Tự động hóa
PLC S7 200_Bài 5: Kết nối dây giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
Kết nối dây giữa PLC và thiết bị ngoại vi
5.1 Kết nối dây giữa PLC và các thiết bị ngoại vi
Việc kết nối dây giữa PLC với ngoại vi rất quan trọng. Nó quyết định đến việc PLC có thể giao tiếp được với thiết bị lập trình (máy tính) cũng như hệ thống điều khiển có thể hoạt động đúng theo yêu cầu được thiết kế hay không. Ngoài ra việc nối dây còn liên quan đến an toàn cho PLC cũng như hệ thống điều khiển.
5.1.1 Giới thiệu CPU 224 và cách kết nối với thiết bị ngoại vi
Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224 được cho như hình 5.1.
Để cho bộ điều khiển lập trình này hoạt động được thì người sử dụng phải kết nối PLC với nguồn cung cấp và các ngõ vào ra của nó với thiết bị ngoại vi. Muốn nạp chương trình vào CPU, người sử dụng phải soạn thảo chương trình bằng các thiết bị lập trình hoặc máy tính với phần mềm tương ứng cho loại PLC đang sử dụng và có thể nạp trực tiếp vào CPU hoặc copy chương trình vào card nhớ để cắm vào rãnh cắm card nhớ trên CPU của PLC. Thông thường khi lập trình cũng như khi kiểm tra hoạt động của PLC thì người lập trình thường kết nối trực tiếp thiết bị lập trình hoặc máy tính cá nhân
với PLC. Như vậy, để hệ thống điều khiển khiển bằng PLC hoạt động cũng như lập trình cho nó, cần phải kết nối PLC với máy tính cũng như các ngõ vào ra với ngoại vi.
5.1.2 Kết nối với máy tính
Đối với các thiết bị lập trình của hãng Siemens có các cổng giao tiếp PPI thì có thể kết nối trực tiếp với PLC thông qua một sợi cáp. Tuy nhiên đối với máy tính cá nhân cần thiết phải có cáp chuyển đổi PC/PPI. Có 2 loại cáp chuyển đổi là cáp RS-232/PPI Multi-Master và cáp USB/PPI Multi-Master.
- Cáp RS-232/PPI multi-master:
Hình dáng của cáp và công tắc chọn chế độ truyền được cho ở hình 5.2.
Tùy theo tốc độ truyền giữa máy tính và CPU mà các công tắc 1,2,3 được để ở vị trí thích hợp. Thông thường đối với CPU 22x thì tốc độ truyền thường đặt là 9,6 KBaud (tức công tắc 123 được đặt theo thứ tự là 010).
Tùy theo truyền thông là 10 Bit hay 11 Bit mà công tắc 7 được đặt ở vị trí thích hợp. Khi kết nối bình thường với máy tính thì công tắc 7 chọn ở chế độ truyền thông 11 Bit (công tắc 7 đặt ở vị trí 0).
Công tắc 6 ở cáp RS-232/PPI Multi-Master được sử dụng để kết nối port truyền thông RS-232 của một modem với S7-200 CPU. Khi kết nối bình thường với máy tính thì công tắc 6 được đặt ở vị trí data Comunications Equipment (DCE) (công tắc 6 ở vị trí 0). Khi kết nối cáp PC/PPI với một modem thì port RS-232 của cáp PC/PPI được đặt ở vị trí Data Terminal Equipment (DTE) (công tắc 6 ở vị trí 1).
Công tắc 5 được sử dụng để đặt cáp RS-232/PPI Multi-Master thay thế cáp PC/PPI hoặc hoạt động ở chế độ Freeport thì đặt ở chế độ PPI/Freeport (công tắc 5 ở vị trí 0). Nếu kết nối bình thường là PPI (master) với phần mềm STEP 7 Micro/Win 3.2 SP4 hoặc cao hơn thì đặt ở chế độ PPI (công tắc 5 ở vị trí 1).
Sơ đồ nối cáp RS-232/PPI Multi-Master giữa máy tính và CPU S7-200 với tốc độ truyền 9,6 Kbaud được cho như hình 5.3.
Cách thức kết nối cáp USB/PPI Multi-Master cũng tương tự như cáp RS- 232/PPI Multi-Master. Để sử dụng cáp này, phần mềm cần phải là STEP 7-
Micro/WIN 3.2 Service Pack 4 (hoặc cao hơn). Cáp chỉ có thể được sử dụng với loại CPU22x hoặc sau này. Cáp USB không được hỗ trợ truyền thông Freeport và download cấu hình màn TP070 từ phần mềm TP Designer.
