PLC hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG...24 3.1... Hiện nay, các tuyến đường chính trong đô thị ở nước ta đều sử dụng đèn t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN



ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Đề tài : Tìm hiểu PLC S7-1200 kết hợp giao diện HMI , thời gian thực thực

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

Giáo viên hướng dẫn : T.S PHẠM THỊ HỒNG HẠNH

Nhóm sinh viên thực hiện :

Nguyễn Văn Nghiêm 1041040067

Lê Thị Ngọc 1041040002Trần Quang Ngọc 1041040077

Nguyễn Văn Nhật 1041040095

PHIẾU ĐÁNH GIÁ SỐ 06

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: Nhóm 6 Lớp-Khóa: ĐIỆN 1- K10

Nội dung đánh giá:

Mức độ hoàn thành

Ghi chú

Kế hoạch (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

MỤC LỤC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ SỐ 06 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 5

1.1 Khái quát chung về hệ thống đèn tín hiệu giao thông 5

1.1.1 Giới thiệu về đèn tín hiệu giao thông 5

1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn tín hiệu giao thông 6

1.1.2.1 Cấu tạo 6

1.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động 7

1.1.3 Quy trình điêu khiển đèn tín hiệu giao thông 8

1.1.4 Các phương pháp điều khiển tín hiệu đèn giao thông 8

1.1.4.2 Phương pháp điều khiển đèn giao thông với PLC 8

1.2 Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông 9

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG ,BỘ NHỚ, CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH VÀ GIAO DIỆN LẬP TRÌNH TRÊN PLC S7-1200 11

2.1 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 11

2.2.Cấu trúc phần cứng của PLC S7-1200 14

2.2.1 Các bộ phận và chức năng 14

2.2.2 Cấu trúc phần cứng 16

2.2.2.2 Cấu trúc chương trình và giao diện lập trình trên PLC S7-1200 19

2.2.2.2.1.Hoạt động của chương trình trên PLC 19

2.2.2.2.2.Cấu trúc chương trình 19

2.2.3 Phần mềm lập trình 20

2.2.3.1 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200 21

2.3 Giới thiệu về màn hình HMI 22

2.3.1 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 24

3.1 Thiết lập bộ định thời gian thực RD_SYS_T 24

3.1.1 Cập nhật thời gian thực của PLC 25

3.2 Viết chương trình đèn giao thông 25

3.2.1 Bảng địa chỉ 25

3.2.2 Thuật toán 26

3.2.3 Viết chương trình bằng ngôn ngôn ngữ LAD 27

3.3 Thiết kế giao diện hmi 33

3.3.1 Cấu hình 33

3.3.2 Thiết kế 34

3.3.2.1 Thiết kế nút bấm 34

3.3.2.2 Thiết kế đèn trên màn hình 35

3.4.Kết quả trên màn hình HMI: 36

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 39

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ gia tăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy rất thường xuyên

Hiện nay, các tuyến đường chính trong đô thị ở nước ta đều sử dụng đèn tín hiệu

để điều khiển giao thông Hệ thống này góp phần giải quyết vấn nạn ùn tắc giaothông trên các tuyến đường

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 trườnghợp này tuy đơn giản nhưng sẽ làm cho dòng xe trên tuyến chính bị tổn thất thờigian rất lớn do liên tục gặp phải đèn đỏ.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảogiao thông thông suốt

Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của đồ án môn học

PLC với đề tài: “ 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 đèngiao thông ngã tư sử dụng PLC S7-1200

Việc thực hiện đồ án này rất bổ ích , nó giúp các chúng em tự tìm tòi, học hỏi vàvận dụng kiến thức vào thực tế Đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dàocho chúng em học tập, làm việc sau này

Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu, nhưng trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏinhững sai sót về cách trình bày cũng như phần thể hiện đề tài của mình.Mong thầy(cô) góp ý và bổ sung thêm để đề tài của em có thể hoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO

THÔNG 1.1 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 là một thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còngiúp giảm ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trênvỉa hè Đèn giao thông có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc cảnh sát giao thôngđiều khiển

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

 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".

