đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống PLC S7 300 dùng WinCC và SCADA ở nhà máy DRC đà nẵng chuong4 PLC300

Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M
CHƯƠNG 4

PLC S7-300 VÀ TRUYỀN THÔNG VỚI ET200M
I. Tổng quan về PLC S7-300
1. Lịch sử phát triển PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng
tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào
năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển
rời rạc cồng kềnh.
Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự
theo chu kỳ và theo bit trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD
2903 trở nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn
hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn. Vào
năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền
thông, khoảng 200 mét.
Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự
động hóa, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể
lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối
chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và
cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới.
Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh
(STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,
General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…
PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic
S500/505. Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như: Simatic
S7 có S7-200, S7-300, S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều đời CPU khác

nhau như S7-300 có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, …
2. Vai trò của PLC
Trong hệ thống điều khiển tự động hóa PLC được xem như một trái tim, với
chương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC. Nó điều khiển trạng thái
của hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng của
chương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và xuất tín hiệu đến các
thiết bị đầu ra.
PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy tính
chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp.
3. Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hóa



Thời gian lắp đặt ngắn.
Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất.

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 31


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M


Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng.

Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được phần cứng điều khiển.


Thích ứng trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất,
độ ẩm, điện áp thay đổi,…
Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển dùng
PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả giải quyết
bài toán cao.
4. Phần cứng của PLC S7-300
PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module. Các module này sử dụng cho
nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuận
tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ
thống. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng ứng dụng, song tối
thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU. Các module còn lại là
những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài, các
module chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các module mở
rộng.

Các module mở rộng gồm có:

Module nguồn (PS).

Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM), gồm có: DI, DO,
DI/DO, AI, AO, AI/AO.

Module ghép nối (IM).

Module chức năng điều khiển riêng (FM).

Module phục vụ truyền thông (CP).
PS

CPU

IM

SM:
DI

SM: SM:
DO AI

SM:
AO

M

FM

COIL

CP

VALE

4.1. Module nguồn PS307 của S7-300
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành
nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC. Ngoài ra còn
có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu chấp hành có công
suất nhỏ.
SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 32

Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của CPU tùy
theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc.
Module nguồn PS307 có 3 loại: 2 A, 5A và 10 A.
Mặt trước của module nguồn gồm có:
 Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra
24 V.
 Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra.
 Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là
120 VAC hoặc 230VAC.
Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra.
4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU)
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng
vào/ra số. Các cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra
onboard.
Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên
theo bộ vi xử lí có trong nó, như : module CPU312, module
CPU314, module CPU315,…
Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng
như các khối hàm đặt trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng
các cổng vào /ra onboard, được phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated
Function Module). Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên
cạnh đó còn có loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có
chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng

tích hợp sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU này được phân biệt bằng
cách thêm cụm từ DP (Distributed port) trong tên gọi. Ví dụ: module CPU3152DP, module CPU316-2DP.
4.3. Module mở rộng cổng tín hiệu:
Digital Input Module: Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ nhận
các tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lí, gồm có các module
sau:
 SM 321 DI16xAC120 V
 SM 321 DI16xDC24 V
 SM 321 DI16x24VDC, interrupt
 SM 321 DI8xAC120/230V
 SM 321 DI32xDC24V,…

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 33


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất
các tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:
 SM 322 DO16xAC120V/0.5A
 SM 322 DO16xDC24V/0.5A
 SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, …
Digital Input/ Output Module: module mở rộng các cổng vào/ra số. Tích
hợp nhiệm vụ của hai loại module trên. Gồm có các loại sau:





SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A
SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A
SM 323 DI8/DO8xDC24V/0.5A…

Analog Input Module: Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu tương tự từ bên ngoài thành các tín
hiệu số để xử lý bên trong S7-300. Gồm các loại module sau:
 SM 331 AI2x12bit
 SM 331 AI8x12bit
 SM 331 AI8x16bit…
Analog Output Module: Module mở rộng các cổng ra tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu tương tự để phục
vụ cho quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài. Gồm các loại module sau:
 SM 332 AO2x12bit
 SM 332 AO4x12bit
 SM 332 AO4x16bit…
Analog Input/Output Module: là module tích hợp nhiệm vụ của hai loại
trên. Gồm có:
 SM 334 AI4/AO2
 SM 334 AI4/AO2x12bit
 SM 334 AI4/AO4x14/12bit…
4.4. Module ghép nối (Interface module-IM): là loại module chuyên dụng
có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với nhau thành một khối
và được quản lý chung bởi một module CPU. Một module CPU S7-300 có thể
làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau
bằng module IM. Module IM gồm có các loại:
 IM 360
 IM 361

