Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
1
lời nói đầu
1. Đặt vấn đề
Nớc ta
hiện
nay đang
trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa
đất
nớc để từng bớc bắt kịp sự phát triển các nớc trong khu vực và trên thế giới.
Công nghiệp sản xuất hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh
tế. Việc ứng dụng tự động hóa là sự lựa chọn tất yếu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra
sản phẩm có chất lợng cao, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trờng.
Ngày nay, công nghệ điện tử và tin học ngày càng phát triển, đã góp phần
nâng cao năng suất lao động một cách đáng kể. Đặc biệt là các bộ điều khiển
chơng trình đợc tích hợp cao đã đáp ứng hầu hết các yêu cầu đề ra của nền sản
xuất hiện đại với tốc độ sản xuất nhanh, chất lợng sản phẩm cao, ít phế phẩm, giá
thành sản xuất hạ...
PLC
là một bộ điều khiển chơng trình nh thế, nó đợc dùng
để thay thế các thiết bị điều khiển cổ điển có tốc độ chậm và kém chính xác.
Ngày nay PLC đợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều dây chuyền sản xuất
công nghiệp cũng nh nông nghiệp. Tuy nhiên trình độ phát triển và ứng dụng của
4. Phơng pháp nghiên cứu
Từ yêu cầu đặt ra khi tiến hành làm đề tài, chúng tôi đa ra phơng pháp
nghiên cứu nh sau:
- Nghiên cứu các mô hình sản xuất đã có sẵn trong thực tiễn.
- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính tại Bộ môn Điện kỹ thuật
Khoa Cơ Điện Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội.
- Thành lập chơng trình điều khiển.
+ Dụng cụ, thiết bị thực hành:
- Máy tính cá nhân PC ( Personal Computer ). Bộ mô phỏng, hệ thống cáp và
dây nối thiết bị.
- Bộ điều khiển S7 200 với khối vi xử lý CPU224. Chơng 1. nghiên cứu phơng pháp điều khiển và lập trình bằng plc
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
3
1.1. Những cơ sở để lựa chọn PLC trong hệ thống điều khiển tự động
1.1.1.Vai trò của plc
PLC là thiết bị điều khiển logic lập trình đợc, cho phép thực hiện linh hoạt
các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. PLC nh một máy
tính nhng đợc thiết kế chuyên dụng cho điều khiển tự động các quá trình công
nghệ. Trong một hệ thống tự động PLC đợc coi nh bộ não, nó xử lý toàn bộ hoạt
động của hệ thống. Với một chơng trình nạp vào bộ nhớ theo yêu cầu bài toán,
PLC sẽ điều khiển giám sát, ổn định các trạng thái của hệ thống, thông qua tín hiệu
đợc truyền về từ đầu vào. Sau đó đợc xử lý theo chơng trình điều khiển nạp vào
để đa ra quyết định điều khiển đến đầu ra theo yêu cầu bài toán.
PLC có thể đợc sử dụng để điều khiển các thao tác đơn giản nh đóng ngắt
các tiếp điểm lặp đi lặp lại, tạo thời gian trễ, tạo tín hiệu tơng tự... Các PLC có thể
vi xử lý nên tốc độ hoạt động của PLC trong hệ thống điều khiển tự động đợc
nâng lên rất nhiều so với hệ điều khiển cổ điển bằng dây dẫn.
+ Độ bền và độ tin cậy vận hành cao
+ Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. Nếu ở hệ thống rơle
hay contactor khi số tiếp điểm tăng thì kéo theo rất nhiều dây dẫn và chi phí lắp ráp
tăng, khó khăn trong công tác bảo trì, độ chính xác kém. Còn hệ thống lắp bằng
PLC thì hoàn toàn có lợi về mọi mặt trên.
+ Dễ lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và có thể lập trình trên máy tính
hay máy lập trình PG thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó.
+ Có các module rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết một cách
rất dễ dàng và linh hoạt.
