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

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu, ứng dụng kiến thức điều khiển lập trình vào thực tế để thiết lập được một mô hình "Cân đa năng " chính xác nhất có thể.. Sau khi người dùng tải xuống một

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS NGUYỄN HOÀI BÃO

Khánh Hòa – 2017

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 và thú vị, dưới sự chỉ bảo và dạy dỗ tận tình của các thầy cô trong khoa cũng như thầy cô trong trường đã giúp chúng em tích lũy được nhiều kiến thức nền tảng quý giá trước khi hòa nhập xã hội

Em xin chân thành cảm ơn thầy T.S Trần Tiến Phức – Trưởng khoa Điện– Điện tử đã tạo điều kiện và cho phép em được thực hiện đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn cô Th.S Nguyễn Thị Ngọc Soạn và thầy Nguyễn Hoài Bão đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ em có thể hoàn thành đồ án Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong và ngoài khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian qua

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, do còn hạn chế về kiến thức cũng như kỹ năng thực tế nên đồ án còn nhiều thiếu sót Em kính mong thầy cô và bạn

bè có những ý kiến đóng góp quý báu để kiến thức trong lĩnh vực được hoàn thiện hơn Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh tốt đẹp của mình và truyền đạt kiến thực cho thế hệ mai sau

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, tháng 6 năm 2017 Sinh viên thực hiện

Huỳnh Thế Cương

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 2

1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.3.2 Giới hạn của đề tài 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 2

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2

1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

2.1 GIỚI THIỆU PLC S7-1200 1

2.1.1 Giới thiệu chung 1

2.1.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200 2

2.1.1.3 Các module truyền thông 6

2.1.2 Vòng quét chương trình của PLC 6

2.1.3 Các chế độ hoạt động của CPU 7

2.2 GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI 8

2.2.1 HMI và các khái niệm cơ bản 8

2.2.2 Các thiết bị HMI hiện đại 10

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13 10

2.3.1 Sơ lược về 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 và cấu tạo cân đa năng 23

2.4.3 Ứng dụng cân điện tử trong đời sống 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 25

3.1 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CƠ KHÍ 25

3.1.1 Thiết kế mô hình 25

3.2 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 thanh 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 4 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 chỉ vào ra 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 Thiết kế các màn hình HMI với các chức năng đặc biệt tương ứng 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 mới sử dụng 68

4.6 Code dùng trên 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

4.7 Tinh chỉnh cho bộ 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

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 PLC S7-1200 2

Hình 2.2 PLC S7-1200 và bảng tín hiệu 5

Hình 2.3 PLC và module tín hiệu 5

Hình 2.4 PLC và 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 được dùng trong 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 2 30

Hình 3.13 Cân đa năng 30

Hình 3.10 Sơ đồ chân cảm biến 32

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối 33

Hình 4.1 Tạo 1 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 được 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 được 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 màn hình 53

Hình 4.16 Chọn invisible cho button 53

Hình 4.17 Chọn hotkey 54

Hình 4.18 Event của button 54

Hình 4.19 Tag của PLC 55

Hình 4.20 tab cài đặt chuyển màn hình 55

Hình 4.21 Chọn màn hình muốn chuyển 56

Hình 4.22 Màn hình chọn chế độ 56

Hình 4.23 Tab Basic objects 1 57

Hình 4.24 Tag Basic objects 2 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 màn 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

Hình 4.33 Cài đặt chuyển màn hình 61

Hình 4.34 Màn hình hiển thị tình trạng cơ thể 62

Hình 4.35 Tab Basic objects 3 62

Hình 4.36 Cài đặt nhấp nháy 63

Hình 4.37 Cài đặt chức năng cho button 63

Hình 4.38 Màn hình cơ thể cân đối 63

Hình 4.39 Màn hình cơ thể ốm 64

Hình 4.40 Màn hình cơ thể hơi mập 64

Hình 4.41 Màn hình cơ thể béo 64

Hình 4.42 Màn hình cơ 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 quá 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 của 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 cơ thể 76

Hình 4.56 Màn hình cơ thể đang ở mức ốm 77

Hình 4.57 Chọn chế độ 77

Hình 4.58 Màn hình cân vật 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật các module CPU……….3

