Lập trình, điều khiển giám sát hệ thống bơm nước bằng PLC s7 200 (phòng thí nghiệm kĩ thuật điện – bm kĩ thuật điện – ĐHTL)

Sự ra đời PLC Programable Logic Controller giúp cho việc lập trình với sự hỗ trợ của máy tính để quản lý hoạt động các hệ thống trong công nghiệp trở nênđơn giản hơn.. WinCC là một phần

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

LỜI CẢM ƠN 5

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 1

1.1 Cơ cấu chấp hành 1

1.2 Nguyên lý hoạt động 1

1.3 Các cảm biến 2

1.4 Sơ đồ hệ thống 3

1.5 Hệ thống nút bấm và bảng điều khiển 3

CHƯƠNG 2: LẬP BIỂU ĐỒ CHỨC NĂNG TUẦN TỰ 4

2.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống 4

2.2 Phần xử lý khởi động/dừng/tạm dừng (start/stop/pause) 5

2.3 Thiết kế phần khởi tạo 5

2.4 Thiết kế các điều kiện chuyển tiếp 5

2.5 Thiết kế thao tác trong các bước 6

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PLC S7-200 7

3.1 Phân tích yêu cầu đầu vào/ra của bài toán 7

3.2 Lựa chọn CPU PLC phù hợp với bài toán 8

3.3 Giới thiệu PLC S7-200 CPU 214 8

3.3.1 Tổng quát về PLC 8

3.3.2 Giới thiệu PLC S7-200 CPU214 9

3.4 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200 CPU 214 16

3.4.1 Phương pháp lập trình 16

3.4.2 Cú pháp lệnh của S7-200 17

CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN BÀI TOÁN 22

4.1 Lập trình bằng STEP 7 MicroWin 22

4.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống với S7-200 Simulator 26

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BẰNG WINCC 27

5.1 Giới thiệu về phần mềm wincc 27

5.1.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm wincc 27

5.1.2 Cấu trúc của Control Centre như sau: 29

5.1.3 Các khái niệm thường dùng trong WinCC 30

5.1.4 Các công cụ soạn thảo của WinCC 36

5.1.5 Các đối tượng của WinCC 38

5.1.6 Hệ thống lưu trữ và hiển thị (Tag Logging) 43

5.1.7 Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) 47

5.1.8 Hệ thống báo cáo (Report Designer) 52

5.2 Hàm trong WinCC 54

5.2.1 Nhóm hàm chuẩn (Standard Function) 54

5.2.2 Nhóm hàm trong (Internal function) 55

5.2.3 Nhóm hàm trong (internal function) 56

5.2.4 Dynamic Wizar 57

5.2.5 Truyền thông trong WinCC 57

5.3 Thết kế giao diện điều khiển 59

5.3.1 Giới thiệu PC access 59

5.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển với WinCC 60

CHƯƠNG 6: LẮP ĐẶT BÀN THÍ NGHIỆM 75

6.1 Vẽ mô hình bàn thí nghiệm 75

6.3 Thiết kế và cấp nguồn cho bàn thí nghiệm và PLC 76

6.4 Lắp đặt thiết bị và nối dây 77

6.5 Lắp đặt hệ thống điều khiển bằng phần mềm WinCC 78

KẾT LUẬN CHUNG 81

Tài liệu tham khảo 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 84

PHỤ LỤC 86

A Mã nguồn Step 7 MicroWin 86

B Mã nguồn WinCC 88

MỞ ĐẦU

Từ khi công nghiệp ra đời, máy móc được đưa vào phục vụ sản xuất, vì vậycon người đã được giải phóng khỏi lao động chân tay rất nhiều Bên cạnh đó, sảnphẩm làm ra được tăng lên đáng kể về số lượng và chất lượng được ổn định Tuynhiên, cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, tự động hóa trongcông nghiệp ra đời, từng bước hình thành và tiến bộ theo sự phát triển của nền côngnghiệp hiện đại Đây chính là một bước ngoặt lớn thứ hai trong nền sản xuất hànghóa của con người Con người giờ đây thật sự được giải phóng khỏi lao động chântay hay những lao động trong các môi trường độc hại, thay vào đó là những cỗ máythông minh, làm việc hiệu quả cao