Từ sự đánh giá trên ta nhận thấy PLC đã thể hiện rõ u điểm vợt trội của nó
trong việc điều khiển tự động so với các thiêt bị điều khiển khác.
1.1.3. Giá trị kinh tế của PLC
Khi sử dụng một phơng án thiết kế nói chung và trong điều khiển tự động
nói riêng thì ngoài yếu tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến tính kinh tế của
phơng án đó để xem phơng án đó có khả thi hay không?. Nếu phơng án đó khả
thi cả hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế đều phải đảm bảo.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
5
Dới đây là đồ thị so sánh đã đợc các nhà phân phối chế tạo thống kê giữa
hệ thống điều khiển bằng rơle và contactor với hệ thống điều khiển bằng PLC.
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
6 Tín hiệu ngõ vào Tín hiệu ngõ ra
Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị logic khả trình
1.2.2. Cấu trúc phần cứng PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ
nguồn, giao diện nhập/xuất và thiết bị lập trình. a. Bộ xử lý, còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử
lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chơng
trình đợc lu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dới dạng tín hiệu hoạt
động đến các thiết bị xuất.
b. Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC cần
thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modul giao diện nhập xuất.
c. Thiết bị lập trình đợc sử dụng để nhập chơng trình cần thiết vào bộ nhớ
của bộ xử lý.
kiểu modul nối ghép. Kiểu hộp đơn thờng đợc sử dụng cho các thiết bị điều khiển
lập trình cỡ nhỏ (hình vẽ 1.3 a). Kiểu modul gồm các modul riêng cho bộ nguồn, bộ
xử lý (hình vẽ 1.3 b). Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao diện để bàn, hoặc máy
tính. Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng.
Các thiết bị để bàn có thể có bộ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và màn
hình hiển thị. Ưu điểm chính khi sử dụng máy tính là chơng trình có thể đợc lu
Hình 1.4
a.Kiểu hộp đơn
b. Kiểu môdul nối ghép
ổ cắm cáp từ
thiết bị giao
tiếp lập trình
* Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224:
- Bộ nhớ chơng trình : 8KB
- Bộ nhớ dữ liệu: 5 KB
- Ngôn ngữ chơng trình : LAD, FBD, STL
- Bảo vệ chơng trình : 3 mức password bảo vệ
- 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao(30 kHz), bộ đếm A/B(tối đa 20 kHz), có
thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và lùi.
Hình 1.5. PLC S7 - 200 với khối vi xử lý 224
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
9
- 256 bộ Timer chia làm 3 loại có độ phân giải khác nhau: 4 bộ Timer 1ms,
16 bộ Timer 10 ms, 236 Timer 100 ms.
- Số đầu vào/ra: có 14 đầu vào số, 10 đầu ra số
- Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào tơng tự, 7 đầu ra tơng
tự với 7 modul mở rộng tơng tự và số.
- 2 bộ điều chỉnh tơng tự
- 2 đầu phát xung tốc độ cao, tần số 20 kHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc
PWM. Việc kết hợp đầu ra số tốc độ cao và bộ đếm tốc độ cao có thể sử dụng cho
các ứng dụng cần điều khiển có phản hồi tốc độ.
- Tốc độ xử lý logic 0.37 s
- Vùng tham số: Là miền lu giữ các tham số nh : từ khóa, địa chỉ trạm.... Cũng
giống nh vùng chơng trình, vùng tham số đọc /ghi đợc.
- Vùng đối tợng: Bao gồm Timer, bộ đếm tốc độ cao và các đầu ra tơng tự.
Vùng này đợc phân chia nh sau:
15 0 7 0
Timer
(đọc/ghi)
Bộ đếm
(đọc/ghi) Bộ đệm cổng Bộ đệm cổng ra
vào tơng tự tơng tự (chỉ ghi)
(chỉ đọc)
Thanh ghi
Accumulator Bộ đếm tốc độ
(đọc/ghi) cao (đọc/ghi) - Vùng dữ liệu: Vùng dữ liệu là vùng có ý nghĩa quan trọng trong việc thực
T0 (word) T255
T0 (bit)T255
gồm các kết quả các phép tính, hằng số đợc định nghĩa trong chơng trình, bộ
đệm truyền thông.
