Tìm hiểu PLC s7 1200 kết hợp giao diện HMI ,thời gian thực thực hiện điều khiển giao thông thông minh(kết hợp PID+mờ+thời gian thực)

Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp với tiêu đề: “ tìm hiểu plc s7-1200 kết hợp giao diện HMI , thời gian thực thực hiện điều khiển đèn giao th

Tên đề tài: Tìm hiểu PLC s7 1200 kết hợp giao diện HMI ,thời gian thực

thực hiện điều khiển giao thông thông minh(kết hợp PID+mờ+thời gian thực)

Nhóm sinh viên thực hiện: N6 Lớp-Khóa: TĐH3_K9

Nội dung đánh giá:

Sản phẩm đạt được

Mức độ hoàn thành

Ghi chú

Kế hoạc h (15 tuần)

Thực hiện

2 Phân tích đối tượng điều

5 Lựa chọn thiết bị điều

khiển, thiết bị vào, cơ cấu

chấp hành

7 Xây dựng thuật toán điều

mô phỏng

MỤC LỤC

NHÓM 6 Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốcđộ gia tăngkhông ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của cácphương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thườngxuyên

Hiện nay, các tuyến đường chính trong đô thị ở nước ta đều sử dụng đèn tín hiệu đểđiều khiển giao thông Hệ thống này góp phần giải quyết vấn nạn ùn tắc giao thôngtrên các tuyến đường và nâng cao ý thức chấp hành luật giao thông của người dân,nâng cao mức độ văn minh của đô thị

Tuy nhiên, đa phần các đèn đặt tại các nút giao làm việc độc lập mà không có sựliên hệ lẫn nhau khi hoạt động Việc tổ chức điều khiển giao thông trong trường hợpnày tuy đơn giản nhưng sẽ làm cho dòng xe trên tuyến chính bị tổn thất thời gian rấtlớn do liên tục gặp phải đèn đỏ.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thôngthông suốt

Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp với

tiêu đề: “ tìm hiểu plc s7-1200 kết hợp giao diện HMI , thời gian thực thực hiện điều khiển đèn giao thông thông minh ( kết hợp PID+mờ+ thời gian thực) ”.

Nội dung chính của bài tập lớn là nghiên cứu hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giaothông ngã tư sử dụng PLC S7-1200

Bài tập lớn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chươngđược tóm tắt như sau:

Chương 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu giao thông:

Giới thiệu một cách tổng quan về đèn giao thông, mô hình hệ thống điều khiển tínhiệu đèn giao thông

Chương 2 – Giới thiệu tổng quan về phần cứng , bộ nhớ , cấu trúc chương trình và giao diện lập trình trên PLC S7-1200:

Giới thiệu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 Xây dựng thuật toán chươngtrình điều khiển và giao diện màn hình HMI

Chương 3 – Thiết kế giao diện HMI và viết chương trình điều khiển giám sát cho hệ thống đèn giao thông:

Tổng quan về phần mềm điều khiển giám sát sử dụng trong đồ án và từng bước thiết

kế giao diện điều khiển giám sát cho hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông ngãtư

Chương 4 – Kết luận đánh giá kết quả:

Đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết so với thực tiễn

Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để hoàn thành nội dung yêu cầu đặt ra,xong vì vốn kiến thức còn hạn hẹp và khả năng cũng như kinh nghiệm thực tế còn ítnên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được sự bổ xung góp ýcủa các thầy cô và các bạn để Đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn

NHÓM 6 Trang 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU

GIAO THÔNG1.1 Khái quát chung về hệ thống đèn tín hiệu giao thông

1.1.1 Giới thiệu về đèn tín hiệu giao thông

Đèn giao thông là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ

có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại) Đây làmột thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm

ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè Đèngiao thông có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc cảnh sát giao thông điều khiển

Hình 1-1 Hình ảnh thực tế hệ thống đèn giao thông

Phân loại

− Đèn dành cho xe cộ

Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ Ý nghĩa của màu đèn như sau:

+ Đỏ: Khi gặp đèn đỏ, tất cả các phương tiện đang lưu thông phải dừng lại ở phía trước

vạch dừng, người đi bộ được sang đường

+ Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi và phải chú ý Người đi

bộ không được sang đường

+ Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu

+ Đèn dành cho người đi bộ

Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ Ý nghĩa của màu đèn như sau:

+ Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường"

+ Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường" là bao lâu

− Đèn đếm lùi

Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính Đèn đếm lùiđược hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau Khi đèn đếmđến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính

1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn tín hiệu giao thông

1.1.2.1 Cấu tạo

Hình 1-2 Mô hình hệ thống đèn giao thông tại một ngã tư

NHÓM 6 Trang 6

Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chínhđược lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi một cột đèn gồm 6đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn vàng và đèn đỏ; 2 đèn phụ là 2 đèn dùngđiều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh người đi bộ và đèn đỏ người đibộ.

