Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển thiết bị qua mạng Intenet

GIỚI THIỆU CHUNG PLC Programmable Logic Control là thiết bị có thể lập trình được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lí từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA MẠNG INTERNET

Cán bộ hướng dẫn : ThS BÙI THÚC MINH Sinh viên thực hiện : BÙI GIA KHÁNH

Khóa 51

Khánh Hòa, 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA MẠNG INTERNET

Cán bộ hướng dẫn : ThS BÙI THÚC MINH Sinh viên thực hiện : BÙI GIA KHÁNH

Khóa 51 (2009 -2013)

Khánh Hòa, 2013

i

LỜI CẢM ƠN

Trải qua bốn năm học đại học đầy căng thẳng và thú vị, tôi và các bạn trong lớp 51DDT đã được các thầy cô trong bộ môn cũng như toàn thể giảng viên trong toàn trường truyền thụ những kiến thức thật quý giá và bổ ích cho tất cả chúng em Vì vậy lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn toàn bộ những giảng viên đã truyền đạt kiến thức cho chúng em trong những năm qua

Tiếp theo em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Bùi Thúc Minh, người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy

Em cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè Những người đã giúp đỡ về mặt tinh thần cũng như vật chất rất nhiều để em có thể hoàn thành tốt đồ án này Xin chân thành cảm ơn mọi người

Nha Trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên Bùi Gia Khánh

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MUC BẢNG BIỂU xi

BẢNG VIẾT TẮT xii

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH xiii

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PLC SIMATIC S7-1200 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.2 ĐẶC ĐIỂM BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 3

