Thiết kế tủ điều khiển PLC s7 1200 PN

Thiết kế tủ điều khiển PLC s7 1200 PN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG KHOA ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên nghành: Tự Động Hóa

THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN PLC-S7-1200-PN

Khóa: DT14DH-DT1 Giáo viên hướng dẫn: ThS.Đào Tăng Tín

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2019

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi và được sự hướng dẫn khoa học của THS Đào Tăng Tín Các nội dung nghiên cứu phân tích trong đồ án là trung thực dựa vào các tài liệu đã được công bố theo quy định Nội dung các cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá trích dẫn từ các nguồn khác nhau

có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dungluận văn của mình Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng không liên quan đến những viphạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Người cam đoan

Em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tự động hóa là một trong những đồ án quan trọng của sinh viên ngành kỹ thuật

Đồ án này được thực hiện nhằm mục đích giới thiệu cho sinh viên các hệ thống sản xuất tiên tiến và linh hoạt, những phương pháp mới trong sản xuất công nghiệp để nâng cao tầm quản lý và định hướng phát triển của sự nghiệp sau này

Trong quá trình thực hiện đồ án, do giới hạn về thời gian nên nhóm tập trung thực hiện:

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Thiết kế mô hình thí nghiệm

Mục Lục

2.3.2 Nạp chương trình xuống CPU 33

3.1.6 Module Mạch điều khiển tín hiệu đèn giao thông tại ngã tư 49

3.2.1 Bài thí nghiệm số 1: Mô hình điều khiển mạch khởi động sao-tam giác 50

3.2.3 Bài thí nghiệm số 2: Mô hình điều khiển đảo chiều động cơ 3 pha 55

3.2.4 Bài thí nghiệm số 3 - Mô hình điều khiển đèn giao thông tại ngã tư 58

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG/ BIỂU

Chương1 TỔNG QUAN

Mục tiêu chương này trình bày tổng quan hướng nghiên cứu, cơ sở khoa học, thực tiễn của đề tài, xác định mục tiêu, phạm vi hướng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu khoa học

Nội dung giới thiệu sơ đồ khối mô hình thí nghiệm, cơ sở khoa học và thực tiễn, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi giới hạn và phương pháp nghiên cứu đề tài

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.

- Ngày nay kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là một trong những ngành quan trọng trong thời kỳ xã hội hiện đại bước vào kỷ nguyên mới Trong các nhà máy công nghiệp với các dây chuyền sản xuất tiên tiến, tự động hoá cao, các hệ thống điều khiển giao thông đường không, giao thông đường bộ, năng lượng, viễn thông hiện đại…đều không thể thiếu sự có mặt của những người kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trong nông nghiệp các hệ thống giám sát điều khiển quá trình nước, dinh dưỡng cho cây trồng tự động được xây dựng bởi các kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trong cácứng dụng dân dụng người kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa còn có thể đóng góp chuyên môn của mình ngày càng rộng rãi bao gồm nhận dạng thẻ mã vạch, thẻ từ, khoá điện tử, các bảng quảng cáo điện tử, bán vé tự động, các mạch điều khiển thang máy, máyđiều hoà thông minh, kỹ thuật Logistic (Tự động hóa trong vận chuyển giao dịch hàng hóa trên toàn cầu)… Những phân tích ở trên là lý do đề tài được chọn

1.2 Mục tiêu của đề tài.

- Xây dựng mô hình các mô hình thí nghiệm

+ Lập trình, điều khiển động cơ KĐB 3 pha khởi động sao-tam giác

+ Lập trình, điều khiển động cơ KĐB 3 pha chạy thuận nghịch

+ Lập trình, điều khiển bãi đậu xe tự động

+ Lập trình, điều khiển đèn giao thông tại ngã tư

- Viết chương trình điều khiển sử dụng S7-1200, HMI

- Kết nối S7-1200 (CPU 1214C-AC/DC/Rly) với khối cảm biến ngõ vào và cơ cấuchấp hành ngõ ra

- Kết nối HMI ( WienTek 8071iE ) với S7-1200(CPU 1214C- AC/DC/Rly)

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

- Giới thiệu mô hình, kiểm chứng, trình bày mô hình điều khiển

- Phạm vi đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình mở, phục vụ cho các yêu cầu trong giảng dạy

- Đề ra hướng phát triển ứng dụng đề tài với nhiều bài thí nghiệm, nhiều môn học kết hợp sử dụng trong nghành tự động hóa

