Tài liệu kỹ thuật điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hoá công nghiệp và dân dụng ngày càng phát triển. Bộ não trong các hệ thống tự động hoá là các bộ điều khiển lập trình. Việc học và tìm hiểu về các bộ khiển lập trình cũng như vận hành nó cho thật tốt đang là nhu cầu cấp thiết đối với học sinh, sinh viên các ngành kỹ thuật.
Hiện nay tài liệu để giảng dạy và tham khảo về kỹ thuật điều khiển lập trình còn khá hạn chế. Tài liệu ''kỹ thuật điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200'', là quyển sách đầu tiên trong bộ sách về kỹ thuật điều khiển lập trình PLC họ SIMATIC S7, được biên soạn với mong muốn góp một phần nhỏ vào việc giảng dạy và tự học về kỹ thuật điều khiển lập trình của giáo viên, học sinh, sinh viên và đọc giả quan tâm về PLC họ SIMATIC S7-200 của công ty Siemens.
Tài liệu được chia thành 2 tập. Tập 1 bao gồm các phần cơ bản phù hợp với các bạn mới bắt đầu làm quen với PLC, tuy nhiên nó cũng có thể là tài liệu tham khảo cho các bạn đã có kiến thức cơ bản về PLC. Tập 2 là phần nâng cao tập trung về các vấn đề điều khiển số, truyền thông và màn hình điều khiển. Cấu trúc chung của các tập sách là ở mỗi chương trong các phần đều có ví dụ minh họa cho các mục, ngoài ra cuối mỗi chương có thêm một số câu hỏi và bài tập để đọc giả rèn luyện thêm. Dù có một thời gian dài làm việc và giảng dạy về kỹ thuật điều khiển lập trình PLC họ SIMATIC, mạng truyền thông công nghiệp và truyền động của hãng Siemens cho rất nhiều đối tượng
khác nhau cũng như đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng tài liệu không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong được sự góp ý chân thành của quý đọc giả để giúp tài liệu được hoàn thiện hơn.
Mục lục
1 Tổng quan về điều khiển .1
1.1 Khái niệm chung về điều khiển . 1
1.2 Cấu trúc một qui trình điều khiển . 2
1.3 Các loại điều khiển . 3
1.4 Hệ thống số 4
1.5 Các khái niệm xử lý thông tin . 5
1.5.1 Bit . 5
1.5.2 Byte 5
1.5.3 Word 6
1.5.4 DoubleWord 6
2 Bộ điều khiển lập trình PLC – Cấu trúc và phương thức hoạt động 7
2.1 Giới thiệu . 7
2.2 Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng relay và hệ
điều khiển bằng PLC . 8
2.3 Cấu trúc của một PLC 11
2.4 Các khối của PLC . 13
2.4.1 Khối nguồn cung cấp . 13
2.4.2 Bộ nhớ chương trình 14
2.4.3 Khối trung tâm (CPU) . 15
2.4.4 Khối vào . 15
2.4.5 Khối ra 16
2.4.6 Các khối đặc biệt 16
2.5 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC . 16
3 Cảm biến và cơ cấu chấp hành trong điều khiển logic . 19
3.1 Cảm biến . 19
3.1.1 Giới thiệu . 19
3.1.2 Nối dây cho cảm biến 19
3.1.2.1 Switch 20
3.1.2.2 Ngõ ra TTL . 20
3.1.2.3 Ngõ ra Sinking/Sourcing 20
3.1.2.4 Ngõ ra Solid state relay 23
3.1.3 Phát hiện đối tượng 23
3.1.3.1 Chuyển mạch tiếp xúc . 23
3.1.3.2 Reed Switches . 23
3.1.3.3 Cảm biến quang (Optical Sensor) 23