1.3 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 4

1.3.1 Tổng quan về PLC S7-1200 4

1.3.2 Các bảng tín hiệu 7

1.3.3 Các module tín hiệu 8

1.3.4 Các module truyền thông 8

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL 9

2.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL 9

2.1.1 Tạo ra cấu hình của thiết bị, thêm một thiết bị vào đề án 10

2.1.1.1 Thêm thiết bị mới vào đề án 10

2.1.1.2 Nhận biết cấu hình của một CPU chưa xác định 12

2.1.2 Cấu hình sự hoạt động của CPU 13

2.1.3 Thêm các module vào cấu hình 14

2.1.4 Cấu hình một địa chỉ IP trong đề án 15

2.1.4.1 Gán một địa chỉ IP trực tuyến 16

iii

2.1.4.2 Cấu hình giao diện PROFINET 18

2.1.5 Bảo vệ bằng mật khẩu cho CPU S7-1200 19

2.1.6 Tải chương trình xuống CPU 20

2.1.7 Giám sát và thực hiện chương trình 22

2.2 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH 23

2.2.1 Vòng quét chương trình 23

2.2.2 Khối tổ chức OB – OGANIZATION BLOCKS 24

2.2.3 Hàm chức năng – FUNCTION 25

2.3 TẬP LỆNH LẬP TRÌNH 26

2.3.1 Bit logic 26

2.3.2 Sử dụng bộ Timer 27

2.3.3 Sử dụng bộ Counter 28

2.3.4 So sánh 29

2.3.5 Toán học 29

2.3.6 Di chuyển MOVE 30

2.3.7 Các lệnh định tỷ lệ và chuẩn hóa 31

2.3.8 Các lệnh đếm thời gian 32

2.3.9 Lệnh toán tử word logic 33

CHƯƠNG 3 WEB SERVER 34

3.1 TRANG WEB CHUẨN 34

3.1.1 Kích hoạt Web server 34

3.1.2 Truy cập trang web chuẩn 34

3.1.3 Chức năng phân quyền sử dụng 35

3.1.4 Trang Introduction 35

3.1.5 Trang Start page 36

3.1.6 Trang Identification 36

3.1.7 Trang Diagnostic Buffer 37

3.1.8 Trang Module Information 37

3.1.9 Trang Communication 38

3.1.10 Trang Variable Status 39

iv

3.1.11 Trang Data Logs 39

3.1.12 User-defined web pages 40

3.1.13 Một số hạn chế ảnh hưởng đến web server 40

3.2 TRANG WEB TỰ XÂY DỰNG 41

3.2.1 Cách tạo một trang HTML 41

3.2.2 Các lệnh AWP hỗ trợ cho Web server S7-1200 42

3.2.3 Cấu trúc chung 42

3.2.4 Các lệnh AWP 42

3.2.4.1 Đọc biến từ PLC 42

3.2.4.2 Ghi biến xuống PLC 43

3.2.4.3 Đọc các biến đặc biệt 44

3.2.4.4 Ghi các biến đặc biệt 45

3.2.4.5 Sử dụng bí danh cho các biến tham khảo 46

3.2.4.6 Xác định loại enum 47

3.2.5 Cấu hình các trang web chúng ta tự định nghĩa 47

3.2.6 Lập trình để kích hoạt trang web chúng ta tự định nghĩa: 48

3.3 TRUY CẬP WEB SERVER 49

3.3.1 Truy cập Web Server trên mạng LAN 49

3.3.2 Truy suất Web Server trên mạng WAN 49

3.4 THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG WEB SERVER ĐIỀU KHIỂN PLC 50

3.4.1 Thực nghiệm sử dụng Web Server điều khiển PLC bằng mạng Internet 50

3.4.1.1 Kết nối các thiết bị xây dựng hệ thống liên kết của ví dụ 50

3.4.1.2 Thực hiện các thao tác cài đặt IP PLC vào Router ADSL 52

3.4.1.3 Thao tác truy cập Web Server từ mạng Internet 54

3.4.2 Thực hiện tao tác điều khiển PLC 56

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY PHA MÀU TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 59

4.1 LÝ DO CHỌN MÔ HÌNH 59

4.2 HƯỚNG THỰC HIỆN MÔ HÌNH 59

4.3 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 60

v

4.3.1 PLC Simatic S7-1200 60

4.3.2 Khí cụ điện CB 60

4.3.3 Relay trung gian 60

4.3.4 Van điện từ 61

4.3.5 Bơm nguyên liệu 61

4.3.6 Bộ nguồn 62

4.3.7 Động cơ DC 62

4.3.8 Cảm biến áp suất 63

4.3.9 Công tắc hành trình 63

4.4 SƠ ĐỒ ĐIỆN VÀ CÁC QUY ƯỚC TRONG MÔ HÌNH 64

4.4.1 Sơ đồ kết nối PLC 64

4.4.2 Mạch động lực 64

4.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT PHƯƠNG PHÁP PHA MÀU SƠN 65

4.6 ĐIỀU KHIỂN MÁY PHA MÀU TỰ ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI 66

