Giới thiệu tổng quát về plc

Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
Ch ơng I : Giới thiệu tổng quát về plc
1.1 Hệ thống điều khiển là gì :
Tổng quát , một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ , thiết bị điện tử ,
đợc dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định , sự chính xác , sự chuyển đổi
nhịp nhàng của một qui trình hoặc một hoạt động sản xuất . Nó thực hiện bất cứ
yêu cầu nào của dụng cụ , từ cung cấp năng lợng đến một thiết bị bán dẫn . Với
thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thì việc điều khiển những
hệ thống phức tạp sẽ đợc thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hoá hoàn
toàn, đó là PLC , nó đợc sử dụng kết hợp với máy tính chủ . Ngoài ra , nó còn giao
diện để kết nối với các thiết bị khác ( nh là : bảng điều khiển, động cơ , contact ,
cuộn dây,.....) . Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối
hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn . Ngoài ra , nó còn thể hiện sự linh hoạt
cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển. Mỗi một bộ phận trong hệ thống
điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Từ hình 1.1 ta thấy: PLC sẽ không nhận
biết đợc điều gì nếu nó không đợc kết nối với các thiết bị cảm ứng . Nó cũng không
cho phép bất kỳ các máy móc nào hoạt động nếu ngõ ra của PLC không đợc kết nối
với động cơ. Và tất nhiên , vùng máy chủ phải là nơi liên kết các hoạt động của một
vùng sản xuất riêng biệt.
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển PLC
2
Hiển
thị
Cơ cấu
Chấp
hành
plc
Cảm biến xử lý
Điều khiển
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
1.2 Vai trò của PLC.

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC đợc xem nh là trái tim của hệ
thống điều khiển . Với một chơng trình ứng dụng (đã đợc lu trữ bên trong bộ nhớ
của PLC ) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống , bao gồm: kiểm tra tín
hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chơng trình logic để xử lý tín hiệu và
mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất.
PLC đợc dùng để điều khiển thống từ đơn giản đến phức tạp. Hoặc ta có thể
kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá
trình phức hợp .
1.3 Các thiết bị nhập và xuất dùng trong plc
1.3.1 Các thiết bị nhập
Sự thông minh của một hệ thống tự động hoá phụ thuộc vào khả năng đọc tín
hiệu từ các cảm biến tự động của PLC.
Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao
phím ,.....Ngoài ra PLC còn nhận đợc tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động nh:
công tắc trạng thái , công tắc giới hạn ,cảm biến quang điện, cảm biến cấp độ
,.....Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái logic ON/OFF hoặc tín hiệu
Analog. Những tín hiệu ngõ vào này đợc giao tiếp với PLC qua các modul nhập.
3
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
1.3.2 Các thiết bị xuất
Trong một hệ thống tự động hoá, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng .
Nếu ngõ ra của PLC không đợc kết nối với thiết bị xuất thì hầu nh hệ thống sẽ bị tê
liệt hoàn toàn . Các thiết bị xuất thông thờng là: động cơ , cuộn dây nam châm ,
relay, chuông báo,.....Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể
điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Các loại thiết bị xuất là một
phần kết cấu của hệ thống tự động hoá và vì thế nó ảnh hởng trực tiếp vào hiệu suất
của hệ thống.
Tuy nhiên , các thiết bị khác nh là : đèn pilot ,còi và các báo động chỉ cho biết
các mục đích nh: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào , các thiết bị ngõ
ra đợc giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC.