Bảng 2.2 Các module hỗ trợ………4

Bảng 2.3 So sánh ngôn ngữ LAD và FBD……….21

Bảng 4.1 Quy định địa chỉ ngõ vào……… 32

Bảng 4.2 Quy định địa chỉ ngõ ra……… 32

Bảng 4.3 Quy định địa chỉ biến, bit nhớ……….33

DANH MỤC CHỮ 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 Block 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

SM Module tín hiệu

CM Module truyền thông

OB Organization blocks: Khối tổ chức

VAC Điện áp xoay chiều

VDC Điện áp một chiều

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, tự động hóa và ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động phát triển ngày càng mạnh mẽ Ứng dụng nhiều trong sản xuất, phục vụ nhu cầu đời sống sinh hoạt ngày càng cao của con người Nhu cầu về nhân lực của hệ thống điều khiển tự động ngày càng cao

Trường Đại học Nha Trang, khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điện Công Nghiệp rất quan tâm đến đảm bảo chất lượng đào tạo nhân lực cho ngành Môn thực hành điều khiển hệ thống tự động là môn học chuyên ngành quan trọng để sinh viên làm việc sau khi tốt nghiệp ra trường

Xã hội ngày càng phát triễn, đời sống và sản xuất cũng từ đó mà lấy đà phát triển theo Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang là xu hướng phát triển hàng đầu của

xã hội hiện nay, Nhu cầu sản xuất công nghiệp cũng từ đó mà cần nhiều thiết bị tự động hơn Một trong những nhu cầu đó là xác định khối lượng của vật thể hay còn gọi là "Cân" Cân điện tử cũng từ đó mà ra đời và chiếm vai trò quan trọng trong sản xuất

Cân điện tử loại nhỏ thường được sử dụng để cân đồ trong phòng thí nghiệm, cửa hàng, siêu thị, trung tâm mua sắm… Cân điện tử loại lớn được dùng để cân ô

tô, cân bàn, cân sàn, cân đóng bao, cân băng tải… trong những nhà máy công

nghiệp

Một số loại cân điện tử được tích hợp nhiều chức năng như: máy tính tiền, máy

in mã vạch, máy chấm công, in báo cáo…hoặc một số loại cân có cổng giao tiếp với máy tính (thông qua cổng RS232, RS485…) phục vụ việc quản lí, lưu trữ và xử lý

dữ liệu…

Dần dần vai trò của cân trong đời sống là không thể thiếu Nắm được nhu cầu

dó, trong đồ án tốt nghiệp môn hc này nhóm em chọn đề tài " Thiết kế và thi công cân đa năng phục vụ cho việc kiểm khám sức khỏe và định lượng đồ vật điều khiển

và giám sát bằng PLC và HMI S7 1200" Đề tài này sẽ ứng dụng những kiến thức

đã học về tự động hóa để xây dựng một mô hình mà gọi tắt là cân đa năng để xác định khối lượng của 1 vật chính xác 1 cách tối đa nhất cho cả người lẫn vật để dễ dàng theo dõi sức khỏe và thao tác trên HMI một cách dễ dàng Điều mà em hướng tới là sản phẩm gần như ở ngoài thực dụng nhất có thể để sinh viên có thể tiếp xúc với một mô hình gần như là dùng được trong đời sống hay khi đi làm ngoài xã hội

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu, ứng dụng kiến thức điều khiển lập trình vào thực tế để thiết lập được một mô hình "Cân đa năng " chính xác nhất có thể Ứng dụng vào việc giảng dạy và học tập tại phòng thực hành

1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

- Lập trình điều khiển và giám sát mô hình trên PLC S7-1200 và màn hình HMI

- Cân đạt được độ chính xác cao nhất có thể

- Nắm được các kiến thức về xử lí PLC và HMI khi hư hỏng

- Mô hình có thẩm mỹ cao

- Sử dụng kiến thức trong mô hình để áp dụng vào thực tiễn

1.3.2 Giới hạn của đề tài

- Đề tài này là mô hình có thể áp dụng vào thực tế để cân các vật thể muốn xác thực khối lượng

- Chỉ có thể cân được vật thể dưới 100 Kg, do hạn chế về tài chính và

kỹ thuật nên chỉ cân được những người 80kg trở xuống.Nếu hơn thì củng được nhưng tác hại sau đó là đồ án sẽ nhanh hỏng hóc