4.6.1 Quy trình xử lý điều khiển 66

4.6.2 Quy định địa chỉ vào ra trong PLC 67

4.6.3 Mô hình hệ thống pha màu tự động và phân loại 67

4.6.3.1 Các bồn chứa màu cơ bản 68

4.6.3.1 Bơm và các van xả của các màu cơ bản 68

4.6.3.2 Bồn định lượng 69

4.6.3.3 Cảm biến áp suất và van xả bồn định lượng 69

4.6.3.4 Bồn trộn, động cơ trộn và van xả bồn trộn 69

4.6.3.5 Băng tải chính và thùng đựng sơn thành phẩm 70

4.6.3.6 Băng tải phụ và cần gạt phân loại 70

4.6.3.8 Tủ điện 70

4.7 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN WEB SERVER CỦA PLC 71

4.7.1 Giao diện đăng nhập Web Server 71

4.7.2 Giao diện điều khiển tự tạo 72

4.7.2.1 Trang "Màn hình điều khiển" 72

4.7.2.2 Trang "Màn hình giám sát" 74

vi

4.7.2.3 Mã lập trình WEB 75

4.8 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 75

4.8.1 Cho phép hệ thống hoạt động 75

4.8.2 Chọn màu 1; màu 2; màu 3 và phân loại 75

4.8.3 Chọn màu 4; màu 5; màu 6 và phân loại 75

4.8.4 Phân loại sản phẩm theo dung tích 75

4.9.1 Chương trình chính 80

4.9.2 Chương trình con chọn màu 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Thành phần PLC S7-1200 5

Hình 1 2 Các bảng tín hiệu của PLC S7-1200 7

Hình 1 3 Các module tín hiệu của PLC S7-1200 8

Hình 1 4 Các module truyền thông của PLC S7-1200 8

Hình 2 1 Kết cấu làm việc với TIA 9

Hình 2 2 Thêm thiết bị mới vào đề án kiểu Portal 10

Hình 2 3 Thêm thiết bị mới vào đề án kiểu Project 10

Hình 2 4 Hộp thoại "Add New Device" 10

Hình 2 5 Device view của cấu hình phần cứng 11

Hình 2 6 Thuộc tính cài đặt IP PLC 11

Hình 2 7 Lệnh “Hardware detection” trong mục “Online” 12

Hình 2 8 Cấu hình của thiết bị được kết nối 12

Hình 2 9 Lựa chọn thiết bị được tìm thấy 13

Hình 2 10 Các mục trong thẻ “Properties” 13

Hình 2 11 Kiểm tra PLC không có IP 16

Hình 2 12 Online & diagnostics PLC 16

Hình 2 13 Hộp thoại “Online & diagnostics" 17

Hình 2 14 Nhập IP của PLC 17

Hình 2 15 Kiểm chứng lại IP PLC 17

Hình 2 16 Cổng Profinet của PLC S7-1200 18

Hình 2 17 Bảng cấu hình cài đặt IP cho PLC S7-1200 trên TIA Portal 18

Hình 2 18 Cài đặt mật khẩu PLC 19

Hình 2 19 Tải chương trình xuống PLC 20

Hình 2 20 Hiển thị các kết nối với PLC 21

Hình 2 21 Kết thúc qua trình tải xuống 21

Hình 2 22 Giám sát chương trình qua Monitor 22

Hình 2 23 Giám sát chương trình qua Go online 22

Hình 2 24 Bật giám sát chương trình Monitor 22

Hình 2 25 Cấu trúc lập trình 23

viii

Hình 2 26 Tạo khối mã trong TIA Portal 24

Hình 2 27 Chèn các OB vào chương trình 24

Hình 2 28 Lệnh định tỷ lệ 31

Hình 2 29 Lệnh Write System Time 32

Hình 2 30 Lệnh Read System Time 33

Hình 3 1 Giao diện Web chuẩn 34

Hình 3 2 Hình Logging in 35

Hình 3 3 Hình Logging out 35

Hình 3 4 Giao diện Web chuẩn 35

Hình 3 5 Giao diện trang bắt đầu 36

Hình 3 6 Giao diện Identification 36

Hình 3 7 Giao diện Diagnostic Buffer 37

Hình 3 8 Giao diện Module Information 37

Hình 3 9 Giao diện Parameter 38

Hình 3 10 Giao diện Statistics 38

Hình 3 11 Giao diện Variable Status 39

Hình 3 12 Giao diện Data Logs 39

Hình 3 13 Giao diện User-defined web pages 40

Hình 3 14 Sơ đồ thể hiện tổng quát cách nhúng User-defined web 41

Hình 3 15 Input Target Level 43

Hình 3 16 Submit setting 44

Hình 3 17 Giao diện để cấu hình cho Web server 47

Hình 3 18 Khối lệnh WWW 48

Hình 3 19 Chương trình minh họa WWW 48

Hình 3 20 Sơ đồ liên kết trong mạng LAN 49

Hình 3 21 Sơ đồ liên kết trong mạng WAN 50

Hình 3 22 Các thiết bị kết nối của Ví dụ 51

Hình 3 23 Các thiết bị kết nối máy tính với PLC 51

Hình 3 24 Cài đặt giá trị IP của PLC 52

Hình 3 25 Đăng nhập vào cài đặt của Router 52

ix

Hình 3 26 Công cụ NAT trong Advanced Setup 53

Hình 3 27 Thông số cài đặt của NAT 53

Hình 3 28 Kiểm tra Port và IP tĩnh Router 54

Hình 3 29 Máy tính truy cập sử dụng Internet 3G 54

