Đồ án giới thiệu về PLC, Nghiên cứu phần mềm Wincc và giao tiếp với máy tính. Đồ án xây dựng sơ đồ khổi cho chương trình trên PLC và thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính.
LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật phát triển góp phần đáng kể việc nâng cao chất lượng sống người Rất nhiều ứng dụng khoa học sử dụng rộng rãi, giúp người làm việc hiệu Trong đó, phải kể đến nhiều đóng góp ngành điện, điện tử Sự đời thiết bị số lập trình có vai trị quan trọng phát triển ngành Đặc biệt PLC, thiết bị điều khiển khả trình, ứng dụng rộng rãi ngành điều khiển nhà máy thủy, nhiệt điện, sản xuất xi măng, … Một ứng dụng nhỏ PLC sống điều khiển hệ thống bơm nước tự động Giúp cho hộ gia đình, khu chung cư, trạm tưới tiêu tự động điều tiết lượng nước bồn Hệ thống giao tiếp với PC, việc điều khiển, giám sát máy tính tiện lợi nhiều cho người sử dụng Chính điều mà em chọn đề tài “ Hệ thống giám sát cấp nước tự động” làm đồ án học phần Nội dung đồ án gồm chương sau: Chương Tổng quan PLC S7-200 Chương Giám sát hệ thống wincc Chương Thiết kế mơ hình -1- Chương TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 1.1 Giới thiệu chung PLC viết tắt Programmable Logic Controller, thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định hay kiện đếm Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục “lặp” chương trình “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình Để khắc phục nhược điểm điều khiển dùng dây nối ( điều khiển Relay) người ta chế tạo PLC nhằm thỏa mãn yêu cầu sau : + Lập trình dể dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học + Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa + Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp + Hồn tồn tin cậy mơi trường cơng nghiệp + Giao tiếp với thiết bị thơng minh khác như: máy tính, nối mạng, mơ Module mở rộng + Giá cạnh tranh Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng Relay dây nối Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dể dàng cho PLC mà bảo đảm tốc độ xử lý giá cả… Chính điều gây quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch… sau chức làm tốn máy tính… Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều Trong PLC, phần cứng CPU chương trình đơn vị cho trình điều khiển xử lý hệ thống Chức mà điều khiển cần thực -2- xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức qui trình cơng nghệ, ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý so với dây nối hay Relay 1.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7-200 1.2.1 Cấu trúc bên ngoài PLC - S7-200 PLC Step thuộc họ Simatic hãng Siemens sản xuất Đây loại PLC hỗn hợp vừa đơn khối vừa đa khối Cấu tạo loại PLC đơn vị sau ghép thêm Module mở rộng phía bên phải, có Module mở rộng tiêu chuẩn Hình dáng bên ngồi PLC S7-200 hình 1.1 Chân cắm cổng Chân cắm cổng vào Các đèn trạng thái: SF (đèn đỏ): Báo hiệu hệ thống bị hỏng RUN (đèn xanh): Chỉ định PLC chế độ làm việc STOP (đèn vàng): Chỉ định PLC chế độ dừng Đèn xanh cổng vào định trạng thái tức thời cổng vào Cổng truyền thông Đèn xanh cổng định trạng thái tức thời cổng Cơng tắc -3- Hình 1.1: Hình khối mặt phía trước PLC 1.2.2 Chế độ làm việc Công tắc chọn chế độ làm việc có ba vị trí: + RUN: cho phép PLC thực chương trình nhớ PLC tự chuyển trạng thái STOP máy có cố, chương trình gặp lệnh STOP, chạy nên quan sát trạng thái thực PLC theo đèn báo + STOP: Cưỡng PLC dừng công việc thực hiện, chuyển trạng thái nghỉ chế độ PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình nạp chương trình + TERM: Cho phép PLC tự định chế độ làm việc (hoặc RUN STOP) Chỉnh định tương tự: Núm điều chỉnh tương tự đặt nắp đậy cạnh cổng ra, núm điều chỉnh tương tự cho phép điều chỉnh tín hiệu tương tự, góc quay 2700 Pin nguồn nuôi nhớ: Nguồn pin tự động chuyển sang trạng thái tích cực dung lượng nhớ bị cạn kiệt thay để liệu không bị Cổng truyền thông: S7-200 sử dụng truyền thơng nối tiếp RS 485 với phích cắm chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình với PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI 9600 boud -4- 1.2.3 Các chân cổng truyền thông Nối đất 24v DC Hình 1.2 Cổng truyền thông S7-200 Truyền nhận liệu Không dùng Đất 5v DC (điện trở 100Ω) 24v DC (120 mA) Truyền nhận liệu Không dùng 1.2.4 Một số thông số kĩ thuật S7-200 CPU22x Bảng 1.1 Một số thông số kĩ thuật S7-200 1.2.5 Các module vào mở rộng CPU 214 cho phép mở rộng nhiều Module Các module mở rộng tương tự mở rộng cổng vào PLC cách ghép nối thêm vào -5- module mở rộng phía bên phải CPU, làm thành móc xích Địa vị trí module xác định kiểu Sau địa số module mở rộng CPU214 Bảng 1.2 Địa chỉ module mở rộng 1.3 Cấu trúc nhớ PLC S7-200 Bộ nhớ S7-200 chia thành vùng nhớ với tụ điện có nhiệm vụ trì liệu khoảng thời gian định nguồn Bộ nhớ S7-200 có tính động cao, ghi tồn vùng, loại trừ bít nhớ đặt biệt SM (Special memory) truy cập Hình 1.3 Cấu trúc nhớ S7-200 1.3.1 Vùng nhớ chương trình Vùng nhớ chương trình miền nhớ sử dụng để lưu giữ lệnh chương trình Vùng thuộc kiểu khơng đổi (non-volatile) đọc / ghi -6- 1.3.2 Vùng tham số Vùng tham số lưu giữ tham số như: từ khoá, địa trạm vùng thuộc vùng không đổi đọc / ghi 1.3.3 Vùng liệu Vùng liệu để cất liệu chương trình gồm kết phép tính, số chương trình vùng liệu miền nhớ động, truy nhập theo bit, byte, từ (word) từ kép Vùng liệu chia thành vùng nhớ nhỏ với công dụng khác Chúng ký hiệu chữ đầu theo từ tiếng Anh, đặt trưng cho công cụ riêng chúng sau: V : Variable Memory I : Input image register O : Output image regiter M : Internal Memory bits SM : Special Memory bits 1.3.4 Địa chỉ vùng nhớ S7-200 CPU 224 - Đầu vào (Input): I0.0→I0.7; I1.0→I1.5; I2.0→I2.7 - Đầu (Output): Q0.0→Q0.7; Q1.0→Q1.1 - Bộ đệm ảo đầu vào: I0.0→I15.7 (128 đầu vào) - Bộ đệm ảo đầu ra: Q0.0→Q15.7 (128 đầu ra) - Đầu vào tương tự: AIW0→AIW62 - Đầu tương tự: AQW0→AQW62 - Vùng nhớ V: VB0→VB5119 - Vùng nhớ L (địa phương) LB0→LB63 - Vùng nhớ M: M0.0→M31.7 - Vùng nhớ SM: SM0.0→549.7 SM0.0→SM29.7 (read-only) -7- - Vùng nhớ Timer: T0→T255 - Vùng nhớ Counter: C0→C255 - Vùng nhớ đếm tốc độ cao: HC0→HC5 - Vùng nhớ trạng thái (Logic tuần tự): S0.0→S31.7 - Vùng nhớ ghi tổng: AC0→AC3 - Khả quản lý Label: 0→255 - Khả quản lý chương trình con: 0→63 - Khả mở rộng chương trình ngắt: 0→127 1.3.5 Truy cập liệu vùng nhớ S7-200 1.3.5.1 Truy cập theo bit 1.3.5.2 Truy cập theo byte 1.3.5.3 Truy cập theo word (từ) -8- 1.3.5.4 Truy cập theo Double word ( Từ kép) 1.4 Tập lệnh S7-200 1.