Vùng dữ liệu lại chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các công dụng khác
nhau, các vùng đó bao gồm:
V - Variable memory (Miền nhớ).
I - Input image register (Bộ đệm cổng vào).
O - Output image register (Bộ đệm cổng ra).
M - Internal memory bits (Vùng nhớ nội).
SM - Special memory bits (Vùng nhớ đặc biệt).
7 0 7 0
Miền V Vùng nhớ
(đọc/ghi) nội (M)
(đọc/ghi)
7 0 7 0
Vùng đệm Vùng nhớ
cổng vào(I) đặc biệt
(đọc/ghi) (SM)
7 0
Vùng đêm
cổng ra (Q)
(đọc/ghi) 1.3.3. Kết nối PLC
SM0.x(x:0-7)
đợc mô tả nh hình dới (hình 1.5).
Tất cả các đầu cuối của S7-200 đợc nối đất để đảm bảo an toàn và để khử
nhiễu cho tín hiệu điều khiển.
Nguồn cung cấp cho cảm biến cũng là 24VDC cũng là một chiều có thể sử
dụng cho các đầu vào cơ sở, các module mở rộng và các cuộn dây rơ le mở rộng. Hình 1.6. Sơ đồ kết nối PLC
Sơ đồ và phơng pháp nối thiết bị lập trình
Để kết nối PLC với máy tính phải dùng cáp nối PC/PPI nh hình trên.
Hình 1.7. Sử dụng cáp PC/PPI đối với máy tính
RS-232
RS-485
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
13
Trong trờng hợp hệ thống điều khiển phức tạp nh trong các dây chuyền sản
xuất đòi hỏi có nhiều CPU thì việc kết nối vào máy tính đợc trình bày nh
sau:
quét (scan cycle). Mỗi vòng quét đợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các
cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp đến là giai đoạn thực hiện chơng trình sau đó là
giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Kết thúc vòng quét là giai đoạn
chuyển nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. Trong từng vòng quét chơng trình
đợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và lệnh kết thúc tại lệnh kết thúc(MEND). Thời gian quét phụ thuộc độ dài của chơng trình, không phải vòng quét nào
thời gian quét cũng bằng nhau mà nó phụ thuộc các lệnh thoả mãn trong chơng
trình. Trong thời gian thực hiện vòng quét nếu có tín hiệu báo ngắt chơng trình sẽ
dừng lại để thực hiện xử lý ngắt, tín hiệu báo ngắt có thể thực hiện ở bất kỳ giai
đoạn nào.
Nhập dữ liệu
từ ngoại vi vào
bộ đếm ảo
Thực hiện
chơng trình
Truyền thông
và tự kiểm tra
lỗi
Chuyển dữ liệu
từ bộ đếm ảo ra
ngoại Chuyển
ngang (các nấc thang), giữa hai đờng dọc này. Sau đây là mô tả hoạt động của
chơng trình viết bằng phơng pháp hình thang. Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
16
2 Phơng pháp danh sách lệnh STL
Là phơng pháp thể hiện chơng trình dới dạng tập hợp các câu lệnh. Để
tạo ra một chơng trình dạng STL, ngời lập trình cần phải hiểu rõ phơng thức sử
dụng 9 bít ngăn xếp logic của S7 200. Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit
chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều làm việc với bit
đầu tiên hay bit đầu tiên và bit thứ hai của ngăn xếp. Giá trị logic mới đều có thể
đợc gửi (hoặc đợc nối thêm) vào ngăn xếp. Ngăn xếp và tên của từng bit trong
ngăn xếp đợc biểu diễn nh sau:
Stack 0 bit đầu tiên của ngăn xếp
Stack 1 bít thứ hai của ngăn xếp
Stack 2 bít thứ ba của ngăn xếp
Stack 3 bít thứ t của ngăn xếp
Stack 4 bít thứ năm của ngăn xếp
Stack 5 bít thứ sáu của ngăn xếp
Stack 6 bít thứ bảy của ngăn xếp
Stack 7 bít thứ tám của ngăn xếp
Stack 8 bít thứ chín của ngăn xếp
3 Sơ đồ khối hàm logic
Với những ngời hay thiết kế theo kiểu logic mạch số thì sơ đồ sử dụng các
Từ các khối logic cơ bản khi lập trình ta có thể kết hợp các khối với nhau tạo
thành các câu lệnh có chức năng khác nhau theo lối t duy logic mạch số.