Hình 3 30 Web Server PLC S7-1200 hiện lên trên Internet 55

Hình 3 31 Đăng nhập vào Web Server 55

Hình 3 32 Trang chúng ta điều khiển 56

Hình 3 33 Đèn đã đƣợc bật thông qua điều khiển từ Internet 56

Hình 3 34 Đèn đã đƣợc tắt thông qua điều khiển từ Internet 57

Hình 3 35 Nhập giá trị vào PLC 57

Hình 3 36 Tải giá trị xuống PLC thành công 58

Hình 4 1 PLC S7-1200 60

Hình 4 2 Khí cụ điện CB 60

Hình 4 3 Relay trung gian 60

Hình 4 4 Van điện từ 61

Hình 4 5 Động cơ bơm sơn 61

Hình 4 6 Nguồn biến áp 62

Hình 4 7 Động cơ DC 62

Hình 4 8 Cảm biến áp suất 63

Hình 4 9 Công tắc hành trình 63

Hình 4 10 Sơ đồ kết nối PLC 64

Hình 4 11 Sơ đồ mạch động lực 64

Hình 4 12 Quy trình xử lý điều khiển 66

Hình 4 13 Mô hình Hệ thống pha màu tự động và phân loại 68

Hình 4 14 Các bồn chứa màu cơ bản 68

Hình 4 15 Bơm và các Van xả màu cơ bản 68

Hình 4 16 Bồn đinh lƣợng sơn đang pha 69

Hình 4 17 Cảm biến áp suất và Van xả bồn định lƣợng 69

Hình 4 18 Bồn trộn, động cơ trộn và Van xả trộn 69

Hình 4 19 Băng tải chính và thùng đựng sơn thành phẩm 70

x

Hình 4 20 Băng tải phụ và Cần gạt phân loại 70

Hình 4 21 Tủ điện của mô hình 70

Hình 4 22 Giao diện Web Server 71

Hình 4 23 Đăng nhập Web Server 71

Hình 4 24 Trang "Màn hình điều khiển" 72

Hình 4 25 Trang "Màn hình giám sát" 74

Hình 4 26 Bản vẻ Autocad 76

Hình 4 27 Bản vẻ Autocad 77

Hình 4 28 Bản vẻ Autocad 78

Hình 4 29 Bản vẻ Autocad 79

xi

DANH MUC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật các loại CPU 6

Bảng 1 2 Danh sách Modul hỗ trợ PLC 7

Bảng 2 1 Kết Module vào PLC 15

Bảng 2 2 Các cấp độ bảo mật PLC 20

Bảng 2 3 Tập lệnh Bit logic 26

Bảng 2 4 Các tập lệnh Timer 27

Bảng 2 5 Các lệnh Counter 28

Bảng 2 6 Các lệnh so sánh 29

Bảng 2 7 Các lệnh toán học 29

Bảng 2 8 Các lệnh di chuyển MOVE 30

Bảng 2 9 Bảng dữ liệu nhập hàm SCALE_X và NORM_X 31

Bảng 2 10 Kiểu dữ liệu DTL 32

Bảng 2 11 Thông số của lệnh Write System Time 32

Bảng 2 12 Thông số của lệnh Read System Time 33

Bảng 2 13 Các lệnh toán tử word logic 33

Bảng 3 1 Các tham số của biến Varname để đọc biến từ PLC 42

Bảng 3 2 Các tham số của Varname để ghi xuống 43

Bảng 3 3 Các tham số đọc các biến đặc biệt 44

Bảng 3 4 Các tham số ghi các biến đặc biệt 45

Bảng 3 5 Các tham số đọc các biến tham khảo 46

Bảng 3 6 Các tham số xác định loại enum 47

Bảng 4 1 Địa chỉ mạch động lực và sơ đồ kết nối PLC 65

Bảng 4 2 Thông số tỷ lệ màu pha [3] 65

Bảng 4 3 Bảng phân địa chỉ vào và ra PLC 67

xii

BẢNG VIẾT TẮT

PLC Programmable Logic Controller: Thiết bị điều khiển tự động

TIA Portal Totally Integrated Automation Portal: Phần mềm tự động hóa tích hợp LAD Ladder Diagram: ngôn ngữ lập trình trực quan

FBD Function Block Diagram: ngôn ngữ lập trình logic

HMI Human Machine Interface: Màn hình giao tiếp người dùng

DI Digital Input: đầu vào số

DO Digital Output: đầu ra số

AI Analog Input: đầu vào tương tự

TCP Transport Control Protocol: giao thức truyền thông mạng

JavaScript Ngôn ngữ lập tình Java

Html Ngôn ngữ lập trình Web cơ bản

NAT Network Address Translation: Chuyển đổi địa chỉ IP

IP Internet Protocol: giao thức liên mạng

OB Organization blocks

FC Functions: hàm chức năng

FB Functions Block: khối chức năng

DB Data Block: khối dữ liệu

HSC Bộ đếm tốc độ cao

PTO Máy phát xung

PWM Bộ điều chế độ rộng xung

xiii

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH

Màn hình hiển thị thông số Parameter display

Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện thay thế các hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC đã trở nên hoàn thiện và đa năng hơn Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển,

mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự Các PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