5.1.3 Nối nguồn cung cấp cho CPU
Tùy theo loại và họ PLC mà các CPU có thể là khối riêng hoặc có đặt sẵn các ngõ vào và ra cũng như một số chức năng đặc biệt khác. Hầu hết các PLC họ S7-200 được nhà sản xuất lắp đặt các khâu vào, khâu ra và CPU trong cùng một vỏ hộp. Nhưng nguồn cung cấp cho các khâu này hoàn toàn độc lập nhau. Nguồn cung cấp cho CPU của họ S7-200 có thể là:
Xoay chiều: 20…29 VAC , f = 47…63 Hz;
85…264 VAC, f = 47…63 Hz
Một chiều: 20,4 … 28,8 VDC
Hình 5.5 a,b là sơ đồ nối dây nguồn cung cấp cho CPU
Để có thể nhận biết việc cấp nguồn cho CPU, khối vào, khối ra số ta căn cứ vào các chữ số đi kèm theo CPU. Các mã số kèm theo CPU 2xx có thể có như sau:
- CPU 2xx DC/DC/DC: Nguồn cấp cho CPU là DC, nguồn cho ngõ vào là DC, nguồn cấp cho ngõ ra là DC.
- CPU 2xx AC/DC/Relay: Nguồn cấp cho CPU là AC, nguồn cho ngõ vào là DC, ngõ ra là Relay có thể cấp nguồn là DC hoặc AC.
5.1.4 Kết nối vào/ra số với ngoại vi
Các ngõ vào, ra của PLC cần thiết để điều khiển và giám sát quá trình điều khiển. Các ngõ vào và ra có thể được phân thành 2 loại cơ bản: số (Digital) và tương tự (analog). Hầu hết các ứng dụng sử dụng các ngõ vào/ra số. Trong bài này chỉ đề cập đến việc kết nối các ngõ vào/ra số với ngoại vi, còn đối với ngõ vào/ra tương tự sẽ trình bày ở chương “xử lý tín hiệu analog”.
Đối với bộ điều khiển lập trình họ S7-200, hãng Siemens đã đưa ra rất nhiều loại CPU với điện áp cung cấp cho các ngõ vào ra khác nhau. Tùy thuộc từng loại CPU mà ta có thể nối dây khác nhau. Việc thực hiện nối dây cho CPU có thể tra cứu sổ tay kèm theo của hãng sản xuất.
5.1.4.1 Kết nối các ngõ vào số với ngoại vi
Các ngõ vào số của PLC có thể được chế tạo là một khối riêng, hoặc kết hợp với các ngõ ra chung trong một khối hoặc được tích hợp trên khối CPU. Trong trường hợp nào cũng vậy, các ngõ vào cũng phải được cung cấp nguồn riêng với cấp điện áp tùy thuộc vào loại ngõ vào. Cần lưu ý trong một khối ngõ vào cũng như các ngõ vào được tích hợp sẵn trên CPU có thể có các nhóm được cung cấp nguồn độc lập nhau. Vì vậy cần lưu ý khi cấp nguồn cho các nhóm này. Nguồn cung cấp cho các khối vào của họ S7-200 có thể là:
Xoay chiều: 15…35 VAC, f = 47…63 Hz; dòng cần thiết nhỏ nhất 4mA 79…135 VAC, f = 47…63 Hz; dòng cần thiết nhỏ nhất 4mA
Một chiều: 15 … 30 VDC; dòng cần thiết nhỏ nhất 4mA
Sơ đồ mạch điện bên trong của một số ngõ vào được cho như hình 5.6a,b.
Tùy theo yêu cầu mà có thể quyết định sử dụng loại ngõ vào nào.
+ Ngõ vào DC: – Điện áp DC thường thấp do đó an toàn hơn.
- Đáp ứng ngõ vào DC rất nhanh.
- Điện áp DC có thể được kết nối với nhiều phần tử trong hệ thống điện.
Ngõ vào AC: – Ngõ vào AC yêu cầu cần phải có thời gian. Ví dụ đối với điện áp có tần số 50 Hz phải yêu cầu thời gian đến 1/50 giây mới nhận biết được.
– Tín hiệu AC ít bị nhiễu hơn tín hiệu DC, vì vậy chúng thích hợp với khoảng cách lớn và môi trường nhiễu (từ).
– Nguồn AC kinh tế hơn.
