Thiết kế và thi công cân đa năng phục vụ cho việc kiểm khám sức khỏe và định lượng đồ vật điều kiện và giám sát bằng PLC s7 1200 và HMI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ  SVTH: HUỲNH THẾ CƯƠNG Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐA NĂNG PHỤC VỤ CHO VIỆC KIẾM KHÁM SỨC KHỎE VÀ ĐỊNH LƯỢNG ĐỒ VẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG PLC S71200 VÀ HMI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS NGUYỄN HOÀI BÃO Khánh Hòa – 2017 ii ii i LỜI CẢM ƠN Kính thưa: - Ban giám hiệu trường Đại Học Nha Trang - Thầy cô khoa Điện – Điện tử Trải qua bốn năm học tập đầy căng thẳng thú vị, bảo dạy dỗ tận tình thầy cô khoa thầy cô trường giúp chúng em tích lũy nhiều kiến thức tảng quý giá trước hòa nhập xã hội Em xin chân thành cảm ơn thầy T.S Trần Tiến Phức – Trưởng khoa Điện– Điện tử tạo điều kiện cho phép em thực đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn cô Th.S Nguyễn Thị Ngọc Soạn thầy Nguyễn Hoài Bão tận tình bảo giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô khoa Điện – Điện tử giúp đỡ nhiệt tình thời gian qua Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, hạn chế kiến thức kỹ thực tế nên đồ án nhiều thiếu sót Em kính mong thầy cô bạn bè có ý kiến đóng góp quý báu để kiến thức lĩnh vực hoàn thiện Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô khoa Điện – Điện tử thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh tốt đẹp truyền đạt kiến thực cho hệ mai sau Em xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, tháng năm 2017 Sinh viên thực Huỳnh Thế Cương i ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG I TỔNG QUAN .1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .1 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn đề tài 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU PLC S7-1200 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200 2.1.1.3 Các module truyền thông 2.1.2 Vòng quét chương trình PLC 2.1.3 Các chế độ hoạt động CPU 2.2 GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI 2.2.1 HMI khái niệm 2.2.2 Các thiết bị HMI đại .10 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13 .10 2.3.1 Sơ lược phần mềm 10 2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 12 2.4 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ .23 2.4.2 Khái niệm cấu tạo cân đa 23 ii iii 2.4.3 Ứng dụng cân điện tử đời sống 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 25 3.1 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CƠ KHÍ 25 3.1.1 3.2 Thiết kế mô hình 25 Thi công cân .26 3.2.1 Thước đo chiều cao 27 3.2.2 Màn hình hiển thị .27 3.2.3 Thân Cân 27 3.2.4 Bàn cân .28 3.2.5 Bộ phận phát âm 29 3.3 SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .31 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 31 3.3.2 Sơ đồ kết nối .32 CHƯƠNG LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CÂN ĐA NĂNG .34 4.1 LẬP TRÌNH CHO PLC S7-1200 .34 4.1.1 Sơ đồ thuật toán .34 4.1.2 Phân định địa vào 34 4.1.3 Viết chương trình điều khiển 37 4.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO HMI 48 4.2.1 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 48 4.2.2 Các bước thiết kế giao diện HMI dùng TIA PORTAL V13 .49 4.2.3 ứng Thiết kế hình HMI với chức đặc biệt tương 52 4.3 Các bước tải chương trình xuống HMI 65 4.4 Tải chương trình HMI phòng trường hợp hư hỏng hay gãy chương trình 67 4.5 Lỗi thường gặp dành cho HMI sử dụng 68 4.6 Code dùng arduino để phát nhạc theo ý muốn .69 4.6.1 Điều kiện phát nhạc 69 4.6.2 Chương Trình lập trình Arduino 70 iii iv 4.7 Tinh chỉnh cho khuếch đại tín hiệu cảm biến 73 4.8 Nguyên lý hoạt động 74 4.9 Phương pháp vận hành, điều khiển sản phẩm 74 4.9.1 Chế độ cân sức khỏe .74 4.9.2 Chế độ cân vật 77 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 79 Kết luận 79 Hướng phát triển 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 iv v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 PLC S7-1200 Hình 2.2 PLC S7-1200 bảng tín hiệu Hình 2.3 PLC module tín hiệu Hình 2.4 PLC module truyền thông .6 Hình 2.5 Màn hình giám sát HMI .9 Hình 2.6 Cửa sổ Portal view 12 Hình 2.7 Cửa sổ Overview 13 Hình 2.8 Cửa sổ Devices and networks 14 Hình 2.9 Online & diagnostics 16 Hình 2.10 Cửa sổ Main OB1 16 Hình 2.11 Sơ đồ xây dựng Project 17 Hình 2.12 Cửa sổ “Create new project” 18 Hình 2.13 Thêm thiết bị PLC 18 Hình 2.14 Lựa chọn CPU 19 Hình 2.15 Cửa sổ Main[OB1] 19 Hình 2.16 Mạng LAD sai quy tắc 20 Hình 2.17 Ví dụ lập trình FBD 21 Hình 2.18 Cảm biến lực (loadcell) 23 Hình 2.19 Màn hình hiển thị 23 Hình 2.20 Cân dùng y tế .24 Hình 3.2 Bàn cân y tế .26 Hình 3.4 Màn hình hiển thị .27 Hình 3.5 Thân cân 28 Hình 3.6 Bàn cân .28 Hình 3.7 Arduino Uno R3 .29 Hình 3.8 Modun SD cad adapter 29 Hình 3.9 Loa DC 5V 3W x 30 Hình 3.13 Cân đa 30 Hình 3.10 Sơ đồ chân cảm biến .32 Hình 3.12 Sơ đồ kết nối 33 v vi Hình 4.1 Tạo Block 38 Hình 4.2 Cửa sổ tạo Block 38 Hình 4.3 Cài đặt thông số block 39 Hình 4.4 IN - K1 & K2-K1 & HI-LO .40 Hình 4.6 AIREAL = TEMP5 + LOLim 41 Hình 4.7 Hàm analog vừa tạo 41 Hình 4.8 Thêm thiết bị HMI vào dự án 49 Hình 4.9 Kết nối HMI với PLC .50 Hình 4.10 Root screen tạo xong .50 Hình 4.11 Thanh công cụ vẽ 51 Hình 4.12 Màn hình Template_1 52 Hình 4.13 Màn hình bắt đầu 52 Hình 4.14 Tab Element 53 Hình 4.15 Chọn thuộc tính cho hình .53 Hình 4.16 Chọn invisible cho button 53 Hình 4.17 Chọn hotkey 54 Hình 4.18 Event button .54 Hình 4.19 Tag PLC 55 Hình 4.20 tab cài đặt chuyển hình 55 Hình 4.21 Chọn hình muốn chuyển 56 Hình 4.22 Màn hình chọn chế độ .56 Hình 4.23 Tab Basic objects 57 Hình 4.24 Tag Basic objects 57 Hình 4.25 Chọn hình ảnh cho button 57 Hình 4.26 Các bước gán hình cho button 58 Hình 4.27 Cài đặt chuyển hình cho button 59 Hình 4.28 Màn hình nhập chiều cao .59 Hình 4.29 Cài đặt hình ảnh cho button 60 Hình 4.30 Chọn hình ảnh cho button 60 Hình 4.31 Cài đặt input cho ô nhớ 60 Hình 4.32 Liên kết ô nhớ 61 vi vii Hình 4.33 Cài đặt chuyển hình 61 Hình 4.34 Màn hình hiển thị tình trạng thể 62 Hình 4.35 Tab Basic objects 62 Hình 4.36 Cài đặt nhấp nháy 63 Hình 4.37 Cài đặt chức cho button 63 Hình 4.38 Màn hình thể cân đối 63 Hình 4.39 Màn hình thể ốm 64 Hình 4.40 Màn hình thể mập 64 Hình 4.41 Màn hình thể béo 64 Hình 4.42 Màn hình thể cực béo 65 Hình 4.43 Màn hình chế