GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LOGIC ThS Nguyễn Bá Hội Đại học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách khoa hoinb@ud.edu.vn Giáo trình đầy đủ bao gồm phần: Giáo trình lý thuyết Giáo trình tập lệnh Giáo trình tập nguyen ba hoi Chương Giới thiệu 1.1 PLC 1.2 Thế hệ PLC S7-200 1.3 Thuật ngữ Chương Bắt đầu với S7-200 2.1 Hình dáng bên ngồi 2.2 Các thành viên họ S7-200 2.3 Module mở rộng .10 2.4 Chuẩn bị lập trình .14 Chương Đấu nối S7-200 14 3.1 PLC sử dụng nguồn nuôi xoay chiều 14 3.2 PLC sử dụng nguồn nuôi chiều .15 3.3 Bảo vệ đầu PLC 16 3.4 Sơ đồ đấu nối chi tiết .17 Chương Ngôn ngữ lập trình 20 4.1 Statement List (STL) .20 4.2 Ladder Logic (LAD) 20 4.3 Function Block Diagram (FBD) 21 4.4 Phân biệt SIMATIC với IEC 1131-3 .21 Chương Khái niệm, qui ước đặc điểm lập trình 24 5.1 Cấu trúc chương trình 24 5.2 Phân loại lệnh 24 5.2.1 Lệnh 24 5.2.2 Lệnh đặc biệt .24 5.2.3 Lệnh tốc độ cao 25 5.3 Qui ước 25 5.4 Ký hiệu 25 5.4.1 Contact 25 5.4.2 Coil 25 5.4.3 Box 25 5.5 Bài toán AND, OR 25 5.6 Trạng thái chương trình .26 5.7 Forcing 26 5.8 Bài toán logic tổng quát 27 Chương STEP7-MicroWIN 31 6.1 Giao tiếp máy tính PLC S7-200 (b2) 31 6.1.1 Đặt cấu hình cho cáp PC/PPI 31 6.1.2 Đặt cấu hình truyền thơng cho CPU S7-200 32 6.2 Cách thức S7-200 lưu phục hồi liệu (b6) 32 6.2.1 Download Upload 33 6.2.2 Lưu trữ vùng nhớ M nguồn .33 6.2.3 Phục hồi liệu có nguồn trở lại 33 6.3 Mật (b6) 34 6.4 Gỡ rối (Debug) (b6) .34 6.5 Thông báo xử lý lỗi (Troubleshooting) (b6) .35 Chương I/O 36 7.1 Vào số (b3) 36 7.1.1 Nối dây chương trình điều khiển .36 7.1.2 Ví dụ điều khiển motor .36 7.1.3 Mở rộng 38 7.2 Vào tương tự (b3) .40 7.2.1 Vào tương tự .40 7.2.2 Ví dụ ứng dụng 40 7.2.3 Ra tương tự 40 Trang nguyen ba hoi 7.3 I/O cục mở rộng (b3) 40 7.4 Lọc đầu vào số (b3) 41 7.5 Lọc đầu vào tương tự (b3) 41 7.6 Bắt xung vào (b3) 42 7.7 Bảng đầu (b3) .42 7.8 Vào tốc độ cao (b5) 43 7.8.1 HSC 43 7.8.2 PTO 44 7.8.3 PWM 44 7.9 Đinh chỉnh tương tự (b5) .44 Chương Vòng quét 45 Chương Bộ nhớ liệu cách định địa 48 9.1 Định địa trực tiếp 48 9.1.1 Vùng ảnh đầu vào I .48 9.1.2 Vùng ảnh đầu Q 49 9.1.3 Vùng nhớ biến V 49 9.1.4 Vùng nhớ bit M .49 9.1.5 Vùng nhớ rơ le điều khiển S .49 9.1.6 Vùng bit đặc biệt SM 49 9.1.7 Vùng nhớ cục L 50 9.1.8 Vùng định thời T 50 9.1.9 Vùng đếm C 51 9.1.10 Vùng đầu vào tương tự AI 51 9.1.11 Vùng đầu tương tự AQ .51 9.1.12 Các accumulator AC 52 9.1.13 Các đếm tốc độ cao HC 52 9.1.14 Các số 52 9.2 Định địa gián tiếp 53 9.3 Không gian địa vùng nhớ 54 9.4 Bảo toàn liệu .55 Chương 10 Timer Counter 57 10.1 Các loại timer (b3) 57 10.2 TON (b3) 57 10.3 TONR (b4) 58 10.4 TOFF (b4) 59 10.5 Bài tập Timer (b4) 60 10.6 Chú ý dùng Timer với độ phân giải khác (b4) .60 10.7 Counter (b5) 60 10.8 Counter tốc độ cao (b5) 60 Chương 11 Giải tốn có cấu trúc 62 11.1 GBT giản đồ thời gian (Timing diagram) .62 11.2 GBT lưu đồ (flowchart) bit (sequence bits) .62 11.3 GBT sơ đồ trạng thái (state diagram) 62 11.4 Các lệnh lại tập lệnh 62 Chương 12 Ngắt 63 Chương 13 PID, Freeport 65 13.1 PID 65 13.2 Freeport 65 Chương 14 Các phương thức truyền thông 66 14.1 PPI 67 14.2 MPI 67 14.3 PROFIBUS .67 Trang nguyen ba hoi Chương Giới thiệu 1.1 PLC PLC (Programmable Logic Controllers) điều khiển lập trình Chúng ứng dụng rộng rãi công nghiệp hay thương mại PLC theo dõi trạng thái ngõ vào, định theo chương trình định sẵn xuất tín hiệu điều khiển ngõ để tự động hóa q trình (process) hay máy móc (machine) Hoạt động PLC Ưu điểm PLC so với đấu dây túy · · · · · Kích cỡ nhỏ Thay đổi thiết kế dễ nhanh có yêu cầu Có chức chẩn đốn lỗi ghi đè Các ứng dụng dẫn chứng tài liệu Các ứng dụng nhân nhanh chóng thuận tiện 1.2 Thế hệ PLC S7-200 S7-200 PLC thuộc họ Micro Automation hãng SIEMENS, điều khiển hàng loạt ứng dụng khác tự động hoá Với cấu trúc nhỏ gọn, có khả mở rộng, giá rẻ tập lệnh SIMATIC mạnh, PLC S7-200 lời giải hồn hảo cho tốn tự động vừa nhỏ PLC S7-200 cho phép tự động hoá tối đa với chi phí tối thiểu - Cài đặt, lập trình vận hành đơn giản - Các CPU sử dụng mạng, hệ thống phân tán sử dụng đơn lẻ - Có khả tích hợp quy mô lớn - Ứng dụng cho điều khiển đơn giản phức tạp - Truyền thông mạnh (PPI, Profibus-DP, ASTrang nguyen ba hoi i) 1.3 Thuật ngữ Cảm biến Thiết bị chấp hành CPU, RAM, ROM, Firmware Ngõ vào rời rạc Ngõ rời rạc Ngõ vào tương tự Ngõ tương tự Trang nguyen ba hoi Chương Bắt đầu với S7-200 2.1 Hình dáng bên Chỉ thị trạng thái Đánh số ngõ vào Chuyển chế độ hiệu chỉnh tương tự Cartridge Trang nguyen ba hoi Input Simulator Removable Terminal Strip 2.2 Các thành viên họ S7-200 Trang nguyen ba hoi Trang nguyen ba hoi Trang nguyen ba hoi 2.3 Module mở rộng Lắp đặt CPU module Trang 10 C - 127 - 255 nguyen ba hoi - 255 S Byte - 63 0.0 - 7.7 0.0 - 15.7 0.0 - 31.7 0.0 - 31.7 VB - 1023 - 4095 - 5119 - 5119 IB 0-7 0-7 0-7 0-7 QB 0-7 0-7 0-7 0-7 MB - 15 - 31 - 31 - 31 SMB - 45 - 94 - 194 - 194 AC 0-3 0-3 0-3 0-3 SB 0-7 - 15 - 31 – 31 VW - 1022 - 4094 - 5118 - 5118 IW 0-6 0-6 0-6 0-6 QW Word 0-6 0-6 0-6 0-6 - 30 - 30 MW 0-4 - 14 - 30 SMW 0-2 - 44 - 93 - 193 - 193 T 0-3 - 63 - 127 - 255 - 255 C 0-3 - 63 - 127 - 255 - 255 AC 0-3 0-3 0-3 0-3 AIW - 30 - 30 - 30 - 30 - 30 - 30 - 30 SW 0-6 - 14 - 30 – 30 VD - 1020 - 4092 - 5116 - 5116 ID Double Word - 30 AQW 0-4 0-4 0-4 0-4 QD 0-4 0-4 0-4 0-4 MD - 12 - 28 - 28 - 28 SMD - 42 - 91 - 191 - 191 AC 0-3 HC 0-3 0-2 0-3 0-2 0-3 0–2 9.4 Bảo toàn liệu S7-200 cung cấp nhiều khả cho phép lưu giữ chương trình, liệu cấu hình hệ thống trường hợp nguồn cung cấp: § CPU có nhớ kiểu EEPROM để lưu tồn chương trình, cấu