28 Hình 3.2 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông ..... Việc điều khiển đèn giao thông có rất nhiều cách nhưng ứng dụng PLC vào hệ thống đèn giao thông là một g
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trong công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ ) Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC Điều
đó có thể khẳng định chiến lược phát triển toàn diện về khoa học và công nghệ, đồng thời từ đó có cái nhìn tổng quan hơn, bao quát hơn, hướng đến sự phát triển toàn diện trong các lĩnh vực nhằm theo kịp sự phát triển của các nước trong khu vực Từ đó áp dụng các biện pháp công nghệ, những thành quả đã đạt được ứng dụng vào trong phát
triển công nghiệp một cách hiệu quả nhất
Ở bất kỳ một quốc gia nào trên thế giới, giao thông vận tải cũng luôn là yếu tố quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân, đặc biệt với những nước phát triển thì vấn đề này càng phải đặt lên hàng đầu Nhiều số liệu điều tra cho thấy mỗi ngày ùn tắc giao thông làm thiệt hại hàng tỉ đồng, gây lãng phí thời gian do phải chờ đợi Hệ thống điều khiển giao thông bằng tín hiệu không chỉ hạn chế được hiện tượng tắc nghẽn giao thông, đảm bảo cho người tham gia giao thông đi lại dễ dàng, tiện lợi,
an toàn mà còn kiểm soát được nạn đua xe trái phép, giảm thiểu tai nạn giao thông góp phần ổn định chính trị, ổn định xã hội
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và ham muốn hiểu biết về lĩnh vực này nên
em đã quyết định chọn đề tài “Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống tín hiệu đèn giao thông” nhằm mục đích góp phần cải thiện tình trạng giao thông trên cả nước
Cấu trúc đề tài khóa luận gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống đèn giao thông
Chương 2: Nội dung, cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế, lập trình, mô phỏng cho hệ thống đèn giao thông
Hà Nội, ngày……tháng… năm 2017
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Hoàng Thế Vinh
Trang 2MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN 1
GIAO THÔNG 1
1.1.Tổng quan về hệ thống đèn tín hiệu giao thông 1
1.1.1.Khái niệm và phân loại đèn giao thông 1
1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn giao thông 3
1.1.3 Lý do chọn đề tài 5
1.1.4 Mục tiêu nghiên cứu 6
1.1.5 Phạm vi nghiên cứu 6
1.1.6 Phương pháp nghiên cứu 6
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, CƠ SỞ LÍ THUYẾT 7
2.1 Sơ lược về PLC và lý do chọn PLC vào trong đề tài 7
2.1.1 Khái niệm chung về PLC 7
2.1.2 Lý do sử dụng PLC S7-200 vào trong đề tài 7
2.2 Giới thiệu về PLC S7-200 9
2.2.1 Cấu trúc bên ngoài của PLC S7-200 9
2.2.2 Phân loại PLC S7 200 10
2.2.3 Cấu trúc bên trong của PLC S7-200 12
2.2.4 Cáp truyền thông 13
2.2.5 Phần mềm lập trình của PLC S7 200 13
2.3 Giới thiệu hàm thời gian 17
2.4 Giới thiệu CPU 214 18
2.5 Tính toán lựa chọn thiết bị 19
2.5.1 Đèn tín hiệu 19
2.5.2 Sơ đồ cung cấp cho các đèn tín hiệu 20
2.5.3 Thiết bị điều khiển 21
2.5.4 Rơle 21
2.5.5 Bộ chuyển đổi UPS 23
Trang 32.6 Tủ điều khiển 24
2.6.1 Vỏ tủ điều khiển tín hiệu giao thông 24
2.6.2 Cơ sở thiết kế tủ điều khiển 24
2.7 Giải pháp kĩ thuật 25
2.7.1 Bố trí đèn tín hiệu 25
2.7.2 Đèn chiếu sáng và hộp đèn 26
2.7.3 Tủ điều khiển tín hiệu giao thông 26
2.7.4 Cáp điện 26
2.7.5 Bảo vệ an toàn cho hệ thống 26
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, MÔ PHỎNG CHO HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG 28
3.1 Bài toán điều khiển 28
3.2 Yêu cầu của hệ thống 28
3.3 Sơ đồ khối của hệ thống 28
3.4 Lưu đồ thuật toán 29
3.5 Sơ đồ nối dây 30
3.6 Lập trình PLC S7-200 trên Step7 31
3.6.1 Ngôn ngữ lập trình LAD 31
3.6.2 Khai báo bảng Symbol Table 31
3.6.3 Chương trình điều khiển trên PLC S7-200 32
3.7 Mô phỏng trên Win CC 36
3.7.1.Giới thiệu về phần mềm WINCC 36
3.7.2 Các bước mô phỏng bằng Win CC 38
KẾT LUẬN 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