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, đọc tài liệu trong và ngoài nước, tham khảo trên các trang diễn đàn

về công nghệ tự động hóa

- Phân tích kỹ thuật, công nghệ Profibus

- Sử dụng PLC S7-1200 điều khiển kết nối với HMI

- Sử dụng phần mềm TIA Portal V13 lập trình cho PLC S7-1200 và điều khiển PLC qua cổng kết nối Profinet với HMI

1.5 Sơ đồ khối mô hình.

Nguồn

HMI

NGÕ RA

NGÕ VÀO PLC

NÚT NHẤN, CÔNG TẮC

CONTACTOR, ROLE

Hình 1 Sơ đồ khối mô hình

- Khối 1: Nguồn – Cung cấp nguồn xoay chiều 220 AC cho các thiết bị

- Khối 2: HMI – Hiển thị các chương trình do PLC đang thực thi trên màn hình, cóthể thay đổi giá trị thời gian tác động nên các ngõ vào hoặc ngõ ra trong chương trìnhPLC

- Khối 3: PLC S7-1200 – Thực thi các chương trình do người thiết lập nạp vàoCPU, dựa vào các tín hiệu điều khiển tác động ngõ vào ( input ) để xuất các tín hiệu chongõ ra ( output)

- Khối 4: Ngõ vào – Các tín hiệu điều khiển tác động như là: nút nhấn, công tắc,cảm biến, xung, …

- Khối 5: Nút nhấn, công tắc – Kích các tín hiệu điều khiển tác động cho ngõ vào (input) của PLC

- Khối 6: Ngõ ra - Chấp hành các lệnh điều khiển của ngõ vào qua PLC

- Khối 7: Contactor, rơle – Nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp

( dùng rơle ) để khởi động hoặc dừng một thiết bị được điều khiển

1.6 Nội dung.

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

- Chương 3: Thiết kế mô hình thí nghiệm

- Chương 4: Kết luận

1.7 Kết luận.

- Giới thiệu đề tài trên cơ sở khoa học và thực tiễn

- Trình bày phương pháp nghiên cứu, mục tiêu và phạm vi đề tài

- Thiết kế sơ đồ khối

- Xây dựng nội dung chương trình

2 Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN2.1 Tổng quan về PLC S7-1200

2.1.1 Giới thiệu về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự sự kiện Các sự kiện nàyđược kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạtđộng có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngônngữ lập trình của PLC có thể là LAD hoặc STL

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lí hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Nếu muốn thay đổi hay

mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình trong bộnhớ PLC

Những ưu điểm của PLC so với bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng relay):

- 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 những chương trình phức tạp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính và mạng

- Phù hợp, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp

2.1.2 Cấu trúc của PLC

- Bộ xử lý chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện cáchoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ củaPLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến cácthiết bị xuất

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt độngđiều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC(24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giaotiếp nhập và xuất hoạt động

- Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thôngtin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điềukhiển

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúpcủa bộ lập trình hay bằng máy vi tính

- Bộ xử lý chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện cáchoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ củaPLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến cácthiết bị xuất

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt độngđiều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC(24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giaotiếp nhập và xuất hoạt động

- Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thôngtin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điềukhiển

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúpcủa bộ lập trình hay bằng máy vi tính.

Sơ đồ 2.1: Cấu trúc bên trong PLC

Hình 2 Cấu tạo bên trong PLC

Hình 3 Cấu tạo bên trong PLC

Hình 4 Cấu tạo bên trong PLC

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra

(Input/Output) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module xuất

ra các thiết bị được điều khiển

Chương trình ở dạng STL (StatementList - dạng lệnh liệt kê) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gửihoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được thực hiện thông qua module xuất Một chu kỳgồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gửi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (scanning)

Sơ đồ 2.2: Một vòng quét của PLC

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu

kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ phức tạp của chương trình và mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi

2.1.4 Giới thiệu về SIMATIC S7-1200

Bộ điều khiển PLC S7-1200 được sử dụng với sự linh động và khả năng mởrộng phù hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa tương ứng với người dùng

Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm choPLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phùhợp đối với nhiều ứng dụng khác nhau

CPU của PLC S7-1200 được kết hợp với 1 vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp,các tín hiệu đầu vào/ra, thiết kế theo nền tảng Profinet, các bộ đếm/phát xung tốc

