Ứng dụng PLC S71200 trong điều khiển và giám sát mức nước

Trong thời đại ngày nay, Điều khiển tự động hóa không còn xa lạ đối với hầu hết các ngành công nghiệp. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính và công nghệ truyền thông đã giúp cho việc điều khiển, vận hành dây chuyền sản xuất trở nên đơn giản, chính xác, nhanh chóng và hiệu quả hơn bao giờ hết. Chính vì vậy, việc học tập, nghiên cứu những ứng dụng của các ngành sử dụng công nghệ cao là một yêu cầu cần thiết và có tác dụng to lớn đối với các kỹ sư kỹ thuật. Và 1 trong số những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển tự động đó là ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC vào sản xuất. Nhờ những đặc tính nổi trội mà PLC có thể được ứng dụng vào rất nhiều nghành cũng như các công đoạn sản xuất khác nhau như: hệ thống nâng vận chuyển, hệ thống đóng gói, các Robot lắp ráp sản phẩm, điều khiển máy bơm, công nghệ chế biến thực phẩm, lọc hóa dầu...Để vận dụng PLC vào thực tế thì em áp dụng vào đề tài “Ứng dụng PLC S71200 trong điều khiển và giám sát mức nước”. Thông qua bài đồ án này, em có cơ hội tiếp cận và sử dụng PLC; đồng thời em cũng có được những trải nghiệm thực tế vô cùng hữu ích trong quá trình làm đồ án. Nó giúp em củng cố vững chắc hơn nữa về những gì đã được học trong nhà trường và phát triển hơn các kĩ năng làm việc thực tế.

NH N XÉT C A GIÁO VIÊN H ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ƯỚNG DẪN NG D N ẪN

Hà Nội, ngày , tháng , năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

NH N XÉT C A GIÁO VIÊN PH N BI N ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ẢN BIỆN ỆN