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu tài liệu hiện có và trên mạng về lập trình PLC, HMI điều khiển hệ thống, lập trình và mô phỏng trên máy tính

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Kết hợp với đợt Thực tập tổng hợp, Sử dụng các trang thiết bị hiện đại trong nhà máy nơi thực tập và sự giúp đỡ đội ngũ kỹ sư Tự động hóa tự động

- Kế thừa từ đồ án môn học và các kiến thức có trên mạng

- Đo khối lượng từ loadcell từ mô hình thực tế

- Vận hành mô hình thực tế

1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Đồ án được thực hiện theo các nội dung sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU PLC S7-1200

2.1.1 Giới thiệu chung

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

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 được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

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

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

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485

2.1.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200

Hình 2.1 PLC S7-1200 (1) Bộ phận kết nối nguồn

(2) Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

(2) Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

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

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

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

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật các module CPU

Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C Kích thước vật lý

(mm)

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ

đồng hồ thời gian thực

Thông thường 10 ngày/ ít nhất 6 ngày tại 40ºC

PROFINET Một cổng truyền thông Ethernet

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

Kiểu tương tự

Out Bảng tín

hiệu (SB)

Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu

- 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

Hình 2.2 PLC S7-1200 và bảng tín hiệu

(1) Các LED trạng thái trên SB

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

2.1.1.2 Các module tín hiệu

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

Hình 2.3 PLC và module tín hiệu (1) Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

(2) Bộ phận kết nối đường dẫn

(3) Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo rời

2.1.1.3 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

Hình 2.4 PLC và module truyền thông (1) Các Led trạng thái dành cho module truyền thông

(2) Bộ phận kết nối truyền thông

2.1.2 Vòng quét chương trình của PLC

PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo (Q) tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể

mô tả như sau:

- Chú ý: 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 các bộ đệm

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét

đó Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

2.1.3 Các chế độ hoạt động của CPU

CPU có 3 chế độ hoạt động: STOP, STARTUP, RUN Các LED trạng thái trên mặt trước của CPU hiển thị chế độ hiện thời của sự vận hành

- Trong chế độ STOP: CPU không thực thi bất cứ chương trình nào, người dùng có thể tiến hành tải xuống một đề án

- Trong chế độ STARTUP: các khối tổ chức (OB) khởi động và được thực thi một lần nếu có Các sự kiện ngắt không được xử lý cho đến khi chế độ RUN hoạt

Gửi tín hiệu tới đầu ra

Nhận các tín hiệu đầu vào

Thực hiện chương trình điều khiển

Xử lý các yêu cầu về truyền thông (nếu có)

Kiểm tra trạng thái làm việc của CPU

- Trong chế độ RUN: chu kỳ quét được thực thi một cách lặp lại Các sự kiện ngắt có thể xuất hiện và được thực thi tại bất kỳ điểm nào nằm trong chu kỳ chương trình Người dùng không thể tiến hành tải xuống đề án khi chế độ RUN hoạt động

2.2 GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI

2.2.1 HMI và các khái niệm cơ bản

2.2.1.1 Khái niệm HMI

HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị

Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI Cảm ứng trên lò viba của bạn là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên

TV đều là HMI,…

Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn thuần Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra Một số có một HMI thông sơ: một hiển thị ASC II đơn hoặc hai dòng ASCII với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ Có rất ít các thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có

độ phân giải cao cho quá trình

HMI sử dụng toàn bộ máy tính và màn hình hiển thị thì hạn chế đối với các phòng điều khiển bởi vì mạch máy tính, màn hình và ổ đĩa dễ hỏng Vỏ bọc được phát triển để giúp cho HMI sử dụng máy tính có thể định vị bên ngoài sàn nhà máy, nhưng rất rộng, kềnh càng và dễ hỏng do sức nóng, độ ẩm, sự rửa trôi và các sự cố khác ở sàn nhà máy