4
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
1.4 Bộ điều khiển lập trình đ ợc PLC là gì ?
PLC là bộ điều khiển logic theo chơng trình bao gồm : bộ xử lý trung tâm gọi
là CPU (Central Procesing Unit ) chứa trơng chình ứng dụng và các modul giao
diện nhập xuất . Nó đợc nối trực tiếp đến các thiết bị I/O. Vì thế, khi tín hiệu nhập,
CPU sẽ xử lý tín hiệu và gởi tín hiệu đến thiết bị xuất.
Bus
Lựa chọn Lựa chọn
I/O Tín hiệu điều khiển I/O
RF
Tín hiệu đIều khiển
Dữ liệu vào Dữ liệu ra
Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC với các khối nhớ vào và ra
5
Khôí
đầu
vào
LU
RAM
G1
En
1D
C1
En
G1
RAM
Khối
đầu
ra

Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
1.5 So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông th ờng
khác
Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệ
thống điều khiển bằng relay ,contactor thông thờng . Ta hãy thử so sánh u khuyết
điểm của hai hệ thống trên:
Hệ thống điều khiển thông thờng :
Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn trên bảng điều khiển.
Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế ,lắp đặt.
Tốc độ hoạt động chậm.
Công suất tiêu thụ lớn .
Mỗi lần muốn thay đổi chơng trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời
gian.
Khó bảo quản và sửa chữa.
Hệ thống điều khiển bằng PLC:
Những dây kết nối trong hệ thống giảm đợc 80% nên nhỏ gọn hơn.
Công suất tiêu thụ ít hơn.
Sự thay đổi các ngõ vào , ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ
phần mền điều khiển bằng máy tính hay trên console.
Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn.
Bảo trì hệ thống và sửa chữa dễ dàng.
Độ bền và tin cậy vận hành cao.
Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng.
Có thiết bị chống nhiễu.
Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện
các lệnh tuần tự của nó.
Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết.
Do có những lý do trên PLC thể hiện rất rõ u điểm của nó so với các thiết bị điều
khiển thông thờng khác. PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tuỳ

6
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
theo yêu cầu của công nghệ. Khi đó ta chỉ cần thay đổi chơng trình của nó, điều
này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC.
1.6 Cấu trúc phần cứng của PLC :
Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bộ phận sau: bộ xử lý,
bộ nhớ, bộ nhập, xuất.
1.6.1 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) :
Là bộ vi xử lý, liên kết với các hoạt động của hệ thống PLC , thực hiện ch-
ơng trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với các thiết bị bên ngoài.
1.6.2 Bộ nhớ ( Memory ) :

Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Đây là nơi lu gữi trạng thái hoạt động của
hệ thống và bộ nhớ của ngời sử dụng. Để đảm bảo cho PLC hoạt động, phải cần có
bộ nhớ để lu giữ chơng trình, đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức
năng khác nh:
+ Vùng đệm tạm thời lu trữ trạng thái của các kênh xuất / nhập đợc gọi là
Ram xuất nhập.
+ Lu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong : Time,
counter, relay.
Bộ nhớ gồm có những loại sau :
+ Bộ nhớ chỉ đọc (Rom: Read Only Memory ): Rom không phải là bộ nhớ
khả biến, nó có thể lập trình chỉ một lần. Do đó không thích hợp cho việc điều
khiển "mềm "của PLC . Rom ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.
+ Bộ nhớ ghi đọc (Ram : Random Access Memory ): Ram là một bộ nhớ
thờng đợc dùng để lu trữ dữ liệu và chơng trình của ngời sử dụng . Dữ liệu trong
Ram sẽ bị mất đi nếu nguồn điện bị mất . Tuy nhiên vấn đề này đợc giải quyết bằng
cách gắn thêm vào Ram nguồn điện dự phòng . Ngày nay , trong kỹ thuật phát triển
PLC , ngời ta dùng CMOSRAM nhờ sự tiêu tốn năng lợng khá thấp của nó và cung
cấp pin dự phòng cho các Ram này khi mất nguồn .Pin dự phòng có tuổi thọ ít nhất

