Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển mạng PLC S7-1200

Các vấn đề của giám sát, điều khiển, lưu trữ dữ liệu của một hệ thống sản xuất đều phụ thuộc vào các hệ thống truyền thông, từ những kết nối đơn giản từ máy này đến máy khác tới những kế



ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG PLC S7-1200

Cán bộ hướng dẫn: ThS BÙI THÚC MINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TÔ NY

Khóa 51

Khánh Hòa, 2013



ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG PLC S7-1200

Cán bộ hướng dẫn: ThS BÙI THÚC MINH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TÔ NY

Khóa 51(2009-2013)

Khánh Hòa, 2013

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên người nhận xét:

Tên đồ án: NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG PLC S7-1200

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tô Ny MSSV: 51131129

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy

Khóa: 51 (2009 - 2013)

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Chất lượng hình thức

2 Chất lượng nội dung

Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013

Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013

Thư ký Hội đồng Chủ tịch hội đồng

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Bằng số Bằng chữ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu, em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện

tử và toàn thể giảng viên trong trường đã hết lòng truyền thụ kiến thức quý giá và

bổ ích cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Và em cũng xin gởi lời cảm ơn đến thầy Ths.BÙI THÚC MINH, người đã

trực tiếp hướng dẫn tận tình em trong suốt thời gian làm đồ án Em xin chân thành

cảm ơn thầy

Cuối cùng em xin cảm ơn bố mẹ, bạn bè, những người thân xung quanh,

những người đã giúp đỡ em về mặt tinh thần cũng như vật chất để em hoàn thành

tốt đồ án này Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người

Nha trang, tháng 06, năm 2013

Sinh viên NGUYỄN TÔ NY

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đồ án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phạm vi nghiên cứu 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SIMATIC S7-1200 3

1.1 MỞ ĐẦU 3

1.2 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC S7 1200 4

1.2.1 Giới thiệu về PLC S7 1200 4

1.2.2 Giới thiệu các MODUNLE của S7-1200 5

1.2.3 Cấu trúc bộ nhớ CPU 9

1.3 PHẦN MỀM STEP 7 BASIC 10

1.3.1 Giới thiệu STEP 7 BASIC 10

1.3.2 Ngôn ngữ lập trình 11

1.3.3 Các bước thực hiện để viết một chương trình điều khiển 11

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE 16

2.1 GIỚI THIỆU 16

2.1.1 Win CC 16

2.1.2 WinCC Flexible 17

2.2 CÁC THÀNH PHẦN VÀ CHỨC NĂNG CƠ BẢN TRONG PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE 18

2.2.1 Screen 20

2.2.2 Communication 21

2.2.3 Alarm management 23

2.2.4 Script 23

2.2.5 Historical data 24

2.3 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MỘT DỰ ÁN KẾT NỐI WINCC FLEXIBLE VỚI S7-1200 25

Phần I: Tạo và Dowload một project trên TIA 25

Phần II: Kết nối Win CC Flexibel với S7-1200 27

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU MẠNG PLC S7 - 1200 34

3.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP [1] 34

3.1.1 Mở đầu 34

3.1.2 Cơ sở kỹ thuật của mạng truyền thông công nghiệp 35

3.2 KẾT NỐI MẠNG S7-1200 VỚI PROFINET 48

3.2.1 Khái niệm chung 49

3.2.2 Truyền thông với một thiết bị lập trình 50

3.2.2.1 Thành lập kết nối truyền thông phần cứng 50

3.2.2.2 Cấu hình các thiết bị 51

3.2.2.3 Gán các địa chỉ IP (Internet Protocol) 51

3.2.2.4 Kiểm tra mạng PROFINET 55

3.2.3 Truyền thông PLC với PLC 56

3.2.3.1 Cấu hình kết nối mạng logic giữa hai CPU 56

3.2.3.2 Cấu hình các thông số truyền (phát) và nhận 57

3.2.3.3 Cấu hình các thông số kế nối (Connection) 63

CHƯƠNG IV MÔ HÌNH PHA MÀU TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG MẠNG PLC S7-1200 65