độ cân .65 Hình 4.44 Kết nối HMI thành công 66 Hình 4.45 Kết thúc trình đổ chương trình HMI 66 Hình 4.46 Tìm kiếm Simatic prosave .67 Hình 4.47 Chọn dòng HMI .68 Hình 4.48 Giao diện truyền OS cho HMI .68 Hình 4.49 Cài đặt IP 69 Hình 4.50 Bộ khuếch đại Loadcell 73 Hình 4.51 Các nút vặn Bộ khuếch đại Loadcell .73 Hình 4.52 Màn hình khởi động 75 Hình 4.53 Màn hình chọn chế độ 75 Hình 4.54 Màn hình nhập chiều cao 76 Hình 4.55 Màn hình tình trạng thể 76 Hình 4.56 Màn hình thể mức ốm 77 Hình 4.57 Chọn chế độ 77 Hình 4.58 Màn hình cân vật 78 vii viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật module CPU………………………………….3 Bảng 2.2 Các module hỗ trợ……………………………………………………4 Bảng 2.3 So sánh ngôn ngữ LAD FBD…………………………………….21 Bảng 4.1 Quy định địa ngõ vào………………………………………… 32 Bảng 4.2 Quy định địa ngõ ra…………………………………………… 32 Bảng 4.3 Quy định địa biến, bit nhớ……………………………………….33 viii 66 + Nhấp chuột vào biểu tượng “Download to device”, đợi lúc cửa sổ “Extended download to device ” xuất hiện, máy tự động dò tìm thiết bị để kết nối Hình 4.44 Kết nối HMI thành công + Sau kết nối HMI thành công, nhấn vào “Load” để đổ chương trình xuống HMI Sẽ xuất cửa sổ “Load preview”, đợi compiling xong, nhấn check vào “Overwrite all” sau nhấn “Load” cuối nhấn “Finish” để kết thúc trình đổ chương trình cho HMI Hình 4.45 Kết thúc trình đổ chương trình HMI Đồ Án Cân Điện Tử 67 - Kết nối HMI với PLC: Để kết nối HMI với PLC, ta cắm cáp internet vào hai thiết bị thông qua cổng Profinet Chỉ cần cắm cáp vào đợi vài giây HMI tự kết nối tới PLC S7-1200 mô hình Kết giám sát hoạt động hệ thống thông qua hình giám sát HMI yêu cầu Đồng thời điều khiển nút nhấn có Root Creen có HMI 4.4 Tải chương trình HMI phòng trường hợp hư hỏng hay gãy chương trình Bước : Dùng Simatic prosave có sẳn ta cài TIA V13 Chương trình tích hợp chức liên quan đến lỗi IP hay lỗi OS HMI Hình 4.46 Tìm kiếm Simatic prosave Bước : Giao diện Tool Chọn loại HMI ta dùng Đồ Án Cân Điện Tử 68 Hình 4.47 Chọn dòng HMI Bước : Chuyển qua tab OS update, Chọn đường dẫn tới chương trình muốn đổ vào HMI theo version Lật mặt sau HMI xem số địa MAC để nhập cho vào phần mềm.Sau bấm Divece Status để xác nhận đường truyền.Cuối OK để chương trình nạp vào Nên nhớ khởi động lại HMI hẵn truyền code Hình 4.48 Giao diện truyền OS cho HMI 4.5 Lỗi thường gặp dành cho HMI sử dụng Khi sử dụng HMI gặp lỗi không kết nối với HMI Nguyên nhân đồng địa IP, HMI, phần mềm Bước : Chọn IP v4 máy 192.168.0.1 Đồ Án Cân Điện Tử 69 Hình 4.49 Cài đặt IP Bước : Cài đặt IP HMI thông qua Control panel có HMI 192.168.0.2 Bước : Lúc truyền code đồng thời phải đạt điều kiện nhấn Connect Hotspot HMI 4.6 Code dùng arduino để phát nhạc theo ý muốn 4.6.1 Điều kiện phát nhạc Trước tiên cần phải download thư viện hỗ trợ: thư viện SD, Thư viện SPI thư viện TRMpcm Bắt đầu cách đọc phát file âm từ thẻ SD thông qua Arduino phải đảm bảo thẻ SD có sẵn file âm cần phái Lưu ý play nhạc wav lưu dạng 8-bit Có nghiã cần phải đổi định dạng đuôi file âm từ MP3 sáng WAV Ví dụ đổi đuôi phần mềm Đồ Án Cân Điện Tử 70 4.6.2 Chương Trình lập trình Arduino Phần mềm chuyên dụng cho Arduino IDE Code để