3.1.3.4 Cảm biến điện dung (Capacitive Sensor) . 25
3.1.3.5 Cảm biến điện cảm (Inductive Sensor) 26
3.1.3.6 Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor) . 28
3.1.3.7 Hiệu ứng Hall (Hall Effect) . 28
3.1.3.8 Lưu lượng (Fluid Flow) 28
3.1.4 Tóm tắt 29
3.2 Cơ cấu chấp hành . 29
3.2.1 Giới thiệu . 29
3.2.2 Solenoid 29
3.2.3 Van điều khiển (VALVE) 30
3.2.4 Xy lanh (CYLINDER) . 32
3.2.5 Động cơ 33
3.2.6 Các cơ cấu chấp hành khác 34
4 Bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200 . 35
4.1 Cấu hình cứng . 35
4.1.1 Khối xử lý trung tâm 35
4.1.2 Khối mở rộng 39
4.1.2.1 Digital module . 39
4.1.2.2 Analog module 40
4.1.2.3 Intelligent module . 41
4.1.2.4 Function module . 41
4.2 Màn hình điều khiển 42
4.3 Các vùng nhớ 43
4.4 Qui ước địa chỉ trong PLC S7-200 46
4.4.1 Truy xuất theo bit 46
4.4.2 Truy xuất theo byte (8 bit) . 46
4.4.3 Truy xuất theo word (16 bit) 46
4.4.4 Truy xuất theo 2 word (Double word = 32 bit) . 47
4.5 Xử lý chương trình 48
5 Kết nối dây giữa PLC và thiết bị ngoại vi . 51
5.1 Kết nối dây giữa PLC và các thiết bị ngoại vi 51
5.1.1 Giới thiệu CPU 224 và cách kết nối với thiết bị ngoại vi 51
5.1.2 Kết nối với máy tính 52
5.1.3 Nối nguồn cung cấp cho CPU 54
5.1.4 Kết nối vào/ra số với ngoại vi 54
5.1.4.1 Kết nối các ngõ vào số với ngoại vi 55
5.1.4.2 Kết nối các ngõ ra số với ngoại vi 57
5.2 Kiểm tra việc kết nối dây bằng phần mềm 60
5.2.1 Status Chart 60
5.2.2 Giám sát và thay đổi biến với Status Chart . 60
5.2.3 Cưỡng bức biến với Status Chart . 62
5.2.4 Ứng dụng Status Chart trong việc kiểm tra kết nối dây
trong S7-200 . 63
5.3 Câu hỏi và bài tập . 64
6 Phần mềm Micro/Win và ngôn ngữ lập trình . 65
6.1 Cài đặt phần mềm STEP 7-Micro/WIN 65
6.1.1 Yêu cầu hệ điều hành và phần cứng 65
6.1.2 Cài đặt phần mềm . 65
6.2 Các phần tử cơ bản trong chương trình PLC S7-200 . 66
6.2.1 Chương trình chính OB1 (main program) . 66
6.2.2 Chương trình con SUB (subroutine) . 66
6.2.3 Chương trình ngắt INT(interrupt routine) 67
6.2.4 Khối hệ thống (system block) 67
Mục lục
III
6.2.5 Khối dữ liệu (data block) . 67
6.3 Ngôn ngữ lập trình 67
6.3.1 Dạng hình thang: LAD (Ladder logic) 68
6.3.2 Dạng khối chức năng: FBD (Function Block Diagram) 68
6.3.3 Dạng liệt kê lệnh: STL (StaTement List) . 69
6.4 Soạn thảo chương trình với phần mềm
STEP7-Micro/Win V4.0 SP6 69
6.4.1 Mở màn hình soạn thảo chương trình 69
6.4.1.1 Vùng soạn thảo chương trình 70
6.4.1.2 Cây lệnh . 70
6.4.1.3 Thanh chức năng . 70
6.4.2 Thanh công cụ (Toolbar) trong STEP7-Micro/WIN . 75
6.4.3 Tạo một dự án STEP 7-Micro/WIN . 77
6.4.3.1 Tạo dự án mới . 77
6.4.3.2 Lưu dự án 77
6.4.3.3 Mở một dự án 78
6.4.4 Thư viện . 78
6.4.5 Hệ thống trợ giúp trong STEP 7-Micro/WIN 79
6.4.6 Xóa bộ nhớ CPU . 80
6.4.7 Mở một dự án đang tồn tại sẵn . 80