4.1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 65

4.1.1 CPU S7-1200 1214 AC-DC-RELAY của SIEMEN 65

4.1.2 Khí cụ điện đóng cắt 65

4.1.3 RELAY trung gian 65

4.1.4 Vale điện từ 66

4.1.5 Biến áp 66

4.1.6 Động cơ trộn, động cơ băng tải 67

4.1.7 Cảm biến áp suất DP2-20 67

4.1.8 Máy bơm 68

4.2 SƠ ĐỒ ĐIỆN VÀ CÁC QUY ƯỚC TRONG MÔ HÌNH 68

4.2.1 Sơ đồ kết nối PLC 68

4.2.2 Mạch động lực 69

4.2.3 Yêu cầu trong pha màu 70

4.3 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH PHA MÀU DÙNG PLC S7-1200 71

4.3.1 Quy trình điều khiển 71

4.3.2 Quy định các ngõ vào/ra trên PLC 72

4.3.3 Mô hình pha màu tự động 74

4.4 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 79

4.5 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 81

4.5.1 Khởi động hệ thống trộn 81

4.5.2 Thực hiện quá trình 82

4.6 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 86

4.6.1 Chương trình trên PLC 1 (Xem phụ lục kèm theo) 86

4.6.2 Chương trình trên PLC 2 (Xem phụ lục kèm theo) 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

1 Kết luận 87

2 Kiến nghị 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 84

1 Chương trình trên PLC 1 84

2 Chương trình trên PLC 2 94

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình 3

Hình 1.2 Các bộ phận trên CPU S7-1200 4

Hình 1.3 Các Led trạng thái và bộ phận kết nối truyền thông của S7-1200 8

Hình 1.4 Cấu trúc của một chương trình 15

Hình 2.1 Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCANDA (Supervisory Control And Data Aquisition) 17

Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp 35

Hình 3.2 Truyền bit song song, tryền bit nối tiếp 36

Hình 3.4 Cấu trúc bus kiểu dasisy-chain 37

Hình 3.3 Truyền một chiều (simplex), hai chiều gián đoạn (hafl-duplex), hai chiều toàn phần……… 35

Hình 3.5 Cấu trúc bus kiểu trunk-line/drop line 38

Hình 3.6 Cấu trúc mạch vòng không tích cực 38

Hình 3.7 Cấu trúc mạch vòng không có điểu khiển trung tâm 39

Hình 3.8 Cấu trúc mạch vòng có điểu khiển trung tâm 39

Hình 3.9 Cấu trúc hình sao 40

Hình 3.10 Cấu trúc hình cây 40

Hình 3.11 Mô hình qui chiếu OSI 42

Hình 3.12 Phân loại các phương pháp truy cập bus 43

Hình 3.13 Phương pháp chủ tớ 43

Hình 3.14 Hai dạng của phương pháp Token passing 43

Hình 3.15 Minh họa phương pháp CSMA/CD 44

Hình 3.16: Minh họa phương pháp CSMA/CA 44

Hình 3.17 Mã hóa bit NRZ, RZ 45

Hình 3.18 Mã hóa bit Manchester 45

Hình 3.19 Mã hóa bit AFT 46

Hình 3.20 Mã hóa bit FSK 46

Hình 3.21 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng 46

Hình 3.22 Truyền dẫn bất đối xứng 47

Hình 3.23 Mô hình kết nối Repeater 47

Hình 3.24 Mô hình kết nối Gateway 48

Hình 3.25 Mức độ tự động hóa của Siemen 49

Hình 3.26 Kết nối CPU S7-1200 với thiết bị lập trình 50

Hình 3.27 Cổng PROFINET 50

Hình 4.1 Cầu dao điện 65

Hình 4.2 RELAY trung gian 66

Hình 4.3 Vale điện từ 66

Hình 4.4 Biến áp 67

Hình 4.5 Động cơ trộn và băng tải 67

Hình 4.6 Cảm biến áp suất DP2-20 68

Hình 4.7 Máy bơm 68

Hình 4.8 Quy trình điều khiển mô hình 71

Hình 4.9 Giao diện điều khiển mô hình pha màu tự động 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại CPU S7-1200 5

Bảng 1.2 Các Module xuất nhập tín hiệu số 6

Bảng 1.3 Các Module xuất nhập tín hiệu tương tự 8

Bảng 1.4 Các module truyền thông 8

Bảng 3.1 Các thông số của lệnh TSEND_C 58

Bảng 3.2 Các thông số của lênh TRCV_C 61

Bảng 3.3 Các giao thức truyền thông 63

Bảng 3.4 Các thông số của hệ thống 64

Bảng 4.1 Một số thành phần màu cơ bản dùng trong mô hình 71

Bảng 4.2 Các ngõ vào ra PLC 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PLC Programmable Logic Control