HMI máy tính trước đây cũng tiêu thụ rất nhiều điện năng Một máy tính

“desktop” thông thường trong những năm 80 của thế kỷ 20 có công suất 200 W

Hình 2.5 Màn hình giám sát HMI

2.2.1.2 Hỗ trợ người vận hành

Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên phức tạp hơn Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này

là hiển thị dạng cảm ứng Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình rửa trôi Một ưu điểm khác nữa là hiển thị dạng tinh thể lỏng Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có thể được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn

Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng

Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tài sản nhà máy Đôi khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI

có thể di chuyển được

2.2.2 Các thiết bị HMI hiện đại

Do phát sự phát triển của Công nghệ thông tin và Công nghệ Vi điện tử, HMI ngày nay sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ

2.2.2.1 Phân loại

HMI hiện đại chia thành 2 loại chính:

- HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng

- Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác MobileHMI dùng Palm, Poket PC

2.2.2.2 Ưu điểm của HMI hiện đại

- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin

- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết

- Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

- Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13

2.3.1 Sơ lược về phần mềm

Ban Tự động hóa Công nghiệp của Siemens giới thiệu phần mềm tự động hóa đầu tiên trong công nghiệp sử dụng chung một môi trường, một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, gọi là Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal)

Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ

Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình

tự động hóa Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu

hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 V13 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V13 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính

Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng dụng điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu của khách hàng trên toàn thế giới Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẽ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung cơ sở dữ liệu TIA Portal

Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví

dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả’ một biến của trong chương trình điều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC – HMI

đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm

Phần mềm mới Simatic Step 7 V13, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC Simatic Step 7 V13 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng Simatic Step 7 V13 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA Portal

Phần mềm mới Simatic WinCC V13, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới

Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA) Việc thiết lập, cấu hình cho các Sinamics biến tần cũng sẽ được tích hợp vào TIA Portal trong các phiên bản sau

(3) Bảng lựa chọn những dự án, được sắp xếp theo thời gian

(4) Vào dự án mà ta chọn, đi đến giao diện dự án

(5) Cung cấp thông tin của dự án mà ta đang mở như là tên, nơi lưu trữ…

- Cửa sổ “OVERVIEW” là nơi quản lý toàn bộ dữ liệu của các dự án (Project) được soạn thảo Các công cụ cần thiết sẽ được tự đọng kích hoạt khi người sử dụng truy cập đến dữ liệu đang được chọn

Hình 2.7 Cửa sổ Overview

- Các dự án (Project) là nơi lưu trữ các dữ liệu và chương trình được tạo trong một giải pháp tự đọng hóa Các dữ liệu trong một dự án bao gồm: Dữ liệu cấu hình

về cấu trúc phần cứng và các tham số cho các module

 Dữ liệu cấu hình cho các giao tiếp mạng

 Các chương trình cho các module

 Các trạm (station) trong Simatic Step 7 đại diện cho một cấu trúc phần cứng của một bộ điều khiển khả trình và nó chứa các dữ liệu để đặt cấu hình và tham số cho mỗi module trong trạm

- “Devices & Network ” là cửa sổ (phần mềm) đặt cấu hình cho các trạm, bao gồm sắp xếp các giá (rack), các module, các giá vào ra phân tán, và các module giao

tiếp Ta có thể thêm các module cần thiết, màn hình HMI, hoặc kết nối lập trình Wincc

Hình 2.8 Cửa sổ Devices and networks (1) Tab để chuyển đổi giữa các thiết bị và xem kết nối mạng của thiết bị (2) Thanh công cụ: Thanh công cụ bao gồm các công cụ cho mạng đồ họa của thiết bị, cấu hình các kết nối và màn hình hiển thị thông tin địa chỉ Sử dụng chức năng zoom (phóng to, thu nhỏ) để xem địa chỉ…

(3) Khu vực đồ họa: Khu vực đồ họa hiên thị các thiết bị liên quan đến mạng, mạng lưới, kết nối và các mối quan hệ (giao tiếp, kết nối) Trong lĩnh vực đồ họa, bạn có thể chèn các thiết bị từ các mục phần cứng (6) và kết nối chúng với nhau

(4) Cung cấp tổng quan các đối tượng được tạo ra trong đồ họa Bằng cách giữ nút chuột, có thể nhanh chóng di chuyển các đối tượng mong muốn và hiển thị chúng trong mục đồ họa