Sự ra đời PLC (Programable Logic Controller) giúp cho việc lập trình với sự

hỗ trợ của máy tính để quản lý hoạt động các hệ thống trong công nghiệp trở nênđơn giản hơn Tuy nhiên việc điều khiển và giám sát sự hoạt động của hệ thống tựđộng hóa trong công nghiệp không đơn giản chút nào, chính vì thế phương thứcgiao tiếp giữa người và máy ra đời để đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát hệthống tự động họa hoàn toàn bằng máy vi tính WinCC là một phần mềm hoạt độngtrên giao thức người và máy, nó đáp ứng tất cả các nhu cầu con người cần thiết đểđiều khiển và giám sát một cách tối ưu các hệ thống tự động hóa được điều khiểnbằng PLC

Với mục tiêu giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận và sử dụng thành thạo bộ điềukhiển khả trình PLC- S7-200 CPU 214 của hãng Siemens và làm quen với phần

mềm WinCC tôi đã thực hiện đề tài tốt nghiệp “Lập trình, điều khiển giám sát hệ

thống bơm nước bằng PLC S7-200 (Phòng thí nghiệm Kĩ thuật điện – Bm Kĩ thuật điện – ĐHTL)”

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp này nhưngcũng không thể tránh khỏi những hạn chế, sai sót, mong được sự phê bình và góp ýcủa quý thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến ThS LêTrung Dũng – Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Năng lượng, Trường Đại học ThủyLợi–người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thựchiện đồ án tốt nghiệp này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Tân tại phòng thí nghiệm Điện kĩ thuật,Đại học Thủy Lợi, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi rất nhiều trong suốt quátrình nghiên cứu, học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Tôi xin cảm ơn các bạn trong nhóm đồ án tốt nghiệp đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rấtnhiều trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Xin cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 50KTĐ đã hỏi thăm, ủng hộ tôi trong thờigian làm đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình và bạn bè– những người

đã luôn ở bên cạnh tôi những lúc khó khăn, động viên, khích lệ tôi trong cuộc sốngcũng như trong học tập, nghiên cứu, công việc

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày….tháng…năm 2012

Sinh viênNguyễn Đình Phát

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG TỰ

ĐỘNG HÓA 1.1 Cơ cấu chấp hành

• Hệ thống bơm nước gồm:

• 2 bình chứa dung tích 2000ml± 20ml

• Hai máy bơm nước dùng để bơm nước qua lại giữa 2 bình chứa

• Cảm biến phát hiện trạng thái nước đầy ở bình chứa 1

• Cảm biến phát hiện trạng thái nước cạn ở bình chứa 1

• Một đầu ra hiển thị trạng thái làm việc của bơm 1

• Một đầu ra hiển thị trạng thái làm việc của bơm 2

1.2 Nguyên lý hoạt động

a Chế độ auto:

• Khi khởi động hệ thống ở chế độ auto, hệ thống ở trạng thái ban đầu

• Bình chứa 1 đầy nước

• Các động cơ bơm ở trạng thái ko tích cực

• Nhấn nút Start thì hệ thống hoạt động như sau

 Máy bơm 1 hoạt động bơm nước sang bình 2

 Khi cảm biến áp suất báo cạn ở bình 1 tích cực thì dừng máy bơm 1

 Máy bơm 2 hoạt động bơm nước về lại bình 1

 Khi cảm biến áp suất báo đầy bình 1 tích cực thì dừng máy bơm 2

 Hệ thống lặp đi lặp lại chu trình bơm nước

 Hệ thống có nút Stop để điều khiển hệ thống tạm dừng và tiếp tục chutrình nếu nhấn nút start

b Chế độ manual:

Hệ thống ở trạng thái ban đầu

 Nhấn nút điều khiển bơm 1 thì bơm 1 hoạt động, đèn 1 báo trạng tháicủa bơm 1 sáng

 Nhấn nút điều khiển bơm 2 thì bơm 2 hoạt động, đèn 2 báo trạng tháicủa bơm 2 sáng

 Nhấn nút điều khiển bơm 1 thì bơm 1 dừng hoạt động, đèn báo trạng tháicủa bơm 1 tắt

 Nhấn nút điều khiển bơm 2 thì bơm 2 dừng hoạt động, đèn báo trạng tháicủa bơm 2 tắt

1.3 Các cảm biến

Hình 1.1: Hai cảm biến áp lực nước phát hiện trạng thái đầy và cạn.