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

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

đỏ người đi bộ

1.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Đèn giao thông thường hoạt động cả ngày, đến 0 giờ (12 giờ đêm) thì chuyểnsang trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động Khi nháy vàng, xe cộ được đi vàphải chú ý người đi bộ được phép sang đường Đến 6 giờ sáng ngày hôm sau đèn

lại hoạt động bình thường trở lại

Hình 1-3 Giản đồ thời gian của đèn tín hiệu giao thông hoạt động ở chế độ bình

thường

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 kialên, không được bật nhiều màu cùng một lúc Giữa 2 chiều đường, khi chiều A bậtđèn đỏ thì lập tức chiều B phải bật ngay đèn xanh và ngược lại Khi chuyển từ xanhsang đỏ bắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh đỏ

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 đókhông thực 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 màphương pháp 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, mànhình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bịnhập 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 triểncủa mạng internet thì hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cũng trở nên hiện đạihơn 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 diệnngười sử dụng bằng đồ họa

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

ĐÈN GIAO THÔNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY 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 thuậttoán nhất định dồng thời truyền lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành PLC cũngcung cấp thông tin đến trung 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 rađời vào năm 2009 Sự ra đời của PLC S7-1200 đãdần thay thế cho dòng PLC cũ làS7-200 So với S7-200 thì PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi trội hơn, PLC S7-

1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗtrợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hìnhlinh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoànhảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

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

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

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

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

 Kiểu số

 Kiểu tương tự

 6 ngõ vào / 4ngõ ra

Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

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

Tốc độ thực thi tính toán 18 μs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean 1.1μs/lệ0nh

 Giới thiệu về module mở rộng:

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để

mở rộng chức năng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các moduletruyền thông 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 vàquy định 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.

4 x AnalogIn

8 x AnalogIn

2 x Analog In

4 x Analog In

4 x Analog In / 2 x AnalogOut

Các module CPU nhớ về cơn bản

chúng đều bao gồm các bộ phận sau:

1 Nguồn cấp PS

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 1214CSau đây ta sẽ đi tìm hiểu chức năng của từng bộ phận:

 Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC (tùy thuộc vào loại CPU)

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

 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)

2.2.2 Cấu trúc phần cứng

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 trọngcủa PLC 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, đơnthuần là xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản thời gian xử lý dài

Đ N V X LÝ Ơ Ị Ử TRUNG TÂM

Đ N V X LÝ Ơ Ị Ử TRUNG TÂM

 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 nhiềutuy nhiên thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn.

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

Bộ nhớ của PLC S7-1200 được chia thành 3 vùng cơ bản và hầu hết đều có khảnăng đọc ghi được

Hình 2-5 Cấu trúc bộ nhớ của PLC

 Vùng nhớ chương trình: Là miền nhớ được dùng để lưu trữ các lệnh đượcdùng trong chương trình Vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghiđược

 Vùng nhớ tham số: Dùng để lưu trữ các tham số như từ khóa, địa chỉ trạm…Vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được

 Vùng dữ liệu: Dùng để cất giữ các giữ liệu của chương trình bao gồm kếtquả các phép tính, các hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyềnthông…

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

CH ƯƠ NG TRÌNH THAM SỐ

D LI U Ữ Ệ

CH ƯƠ NG TRÌNH THAM SỐ

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

2.2.2.2.1 Hoạt động của chương trình trên PLC

Hình 2-6 Hoạt động của chương trình trên PLCPLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chutrình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle) Mỗi vòng quét đượcbắt đàu 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 thựchiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối Main OB

- Chương trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ vàmỗi phần thực hiện một nhiệm vụ riêng biệt, từng phần nằm trong các khối OB1 vàcác khối chương trình FC, FB Sử dụng lập trình cấu trúc giúp chương trình dễ

quản lý và sửa lỗi, thuận tiện cho việc lập trình theo nhóm với nhũng chương trìnhlớn.

và tác vụ của nó, nhưng khi làm quen nhiều rồi thí đúng là rất tiện, tất cả trong một.Tất cả các BĐK PLC, HMI, Inverter đều được cấu hình trên TIA Portal V13, tạo ra

sự nhất quán trong việc lập trình, cấu hình sản phẩm

Các gói phần mềm có trong TIA Portal:

 SIMATIC STEP7 Professional V13 và SIMATIC STEP7 V13 PLCSIM: dùng

để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-300, S7-400

 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 dùngnhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứngdụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề

án, như các thiết bị PLC hay HMI STEP 7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình(LAD và FBD) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc phát triển chương trình điềukhiển đối với ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết

bị HMI trong đề án của người dùng Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết,STEP 7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến

2.2.3.1 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200

Với dòng sản phẩm PLC S7-1200 ứng dụng cho hệ thống nhỏ và vừa, Siemensphát triển 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)