1.3.6.2. Trình tự thực hiện thiết kế một trơng trình điều khiển bằng PLC
Việc lập trình cho PLC đã ngày càng trở nên phổ biến ở Việt Nam hiện nay
nhờ sự phổ cập PLC cho rất nhiều ứng dụng. Ngời lập trình có thể lập trình trên
máy tính và viết ra các chơng trình theo yêu cầu cụ thể rồi nạp vào PLC để điều
khiển một hệ thống nào đó. Kỹ thuật thiết kế có hệ thống gồm các bớc sau:
1 - Nghiên cứu yêu cầu điều khiển của thiết bị
Đầu tiên chúng ta phải quyết định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng ta
muốn điều khiển. Mục đích chủ yếu của bộ điều khiển đợc lập trình hoá là để
điều khiển một hệ thống bên ngoài. Hệ thống đợc điều khiển này có thể là một
thiết bị, máy móc, hoặc quá trình xử lý và thờng đợc gọi là hệ thống điều khiển.
2 - Xác định yêu cầu đối với các ngõ vào và ngõ ra
Tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra bên ngoài đợc nối với những bộ điều
khiển PLC phải đợc xác định. Những thiết bị đầu vào là những chủng loại chuyển
mạch, thiết bị cảm ứng... những thiết bị đầu ra là những thiết bị từ tính, những van
điện từ, động cơ và đèn chỉ báo...
3 - Xác định thuật toán sẽ đợc sử dụng
Thuật toán là thứ tự các bớc xác định phơng pháp giải quyết vấn đề. Điều
này thờng đợc thực hiện bằng lu đồ hoặc viết bằng thuật giải mã. Đây là bớc
rất quan trọng là cái nội dung của chơng trình điều khiển.
4 - Viết chơng trình điều khiển
>=1
&
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
18
Tiếp theo, viết chơng trình dới dạng sơ đồ thang thông qua thứ tự thao tác
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
19
Cách truy nhập Miền nhớ CPU 226
Giới hạn toán hạng
V 0.0 - 5119.7
I 0.0 - 15.7
Truy nhập bit Q 0.0 - 15.7
M 0.0 - 31.7
SM 0.0 - 299.7
0.0 - 31.7
T 0 255
C 0 - 255
L 0.0 - 59.7
VB 0 5119
IB 0 15
Truy nhập QB 0 - 15
byte MB 0 - 31
SMB 0 - 299
SB 0 - 31
LB 0 - 59
AC 0 3
Constant
VW 0 - 5118
IW 0 14
Truy nhập từ QW 0 - 14
MW 0 - 30
SMW 0 - 298
SW 0 - 30
T 0 255
C 0 - 255
LAD Mô tả Toán hạng
n Tiếp điểm thờng mở sẽ
đợc đóng nếu n=1
.
n Tiếp điểm thờng đóng sẽ
mở khi n=1.
n: I, Q, M, SM,
T, C, V
(bit) n Tiếp điểm thờng mở sẽ
đóng tức thời khi n=1
n Tiếp điểm thờng đóng sẽ
mở tức thời khi n=1.
n: I
Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN cho STL nh sau:
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
+ OUTPUT (=)Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bít đợc chỉ
định trong lệnh, nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi
.
