Đề tài thiết kế hệ thống plc điều khiển mức chất lỏng

Việc xây dựng một hệ thống tựđộng đo và điều chỉnh mức nước rất là quan trọng.Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài này là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổnđịnh mức chất lỏng với đ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với chúng ta Nó được

ra đời từ rất sớm, nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người

Và đặc biệt trong sản xuất, công nghệ tự động rất phát triển và nó đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà một người bình thư ờng khó có thể làm được Ngày càng nhiều các thiết

bị tiên tiến đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo , sự chính xác của các hệ thống sản xuất ngày một cao hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội Vì vậy điều khiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuậtchuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tự động vào lao động sản xuất, đời sống sinh hoạt của con người

Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tính năng ưu việt mà nó có được Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương pháp cũ, nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình dựa trên những tập

lênh logic cơ bản Để tìm hiểu rõ hơn về PLC em xin chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống PLC điều khiển mức chất lỏng ” Và nhờ sự hướng dẫn của Ths Ngô Thị Lê và toàn thể thầy

cô trong khoa điện đã hỗ trợ và giúp đỡ em để em hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG

1.1 Khái niệm

Lưu lượng nước hay lưu lượng chất lỏng nói chung là chỉ về số lượng, thể tích nướchay chất lỏng lưu thông qua một mặt cắt trên một đơn vị thời gian Thông thường, cách

đo lưu lượng dễ nhất là đo qua đường ống hoặc qua một kênh kín hoặc hở

Hình 1.1 Minh hoa lưu lượng dòng chảy trong thực tế

1.2 Đặt vấn đề

Trong thiên niên kỷ XXI này, sự phát triển mãnh mẽ của khoa học công nghệ vàgần đây là cuộc cách mạng 4.0 đã tác động mạnh mẽ đến đời sống sản xuất, sinh hoạt củacon người Nhằm hướng đến một uộc sống mà con người ít phải trực tiếp bỏ sức laođộng, nhưng vẫn thu được năng suất, chất lượng sản phẩm, độ chính xác cao, giúp con

người có cuộc sống thoải mái dễ dàng thoải mái hơn Sự góp mặt của tự động hóa quátrình công nghệ đã góp phần không nhỏ đến

mục tiêu này Nó đã và đang được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong côngnghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lýnước, sản xuất giấy, sản xuất xi măng cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống.Đặc biệt hơn, tự động hóa quá trình giúp con người tránh khỏi những công việc nặng

nhọc, trong môi trường độc hại, khai thác những nơi con người không thể đặt chân đến

Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, chế biến và lọc dầu, trong các công trìnhthủy điện, thủy lợi, thủy nông và nhiều lĩnh vực khác Việc xây dựng một hệ thống tựđộng đo và điều chỉnh mức nước rất là quan trọng

Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài này là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổnđịnh mức chất lỏng với độ chính xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tàinghiên cứu đối tượng chính ở đây là điều khiển mức nước trong bình đơn Hệ bồn nướcđơn được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giátrị mức đặt trước, mức chất lỏng trong bồn chứa được duy trì ổ định Để làm được điềunày thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũngnhư điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mứcnước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Viêc điều khiển hệ thốngnày để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự điềukhiển phối hợp giữa các van và máy bơm

Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều các để điềukhiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đơn, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiểnPID kinh điển để điều khiể Công việc điều khiển được thực hiện mô phỏng trên Matlabvới công cụ là simulink

Đồ án này đề cập đến việc mô hình hóa và kiểm soát tốc độ dòng chảy trong cácđường ống dẫn dầu nặng Với mục đích, thuật toán điều khiển PID được sử dụng để điềukhiển cơ chế dòng chảy trong đường ống Chứng minh tính hiệu quả của bộ PID trongviệc kiểm soát tốc độ dòng chảy trong đường ống

Hình 1.2 Nhu cầu thực tế khi chọn công suất máy bơm

Lưu lượng của máy bơm nước là lượng nước mà máy bơm có thể vận chuyển đượctrong một khoảng thời gian (giờ, phút, giây) Đơn vị tính: lit/phút(l/min) hoặc m3/h Lưulượng tỉ lệ nghịch với cột áp, lưu lượng càng lớn thì cột áp càng bé và ngược lại Đâycũng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất hoạt động của máybơm