WINCC Window Control Center

SCADA Supervisory Conttrol And Data Acpuisition

TCP Transmission Control Protocol

ISO International Organization for Standardization

USB Univeral Serial Bus

DI/DO Data in/Data out

LAN Local Area Network

OSI Open System Interconnection

API Application Program Interface

IP Internet Protocol

TCP Transmission Control Protocol

OB Organisation blok

LAD Ladder logic

FBD Function block diagram

FB Funtion block

DB Data block

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đồ án

Trong những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC ngày càng được sử dụng rộng rải trong công nghiệp, là giải pháp lý tưởng trong việc tự động hóa các quá trình sản xuất

PLC đóng vai trò là trung tâm điều khiển, dễ dàng lập trình, cho phép nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, ứng dụng trong phạm vi rộng, chuẩn hóa được điều khiển, giá thành thấp và dễ dàng trong bảo trì sửa chữa, độ chính xác cao trong môi trường công nghiệp

Tuy có nhiều ưu điểm về điều khiển nhưng PLC không đáp ứng được về phương diện quản lí, thông tin và lưu trữ dữ liệu Vì vậy để đáp ứng những yêu cầu này PLC phải thực hiện truyền thông nối mạng ở nhiều cấp độ khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu vừa điều khiển vừa giám sát hệ thống

Sự liên lạc truyền thông giữa các thiết bị, máy móc sản xuất ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn, bởi vì nó giúp cho việc tích hợp các thành phần riêng

lẻ trong một hệ thống sản xuất thành một hệ thống hoàn chỉnh Các vấn đề của giám sát, điều khiển, lưu trữ dữ liệu của một hệ thống sản xuất đều phụ thuộc vào các hệ thống truyền thông, từ những kết nối đơn giản từ máy này đến máy khác tới những kết nối cục bộ và cả mạng diện rộng mà ở đó có tới hàng trăm máy móc thông minh phân bố ở các vị trí khác nhau có khoảng cách xa nhau được liên lạc với nhau qua một cổng thông tin chung

Với yêu cầu cần thiết trong thực tế và mong muốn được tìm hiểu sâu hơn về

hệ thống tự động hóa nên em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MẠNG PLC S7-1200” thực hiện đồ án tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển mạng PLC S7–1200

3 Phạm vi nghiên cứu

Nội dung thực hiện

 Giới thiệu thiết bị PLC S7-1200

 Phần mềm TIA PORTAL

 Giới thiệu mạng PLC S7-1200

 Giới thiệu phần mềm Win CC Flexible

 Thi công mô hình ứng dụng điều khiển mạng PLC S7-1200

4 Phương pháp ngiên cứu

 Tổng hợp các kiến thức về PLC và kiến thức về Bộ môn Điện-Điện tử đã được học

 Tìm hiểu tài liệu chuyên ngành về PLC S7-1200

 Kế thừa tài liệu, đồ án của các khóa trước

 Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, thầy (cô) bộ môn và những người có chuyên môn về PLC

5 Bố cục đồ án

Đồ án được thực hiện gồm những nội dung sau:

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU SIMATIC S7-1200

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU MẠNG PLC S7-1200

CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH PHA MÀU TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG MẠNG PLC S7-1200

Mặc dù đã nổ lực, cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đồ án nhưng do khiến thức và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót Kính mong sự góp ý của các thầy cô để đồ án được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU SIMATIC S7-1200

1.1 MỞ ĐẦU

PLC (Programmable Logic Control) [4] là thiết bị điều khiển lôgic khả trình,

là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, mà ta không cần phải thực hiện các thuật toán đó trên các mạch số Như vậy với việc có chương trình chứa trong mình, PLC đã thực sự là một

bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển đều được ghi trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như (khối OB, FB hoặc FC) Chương trình được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (Scan)

Để PLC có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có khối vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và phải có các cổng vào ra để trao đổi dữ liệu và giao tiếp với các đối tượng điều khiển

Hình 1.1 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình

Bên cạnh đó, nhằm phục vụ cho các bài toán điều khiển số, PLC phải có các

khối hàm chức năng như Time, Counter, và các hàm chức năng đặc biệt khác

1.2 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PLC S7 1200

1.2.1 Giới thiệu về PLC S7 1200

Năm 2009[2], 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 bộ vi xử lí (Microprocessor), một nguồn cung cấp