một năm trớc khi cần thay thế, hoặc ta chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ đợc
sạp khi cấp nguồn cho PLC.
+ Bộ nhớ chỉ đọc chơng trình xoá đợc (EPROM: Eresable Programmable
Read Only Memory ): EPROM lu trữ dữ liệu giống nh ROM , tuy nhiên nội dung
của nó có thể bị xoá đi nếu ta phóng tia tử ngoại vào, ngời viết phải viết lại chơng
trình trong bộ nhớ.
7
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
+ Bộ nhớ chỉ đọc chơng trình xoá đợc bằng điện (EEPROM : Electric
Erasable Programmable Read Only Memory) : EEPROM kết hợp khả năng truy
linh động của Ram và tính khả biến của EEPROM, nội dung trên EEPROM có thể
bị xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên chỉ đợc một số lần nhất định .
Chơng II : giới thiệu bộ điều khiển
Lập trình plc Simatic S7 -200
I: Cấu trúc phần cứng của CPU
Khái quát chung:

S7- 200 làthiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng siemens cấu
trúc theo module có các module mở rộng các module này đợc sử dụng cho nhiều
ứng dụng lập trình khác nhau.
Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi lý CPU 212 và CPU 214 về hình
thức bên ngoài sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết đợc nhờ số đầu vào ra
và nguồn cung cấp .
CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra có khả năng mở rộng thêm bằng hai
module mở rộng .
CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 7
module mở rộng.
Cấu trúc CPU 212
-512 từ đơn ( Word ) tức là 1 kbyte, để lu chơng trình thuộc miền bộ nhớ
đọc/ghi đợc và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện EPROM .Vùng nhớ với tính

chất nh vậy đợc gọi là vùng nhớ non-votatile .
512 từ đơn đợc lu dữ liệu trong đó có 100 từ nhớ đọc/ghi thuộc miền nhớ non
-volatile .
8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic .
Có thể ghép nối 2 module để mở rộng số cổng vào/ra , bao gồm cả 2 module
tơng tự (analog)
Tổng số cổng logic vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra.
64 bộ tạo thời gian trễ (time ) trong đó có 2 time có độ phân giải 1ms , 8time có độ
phân giải 10 ms và 54 time có độ phân giải 100ms.
64 bộ đếm (counter ) chia làm 2 loại bộ đếm chỉ đếm tiến và loại bộ đếm vừa đếm
tiến vừa đếm lùi
368 bít nhớ đặc biệt sử dụng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ
làm việc.
8
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu khác nhau bao gồm ngắt truyền thông
ngắt theo sờn lên hoặc xuống . Ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc
độ cao (2khz)
Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 50 giờ khi PLC bị mất
nguồn nuôi
3- Cấu trúc CPU 214
CPU 214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra có khả năng mở rộng thêm bằng
7 module mở rộng.
2048 từ đơn (4kbyte ) thuộc miền nhớ đọc /ghi non - volatile để lu chơng trình
(dùng nhớ có giao diện EEPROM ).
2048 từ đơn (4kbyte) thuộc kiểu đọc /ghi để lu dữ liệu (trong đó có 512 từ đầu
thuộc miền EEPROM ).
IO .O ,QO .O ,VO .O, SMO.1.
Tổng số cổng vào /ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra.
Có 14 ngõ vào từ IO.O IO.1 và I1.O I1.5