CHƯƠNG 2: LẬP BIỂU ĐỒ CHỨC NĂNG TUẦN TỰ

Khởi tạo

Bơm nước sang bình 2

Bơm nước sang bình 1

PUMP1, LED1

PUMP 2, LED2

Bơm nước sang bình 2

PUMP1, LED1

PUMP2, LED2

Bơm nước sang bình 1

sensor1

sensor2

PUMP2PB step1

Step2

step1

Step2 Run

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng hệ thống bơm nước

2

2.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống được rẽ nhánh làm 2 chế độ riêng biệt là tự động và bằng tay

- Bước 2: Bơm nước về lại bình 1, điều khiển máy bơm 2 bằng PUMP2

2.2 Phần xử lý khởi động/dừng/tạm dừng (start/stop/pause)

Run

Hình 2.2: Đoạn chương trình xử lý khởi tạo/dừng/tạm dừng

Hình 2.2 mô tả phần xử lý start/stop/pause Cuộn hút nội Run điều khiển toàn

bộ hoạt động của biểu đồ chức năng Cuộn hút này dùng để xác lập trạng thái khôngtích cực của đầu ra cần thiết khi tạm dừng hệ thống Đôi khi cũng được dùng trongđiều kiện chuyển tiếp Điều kiện chuyển tiếp cho phép hệ thống hoạt động cần đượcthỏa mãn để hệ thống hoạt động hoặc khởi tạo sau khi gặp lỗi Điều kiện khóa khithỏa mãn sẽ làm cho hệ thống dừng hoặc tạm dừng

2.3 Thiết kế phần khởi tạo

1 S

Hình 2.3: Nhánh khởi tạo hệ thống

Điều kiện chuyển tiếp khi khởi tạo sẽ đưa hệ thống đến trạng thái ban đầu khikhông có bước nào thực hiện Khi cuộn hút nội Run tích cực hệ thống chuyển sangbước đầu tiên (Step1)

2.4 Thiết kế các điều kiện chuyển tiếp

Hình 2.4: Điều kiện chuyển tiếp giữa các bước

Hình 2.4 mô tả sơ đồ thực hiện điều kiện chuyển tiếp giữa các bước Trạng tháilogic thực hiện điều kiện chuyển tiếp cho phép thực hiện bước tiếp theo đồng thờicũng là điều kiện để thoát khỏi bước hiện thời Khi đang thực hiện bước hiện thời,điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn thì bit điều khiển bước tiếp theo được xác lập và bitđiều khiển bước hiện thời được khởi tạo Do đó hệ thống chuyển sang thực hiệnbước tiếp theo

2.5 Thiết kế thao tác trong các bước

Hình 2.5: Thao tác trong các bước

Bit điều khiển bước dùng để điều khiển trạng thái hoạt động của bước.Bước này dùng để thực hiện các thao tác trong các bước như xác lập trạng tháitích cực của đầu ra, bộ định thời Cuộn hút nội Run cũng có thể dùng để làm

điều kiện cho các thao tác nếu cần xác lập trạng thái không tích cực của thaotác khi hệ thống tạm dừng.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PLC S7-200

3

3.1 Phân tích yêu cầu đầu vào/ra của bài toán

 Các đầu vào đầu ra được định nghĩa như sau:

START_PB Nút khởi động, NO Tích cực khi cần khởi động

hệ thống

STOP_PB Nút dừng, NC Tích cực khi cần dừng hệ thống.Sensor1 Cảm biến mức Tích cực khi bình 1 cạn

Sensor2 Cảm biến mức, Tích cực khi bình 2 cạn

PUMP1 Điều khiển máy bơm 1, tích cực khi cần bơm

nước ở bình 2

PUMP2 Điều khiển máy bơm 2, tích cực khi cần bơm

nước ở bình 2

LED1 Đèn báo trạng thái hoạt động của bơm 1

LED2 Đèn báo trạng thái hoạt động của bơm 2

 Địa chỉ và kiểu dữ liệu các biến:

3.2 Lựa chọn CPU PLC phù hợp với bài toán

Theo yêu cầu của hệ thống và dự vào biểu đồ chức năng tacó thể sử dụngloại PLC có ít đầu ra/vào để tiết kiệm được tối đa chi phí

Bài toán điều khiển hệ thống có 2 bước có 4 đầu ra để điều khiển các thao táccác của các bước, có 9 bước đầu vào cho các bước và điều kiện chuyển tiếp giữacác bước, có sử dụng biến run

Với các yêu cầu của hệ thống như trên ta sử dụng PLC S7-200 CPU 214

3.3 Giới thiệu PLC S7-200 CPU 214

3.3.1 Tổng quát về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lậptrình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mộtloạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích(ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thìhay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, Nó bật ON hayOFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lậptrình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ởngõ vào và xuất 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 (bộ điềukhiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

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

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phứctạp

- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nốimạng, các môi Modul mở rộng.

- Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và cácLogic thời gian.Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ vàtính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả… Chính điềunày đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tậplệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanhghi dịch… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn… Sự phát triển cácmáy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đượcxác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ củaPLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếumuốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổichương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽđược thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so vớicác bộ dây nối hayRelay

3.3.2 Giới thiệu PLC S7-200 CPU214

Hình3.2: PLC S7-200 CPU 214

• Cấu trúc phần cứng của CPU 214

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng SIEMNS (CHLBĐức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng Các modul này được

sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7-200 làkhối vi xử lý CPU-214

• CPU-214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mởrộng

• 2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chươngtrình (vùng nhớ có giao diện với EEPROM)

• 2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc kiểu đọc ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từđầu thuộc miền non-volatile

• Tổng số ngõ vào/ra cực đại là 64 ngõ vào và 64 ngõ ra

• 128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16Timer 10ms và 108 Timer 100ms

• 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.

• Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặcxuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

• 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2KHz và 7Khz

• 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM

• 2 bộ điều chỉnh tương tự

• Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể

từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp

 Các đèn báo trên S7-200 CPU214

• RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển

từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặplệnh STOP

• STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế

Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình thuộc

họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI Cáp đó đi kèm với máy lập trình

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với

bộ chuyển đổi RS232/RS485

 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệutrong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn Bộ nhớ S7-200 có tính năngđộng cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Specialmemory) chỉ có thể truy nhập để đọc

• Vùng dữ liệu

Là miền nhớ động được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình Nó cóthể được truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc theo từ kép(DW_ Double Word), vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với cáccông dụng khác nhau Chúng được ký hiệu bằng chữ cái đầu theo từ tiếng Anh, đặctrưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

• V: Variable Memory

• I : Input image register

• O: Output image regiter

• M: Internal Memory bits

• SM: Special Memory bits

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ(word) hoặc từ kép (double word)

• Vùng đối tượng

Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi AC.Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhưng đọc/ghi được

• Mở rộng cổng vào ra

CPU 214 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul Các modul mở rộng tương

tự và có thể mở rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul

mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích Địa chỉ của các vị trícủa các modul được xác định cùng kiểu Ví dụ như một modul cổng ra không thểgán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng như một modul tương tự không thể cóđịa chỉ như một modul số và ngược lại

Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổtrong bộ đệm, tương tự với

số đầu vào/ra của modul

Sau đây là địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU214

0(4vào/

MODUL1(8 vào)

MODUL 2(3vào analog/

1ra analog)

MODUL3(8 ra)

MODUL 4(3vào analog/1ra analog)

4ra)I0.0 Q0.0

Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3

I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7

AIW0AIW2AIW4

AQW0

Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7

AIW8AIW10AIW12

AQW4

• Cấu trúc chương trình của S7-200

Có thể được lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm:

Step 7 – Micro / Dos

Step 7 – Micro / Win

Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx

Các chương trình xử lý ngắt cũng là một bộ phận của chương trình Nếu cần sử

Các chương trình được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính,sau đó đến các chương trình xử lý ngắt Cũng có thể do trộn lẫn các chương trìnhcon và chương trình xử lý ngắt ở sau chương trình chính.

Thực hiện trong vòng quét

Thực hiện khi chương trình

chính gọi

• Thực hiện chương trình của S7-200

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòngquét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổngvào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòngquét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúcMEND Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ vàkiểm lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm

ảo tới các cổng ra

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường lệnh không làm việc trựctiếp cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việctruyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn (1) và (4) do CPU quản lý.Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cảchương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào và ra

Nếu sử dụng các chế độ ngắt chương trình tương ứng với từng tín hiệu ngắtđược soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình xử lý

ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thểxảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.