– Tín hiệu AC thường được sử dụng trong các thiết bị tự động hiện hữu.
Đối với các ngõ vào số, khi kết nối với ngoại vi, ngoại trừ các trường hợp đặc biệt thì thông thường mỗi một ngõ vào được kết nối với một bộ tạo tín hiệu nhị phân như: nút nhấn, công tắc, cảm biến tiếp cận …. Hình 5.7a,b,c minh họa cách kết nối dây các ngõ vào PLC với các bộ tạo tín hiệu nhị phân khác nhau.
Cần lưu ý đến các loại cảm biến khi kết nối với các ngõ vào PLC (xem lại chương 3: cảm biến và cơ cấu chấp hành trong điều khiển logic).
Trong ví dụ hình 5.7a có 3 ngõ vào, một là nút nhấn thường hở, hai là tiếp điểm của relay nhiệt, và ba là cảm biến tiếp cận với ngõ ra là relay. Cả ba bộ tạo tín hiệu này được cung cấp bởi một nguồn 24VDC. Khi tiếp điểm hở hoặc cảm biến phát tín hiệu “0” thì không có điện áp tại các ngõ vào. Nếu các tiếp điểm được đóng lại hoặc cảm biến phát tín hiệu “1” thì ngõ vào được cấp điện.
- Nút nhấn và cảm biến có ngõ ra là relay nối với ngõ vào loại sinking.
- Nút nhấn và cảm biến loại PNP nối với ngõ vào loại sinking.
- Nút nhấn và cảm biến loại NPN nối với ngõ vào loại sourcing.
Đối với các ngõ vào ra của CPU 214 DC/DC/DC, CPU 224 AC/DC/Relay theo sổ tay được kết nối như hình 5.10 và hình 5.11.
5.1.4.2 Kết nối các ngõ ra số với ngoại vi
Các ngõ ra của PLC có thể được chế tạo là một khối riêng, hoặc kết hợp với các ngõ ra chung trong một khối hoặc được tích hợp trên khối CPU. Trong trường hợp nào cũng vậy, các ngõ ra cũng phải được cung cấp nguồn riêng với cấp điện áp tùy thuộc vào loại ngõ ra. Cần lưu ý trong một khối ra cũng như các ngõ ra được tích hợp sẵn trên CPU có thể có các nhóm được cung cấp nguồn độc lập nhau. Vì vậy cần lưu ý khi cấp nguồn cho các nhóm này. Nguồn cung cấp cho các khối ra của họ S7-200 có thể là:
Xoay chiều: 20…264 VAC , f = 47…63 Hz;
Một chiều: 5…30 VDC đối với ngõ ra rơ le; 20.4 … 28.8 VDC đối với ngõ ra transistor;
Các khối ra tiêu chuẩn của PLC thường có 8 đến 32 ngõ ra theo cùng loại và có dòng định mức khác nhau. Ngõ ra có thể là rơ le, transistor hoặc triac. Rơ le là ngõ ra linh hoạt nhất. Chúng có thể là ngõ ra AC và DC. Tuy nhiên đáp ứng của ngõ ra rơ le chậm, giá thành cao và bị hư hỏng sau vài triệu lần đóng cắt. Còn ngõ ra transistor thì chỉ sử dụng với nguồn cung cấp là DC và ngõ ra triac thì chỉ sử dụng được với nguồn AC. Tuy nhiên đáp ứng của các ngõ ra này nhanh hơn.
Sơ đồ mạch điện bên trong của các ngõ ra được cho như hình 5.8.
Cần chú ý khi thiết kế hệ thống có cả hai loại ngõ ra AC và DC. Nếu nguồn AC nối vào ngõ ra DC là transistor, thì chỉ có bán kỳ dương của chu kỳ điện áp được sử dụng và do đó điện áp ra sẽ bị giảm. Nếu nguồn DC được nối với ngõ ra AC là triac thì khi có tín hiệu cho ngõ ra, nó sẽ luôn luôn có điện cho dù có điều khiển tắt bằng PLC.