Trang 4DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số các loại CPU của PLC S7 11 Bảng 2.2 Độ phân giải các loại Timer của S7 – 200, CPU 214 18
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Hệ thống dèn giao thông 1
Hình 1.2 Đèn giao thông 2
Hình 1.3 Đèn cho người đi bộ 3
Hình 1.4 Sơ đồ đèn giao thông tại một ngã tư 4
Hình 2.1 Hình dáng bên ngoài của PLC S7 200 10
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7-200 12
Hình 2.3 Cáp PC/PPI kết nối RS232 và RS485 13
Hình 2.4 Sơ đồ khối PLC 17
Hình 2.5 Bộ điều khiển khả trình s7-200 với khối vi xử lí CPU 214 19
Hình 2.6 Mạch đệm đầu ra 21
Hình 2.7 Rơ le 22
Hình 2.8 Rơ le OMRON 8C-24VDC và sơ đồ đấu chân của nó 22
Hình 2.9 Bộ chuyển đổi UPS 23
Hình 2.10 Tủ điệnđiều khiển 24
Hình 2.11 Ô che cho tủ điện 27
Hình 3.1 Sơ đồ khối 28
Hình 3.2 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông 29
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối PLC với đèn giao thông 30
Hình 3.4 Khai báo Symbol Table 31
Hình 3.5 Network 1 32
Hình 3.6 Network 2 32
Hình 3.7 Network 3 32
Hình 3.8 Network 4 32
Hình 3.9 Network 5 33
Hình 3.10 Network 6 33
Hình 3.11 Network 7 33
Hình 3.12 Network 8 34
Hình 3.13 Network 9 34
Hình 3.14 Network 10 34
Hình 3.15 Network 11 35
Hình 3.16 Network 12 35
Trang 6Hình 3.17 Network 13 35
Hình 3.18 Network 14 36
Hình 3.19 Tạo project 38
Hình 3.20 Cửa sổ WinCC Explorer 39
Hình 3.21 Chọn Driver kết nối 39
Hình 3.22 Tạo một tag 40
Hình 3.23 Cửa sổ Graphics Designer 40
Hình 3.24 Lấy các thiết bị 41
Hình 3.25Lệnh “Polygon” 41
Hình 3.26 Đèn giao thông sau khi được thiết lập 41
Hình 3.27 Chọn tủ điện 42
Hình 3.28 Chọn phương tiện giao thông 42
Hình 3.29 Chọn thiết bị đếm thời gian 42
Hình 3.30 Thiết kế nút ấn 43
Hình 3.31 Chỉnh sửa nút ấn 43
Hình 3.32 Kết quả mô phỏng 44
Trang 7CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN
GIAO THÔNG 1.1 Tổng quan về hệ thống đèn tín hiệu giao thông
1.1.1 Khái niệm và phân loại đèn giao thông
Trang 8có nghĩa là vẫn được đi nhưng người lái xe phải chú ý quan sát
Ba loại đèn này được lắp theo thứ tự: Nếu lắp theo chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa, xanh ở dưới Nếu lắp theo chiều ngang thì thep thứ tự đỏ ở bên trái, vàng
ở giữa, xanh ở bên phải hay ngược lại
Dành cho người đi bộ:
Loại 2 màu có hai màu xanh và đỏ, tác dụng như sau:
Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là ”không được sang đường” Nó có hình người mà đỏ đứng yên hoặc chữ “dừng lại”, khi gặp đèn đỏ người đi bộ phải dứng yên trên vỉa hè
Trang 9Khi hình người đỏ nhấp nháy nghĩa là sắp được sang đường, người đi bộ chuẩn bị chú
ý để sang bên kia đường
Hình 1.3 Đèn cho người đi bộ
Xanh: Đèn xanh có nghĩa là “được phép sang đường” Nó có hình ảnh người màu xanh đang bước đi hoặc chữ “sang đường”, khi gặp đèn xanh người đi bộ được phép sang đường Khi đèn xanh nhấp nháy người đi bộ phải nhanh chóng sang nốt quãng đường còn lại
Loại đèn này được lắp theo thứ tự: Nếu lắp theo chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới Nếu lắp theo chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại Loại này đôi khi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có thể ước lượng thời gian sang đường là bao lâu
Đèn đếm lùi:
Đèn đếm lùi là đèn được lắp bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính Đèn đếm lùi được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau Khi đèn đếm đến “0” là lập tức chuyển màu đèn chính
1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn giao thông
Trang 10- Nguyên tắc hoạt động:
Đèn giao thông hoạt động cả ngày, đến 23h thì chuyển sang trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động Khi nháy vàng xe cộ được đi và phải chú ý quan sát giảm tốc độ, người đi bộ được phép sang đường, đôi khi ở một vài ngã tư đông đúc, đèn tín
Trang 11hiệu có thể hoạt động 24/24 mà không nháy vàng Đến 5h sáng ngày hôm sau đèn lại hoạt động bình thường trở lại Khi hoạt động đèn thường sáng màu xanh, sau đó đến vàng và đỏ Sau một thời gian cố định đã được lập trình sẵn đèn lại chuyển màu xanh, chù kì diễn ra liên tục đến 23h Đôi khi ở mỗi số chỗ đèn vàng bật sau đèn đỏ