• M và S: Dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC

Tất cả các phần tử (toán hạng) trên có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0) Cuộn dây có thể được dùng để điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (như phần tử Q)hoặc có thể điều khiển bộ định thời, bộ đếm hoặc cờ (như phần tử M, S) Mỗi cuộc dâyđược gắn với các công tắc Các công tắc này có thể là thường mở hoặc thường đóng Các ngõ vào vật lý nối đến bộ điều khiển lập trình (phần tử I) không có cuộndây để lập trình Các phần tử này chỉ có thể dùng ở dạng các công tắc mà thôi (loạithường đóng và thường mở)

3.4 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200 CPU 214

3.4.1 Phương pháp lập trình

S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình Chương trìnhbao gồm một các dãy lệnh S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầutiên và kết thúc ở lệnh cuối trong một vòng Một vòng như vậy gọi là một vòng quét

 Định nghĩa về LAD

LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa Những thành phần cơ bản dùngtrong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle Trongchương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau:

• Tiếp điểm: là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm của role Các tiếpđiểm đó có thể là thường mở ┤├ hoặc thường đóng ┤/├

• Cuộn dây (coil): là biểu tượng ─( )─ mô tả các role Được mắc theo chiềudòng cung cấp điện cho role.

• Hộp (box): là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòngđiện chạy đến hộp Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp làcác bộ định thời (timer), bộ đếm (Couter) và các hàm toán học Cuộn dây

và các hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện

• Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từnguồn bên trái sang đường nguồn bên phải Đường nguồn bên trái là dâynóng, đường nguồn bên phải là dây trung hòa hay là đường trở về nguồncung cấp (đường nguồn bên phải tường không được thể hiện khi dùngchương trình STEP- Micro/WIN) Dòng điện chạy từ bên trái qua các tiếpđiểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn

 Định nghĩa về STL:

Phương pháp liệt kê (STL) là phương pháp là thể hiện chương trình dưới dạngtập hợp các câu lệnh Mỗi câu lệnh trong chương trình, kể cả những lệnh hình thức,biểu diễn một chức năng của PLC

 Định nghĩa về ngăn xếp logic (logic stack):

S0 Stack 0- bit đầu tiên hay bit trên cùng của ngăn xếpS1 Stack 1- bit thứ hai của ngăn xếp

S2 Stack 2- bit thứ ba của ngăn xếpS3 Stack 3- bit thứ tư của ngăn xếpS4 Stack 4- bit thứ năm của ngăn xếpS5 Stack 5- bit thứ sáu của ngăn xếpS6 Stack 6- bit thứ bảy của ngăn xếpS7 Stack 7- bit thứ tám của ngăn xếpS8 Stack 8- bit thứ chin của ngăn xếp

3.4.2 Cú pháp lệnh của S7-200

Hệ lệnh của S7-200 được chia làm ba nhóm:

• Các lệnh mà khi thực hiện khi làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trịlogic của ngăn xếp

• Các lệnh chỉ thực hiện khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1

• Các nhãn lệnh đánh dấu trong vị trí tập lệnh

Các toán hạng giới hạn cho phép của CPU 214:

Phương pháp truy nhập Giới hạn cho phép của toán hạng

của CPU 214Truy nhập theo bit

(địa chỉ byte, chỉ số bit)

AC (0 đến 3) Hằng số

Truy nhập theo từ đơn(word)

(địa chỉ byte cao)

SMW (0 đến 84)

AC (0 đến 3) AIW (0 đến 30) AQW (0 đến 30) Hằng số

AC (0 đến 3)

HC (0 đến 2)Hằng số

• Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:

• SET (S) RESET (R):

Lệnh dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiếtkế Trong LAD,logicđiều khiển dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầura Khi dòng điều khiểnđến các cuộn dây thì các cuôn dây đóng hoặc mở cáctiếp điểm Trong STL, lệnhtruyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến cácđiểm thiết kế Nếu bit này có giátrị

• Các lệnh logic đại số Boolean:

Các lệnh tiếp điểm đại số Boolean cho phép tạo lập các mạch logic(không cónhớ) Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúcmạch, mắc nốitiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng hay các tiếpđiểm thường mở TrongSTL có thể sử dụng lệnh A (And) và O (Or) cho cáchàm hở hoặc các lệnh AN (AndNot), ON (Or Not) cho các hàm kín Giá trịcủa ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vàotừng lệnh