được tích hợp sẵn, các đầu 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 có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng

RS485 hoặc RS232

Hình 1.2 Các bộ phận trên CPU S7-1200

1.2.2 Giới thiệu các Module của S7-1200

 Module CPU: Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc

AC/DC/

Rly

Compact CPU 1211C, 25KB Integral PROGRAM / DATA MEMORY, 1MB loading memory; execution times for Boolean operations: 0.1µs; integral I/O: 6 digital inputs, 4 digital outputs, 2 analog inputs; expandable with up to 3 communication modules and 1 signal board; digital inputs as HSC with 100kHz, 24 DC digital outputs can be used as PTO or PWM with 100kHz

DC/DC/

Rly C

PU

1212C

1212 – CPU

AC/DC/

Rly

Compact CPU 1212C, 25KB Integral PROGRAM / DATA MEMORY, 1MB loading memory; execution times for boolean operations: 0.1µs; integral I/O: 8 digital inputs, 6 digital outputs, 2 analog inputs; expandable with up to 3 communication modules, 2 signal modules and 1 signal board; digital inputs can be used as HSC with 100kHz and 24 DC digital outputs as PTO

or PWM with 100kHz

1212 – CPU

DC/DC/

DC

1212 –

CPU

DC/DC/

Rly C

PU

1214C

be used as HSC with 100kHz and 24 DC Digital outputs as PTO or PWM with 100kHz

1214 CPU

DC/DC/

DC

1214 CPU

DC/DC/

Rly

 Module xuất nhập tín hiệu số

Bảng 1.2 Các Module xuất nhập tín hiệu số

SM

1223

8 x 24DC

inputs /

8 x

relay outputs

8 inputs, DC 24V, IEC type 1, current sinking; 8 relay outputs, DC 5

to 30V / AC 5 to 250V, 2A, 30 W DC /

200 W AC

outputs

16 transistor outputs, DC 24V, 0.5A, 5W

SM

1223

16 x 24V DC

inputs /

16 x

relay output

16 inputs, DC 24V, IEC type 1, current sinking; 16 relay outputs, DC 5

16 inputs, DC 24V, IEC type 1

 Module xuất nhập tín hiệu tương tự

Bảng 1.3 Các Module xuất nhập tín hiệu tương tự

4 analog inputs, ±10V, ±5

V, ±2.5 V, or 0 to 20 mA, 12 bits + sign; 2 analog outputs, ±10 V at

14 bits or 0 to 20 mA at 13 bits

SM

1231

4 x analog inputs

4 analog inputs ±10 V, ±5

V, ±2.5 V, or 0 to 20 mA 12 bits + sign

SM

1232

2 x analog outputs

2 analog outputs, ±10 V at

14 bits or 0 to 20 mA at 13 bits

 Module truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

- CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

- Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một

1.2.3 Cấu trúc bộ nhớ CPU

Bộ nhớ của S7-1200 tương tự như S7-300 được chia làm 3 vùng chính:

A Vùng chứa chương trình ứng dụng Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền

- OB (Organisation blok): Miền nhớ chương trình tổ chức

- FC (Funtion): Miền nhớ chương trình tổ chức thành hàm có biến hình thức

để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

- FB (Funtion blok): Miền nhớ chương trình con, được tổ chức thành hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này phải xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data blok)

B Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau

- I (Process image input): Miền các dữ liệu cổng vào số Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của các cổng đầu vào và cất giữ trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ nhớ I

- Q (Process image output): Miền bộ nhớ đệm các cổng ra số Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng

ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q

- M (Bit memory): Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bits (M), bytes (MB), từ (MW) hay từ kép (MD)

- T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV– Current value) cũng như giá trị logic thời gian của bộ thời gian

- C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước (PV – Preset value) giá trị đếm tức thời (CV – Current value) cũng như giá trị logic thời gian của bộ đếm

- PI: Miền địa chỉ cổng vào của các Module tương tự Các giá trị tương tự tại cổng vào của Module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng bytes (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID)

- PQ: Miền địa chỉ ra cho các module tương tự Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng bytes (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng

từ kép (PQD)

C Vùng chứa các khối lượng dữ liệu được chia thành 2 loại

- DB (Data blok): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định phù hợp với từng bài toán điều khiển Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bits (DBX), bytes (DBB), word (DBW) hoặc từ kép (DBD)