- Quy trình điều khiển đèn 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 đi ở hướng 1 bật đèn đỏ thì đồng thời chiều đi hướng 2 phải bật ngay đèn xanh và ngược lại Khi chuyển đèn từ xanh-đỏ hoặc đỏ-xanh phải qua đèn vàng, khi bật đèn vàng phải bật ở cả 2 hướng đi
- Làn xanh:
Khái niệm làn xanh được đề cập đến ở đây chính là làm thế nào để phương tiện tham gia giao thông có thể gặp hai đèn xanh liên tiếp ở hai ngã tư liền nhau Muốn được như vậy chúng ta phải làm sao cho chu kỳ đèn ở ngã tư tiếp theo phù hợp với tốc
độ của phương tiện và khoảng cách giữa hai ngã tư Và giải pháp em đề cập ở đây là ở ngã tư thứ hai ta lắp đặt một bộ Timer có tác dụng tạo thời gian trễ của chu kỳ đèn thứ hai với đèn thứ nhất cho phù hợp Làn xanh giúp cho người tham gia giao thông lưu thông trên đường với tốc độ phù hợp được nhanh chóng và thuận tiện hơn Đây là mô hình phát triển trong tương lai Bài toán đèn giao thông trong đồ án này chưa đề cập đến “ làn xanh” mà chỉ là chương trình điều khiển cho một ngã tư đơn thuần
1.1.3 Lý do chọn đề tài
Nền kinh tế nước ta những năm gần đây đang phát triển mạnh mẽ đi kèm với đó
là tốc độ ra tăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát tiển nhanh chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy
ra rất thường xuyên
Khoa học kĩ thuật đang ngày càng phát triển, con người đã biết ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thật vào trong đời sống Đèn giao thông và PLC là một trong số những thành tựu đó Đèn giao thông ra đời từ rất lâu và đã chứng tỏ là không thể thiếu trong thời đại ngày nay Việc điều khiển đèn giao thông có rất nhiều cách nhưng ứng dụng PLC vào hệ thống đèn giao thông là một giải pháp tối ưu cần được phát triển
Trang 12Vì vậy để bắt kịp xu thế công nghệ, nhu cầu thực tế của đất nước và nhằm nâng
cao kiến thức bản thân nên em chọn đề tài “ Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống tín hiệu đèn giao thông “ làm đề tài khóa luận tốt nghiệp
1.1.4 Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng được các yêu cầu về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một hệ
thống đèn giao thông
- Xây dựng được sơ đồ đấu nối PLC trong hệ thống
- Xây dựng được giao diện phần mềm điều khiển giám sát trên Win CC
- Đảm bảo hệ thống hoạt động một cách chính xác và liên tục
- Sử dụng được các lệnh và ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200
- Viết được chương trình chạy cho hệ thống
1.1.5 Phạm vi nghiên cứu
- Cấu trúc cơ bản của một hệ thống đèn giao thông
- Hệ thống đèn giao thông tại một ngã tư đồng cấp
1.1.6 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu, phân tích và tổng hợp lí thuyết
- Mô phỏng thực nghiệm trên phần mềm
Trang 13CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Sơ lược về PLC và lý do chọn PLC vào trong đề tài
2.1.1 Khái niệm chung về PLC
- PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
logic thông qua một ngôn ngữ lập trình
- Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lập trình được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 và được
sử dụng chủ yếu để điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sản xuất trong công nghiệp Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nó cũng giống như bộ vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh
hơn và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng
- Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm
do người dùng lập nên và cài vào Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán tự động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển
và chỉ thay đổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau
Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:
Thời gian lắp đặt công trình ngắn
Cần ít thời gian làm quen
Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn
Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển, thiết kế nhỏ gọn
Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động,…
2.1.2 Lý do sử dụng PLC S7-200 vào trong đề tài
Các phương pháp điều khiển:
Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật để điều khiển được hệ thống giao thông chúng ta có nhiều cách khác nhau như là: dùng IC số, các bộ vi xử lý, vi điều khiển, các bộ điều khiển PLC
Trang 14- Mạch dùng IC số:
Ưu điểm:
+ Giá thành rẻ
+ Mạch đơn giản, dễ thực hiện
+ Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy
Nhược điểm:
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 đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được nhờ phương pháp này
- Mạch dùng vi điều khiển:
Ngoài những ưu điểm như trong phương pháp mạch IC số do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản hơn
Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có quy mô nhỏ rất tiện lợi mà vi xử lý không thực hiện được
Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý cũng giao tiếp được nhưng là giao tiếp song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính
Phương pháp này tuy khả quan nhưng chưa phải là phương án tốt nhất
Vi mạch dùng kĩ thuật vi xử lí:
Với phương pháp này có những ưu điểm sau:
Ta có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phần cứng không thay đổi mà mạch dùng IC số không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắcmàngười công nhân khó tiếp cận, dễ nhầm
Số linh kiện sử dụng trong mạch cũng ít hơn
Mạch đơn giản hơn mạch dùng IC số
Xong do phần cứng của vi xử lý chỉ sử dụng CPU đơn chíp mà không có các bộ nhớ RAM, ROM, các bộ timer, hệ thống ngắt Do vậy việc viết chương trình gặp nhiều khó khăn
Lý do chọn PLC S7-200:
Trang 15PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens,
có cấu trúc theo kiểu module và có các mdule mở rộng Các module này đƣợc sử dụng
cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau
Có từ 6 đầu vào, 4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào, 16 đầu ra số
(CPU226) Có thể mở rộng các đầu vào, ra bằng các module mở rộng
Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC Đầu vào sử dụng mức điện áp 24
VDC, thích hợp với các cảm biến
Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép tham
gia vào mạng Profibus nhƣ một Slave thông minh
Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/ quay thanh ghi, timer cho
phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng
CPU S7-200 kết hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, mạch đầu vào và mạch đầu ra
trong một thiết kế nhỏ gọn
PLC S7-200 dùng cho các ứng dụng điều khiển logic, điều khiển tuần tự, liên
động, trong công nghiệp và các ứng dụng vừa và nhỏ
Giá thành của S7-200 rẻ hơn so với các dòng PLC khác mà vẫn đáp ứng đƣợc
những yêu cầu của hệ thống cân định lƣợng
Kết luận: Từ những ứng dụng, ƣu điểm trên em quyết định sử dụng PLC
S7-200 vào trong đề tài
2.2 Giới thiệu về PLC S7-200
2.2.1 Cấu trúc bên ngoài của PLC S7-200
PLC S7 200 có cấu trúc kiểu module và có nhiều module mở rộng Các module này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Thành phần cơ bản của PLC S7 200
là khối vi xử l ý CPU S7 200 có đến 7 module mở rộng, nếu dùng cho các ứng dụng
cần đến việc tăng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra analog, kết nối mạng (AS –I, Profibus)
Trang 16Hình 2.1 Hình dáng bên ngoài của PLC S7 200
CPU 224 có 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng kết nối thêm 7 module mở rộng Các đèn báo trên S7 200 CPU 214:
SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi
RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN, chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã nạp vào máy
STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP, chỉ PLC đang ở chế độ dừng chương trình
và đang thực hiện lại
Cổng mở rộng các ngõ vào ra PLC
Led ngõ ra của PLC
Led ngõ vào PLC