Đối với các ngõ ra số, khi kết nối với ngoại vi, ngoại trừ các trường hợp đặc biệt thì thông thường mỗi một ngõ ra được kết nối với một đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như: đèn báo, cuộn dây rơ le, chuông báo . . .. Hình 5.9 minh họa cách kết nối dây các ngõ ra PLC với các cơ cấu chấp hành. Hình 5.9a là một ví dụ cho các khối ra sử dụng 24Vdc với mass chung. Tiêu biểu cho loại này là ngõ ra transistor. Trong ví dụ này các ngõ ra được kết nối với tải công suất nhỏ là đèn báo và cuộn dây relay. Quan sát mạch kết nối này, đèn báo sử dụng nguồn cung cấp là 24Vdc. Nếu ngõ ra .6 ở mức logic “1” (24Vdc) thì dòng sẽ chảy từ ngõ ra .6 qua đèn H1 và xuống Mass (M), đèn sáng. Nếu ngõ ra ở mức logic “0” (0V), thì đèn H1 tắt. Nếu ngõ ra .4 ở mức logic “1” thì cuộn dây rơ le có điện, làm tiếp điểm của nó đóng lại cung cấp điện 220 Vac cho động cơ.
Hình 5.9b là một ví dụ ngõ ra relay sử dụng nguồn cấp là 24 Vdc, và hình 5.9c là ví dụ ngõ ra triac sử dụng nguồn xoay chiều 24 Vac.
Một chú ý quan trọng khi kết nối các ngõ ra cần tra cứu sổ tay khối ngõ ra hiện có để có được thông tin chính xác tránh được những sự cố đáng tiếc xảy ra. Hình 5.10 là ví dụ của CPU 214 với nguồn cung cấp DC, ngõ vào DC và ngõ ra DC được nối dây với ngoại vi ( trích từ sổ tay S7-200 Programmable Controller System Manual). Ta nhận thấy mỗi một nhóm ngõ vào cũng như một nhóm ngõ ra và CPU được cung cấp nguồn riêng là 24 Vdc. Ngoài ra trên khối CPU còn có nguồn phụ 24 Vdc (đến 280 mA) có thể được sử dụng để cung cấp cho các cảm biến hoặc khối mở rộng.
5.2 Kiểm tra việc kết nối dây bằng phần mềm
Một công việc quan trọng cho người lắp đặt và vận hành là biết được các kết nối của các ngõ vào/ra với ngoại vi có đúng hay không trước khi nạp chương trình điều khiển vào CPU. Hoặc khi một hệ thống đang hoạt động bình thường nhưng một sự cố hư hỏng xảy ra thì các phần ngoại vi nào bị hư và phát hiện nó bằng cách nào. Các phần mềm cho các bộ điều khiển bằng PLC thường có trang bị thêm công cụ để kiểm tra việc kết nối dây ngõ vào/ra với ngọai vi. Trong phần mềm Step 7 Micro/Win (phần mềm lập trình cho họ S7-200) có trang bị thêm phần này đó là mục Status Chart.
Để sử dụng phần mềm tốt hơn hãy xem thêm chương “Phần mềm STEP 7-Micro/Win và ngôn ngữ lập trình”.
5.2.1 Status Chart
Chúng ta có thể sử dụng Status Chart để đọc, ghi hoặc cưỡng bức các biến trong chương trình theo mong muốn. Để có thể mở Status Chart, ta nhấp đúp chuột vào biểu tượng Status Chart 
trong cửa sổ Navigation Bar trên màn hình Step 7-Micro/Win32 hoặc vào mục View → Component → Status Chart.
5.2.2 Giám sát và thay đổi biến với Status Chart
Hình 5.9 chỉ một ví dụ về cách sử dụng Status Chart. Để đọc hay ghi các biến chúng ta thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Ở ô đầu tiên trong cột Address ta nhập vào địa chỉ hay tên ký hiệu của một biến trong chương trình ứng dụng mà muốn giám sát hoặc điều khiển, sau đó ấn ENTER. Lặp lại bước này cho tất cả các biến được thêm vào biểu đồ.
Bước 2: Nếu biến là 1 Bit (ví dụ:I, Q, hoặc M), thì kiểu biến đặt ở cột Format là bit. Nếu biến là một byte, word, hay double word thì chọn ở cột Format và nhấp đúp chuột để tìm kiểu biến mong muốn.
5.2.3 Cưỡng bức biến với Status Chart
Trong một số trường hợp cần thiết phải ép buộc một ngõ vào hoặc một ngõ ra hoặc bất kỳ một biến nào đó trong chương trình theo một giá trị mong muốn cho phù hợp với hòan cảnh họat động hiện tại của hệ thống hoặc để kiểm tra các lỗi xảy ra trong hệ thống điều khiển, ta có thể sử dụng công cụ cưỡng bức biến (Force).
Để cưỡng bức biến trong Status Chart với một giá trị xác định, thực hiện các bước sau:
Bước 1: Chọn một ô trong cột Address, vào địa chỉ hay hay tên của biến cần cưỡng bức.