- L (Local data blok): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình

OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối lượng chương trình đã gọi nó Nội dung của một số

dữ liệu trong miền nhớ này bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB,

FC, FB Miền này có thể truy nhập từ chương trình theo bits (L), bytes (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD)

1.3 PHẦN MỀM STEP 7 BASIC

1.3.1 Giới thiệu STEP 7 BASIC

- Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho người dùng nhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứng dụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề án, như các thiết bị PLC hay HMI

- Chức năng chính của STEP 7 BASIC:

+ Khai báo cấu hình cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic 300/400/1200, HMI

S7-+ Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-300/400/1200, HMI cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng

+ Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoặc nhiều trạm + Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển trong một trạm PLC và

gỡ rối chương trình

Ngoài ra Step 7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp Online rất mạnh có khả năng trả lời mọi câu hỏi của người sử dụng về cách sử dụng Step 7, về cú pháp lệnh trong lập trình về xây dựng cấu hình cứng của một trạm, của một mạng gồm nhiều trạm PLC…

 Bước 1: Từ màn hình Desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V11

 Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án

 Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create

 Bước 4: Chọn Configure a device

 Bước 5: Chọn Add new device

 Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn Add

 Bước 7: Project mới được hiện ra

B Kỹ thuật lập trình

 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dụng của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào và ra tương

tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm

 Cấu trúc lập trình

Hình 1.4 Cấu trúc của một chương trình

 Khối tổ chức OB – OGANIZATION BLOCKS

- Organization blocks (OBs): Là giao diện giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng Chúng được gọi ra bởi hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình:

+ Xử lý chương trình theo quá trình

+ Báo động, kiểm soát xử lý chương trình

+ Xử lý lỗi

- Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB: Có thể chèn và lập trình các khối này trong các Project Không cần phải gán các thông số cho chúng và cũng không cần gọi chúng trong chương trình chính

- Process Alarm OB và Time Interrupt OB: Các khối OB này phải được tham

số hóa khi đưa vào chương trình Ngoài ra, quá trình báo động OB có thể được gán cho một sự kiện tại thời gian thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh ATTACH, hoặc tách biệt với lệnh DETACH

- Time Delay Interrupt OB: OB ngắt thời gian trễ có thể được đưa vào dự án

và lập trình Ngoài ra, chúng phải được gọi trong chương trình với lệnh SRT_DINT, tham số là không cần thiết

- Start Information: Khi một số OB được bắt đầu, hệ điều hành đọc ra thông tin được thẩm định trong chương trình người dùng, điều này rất hữu ích cho việc chẩn đoán lỗi, cho dù thông tin được đọc ra được cung cấp trong các mô tả của các khối OB

 Hàm chức năng – FUNCTION

- Funtions (FCs) là các khối mã không cần bộ nhớ Dữ liệu của các biến tạm thời bị mất sau khi FC được xử lý Các khối dữ liệu toàn cầu có thể được sử dụng

để lưu trữ dữ liệu FC

- Functions có thể được sử dụng với mục đích

+ Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi

+ Thực hiện công nghệ chức năng, ví dụ: Điều khiển riêng với các hoạt động nhị phân

+ Ngoài ra, FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Điều này tạo điều kiện cho lập trình chức năng lập đi lặp lại phức tạp

- Function Block (FB): Đối với mỗi lần gọi, FB cần một khu vực nhớ Khi một FB được gọi, một Data Block (DB) được gán với Instance DB Dữ liệu trong Instance DB sau đó truy cập vào các biến của FB Các khu vực bộ nhớ khác nhau đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần

- Data Block (DB): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu Có hai loại của khối dữ liệu DB: Global DB nơi mà tất cả các OB, FB và FC có thể đọc được dữ liệu lưu trữ, hoặc có thể tự mình ghi dữ liệu vào DB, và instance DB được gán cho một FB nhất định

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE

2.1 GIỚI THIỆU

2.1.1 WinCC

Thông thường một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) yêu cầu một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển

(Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu Phần

mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng cho mục đích này

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển

chạy trên nền Windows), nói cách khác nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết

lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như

Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản

phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng

SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu

WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động

hóa quá trình và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát triển

phần mềm cho PC

Hình 2.1 Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCANDA (Supervisory

Control And Data Aquisition)

