Thiết kế, thi công máy pha cà phê tự động điều khiển và giám sát bằng HMI, s7 1200

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGUYỄN THANH BẢO THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S NGUYỄN HOÀI BÃO NHA TRANG, 06/2017 ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iv QUYẾT ĐỊNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN v LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại Học Nha Trang quý Thầy, Cô lãnh đạo khoa Điện –Điện Tử cho phép, tạo điều kiện để em thực đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hoài Bão q Thầy, Cơ Khoa Điện-Điện tử tạo điều kiện, giúp đỡ đóng góp ý kiến cho em suốt thời gian từ chọn đề tài lúc hoàn thành Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình người bạn lớp 55DDT ln bên động viên, khích lệ, giúp đỡ chun mơn lẫn tài để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực NGUYỄN THANH BẢO vi MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii QUYẾT ĐỊNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN iv LỜI CẢM ƠN .v MỤC LỤC vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC HÌNH x DANH MỤC CÁC BẢNG xiii LỜI NÓI ĐẦU xiv CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .2 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PLC SIMATIC S7-1200 2.1 SƠ LƯỢC VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển 2.1.2 Cấu trúc bên nguyên lý hoạt động PLC 2.2 PLC SIMATIC S7-1200 vii 2.2.1 Giới thiệu chung PLC S7-1200 2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7-1200 .7 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL 14 2.3.1 Sơ lược phần mềm 14 2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TIA Portal Step v13 16 2.3.2.1 Giao diện phần mềm Step v13 16 2.3.2.2 Cách xây dựng Project 21 2.3.2.3 Ngôn ngữ lập trình .24 2.3.2.4 Cách tải chương trình từ CPU trực tuyến 26 CHƯƠNG GIAO DIỆN NGƯỜI – MÁY HMI 28 3.1 HMI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN: 28 3.2 CÁC THIẾT BỊ HMI HIỆN ĐẠI: 30 3.3 QUY TRÌNH LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HMI 30 3.3.1 Quy trình xây dựng hệ thống HMI .30 3.3.2 Các bước thiết kế giao diện HMI TIA PORTAL .31 CHƯƠNG THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG 36 4.1 CẤU TẠO CỦA MÁY: .36 4.1.1 Sơ đồ khối: 36 4.1.2 Cấu tạo khối: 36 4.1.2.1 Khối nguồn: .36 4.1.2.2 Khối CPU: 37 4.1.2.3 Khối hiển thị điều khiển: 38 4.1.2.4 Khối Rơ-le: 39 4.1.2.5 Khối tải: .40 viii 4.1.2.6 Khối âm thanh: 43 4.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO PLC 46 4.2.1 Bài toán đặt 46 4.2.2 Phân địa vào ra, biến-bit nhớ sơ đồ kết nối PLC S7-1200 47 4.2.3 Chương trình điều khiển 49 4.3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI 61 4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 68 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 KẾT LUẬN 70 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 ix 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: Ngơn ngữ lập trình trực quan FBD Function Block Diagram: Ngơn ngữ lập trình logic HMI Human Block Interface: Màn hình giao tiếp người dùng DI Digital Input: Đầu vào số DO Digital Output: Đầu số AI Analog Input: Đầu vào tương tự SM Module tín hiệu CM Module truyền thơng OB Organization blocks: Khối tổ chức VAC Điện áp xoay chiều VDC Điện áp chiều x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Cấu trúc bên PLC Hình 2.