(5) Cửa sổ thanh kiểm tra hiển thị thông tin về các đối tượng đang được chọn Ta có thể chỉnh sửa các thiết lập của các đối tượng được chọn trong

“Properties” tab, đổi địa chi IP…

(6) Danh mục phần cứng, giúp ta dế dàng lựa chọn cung cấp cho ta các phần cứng khác nhau của các thiết bị Ta có thể lấy các phần cứng ra bằng cách kéo thả chuột từ phần này vào khu vực đồ họa của giao diện mạng

- “Online & diagnostics” là cửa sổ giao tiếp, kết nối thiết bị thông qua địa chỉ

IP, kiểm tra kết nối giữa máy tính với thiết bị PLC, HMI…

Cách kiểm tra như sau:

 Đổi địa chỉ IP máy tính với thiết bị cần giao tiếp, kết nối

 “Online & diagnostics”

 Thay đổi chuẩn kết nối trong mục “ Type of the PG/PC interface” thành chuẩn “PN/IE”

 Trong mục “PG/PC interface” ta lựa chọn card mạng máy tính ta đang dùng

 Cuối cùng, ta kích vào “Flash LED” nếu đèn báo trên thiết bị sáng thì kết nối giữa máy tính và thiết bị hoàn thành

Hình 2.9 Online & diagnostics

- “MAIN OB1” là cửa sổ để viết chương trình điều khiển Đây là phần khung của chương trình, chứa các lệnh điều khiển chương trình ứng dụng Với một số chương trình điều khiển nhỏ, đơn giản ta có thể viết tất cả các lệnh trong khối này Chương trình ứng dụng được xử lý bắt đầu từ chương trình chính, các lệnh được xử

lý lần lượt từ trên xuống dưới và chỉ một lần ở mỗi vòng quét Trong Step 7 v13 chương trình được chứa trong khối OB1

Hình 2.10 Cửa sổ Main OB1 (1) Thanh công cụ: Thanh công cụ giúp ta truy cập các chức năng chính của trình biên tập chương trình, chẳng hạn như:

(2) Khối giao diện: Hiển thị các địa chỉ vào/ra được tạo ra và quản lý chúng (3) Mục này giúp ta dễ dàng viết chương trình, nhờ lấy các tiếp điểm, cũng như các khối timer, counter…

(4) Mục để viết chương trình

- Tạo và quản lý các networks

- Ghi các tiêu đề, bình luận cho các khối và networks

- Tạo các tag cho các địa chỉ vào ra

(5) Các khối nhiệm vụ cung cấp cho chương trình

(6) Các khối mở rộng, cung cấp các chức năng phụ

(7 & 8) Mục này giúp ta lựa chọn các mục chức năng cần thiết dể hoàn thành chương trình

2.3.2.2 Cách xây dựng một project

Để xây dựng một project trong Step7, ta có 2 cách thể hiện trong hình :

Hình 2.11 Sơ đồ xây dựng Project Khi viết chương trình có nhiều ngõ vào và ngõ ra, chúng ta nên cấu hình phần cứng trước Một trong những ưu điểm của Step 7 là có khả năng hiển thị các địa chỉ một cách trực quan cho người viết chương trình

Với cách thứ 2, ta phải tự ghi nhớ các địa chỉ của từng thiết bị Và không thể gọi các địa chỉ này nhờ phần Step 7

Trong việc cấu hình phần cứng, không những chúng ta có thể xác định địa chỉ

mà còn có thể thay đổi thuộc tính của các Modules (VD: việc thay đổi địa chỉ MPI của PLC)

2.3.2.3 Các bước tạo project

Để tạo một project mới ta làm theo các bước sau:

- Bước 1: Trong cổng thông tin bắt đầu nhấp vào “Create new project” Nhập tên dự án và nhấn “Create”

Hình 2.12 Cửa sổ “Create new project”

- Bước 2: Sau khi tạo dự án, ta kích chuột vào “Device & Network” rồi “Add new device”

Hình 2.13 Thêm thiết bị PLC

- Bước 3: Chọn CPU để thêm vào dự án:

Hình 2.14 Lựa chọn CPU + Trong hộp thoại “Add new device”, nhấp vào “SIMATIC PLC”

+ Chọn một CPU từ danh sách

+ Để thêm các CPU được lựa chọn cho dự án, bấm vào nút “Add”