2.1.2 WinCC Flexible

Phần mềm WinCC Flexible là phần mềm chuyên dụng để thiết kế các hệ

thống HMI trong tự động hóa công nghiệp của hãng SIEMENS

Chức năng cơ bản của WinCC Flexible là:

 Thiết kế và lập trình hệ thống tự động hóa, quá trình điều khiển giám sát

quy trình sản xuất

 Mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình hoạt động một cách trực quan giúp hệ thống dễ kiểm tra và sửa chữa

 Ngoài ra WinCC Flexible còn cung cấp nhiều chức năng khác như: hiển thị các thông báo hay báo cáo trong quá trình bằng số liệu hay đồ họa, xử lí thông tin đo lường, các bảng ghi báo cáo…

WinCC flexible cho phép người sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều hành Ngoài ra, còn có thể kết hợp WinCC flexible và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hay Visual Bacis để tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh

vi, gắn riêng với cấu hình cụ thể nào đó Do có tính chất mở và thường xuyên được cập nhật, phát triển nên WinCC Flexible 2008 có thể lập trình cho các hệ thống HMI mới nhất trên thị trường

WinCC Flexible có thể tạo giao diện người - máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết bị điều khiển (PLC, CNC…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ, hay các câu chữ mang tính trực quan Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các thông số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ của hệ thống tự động qua màn hình máy tính hoặc Panel màn hình cảm ứng mà không cần trực tiếp với phần cứng của hệ thống Giao diện HMI cũng có thể giúp người vận hành giám sát quá trình sản xuất một cách dễ dàng và nhanh chóng, báo động hệ thống khi có sự cố

Từ máy tính trung tâm, có thể điều khiển sự hoạt động toàn bộ dây chuyền sản xuất được lập trình trên WinCC Flexible Dựa trên HMI có thể giám sát tất cả các dữ liệu vào/ra (I/O) một cách chính xác

Do đó WinCC Flexible là phần mềm thiết kế giao diện HMI cần thiết không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa phức tạp và hiện đại

2.2 CÁC THÀNH PHẦN VÀ CHỨC NĂNG CƠ BẢN TRONG PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE

Cửa sổ chính của phần mềm (Control Center) chứa tất cả các chức năng cho toàn hệ thống, trong cửa sổ này có thể đặt cấu hình và khởi động chức năng Runtime (mô phỏng hệ thống thời gian thực)

Nhiệm vụ của Control Center:

 Thiết lập cấu hình toàn cục cho hệ thống

 Quản lý các dự án (Projects) như: Tạo mới, lưu, mở dự án có sẵn Có khả năng nối mạng và soạn thảo cho nhiều người sử dụng trong một dự án

 Thiết lập cấu hình cho các chức năng định vị đặc biệt

 Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hình

 Chuyển giữa chế độ thiết kế cấu hình và Runtime

 Kiểm tra chế độ mô phỏng, trợ giúp thao tác để đặt cấu hình dữ liệu gồm: Biên dịch hình vẽ, mô phỏng Tag, hiển thị trạng thái và thiết lập báo cáo

 Báo cáo trạng thái hệ thống

 Tạo và soạn thảo các dữ liệu giữa các phần mềm đan chéo có liên quan Các thành phần cơ bản của Control Center

WinCC Engineering System: Là thành phần cơ bản và quan trọng nhất có nhiệm vụ thiết kế và lập trình một hệ thống HMI

2.2.1 Screen

Tạo và kết nối quá trình bằng hình vẽ, đồ thị

Bao gồm cửa sổ để thiết kế hệ thống

Thanh công cụ Tools: Chứa tất cả công cụ để vẽ một hệ thống tự động

2.2.2 Communication

Kết nối và xử lý dữ liệu của quá trình Một kết nối logic mô tả giao diện giữa

hệ thống tự động và quản lý dữ liệu trong WinCC flexible Quản lý dữ liệu của máy tính đảm trách việc cung cấp các Tags (biến) với các giá trị quá trình khi Runtime

Biến (Tags): Là phần tử trung tâm để truy nhập các giá trị của quá trình Trong một dự án, chúng nhận một tên và một kiểu dữ liệu duy nhất Kết nối logic