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200 Hình 2.3 PLC S7-1200 bảng tín hiệu .10 Hình 2.4 PLC module tín hiệu .11 Hình 2.5 PLC module truyền thơng .12 Hình 2.6 Vịng qt chương trình PLC 13 Hình 2.7 Cửa sổ Portal view .16 Hình 2.8 Cửa sổ Overview 17 Hình 2.9 Cửa sổ Devices and networks 18 Hình 2.10 Online & diagnostics 19 Hình 2.11 Cửa sổ Main OB1 20 Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng Project 21 Hình 2.13 Create new project .22 Hình 2.14 Add new device 22 Hình 2.15 Chọn CPU 23 Hình 2.16 Main [OB1] 23 Hình 2.17 Ví dụ lập trình LAD .24 Hình 2.18 Mạng LAD sai quy tắc .25 Hình 2.19 Ví dụ lập trình FBD 25 Hình 3.1 Màn hình giám sát HMI .28 Hình 3.2 Thêm thiết bị HMI vào dự án 31 Hình 3.3 Kết nối HMI với PLC 32 59 60 61 4.3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI Bao gồm Screen: Trang chủ, Giới thiệu, Hoạt động, Thiết lập Ta tạo Screen mục HMI1 -> Screen -> Add new Screen tiến hành lưu tên cho screen Việc thiết kế chi tiết cho screen thực sau: - Thiết kế screen “Trang chủ”: Screen giới thiệu tên đề tài, số thông tin sinh viên thực screen xuất khởi động máy, tạo giao diện để người dùng chuyển sang screen khác để sử dụng máy Hình 4.23 Screen “Trang chủ” 62 Đây Screen xuất khởi động máy: Để cài đặt, sau tạo screen “Trang chủ”, mục Screen HMI1, kích chuột phải mục Trang chủ -> Define as start screen Việc thiết kế cho Screen “Trang chủ” đơn giản, bao gồm: + Chèn công cụ “Text field” , chèn Graphic view sau thiết kế, chỉnh sửa thuộc tính mục Properties + Trong screen sử dụng ba nút nhấn để chuyển từ screen Trang chủ sang screen “Giới Thiệu”, “Hoạt Động” “Thiết Lập” Đầu tiên ta kéo thả cơng cụ “Button” hình Trong “Properties” tab “General” chọn chế độ nút nhấn hiển thị chữ hình ảnh “Mode”, “Text” để thay đổi dòng chữ hiển thị nút nhấn Tab “Appearance” thay đổi màu nút nhấn màu chữ Để nhấn vào Button chuyển qua screen mong muốn, cần tạo liên kết cho button với screen cần chuyển đến: Chọn tab “Events” kích chuột vào “click”, kích tiếp vào “” -> “ActivateScreen” sau kích vào biểu tượng kích chọn screen chuyển đến, Nếu nút nhấn “Giới Thiệu” chọn screen “Giới Thiệu”, nút “Hoạt Động” chọn screen “Hoạt Động”, cịn nút “Thiết Lập” chọn screen Hình 4.24 Mục Event Button “Thiết lập” 63 - Thiết kế screen “ Giới thiệu”: Screen trình bày khái quát cách sử dụng chức máy pha cà phê tự động Hình 4.25 Screen “Giới thiệu” Việc thiết kế giao diện cho screen “Giới thiệu” bao gồm: + Chèn Chèn công cụ “Text field” , chèn Graphic view screen “Trang chủ” + Để trở lại screen “Trang chủ” cách nhấn vào vị trí bất bì hình ta chèn cơng cụ “Button” , kéo button vừa chèn trùm toàn screen “Giới thiệu”, mục Properteis -> General -> chọn Invisible mục Mode (chọn mục để ẩn button) Sau mục Event -> “click” chọn chuyển đến screen “Trang chủ” tương tự thao tác việc thiết kế screen “Trang chủ” Lưu ý, để đề phòng trường hợp screen “Giới thiệu” gặp cố chạm button ẩn trở screen “Trang chủ”:Ta gõ F1 mục Hot Key General/ Properties, ta nhấn nút F1 hình HMI để trở lại screen “Trang chủ” 64 - Thiết kế screen “ Hoạt động”: Screen tạo giao diện điều khiển để người dùng sử dụng máy như: chọn pha ly, ly ly Chọn tắt máy chức nghe nhạc Đồng thời giá sát hoạt động phận máy như: Bồn pha, đèn, cửa đường Việc thiết kế giao diện screen bao gồm: + Chèn Chèn công cụ “Text field” , chèn Graphic view + Chèn nút nhấn: screen có hai loại nút nhấn nút nhấn chuyển screen (nút Back) nút nhấn điều khiển chọn ly, 2ly, ly, OFF nghe nhạc Với nút