hình phần liệu quan trọng § Bộ nhớ RAM trang bị “super capacitor” giữ nguyên vẹn thông tin thời gian dài sau nguồn ni Tuỳ loại CPU, thời gian kéo dài vài ngày Super Capacitor 72h: § Ta chọn gắn thêm “cartridge” chứa pin để kéo dài thời gian nói Pin giữ liệu RAM sau “super capacitor” cạn Trang 55 nguyen ba hoi Trang 56 nguyen ba hoi Chương 10 Timer Counter 10.1 Các loại timer (b3) Mạch timer dây nối 10.2 TON (b3) Trang 57 nguyen ba hoi Bài thực hành: Đèn nhấp nháy tự động 10.3 TONR (b4) Trang 58 nguyen ba hoi 10.4 TOFF (b4) Trang 59 nguyen ba hoi 10.5 Bài tập Timer (b4) Các thực hành liên quan: Điều khiển đèn nhấp nháy, bơm định lượng, điều khiển hệ thống ATS, đèn giao thông, băng tải, trộn phối liệu, hóa chất, thang nâng hàng, ATS 10.6 Chú ý dùng Timer với độ phân giải khác (b4) Xem giáo trình tập lệnh 10.7 Counter (b5) 10.8 Counter tốc độ cao (b5) đếm tốc độ cao với CPU224: HSC0 HSC5 Các ví dụ: Trang 60 nguyen ba hoi Trang 61 nguyen ba hoi Chương 11 Giải tốn có cấu trúc 11.1 GBT giản đồ thời gian (Timing diagram) Các toán handicap door, pulse 11.2 GBT lưu đồ (flowchart) bit (sequence bits) Chú giải dạng kí hiệu xây dựng lưu đồ Các tốn tank filler, garage door controller 11.3 GBT sơ đồ trạng thái (state diagram) Các toán garage door controller, coffee machine, traffic light controller 11.4 Các lệnh lại tập lệnh Xem giáo trình tập lệnh Trang 62 nguyen ba hoi Chương 12 Ngắt nguồn tạo ngắt: ç Ngắt truyền thông ç Ngắt I/O ç Ngắt thời gian Các lệnh cho phép ngắt toàn cục (ENI), cấm ngắt tồn cục (DISI), đính kèm (ATCH), giải đính kèm (DTCH), lệnh quay từ CT ngắt (RETI) Trang 63 nguyen ba hoi Trang 64 nguyen ba hoi Chương 13 PID, Freeport 13.1 PID Xem chi tiết giáo trình tập lệnh 13.2 Freeport Các câu lệnh Transmit (XMT) Receive (RCV) cho phép giao tiếp với thiết bị bên ngồi máy in, modem, máy tính thơng qua cổng truyền thông Trang 65 nguyen ba hoi Chương 14 Các phương thức truyền thông Truyền thông phần phức tạp việc làm chủ PLC Điều quan trọng phải nắm rõ kiểu cấu trúc mạng khác PLC, phương thức truyền thông sử dụng làm chủ tất thành phần cấu thành nên mạng Chúng ta không sâu vào chi tiết tài liệu mà điểm qua nét Trước hết, ta phân biệt số mơ hình mạng: · Mạng đơn chủ (Single Master) · Mạng đa chủ (Multiple Master) · Sử dụng Modem 10 bit nối 01 chủ với 01 PLC S7-200 hoạt động trạm (Slave) · Sử dụng Modem 11 bit mạng đơn chủ Ví dụ cấu hình mạng: Trong thành phần tham gia mạng, CPU hoạt động chủ trạm; TD 200 thiết bị chủ; thiết bị lập trình máy vi tính cài STEP thiết bị chủ Phần mềm STEP - Micro / Win 32 thiết kế kết nối với CPU S7-200 thời điểm, nhiên kết nối tới CPU mạng Các phương thức truyền thơng chính: · Điểm đối điểm: Point-to-Point Interface (PPI) · Đa điểm: Multipoint Interface (MPI) · PROFIBUS (Process Field