PLC có nhiều ưu điểm về điều kh iển, phương diện quản lý , kết nối thống nhất giữa các thiết bị trong mạng truyền thông với nhau Nhưng môi trường số hóa hiện nay đòi hỏi có thể kiểm soát điều khiển công việc từ xa mọi lúc mọi nơi Vì vậy để đáp ứng nhu cầu này cần dùng đến mạng truyền thông khổng lồ Internet và công cụ Web để có thể kiểm soát và điều khiển hoạt động của PLC

Sự liên lạc thống nhất giữa các thiết bị trong hệ thống hoạt động với nhau và với trung tâm điều hành tại chỗ và từ xa là vô cùng cần thiết , đó là thế mạnh của các thiết bị điều khiển công nghiệp thế hệ mới Tất cả có thể xây dựng và hoàn thiện nhờ vào mạng Internet và WEB

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen và tìm hiểu việc điều

khiển hệ thống dùng PLC và mạng Internet! Nên em chọn đề tài: Nghiên cứu, ứng

dụng PLC S7-1200 điều khiển thiết bị qua mạng internet

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu về PLC Simatic S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-1200

Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA Portal dùng để lập trình cho họ PLC Simatic S7-1200

2

Tìm hiểu xây dựng giao diện điều khiển Web Server để điều khiển PLC

S7-1200 thông quang mạng Internet

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu phần mềm lập trình điều khiển TIA Portal và các tập lệnh để xây dựng điều khiển Web Server

Viết chương trình điều khiển mô hình thông qua Web Server và mạng Internet Phạm vi nghiên cứu

Xây dựng giao diện điều khiển mô hình thông qua Web Server của Siemens và mạng Internet

Tìm hiểu tổng quan về mô hình và các giao thức kết nối PLC với mạng Internet

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu tài liệu

Sử dụng kết quả thực nghiệm

Vận dụng, kế thừa tài liệu tham khảo, Đồ án của các khóa trước

Tham khảo các ý kiến góp ý

5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN

Đồ án được thực hiện với các nội dung chủ yếu sau:

Chương 1: Giới thiệu về PLC Simatic S7-1200

Chương 2: Giới thiệu về phần mềm TIA Portal

Chương 3: Web Server và mạng Internet

Chương 4: Thi công mô hình

Mặc dù đã nỗ lực cố gắng trong quá trình thực hiện đồ án nhưng do kiến thức

và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót nhất định Kính mong được sự

góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn chỉnh hơn

3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PLC SIMATIC S7-1200

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị có thể lập trình được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lí từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó PLC bật ON, OFF hoặc phát ra một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC

Như vậy nếu thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là có thể thực hiện các chức năng khác nhau trong các môi trường điều khiển khác nhau Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Pesto, Alan Bradley, Shneider Hitachi, … Mặt khác PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị

mở rộng khác như: Các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết

bị hiển thị, các bộ vào [7]

1.2 ĐẶC ĐIỂM BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình được (programmable control systems) hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động Trong bối cảnh đó, bộ điểu khiển lập trình (PLC – Programmable Logic Controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ-

le và thiết bị rời cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thời, đếm, … làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất

Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ngõ vào được đưa về

từ quá trình điều khiển, thực hiện các thao tác logic được lập trong chương trình và đưa ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị tương ứng, với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có

4

công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, mà không cần

có các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, khi dùng PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn cần phải có mạch điện tử công suất trung gian gắn thêm vào Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng ta còn có

ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thông”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

Khả năng kháng nhiễu tốt

Cấu trúc dạng Modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm Modul

mở rộng vào/ ra) và thêm chức năng (nối thêm Modul chuyên dùng)

Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng Ladder, Instruction và Funtion Chart, dễ hiểu

và dể sử dụng

Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng rộng rãi trong việc điểu khiển các máy móc công nghiệp và trong điền khiển quá trình (Process – control)

1.3 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200

1.3.1 Tổng quan về PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh

để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-

1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau [1]

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm

Cấu tạo của PLC S7-1200

Hình 1 1 Thành phần PLC S7-1200 (1) Bộ phận kết nối nguồn

(2) Các bộ phận kết nối nối dây có thể tháo được và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới nắp phía trên

(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

(4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

6

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho chúng ta tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau

Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật các loại CPU

Kiểu số

Kiểu tương tự

6 ngõ vào / 4 ngõ ra

2 ngõ ra

8 ngõ vào / 6 ngõ ra

2 ngõ ra

14 ngõ vào /

10 ngõ ra

2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

7

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để

mở rộng dung lượng của CPU Có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