- Bước 4: Ta vào “Program blocks” vào “Main [OB1]” để lập trình

2.3.2.4 Ngôn ngữ lập trình

Ta có thể tùy chọn trong việc lựa chọn cả ngôn ngữ lập trình LAD (lader logic) hay FBD (Function Block Diagram)

- Ngôn ngữ LAD:

LAD 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 điểm thường đóng hay thường mở, và các cuộn dây được nối với nhau để tạo thành các mạng

Để tạo ra sơ đồ logic cho các thực thi phức tạp, ta có thể chèn vào các nhánh

để tạo ra các mạch logic song song Các nhánh song song được mở ra theo hướng xuống hay được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu Ta kết thúc các 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 Không được kết thúc một mạng với tất cả lệnh so sánh (Compare) hay lệnh phát hiện ngưỡng (ngưỡng dương hay ngưỡng âm)

Hình 2.16 Mạng LAD sai quy tắc (1) Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể đưa lại kết quả là một dòng tín hiệu theo chiều ngược lại

(2) Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch

Hình 2.17 Ví dụ lập trình FBD Việc hiểu biết về EN và ENO cho các lệnh “hộp” Cả ngôn ngữ LAD và FBD đều sử dụng “dòng tín hiệu” (EN và ENO) đối với một vài lệnh “hộp” Các lệnh cố định (như lệnh toán học và lệnh di chuyển) hiển thị các thông số cho EN và ENO Các thông số này liên quan đến dòng tins hiệu và xác định khi nào lệnh được thực thi trong suốt lần quét đó

- EN (Enable In) là một ngõ ra Boolean cho các hộp trong ngôn ngữ LAD và FBD Dòng tín hiệu (EN=1) phải được hiện diện tại ngõ vào này để cho lệnh hộp được thực thi Nếu ngõ vào EN của một hộp LAD được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu bên trái, hộp sẽ luôn luôn được thực thi

- ENO (Enable Out) là một ngõ ra boolean cho các hộp trong ngôn ngữ LAD

và FBD Nếu hộp có dòng tín hiệu tại ngõ vào EN và hộp thực thi các chức năng của nó mà không có lỗi, khi đó ngõ ra ENO sẽ cho dòng tín hiệu (ENO=1) đi qua đến phần tử kế tiếp Nếu một lỗi được phát trong quá trình thực thi của lệnh hộp, dòng tín hiệu sau đó sẽ bị ngắt (ENO=0) tại hộp lệnh đã sinh ra lỗi

Bảng 2.3 So sánh ngôn ngữ LAD và FBD 2.3.2.5 Cách tải chương trình từ 1 CPU trực tuyến

STEP 7 cung cấp hai phương pháp để tải lên các khối mã của chương trình người dùng từ một CPU trực tuyến:

- Cách 1: Sử dụng chuyển hướng dự án ta có thể kéo và thả các khối mã từ một CPU (online) với một CPU trong dự án offline ta cần lập trình

+ Bước 1: Ta truy cập vào mục “Online access” và chọn PLC trực tuyến mà ta cần tải chương trình

+ Bước 2: Mở rộng CPU trực tuyến để hiển thị các khối mã của chương trình người tiêu dùng

+ Bước 3: Kéo mục “Program blocks” từ thư mục của CPU trực tuyến để đưa vào “Program blocks” trong CPU mà ta cần Lúc này STEP 7 Basic đã sao chép chương trình từ CPU trực tuyến đến CPU offline trong chương trình người dùng

- Cách 2: Ta cũng có thể sử dụng chứ năng “compare” để đồng bộ hóa chương trình 2 CPU online và CPU offline

+ Bước 1: Chọn CPU offline

+ Bước 2: Chọn mục “Compare offline/online” từ thanh công cụ “Tools” của Menu Nếu các khối mã của CPU offline không phù hợp với các khối mã của CPU trực tuyến, mục “compare editor” sẽ giúp ta đồng bộ hóa 2 CPU cho phù hợp Ta nhấn chuột vào mục Action để chọn xem có tải lên hoặc tải xuống hoặc không tải chương trình Cuối cùng nhấn vào biểu tượng này để thực hiện việc tải lên hoặc tải xuống giữa 2 CPU