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Trong S7-200 cho phép lựa chọn ngơn ngữ lập trình: - Ngơn ngữ LADDER (LAD) - Ngôn ngữ STL - Ngôn ngữ FBD ngơn ngữ mặt hình thức chuyển đổi lẫn cho Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình tuỳ theo thói quen, sở thích kinh nghiệm người sử dụng 1.4.1.1 Ngôn ngữ LADDER Là ngơn ngữ lập trình đồ hoạ dựa sở sơ đồ trang bị điện, việc kết nối lập trình đồ hoạ giống với việc thiết lập sơ đồ relay-contactor Một chương trình nguồn viết LAD tổ chức thành network, network thực cơng việc nhỏ S7-200 đọc chương trình từ xuống dưới, từ trái qua phải, sau lặp lại vịng qt -9- Ví dụ ngơn ngữ LADDER 1.4.1.2 Ngôn ngữ STL Là ngôn ngữ lập trình dạng Text gần giống với lập trình hợp ngữ vi điều khiển vi xử lý, ngôn ngữ mạnh cho phép tạo chương trình mà LAD FBD khó tạo Một chương trình viết dạng STL tổ chức thành network, network thực công việc nhỏ S7-200 đọc chương trình từ xuống dưới, sau lặp lại vịng qt Ví dụ ngôn ngữ STL 1.4.1.3 Ngôn ngữ FBD Là ngơn ngữ lập trình đồ hoạ dựa sở kết nối khối hàm, sử dụng ký hiệu logic giống với đại số boolean Các hàm toán học phức tạp thể dạng khối với đầu vào đầu thích hợp S7-200 đọc chương trình từ xuống dưới, từ trái qua phải, sau lặp lại vịng qt Ví dụ ngôn ngữ FBD - 10 - Sau tạo nút nhấn xuất hộp thoại: Đạt tên nút nhấn Nút nhấn Lựa chọn file ảnh liên kết Liên kết với file ảnh nhấn Hình 2.14 Tạo nút nhấn • Cách lập trình nút nhấn: nhấp phải • chuột chọn Properties nút nhấn vừa tạo Hộp thoại “Objects Properties” xuất Chọn tab • “Events” >> “Button” >> “Mouse” Lập trình cho nút nhấn dùng lập trình C chọn “Mouse Action” phải chuột chọn “C-Action” • Hộp thoại “Edit Action” : Tập lệnh WinCC Kiểm tra lỗi Vùng lập trình - 23 - Hình 2.15 Lập trình nút nhấn 2.1.4 Một số lệnh thường dùng chương trình SetTagBit: Cú pháp: Bool SetTagBit(Tag Tag_Name, short int value) Nội dung: Định giá trị cho Tag có kiểu liệu Binary SetTagByte Cú pháp: Bool SetTagByte(Tag Tag_Name, byte value) Nội dung: Định giá trị cho Tag có kiểu liệu bit SetTagSByte Cú pháp: Bool SetTagSByte(Tag Tag_Name, signed char value) Nội dung: Định giá trị cho Tag có kiểu liệu bit có dấu Tương tự có hàm SetTagWord, SetTagDWord GetTagBit Cú pháp: Bool GetTagBit(Tag Tag_Name) Nội dung: Lấy giá trị Tag có kiểu liệu Binary GetTagByte Cú pháp: Bool GetTagByte(Tag Tag_Name) Nội dung: Lấy giá trị Tag có kiểu liệu bit GetTagSByte Cú pháp: Bool GetTagBit(Tag Tag_Name) Nội dung: Lấy giá trị Tag có kiểu liệu bit có dấu Tương tự có hàm GetTagWord, GetTagDWord Các hàm điều khiển thường dùng: Thoát khỏi Runtime: Cú pháp: Bool DecactivateRTProject() Nội dung: Thoát khỏi chương trình WinCC chạy Runtime Thốt khỏi WinCC: Cú pháp: Bool ExitWinCC() Nội dung: Thốt khỏi chương trình WinCC, kể WinCC Explorer Các hàm xử lý tính tốn: - 24 - Các hàm tính tốn bit: Tạo thực thi vùng nhập/xuất liệu (I/O Field): Trong bảng đối tượng điều khiển vào “Smart Objects” chọn vào biểu tượng “Button” Sau tạo vùng nhập/xuất liệu xuất hộp thoại: Liên kết với biến cần nhập/xuất liệu Thời gian cập nhật giá trị vào biến I/O Field Thiết lập kiểu I/0 nhập xuất hai Định dạng kiểu, màu cỡ chữ Hình 2.16 Thiết lập I/O - 25 - - WinCC (Windows Control Center) phần mền tích hợp giao diện cho phép kết hợp phần mền điều khiển với q trình tự động hóa Những thành phần dễ sử dụng WinCC giúp tích hợp ứng dụng hoặt có sẵn mà khơng gặp trở ngại - Đặt biệt, với WinCC, người sử dụng tạo giao diện điều khiển giúp quan sát hoạt động trình tự động hóa cách dàng - Phần mền trao đổi liệu trực tiếp với nhiều loại PLC hãng khác Siemen, Mitsubishi, Allen Bradley, vv…nhưng đặt biệt truyền tốt với PLC hãng Siemens Nó cài đặt máy tính giao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 COM2 (chuẩn RS-232) máy tính Do đó, cần có chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 PLC - WinCC cịn có đặt điểm đặt tính mở Nó sử dụng cách dễ dàng với phần mềm chuẩn phần mền người sủ dụng, tạo giao diện người- máy đáp ứng nhu cầu thực tế cách xác Những nhà cung cấp hệ thống phát triển ứng dụng họ thơng qua giao diện mở rộng WinCC tảng để mở rộng hệ thống - Ngoài khả thích ứng cho việc xây dựng hệ thống có qui mơ lớn nhỏ khác nhau, WinCC dễ dàng tích hợp với ứng dụng có qui mơ tồn cơng ty việc tích hợp với hệ thống cấp cao WinCC sử dụng sở qui mơ tồn cầu nhờ hệ thống trợ giúp Siemens có mặt khắp giới 2.2 Giao tiếp PC và PLC Đồ án thực giao tiếp PC PLC qua cáp Siemens PLC USB/MPI/PPI + V4.0 USB to RS485 Adapter for Siemens S7-200/300/400 Giao diện giám sát hệ thống thiết kế phần mềm Wincc v7.0 Sự kết nối Wincc S7-200 thực thông qua phần mềm PC access v1.0 - PC ACCESS báo trạng thái kết liên kết PLC S7-200 WINCC • Nếu Good việc liên kết thành cơng • Nếu Bad việc liên kết chưa thành cơng - 26 - Hình 2.17 Trạng thái kết liên kết PLC S7-200 và WINCC Các bước tiến hành với PC ACCESS Bước 1: Khởi động PC ACCESS Bước 2: Cấu hình cho PC ACCESS ,tạo new project Hình 2.18 Cấu hình cho PC ACCESS Sau xuất bảng set PG/PC Interface - 27 - Hình 2.18 Set PG/PC Interface Vì cáp sử dụng PPI nên ta chọn hình Bước 3: Tạo Item (File/Import Symbol) Hình 2.19 Tạo Item Vào thư mục lưu file save chương trình STEP Hình 2.20 Lưu file save chương trình STEP Sau ta tạo Item, SAVE lại Hình 2.21 Các Item được tạo Chú ý name đặt symbol tab tương ứng item tạo - 28 - 2.3 Thiết kế giao diện giám sát hệ thống Giao diện giám sát hệ thống bơm nước tự động thiết kế hình vẽ Thơng qua giao diện này, giám sát mực nước hệ thống bồn Khi mức nước mức 1, cảm biến hiển thị hình máy bơm hoạt động để bơm nước vào bồn Trên hình quan sát thấy hình ảnh máy bơm nhấp nháy Nếu có cố q tải cho máy bơm đó, khơng hoạt động hình khơng xuất hình ảnh máy bơm đó, đồng thời đèn báo hiệu bên cạnh máy bơm có màu đỏ để báo hiệu cho Khi nước đầy bồn cảm biến tác động, gửi thơng báo hình qua button CB2 Hình 2.22 Giao diện giám sát hệ thống - 29 - CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3.1 Giới thiệu Mơ hình hệ thống