Bảng 1 2 Danh sách Modul hỗ trợ PLC Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

1.3.2 Các bảng tín hiệu

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép chúng ta thêm vào I/O cho CPU Chúng ta có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của CPU

 SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)

 SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

(1) Các LED trạng thái trên SB

(2) Bộ phận kết nối nối dây có thể tháo ra

Hình 1 2 Các bảng tín hiệu của PLC S7-1200

Hình 1 3 Các module tín hiệu của PLC S7-1200

1.3.4 Các 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 CM khác)

Hình 1 4 Các module truyền thông của PLC S7-1200 (1) Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

(2) Bộ phận kết nối truyền thông

9

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL

2.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL [1]

Phần mềm TIA Portal cung cấp một môi trường thân thiện cho chúng ta 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

TIA Portal cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc phát triển chương trình điều khiển đối với ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết bị HMI trong đề án

Để cài đặt TIA Portal, cần đưa đĩa CD vào trong ổ CD-ROM của máy tính Trình cài đặt sẽ khởi động một cách tự động và nhắc trong suốt quá trình cài đặt

(3) Cổng Ethernet của CPU

(4) Bảng tín hiệu (SB): Tối đa là 1, được chèn vào CPU

(5) Module tín hiệu (SM) dành cho I/O tương tự hay số: Tối đa là 8, được chèn vào trong các khe từ 2 đến 9

10

2.1.1 Tạo ra cấu hình của thiết bị, thêm một thiết bị vào đề án

2.1.1.1 Thêm thiết bị mới vào đề án

Trong kiểu xem Portal, chọn

“Device & Networks” và nhấp

vào “Add new device”

Hình 2 2 Thêm thiết bị mới vào đề án kiểu Portal Trong kiểu xem Project, dưới cây đề án nhấp đôi chuột vào “Add new device”

Hình 2 3 Thêm thiết bị mới vào đề án kiểu Project

 Chèn một CPU vào đề án

Chúng ta tạo ra cấu hình cho thiết bị bằng cách chèn một CPU vào đề án

Việc lựa chọn CPU từ hộp thoại “Add new device” sẽ tạo ra thanh đỡ (rack) và CPU

Hộp thoại “Add new device”

Hình 2 4 Hộp thoại "Add New Device"

11 Device view của cấu hình phần cứng

Hình 2 5 Device view của cấu hình phần cứng Việc lựa chọn CPU trong mục Device view sẽ hiển thị các thuộc tính của CPU trong cửa sổ kiểm tra

Hình 2 6 Thuộc tính cài đặt IP PLC CPU không có một địa chỉ IP được cấu hình trước Một cách thủ công, chúng ta phải gán giá trị địa chỉ IP cho CPU trong suốt việc cấu hình thiết bị Nếu CPU được kết nối đến một bộ định tuyến (router) trong mạng, chúng ta còn phải nhập vào địa chỉ

IP cho router đó

12

2.1.1.2 Nhận biết cấu hình của một CPU chưa xác định

Nếu được kết nối đến một CPU, chúng ta có thể tải lên cấu hình của CPU đó đến đề án, bao gồm bất kỳ các module nào Thường là tạo ra một đề án mới và lựa chọn “Unspecified CPU” thay vì lựa chọn một CPU xác định Chúng ta hoàn toàn có thể bỏ qua việc cấu hình thiết bị bằng cách lựa chọn mục “Create a PLC program” từ

“First Steps” Phần mềm TIA Portal sau đó sẽ tự động tạo ra một CPU chưa được xác định

Từ trình soạn thảo chương trình, lựa chọn lệnh “Hardware detection” trong trình đơn “Online”

Hình 2 7 Lệnh “Hardware detection” trong mục “Online”

Từ trình soạn thảo cấu hình thiết bị, lựa chọn tùy chọn cho việc phát hiện cấu hình của thiết bị được kết nối

Hình 2 8 Cấu hình của thiết bị được kết nối

13

Sau khi lựa chọn CPU từ hộp thoại trực tuyến, TIA Portal tải lên cấu hình phần cứng từ CPU, bao gồm bất kỳ module nào (SM, SB hay CM) Sau đó có thể cấu hình các thông số của CPU và các module

Hình 2 9 Lựa chọn thiết bị được tìm thấy

2.1.2 Cấu hình sự hoạt động của CPU

Để cấu hình các thông số vận hành của CPU, lựa chọn CPU trong phần Device view (viền xanh dương quanh CPU đó), và sử dụng thẻ “Properties” của cửa sổ kiểm tra