Bước 2: Nếu biến là 1 Bit (ví dụ:I0.0, Q0.1), thì kiểu biến ở cột Format luôn luôn là bit. Nếu biến là một byte, word, hay double word thì chọn ở cột Format và nhấp đúp chuột để tìm kiểu biến mong muốn.
5.2.4 Ứng dụng Status Chart trong việc kiểm tra kết nối dây trong S7-200
Sau khi kết nối dây ngọai vi với các ngõ vào/ra của PLC, việc kế tiếp là kiểm tra lại kết nối dây này để phát hiện ra các lỗi kết nối. Một công cụ hữu hiệu là sử dụng Status Chart. Lưu ý khi kiểm tra kết nối dây:
- Đối với ngõ vào:
- Các ngõ vào nào được nối với các tiếp điểm thường đóng hay tín hiệu có mức logic “1” thì các ngõ vào có điện áp và đèn báo trạng thái các ngõ vào sáng. Khi quan sát trong status chart, ta sẽ nhận thấy các giá trị này có mức logic “1”.
- Việc kiểm tra các ngõ vào nên thực hiện lần lượt cho từng ngõ vào theo bảng kết nối dây vào/ra với ngoại vi. Có nghĩa là mỗi lần ta chỉ thay đổi trạng thái của một bộ tạo tín hiệu (nút nhấn, cảm biến,…) và quan sát trạng thái của ngõ vào được kết nối với nó trong status chart.
- Ghi chép lại các kết nối bị sai và sữa chữa.
- Đối với ngõ ra:
- Ở trạng thái bình thường khi chưa có chương trình thì tất cả các ngõ ra của PLC đều ở mức logic “0” (không có điện áp) và đèn báo trạng thái các ngõ ra đều tắt.
- Việc kiểm tra nối dây ngõ ra nên thực hiện lần lượt từng ngõ ra theo bảng kết nối dây bằng cách cho ngõ ra muốn kiểm tra lên mức lodic “1” trong status chart và quan sát trạng thái của ngoại vi được kết nối tương ứng. Nếu ngoại vi tương ứng có điện chứng tỏ nó được kết nối đúng còn ngược lại kết nối sai.
5.3 Câu hỏi và bài tập
BT 5.1: Ngõ vào của PLC có thể đóng điện cho cuộn dây rơ le để điều khiển một động cơ được không? Các khối vào và khối ra đóng vai trò gì trong việc giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngọai vi?
BT 5.2: Các khối mở rộng ngõ vào/ra có lợi ích gì?
BT 5.3: Điều gì xảy ra nếu một ngõ ra AC được cấp nguồn DC?
BT 5.4: Một khối vào/ra mở rộng của PLC họ S7-200 loại EM223 gồm có 8 ngõ vào DC/8 ngõ ra rơle. Các ngõ vào được nối với 4 nút nhấn, 2 ngõ ra được nối với một rơle trung gian sử dụng nguồn 24VDC dùng để đóng mạch cho một contactor 220VAC để điều khiển động cơ 3 pha 220V/380V. 2 ngõ ra được nối với 2 đèn báo 220VAC để báo chiều quay của động cơ. 2 ngõ ra được sử dụng cho các van khí nén 24 VDC. Hãy vẽ sơ đồ nối dây các ngõ vào và ra này với ngoại vi theo yêu cầu.
BT 5.5: Hãy thiết kế một dự án được điều khiển bằng PLC. Trước khi đặt hàng, cần phải phác thảo việc nối dây cơ bản và chọn lựa các loại PLC hoặc khối vào/ra có các ngõ vào/ra tương ứng. Các thiết bị được sử dụng để nối với các ngõ vào gồm có: 2 công tắc hành trình, 1 nút nhấn thường hở, 1 nút nhấn thường đóng và một tiếp điểm nhiệt. Ngõ ra sẽ điều khiển một van solenoid 24VDC, một đèn báo 110VAC và một động cơ 220VAC/50HP. Hãy lựa chọn loại PLC hoặc một khối vào/ra phù hợp và kết nối dây theo yêu cầu đặt ra.
BT 5.6: Hãy phác thảo sơ đồ nối dây cho các ngõ ra PLC theo yêu cầu được liệt kê dưới đây:
- Một van khí nén có 2 cuộn dây solenoid
- Một đèn báo 24VDC
- Một đèn báo 120 VAC
- Một động cơ công suất thấp 12 VDC.