thực chương trình sau : #include #define SD_ChipSelectPin 10 //CS #include #include TMRpcm tmrpcm; int button1 = 7; int button2 = 6; int button3 = 5; int button4 = 4; int button5 = 3; void setup() { pinMode(button1,INPUT_PULLUP); pinMode(button2,INPUT_PULLUP); pinMode(button3,INPUT_PULLUP); pinMode(button4,INPUT_PULLUP); Đồ Án Cân Điện Tử 71 pinMode(button5,INPUT_PULLUP); tmrpcm.speakerPin = 9; Serial.begin(9600); if (!SD.begin(SD_ChipSelectPin)) { Serial.println("SD fail"); return; } } void loop() { int buttonStatus1 = digitalRead(button1); int buttonStatus2 = digitalRead(button2); int buttonStatus3 = digitalRead(button3); int buttonStatus4 = digitalRead(button4); int buttonStatus5 = digitalRead(button5); if (buttonStatus1 == LOW) { Đồ Án Cân Điện Tử 72 tmrpcm.play("1.wav"); } if (buttonStatus2 == LOW) { tmrpcm.play("2.wav"); } if (buttonStatus3 == LOW) { tmrpcm.play("3.wav"); } if (buttonStatus4 == LOW) { tmrpcm.play("4.wav"); } if (buttonStatus5 == LOW) { tmrpcm.play("5.wav"); } Đồ Án Cân Điện Tử 73 4.7 Tinh chỉnh cho khuếch đại tín hiệu cảm biến Do có nhiều loại Loadcell thị trường có thông số khác nên lần thay đổi Loadcell ta phải tinh chỉnh lại để nâng cao độ xác Hình 4.50 Bộ khuếch đại Loadcell Trên khuếch đại có Nút vặn biến trở ZERO GAIN, nút nhấn màu đỏ Hình 4.51 Các nút vặn Bộ khuếch đại Loadcell Trong : - Nút ZERO có tác dụng điều chỉnh chế độ không tải, Khi ta đặt vật bàn cân giá trị đáng phải Nút có tác dụng điều chỉnh giá trị lại 0Sau tinh chỉnh chế độ không tải, ta phải kiếm vật có khối lượng cụ thể đặt lên bàn cân, nút GAIN có tác dụng điều chỉnh giá trị số cân cụ thể đó, ví dụ đặt vật có khối lượng 5Kg lên bàn cân mà giá trị tính toán chỉnh có Đồ Án Cân Điện Tử 74 4.5 kg.Vậy giá trị không xác, điều cần làm điều chỉnh nút biến trở cho giá trị ngõ Kg 4.8 Nguyên lý hoạt động Cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell - plc 1200 - khuếch đại - hiển thị HMI Cơ câu hoạt động: Khi bỏ vật nặng lên mặt cân, mặt cân đè lên loadcell Khi loadcell xuất giá trị đo dạng điện áp từ đến 10m Lúc ta cần dùng đến khuếch nâng mức điện áp lên thành từ đến 10v - hệ số khuếch đại 1000 lần Sau qua khuếch đại tín hiệu điện áp đưa đên ngõ vào analog PLC S7-1200, PLC đưa tín hiệu vào hàm xử lý người dùng thiết lập sau tín hiệu tính toán sau xử lý đưa đên hàm so sánh, cộng dồn, đếm v.v Các thông số so sanh, cộng dồn hay đếm lưu vào ô nhớ Đến lúc hiển thị HMI trước tiên thiết kế nút nhấn, ô hiển thị kết đo Các nút nhân HMI kết nối Tag tên với ô nhớ PLC S7-1200 Phần hiển thị điều khiển đưa lên hình HMI Thông số loadcell xác định đơn vị la mV/V Ở ta sài loại loadcell 2mV/V có nghĩa cấp 5V ngõ vão ngõ 10 mV 4.9 Phương pháp vận hành, điều khiển sản phẩm 4.9.1 Chế độ cân sức khỏe o Khởi động hình cân Màn hình bắt đầu cân khởi động Để kích hoạt cân nhạc cần phải chạm vào hình để chuyển tiếp sang hình khác Đồ Án Cân Điện Tử 75 Hình 4.52 Màn hình khởi động o Chọn chế độ Chọn ô số để khởi động chế độ cân sức khỏe Hình 4.53 Màn hình chọn chế độ o Dùng thước để đo chiều cao nhập giá trị vào ô trống Chọn vùng số để nhập giá trị chiều cao, nhaajp dạng x.xx Ví dụ chiều cao