Hình 2 10 Các mục trong thẻ “Properties”

Chỉnh sửa các thuốc tính để cấu hình các thông số sau đây:

 Giao diện PROFINET: Thiết lập địa chỉ IP cho CPU và sự đồng bộ hóa thời gian

 DI, DO và AI: Cấu hình cách xử lý của I/O kiểu số và kiểu tương tự cục

bộ (tích hợp)

14

 Các bộ đếm tốc độ cao và các máy phát xung: Khởi động và cấu hình các

bộ đếm tốc độ cao (HSC) và các máy phát xung được sử dụng cho các vận hành chuỗi xung (PTO) và bộ điều chế độ rộng xung (PWM)

 Startup: Lựa chọn cách xử lý của CPU theo một sự chuyển đổi từ OFF sang ON, ví dụ như khởi động trong chế độ STOP hay chuyển sang chế

độ RUN sau một sự khởi động lại nóng

 Time of delay: Thiết lập thời gian, múi giờ và thời gian tiết kiệm ánh sáng ngày

 Protection: Thiết lập bảo vệ đọc/ghi và mật khẩu cho việc truy xuất CPU

 System and clock memory: Khởi động một byte của các hàm “system memory” (đối với bit “first scan”, bit “always on” và bit “always off”) và khởi động một byte của các chức năng “clock memory” (ở đó mỗi bit đảo chiều ON và OFF tại một tần số được xác định trước)

 Cycle time: Xác định thời gian chu kỳ tối đa hay một thời gian chu kỳ tối thiểu không đổi

 Communication load: Định vị một tỷ lệ phần trăm của thời gian CPU để chuyên dụng cho các nhiệm vụ truyền thông

2.1.3 Thêm các module vào cấu hình

Sử dụng danh mục phần cứng để thêm các module vào CPU Có 3 kiểu module:

 Các module tín hiệu (SM): Cung cấp các điểm I/O bổ sung kiểu số hay kiểu tương tự Các module này được kết nối bên phải CPU

 Bảng tín hiệu (SB): Cung cấp chỉ một vài điểm I/O bổ sung cho CPU SB được lắp đặt ở mặt trước của CPU

 Các module truyền thông (CM): Cung cấp một cổng truyền thông bổ sung (RS232 hay RS485) cho CPU Các module này được kết nối bên trái CPU

Để chèn một module vào trong cấu hình phần cứng, lựa chọn module trong danh mục phần cứng và nhấp đôi chuột hay kéo module đó đến khe được tô sáng

15

Bảng 2 1 Kết Module vào PLC Tên

SM

SB

CM

2.1.4 Cấu hình một địa chỉ IP trong đề án

CPU S7-1200 có một cổng PROFINET đƣợc tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP Các giao thức ứng dụng sau đây đƣợc hỗ trợ bởi CPU S7-1200:

 Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP)

 ISO trên TCP (RFC 1006)

CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với thiết bị lập trình TIA Portal, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của Siemens bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:

16

 Kết nối trực tiếp: Sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết

bị lập trình, HMI hay một CPU khác đƣợc kết nối đến một CPU riêng

lẻ

 Kết nối mạng: Sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với hơn hai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị không phải của Siemens)

2.1.4.1 Gán một địa chỉ IP trực tuyến

Ta có thể gán một địa chỉ IP cho một thiết bị trong mạng một cách trực tuyến Điều này đặc biệt hữu ích trong sự cấu hình thiết bị ban đầu

Gán một địa chỉ IP theo cách trực tuyến:

 Trong “Project tree”, kiểm chứng

rằng không có địa chỉ IP nào đƣợc gán đến PLC, với các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

- “Online access”

- <Card mạng đang kết nối với PLC>

- “Updates accessible devices”

Hình 2 11 Kiểm tra PLC không có IP

 Trong “Project tree”, thực hiện

các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

- “Online access”

- < Card mạng đang kết nối với PLC >

- “Updates accessible devices”

- <địa chi thiết bị>

- “Online & diagnostics”

Hình 2 12 Online & diagnostics PLC

Hình 2 13 Hộp thoại “Online & diagnostics"

 Trong trường “IP address”, nhập vào địa chỉ IP mới

- < Card mạng đang kết nối với PLC >

- “Update accessible devices”