Bus) Các phương thức đặt sở cấu trúc OSI (Open System Interconnection) lớp Các phương thức PPI MPI sử dụng nguyên lý mạch hỏi vòng (Token ring), phù hợp với chuẩn PROFIBUS qui định chuẩn châu Âu EN 50170 Những phương thức bất đồng bộ, đơn vị sở ký tự với 01 start bit, 08 data bit, even parity 01 stop bit Khung liệu bao gồm ký tự đặc biệt mở đầu kết thúc, địa nguồn (nơi gửi) đích (nơi đến), độ dài liệu “checksum” Cả ba phương thức hoạt động chung mạng, cần điều kiện tốc độ truyền (baud rate) Mạng theo chuẩn PROFIBUS sử dụng đường truyền cặp dây xoắn theo chuẩn RS-485 Chuẩn đường truyền cho phép nối tới 32 thiết bị phận (segment) Khoảng cách hai điểm xa phận vậy, tùy theo tốc độ đường truyền sử dụng, lên đến 1200 m Các phận lại nối với qua “repeater” để tăng số thiết bị mạng khoảng cách hoạt động 9600 m tùy theo tốc độ truyền Trang 66 nguyen ba hoi Các phương thức phân biệt 02 loại thiết bị: chủ tớ (trạm) Thiết bị chủ gửi yêu cầu lên mạng trạm trả lời, không tự gửi thông tin lên mạng Số địa tối đa 127 (0 đến 126) với nhiều 32 thiết bị chủ Mỗi thiết bị mạng phải có địa khác Mặc định, thiết bị lập trình (hay PC) định địa 0, thiết bị giao diện TD 200, OP3, OP7, có địa PLC định địa mặc định 14.1 PPI PPI phương thức chủ / tớ Các thiết bị chủ (CPU, thiết bị lập trình, TD 200) gửi yêu cầu đến trạm trạm trả lời Các trạm không tự gửi thông tin lên mạng mà chờ nhận yêu cầu thiết bị chủ để trả lời Tất CPU S7-200 hoạt động trạm mạng Một số CPU hoạt động thiết bị chủ mạng chế độ RUN, chương trình bật chế độ PPI master (với SMB30) Một chế độ này, ta đọc hay viết vào CPU khác lệnh NETR NETW Trong CPU trả lời thiết bị chủ khác trạm thông thường PPI không hạn chế số thiết bị chủ phép nối với trạm, nhiên nêu, số thiết bị chủ tối đa mạng 32 14.2 MPI MPI phương thức chủ / tớ hay chủ / chủ Cách thức hoạt động phụ thuộc vào loại thiết bị Chẳng hạn thiết bị đích CPU S7-300 MPI tự động trở thành chủ / chủ CPU S7-300 thiết bị chủ mạng Nhưng đích CPU S7-200 MPI lại chủ / tớ CPU S7-200 lúc coi trạm Khi hai thiết bị mạng kết nối với phương thức MPI, chúng tạo nên liên kết riêng, khơng thiết bị chủ khác can thiệp vào liên kết Thiết bị chủ hai thiết bị kết nối thường giữ mối liên kết khoảng thời gian ngắn hủy liên kết vô thời hạn (giải phóng đường truyền) Những liên kết đòi hỏi tài nguyên định CPU nên CPU hỗ trợ số lượng hữu hạn liên kết Thông thường CPU cho phép 04 liên kết, 02 dành riêng cho thiết bị lập trình hay PC, dành cho giao diện Điều cho phép lúc kết nối thiết bị lập trình PC, giao diện với CPU Những thiết bị chủ khác (như CPU khác chẳng hạn) kết nối qua liên kết dành riêng Các CPU S7-300 S7-400 kết nối với CPU S7-200 hai liên kết lại CPU S7-200 đọc hay ghi liệu vào CPU S7-200 với lệnh XGET XPUT 14.3 PROFIBUS Phương thức PROFIBUS