1.1.3 Quy trình điêu khiển đèn tín hiệu giao thông

Đèn giao thông phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên,không được bật nhiều màu cùng một lúc Giữa 2 chiều đường, khi chiều A bật đèn đỏthì lập tức chiều B phải bật ngay đèn xanh và ngược lại Khi chuyển từ xanh-đỏ và đỏ

xanh bắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh đỏ Khi bậtđèn vàng thì phải bật sáng ở cả 2 chiều đường A và B.

1.1.4 Các phương pháp điều khiển tín hiệu đèn giao thông

1.1.4.1 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng IC số

Với mạch dùng IC số có những ưu điểm sau:

− Giá thành rẻ

− Mạch đơn giản dễ thực hiện

− Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy

Tuy nhiên khi sử dụng kỹ thuật số rất khó khăn trong việc thay đổi chương trình.Muốn thay đổi một chương trình nào đó thì buộc ta phải thay đổi phần cứng Do đómỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó khôngthực hiện được nhờ phương pháp này

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử

lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phươngpháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được

1.1.4.2 Phương pháp điều khiển đèn giao thông với PLC

Với phương pháp sử dụng PLC có những ưu diểm sau:

− Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao

− Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) màkhông cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị nhập xuất

− Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh

Tuy nhiên phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp dụngtrong hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao

1.2 Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông

Hiện nay với sự phát triển của công nghệ thông tin và đặc biệt là sự phát triển củamạng internet thì hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cũng trở nên hiện đại hơn rất

là nhiều:

− Có khả năng lựa chọn theo khoảng thời gian trong ngày hoặc bằng tay

− Chế độ ưu tiên, tùy theo nhu cầu giao thông thực tế

− Hệ thống điều khiển có một giao diện vận hành tiện lợi dựa trên giao diện người

sử dụng bằng đồ họa

Dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông:

NHÓM 6 Trang 8

ĐÈN GIAOTHÔNG

BỘ ĐIỀU KHIỂNMÁY TÍNH

Hình 1-4 Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông

− Máy tính: Trung tâm điều phối, cung cấp giao diện người dùng trực quan cho việc điều

khiển giám sát hệ thông

− PLC (Programable Logic Controler): Là thiết bị điều khiển logic lập trình được, PLC

nhận thông tin từ các cảm biến và xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất địnhdồng thời truyền lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành PLC cũng cung cấp thông tin đếntrung tâm điều phối

− Ethernet switch: Mở rộng kết nối giữa các thiết bị PLC và máy tính thông qua mạng

Ethernet

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG ,BỘ NHỚ, CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH VÀ GIAO DIỆN LẬP TRÌNH TRÊN PLC S7-1200

2.1 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200

PLC S7-1200 là bộ điều khiển logic khả trình của hãng Siemens - Đức, được ra đờivào năm 2009 Sự ra đời của PLC S7-1200 đãdần thay thế cho dòng PLC cũ là S7-200

So với S7-200 thì PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi trội hơn, PLC S7-1200 manglại 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 lệnhmạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điềukhiển 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 ratrong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khingười dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầuđểgiám 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 cáchoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việctruyền thông với các thiết bị thông minh khác Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệviệc 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 việctruy xuất đến các chức năng của CPU

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

PLC S7-1200 bao gồm 4 dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và 1215C Các moduleCPU khác nhau về hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình…vàchúng đều được tích hợp sẵn một cổng Profinet, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

Bảng 2-1 Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C

Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C

I/O tích hợp cục bộ

− Kiểu số

− Kiểu tương tự

− 6 ngõ vào / 4ngõ ra

− 2 ngõ ra

− 8 ngõ vào / 6ngõ ra

− 2 ngõ ra

− 14 ngõ vào /

10 ngõ ra

− 2 ngõ raKích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

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

Tốc độ thực thi tính toán

thực

18 μs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean 0.1 μs/lệnh

− Giới thiệu về module mở rộng:

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mởrộng chức năng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyềnthông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quyđịnh của nhà sản xuất.