bơm nước tự động xây dựng để điều khiển động bơm nước vào bồn chứa Hệ thống gồm cảm biến hồng để phát nước đạt mức ngưỡng Trong đồ án này, hệ điều khiển sử dụng PLC S7200 CPU 224 hãng Simens Hệ thống kết nối với PC qua giao diện phần mềm WinCC V7.0 NGUỒN CUNG CẤP KHỐI NÚT NHẤN KHỐI RELAY KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (PLC) KHỐI CẢM BIẾN MÁY BƠM ĐÈN BÁO HIỆU PC Hình 3.1 Sơ đờ khối hệ thống 3.2 Sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc 3.2.1 Sơ đờ cơng nghệ Hình 3.2 Sơ đờ giao diện điều khiển hệ thống - 30 - Sơ đồ công nghệ hệ thống bơm nước tự động mơ tả Wincc hình Ngun lý vận hành, điều khiển hệ thống sau: 3.2.2 Nguyên lý điều khiển Nhấn nút START: Chế độ tự động: Nhấn nút Auto Hệ thống bắt đầu làm việc Bộ điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến CB1, CB2 để xác định mức nước bồn Nếu mức nước cảm biến CB1 máy bơm hoạt động để bơm nước vào bồn CB2 phát mức nước đầy bồn Nếu khởi động mà mức nước mức đặt CB1 máy bơm chưa hoạt động Khi bơm nước vào bồn, động bị tải động lại tiếp tục bơm nước vào bồn CB2 phát nước đầy bồn Chế độ điều khiển tay: Nhấn nút Manual - Nhấn nút DK_DC1: Động hoạt động nước đầy bồn ( cảm biến CB2 phát hiện) - Nhấn nút DK_DC2: Động hoạt động nước đầy bồn ( cảm biến CB2 phát hiện) 3.3 Thuật toán điều khiển 3.3.1 Thuật tốn chương trình BEGI N N O STAR T=1? YE S AUT O=1? N O YE S YE S CHẾ ĐỘ MANUAL MANU AL=1? N O CHẾ ĐỘ AUTO N O STOPP= 1? YE S END - 31 - 3.3.2 Thuật tốn chương trình AUTO AUTO NO CB1 = ? YES DC1=1 DC2=1 NO CB2 = ? YES DC1=0 DC2=0 END 3.3.3 Thuật tốn chương trình MANUAL MANUA L ĐKDC1 =1 DC1 = DKDC2 =1 DC2 = END - 32 - 3.4 Chương trình điều khiển Chương trình chính: Chương trình 1: Chế độ tự động - 33 - Chương trình 2: Chế độ điều khiển tay - 34 - KẾT LUẬN Đồ án thực yêu cầu thiết kế ban đầu Dưới phân công, hướng dẫn Thầy GV Nguyễn Phú Công, em nghiên cứu: Về lý thuyết: - PLC S7-200 hãng Simens - Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình Lab - Nghiên cứu phần mềm điều khiển hệ thống Wincc v7.0 giao tiếp với S7-200 qua PC Access V1.0 Về phần thi cơng mơ hình: Đồ án xây dựng thành công hệ thống giám sát cấp nước tự động từ PC qua giao diện wincc Kết mơ hình hoạt động yêu cầu thiết kế ban đầu Hướng phát triển mơ hình hệ thống nâng cấp PLC S7-300, thay cáp giao tiếp PC – PLC cáp mạng để đáp ứng hệ thống nhanh chóng hơn, công nghệ đại - 35 - MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 1.1.Giới thiệu chung 1.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7-200 Chương GIÁM SÁT HỆ THỐNG BẰNG WINCC 17 2.1 Tổng quan wincc .17 2.2 Giao tiếp PC PLC 26 Đồ án thực giao tiếp PC PLC qua cáp Siemens PLC USB/MPI/PPI + V4.0 USB to RS485 Adapter for Siemens S7-200/300/400 Giao diện giám sát hệ thống thiết kế phần mềm Wincc v7.0 Sự kết nối Wincc S7-200 thực thông qua phần mềm PC access v1.0 26 2.3 Thiết kế giao diện giám sát hệ thống 29 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH 30 3.1 Giới thiệu .30 3.2 Sơ đồ công nghệ nguyên lý làm việc 30 3.3 Thuật toán điều khiển 31 3.4 Chương trình điều khiển 33 KẾT LUẬN .35 - 36 -