2.4 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ

2.4.2 Khái niệm và cấu tạo cân đa năng

Cân đa năng (cân điện tử) là một thiết bị điện tử dùng để xác định trọng lượng của một vật Khi chúng ta đưa vật đặt lên cân điện tử, bộ phận cảm biến

sẽ cảm biến trọng lượng thực của vật sau đó chuyển tiếp lên vi mạch xử lí và đưa tín hiệu lên màn hình hiển thị cân Người dùng sẽ quan sát trọng lượng thực tế trên màn hình hiển thị cân Toàn bộ quá trình này diễn ra rất nhanh chỉ trong vòng từ 2 đến 5 giây kể tư khi đặt mẫu vật lên

Cấu tạo chính của cân điện tử gồm 2 bộ phận chính:

Cảm biến lực hay còn gọi là loadcell

Hình 2.18 Cảm biến lực (loadcell) Màn hình hiển thị cân hay đầu đọc cân

Hình 2.19 Màn hình hiển thị

Bộ phận đầu đọc cân hay còn gọi là màn hình hiển thị cân sẽ phân tích tín hiệu từ loadcell và phân tích thành trọng lượng cân và đưa ra trọng lượng lên màn hình hiển thị

Bộ phận còn lại là lớp vỏ bao bọc bên ngoài thường làm bằng inox, hoặc nhựa

Ở trên là các bộ phận cơ bản của một cái cân điện tử Nhưng ở cái cân đa năng này

đo được cả sức khỏe nên nó phải có thêm một bộ phận đo chiều cao Và độ cơ động của nó được thể hiện ở chỗ cây thước đo có thể thay đổi chiều dài tùy biến được Ngoài ra nhiều loại cân trên thị trường còn được trang bị thêm bộ phận phát ra âm thanh dễ cho cảm giác sinh động, mỗi lần sử dụng được trở nên hứng thú với việc kiểm tra sức khỏe hằng ngày

Hình 2.20 Cân được dùng trong y tế

2.4.3 Ứng dụng cân điện tử trong đời sống

Các loại cân điện tử thông dụng trên thị trường tại Việt Nam hiện nay Cân điện tử loại nhỏ thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, trong các cửa hàng, siêu thị, trung tâm mua sắm Các loại cân điện tử lớn được dùng trong những nhà máy công nghiệp như cân ô tô, cân bàn lớn, cân sàn, cân đóng bao, cân băng tải Khi cân trọng lượng của vật cần cân được thể hiện bằng số qua màn hình ( màn hình LED hoặc LCD) Một số loại cân điện tử được tích hợp nhiều chức năng như: máy tính tiền, máy in mã vạch, máy chấm công, in báo cáo hoặc một số loại cân có cổng giao tiếp với máy tính (thông qua cổng RS232,

RS485 ) phục vụ việc quản lí, lưu trữ và xử lý dữ liệu

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 3.1 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CƠ KHÍ

3.1.1 Thiết kế mô hình

3.1.1.1 Khung cân

Hình 3.1 Khung cân Các bộ phận chính của cân:

o Chân của cân, lót thêm cao su để tăng độ bám

o Phần đĩa cân, dùng để dồn tất cả lực vào cảm biến, có thể lót lên 1 lớp cao su

o Thanh thước đo có thể tùy biến dài ngắn

o Thanh chắn để xác định chiều cao

o Phần rá cân để chứa vật cân

o Ngoài ra sau hộp cân sẽ thiết kế thêm 1 bánh xe lăn để tiện di chuyển

Về chế độ :

Bật Công tắc lên thì có 2 chế độ hoạt động trên HMI:

o Chế độ cân người :xác định chiều cao để nhập vào HMI để xác định tình trạng cơ thể đang ở các mức Mập, ốm ,bình thường và các cảnh báo và lời khuyên tương ứng

o Chế độ cân vật : theo các mức khối lượng

Bàn cân thực tế trên thị trường:

Hình 3.2 Bàn cân y tế

Hình ở trên là hình mẫu tiêu biểu của cân y tế mà hiện nay trên các bệnh viện lớn sử dụng rất phổ biến Ngoài ra nó còn ứng dụng ở trong việc khám sức khỏe nghĩa vụ quân sự

3.2 Thi công cân