6.4.8 Kết nối truyền thông S7-200 với thiết bị lập trình 81
6.4.9 Tải dự án từ PLC 82
6.4.9.1 Tải một khối hoặc ba khối 82
6.4.9.2 Tải vào một dự án mới hoặc dự án rỗng . 82
6.4.9.3 Tải vào một dự án tồn tại . 82
6.4.9.4 Thủ tục tải dự án từ PLC về thiết bị lập trình . 82
6.4.10 Nạp (download) một dự án vào PLC 83
6.4.11 Thiết lập cấu hình chung cho phần
mềm (menu option và customize) . 85
6.4.11.1 Menu Option . 85
6.4.11.2 Menu Custommize . 86
6.4.12 Soạn thảo chương trình 88
7 Các phép toán logic 95
7.1 Ngăn xếp (logic stack) trong S7-200 . 95
7.2 Các phép toán logic cơ bản 96
7.2.1 Phép toán AND . 96
7.2.2 Phép toán OR . 97
7.2.3 Tổ hợp các cổng AND và OR 98
7.2.3.1 AND trước OR . 98
7.2.3.2 OR trước AND . 98
7.2.4 Phép toán XOR . 99
7.3 Xử lý các tiếp điểm, cảm biến được nối với ngõ vào PLC 100
7.4 Ví dụ ứng dụng các liên kết logic 102
7.4.1 Mạch tự duy trì ưu tiên mở máy 102
7.4.2 Mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy . 103
7.4.3 Điều khiển ON/OFF động cơ có chỉ báo . 104
7.4.4 Điều khiển đảo chiều quay động cơ 106
7.5 Bit nhớ M (bit memory) 109
Mục lục
IV
7.6 Các lệnh SET, RESET và mạch nhớ RS . 111
7.6.1 Lệnh SET 111
7.6.2 Lệnh RESET (R) . 112
7.6.3 Mạch nhớ R-S . 112
7.6.3.1 Ưu tiên SET (khâu SR) 112
7.6.3.2 Ưu tiên RESET (khâu RS) . 113
7.6.4 Các qui tắc khi sử dụng Set và Reset . 114
7.6.5 Ví dụ ứng dụng mạch nhớ R-S . 114
7.7 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu và lệnh NOT 118
7.7.1 Lệnh NOT 118
7.7.1 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu . 118
7.8 Các Bit nhớ đặc biệt (Special Memory bits) 120
7.9 Câu hỏi và bài tập . 121
8 Thiết kế theo logic Bool & biểu đồ Karnaugh 125
8.1 Giới thiệu . 125
8.2 Đại số BOOL . 125
8.3 Thiết kế Logic 127
8.3.1 Các kỹ thuật đại số Bool 131
8.4 Các dạng logic chung 132
8.4.1 Dạng cổng phức 132
8.4.2 Multiplexers . 132
8.5 Một số ví dụ thiết kế đơn giản với đại số bool . 133
8.5.1 Các chức năng logic cơ bản . 133
8.5.2 Hệ thống an toàn xe hơi 134
8.5.3 Quay phải/trái động cơ 134
8.5.4 Cảnh báo trộm 135
8.6 Biểu đồ Karnaugh 136
8.6.1 Giới thiệu . 136
8.7 Câu hỏi và bài tập . 139
9 Bộ định thời (Timer) 147
9.1 Giới thiệu . 147
9.2 Timer đóng mạch chậm TON 148
9.3 Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR . 149
9.4 Timer mở mạch chậm TOF . 150
9.5 Ứng dụng Timer 152
9.5.1 Tạo xung có tần số theo mong muốn 152
9.5.2 Tạo Timer xung và timer xung có nhớ . 152
9.5.2.1 Timer xung (Pulse timer) 152
9.5.2.2 Timer xung có nhớ (Extended Pulse timer) 153
9.5.3 Đảo chiều quay động cơ có khống chế thời gian 154
9.5.4 Chiếu sáng Garage . 155
9.5.5 Thiết bị rót chất lỏng vào thùng chứa 156
9.6 Câu hỏi và bài tập . 161
10 Bộ đếm (Counter) . 170
10.1 Giới thiệu 170
10.2 Bộ đếm lên CTU (Count Up) . 171
10.3 Bộ đếm xuống CTD (Count Down) . 172
10.4 Bộ đếm lên-xuống CTUD (Count Up/Down) . 173