1.3 Các phương thức điều khiển

1.3.1 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính

Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay 1 hệ thống,thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệthống bằng 1 hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệtuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các phần đặc trưng cho từng chế dộ làm việcnghiên cứu với những công cụ tính toán chặt chẽ nhưng đơn giản và hiệu quả Sử dụng

mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm :

- Mô hình đơn giản , các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằngcác phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hoá

lý phức tạp mô tả hệ

- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốnnhiều thời gian để thực hiện

- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển mộtcách dễ dàng và có thể chinh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyếntính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn

1.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phituyến Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và không phải đốitượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tải được bằng 1 mô hình tuyến tính, cũng nhưkhông phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tínhđược thoả mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sửdụng bộ điều khiển vi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứutính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phituyến

1.3.3 Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước

Cho đến nay trong thức tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển lưu lượng dòng chảy được thiết kế và sử dụng Trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là :

- Sử dụng bộ PID truyền thống, từ đơn giản đến phức tạp, có nghĩa là thiết kế thêm

bộ điều khiển bù dao động bên cạnh bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh cho phù hợp

- Sử dụng công cụ lý thuyết tiên tiến như logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo Theo hướng này cũng nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp như :

+ Chỉ sử dụng logic mờ (ưu điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết chính xác mo hình đối tượng)

+ Chỉ sử dụng mạng nơ ron nhân tạo ( mạng nơ ron nhân tạo là sử dụng kỹ thuật tái tạo lại 1 vài chức năng tương tự bộ não con người Trong bài toán kỹ thuật, mạng

nơ ron có thể nhận dạng, điều khiển, nhận mẫu, giải quyết các bài toán tối ưu và hiệu quả Có rất nhiều loại mạng và việc phân loại mạng cũng có nhiều cách

+ Kết hợp logic mờ với PID kinh điển Trong pham vi điều khiển thì bộ PID là phương pháp điều khiển tối ưu Sự kết hợp giữa logic mờ và PID kinh điển giúp tang tính tối ưu và hệ thống làm việc tốt hơn Ưu điểm của bộ điều khiển này là khả năng

tự chỉnh định lại thông số bộ điều khiển cho phù hợp với điểm làm việc của đối tượng

+ Kết hợp mạng nơ ron nhân tạo với PID kinh điển Với bộ điều khiển này bộ tham số kd,ki,kp không chỉ được ước lượng từ ngõ ra đối tượng mà còn là bộ tham số tối ưu thông qua các khả năng tự động của mạng nơ ron Vì thế bộ điều khiển đáp ứngđược các yêu cầu khắt khe về chất lượng điều khiển của hệ thống

 Phương pháp sử dụng bộ PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển theo

nguyên lý phản hồi Lý do bộ PID được chọn rộng rãi vì tính đơn giản cả về cấu trục lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều khiển PID có nhiện vụ đưa sai lệch tính e của

hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng

1.4 Đặt bài toán điều khiển mức nước

Cấu trúc của hệ thống ổn định mức nước :

Nguyên lý làm việc của mô hình : Nước từ bồn chứa được động cơ bơm vào bồn điều khiển, lưu lượng nước được thay đổi qua van điều chỉnh đầu vào Mức nước trong bồn được cảm biến mức đo và đưa thông tin tới bộ điều khiển Đầu ra của bồn điều khiển

là van xả chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh góc mờ thể hiện mức độ tiêu thụ là luôn thay đổi và không cố định Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh góc mở van xả chất lỏng vào sao cho giữ được mức nước trong bồn điều khiển ổn định theo giá trị đặt sẵn

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ

THỐNG 2.1 Giới thiệu chung về PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp,

tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết

kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình

- Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa

- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến

hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm

1969 Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thốngPLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng:

- Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ

ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

- Bộ nhớ lớn hơn

- Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sựkiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thànhmột hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn

2.2 Giới thiệu PLC S7-1200

2.2.1 Giới thiệu chung

PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa chọncấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ nguồn

với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển Tất cả các phần cứng Simatic S7-

1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt

Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8,16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chươngtrình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và

dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100 Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI/SCADA hay nối mạng PLC với PLC

2.2.2 Đặc điểm của PLC S7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200

So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, cácđầu vào/ra (DI/DO)

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal

- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm.