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

Hình 2-1 Hình ảnh các module mở rộng S7-1200

− Communication module (CM):Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

− Signal board (SB):Board tín hiệu vào ra số, tương tự được gắn phía trên CPU.

− Signal Module (SM):Module tín hiệu vào ra số, tương tự.

Chi tiết các đặc tính của module được thể hiện ở bảng sau:

Kiểutương tự 4 x Analog In8 x Analog In 2 x Analog In4 x Analog In 4 x Analog In / 2 x AnalogOutBảng

2. Kết nối với các module mở rộng

3. Đèn LED hiển thị I/O trên board

4. Kết nối Profinet

Hình 2-2 Cấu tạo PLC S7-1200 – CPU 1214C

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu chức năng của từng bộ phận:

Hình 2-3 Sơ đồ đấu nối đầu vào/ra và nguồn trên S7-1200 Đèn trạng thái:

CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về các trạng tháihoạt động Các trạng thái đó được thể hiện như sau:

+ Màu đỏ thuần túy: Chỉ thị phần cứng bị hỏng

− MAINT (maintenance): Đèn này sẽ nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ

− LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với máy tính thành công

− Rx/Tx: Màu vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền phát

− Ix.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu vào số (ON/OFF)

− Qx.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu ra số (ON/OFF)

NHÓM 6 Trang 14

ĐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM

Hình 2-4 Mô hình tổng quát của một PLC

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Cental Processing Unit):

Có nhiệm vụ xử lý thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng củaPLC Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm

CPU thường được chia làm hai loại: Đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từngữ”:

− Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, đơn thuần là

xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản thời gian xử lý dài

− Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép toán,

đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy nhiên thờigian xử lý được cải thiện nhanh hơn

CHƯƠNG TRÌNH THAM SỐ

DỮ LIỆU

CHƯƠNG TRÌNH THAM SỐ

DỮ LIỆU

CHƯƠNG TRÌNH

THAM SỐ

DỮ LIỆU

− Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

Khối vào ra:

− Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC) vớimạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC)

− Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu chuẩn

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết về vùng nhớ chương trình, vùng nhớ tham số vàvùng dữ liệu của PLC S7-1200.

2.2.1.2 Cấu trúc chương trình và giao diện lập trình trên PLC S7-1200

a Hoạt động của chương trình trên PLC

Hình 2-6 Hoạt động của chương trình trên PLC

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

- Chương trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phầnthực hiện một nhiệm vụ riêng biệt, từng phần nằm trong các khối OB1 và các khốichương trình FC, FB Sử dụng lập trình cấu trúc giúp chương trình dễ quản lý và sửalỗi, thuận tiện cho việc lập trình theo nhóm với nhũng chương trình lớn.

Các gói phần mềm có trong TIA Portal:

− SIMATIC STEP7 Professional V13 và SIMATIC STEP7 V13 PLCSIM: dùng đểlập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-300, S7-400

NHÓM 6 Trang 18

− SIMATIC WinCC Professional V13: Lập trình giao diện HMI và IPC.

− SIMATIC Start Driver V13: Cấu hình biến tần Siemens

Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho người dùng nhằmphát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứng dụng,bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề án, nhưcác thiết bị PLC hay HMI STEP 7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD vàFBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc phát triển chương trình điều khiển đốivới ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết bị HMItrong đề án của người dùng Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết, STEP 7Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến

2.2.1.3 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200

Với dòng sản phẩm PLC S7-1200 ứng dụng cho hệ thống nhỏ và vừa, Siemens pháttriển và ưu tiên hỗ trợ cho 3 ngôn ngữ lập trình:

− Lập trình hình thang (LAD – Ladder Logic)

− Lập trình khối hàm (FBD – Funtion Block Diagram)

− Lập trình theo dạng text (SCL - Structured Control Language)

+ Tiếp điểm thường đóng:

+ Tiếp điểm thường mở:

− Cuộn dây: Mô tả cuộn dây relay, toán hạng sử dụng là bit

− Khối hộp: Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, làm việc khi có tín hiệu ích đến.Những hàm thường được biểu diễn bằng khối hộp là các hàm tạo trễ (Timer), hàm đếm(Counter) và các hàm toán học khác