10.5 Ứng dụng bộ đếm . 174
10.5.1 Đếm sản phẩm được đóng gói . 174
10.5.2 Kiểm soát chỗ cho Garage ngầm . 175
10.6 Câu hỏi và bài tập . 178
11 Điều khiển trình tự 181
11.1 Cấu trúc chung của một chương trình điều khiển 181
11.2 Điều khiển trình tự . 182
11.2.1 Giới thiệu . 182
11.2.2 Phương pháp lập trình điều khiển trình tự 184
11.3 Các thủ tục tổng quát để thiết kế bài toán trình tự 186
11.4 Cấu trúc của bài toán điều khiển trình tự 188
11.4.1 Chuỗi trình tự 188
11.4.2 Kiểu hoạt động . 188
11.4.3 Các thông báo 190
11.4.4 Kích hoạt ngõ ra . 190
11.5 Các ký hiệu . 190
11.6 Bước trình tự 191
11.7 Các lệnh biểu diễn trong sơ đồ chức năng . 193
11.8 Các chế độ hoạt động, cảnh báo và xuất lệnh 197
11.8.1 Bảng điều khiển . 198
11.8.2 Các khâu chế độ hoạt động có cảnh báo . 199
11.8.3 Hiển thị bước trình tự . 201
11.8.4 Xuất lệnh 201
11.9 Các ví dụ ứng dụng 201
11.9.1 Máy phay đơn giản 201
11.9.2 Băng chuyền đếm táo 205
11.10 Câu hỏi và bài tập 210
12 An toàn trong PLC 218
12.1 Khái niệm và mục đích . 218
12.2 Hư hỏng ở PLC 218
12.3 Các quan điểm về kỹ thuật an toàn ở PLC . 219
12.3.1 Các lỗi nguy hiểm và không nguy hiểm 219
12.3.2 Các cách giải quyết cho hoạt động an toàn của thiết bị điều khiển PLC . 220
12.4 Bảo vệ các ngõ ra PLC . 223
12.4.1 Bảo vệ ngõ ra dùng Transistor . 224
12.4.2 Bảo vệ ngõ ra Rơle có nguồn điều khiển DC . 224
12.4.3 Bảo vệ ngõ ra Rơle và ngõ ra AC có nguồn điều khiển AC 224
12.5 Câu hỏi và bài tập . 225
13 Chuyển điều khiển kết nối cứng sang điều khiển bằng PLC 226
13.1 Kết nối ngõ vào/ ra của PLC từ một sơ đồ điều khiển có tiếp điểm . 226
13.2 Chuyển đổi điều khiển từ contactor thành PLC . 228
13.2.1 Điều khiển thiết bị bù công suất phản kháng 230
13.2.2 Thiết bị nghiền 237
13.3 Điều khiển khí nén 241
13.3.1 Máy uốn thanh kim loại 242
13.3.2 Máy doa miệng ống kim loại . 246
13.4 Câu hỏi và bài tập . 253
14 Các phép toán cơ bản trong điều khiển số 257
14.1 Các dạng số trong PLC 257
14.1.1 Kiểu dữ liệu Integer (INT) . 257
14.1.2 Kiểu dữ liệu Double Integer (DINT) 258
14.1.3 Kiểu dữ liệu số thực (REAL) 259
14.1.4 Kiểu dữ liệu số BCD (Binary Coded Decimal) 260
14.2 Chức năng sao chép 261
14.2.1 Các lệnh sao chép, trao đổi nội dung . 261
14.2.2 Các lệnh sao chép một mảng lớn dữ liệu 263
14.3 Phép toán so sánh 264
14.4 Phép toán số học 266
14.4.1 Cộng và trừ 266
14.4.2 Nhân và chia 267
14.4.3 Ví dụ phép toán số học 268
14.5 Tăng và giảm thanh ghi . 269
14.6 Các phép tóan logic số . 271
14.6.1 Các logic số trong S7-200 271
14.6.2 Ứng dụng . 272
14.6.2.1 Che vị trí các bit 272
14.6.2.2 Chèn thêm bit 273
14.7 Chức năng dịch/quay thanh ghi 273
14.7.1 Chức năng dịch chuyển thanh ghi 273
14.7.1.1 Dịch trái . 273
14.7.1.2 Dịch phải . 274
14.7.2 Chức năng quay thanh ghi . 275
14.7.2.1 Quay trái . 276
14.7.2.2 Quay phải . 277