Có 10 ngõ ra từ QO.O IO.1 và Q1.O QI.1
Có thể gắn thêm 1 module mở rộng bao gồm cả module analog.
128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau 4 timer 1ms, 16 timer 10 ms
và 108 timer 100ms.
Có 128 bộ đếm chia làm hai loại
+ Chỉ đếm lên CTU
+ Vừa đếm lên vừa đếm xuống CTUD.
Có 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.
+ SMO.O : luôn ở trạng thái 1.
+ SMO.1 : bằng 1 trong vòng quét đầu tiên
Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm ngắt truyền thông , ngắt theo sờn lên hoặc sờn
xuống, ngắt thời gian ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.
Có 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2khz và 7 khz.
2bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu:
PTO ( Pulse traisn output ) : điều tần
PWM (Pulse width modulation ) : điều rộng xung
2 bộ chỉnh tơng tự .
Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị
mất nguồn nuôi.
Các đèn báo trên S7 - 200 CPU 214
+ SF (ĐèN Đỏ ) : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng . ĐènSF sáng lên khi PLC
bị hỏng hóc .
+ Run (đèn xanh ) : đèn xanh chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện
chơng trình đợc nạp vào trong máy.
+ Stop (đèn vàng ) : đèn vàng chỉ PLC đang ở chế độ dừng
+ Ixx (đèn xanh ) : đèn xanh ở cổng vào chỉ định ở trạng thái tức thời của cổng
Ixx ( X.X = 0.0 1.5 )
+ Qy.y (đèn xanh ) :đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Qy.y (y.y = 0.0 1.1 )
9

Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
+ TERM : cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc
Run hoặc Stop
II :Cấu trúc bộ nhớ :
Bộ điều khiển lập trình S7 -200 đợc chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có
nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7
-200 có tính năng động cao ,đọc và ghi đợc trong phạm vi toàn vùng loại trừ
các bít đặc biệt SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc
C
Hình II -1 : Bộ nhớ trong và ngoài của S7 -200
1 - Vùng ch ơng trình : Là vùng bộ nhớ chỉ đợc sử dụng để lu trữ các lệnh
chơng trình vùng này thuộc bộ nhớ trong độc và ghi đợc.
2 -Vùng tham số : Là vùng lu dữ các tham số nh : từ khoá, địa chỉ
trạm ...cũng giống nh vùng chơng trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi đợc.
10
Vùng chơng trình
Vùng tham số
Vùng dữ liệu
Vùng đối tợng
Chơng trình

Tham số

Dữ liệu
Chơng trình
Tham số
Dữ liệu
EEPROM Bộ nhớ ngoài
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
3 - Vùng dữ liệu : Là vùng nhớ động đợc sử dụng cất các dữ liệu của ch-

ơng trình bao gồm các kết quả các phép tính nó đợc truy cập theo từng bit từng byte
vùng này đợc chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau.
Vùng I ( Input image register) :Là vùng nhớ gồm 8byte

I (đọc /ghi ) : I.O I.7
- Vùng Q (Output image register ): Là vùng nhớ gồm 8byte
Q (đọc /ghi ) : Q.O Q.7
- Vùng M (Internal Memory bits ): Là vùng nhớ gồm 32 byte
M (đọc /ghi ) : M.O M.31
- Vùng V (Variable memory ): Là vùng nhớ gồm có 4096 byte
V (đọc /ghi ) : V.O V.4095
- Vùng SM ( Special memory ): Là vùng nhớ gồm có 86 byte chia làm
2phần
SMO SM29 chỉ đọc
SMO SM85 chỉ ghi
4 - Vùng đối t ợng : Là time (định thì ), counter (bộ đếm ) tốc độ cao và
các cổng vào/ ra tơng tự đợc đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc
kiểu non - volatile nhng đọc ghi đợc.
- Timer (bộ định thì ): Đọc /ghi T0 T127
- Counter (bộ đếm ) : Đọc /ghi C0 C 127
- Bộ đệm vào analog (đọc) : AIW0 AIW30
- Bộ đệm ra analog (ghi) : AQW0 AQW30
- Accumulator (thanh ghi) : AC0 AC3
- Bộ đếm tốc độ cao : HSCO HSC2

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập đợc theo từng bit , từng byte ,
từng từ đơn (word - 2byte) , từ kép (Doudble word )

III Cấu trúc ch ơng trình:
Chơng trình cho S7 -200 phải có cấu trúc bao gồm chơng trình chính