được gán với biến của WinCC flexible Kết nối này xác định rằng kênh nào sẽ

chuyển giao giá trị quá trình cho các biến

Các biến được lưu trữ trong cơ sỡ dữ liệu toàn dự án Khi một chế độ của

WinCC flexible được khởi động, tất cả các biến trong một dự án được nạp và các

cấu trúc của chế độ Runtime tương ứng được thiết lập Mỗi biến được lưu trữ trong

quản lý dữ liệu theo các kiểu dữ liệu chuẩn như sau:

 Biến nội: Các biến nội không có địa chỉ trong hệ thống PLC, do đó quản

lý dữ liệu bên trong WinCC flexible sẽ cung cấp cho toàn bộ mạng hệ thống

(Network) Các lớp biến nội được dùng lưu trữ thông tin tổng quát như: Ngày giờ

hiện hành, lớp hiện hành, cập nhật liên tục Hơn nữa các biến nội cho phép trao đổi

dữ liệu giữa các ứng dụng để thực hiện việc truyền thông cho quá trình theo cách

tập trung và tối ưu

 Biến quá trình: Trong hệ thống WinCC flexible, biến ngoài cũng có thể

hiểu là biến quá trình Các biến quá trình được liên kết với truyền thông logic để

phản ánh thông tin về địa chỉ của hệ thống PLC khác nhau Các biến ngoài chứa

tổng quát thông tin về tên, kiểu, các giá trị giới hạn và một mục chuyên biệt về kết

nối mà cách diển tả phụ thuộc kết logic Quản lý dữ liệu luôn cung cấp những mục

đặc biệt của quá trình cho các ứng dụng trong một dự án

Các kiểu dữ liệu:

Biến phải gán vào một trong các kiểu dữ liệu sao cho mỗi biến được định cấu

hình Việc gán kiểu dữ liệu cho biến được thực hiện trong khi tạo một biến mới

Kiểu dữ liệu của một biến độc lập với kiểu biến (Biến nội hay biến quá

trình) Các kiểu dữ liệu (Data Types) có trong WinCC flexible:

 Kiểu số nguyên: Int, Word, Dword, Byte, Sint, Dint, USInt, Uint

 Kiểu số thực: Real, LReal

 Kiểu chuỗi: String

 Kiểu ngày, giờ: Time

 Kiểu Logic: Boolean

 Kiểu ký tự: Char

2.2.3 Alarm management

Alarm managementtrong WinCC flexible có các đặc tính như sau

 Cung cấp các thông tin về lỗi và trạng thái hoạt động toàn diện, cho phép sớm nhận ra các tình trạng vận hành của thiết bị, tránh và giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu quả vận hành và chất lượng sản phẩm ngày càng tăng

 Cung cấp các số liệu cần thiết cho nhu cầu lưu trữ và kiểm tra về sau

2.2.4 Script

Tập lệnh trong WinCC flexible Trong WinCC flexible ta có thể lập trình những hàm tùy ý hay những lệnh không được hỗ trợ bởi WinCC flexible Những hàm này được viết trên nền ngôn ngữ C

2.3 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MỘT DỰ ÁN KẾT NỐI WINCC FLEXIBLE

VỚI S7-1200

 Phần I: Tạo và Download một project trên TIA

 Bước 1: Tạo 1 project trong TIA V11

 Bước 2: Trong mục Devices & networks, chọn Add device, chọn PLC

1214C AC/DC/Rly, chọn Add

 Bước 3: Mở khối OB1 trong phần Program Blocks và viết 1 chương trình ví dụ

 Bước 4: Nhấp chọn vào dòng chữ PLC_1 (CPU 1214C AC/DC/Rly), rồi chọn Download chương trình vào PLC

 Bước 5: Chọn PN/IE là chuẩn truyền thông của Profinet để download cho con S7-1200 (bắt buộc) Còn phần PG/PC Interface là card mạng của mỗi máy (có thể khác nhau phần này) Sau khi dò ra PLC chỉ cần Load vào đến khi Finish là xong chương trình bên PLC

 Phần II: Kết nối Win CC Flexibel với S7-1200

 Bước 6: Mở phần mềm Win CC Flexibel: Click vào biểu tượng SIMATIC Win CC Flexible trên màn hình

 Bước 7: Click tạo một project

Một cửa sổ có tên Devide selection xuất hiện, đây là cửa sổ cho phép ta chọn loại màn hình HMI sử dụng, nếu quan sát trên máy tính thì chọn PC/ Wincc Flexible Runtime Click OK