Bài 1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7.200

 Bài 1 trình bày tổng quan về PLC S7.200, cấu trúc phần cứng, phương thức hoạt động của PLC S7.200. Đồng thời nêu những ưu điểm khi các nhà máy sử dụng PLC.
1.1  Giới thiệu.

Các thành phần của kỹ thuật điều khiển điện và điện tử ngày càng đóng một vai trò vô cùng to lớn trong lĩnh vực tự động hóa ngày càng cao. Trong những năm gần đây, bên cạnh việc điều khiển bằng Relay và khởi động từ thì việc điều khiển có thể lập trình được càng phát triển với hệ thống đóng mạch điện tử và thực hiện lập trình bằng máy tính. Trong nhiều lĩnh vực, các loại điều khiển cũ đã được thay đổi bởi các bộ điều khiển có thể lập trình được, có thể gọi là các bộ điều khiển logic khả trình, viết tắt trong tiếng Anh là PLC (Programmable Logic Controller).

PLC S7.200 họ CPU 224 của siemens

Sự khác biệt cơ bản giữa điều khiển logic khả trình (thay đổi được qui trình hoạt động) và điều khiển theo kết nối cứng (không thay đổi được qui trình hoạt động) là: Sự kết nối dây không còn nữa, thay vào đó là chương trình.

Có thể lập trình cho PLC nhờ vào các ngôn ngữ lập trình đơn giản. Đặc biệt, đối với người sử dụng không cần nhờ vào các ngôn ngữ lập trình khó khăn, cũng có thể lập trình PLC được nhờ vào các liên kết logic cơ bản.

Như vậy, thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu xử lý số liệu. Nhiệm vụ của sơ đồ mạch điều khiển sẽ được xác định bởi một số hữu hạn các bước thực hiện xác định gọi là chương trình. Chương trình này mô tả các bước thực hiện gọi một tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ nên được gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình.

1.2   Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay của Siemens:

Có ba nhóm:

  PLC S7 200:

CPU 21x: 210; 212; 214; 215-2DP; 216.

CPU 22x: 221; 222; 224; 224XP; 226; 226XM.

  PLC  S7300:  312IFM;  312C;  313;  313C;  313C-2DP+P;  313C-2DP;  314; 314IFM; 314C-2DP+P; 314C-2DP;  315; 315-2DP; 315E-2DP; 316-2DP; 318-2

  PLC S7400: Liên hệ cataloge Siemens.

Đối với PLC S7.200 có hai series: 21x (loại cũ không còn sản xuất nữa) và 22x (loại mới). Về mặt tính năng thì loại mới có ưu điểm hơn nhiều. Bao gồm các loại CPU sau: 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM trong đó CPU 224XP có hỗ trợ analog 2I/1O onboard và 2 port truyền thông.

1.3  Cấu trúc phần cứng của PLC S7.200

Cấu trúc tổng quát của một PLC S7.200 bao gồm các thành phần sau:

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của một PLC

1.3.1  Nguồn cung cấp (Power Supply)

Nguồn có thể tích hợp sẵn bên trong PLC hoặc làm riêng bên ngoài. Có nhiều cấp điện áp khác nhau tùy loại PLC, gồm 110VAC hoặc 220VAC hoặc 24VDC (hiện nay có hai cấp điện áp thường được sử dụng là 24VDCvà 220V-AC.

1.3.2  Khối xử lý trung tâm CPU (Central Proceesoing Unit).

Đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như 1 máy tính, dùng để lưu trữ và xử lý chương trình theo yêu cầu của người lập trình.

1.3.3 Ngõ vào (Input).

Các loại cảm biến, công tắc, nút nhấn… đưa tín hiệu vào PLC thông qua module Input. Tùy vào loại tín hiệu của cảm biến là số hay tương tự mà moudle ngõ vào của PLC cũng có hai loại là Module số (Digital Module) và Module tương tự (Analog Module).

1.3.4 Khối ngõ ra (Output).

Các loại cơ cấu chấp hành như: Bóng đèn, cuộn dây, vale, biến tần….. được điều khiển bởi PLC thông qua module Output. Tùy vào đối tượng điều khiển cần tín hiệu số hay tương tự mà moudle ngõ ra của PLC cũng có hai loại là module số ngõ ra (Digital Output Module) và module ngõ ra tương tự (Analog Output Module).

1.3.5  Đèn báo.

Dùng để chỉ báo trạng thái PLC, gồm nguồn, chạy chương trình, lỗi hệ thống. Các cảnh báo này rất cần thiết trong chẩn đoán sự cố.

§  Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình.

§  Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off).

§  Đèn SF-màu đỏ: Đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành. Ở đây cần phân biệt rõ lỗi hệ thống với lỗi chương trình người dùng,  khi  lỗi  chương  trình  người  dùng  thì  CPU  không  thể  nhận  biết  được  vì trước khi download xuống CPU, phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi dịch sang mã máy.

§  Đèn Ix.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào.

§  Đèn Qx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra.

1.4 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC

PLC thực hiện chương trình cheo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng dòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra (Q) tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Một chu kỳ quét của PLC thể hiện trên hình 1.2, trong đó:

Read Input (Đọc ngõ vào): PLC đọc trạng thái của toàn bộ các ngõ vào và chứa vào bộ đệm ngõ vào.

Execute Program (Thực thi chương trình): PLC dựa vào các trạng thái ngõ vào để thực thi theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ đệm ngõ ra.
Diagnostics Communications (Chẩn đoán và truyền thông): PLC tiến hành chẩn đoán lỗi và kiểm tra quá trình truyền thông.

Update Outputs (Xuất kết quả): PLC xuất kết quả trong vùng nhớ đệm ngõ ra để điều khiển thiết bị ngoại vi.

Hình 1.2 Một chu kỳ quét của PLC

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét 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 thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc 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 tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời 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 quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.

1.5  Những ưu điểm của các nhà máy khi sử dụng PLC.

-  Giảm giá thành đối với các hệ thống phức tạp.

-  Mềm dẻo và dễ thay thế khi cần thay đổi hệ thống điều khiển.

-  Khả năng kết hợp với máy tính cho phép điều khiển các hệ thống tinh vi.

-  Khả năng hỗ trợ xử lý sự cố làm cho việc lập trình dễ dàng và nhanh chóng.

-  Kết cấu chắc chắn và chính xác làm cho hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy.