ĐỀ TÀI LẬP TRÌNH TRUYỀN THÔNG MODBUS- RTU GIAO TIẾP PLC SIEMENS S7-1200 VỚI CÁC THIẾT BỊ CẤP TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM HỌC 2021-2022 ĐỀ TÀI:LẬP TRÌNH TRUYỀN THƠNG MODBUSRTU GIAO TIẾP PLC SIEMENS S7-1200 VỚI CÁC THIẾT BỊ CẤP TRƯỜNG Sinh viên thực Nguyễn Xuân Long Phùng Văn Chinh Nguyễn Văn Thịnh Phạm An Thắng Trương Văn Hiệp Lớp: TDH1 Lớp: TDH1 Lớp: TDH1 Lớp: TDH1 Lớp: TDH1 Người hướng dẫn: Thạc sĩ Đỗ Văn Thăng HÀ NÔI, 2022 Khoa: Khoa: Khoa: Khoa: Khoa: Điện, điện tử Điện, điện tử Điện, điện tử Điện, điện tử Điện, điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2020 ĐỀ TÀI:LẬP TRÌNH TRUYỀN THƠNG MODBUSRTU GIAO TIẾP PLC SIEMENS S7-1200 VỚI CÁC THIẾT BỊ CẤP TRƯỜNG Sinh viên thực Nguyễn Xuân Long Phùng Văn Chinh Nguyễn Văn Thịnh Phạm An Thắng Trương Văn Hiệp Nam Nam Nam Nam Nam Dân tộc: Kinh Dân tộc: Kinh Dân tộc: Kinh Dân tộc: Kinh Dân tộc: Kinh Lớp: Tự động hóa 01 K59 Khoa: Điện – Điện Tử Ngành học: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn: Thạc sĩ Đỗ Văn Thăng HÀ NÔI, 2022 Lời mở đầu Mạng truyền thông công nghiệp là xương sống cho kiến trúc hệ thống tự động hóa cung cấp phương tiện trao đổi liệu cách mạnh mẽ, với khả kiểm sốt liệu tính linh hoạt để kết nối thiết bị khác Với việc sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số độc quyền ngành công nghiệp thập kỷ qua dẫn đến việc cải thiện độ xác tính tồn vẹn tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối Với tiến công nghệ kỹ thuật số, công nghệ truyền thông Modbus RTU thống trị lĩnh vực tự động hóa cung cấp phương tiện truyền thông đa điểm mang lại hiệu chi phí tiết kiệm cáp dẫn Bài báo cáo chúng em xin phép trình bày phương pháp kết nối, lập trình PLC S7-1200 với thiết bị cấp trường (trong báo cáo đồng hồ nhiệt) qua truyền thông Modbus RTU Mục tiêu, nội dung nghiên cứu Mục tiêu: Nghiên cứu cách truyền thông Modbus RTU PLC thiết bị cấp trường Nội dung nghiên cứu: - Giao thức truyền thông Modbus-RTU Cái đặt truyền thơng Modbus-RTU đồng hồ nhiệt Lập trình truyền thơng Modbus-RTU PLC S7-1200 Lập trình giao diện cho hình cảm ứng HMI Các phương pháp nghiên cứu nhóm em sử dụng: - Đọc hiểu phân tích Thiết kế mơ hình mơ MỤC LỤC CHƯƠNG I: Tổng quan thiết bị PLC Siemens S7-1200 phần mềm TIA PORTAL Thiết bị PLC Siemens S7-1200 a Giới thiệu chung b Cấu trúc phần cứng c Lựa chọn thiết bị Phần mềm TIA PORTAL 12 a Tổng quan 12 b Ưu - nhược điểm sử dụng TIA Portal .12 CHƯƠNG II: Truyền thông Modbus-RTU 14 Tổng quan giao thức Modbus-RTU 14 Thông số kết nối 17 a Thông số .17 b Kết nối 17 CHƯƠNG III: Các thiết bị khác .27 Màn hình HMI 27 a Giới thiệu chung .27 b HMI Siemens .32 Bộ điều khiển nhiệt độ 38 a Tổng quan điều khiển nhiệt độ 38 b Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics 39 c Lựa chọn thiết bị .44 Cảm biến RTD 46 CHƯƠNG IV: Đấu nối cài đặt thiết bị phần cứng 50 Sơ đồ đấu nối phần cứng 50 Cài đặt điều khiển nhiệt TK4S-B4RN 50 Khởi tạo chương trình PLC S7-1200 CPU 1211 DC/DC/DC .50 CHƯƠNG V: Xây dựng chương trình phần mềm 54 Màn hình HMI 54 Chương trình PLC 55 CHƯƠNG I: Tổng quan thiết bị PLC Siemens S7-1200 phần mềm TIA PORTAL Thiết bị PLC Siemens S7-1200 a Giới thiệu chung Năm 2009, Siemens dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay dần cho S7200 So với S7-200 S7-1200 có tính trội: - - - - S7-1200 dòng điều khiển logic lập trình (PLC) kiểm sốt nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, tập lệnh mạnh làm cho có giải pháp hồn hảo cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 S7-1200 bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp tích hợp sẵn, đầu vào/ra (DI/DO) Một số tính bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU chương trình điều khiển: o Tất CPU cung cấp bảo vệ password chống truy cập vào PLC o Tính “know-how protection” để bảo vệ block đặc biệt S7-1200 cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet TCP/IP Ngồi bạn dùng module truyền thong mở rộng kết nối RS485 RS232 Cấu hình giao tiếp PLC S7-1200 Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD SCL Phần mềm tích hợp TIA Portal 11 Siemens Vậy để làm dự án với S7-1200 cần cài TIA Portal phần mềm bao gồm mơi trường lập trình cho PLC thiết kế giao diện HMI Sự khác biệt PLC S7-200 PLC S7-1200 siemens  Các dịng PLC S7-1200 S7-1200 có dịng CPU 1211C, CPU 1212C CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C o PLC S7-1200 CPU 1211C có nhớ làm việc 50KB work memory. Lưu ý khơng mở rộng modul I/O o PLC S7-1200 CPU 1212C có nhớ làm việc 75KB work memory o PLC S7-1200 CPU 1214C có nhớ làm việc 100KB work memory o PLC S7-1200 CPU 1215C có nhớ làm việc 125KB work memory o PLC S7-1200 CPU 1217C có nhớ làm việc 150KB work memory Đặc tính kỹ thuật CPU S7-1200 siemens Module mở rộng PLC S7-1200 mở rộng module tín hiệu module gắn để mở rộng chức  CPU Ngồi ra, cài đặt thêm module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác Khả mở rộng loại CPU tùy thuộc vào đặc tính, thơng số quy định nhà sản xuất S7-1200 có loại module mở rộng sau: b Cấu trúc phần cứng  Các thành phần PLC S7 1200 o điều khiển nhỏ gọn với phân loại phiên khác nhau: Điều khiển AC DC phạm vi rộng o mạch tương tự số mở rộng: Điều khiển mô-đun trực tiếp CPU làm giảm chi phí sản phẩm  o o o o 13 module tín hiệu số tương tự khác module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP Bổ sung cổng Ethernet Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC điện áp 24 VDC  Cấu Trúc Bên Trong Của PLC S7 1200 Cấu trúc bên PLC S7 1200 có bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập o Bộ xử lý trung tâm (CPU) có hứa bộ vi xử lý Chức thứ biên dịch tín hiệu được nhập vào Chức thứ thực hành động điều khiển được lưu bộ nhớ của PLC o Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành DC (24V) Cần thiết cho bộ vi xử lý như các mạch điện có module giao tiếp nhập xuất hoạt động o Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho hoạt động sự quản lý bộ vi xử lý o Các thành phần giao tiếp nhập/ xuất Đó nơi nhận thơng tin từ các thiết bị ngoại gửi cho thiết bị điều khiển Tín hiệu vào có thể là cơng tắc, cảm biến,… , tín hiệu có thể là động cơ, biến tần, … o Chương trình điều khiển được nạp vào với sự giúp đỡ của bộ lập trình hay máy vi tính c Lựa chọn thiết bị  Lựa chọn PLC - Trong báo cáo chúng sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC 46 Data sheet Display method 4-digit 7-segment LED Control method ON/OFF control, P, PI, PD, PID control Input specification Thermocouple: K(CA), J(IC), E(CR), T(CC), B(PR), R(PR), S(PR), N(NN), C(TT), G(TT), L(IC), U(CC), Platinel II RTD: DPt100Ω, DPt50Ω, JPt100Ω, Cu100Ω, Cu50Ω, Nikel 120Ω Analog: 0-100mV, 0-5V, 1-5V, 0-10V 0-20mA, 4-20mA Sampling cycle 50ms Control output Relay(250VAC~ 3A) Option input CT, Digital(DI-1) Option output Alarm 1, RS485 comm Power supply 