 IM 365
5. Tổ chức bộ nhớ CPU của PLC S7-300
Bộ nhớ của CPU bao gồm các vùng nhớ sau:
 Vùng nhớ chứa các thanh ghi.
SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 34


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

 Vùng System Memory.
 Vùng Load Memory.
 Vùng Work Memory.
Kích thước của các vùng nhớ này tùy thuộc vào chủng loại của từng module
CPU.
System Memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào ra số (I, Q), các biến cờ
(M), thanh ghi T-Word, PV, T-bit của Timer và thanh ghi C-Word, PV, C-bit của
Counter.
Accumulator

Systerm memory

ACCU1

Bộ đệm ra số
Bộ đệm vào số
Vùng nhớ cờ

Timer
Counter

ACCU2
Address register
AR1
AR2
Data block register

Q
I
M
T
C

Work memory

• Logic block
• Data block
• Local block, Stack

DB (share)
DI (instance)

Load memory

Status word

• User program (EEPROM)
• User program (RAM)

Status

Tổ chức bộ nhớ trong CPU

Load Memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử dụng
viết, bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối
chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB), các khối dữ liệu
DB. Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM.
Work Memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương
trình (OB, FC, FB, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp
phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị
với hệ điều hành và với các khối chương trình khác (local block).
6. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo 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
cổng vào số tới vùng 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 (Block End). 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 truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng
quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định mà tùy thuộc vào số lệnh

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 35


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông trong
vòng quét đó.
Truyền thông và
Chuyển dữ liệu
kiểm tra nội bộ
quá trình vào I
Vòng
quét
Chuyền dữ liệu từ
Q tới cổng ra

Thực hiện
chương trình

Vòng quét chương trình

Đối với các cổng vào ra tương tự không liên quan tới bộ đệm I và Q nên các
lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không
thông qua bộ đệm.
7. Cấu trúc chương trình
PLC S7-300 có thể được lập trình theo hai dạng cấu trúc sau:
7.1. Lập trình lập tuyến
Lập trình lập tuyến là phương pháp lập trình mà trong đó toàn bộ chương
trình ứng dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Cấu trúc này có ưu điểm là gọn,
rất phù hợp với những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.
Lệnh 1
Lệnh 2

Vòng lặp

OB1

Lệnh cuối

Lập trình tuyến tính

7.2. Lập trình cấu trúc
Lập trình cấu trúc là phương pháp lập trình mà trong đó chương trình được
chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong
những khối chương trình khác nhau, tương tự như việc thực hiện chương trình
con. Cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ, phức
tạp và thường sử dụng các khối cơ bản sau:


Khối OB (Orgnization block): là khối tổ chức và quản lý chương
trình điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác
nhau. Chúng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau
nhóm ký tự OB. Ví dụ: OB1, OB3, OB40,…

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 36


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M



Khối FC (Program block): khối chương trình với những chức năng
riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm. Một chương
trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FC. Ví
dụ: FC1, FC2,..
 Khối FB (Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng
trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các
dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là
Data block. Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối
FB và các khối FB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số
nguyên theo sau nhóm ký tự FB. Ví dụ: FB1, FB2,..
 Khối DB (Data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực
hiện chương trình. Các tham số của khối do người sử dụng tự đặt.
Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các
khối DB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo
sau nhóm ký tự DB. Ví dụ: DB1, DB2,..
Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối,
chuyển khối. Xem những phần chương trình trong các khối như là những chương
trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau. Số các lệnh gọi
lồng nhau tùy thuộc vào từng chủng loại module CPU.

Hệ
điều
hành

FC1

FB2

FC7

OB1
FB5

FC3

FB9

Số lần gọi lồng nhau hoàn toàn
phụ thuộc vào từng loại CPU.
Lập trình cấu trúc

II. Truyền thông với ET200M qua mạng Profibus:
1.Tổng quan truyền thông qua Profibus-DP
Để có thể truyền thông giữa CPU S7-300 ( làm DP master) và ET200M
( làm DP Slave ) trên Profibus-DP, yêu cầu S7-300 hoặc phải có giao diện DP
tích hợp sẵn ( CPU 31X-2DP ) , hoặc phải sử dụng bộ xử lý truyền thông
Profibus CP ( như CP 342-5 và CP 342-5 FO).
So sánh giữa giao diện được tích hợp sẵn và giao diện qua Profibus CP:
Giao diện DP tích hợp sẵn
SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Giao diện qua Profibus CP
Trang 37


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

Truy nhập trực tiếp I/O phân tán
bằng các lệnh truy nhập thông
thường như đối với các I/O
trung tâm.(sử dụng lệnh L,T)
Hệ thống DP master được hình
thành ngay khi CPU được cấu
hình.