Hà Nội, ngày , tháng , năm 2016

Giáo viên phản biện

Mục lục

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

LỜI CẢM ƠN 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS 9

1.1 Các thành phần của hệ điều khiển phân tán 9

1.1.1 Cấu hình cơ bản 9

1.1.2 Trạm điều khiển cục bộ 10

1.1.3 Trạm vận hành 11

1.1.4 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 12

1.2 Các hệ DCS trên nền PLC 13

1.2.1 Cấu hình cơ bản của hệ PLC+HMI 14

1.2.2 Cấu trúc phần cứng 15

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 1200 19

2.1 Tổng quan về PLC S7 – 1200 20

2.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200 22

2.2.1 Giới thiệu về các module CPU 22

2.2.2 Board tín hiệu (Signal boards) 24

2.2.3 Các module mở rộng tín hiệu (Signal Module) 26

2.2.4 Các module truyền thông 28

2.3 Những đặc điểm nổi bật của SIMATIC S7-1200 28

2.3.1 Thiết kế dạng Module 28

2.3.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S7-1200 29

2.3.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1214C 30

2.3.4 Sơ đồ đấu dây của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly 30

2.3.5 Thẻ nhớ 31

2.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 32

2.4.1 Cấu trúc 32

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của PLC 32

2.4.3 Đèn tín hiệu PLC 33

2.4.4 Bộ nhớ PLC 33

2.5 Hệ thống và bộ nhớ đồng hồ 35

2.6 Phương pháp lập trình điều khiển 36

2.7 Các ngôn ngữ lập trình 36

2.7.1 Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic) 36

2.7.2 Ngôn ngữ lập trình FBD (Funtion Block Diagram) 38

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA PORTAL STEP BASIC V13 39

3.1 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal Step 7 Basic 39

3.1.1 Giao diện của phần mềm SIMATIC TIA Portal Step 7 Basic 40

3.1.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP 40

3.1.3 Cách tạo một Project 40

3.1.4 TAG của PLC/ TAG Local 44

3.2 Làm việc với một trạm PLC 46

3.2.2 Download chương trình xuống CPU 47

3.3 Giám sát và thực hiện chương trình 49

3.4 Kỹ thuật lập trình 50

3.4.1 Vòng quét chương trình 50

3.4.2 Cấu trúc lập trình 50

3.5 Giới thiệu các tập lệnh 52

3.5.1 BIT Logic (Tập lệnh tiếp điểm) 52

3.5.2 Sử dụng bộ Timer 57

3.5.3 Sử dụng bộ Counter 58

3.5.4 So sánh 60

3.5.5 Toán học 62

3.5.6 Di chuyển MOVE 70

3.5.7 Chuyển đổi 71

3.5.8 Lệnh điều khiển chương trình 73

3.5.9 Toán tử Word Logic 74

3.5.10 Dịch chuyển và xoay vòng 76

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC 78

4.1 Giới thiệu chung về bồn nước 78

4.2 Bồn nước sử dụng trong đề tài 80

4.3 Động cơ bơm 81

4.4 Van điện từ 82

4.5 Cảm biến đo khoảng cách- cảm biến siêu âm 82

4.5.1 Ưu điểm của cảm biến siêu âm 83

4.5.2 Nhược điểm của cảm biến siêu âm 83

4.5.3 Cảm biến siêu âm sử dụng trong đồ án 83

4.6 CPU 84

4.7 Bảng đấu điện của cảm biến, nút ấn, động cơ và rơle 86

4.8 Rơ le 86

4.9 Nút ấn 87

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH89 5.1 Thiết kế hệ điều khiển 89

5.1.1 Yêu cầu công nghệ 89

5.1.2 Bảng địa chỉ đầu vào/ra 89

5.1.3 Sơ đồ đấu nối của hệ thống 90

5.1.4 Thuật toán điều khiển ổn định mức 92

5.1.5 Chương trình của hệ thống 96

5.2 Thiết kế hệ giám sát 102

5.2.1 Tạo màn hình làm việc 102

5.2.2 Thiết kế các thiết bị 103

5.2.3 Gắn Tag cho các thiết bị 104

5.2.4 Các chế độ làm việc 107

KẾT LUẬN 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

L I C M N ỜI CẢM ƠN ẢN BIỆN ƠN

Khóa học 2014-2016 đã gần kết thúc đối với sinh viên Liên thông Cao đẳng –Đại học Khóa 9, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, và bài Đồ án tốt nghiệp làdấu mốc quan trọng cuối cùng trong 2 năm học tập của chúng em Có thể nóirằng bài đồ án tốt nghiệp là kết quả rõ ràng nhất, xác thực nhất để phản ánhchính xác những gì em học tập và nghiên cứu trong những năm học qua Và để

có được kết quả như ngày hôm nay, không thể không kể đến công lao to lớn củathầy cô, gia đình và sự giúp đỡ của bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thànhnhất tới bố mẹ, các thầy cô và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ em trong suốt nhữngnăm qua

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm tạ sâu sắc đối với thầy giáo Thạc Sỹ Phạm Văn Hùng – thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em rất nhiều trong bài đồ án này.

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trên khoa Điện cũng đã giúp

đỡ em hoàn thành bài báo cáo này

Do kinh nghiệm còn hạn chế và kiến thức thực tế của em còn thiếu nên bàibáo cáo không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của cácthầy cô giáo để bài báo cáo được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày ….tháng….năm 2016

L I NÓI Đ U ỜI CẢM ƠN ẦU

Trong thời đại ngày nay, Điều khiển tự động hóa không còn xa lạ đối vớihầu hết các ngành công nghiệp Sự phát triển nhanh chóng của khoa học máytính và công nghệ truyền thông đã giúp cho việc điều khiển, vận hành dâychuyền sản xuất trở nên đơn giản, chính xác, nhanh chóng và hiệu quả hơn baogiờ hết Chính vì vậy, việc học tập, nghiên cứu những ứng dụng của các ngành

sử dụng công nghệ cao là một yêu cầu cần thiết và có tác dụng to lớn đối với các

kỹ sư kỹ thuật Và 1 trong số những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển tự động

đó là ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC vào sản xuất Nhờ những đặctính nổi trội mà PLC có thể được ứng dụng vào rất nhiều nghành cũng như cáccông đoạn sản xuất khác nhau như: hệ thống nâng vận chuyển, hệ thống đónggói, các Robot lắp ráp sản phẩm, điều khiển máy bơm, công nghệ chế biến thựcphẩm, lọc hóa dầu Để vận dụng PLC vào thực tế thì em áp dụng vào đề tài

“Ứng dụng PLC S7-1200 trong điều khiển và giám sát mức nước” Thông qua

bài đồ án này, em có cơ hội tiếp cận và sử dụng PLC; đồng thời em cũng cóđược những trải nghiệm thực tế vô cùng hữu ích trong quá trình làm đồ án Nógiúp em củng cố vững chắc hơn nữa về những gì đã được học trong nhà trường

và phát triển hơn các kĩ năng làm việc thực tế

Đồ án thực hiện chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót do vẫn cònhạn chế về kiến thức chuyên môn, và điều kiện thời gian thực hiện Do vậy emrất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo.!

CH ƯƠN NG 1: T NG QUAN V ĐI U KHI N H DCS ỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS Ề ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS Ề ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS ỂN HỆ DCS ỆN

DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed ControlSystem), thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệthống động (dynamic system), trong đó các phần tử điều khiển không được đặt ở

vị trí trung tâm, nhưng mỗi một hệ thống con được điều khiển bằng một hoặcnhiều bộ điều khiển trong toàn bộ hệ thống Toàn bộ hệ thống điều khiển đượcnối mạng để giao tiếp, điều khiển và giám sát Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm

có bộ vi xử lý được thiết kế tùy biến như các bộ điều khiển, kết nối vật lý và giaothức giao tiếp riêng Module đầu vào và đầu ra tạo nên các thành phần của DCS

Bộ vi xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thông tin đến module đầu

ra Hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệ thống chuyên dụng được dùng đểđiều khiển các quá trình sản xuất liên tục hoặc theo mẻ (Batch- oriented) nhưtrong lọc dầu, hóa dầu, trạm phát điện trung tâm, dược phẩm, sản xuất thức ăn,

nước uống, sản xuất xi măng

1.1 Các thành phần của hệ điều khiển phân tán

1.1.1 Cấu hình cơ bản

- Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân, bao gồm các thành phần sau:

- Các trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn gọi làcác khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình(process station, PS)

- Các trạm vận hành (operator station, OS)

- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển

- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus).

Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của hệ điều khiển phân tán.

Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần

khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên

dụng

1.1.2 Tr m đi u khi n c c b ạm điều khiển cục bộ ều khiển cục bộ ển cục bộ ục bộ ộ

Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc module Các thành phần chính bao gồm:

- Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng

- Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng

- Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng

- Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán

- Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra antoàn cháy nổ

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:

- Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín

(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ) Hầu hết các mạch vòng đơnđược điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh,

điều khiển dựa mô hình (model-based control), điều khiển thích nghi,

- Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)

- Điều khiển logic

- Thực hiện các công thức (recipe control)

- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệthống

- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc vớitrạm vận hành

- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báođộng

1.1.3 Tr m v n hành ạm điều khiển cục bộ ận hành

- Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm.Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau

- Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

- Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnhtừng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thịquá khứ)

- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điềukhiển)

- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thốnghướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

- Xử lý các sự kiện, sự cố

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

- Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụngcác sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân (công nghiệp) chạytrên nền WindowsNT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX Cùngvới các màn hình màu lớn (thường là 19inch) với độ phân giải cao để theo dõiquá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các thiết bị thaotác chuẩn như bàn phím và chuột Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu mộtngười sử dụng (một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng với vớinhiều Terminals (Hình 1.2).

Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệthống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp

như TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking

andEmbedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control).

cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diệnngười máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường

Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là:

- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

- Công việc phát triển (Engineering) không yêu cầu có phần cứng DCS tại

chỗ

- Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là sơ đồ khối hàm (FBD –

FunctionBlock Diagram, hoặc CFC – Continuous Function Chart) và

biểuđồtiếntrình (SFC-Sequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD ()

và SFC

- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

- Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

1.2 Các hệ DCS trên nền PLC

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một

loại máy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ RichardMorley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật củaGeneral Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thếcho mạch điều khiển logic cứng, hai công ty độc lập là Allen Bradley và BedfordAssociates (sau này là Modicon) đã đưa ra trình bày các sản phẩm đầu tiên Cácthiết bị này chỉ xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và

1kByte bộ nhớ Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là PC, được

sử dụng rộng rãi Trong khi đó, programmable logic controller hay PLC là

thương hiệu đăng ký của công ty Allen Bradley Sau này, khi máy tính cá nhântrở nên phổ biến thì từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn Vì

vậy từ đây về sau ta sẽ dùng khái niệm thiết bịđiều khiển khả trình nhưng với từviết tắt là PLC.

Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theochu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần canthiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chóng thu hút sự chú ý trong giớichuyên ngành Vào thời điểm các máy tính điều khiển chuyên dụng và khôngchuyên dụng đều có kích cỡ rất lớn và giá thành rất cao, thì việc sử dụng PLC làgiải pháp lý tưởng để thay thế các mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiểncác quá trình gián đoạn.

Cho đến nay, danh mục các chủng loại PLC có mặt trên thị trường thậtphong phú đến mức khó có thể bao quát

Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix(Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),… Thực chất,ngày nay đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic và điềukhiển quá trình Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phântán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phươngpháp lập trình hiện đại (ví dụ SFC)

1.2.1 C u hình c b n c a h PLC+HMI ấu hình cơ bản của hệ PLC+HMI ơ bản của hệ PLC+HMI ản của hệ PLC+HMI ủa hệ PLC+HMI ệ PLC+HMI

Hình 1.3: Cấu hình cơ bản của hệ PLC/HMI

1.2.2 C u trúc ph n c ng ấu hình cơ bản của hệ PLC+HMI ần cứng ứng

Hình 1.3 minh họa các thành phần chức năng chính của một hệ thống thiết

bị điều khiển khả trình và quan hệ tương tác giữa chúng Về cơ bản, một PLCcũng có các thành phần giống như một máy vi tính thông thường, đó là vi xử lý,các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào/ra và cung cấpnguồn Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người-máynhư màn hình, bàn phím và chuột không được trang bị ở đây Việc lập trình vìvậy phải được thực hiện gián tiếp bằng một máy tính riêng biệt, ghép nối vớiCPU thông qua giao diện thiết bị lập trình (thường là một cổng nối tiếp theochuẩn RS-232 hoặc RS-485)

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) bao gồm một hoặc

nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diệnvới thiết bị lập trình, được liên kết với nhau thông qua một hệ bus nội bộ Nhiệm

vụ chính của CPU là quản lý các cổng vào/ra, xử lý thông tin, thực hiện các thuật

toán điều khiển Bộ nhớ chương trình thường có dạng EPROM (Erasableand

Programmable Read Only Memory) hoặc EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa hệ điều hành và mã chươngtrình ứng

dụng Dữ liệu vào/ra cũng như các dữ liệu tính toán khác được lưu trong bộ nhớ

làm việc RAM (Random Access Memory) Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng

để điều khiển chương trình theo chu kỳ, thông thường trong khoảng từ 0,01giâytới 1000 phút

Các thành phần vào/ra (input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa

CPU và quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu

và cách ly galvanic giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) vàCPU Các thành phần vào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ bus nội bộhoặc qua một hệ bus trường

Bộ cung cấp nguồn (power supply, PS) có vai trò biến đổi và ổn định

nguồn nuôi (thông thường 5V) cho CPU và các thành phần chức năng khác từmột nguồn xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V, 24V, )

Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể có cácthành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng và

xử lý truyền thông

Hình 1.4: Các thành phần chức năng chính của một PLC

- Thiết kế module và thiết kế gọn

Hình 1.5: Thiết kế gọn và thiết kế module

Tùy theo sự phân chia chức năng trên các thành phần thiết bị, ta có thể

phân biệt giữa các PLC có thiết kế module và các PLC có thiết kế gọn Trongmột PLC có thiết kế gọn, tất cả các chức năng được tích hợp gọn trong một thiết

bị Thông thường, loại PLC này có sẵn một số cổng vào/ra cố định Một số cũngđược tích hợp giao diện truyền thông cho một loại bus trường Tuy nhiên, một số

ít loại có cấu trúc gọn vẫn cho phép tăng số lượng cổng vào/ra hoặc bổ sung giaodiện mạng bằng các module mở rộng đặc biệt PLC có cấu trúc gọn thích hợp vớicác bài toán đơn giản

Đối với các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, ta cần sử dụng các PLC cóthiết kế module bởi độ linh hoạt cao Ở đây, hầu hết mỗi thành phần chức năngđược thực hiện bởi một module phần cứng riêng biệt, được lắp đặt trên một hoặcnhiều giá đỡ Bên cạnh các thành phần cơ bản là CPU, nguồn và các module vào/

ra, một PLC còn có thể chứa các module chức năng, các module ghép nối vàmodule truyền thông Hệ bus nội bộ được sử dụng để ghép nối các module mở

rộng với CPU thường được gọi là bus mặt sau (backplane bus).

Các module chức năng (function module, FM) được sử dụng để thực hiện

một số nhiệm vụ điều khiển riêng, ví dụ module điều khiển PID, module điềukhiển động cơ bước, module cân, Các module này hoạt động tương đối độc lậpvới CPU, tuy nhiên có thể trao đổi dữ liệu quá trình và dữ liệu tham số thông quabus nội bộ và các hàm hoặc khối hàm giao tiếp hệ thống

Các module ghép nối (interface module, IM) được sử dụng trong việc mở

rộng hệ thống khi số lượng các module lớn, không đủ chỗ trên một giá đỡ.Thông thường, mỗi giá đỡ cần có một module nguồn riêng bên cạnh moduleghép nối Thông qua các module ghép nối, một CPU có thể quản lý tất cả cácmodule trên các giá đỡ Số lượng và chủng loại các module cho phép trên mộtgiá đỡ cũng như số lượng tổng cộng phụ thuộc vào khả năng quản lý của loạiCPU cụ thể

Các module truyền thông (communication module, CM) có vai trò là giao

diện mạng, được sử dụng để ghép nối nhiều PLC với nhau, với các thiết bị

thức một cách độc lập với CPU Tuy nhiên trong một số trường hợp, bộ xử lýtrung tâm cũng được tích hợp sẵn giao diện mạng cho một hệ bus trường thôngdụng.

CH ƯƠN NG 2: GI I THI U V PLC S7 – 1200 ỚNG DẪN ỆN Ề ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS

PLC viết tắt của từ Programmable Logic Controler là một thiết bị điềukhiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiệnmột loạt trình tự sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thíchtác động vào PLC hoặc qua các hoạt động trễ như thời gian định kì hay thời gianđược đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết

bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽlien tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào vàxuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta

đã chế tạo bộ điều khiển PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

 Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

 Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

 Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng,các module mở rộng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối vàcác logic thời gian Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượngnhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả…

Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trongcông nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các tập lệnh đơn giản đến các lệnh

Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển và xử lý hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đượcxác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn và bộ nhớcủa PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậynếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ ta chỉ cầnthay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chứcnăng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lýnào so với các bộ dây nối hay Relay.

 S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợpsẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).

chương trình điều khiển:

- Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùngcấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

Tính năng “knowhow protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

-ẩn mã nằm trong một khối xác định

 S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet vàTCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nốibằng RS485 hoặc RS232

 Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗtrợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợptrong TIA Portal 13 của Siemens

này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

2.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200

Hình dạng bên ngoài của PLC S7 – 1200 và các module mở rộng

2.2.1 Gi i thi u v các module CPU ới thiệu về các module CPU ệ PLC+HMI ều khiển cục bộ

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh,

bộ nhớ chương trình khác nhau…

 Bộ phận kết nối nguồn

 Các bộ phận kết nối nối dâycủa người dùng có thể tháo được(phía sau các nắp che)

 Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửaphía trên

 Các LED trạng thái dành choI/O tích hợp

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

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dunglượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụngkhác nhau PLC S7-1200 có các loại CPU sau:

 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 Tốc độ xử lý ảnh 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Thời gian lưu giữ khi mất

điện 240h – Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40oCPROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh

Tốc độ thi hành 0,1 μs/lệnh

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

hiệu để mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các

module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

Kiểu tương tự

2.2.2 Board tín hi u (Signal boards) ệ PLC+HMI

Board tín hiệu (SB) - một dạng module mở rộng tín hiệu vào /ra với sốlượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số

lượng tín hiệu ít Board cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Ngườidùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vàophía trước của CPU.

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

2 đầu ra số DO 2x24 VDC, 0.5A

 SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

 SB1232AQ: 1 cổng tín hiệu ra Analog 12 bit ( 0-10VDC, 0-20mA)



 Các LED trạng thái trên SB

 Bộ phận kết nối nối dây của người

dùng có thể tháo ra

2.2.3 Các module m r ng tín hi u (Signal Module) ở rộng tín hiệu (Signal Module) ộ ệ PLC+HMI

Người dùng có thể sử dụng các module mở rộng tín hiệu để thêm vàoCPU các chức năng Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU

 Các LED trạng thái dành cho I/

O của module tín hiệu

2.2.4 Các module truy n thông ều khiển cục bộ

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (communication modules

– 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 củamột CM khác)

Các LED trạng thái dành cho

module truyền thông

Bộ phận kết nối truyền thông

2.3 Những đặc điểm nổi bật của SIMATIC S7-1200

2.3.1 Thi t k d ng Module ết kế dạng Module ết kế dạng Module ạm điều khiển cục bộ

 Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kếtnối

 Simatic S7-1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên mộtnền phần mềm là TIA Portol V10.5 (Simatic Step 7 Basic, Wincc Basic) hoặccác version cao hơn như V13 hiện nay Các thao tác lập trình thực hiện kéo –thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản,chính xác trong sự truyền thông kết nối theo Tags.

 Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với board tín hiệu, khi cần mở rộng ứngdụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phầncứng

 Dễ dàng cho người sử dụng sản phẩm trong việc mua gói thiết bị

2.3.2 Ph m vi ng d ng c a Simatic S7-1200 ạm điều khiển cục bộ ứng ục bộ ủa hệ PLC+HMI

những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng

AC/DC/Rly Dưới đây là các phiên bản cấp nguồn khác nhau của họ CPU1214C:

 Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng khi muốn mở rộng bộ nhớ cho CPU, copychương trình ứng dụng hay cập nhật firmware.

 Chẩn đoán lỗi Online/Oflfine

 Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực

2.3.3 Các ch c năng n i b t c a CPU 1214C ứng ổi bật của CPU 1214C ận hành ủa hệ PLC+HMI

 Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường

 Có ngõ ra PTO 100 kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo

 Có ngõ ra PWM để điều khiển độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiểntốc độ động cơ, valve, nhiệt độ

 Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộđiều khiển (Autotuning)

2.3.4 S đ đ u dây c a PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly ơ bản của hệ PLC+HMI ồ đấu dây của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly ấu hình cơ bản của hệ PLC+HMI ủa hệ PLC+HMI

- CPU 1214C AC/DC/Rly bao gồm 24 kênh tín hiệu vào/ra số, 2 kênh tín

hiệu vào tương tự

- Có thể mở rộng bằng cách sử dụng thêm:

 1 Board tín hiệu (SB)

 8 module mở rộng tín hiệu (SM)

 Tối đa 3 module truyền thông (CM)

2.3.5 Th nh ẻ nhớ ới thiệu về các module CPU

 Simatic thẻ nhớ có dung lượng 2MB hoặc 24MB cho các ứng dụngchương trình lưu trữ dữ liệu và thay thế CPU đơn giản để bảo trì

Module nguồn

 Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số:

- Input: 120/230 VAC, 50/60Hz, 1.2A/0.7A

- Output: 24VDC/2.5A

Switch

2.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

2.4.1 C u trúc ấu hình cơ bản của hệ PLC+HMI

Tât cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAMbên trong, một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC,các module I/O

Bên cạnh đó, một số PLC hoàn chỉnh còn đi kèm theo một đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủRAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nêu đơn vịlập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khinào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang

bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợcho viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC quacổng RS232, RS422, RS485…

2.4.2 Nguyên lý ho t đ ng c a PLC ạm điều khiển cục bộ ộ ủa hệ PLC+HMI

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tớicác thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụthuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đườngtín hiệu song song:

 Address bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau

 Data bus: bus dùng để truyền dữ liệu

 Control bus: bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điềukhiển động bộ các hoạt đông của PLC

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ vàI/O.

Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1,8 Mhz.Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về địnhthời, đồng hồ của hệ thống

2.4.3 Đèn tín hi u PLC ệ PLC+HMI

Các đèn báo trên CPU 1214C:

động chương trình đã nạp vào bộ nhớ

 ERROR: đèn màu đỏ báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ra lỗi

không

 LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối thành công

 Rx/Tx: Đèn cam nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

2.4.4 B nh PLC ộ ới thiệu về các module CPU

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời chocác kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC nhưđịnh thời, đếm, Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa

xử lý Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnhtiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu

ra, quá trình này gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong của PLC được ra bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này

có khả năng chứ 2000-16000 dòng kênh tùy theo loại vi mạch trong PLC các bộnhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng

 RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa nội dung bất kỳ lúc nào,nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng nàycác PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ choRAM từ vài tháng tới vài năm Trong thực tế RAM được dùng khởi tạo và kiểmtra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM do khả năng tiêuthụ thấp và tuổi thọ cao

nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó đượcgắn sẵn trong máy, đã được sản xuất nạp và chứa sẵn trong hệ điều hành Nếungười sử dụng không muốn sử dụng thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC.Trên PG có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

 EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổnđịnh Nội dung của nó có thể xóa và lập trình bằng điện nhưng số lần là có giớihạn

2.6 Phương pháp lập trình điều khiển

Khác với phương pháp điều khiển phần 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 đỡcủa một máy vi tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớđiều 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 điềukhiển cứng Do đó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vựcđiều khiển vì nó rất mềm dẻo…

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

2.7 Các ngôn ngữ lập trình

2.7.1 Ngôn ng l p trình LAD (Ladder Logic) ữ lập trình LAD (Ladder Logic) ận hành

Chương trình LAD bao gồm một cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùngvới các kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logic nằm ngang.

Ở hình trên logic điều khiển được biểu diễn bằng hai công tắc thường mở, mộtcông tắc thường đóng và một ngõ ra relay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logicnào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứngdụng có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chươngtrình 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 quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

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

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

- Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnhthang được đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tươngtự… 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 làchu kỳ quét

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

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

đóng một hoặc nhiều thiết bị.

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

2.7.2 Ngôn ng l p trình FBD (Funtion Block Diagram) ữ lập trình LAD (Ladder Logic) ận hành

Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ khối khôngtiếp điểm dùng các cổng logic (thường dùng theo kí tự của EU)

Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp được thay thế bằngcổng AND, các tiếp điểm song song được thay thế bằng cổng OR, các tiếp điểmthường đóng thì có cổng NOT Phương pháp này thích hợp cho người dùng sửdụng kiến thức về điện tử mà đặc biệt là mạch số

CH ƯƠN NG 3: GI I THI U V PH N M M L P TRÌNH TIA ỚNG DẪN ỆN Ề ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS ẦU Ề ĐIỀU KHIỂN HỆ DCS ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PORTAL STEP BASIC V13

3.1 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal Step 7 Basic

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một môi trườngthân thiện với người dùng, từ hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnh logic cầnthiết đến ứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp công cụ cho quản lý và cấuhình tất cả các thiết bị trong project, ví dụ như: PLCs và thiết bị HMI SIMATICTIA Portal STEP7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD), thíchhợp và hiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trong ứng dụng Ngoài raSIMATIC TIA Portal STEP7 Basic còn cung cấp bộ công cụ tạo và cấu hìnhthiết bị HMI

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trựctuyến và cung cấp 2 chế độ hiển thị khác nhau: a project-oriented view và a task-oriented set of portals

Trình tự các bước thiết kế một chương trình điều khiển