100-240VAC~ 50/60Hz Protection structure IP65(front panel) Display accuracy_RTD •At room temperature(23℃±5℃):(PV ±0.3% or ±1℃, select the higher one) ±1-digit •Out of room temperature:(PV ±0.5% or ±2℃, select the higher one) ±1-digit Display accuracy_Thermocouple •At room temperature(23℃±5℃):(PV ±0.3% or ±1℃, select the higher one) ±1-digit •Out of room temperature:(PV ±0.5% or ±2℃, select the higher one) ±1-digit Display accuracy_Analog •At room temperature(23℃±5℃): ±0.3% F.S ±1-digit •Out of range of room temperature: ±0.5℃% F.S ±1-digit Display accuracy_CT input ±5% F.S ±1-digit Hysteresis(adjustable sensitivity) RTD/Thermocouples: to 100℃/℉(0.1 to 100.0℃/℉) variable Analog: to 100-digit Proportional band 0.1 to 999.9℃/℉(0.1 to 999.9%) Integral time to 9999 sec Derivative time to 9999 sec Control period Relay output, SSR drive output: 0.1 to 120.0 sec Current output or SSR drive output selectable: 1.0 to 120.0 sec Manual reset 0.0 to 100.0% Environment_Ambient -10 to 50℃, storage: -20 to 60℃ 47 temperature Environment_Ambient humidity 35 to 85% RH, storage: 35 to 85% RH Insulation type Double insulation or reinforced insulation Weight Approx 150g(approx 105g) Cảm biến RTD RTD gì? - RTD (Resistance Temperature Detector) thiết bị dùng để đo nhiệt độ ngành công nghiệp sử dụng phổ biến, với Thermocouple - Ngoài tên cảm biến nhiệt độ, RTD gọi điện trở - Một số loại RTD phổ biến nay: Pt100, Pt500, Pt1000, Ni100, Ni500. Trong Pt100 loại RTD sử dụng phổ biến nhất, chiếm tới 90% nhu cầu người dùng Cảm biến nhiệt độ RTD Cấu tạo nguyên lý hoạt động RTD 48  Cấu tạo - RTD cấu tạo gồm 2, dây kim loại làm từ loại vật liệu tinh khiết  Platinum, Niken, hay đồng Loại phổ biến loại dây làm từ Platinum độ tinh khiết lên đến 99,9% Vỏ bảo vệ RTD: Đa phần làm vật liệu inox 304 316L Các dây kim loại nối với đầu (đầu nóng, đầu đo) đầu cịn lại để lấy tín hiệu điện trở (đầu lạnh, đầu tham chiếu)  Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động RTD chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành tín hiệu điện trở - Khi nhiệt độ đầu đo nhiệt điện trở thay đổi đầu cảm biến xuất điện trở Đây sở để đo nhiệt độ nhiệt điện trở - Khi nhiệt độ cần đo tăng giảm, điện trở RAB = RRTD sẽ tăng giảm theo nhiệt độ cần đo Thông qua việc đo giá trị điện trở, ta suy ngược lại giá trị nhiệt độ Ưu, nhược điểm RTD Cảm biến nhiệt độ RTD  Ưu điểm - Đo nhiệt độ phạm vi rộng với độ xác cao Được thiết kế đa dạng với nhiều thành phần có độ bền cao, nhiều chiều dài Khả dẫn điện tốt, loại Platinum Có lựa chọn loại RTD loại RTD dây giúp người dùng có đa dạng lựa chọn Độ ổn định cao theo năm tháng, độ trôi sai số thấp, khoảng 0.1% / năm 49  Nhược điểm - Nhược điểm RTD với ứng dụng cần đo nhiệt độ 850 º C RTD, kể loại Pt100 khơng thể đo dải nhiệt dao động khoảng từ - 200 ° C đến tối đa 850 ° C - Phản ứng nhiệt chậm cặp nhiệt điện thermocouple Ứng dụng RTD  Dùng để đo, kiểm tra nhiệt độ khu vực có nhiệt độ cao nhà máy để đảm bảo quy trình vận hành máy móc, thiết bị an tồn, ổn định Từ mang lại hiệu cao hoạt động sản xuất kinh doanh  Tùy vào nhiệt độ khu vực cần đo mà người dùng nên lựa chọn loại RTD cho hợp lý giá công suất hoạt động để tạo giá trị sản phẩm hiệu tốt Cấu tạo cảm biến RTD Cách chọn RTD chuẩn Cảm biến nhiệt độ RTD chia thành loại, vào số dây dẫn cảm biến, RTD dây, RTD dây RTD dây Trong đó, độ xác RTD tăng theo số lượng dây dẫn cảm biến khả nhiễu điện