Bảng 1.1: Các đặc điểm cơ bản của S7-1200

Digital I/O

Analog I

6 Inputs/4Outputs

2 inputs

8 Inputs/6Outputs

2 inputs

14 Inputs/10Outputs

PROFINET 1 cổng giao tiếp ethernet

Tốc độ thực thi phép toán số

- Hình dạng bên ngoài (CPU 1214C)

Hình 2.1 Hình dạng bên ngoài của S7-1200 ( CPU 1214C)

CPU 1214C gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM)

Các đèn báo trên CPU 1214C:

- STOP/RUN (cam/xanh): CPU ngừng/đang thực hiện chương trình đã nạp vào bộ nhớ

- ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ralỗi

- MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không

- LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

- Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền.

2.2.4 : Cấu trúc bên trong PLC S7-1200

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử

lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập

Hình 2.2 : Cấu trúc bên trong của PLC S7-1200

- Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong

bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

- Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid,…

- Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

2.2.5 Đấu dây

Ở đây ta chọn CPU 1214C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay với tần số từ 47Hz÷63Hz cho PLC vàcác thông số điện áp được thể hiện ở (hinh 1.3)

Logic 1 signal (min): 15VDC/2.5mA

Logic 0 signal (max): 5VDC/1mA

Hình 2.3 : Sơ đồ đấu dây S7-1200 / CPU 1214C

Logic 1 signal (min): 15VDC/2.5mA

Logic 0 signal (max): 5VDC/1mA

2.2.6 Module mở rộng

Hình 2.4 : Hình dạng bên ngoài của các module mở rộng

Bảng 2.2: Thông số các module

2.2.7 Phương pháp lập trình điều khiển

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài Qua đó, ta thấy được ưu điểm của

phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng Do đó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm dẻo…

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

Hình 2.5 : Phương pháp lập trình điều khiển 2.2.8 Các ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200

a) Ngôn ngữ lập trình LAD

Hình 2.6 : Ví dụ về chương trình LAD

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các kí hiệucông tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logic nằm ngang Ở hình bên, logic điều khiển được biểu diễn bằng hai công tắc thường hở, một công tắc thường đóng và một ngõ

ra relay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder là lập tài liệu về

hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác

Các qui ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

- Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nối với đường này

- Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

- Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang được đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét

- Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít một ngõ ra

- Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng được trìnhbày ở trạng thái đóng

- Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một role đóng một hoặc nhiều thiết bị

- Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhà sản xuất qui định

b Ngôn ngữ lập trình FDB (Funtion Block Diagram)

Hình 2.7: Ví dụ về ngôn ngữ FDB

Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểm dùng các cổng logic (thường dùng theo ký tự của EU) Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp được thay thế bằng cổng AND, các tiếp điểm ghép song song được thay thế

bằng cổng OR, các tiếp điểm thường đóng thì có cổng NOT Phương pháp này thích hợp cho người dùng sử dụng kiến thức về điện tử mà đặc biệt là mạch số.

2.3 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic

2.3.1 Giới thiệu về phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic

TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện

Ban Tự động hóa Công nghiệp của Siemens vừa giới thiệu phần mềm tự động hóa đầu tiên trong công nghiệp sử dụng chung một môi trường, một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, gọi là Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống

tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựngứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ

Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm, tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 V11 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính

Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng dụng điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu của khách hàng trên toàn thế giới Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẽ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi,các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung

cơ sở dữ liệu TIA Portal

Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả” một biến của trong chương trình điều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm Phần mềmmới Simatic Step 7 V11, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1500, S7-1200, S7-

400, S7-300, S7-200 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinCC Simatic Step 7 V11 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng Simatic Step

7 V11 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA Portal Phần mềm mới Simatic WinCC V11, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA) Việc thiết lập, cấu hình cho các Sinamics biến tần cũng sẽ được tích hợp vào TIA Portal trong các phiên bản sau

2.3.2 Trình tự các bước thiết kế một chương trình điều khiển

Hình 2.8 : Sơ đồ thiết kế một chương trình điều khiển 2.3.3 Giao diện của phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC.