Truy nhập các I/O phân tán chỉ có
thể thực hiện được bằng các hàm
FC của hệ thống( FC1 , FC2 , FC3 ,
FC4 )
Hệ thống DP master chỉ hình thành
khi CP đươc cấu hình xong.

2. Truyền thông qua mạng Profibus với CPU sử dụng Profibus CP

Để thực hiện truyền dữ liệu, sử dụng 4 khối hàm FC sau:
FC
FC1 “DP_SEND”
FC2 “DP_RECV”
FC3 “DP_DIAG”
FC4 “DP_CTRL”

FC có thể được dùng với
DP Master
DP Slave

X
X
X
X
X
X

Ý nghĩa
Truyền dữ liệu
Nhận dữ liệu
Chẩn đoán
Điều khiển

a.FC1
Tham số
CPLADDR

Mô tả
INPUT

Kiểu dữ liệu
WORD

SEND

INPUT

ANY

DONE

OUTPUT

BOOL

ERROR

OUTPUT

BOOL

STATUS

OUTPUT

WORD

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Các giá trị

0
1: dữ liệu
mới
0
1 :lỗi

Ghi chú
Địa chỉ bắt đầu của
CP

Địa chỉ và độ dài
vùng dữ liệu cần gửi
Tham số thể hiện
truyền thông có lỗi
hay không
Đưa ra mã lỗi
Mã trạng thái

Trang 38


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

b.FC2
Tham số
CPLADDR

Mô tả
INPUT

Kiểu dữ liệu
WORD

RECV

INPUT

ANY

NRD

OUTPUT

BOOL

ERROR

OUTPUT

BOOL

STATUS
OUTPUT
DPSTATUS OUTPUT

Các giá trị

0
1: dữ liệu
mới được
chấp nhận
0
1 :lỗi

WORD
BYTE

Ghi chú

Địa chỉ bắt đầu của
CP
Địa chỉ và độ dài
vùng thông tin
Tham số thể hiện dữ
liệu mới có được
chấp nhận hay không
Đưa ra mã lỗi
Mã trạng thái
Mã trạng thái DP

c.FC3:
Tham số
CPLADDR

Mô tả
INPUT

Kiểu dữ liệu
WORD

DTYPE
STATION

INPUT
INPUT

BYTE
BYPE

DIAG
NRD

INPUT
OUTPUT

ANY
BOOL

ERROR

OUTPUT

BOOL

STATUS
DIAGLNG

OUTPUT
OUTPUT

WORD
BYTE

Tham số
CPLADDR

Mô tả
INPUT

Kiểu dữ liệu
WORD

CONTROL

INPUT

ANY

DONE

OUTPUT

BOOL

ERROR

OUTPUT

BOOL

STATUS

OUTPUT

WORD

Các giá trị

0

1: dữ liệu
mới được
chấp nhận
0
1 :lỗi

Ghi chú
Địa chỉ bắt đầu của
CP
Kiểu chẩn đoán
Địa chỉ trạm DP
Slave
Định địa chỉ và độ dài
Tham số thể hiện dữ
liệu mới có được
chấp nhận hay không
Đưa ra mã lỗi
Mã trạng thái
Độ dài thực của dữ
liệu

d.FC4:

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Các giá trị

0
1: dữ liệu
mới

0
1 :lỗi

Ghi chú
Địa chỉ bắt đầu của
CP
Địa chỉ và độ dài của
kiểu việc điều khiển
Tham số thể hiện
truyền thông có lỗi
hay không
Đưa ra mã lỗi
Mã trạng thái

Trang 39


Đồ án tốt nghiệp

PLC S7-300 và truyền thông với ET200M

3. Truyền thông qua mạng Profibus với CPU sử dụng cổng DP tích hợp
sẵn.
Trong trường hợp này, việc truy cập các I/O phân tán không khác gì với các
I/O tập trung, nghĩa là ta sử dụng lệnh T để chuyển dữ liệu đến đầu ra phân tán
và sử dụng lệnh L để thu thập dữ liệu vào từ đầu vào phân tán.
Ngoài ra còn có thể sử dụng SFC 26 (UPDAT_PI) , SFC14 (DPRD_DAT)
để thu thập dữ liệu vào từ các I/O phân tán ; và sử dụng SFC 27(UPDAT_PO) ,
SFC15 (DPWR_DAT) để truyền dữ liệu ra đến các I/O phân tán.Chú ý là đối với
các DP Slave có cấu trúc mođun, việc truy nhập dữ liệu chỉ có thể thực hiện được

với từng slot của trạm.Còn đối với các DP Slave có cấu trúc khối (compact), việc
truy nhập dữ liệu có thể thực hiện được với toàn bộ vùng nhớ của DP Slave.

SVTH VŨ TIẾN ĐẠT – 01 ĐTĐ

Trang 40