trở đường dây giảm dần Ví dụ cảm biến nhiệt độ Pt100 dây sẽ bù nửa ảnh hưởng điện trở đường dây, cảm biến nhiệt độ Pt100 loại dây bù triệt để ảnh hưởng điện trở đường dây Nhờ mà kết đo có độ xác cao Để chọn RTD chuẩn, bạn cần lưu ý vấn đề sau: 50 - Thang đo nhiệt độ RTD cao loại có lượng Platinum lớn dòng chịu nhiệt độ cao cho kết đo xác Mức độ sai số RTD không phụ thuộc vào thang đo nhiệt mà phụ thuộc vào loại Class dòng RTD Ví dụ với loại Pt 100 ta có: Class B sai số 0.3 độ C, loại A 0.15% loại Class A + 0.1 5% sai số Trong loại RTD loại củ hành có thang đo nhiệt độ lớn loại dây Trước chọn RTD cần xác định ứng dụng cần dùng cảm biến RTD để đo Đánh giá nhu cầu hệ thống có cần độ xác cao hay khơng? Đánh giá mơi trường cần đo có tính ăn mịn hay khơng Vị trí lắp đặt có thuận tiện khơng để chọn loại có ren khơng có ren cho phù hợp Dải đo nhiệt độ môi trường dao động khoảng Xác định mức chi phí đầu tư cho thiết bị bỏ 51 CHƯƠNG IV: Đấu nối cài đặt thiết bị phần cứng Sơ đồ đấu nối phần cứng Cài đặt điều khiển nhiệt TK4S-B4RN       Giữ mode 3s => chọn Par4 Comm.address[Adr5] =1 Comm.speed[bp5] =9600 Comm.parity bit[prty] =non Comm.stop bit[stp] =1 Comm.respon waiting time[] =20m/s Khởi tạo chương trình PLC S7-1200 CPU 1211 DC/DC/DC  Thiết lập cầu hình phần cứng: 52  Thiết lập cấu hình giao thức truyền thơng cho module CB Cấu hình giống đồng hồ cài đặt  Thiết lập cấu hình đại ip cho plc  Thiết lập cho phép truyền thơng với hình HMI Delta 53  Thiết lập bit system clock memory để sử dụng cần:  Khối lệnh đọc ghi qua cổng truyển thông Modbus MB_MASTER           EN : cho phép khối thực REQ: Cấp điều kiện để thưc lệnh MB_ADDR: Khai báo địa thiết bị kết nối MODE: Khai báo chế độ =0 để đọc =1 để ghi DATA_ADDR : Địa bắt đầu đọc ghi giá trị slave DATA_LEN : Độ dài liệu số lượng địa cỉ kết nối DATA_PTR: Vùng nhớ lưu giá trị vùng chứa giá trị truyền DONE: Báo kết lệnh sau lần thực ERROR: Báo lỗi kết nối sau lần thực thất bại STATUS: Hiển thị mã code trạng thái lệnh 54  Khai báo data block để sử dụng cho lệnh: Data PV : hiển thị giá trị nhiệt độ thực tế Data SV : hiển thị giá trị nhiệt độ cài đặt đọc ngược Set SV : chứa giá trị cài đặt nhiệt độ ghi xuống  Xác định mac lệnh:       Master read process value PV from TK4S(t20) Read input register(func 04) 03E8(HEX)=1000(DEC) => DATA_ADDR=30001+1000=31001 Master write set value to TK4S(t22) Write single Register (func 06) 0000(HEX)=0(DEC) => DATA_ADDR=40001+0=41001 55 CHƯƠNG V: Xây dựng chương trình phần mềm Màn hình HMI  Kết nối PLC vs HMI  Giao diện HMI 56 Chương trình PLC 57 58 59 CHƯƠNG VI: Kết thu Kết thu - Tìm hiểu lí thuyết truyền thơng Modbus-RTU, PLC, HMI, đồng hồ nhiệt Cài đặt truyền thông Modbus-RTU đồng hồ nhiệt Lập trình truyền thơng Modbus-RTU PLC S7-1200 Lập trình giao diện cho hình cảm ứng HMI Hướng phát triển  Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu,chúng em có nhìn tổng quan về hướng phát triển đề tài ứng dụng thực tế ngày  Đề tài chúng em hoàn tồn phát triển rộng cơng nghiệp như: - Sử dụng thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng - Điều khiển, giám sát nhiệt độ lò cập nhật liệu liên tục lên web 60 - - Tài liệu tham khảo https://www.servomitsubishi.com/2021/12/modbus-rs485-rtu-plc-s7-1200-voidelta.html? fbclid=IwAR27X2FNb1HZgYmXZ3_RTYEU5EUIODca80jrMrnvrcZRcfe2W fvEMNWPFYU http://www.manhinhhmi.com/2020/06/huong-dan-ket-noi-hmi-delta-voi-s71200.html