• Các lệnh tiếp điểm đặc biệt

• ┤ NOT ├ ┤ P ├ ┤ N ├

Có thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng tháicủa xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị đỉnh của ngănxếp) LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt này để tác động vào dòngcung cấp Cáctiếp điểm đặc biệt không có toán hạng riêng củachính chúng vìthế phải đặt chúng phíatrước cuộn dây hoặc hộp đầu ra Tiếp điểm chuyểntiếp dương/âm (các lệnh sườntrước và sườn sau) có nhu cầu về bộ nhớ bởivậy đối với CPU 214 có thể sử dụngnhiều nhất là 256 lệnh

• Các lệnh so sánh

Khi lập trình, nếu các quyết định về điều khiển được thực hiện dựa trênkết quảcủa việc so sánh thì có thể sử dụng lệnh so sánh theo byte, Word hayDword của S7– 200.AD sử dụng lệnh so sánh để so sánh các giá trị của byte, word hay Dword (giátrị thực hoặc nguyên) Những lệnh so sánh thường là: so sánh nhỏ hơn hoặc bằng(<=); so sánh bằng (==) và so sánh lớn hơn hoặc bằng (>=)

• Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con

Các lệnh của chương trình, nếu không có những lệnh điều khiển riêng, sẽ đượcthực hiện theo thứ tự từ trên xuống dưới trong một vòng quét Lệnh điều khiểnchương trình cho phép thay đổi thứ tự thực hiện lệnh Chúng cho phép chuyển thứ

tự thực hiện, đáng lẽ ra là lệnh tiếp theo, tới một lệnh bất cứ nào khác của chương

trình, trong đó nơi điều khiển chuyển đến được đánh dấu trước bằng mộtnhãn chỉ đích Thuộc nhóm lệnh điều khiển chương trìnhgồm:lệnh nhảy, lệnh gọi chương trình con Nhãn chỉ đích, hay gọi đơn giản là nhãn, phải được đánh dấu trước khi

thực hiện nhảy hay lệnh gọi chương trình con

• Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét

• MEND, END, STOP, NOP, WDR

Các lệnh này được dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện, và kéo dài mộtkhoảng thời gian của một vòng quét.Trong LAD và STL chương trình phải được kết

thúc bằng lệnh kết thúc không điều kiện.

MEND Có thể sử dụng lệnh kết thúc có điều kiện END trước lệnh kết thúckhông điều kiện.

Lệnh STOP kết thúc chương trình, nó chuyển điều khiển chương trình đến chế

độ STOP Nếu như gặp lệnh STOP trong chương trình chính, hoặc trongchươngtrình con thì chương trình đang được thực hiện sẽ kết thúc ngay lập tức

• Các lệnh điều khiển Timer

Timer là bộ tạo thời gian giữa tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thườngđược

gọi làkhâu trễ Nếu ký hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thời gian trễtạo ra bằng

Timer là τthì tín hiệu đầu ra của Timer đó sẽ là x(t – τ)

S7– 200 có 64 bộ Timer (với CPU 212) hoặc 128 Timer (với CPU 214)đượcchia làm hai loại khác nhau là:

• Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), ký hiệu là TON

 Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer), kýhiệu làTONR

• Các lệnh điều khiển Counter

Counter là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn xung trong S7– 200.Các bộ đếm của S7 –200 được chia làm hai loại: bộ đếm tiến (CTU) vàbộđếm tiến/lùi (CTUD)

• Đồng hồ thời gian thực

Đồng hồ thời gian thực chỉ có với CPU 214.Để có thể làm việc với đồnghồthời gian thực CPU 214 cung cấp 2 lệnh đọc và ghi giá trị cho đồng hồ Những giátrị đọc được hoặc ghi được với đồng hồ thời gian thực là các giá trịvề ngày, tháng,năm và các giá trị về giờ, phút, giây

CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN BÀI TOÁN

Dùng chương trình V4.0 STEP 7 MicroWin và S7-200 Simulato để lập trình và

mô phỏng làm việc của hệ thống ta có như sau

4

4.1 Lập trình bằng STEP 7 MicroWin

Hình 4.1: Lập trình bằng Step 7 MicroWin

4.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống với S7-200 Simulator

Hình 4.2: Mô phỏng làm việc của hệ thống với S7-200 Simulator

CHƯƠNG 5:

LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BẰNG WINCC

5

5.1 Giới thiệu về phần mềm wincc

5.1.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm wincc

Ngày nay các thiết bị điều khiển khả trình PLC được thay thế dần cho cá thiết bịđiều khiển quá trình cũ để thực hiện việc tự động hoàn toàn 1 quá trình công nghệ,thực hiện việc tích hợp mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) Trên thế giới cáchãng lớn về tự động hóa như Omron (Nhật) Allen Bradly (Mỹ), Siemens (Đức)…không ngừng phấn đấu để đưa ra những sản phẩm mới trong lĩnh vực này với nhữngtính năng của PLC ngày càng mạnh, tốc độ xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu trongnền công nghiệp với các bài toán điều khiển khó, độ phức tạp cao Hiện nay trên thịtrường Việt Nam, PLC của hãng siemen được sử dụng khá nhiều trong các lĩnh vựcnhư Điện lực, Giấy, Xi măng… các chủng loại PLC của hãng khá phong phú nhưS5, S7-200, S7-200, S7-400…, được sản xuất đa dạng tùy theo yêu cầu sử dụng và

độ phức tạp của bài toán điều khiển Tuy nhiên, ta thấy rằng trong công nghiệp vấn

đề giao diện người – máy HMI (Human Machina Interface) rất quan trọng trongviệc điều khiển và giám sát quá trình sản xuất Hãng Siemen đưa ra một số phầnmềm để xây dựng giao diện người – máy như protool/ protool CS, WinCC có tínhlinh hoạt và mềm dẻo để thực hiện giải pháp kỹ thuật thực hiện giao diện người –máy Những phần mềm này ko những có thể sự dụng thiết bị chính hãng mà nó còn

mở rộng tương thích với các thiết bị của hãng khác như của GE (General Electric,Allen Bradly, Misubishi Electric… thông qua các kênh điều khiển riêng

WinCC là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hãng SIEMENShiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và Việt Nam Wicc hiện có mặt trongrất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, thép, dầu khí…

WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính kỹthuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và

tự động hóa quá trình Hệ thống này đưa ra những modul chức năng tích hợp cônnghiệp cho hiễn thị đồ họa, những thông báo, những lưu trữ, và những báo cáo Nó

là một trình điều khiễn mạnh, nhanh chóng cập nhật các ảnh và những chức nănglưu trữ an toàn để sử dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình công nghệtheo chế độ thời gian thực

Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho cácgiải pháp của người dùng Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp trongnhững giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở Sự truy nhậptới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL, sự lồng ghépnhững đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE 2.0 và OLE CustomControls (OXC) Những cớ chế này làm cho WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễtruyền tải trong môi trường windows

Để xây dựng được giao diện HIM bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phầncứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiều của máytính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việctruyền thông,

WinCC hỗ trợi cho tất cả các máy tính- những nền tảng PC thích hợp Mặc dù giátrị đưa ra cho cấu hình tối thiểu nhưng phải đạt được cấu hình khuyến cáo để đạthiệu quả tối ưu

cơ sở cho Sever trong một dự án nhiều người sử dụng Phần mềm WinCC là một

5.1.2 Cấu trúc của Control Centre như sau:

 Chu kỳ với sự thay đổi

 Điều khiển sự kiện thời gian

• Truyền dữ liệu từ những hệ thống tự động hóa theo những các

• Nhận

• Yêu cầu

• Những modul chức năng

• Hệ thống đồ họa (Graphich Designer): trình bày quá trình bằng đồ họa

• Soạn thảo hoạt động (Golbal Scrip): làm một dự án động cho những yêucầu đặc biệt

• Hệ thống thông báo (Alarm Logging): những thông báo đầu ra và đã nhậnđược thông tin ở đầu ra

• Soạn thảo và lưu trữ những giá trị phép đó (TagLogging)

 Soạn thảo hững giá trị phép đo và cất giữ chúng trong thời hạn lâu dài

 Soạn thảo dữ liệu hướng người dùng và cất giữ chúng lâu dài

• Hệ thống báo cáo (Report Designer): báo cáo những trạng thái hệ thống.Control Center làm cho ta có thể định hướng xuyên qua những ứng dụngWinCC và dữ liệu của nó mới chỉ một ít thao tác Control Center thao tác tương tựgiống như Explorer trong windows Trong WinCC bao gồm 2 cơ sỡ dữ liệu: mộtdành cho việc định dạng hệ thống CS (Configuration System), một dành cho việcchạy thời gian thực RT (Run time) khi chạy WinCC 2 cơ sỡ dữ liệu này luôn đượctải vào và chạy song song với nhau