(main program) sau đó đến các chơng trình con và các chơng trình xử lý ngắt.
- Chơng trình chính đợc kết thúc bằng lệnh kết thúc chơng trình (End) .
- Chơng trinh con là một bộ phận của chơng trình . Các chơng trình con
phải đợc viết sau lệnh kết thúc chơng trình chính đó là lệnh (End) .
- Các chơng trình con đợc nhóm lại thành một nhóm ngay sau chơng trình
chính sau đó đến ngay các chơng trình xử lý ngắt bằng cách viết nh vậy
cấu trúc chơng trình đợc rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chơng
trình có thể trộn lẫn các chơng trình con và chơng trình xử lý ngắt đằng
sau chơng trình chính.
Thực hiện trong một vòng quét
11
Main program
.
.
.
End {Stop}
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông

Thực hiện khi đợc chơng trình chính
gọi
Thực hiện khi có tín hiệu báo
ngắt
IV Ph ơng pháp lập trình :
S7 -200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh ch-
ơng trình bao gồm một dãy các lệnh .
S7 -200 thực hiện chơng trình bắt đầu từ lệnh nhập đầu tiên và kết
thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng . Một vòng quét nh vậy là dòng
quét (scan) .
Một vòng quét (Scan cycle ) đợc bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của
đầu vào và sau đó thực hiện chơng trình, vòng quét kết thúc bằng việc thay

đổi trạng thái đầu ra. Trớc khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7 -200 thực
thi các nhiệm vụ truyền thông . Chu trìng tiếp theo là chu trình lập
Giai đoạn chuyển Giai đoạn nhập
dữ liệu ra ngoại vi dữ liệu từ ngoại
12
INT (n) { no 255 } chơng
trình xử lý ngắt
.
.
.
Ret
SBR (n) {no 255 } ch-
ơng trình con
.
.
Ret
Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa đIện tử viễn thông
vi
Giai đoạn truyền thông giai đoạn thực hiện
nội bộ và tự kiểm tra lỗi chơng trình

Hình IV -1 : Thực hiện chơng trình theo vòng quét trong
S7 -200
Cách lập trình cho S7 -200 dựa trên hai phơng pháp cơ bản :
Phơng pháp hình thang (lader logic -viết tắt là LAD ) và phơng pháp
liệt kê lệnh (statement list viết tắt là STL ).
- Chơng trình đợc viết theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tạo ra một ch-
ơng trình thoe kiểu STL tơng ứng và ngợc lại.
1 - Ph ơng pháp LAD : LAD là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ
những thành phần cơ bản dùng trong LAD tơng ứng với các thành phần cơ

bản dùng để biểu diễn lệnh logic nh sau :
- Tiếp điểm : là biểu tợng (symbol) mô tả các tiếp điểm rơle cvác tiếp
điểm có thể thờng đóng , thờng mở

- Cuộn dây (coil) : là biểu tợng mô tả rơ le mắc theo
chiều dòng điện cung cấp cho rơle .
- Hộp (box) : là biểu tợng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có
dòng điện chạy đến hộp thờng là các bộ thời gian (time), bộ đếm
(counter) và các hàm toán học.
- Mạng LAD : là đờng nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện , đi từ
đờng nguồn bên trái sang nguồn bên phải dòng điện chạy từ trái qua tiếp
điểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn.
2 - Ph ơng pháp liệt kê lệnh STL : Phơng pháp liệt kê (STL) là phơng
pháp thực hiện chơng trình dới dạng tập hợp các câu lệnh . Mỗi câu lệnh
trong chơng trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng
của PLC
Để tạo một chơng trình dạng STL ngời lập trình cần phải hiểu rõ phơng
pháp sử dụng của ngăn xếp logic của S7- 200 (S0 S8).
Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật
toán liên quan đến ngăn xếp , đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với bit
đầu và bit thứ hai của ngăn xếp (S0 S1) giá trị logic mới đều có thể đợc
gửi vào ngăn xếp.
V.Cú pháp lệnh cơ bản trong S7 -200
13