nhấn chuyển screen, thực thay đổi thuộc tính mục Event để trở screen “Trang chủ” Đối với nút nhấn điều khiển khác mục “Events”, có khai báo thêm mục “Appearance” Cụ thể, lấy ví dụ khai báo cho nút nhấn “ON” sau: Trong mục “Events” kích chuột vào “Press” để khai báo thuộc tính nhấn nút, “Add function” gõ “SetBit” kích vào “PLC tags” => kích đơi vào tag “ON_HMI” để liên kết đến tiếp điểm nút nhấn PLC nhấn nút HMI tag “ON_HMI” setbit lên cao Hình 4.26 Khai báo Press cho button 65 Sau xong Press, kích chuột vào “Release” khai báo nhả nút Tại “Add function” gõ “ResetBit” kích nút chọn tag “ON_HMI” để reset tag sau nhả Thực gắn tag tương tự cho nút nhấn ly, 2ly, ly, OFF nghe nhạc + Thiết kế đèn hiển thị cho Đèn ON, Bồn pha cửa đường: Kéo thả công cụ “Circle” hình Các thuộc tính màu nền, màu viền, thay đổi tab “Properties”, việc cần thiết lập thuộc tính sáng tắt cho đèn Vào tab “Animations” chọn “Display” => kích vào flashing”, kích tiếp “Dynamize colors and “Name” chọn “PLC tags” kích đúp vào tag cần hiển thị đèn Hình 4.27 Liên kết với tag cần hiển thị Tiếp theo, khai báo màu cho đèn lúc sáng tắt Nhấp chuột vào ô “” đầu tiên, khai báo lúc đèn tắt chọn màu hiển thị đèn tắt “Background color” Nhấp chuột vào ô “” thứ hai để khai báo đèn sáng tương tự 66 Hình 4.28 Lựa chọn màu sắc sáng tắt cho đèn Thiết kế hiển thị “Circle” cho Bồn pha, cửa đường tương tự cho đèn ON - Thiết kế screen “ Thiết lập”: Screen tạo giao diện cho phép người dùng chỉnh sửa hiển thị hình HMI, cài hẹn tự động pha cà phê Hình 4.29 Screen “Thiết lập” 67 Việc thiết kế giao diện screen “Thiết lập” bao gồm: + Chèn Chèn công cụ “Text field” , chèn Graphic view , chèn “Button” chỉnh sửa thuộc tính tương tự làm screen trước + Ô hiển thị thời gian: Trong công cụ kéo thả công cụ I/O field hình Tại tab “General” kích vào chọn “Programs block” => “real_time_block” kích đơi vào “real_real_time” Trong mục Field đánh dấu chọn Show Date Show Time Trong mục Type chọn Output dùng để hiển thị thời gian Chỉnh sửa thuộc tính khác màu sắc, kích thước,… mục cịn lại + Ô nhập chỉnh sửa thời gian ngày tháng cho hệ thống: Tương tự, chèn công cụ I/O field hình Tại tab “General” kích vào chọn “Programs block” => “real_time_block” kích đơi vào “write_real_time” Trong ô “Mode” chọn “Input” ô “format” chọn “Date/time” Hình 4.30 Thiết lập cho ô nhập thời gian hệ thống 68 + Ô nhập thời gian giờ, phút để hẹn giờ: Tương tự, chèn công cụ I/O field , chọn Properties -> General, mục Process chọn tag Giờ hẹn (hoặc Phút hẹn), mục Type chọn Input, mục Dislay Format chọn Decimal Hình 4.31 Thiết lập cho hẹn 4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Hướng dẫn sử dụng máy: Cho nước lạnh vào bồn chứa nước bột cà phê vào phễu nằm bên máy Cấp điện 220VAC cho máy thơng qua phích cắm bật áp-to-mát Nhấn nút On thân máy nút On hình “Hoạt động” HMI (có thể chọn số lượng ly, ly hình tương ứng với lượng bột cà phê cho vào phễu) Vừa chờ đợi vừa nghe nhạc giây lát để máy hoạt động Lấy túi đường ngăn đường cửa ngăn đường tự động mở Khi máy ngừng hoạt động (nhạc tắt), lấy bình chứa cà phê chế cà phê ly sử dụng 69 Trong thưởng thức cà phê nghe nhạc cách chọn nút “Nghe nhạc” hình “Hoạt động” HMI (nhạc cài sẵn, thay nhạc cách tải nhạc khác vào thẻ nhớ) Có thể nhấn nút “Mở cửa đường” thân máy để lấy thêm đường Đặc biệt, máy có chức hẹn tự động pha cà phê: Bằng cách nhập thời gian mong muốn ( giờ, phút) hình “Thiết lập”, sau nhấn nút “Chọn” Hình 4.32 Mặt máy pha cà phê tự động Lưu ý: Không mở cửa ngăn sau máy nơi chứa phận điều khiển mạch điện máy hoạt động 70 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tháng (từ ngày 20/2 đến 3/6/2017) thực đồ án với đề tài “THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200” Em hoàn thành đồ án thời hạn, bao gồm việc hoàn thành file báo cáo tạo sản phẩm máy pha cà phê tự động giám sát, điều khiển thơng qua hình HMI phục vụ cho nhu cầu pha chế cà phê dạng bột Qua đề tài giúp em ôn tập, áp dụng củng cố kiến thức PLC, HMI, kết hợp với kiến thức điện tử khác Là hội để em ứng dụng kiến thức học năm qua vào thực tế Là tiền đề để em tiếp cận định hướng nghề nghiệp cho thân sau trường theo hướng tự động hóa công nghiệp Sản phẩm đồ án - Máy pha cà phê tự động – nhiều hạn chế, mang ý nghĩa thực hành thực tế cho thân, khơng mang tính thương mại so với sản phẩm máy pha cà phê tự động khác thị trường HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hướng phát triển đề tài: Máy pha cà phê sản phẩm hứa hẹn phổ biến tương lai gần Sản phầm đồ án -Máy pha cà phê tự động - nhiều thiếu xót: trọng lượng nặng, kích thước lớn ly cà phê tạo không thơm ngon, đậm đà sản phẩm khác thị trường Định hướng thay phần khung vỏ máy chất liệu bền, nhẹ hơn; nâng sức chứa phểu bột để tăng công suất pha chế số lượng nhiều hơn; tìm cơng thức pha chế để tạo ly cà phê thơm ngon, đậm đà Đề tài cịn nhiều hạn chế thiếu xót, mong đóng góp ý kiến giúp đỡ q Thầy (Cơ) để đề tài hồn thiện 71 Một lần em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cơ khoa Điện-Điện tử, bạn bè, gia đình giúp đỡ em hoàn thành đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Hiếu (2015), “Tự động hóa PLC S7-1200 với Tia Portal”, NXB Khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Trung Tín (2014), “Hướng dẫn sử dụng Arduino”, Khoa điện – điện tử, Học viện hàn khơng Việt Nam [3] Diễn đàn Tự động hóa, địa chỉ: http://vocsyit.com truy cập lần cuối ngày 10/5/2017 [4] Cộng đồng Arduino Việt Nam, địa chỉ: http://arduino.vn/ truy cập lần cuối ngày 12/5/ 2017 72 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển phát âm Arduino: #include #define SD_ChipSelectPin 10 //CS #include #include TMRpcm tmrpcm; void setup() { pinMode(5,INPUT_PULLUP); pinMode(4,INPUT_PULLUP); pinMode(3,INPUT_PULLUP); tmrpcm.speakerPin = 9; Serial.begin(9600); if (!SD.begin(SD_ChipSelectPin)) { Serial.println("SD fail"); return; } } void loop() 73 { int buttonStatus5 = digitalRead(5); int buttonStatus4 = digitalRead(4); int buttonStatus3 = digitalRead(3); if (buttonStatus3 == LOW) { tmrpcm.play("1.wav"); delay (4000); tmrpcm.play("4.wav"); } if (buttonStatus4 == LOW) { tmrpcm.play("2.wav"); } if (buttonStatus5 == LOW) { tmrpcm.play("3.wav"); delay(4000); tmrpcm.play("5.wav"); } Sinh viên thực NGUYỄN THANH BẢO ... đề tài ? ?THI? ??T KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200? ?? làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Đề tài ứng dụng kiến thức học tự động hóa để thi? ??t kế, thi công tạo... sở lý thuyết thi? ??t bị tự động hóa PLC HMI - Lập trình điều khiển tốn PLC S7-1200 - Thi? ??t kế, lập trình giám sát, điều khiển cho HMI - Thi? ??t kế, thi công tạo sản phẩm máy pha cà phê đầy đủ chức... ngày Nhận thức tầm quan trọng PLC, em định lựa chọn đề tài ? ?THI? ??T KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200? ?? để làm đồ án tốt nghiệp sở giúp em nghiên cứu, thực