Hình 2 15 Kiểm chứng lại IP PLC

18

2.1.4.2 Cấu hình giao diện PROFINET

Sau khi cấu hình CPU trên thanh đỡ, chúng ta có thể cấu hình các thông số cho giao diện PROFINET Để làm điều này, nhấp vào hộp PROFINET màu xanh lá cây trên CPU để lựa chọn cổng PROFINET Thẻ “Properties” trong cửa sổ kiểm tra sẽ hiển thị cổng PROFINET

(1) Cổng PROFINET Hình 2 16 Cổng Profinet của PLC S7-1200

Hiện ra bảng Profinet Interface và bắt đầu thiết lập IP cho đề án

Hình 2 17 Bảng cấu hình cài đặt IP cho PLC S7-1200 trên TIA Portal

Để chương trình có thể hoạt động thống nhất thì địa chỉ IP gán cho PLC phải đồng nhất với địa chỉ IP trong đề án

19

2.1.5 Bảo vệ bằng mật khẩu cho CPU S7-1200

PLC cung cấp 3 cấp độ bảo mật để hạn chế sự truy cập đến một số chức năng riêng biệt Khi cấu hình cấp độ bảo mật và mật khẩu cho một CPU, chúng ta giới hạn các chức năng và các vùng nhớ mà có thể truy cập không cần nhập vào mật khẩu

Để cấu hình mật khẩu ta làm theo các bước sau đây:

 Trong mục “Device configuration”, lựa chọn CPU

 Trong cửa sổ kiểm tra, lựa chọn thẻ

“Properties”

 Lựa chọn thuộc tính “Protection” để chọn cấp độ bảo vệ và để nhập vào mật khẩu

Sự bảo vệ bằng mật khẩu không áp dụng đến sự thực thi của tập lệnh chương trình bao gồm các hàm truyền thông Việc nhập vào mật khẩu chính xác sẽ cung cấp truy xuất đến tất cả các chức năng

Truyền thông PLC đến PLC (sử dụng tập lệnh truyền thông trong các khối mã)

là không bị hạn chế bởi cấp độ bảo mật trong CPU Chức năng HMI cũng không bị hạn chế

20

Bảng 2 2 Các cấp độ bảo mật PLC Cấp độ bảo mật Những sự hạn chế truy cập

No protection Cho phép truy xuất toàn diện mà không cần bảo vệ bằng mật khẩu

Write protection

Cho phép truy xuất HMI và tất cả các hình thức truyền thông PLC

đến PLC mà không cần bảo vệ bằng mật khẩu

Mật khẩu được yêu cầu dành cho việc chỉnh sửa (ghi đến) CPU và

cho việc thay đổi chế độ CPU (RUN/STOP)

Read/write

protection

Cho phép truy xuất HMI và tất cả các hình thức truyền thông PLC

đến PLC mà không cần bảo vệ bằng mật khẩu

Mật khẩu được yêu cầu dành cho việc đọc dữ liệu trong CPU, cho việc chỉnh sửa (ghi đến) và cho việc thay đổi chế độ CPU

(RUN/STOP)

2.1.6 Tải chương trình xuống CPU

Tải từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình

Hình 2 19 Tải chương trình xuống PLC

22

2.1.7 Giám sát và thực hiện chương trình

Để giám sát chương trình trên màn hình soạn thảo kích chọn Monitor trên thanh công cụ

Hình 2 22 Giám sát chương trình qua Monitor Hoặc cách 2 làm như hình dưới

Hình 2 23 Giám sát chương trình qua Go online Sau khi chọn monitor chương trình soạn thảo xuất hiện như sau

Hình 2 24 Bật giám sát chương trình Monitor

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào / 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 2 25 Cấu trúc lập trình

 Tạo ra các khối mã trong TIA Portal

- Sử dụng hộp thoại “Add new block” ở dưới mục “Program blocks” trong điều hướng chương trình để tạo ra các OB, FB, FC

và các DB toàn cục

- Khi tạo ra khối mã, ta lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho khối Không lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho DB vì nó chỉ lưu trữ dữ liệu

24

Hình 2 26 Tạo khối mã trong TIA Portal

2.2.2 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

Sử dụng hộp thoại “Add new block” để tạo ra các OB mới trong chương trình

Hình 2 27 Chèn các OB vào chương trình 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

25

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

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

FB (function block): 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

DB (data block): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu Có hai loại của khối dữ liệu DB: Global DBs 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