thiết kế cho việc truyền thông tốc độ cao với thiết bị phân phối vào ra, thường gọi đầu vào từ xa (remote I/O) Những thiết bị nhiều nhà sản xuất cung cấp, từ module vào đơn giản đến điều khiển mô tơ PLC Mạng PROFIBUS thường bao gồm thiết bị chủ nhiều trạm vào Thiết bị chủ đặt cấu hình để nhận biết loại địa trạm nối vào Sau tự kiểm tra trạm theo cấu hình đặt Thiết bị chủ ghi vào trạm đọc liệu từ cách liên tục Nói chung thiết bị chủ thường làm chủ trạm mình, thiết bị chủ khác mạng (nếu có) truy cập hạn chế vào trạm chúng Phương thức định nghĩa người sử dụng (FreePort) Trang 67 nguyen ba hoi Phương thức cho phép người lập trình làm chủ việc truyền thơng, thực tế định nghĩa phương thức truyền thơng riêng, kết nối tới nhiều loại thiết bị thơng minh khác Chương trình kiểm sốt cổng truyền thơng phương thức thơng qua ngắt nhận, ngắt gửi, lệnh nhận (RCV) lệnh gửi (XMT) Cách thức truyền thơng hồn tồn chương trình làm chủ Phương thức điều khiển với byte SMB30 (dành cho cổng 0) hoạt động chế độ RUN Khi CPU chuyển sang chế độ STOP, phương thức bị hủy cổng truyền thơng trở phương thức bình thường PPI Cấu hình phần cứng mạng: Do phần nặng tính kỹ thuật địi hỏi tính xác trường hợp cụ thể nên khơng nói đến kỹ tài liệu Sơ lược ta biết, đường dây truyền tuân theo chuẩn RS 485, chất cặp dây xoắn: General Features Specification Type Shielded, twisted pair Conductor cross section 24 AWG (0.22 mm ) or larger Cable capacitance < 60 pF/m Nominal impedance 100 ohm to 120 ohm Cách đấu nối mạng sử dụng Token ring (mạch hỏi vịng) thơng thường: Khoảng cách truyền tối đa giới hạn tùy theo tốc độ truyền: Transmission Rate Maximum Cable Length of a Segment 9.6 kbaud to 19.2 kbaud 1,200 m (3,936 ft.) 187.5 kbaud 1,000 m (3,280 ft.) Có thể dùng lặp để tăng khoảng cách số thiết bị: Cổng truyền thông CPU S7-200: Trang 68 nguyen ba hoi Kết nối PC với mạng RS 485: Ở không sâu vào cách thiết lập thông số cho cáp PC/PPI card CP hay MPI hoạt động Chúng ta nói thêm chút cáp PC/PPI sử dụng thơng dụng mà nhắc đến phần đầu tài liệu (chương 3) Đây cáp chuyển đổi hai chuẩn RS 485 RS 232 Nếu nối với máy vi tính, đầu RS 232 cắm vào cổng COM, ý với loại cáp có DIP switch 05 vị trí phải chọn DCE (Data Control Equipment) Cáp sử dụng để nối với Modem, có giao tiếp RS 232 DTE (Data Terminal Equipment) minh họa sau: Trang 69 .. . 51 9 .1 .1 0 Vùng đầu vào tương tự AI 51 9 .1 .1 1 Vùng đầu tương tự AQ .5 1 9 .1 .1 2 Các accumulator AC 52 9 .1 .1 3 Các đếm tốc độ cao HC 52 9 .1 .1 4.. . .3 5 Chương I/O 36 7 .1 Vào số (b3) 36 7 .1 .1 Nối dây chương trình điều khiển .3 6 7 .1 .2 Ví dụ điều khiển motor .3 6 7 .1 .3 M? ?.. . .4 9 9 .1 .5 Vùng nhớ rơ le điều khiển S .4 9 9 .1 .6 Vùng bit đặc biệt SM 49 9 .1 .7 Vùng nhớ cục L 50 9 .1 .8 Vùng định thời T 50 9 .1 .9 Vùng