Hình 5.1: Cấu trúc của WinCC 5.1.3 Các khái niệm thường dùng trong WinCC

• WinCC Explorer

Nó được xuất hiện khi khởi động WinCC Tất cả các phần tử của WinCC đềuđược khởi động từ đây Từ cửa sổ WinCC Explorer có thể xâm nhập vào tất cả cácthành phần mà một dự án giao diện người máy cần có cũng như việc xây dựng cấuhình cho các phần riêng rẽ đó

• Chức năng của WinCC Explorer

WinCC Explorer gồm tất cả các chức năng quản lý phục vụ việc vào hệthống của WinCC Tại đây có thể đặt cấu hình (Computer, Tag…) và khởi độngmode Run-time

• Nhiệm vụ của quản lý dữ liệu (Data manager)

Đây là một phần của WinCC Explorer, nó cung cấp các hình ảnh quá trình,

bộ đệm (Proces Image) cho các tag

• Nhiệm vụ của WinCC Explorer

• Tạo một dự án mới

• Gọi và lưu trữ dự án

• Quản lý dự án: Mở, lưu, di chuyển và copy

• Chức năng ấn bản mạng cho nhiều người sử dụng (Client- SeverEnvionment)

• Hiển thị cấu hình dữ liệu

• Điều khiển và đặt cấu hình của cấp bậc của các ảnh, cấu trúc hệ thốngchẳng hạn như bằng cách thể hiện cây thư mục

• Cài đặt thông số tổng thể như ngôn ngữ, hệ thống, đường dẫn người dùng

• Phản hồi dữ liệu (feedback documentation)

• Lập báo cáo các trạng thái của hệ thống

• Chuyển đổi giữa đặt cấu hình và chạy thực (Runtime)

• Thử các mode như mô phỏng khi chạy, trợ giúp hoạt động đặt cấu hình giữliệu, chuyển đổi các picture, thể hiện trạng thái vào tạo thông báo

• Các loại Project

WinCC cung cấp nhiều loại dự án khác nhau tùy teo yêu cầu công việc và quy

mô của một dự án

• Dự án đơn (Single- Use Project)

Một dự án đơn thực chấ là một trạm vận hành đơn, việc tạo cấu hình, chạy thờigian thực, cũng như kết nối với bus quá trình và lưu trữ dữ liệu của dự án đều đượcthực hiện trên máy tính này

Hình 5.2 : Cấu trúc của dự án đơn

• Dự án nhiều người dùng (Multi- User project)

Một dự án nhiều người dùng có đặc điểm cấu hình nhiều máy khách (Client) vàmột máy chủ (Sever) tất cả chúng làm việc trong cùng một dự án Tối đa 16 clientđược truy nhập vào một sever Cấu hình có thể đặt trong sever hoặc trong một vàiclient Dữ liệu của dụ án như các hình ảnh (picture), các tag, dữ liệu được lưu trữtrong sever và cung cấp cho các client Sever được kết nối với bus quá trình và dữliệu quá trình được xữ lý ở đây Vận hành hệ thống được thực hiện từ các client

Hình 5.3: cấu trúc của một dự án nhiều người dùng

• Dự án nhiều máy khách (Multi- Client Project)

Dự án nhiều máy khách là một loại dư án mà có thể truy nhập vào nhiều sever.Các sever được liên kết có dự án riêng của chúng Cấu hình của project sever đượcthực hiện trong sever hoặc trong các client, cấu hình cảu dự án multi- client đượcthực hiện trong dự án multi- client

Một sever có thể được truy nhập tối đa 16 client Một dự án multi-client có thểtruy nhập tối đa 6 sever Có nghĩa là dữ liệu của 6 sever có thể được giám sát vàđiều khiển trên một màn hình cảu dự án multi-client

Hình 5.4: Cấu trúc của dự án multi-client.

• Các thành phần cơ bản trong một dự án của WinCC

Hình 5.5: Cửa sổ chính của một dự án trong WinCC.