Mô tả lệnh bằng LAD nh sau:
LAD Mô tả Toán hạng
n
( )
Cuộn dây đầu ra ở
trạng thái kích thích khi
có dòng điều khiển đi
qua.
n: I, Q, M, SM, T, C,
V
(bit)
n
( I )
Cuộn dây đầu ra ở
trạng thái kích thích tức
thời khi có dòng điều
khiển đi qua.
n: Q
(bit) Mô tả lệnh bằng STL nh sau:
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
một dãy các tiếp điểm).
Trong STL, lệnh chuyền trạng thái bit đầu của ngăn xếp đến các tiếp điểm
thiết kế. Nếu bit này có giá trị logic = 1, các lệnh R và S sẽ đóng, ngắt tiếp điểm
hoặc một dãy các tiếp điểm (giới hạn 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị
thay đổi, dới đây là mô tả lệnh. Mô tả lệnh bằng LAD
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
23
LAD Mô tả Toán hạng
Đóng một mảng gồm n
tiếp điểm kể từ S BIT. Ngắt một mảng gồm n
tiếp điểm kể từ S BIT. Nếu S
BIT lại chỉ vào timer hoặc
counter thì lệnh sẽ xóa bit
đầu ra của timer và counter
đó.
Mô tả lệnh bằng STL
S BIT n
S BIT n
( R )
S BIT n
( RI ) S BIT n
( SI )
(S )
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
24
STL Mô tả Toán hạng
S S BIT n Ghi giá trị logic vào một
mảng gồm n bit kể từ địa chỉ
S BIT.
R S BIT n Xóa một mảng gồm n tiếp
SMB, VB (byte)
(byte) AC, Hằng số,
*VD, *AC
3 - Các lệnh logic đại số Boolean
Là các lệnh thực hiện độc lập không phụ thuộc giá trị logic của ngăn xếp.
Các lệnh tiếp điểm của đại số Boolean cho phép tạo lập đợc các mạch logic
(không có nhớ ). Khi thực hiện các lệnh tiếp điểm đại số Boolean trong LAD thì
các lệnh này đợc biểu diễn thông qua cấu trúc mạch, mắc nối tiếp hay song song
các tiếp điểm thờng đóng và các tiếp điểm thờng mở. Còn trong STL các tiếp
điểm đợc thay bằng các lệnh A ( And )và O ( or ) cho các hàm hở hoặc các lệnh
AN (And not), ON (or not) cho các hàm kín. Giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ
thuộc vào từng lệnh .
Ngoài những lệnh làm việc trực tiếp với tiếp điểm, S7-200 còn có 5 lệnh đặc
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46
Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
25
biệt biểu diễn các phép tính của đại số Boolean cho các bit trong ngăn xếp, đợc
gọi là các lệnh Stack logic. Đó là các lệnh ALD (And load), OLD (or load), LPS
(Logic push), LRD (Logic read) và LPP (Logic pop).
Bảng lệnh logic đại số boolean
Lệnh Chức năng Toán hạng
O n
A n
Lệnh thực hiện toán tử ^ (A) và V (O) giữa giá
trị logic của tiếp điểm n và giá trị bít đầu tiên
trong ngăn xếp. Kết quả đợc ghi vào bít đầu
tiên của ngăn xếp.
- Lệnh ALD:(And load) lệnh tổ hợp giá trị của bít đầu tiên và bit thứ hai của
ngăn xếp bằng phép tính logic ^. Kết quả ghi lại vào bít đầu tiên trong ngăn xếp giá
trị còn lại của ngăn xếp đợc kéo lên một bít.
- Lệnh OLD (or load) lệnh tổ hợp giá trị của bit đầu tiên và bit thứ hai trong
ngăn xếp bằng phép tính logic AND và OR. Kết quả đợc ghi lại vào bit đầu tiên
trong ngăn xếp, giá trị còn lại của ngăn xếp đợc kéo lên một bit.
4 - Các lệnh so sánh.
Có thể sử dụng lệnh so sánh các giá trị của byte, từ hay từ kép và nó có thể
Copyright: Tài liệu đại học ©