Hình 2.9: Giao diện chính của phần mềm

Để tạo một project mới ta thực hiện theo các bước sau: Từ giao diện chính của phầnmềm (hình 1.9), chọn Start / Create new project / Create / Create a PLC program / Main Lúc này vùng soạn thảo chương trình dưới dạng Ladder hiện ra (hình 1.10)

Hình 2.10: Giao diện soạn thảo chính

Các thanh công cụ thường dùng:

- Các phần tử lập trình thường dùng:Các lệnh logic:

Các lệnh timers:

Các lệnh Counter:

Các lệnh so sánh:

Các lệnh toán học:

Các lệnh chuyển đổi:

Các lệnh di chuyển:

a Nạp chương trình xuống PLC

Để nạp chương trình xuống PLC chúng ta thực hiện các bước sau: Thiết lập PLC:

Từ giao diện soạn thảo chính chọn Add new device / chọn loại PLC Sau đó chọn online access để lấy địa chỉ IP để kết nối PLC với máy tính

Chọn PLC ở chế độ STOP bằng cách từ menu chính chọn Online / STOP (hinh 1.11) hoặc click trái chuột lên biểu tượng trên thanh công cụ Lúc này trên giao diện xuất hiện hộp thoại thông báo xác nhận việc chọn PLC ở chế STOP, chọn yes

Từ menu chính chọn Online / download to device hoặc click trái chuột lên biểu tượng từ thanh công cụ để nạp chương trình xuống PLC.

Hình 2.11: Tạm dừng hoạt động của PLC

b Giao tiếp giữa máy tính và PLC

Do PLC có hỗ trợ sẳn dây cáp nối với máy tính nên ta chỉ cần nối PLC với máy tính

PC qua dây cáp:

Hình 2.12: Sơ đồ kết nối PLC với máy tính

2.4 Tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200

Các lệnh về bit

Công tắc

Công tắc thường hở (Normally Open, viết tắc là NO) và công tắc thường đóng (Normally Closed, viết tắc là NC) Đối với PLC, mỗi công tắc đại diện cho trạng thái mộtbit trong bộ nhớ dữ liệu hay vùng ảnh của các đầu vào, ra Công tắc thường hở (ON - nghĩa là cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 1, còn công tắc thường đóng (ON - nghĩa là không cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 0

Trong LAD, các lệnh này biểu diễn bằng chính các công tắc thường hở và thường đóng Trong FBD, các công tắc thường hở được biểu diễn như các đầu vào hoặc ra của các khối chức năng AND, OR hoặc XOR Công tắc thường đóng được biểu diễn them dấu đảo(vòng tròn nhỏ) ở đầu vào tương ứng

Hình 2.14: Mô tả lệnh

Funtion Block Diagram (FBD):

Hình 2.15: Mô tả lệnh

Lệnh đảo bit, lệnh sườn

Lệnh đảo thay đổi dòng năng lượng Nếu dòng năng lượng gặp lệnh này, nó sẽ bị chặn lại Ngược lại nếu phía trước lệnh này không có dòng năng lượng, nó sẽ trở thành nguồn cung cấp dòng năng lượng Trong LAD, lệnh này được biểu diễn như một công tắc Trong FBD, lệnh đảo không có biểu tượng riêng Nó được tích hợp như là đầu vào

của những khối chức năng khác(với một vòng tròn nhỏ ở đầu vào của các khối chức năngđó) Trong STL, lệnh này đảo giá trị của đỉnh ngăn xếp: 0 thành 1 và 1 thành 0 Lệnh nàykhông có toánhạng.

- RESET: Một khi điều kiện vào ON, hàm này sẽ giữ ở trạng thái OFF cho dù điều kiện vào có ON.

Hình 2.19: Mô tả lệnh

Bảng 2.3: Các thông số của lệnh

IN (hoặc nối với công tắc

hoặc cổng logic) Bool Bit vị trí được giám sát

SET_BF và RESET_BF: Set và Reset bit field

SET_BF: Khi điều kiện vào ON, hàm này sẽ giữ trạng thái ON với số bit(n) được đặt trước cho dù điều kiện vào có OFF

Hình 2.20: Mô tả lệnh

- RESET_BF: Khi điều kiện vào ON, hàm này sẽ giữ trạng thái OFF với số bit(n) được đặt trước cho dù điều kiện vào có ON

Bảng 2.4: Các thông số của lệnh

P và N (Set operand on positive signal edge/Set operand on negative signaledge)

Bảng 2.5: Thông số các lệnh

Các lệnh về timer

TON

Hình 2.22: Mô tả lệnh Bảng 2.6: Các thông số của lệnh

IN Bool Đầu vào cho phép timer

PT Timer Giá trị đặt trước cho timer

ET Timer Giá trị thời gian trôi qua ở đầu ra

Timer data DB Xác định bộ định thời để reset lại khi RT cho phép

Khi Q đang ON, ngõ vào IN xuống 0 thì Q sẽ OFF.