độ cao tích hợp trên than, điều khiển vị trí (motion control), và ngõ vào analog đãlàm cho PLC S7-1200 trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ Sau khi

download chương trình xuống CPU vẫn lưu giữ những logic cần thiết để theo dõi

và kiểm soát các thiết bị thông tin trong ứng dụng của người lập trình

PLC S7-1200 được tích hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thông mạng

Profinet Ngoài ra, PLC S7-1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặcRS232 thông qua các module mở rộng

2.1.4.1 Các loại CPU của PLC S7-1200

Bảng 2.1 : Chức năng các loại CPU của PLC S7-1200

30 kHz

6

 3 tại 100kHz, 3 tại

30 kHz

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C

Tốc độ thực thi tính toán

thực

18 μs/lệnhs/lệnhTốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnhs/lệnh

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra,có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợgiao thức truyền thông khác.

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

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CM)

- Signal board (SB)

- Signal Module (SM)

1 Module truyền thông (CM) 3 Board tín hiệu (SM)

Các đặc tính của Module mở rộng

16 x DC In / 16 x DC Out

16 x DC In / 16 x RelayOut

Kiểutương tự

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 nối dây

Hình 7 Module tín hiệu (Signal module)

1 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

2 Bộ phận kết nối truyền thông

Hình 8 Module truyền thông (Communication module)

2.2 Làm việc với phần mềm Tia Portal V13

2.2.1 Giới thiệu Tia Portal V13

- Tia Portal V13 hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Một hệ thống kỹ thuật mới, thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa

- Lợi ích với người dùng:

+ Trực quan : dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động

+ Hiệu quả : tốc độ về kỹ thuật

+ Chức năng bảo vệ : Kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi mới trong tương lai

2.2.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP

- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau

2.2.3 Cách tạo một Project

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V13

Bước 2 : Click chuột vào Create new project để tạo dự án

Bước 3 : Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create.

Bước 4 : Chọn configure a device

Bước 5 : Chọn add new device

Bước 6 : Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Bước 7 : Project mới được hiện ra

2.2.4 Tag của PLC

- Phạm vi ứng dụng : giá trị Tag có thể được sử dụng mọi khối chức năng trong PLC

- Ứng dụng : binary I/O, Bits of memory

- Định nghĩa vùng : Bảng tag của PLC

- Miêu tả : Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép

2.2.5 Tag Local

- Phạm vi ứng dụng : giá trị chỉ được ứng dụng trong khối được khai báo, mô tả tương tự có thể được sử dụng trong các khối khác nhau cho các mục đích khác nhau

- Ứng dụng : tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời

- Định nghĩa vùng : khối giao diện

- Miêu tả : Tag được đại diện bằng dấu #

Sử dụng Tag trong hoạt động

- Layout : bảng tag PLC chứa các định nghĩa của các Tag và các hằng số có giá trị trong CPU Một bảng tag của PLC được tự động tạo ra cho mỗi CPU được sử dụng trong project

- Colum : mô tả biểu tượng có thể nhấp vào để di chuyển vào hệ thống hoặc có thểkéo nhả như một lệnh chương trình.

- Name : chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU

- Data type : kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag

- Address : địa chỉ của tag

- Retain : khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại

- Comment : comment miêu tả của tag

Nhóm tag : tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table

Tìm và thay thế tag PLC

- Ngoài ra còn có một số chức năng sau:

+ Lỗi tag.

+ Giám sát tag của plc

+ Hiện / ẩn biểu tượng

+ Đổi tên tag : Rename tag.+ Đổi tên địa chỉ tag : Rewire tag.+ Copy tag từ thư viện Global

2.3 Làm việc với một trạm PLC

2.3.1 Quy định địa chỉ IP cho module CPU

- IP TOOL có thể thay đổi IP address của PLC S7-1200 bằng 1 trong 2 cách + Gán một địa chỉ IP ban đầu : Nếu PLC S7-1200 không có địa chỉ IP, IP TOOL

sử dụng các chức năng thiết lập chính để cấp phát một địa chỉ IP ban đầu cho PLC 1200

S7-+ Thay đổi địa chỉ IP : nếu địa chỉ IP đã tồn tại, công cụ IP TOOL sẽ sửa đổi cấu hình phần cứng (HW config) của PLC S7-1200

2.3.2 Nạp chương trình xuống CPU

Nạp từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình

Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface và PG/PC interface như hình dưới sau

đó nhấn chọn load