thể đƣợc lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm : 18 Step 7 – Micro / Dos Step 7 – Micro / Win Những phần mềm này đều có thể cài đặt đƣợc trên các máy lập trình họ PG 7xx và các máy tính cá nhân. Các chƣơng trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chƣơng trình chính (main program) và sau đó đến các chƣơng trình con và các chƣơng trình xử lý ngắt. 1.4.1. Thực hiện chƣơng trình của S7-200 PLC thực hiện chƣơng trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp đƣợc gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét đƣợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chƣơng trình. Trong từng vòng quét, chƣơng trình đƣợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc MEND. Sau giai đoạn thực hiện chƣơng trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét đƣợc kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. Nhƣ vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào / ra thông thƣờng lệnh không làm việc trực tiếp cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Khi gặp lệnh vào / ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chƣơng trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào và ra. 1.4.2. Các 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 đƣợc 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 nhƣ các cờ hoạt động nhƣ bên trong PLC. 19 Tất cả các phần tử (toán hạng) trên có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0). Cuộn dây có thể đƣợc dùng để điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (nhƣ phần tử Q) hoặc có thể điều khiển bộ định thì, bộ đếm hoặc cờ (nhƣ phần tử M, S). Mỗi cuộc dây đƣợc gắn với các công tắc. Các công tắc này có thể là thƣờng mở hoặc thƣờng đóng. 1.5. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA S7- 200 1.5.1. Phƣơng pháp lập trình Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC nói chung dựa trên hai phƣơng pháp cơ bản. Phƣơng pháp hình thang (Ladder, viết tắt là LAD) và phƣơng pháp liệt kê lệnh (Statement list, viết tắt là STL). Nếu có một chƣơng trình viết dƣới dạng LAD, thiết bị lập trình sẽ tự dộng tạo ra một chƣơng trình theo dạng STL tƣơng ứng. Ngƣợc lại không phải mọi chƣơng trình viết dƣới dạng STL đều có thể chuyển sang đƣợc dạng LAD. 1.5.1.1. Phƣơng pháp hình thang (LAD) LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa, những thành phần cơ bản dùng trong LAD tƣơng ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ le. Trong chƣơng trình LAD, các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic nhƣ sau: Tiếp điểm: Là biểu tƣợng (Symbol) mô tả các tiếp điểm của rơ le Tiếp điểm thƣờng mở Tiếp điểm thƣơng đóng Cuộn dây (coil): Là biểu tƣợng mô tả rơ le đƣợc mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơ le. Hộp (Box): Là biểu tƣợng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thƣờng đƣợc biểu diễn bằng 20