mét nhập 1.7 vào ô giá trị Chọn vùng số để chuyển sang bước Đồ Án Cân Điện Tử 76 Chọn vùng số để hủy quay lại chọn chế độ Hình 4.54 Màn hình nhập chiều cao o Chi tiết tình trạng thể Nếu tình trạng sức khỏe người cân tình trạng thi ô tròn nhấp nháy để biểu thị Cần phải nhấn vào ô để xem chi tiết thông số thể để biết thông số thân Hình 4.55 Màn hình tình trạng thể Đồ Án Cân Điện Tử 77 Ở tương ứng với mức thể có hình tương ứng Ví dụ bạn mức ốm sau chạm vào mức ốm hình ốm Hình 4.56 Màn hình thể mức ốm Chọn tiếp tục để quay lại hình chọn chế độ 4.9.2 Chế độ cân vật o Chọn chế độ Chọn vùng để chọn chế độ cân vật Hình 4.57 Chọn chế độ Đồ Án Cân Điện Tử 78 o Các chức cân vật Bấm Save để lưu giá trị cân Hình 4.58 Màn hình cân vật Các chức chế độ cân o Hiển thị kết cân o Kết lần cân trước o Tổng khối lượng cân o Đếm số lượng theo mức tương ứng o Reset giá trị cân Đồ Án Cân Điện Tử 79 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ❖ Kết luận Sau khoảng thời gian ba tháng thực đồ án tốt nghiệp đề tài: “ Thiết kế thi công cân đa phục vụ cho việc kiểm khám sức khỏe định lượng đồ vật điều khiển giám sát PLC HMI S7 1200”, công việc hoàn thành: o Hoàn thành tiến độ thực đồ án hạn o Đã tìm hiểu vè lý thuyết S7-1200, HMI, LOADCELL o Đã thiết kế thành công hệ thống âm cho cân o Thiết kế thi công mô hình thành công o Lập trình điều khiển mô hình chạy theo yêu cầu mong muốn o Kết nối PLC S7-1200 HMI o Ngoài ra, có nhược điểm sau: o Vì lý kỹ thuật nên cảm biến đo 70kg Trên khối lượng dẫn tới dễ hư hỏng cảm biến o Âm chưa tốt o Phần cứng nhiều hạn chế : nặng, dễ trầy xước o Do thành phần chủ chốt PLC HMI nên kích thước không rút gọn tối đa ❖ Hướng phát triển - Cần có loại HMI nhỏ gọn, dễ thiết kế để tăng độ động cho cân đa - Hệ thống âm đa dạng với nhiều ngõ Đồ Án Cân Điện Tử 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Thanh Vũ (2015), Thiết lập hệ thống giám sát điều khiển thông gió tầng hầm giữ xe trường đại học Nha Trang, Đồ án tốt nghiệp, Trường đại học Nha Trang, Khánh Hòa [2] Khái niệm cân điện tử, diễn đàn buôn bán cân điện tử, ,[Truy cập lần cuối ngày: 14 tháng năm 2017] [3] Giáo trình PLC tiếng Việt , ThS Hoàng Đình, chương 4 khái niệm lập trình , chương giao tiếp profitnet , chương truyền thông http://www.slideshare.net/xuanthuy1003/lp-trnh-plc-s7-1200-ting-vitchuong-7truyn-thng-im-im,>, [Truy cập lần cuối ngày: 14 tháng năm 2017] [4] Hàm analog xử lí tín hiệu , Truy cập lần cuối ngày: 14 tháng năm 2017] Đồ Án Cân Điện Tử ... khám sức khỏe định lượng đồ vật điều khiển giám sát PLC HMI S7 1200" Đề tài ứng dụng kiến thức học tự động hóa để xây dựng mô hình mà gọi tắt cân đa để xác định khối lượng vật xác cách tối đa cho. .. RS485…) phục vụ việc quản lí, lưu trữ xử lý liệu… Dần dần vai trò cân đời sống thi u Nắm nhu cầu dó, đồ án tốt nghiệp môn hc nhóm em chọn đề tài " Thi t kế thi công cân đa phục vụ cho việc kiểm khám. .. THI U MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ .23 2.4.2 Khái niệm cấu tạo cân đa 23 ii iii 2.4.3 Ứng dụng cân điện tử đời sống 24 CHƯƠNG THI T KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 25 3.1 THI T KẾ VÀ THI CÔNG