- Biểu đồ thời gian:

Hình 2.23: Biểu đồ thời gian

TOF

Hình 2.24: Mô tả lệnh

Bảng 2.7: Các thông số của lệnh

Thông số Dữ liêu Mô tả

IN Bool Đầu vào cho phép timer

PT Timer Giá trị đặt trước cho timer

ET Timer Giá trị thời gian trôi qua ở đầu ra

Timer data block DB Xác định bộ định thời để reset lại khi RT cho

phép

Khi ngõ vào IN lên 1 thì bit ET lên 1(ngõ ra Q sẽ ON)

Khi IN xuống 0, thời gian Timer bắt đầu tính, đủ thời gian đặt trước(PT) thì bit ET

sẽ OFF (Q sẽOFF).Khi IN xuống 0 chưa đủ thời gian đặt PT đã lên 1 thì bit ET vẫn giữ nguyên trạng thái.Khi IN lên 1,nếu sau thời thời gian đặt PT mà vẫn giữ nguyên trạng thái thì Q sẽ ON.Nếu IN=1 không đủ thời gian đặt PT thì bit ET sẽ không lên 1

- Biểu đồ thời gian:

Hình 2.25: Biểu đồ thời gian

TONR

Hình 2.26: Mô tả lệnh Bảng 2.8: Các thông số của lệnh

IN Bool Đầu vào cho phép timer

R Bool Thiết lập lại TONR khi thời gian trôi qua băng

0

PT Timer Giá trị đặt trước cho timer

ET Timer Giá trị thời gian trôi qua ở đầu ra

Timer data block DB Xác định bộ định thời để reset lại khi RT cho

phépNgõ vào IN có tác dụng kích thời gian cho Timer, khi ngõ vào IN=1 thời gian Timer được tính, khi IN=0 thời gian không bị reset về 0 Khi đủ thời gian thì bit ET sẽ lên 1 Thời gian Timer chỉ bị reset khi có tín hiệu Reset Timer(tín hiệu từ R)

- Biểu đồ thời gian:

Hình 2.27: Biểu đồ thờigian

Các lệnh đếm (counter)

- Đếm lên (CounterUp)

Hình 2.28: Mô tả lệnh Bảng 2.9: Các thông số của lệnh

CV SINT, INT, DINT, USINT,

UINT, UDINT Giá trị hiện tại

- Biểu đồ thời gian:

Hình 2.29: Biểu đồ thời gian

Mô tả:Mỗi lần có một sườn cạnh lên ở CU, giá trị bộ đếm được tăng lên 1 Khi giá trị hiện tại (CV: Current count value) lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt (PV:Preset value), ngõ

ra sẽ được bậc lên ON Khi chân Reset được kích giá trị hiện tại bộ đếm và ngõ ra Q được trả về 0

Bộ đếm ngưng đếm khi giá trị bộ đếm đạt giá trị tối đa là 32767

Đếm xuống (CounterDown)

Hình 2.30: Mô tả lệnh Bảng 2.10: Các thông số của lệnh

PV SINT, INT, DINT, USINT,

UINT, UDINT

Giá trị đặt trước cho counter

CV SINT, INT, DINT, USINT,

UINT, UDINT Giá trị hiện tại

- Biểu đồ thời gian:

Hình 2.31: Biểu đồ thờigian

Mô tả: Khi chân LOAD được kích(sườn lên) giá trì PV được nạp cho bộ đếm Mỗi lần có sườn cạnh lên ở chân CD, giá trị bộ đếm được giảm xuống 1 Khi giá trị hiện tại (CV) của bộ đếm nhỏ hơn hoặc bằng 0, ngõ ra sẽ được bật lên ON

Bộ đếm ngưng đếm khi giá trị bộ đếm đạt giá trị tối thiểu là - 32767

Đếm lên / xuống(Counter Up /Down)

Hình 2.32: Mô tả lệnh Bảng 2.11: Các thông số của lệnh

- Biểu đồ thời gian: