Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển tốc độ bằng PLC s7 – 1200

Đangđược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các dây chuyền sản xuất nướcngọt, chế biến thức ăn gia súc, máy điều khiển theo chương trình CNC, các hệthống đèn giao thông, các hệ thốn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật diễn ra nhanh chóng trêntoàn thế giới Những thành tựu khoa học kỹ thuật đã được vận dụng trong thực

tế để tạo ra hàng loạt những sản phẩm mới Mộ trong những thành tựu khoa học

kỹ thuật đang được ứng dụng rộng rãi đó là kỹ thuật điều khiển Tuy mới pháttriển trong những năm gần đây nhưng nó đã nhanh chóng thay thế được cáccông nghệ điều khiển cổ điển, lỗi thời, lạc hậu với nhiều đặc điểm ưu việt hơn

Trên đà hội nhập thế giới, Việt Nam đang nhanh chóng tiếp thu các thànhtựu khoa học kỹ thuật, áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong quá trìnhcông nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Công nghệ cũ, thiết bị cũ dần được thaythế bằng công nghệ mới, thiết bị mới Các thiết bị công nghệ tiên tiến với hệthống thiết bị lập trình của hãng Siemens như PLC S7-200; PLC S7-300; PLCS7-400; PLC S7-1200, Vi xử lý, Vi điều khiển, Điện khí nén, Điện tử Đangđược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các dây chuyền sản xuất nướcngọt, chế biến thức ăn gia súc, máy điều khiển theo chương trình CNC, các hệthống đèn giao thông, các hệ thống báo động, các hệ thống làm mát trong ngành

cơ khí…Để nắm bắt được khoa học kỹ thuật tiên tiến hiện nay trong các trườngĐại học, Cao đẳng và các trường Trung học đã và đang đưa thiết bị hiện đại,kiến thức khoa học mới vào giảng dạy Hệ thống điều khiển tự động PLC là mộttrong những loại thiết bị có ứng dụng mạnh mẽ và đảm bảo có độ tin cậy cao.Với sản phẩm cải tiến của hãng Siemens là PLC S7-1200 đã mang lại lợi ích vàứng dụng cao trong điều khiển Cũng chính vì lý do đó em đã vận dụng PLC vào

đề tài “ Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển tốc độ bằng PLC S7 – 1200”

Đề tài gồm 3 chương:

+ Chương 1: Tổng quan về PLC S7 – 1200 + Chương 2: Bộ đếm tốc độ cao của PLC S7 – 1200 + Chương 3: Xây dựng mô hình giám sát điều khiển tốc độ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200

1.1. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200.

1.1.1 Cấu trúc và chức năng chính của PLC S7-1200.

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần choS7-200 Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt vàsức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển

tự động 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 soátnhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnhmạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụngvới S7-1200

- S7-1200 bao gồm một 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 chươngtrình điều khiển:

+ Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùngcấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

+ Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mãnằm trong một khối xác định

- 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 người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic đượcyêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giámsát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng

- CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET

+ Dùng để kết nối máy tính với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC.+ Dùng để kết nối các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

+ Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đầu chéo

+ Tốc độ truyền 10/100Mbits/s

+ Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạngRS232 hay RS485

- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

+ 6 bộ đếm tốc độ cao dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó

(2)- Các bộ phận kết nối dây của

người dùng có thể tháo được

(2)- Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới

cửa phía trên

(3)- Các LED trạng thái dành cho

- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đãbao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

 Các bản tín hiệu

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU.Người dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kếtnối 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 củangười dùng có thể tháo ra

Hình 1.2: Cấu trúc bảng tín hiệu

 Các module tín hiệu

Hình 1.3: Module mở rộng tín hiệu vào/raCác module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh,

phải của CPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúplinh hoạt trong sử dụng S7-1200 Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽđược tiếp tục phát triển.

PLC S7-1200 có các loại module sau:

số có thể sử dụng như PTO hoặc PWM vớitần số 100kHz

CPU 1211DC/DC/DCCPU 1211DC/DC/Rly

CPU 1212C CPU 1212

AC/DC/Rly

CPU 1212C tích hợp 25KB dữ liệu bộnhớ/chương trình; bộ nhớ có thể tải xuống:1MB; tích hợp các đầu vào ra: 8 đầu vào số, 6đầu ra số, 2 đầu vào tương tự; 3 moduletruyền thông mở rộng, 2 module tín hiệu và 1board tín hiệu; đầu vào số như HSC với tần số100kHz, đầu ra số có thể sử dụng như PTOhoặc PWM với tần số 100kHz

CPU 1212DC/DC/DCCPU 1212DC/DC/Rly

CPU 1214C CPU 1214

AC/DC/Rly

CPU 1214C tích hợp 50KB dữ liệu bộnhớ/chương trình; bộ nhớ có thể tải xuống:2MB; tích hợp các đầu vào ra: 14 đầu vào số,

10 đầu ra số, 2 đầu vào tương tự; 3 moduletruyền thông mở rộng, 8 module tín hiệu và 1board tín hiệu; đầu vào số như HSC với tần số100kHz, đầu ra số có thể sử dụng như PTOhoặc PWM với tần số 100kHz

CPU 1214DC/DC/DCCPU1214DC/DC/Rly

 Module truyền thông

Bên cạnh truyền thông Ethernet được tích hợp sẵn, CPU S7-1200 có thể

mở rộng được 3 module truyền thông khác nhau, giúp cho việc kết nối được linhhoạt Tại thời điểm giới thiệu S7-1200 ra thị trường có các module RS232 vàRS485, hỗ trợ các protocol truyền thông như modbus, USS…

(1)- Các LED trạng thái dành cho

Module truyền thông

(2)- Bộ phận kết nối truyền thông

Hình 1.4: Sơ đồ chân cắm Module

truyền thông

 Các Board tín hiệu

Boad tín hiệu-một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tínhiệu ít giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng tínhiệu ít

Gồm các board:

- 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+ - 10VDC)

- 2 cổng tín hiệu vào 2 cổng tín hiệu ra số, 0,5A

 Các LED trạng thái

CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về cảtrạng thái hoạt động của module lẫn của I/O CPU cung cấp các bộ chỉ thị trạngthái sau đây:

- STOP/RUN

+ Màu cam thuần túy chỉ thị chế độ STOP

+ Màu xanh lá thuần túy chỉ thị chế độ RUN

+ Màu nhấp nháy (luân phiên giữa xanh lá và cam) chỉ thị rằng CPUđang khởi động

+ Màu đỏ thuần túy chỉ thị phần cứng bị hỏng

- MAINT (Maintenance) nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ CPU sau đóchuyển sang chế độ STOP Sau khi CPU đã chuyển sang chế độ STOP, thựchiện một trong các hàm sau đây để bắt đầu sự định lượng thẻ nhớ:

+ Thay đổi CPU sang chế độ RUN

+ Thực hiện một sự đặt lại bộ nhớ (MRES)

+ Chu trình cấp điện CPU

Bảng 1.2: Các LED trạng thái

Miêu tả Màu cam/xanh lá STOP/RUN ERROR Màu đỏ Màu cam MAINT

Khởi động, tự kiểm tra,

cập nhật firmware

Nhấp nháy (luân phiên màu cam và xanh lá)

-Được yêu cầu duy trì On (màu cam và xanh lá) - On

Kiểm tra LED hay

- Ta có thể gán 1 byte trong bộ nhớ M cho bộ nhớ hệ thống Byte của bộ nhớ hệthống cung cấp 4 bit sau đây có thể được tham chiếu bởi chương trình ngườidùng:

+ Bit “Always 0 (low)” luôn luôn được đặt về 0

+ Bit “Always 1 (high)” luôn luôn được đặt lên 1

+ “Diagnostic graph changed” được đặt lên 1 đối với một chu kỳ quét saukhi CPU ghi một sự kiện chuẩn đoán.

+ Bit “First scan” được đặt lên 1 đối với khoảng thời gian của lần quét đầutiên sau khi OB khởi động hoàn tất (Sau sự thực thi của lần quét đầu tiên, bit

“First scan” được đặt về 0)

- Ta có thể gán một byte trong bộ nhớ M cho bộ nhớ đếm thời gian Mỗi bit củabyte được cấu hình đóng vai trò như bộ nhớ đếm thời gian sẽ sinh ra một xungdạng sóng vuông Byte của bộ nhớ đếm thời gian cung cấp 8 tần số khác nhau,

từ 0,5 Hz (chậm) đến 10 Hz (nhanh) Ta có thể sử dụng các bit này như các bitđiều khiển, đặc biệt khi kết hợp với các lệnh sườn, để kích hoạt các hoạt độngtrong chương trình người dùng trên một nền tảng theo chu trình

Bộ nhớ hệ thống cấu hình một byte mà byte đó sẽ bật (giá trị = 1) trongcác điều kiện sau đây:

- First scan: Byte được bật đối với lần quét đầu tiên trong chế độ RUN

- Diagnostic graph changed:

+ Always 1 (high): Luôn luôn bật

+ Always 0 (low): Luôn luôn tắt

Bộ nhớ đếm thời gian sẽ cấu hình một byte mà byte đó bật và tắt một cáctuần hoàn các bit riêng lẻ tại các khoảng thời gian dừng cố định

Các cờ của bộ đếm thời gian sinh ra một xung sóng vuông tương ứng vớibit bộ nhớ M Các bit này có thể được sử dụng như các bit điều khiển, đặc biệtkhi kết hợp với các lệnh sườn, để kích hoạt các hoạt động trong chương trìnhngười dùng dựa trên một nền tảng theo chu trình

1.1.3 Ghi địa chỉ I/O trong CPU và các module I/O.

Khi ta thêm một CPU và các module I/O vào màn hình cấu hình, các địachỉ I và Q được gán một cách tự động

1.2. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA PROTAL (TOTALLY INTERGRATED AUTOMATION) PROTAL.

1.2.1 Giới thiệu phần mềm SIMATIC STEP 7 Basic (professtional).

Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho ngườidùng nhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điềukhiển ứng dụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả cácthiết bị trong đề án, như các thiết bị PLC hay HMI STEP 7 Basic cung cấp haingôn ngữ lập trình (LAD và FBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc pháttriển chương trình điều khiển đối với ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ đểtạo ra và cấu hình các thiết bị HMI trong đề án của người dùng

Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết, STEP 7 Basic cung cấpmột hệ thống trợ giúp trực tuyến

Để cài đặt STEP 7 Basic, người dùng cần đưa đĩa CD vào trong ổ ROM của máy tính Trình thuật sĩ cài đặt sẽ khởi động một cách tự động vànhắc người dùng trong suốt quá trình cài đặt

CD-Lưu ý: Để cài đặt STEP 7 Basic trên một máy tính cá nhân dùng hệ điều hành Windows 2000, Windows XP hay Windows Vista, người dùng cần phải đăng nhập với quyền hạn Administrator.

1.2.2 Cách tạo một Project.

- Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Protal V11

Hình 1.6: Biểu tượng phần mềm Tia Protal V11

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

Hình 1.7: Vào Create new project để tạo dự án

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

Hình 1.8 : Nhập tên dự án vào Project name

- Bước 4: Chọn configure a device

Hình 1.9: Chọn configure a device

- Bước 5: Chọn add new device

Hình 1.10: Chọn add new device

- Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Hình 1.11: Chọn loại CPU

- Bước 7: CPU được hiện ra

- Ứng dụng: Binary I/O, Bit of memory

- Định nghĩa vùng: Bảng Tag của PLC

- Miêu tả: Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép

 Tag Local

- Phạm vi ứng dụng: Giá trị chỉ được ứng dụng trong khối được khai báo, mô tảtương tự có thể được sử dụng trong các khối khác nhau cho các mục đích khácnhau

- Ứng dụng: Tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời

- Định nghĩa vùng: Khối giao diện

- Miêu tả: Tag được đại diện bằng dấu #

 Sử dụng Tag trong hoạt động

Hình 1.13: Sử dụng Tag

- Layout: Bảng tag PLC chứa các định nghĩa của các Tag và các hằng số có giá trịtrong CPU Một bảng tag của PLC được tự động tạo ra cho mỗi CPU được sửdụng trong project

- Colum: mô tả biểu tượng có thể nhấp vào để di chuyển vào hệ thống hoặc có thểkéo nhả như một lệnh chương trình

- Name: chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU

- Data type: kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag

- Address: địa chỉ của tag

- Retain: khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại

- Comment: comment miêu tả của tag

Nhóm tag: tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table

Ngoài ra còn có một số chức năng sau:

- Lỗi tag

- Giám sát tag của PLC

- Hiện / ẩn biểu tượng

- Đổi tên tag: Rename tag

- Đổi tên địa chỉ tag: Rewire tag

Hình 1.14: Tạo nhóm Tag

1.3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA PLC S7-1200

 Ngôn ngữ lập trình LAD:

Hình 1.15: Ngôn ngữ lập trình LADLAD là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa Sự hiển thị được dựa trên các

sơ đồ mạch điện Các phần tử của một sơ đồ mạch điện, như các tiếp điểmthường đóng hay thường mở, và các cuộn dây được nối với nhau để tạo thànhcác mạng Để tạo ra sơ đồ logic cho các thực thi phức tạp, ta có thể chèn vào cácnhánh để tạo ra các mạch logic song song Các nhánh song song được mở ratheo hướng xuống hay được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu Ta kết thúccác nhánh theo hướng lên trên

Cần chú ý đến các quy tắc sau đây khi tạo ra một mạng LAD

- Mỗi mạng LAD phải kết thúc bằng một cuộn dây hay một lệnh dạng hộp Khôngđược kết thúc một mạng với cả lệnh so sánh (Compare) hay lệnh phát hiện

Hình 1.16: Lỗi chương trình

- Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch

 Ngôn ngữ lập trình FBD:

Hình 1.17: Ngôn ngữ lập trình FBDGiống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngôn ngữ lập trìnhkiểu đồ họa Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồhọa sử dụng trong đại số Boolean

Các hàm toán học và các hàm phức khác có thể được thể hiện một cáchtrực tiếp trong sự kết hợp với các hộp logic Để tạo ra logic cho các vận hànhphức tạp, ta chèn các nhánh song song giữa các hộp

- Các hộp FBD: AND, OR và XOR:

Trong lập trình FBD, các mạng tiếp điểm LAD được chuyển đổi thành cácmạng dùng các khối logic AND (&), OR (> = 1) và OR loại trừ (XOR) mà ta cóthể chỉ rõ các giá trị bit cho các ngõ vào và ngõ ra của hộp Ta còn có thể kết nốiđến các hộp logic khác và tạo ra một tổ hợp liên hợp logic riêng Sau khi hộp

được đặt trong mạng, ta có thể kéo công cụ “Insert binary input” từ thanh công

cụ “Favorites” hay từ cây lệnh và sau đó thả nó lên trên phía đầu vào của hộp đểthêm nhiều ngõ vào Ta còn có thể nhấp chuột phải lên bộ kết nối ngõ vào củahộp và chọn “Insert input”

Các ngõ vào và ngõ ra của hộp có thể được kết nối đến một hộp logic khác, hay

ta có thể nhập vào một địa chỉ bit hay tên ký hiệu bit đối với một ngõ vào chưađược kết nối Khi lệnh trong hộp được thực thi, trạng thái ngõ vào hiện tại được

áp dụng cho mạch logic hộp nhị phân và nếu đúng thì ngõ ra của hộp sẽ là đúng

Hình 1.18: Các lệnh logic+ Thông số: IN1, IN2

+ Kiểu dữ liệu: Bool

+ Miêu tả: Bit ngõ vào

+ Tất cả các ngõ vào của hộp AND phải là “TRUE” để ngõ ra là “TRUE”+ Bất kỳ ngõ vào nào của hộp OR phải là “TRUE” để ngõ ra là “TRUE”.+ Một số lẻ các ngõ vào của hộp XOR phải là “TRUE” để ngõ ra là

“TRUE”

- Hộp gán ngõ ra (FBD)

Phép gán ngõ ra Phép gán ngõ ra đảo Phép gán ngõ ra với ngõ rađảo

+ Miêu tả: Bit được gán giá trị.

+ Nếu tín hiệu vào của hộp ngõ ra là 1, bit OUT được đặt lên 1

+ Nếu tín hiệu vào của hộp ngõ ra là 0, bit OUT được đặt về 0

+ Nếu tín hiệu vào của hộp ngõ ra đảo là 1, bit OUT được đặt về 0

+ Nếu tín hiệu vào của hộp ngõ ra đảo là 0, bit OUT được đặt lên 1

+ Khi SET_BF được kích hoạt, một giá trị dữ liệu bằng 1 được gán cho

“n” bit bắt đầu tại địa chỉ OUT Khi SET_BF không được kích hoạt, địa chỉOUT không bị thay đổi

+ RESET_BF ghi một giá trị dữ liệu bằng 0 đến “n” bit bắt đầu tại địa chỉOUT Khi RESET_BF không được kích hoạt, địa chỉ OUT không bị thay đổi

+ Những lệnh này phải là lệnh nằm về bên phải trong một nhánh

- RS và SR: các mạch chốt của bit set trội và reset trội:

RS là một mạch chốt set trội mà set chiếm ưu thế Nếu tín hiệu set (S1) vàreset (R) đều là đúng, địa chỉ ngõ ra OUT sẽ bằng 1

SR là một mạch chốt reset trội mà reset chiếm ưu thế Nếu tín hiệu set (S)

và reset (R1) đều là đúng thì địa chỉ ngõ ra OUT sẽ là 0