Trang 17Thông thường S7 200 được phân ra làm hai loại chính dựa vào nguồn điện áp cấp cho CPU hoạt động
Loại cấp điện áp 220 VAC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC)
- Ngõ ra: Relay
- Ưu điểm: ngõ ra là relay do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác
nhau
- Nhược điểm: Do ngõ ra là relay nên thời gian đáp ứng không được nhanh cho ứng
dụng biến điệu độ rộng xung hoặc output tốc độ cao
Loại cấp điện áp 24 VDC
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24 VDC (15 VDC – 30 VDC)
- Ngõ ra: Transistor
- Ưu điểm: ngõ ra là transistor do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng
xung, output tốc độ cao
- Nhược điểm: Do ngõ ra là transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24 VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra khác
nhau Trong trường hợp này phải thông qua một relay đệm 24 VDC
Sau đây là bảng thông số của các loại CPU của S7
Bảng 2.1 Thông số các loại CPU của PLC S7
Kích thước (mm) 90x80x62 90x80x62 120,5x80x62 190x80x62
Bộ nhớ ROM 2048 Words 2048 Words 4096 Words 4096 Words
Bộ nhớ RAM 1024 Word 1024 Word 2056 Word 2056 Word
Khả năng lưu trữ khi
Cổng giao tiếp 1 – RS 485 1- RS 485 1- RS 485 2 – RS 485
Trang 182.2.3 Cấu trúc bên trong của PLC S7-200
Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:
- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
- Module bộ nhớ
- Module nguồn
- Module khối vào ra
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7-200
2.2.3.1 Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng
của 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 “từ ngữ”
-Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ đơn thuần 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 thời gian xử lý được cải thiện, xử lý nhanh hơn
2.2.3.2 Module bộ nhớ
Module bộ nhớ bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ
các thông tin cần xử lý trong chương trình của PLC
Trang 19Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần
cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm có sẵn trên module CPU
Module bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện
2.2.3.3 Module nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24 VDC) cần
thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất
2.2.3.4 Module khối vào, ra
Module khối vào, ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp
5/15VDC) với mạch 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 để đưa vào bộ xử lý
Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ
STEP7 MicroWin chạy trên hệ điều hành Windows, phần mềm này làm nhiệm
vụ trung gian giữa người lập trình và PLC Có 3 khối lập trình chính: khối chương trình (Program Block), khối dữ liệu (Data Block) và khối hệ thống (System Block) Ngoài ra PLC S7 200 còn 4 khối lập trình phụ là: khối định nghĩa các ký hiệu (Symbol
Trang 20table), khối xem trạng thái các biến (Status chart), khối tham chiếu (Cross Reference)
và khối truyền thông (Communication)
Trong STEP7 MicroWin có 3 cách soạn thảo một chương trình: soạn thảo chương trình dưới dạng thang (Ladder), dạng câu lệnh STL (Statement list) và sơ đồ khối FBD (Function Block Diagram) Trong 3 cách soạn thảo trên, soạn thảo chương trình bằng ladder là thông dụng nhất vì cho phép người lập trình quan sát được chương trình đang chạy một cách trực quan, việc chuyển đổi từ dạng soạn thảo này sang dạng soạn thảo khác một cách dễ dàng
Cấu trúc chương trình gồm: chương trình chính (Main program), chương trình con (Subroutine) và chương trình con phục vụ ngắt (Interrupt)
- And (A): lệnh đấu nối tiếp một tiếp điểm NC Chương trình ví dụ: khi I0.0
ON, I0.1 OFF thì ngõ ra Q0.0 ON Nếu I0.0 và I0.1 đều OFF thì ngõ ra Q0.0 sẽ OFF
- Or (O): lệnh đấu song song một tiếp điểm NO Chương trình ví dụ: khi I0.0 và M0.0 đều ON thì ngõ ra sẽ ON, nếu một trong hai tiếp điểm ON thì ngõ ra ON, nếu cả hai đều OFF thì ngõ ra sẽ OFF
- Set – Reset (S - R): SET (Một khi điều kiện ON, hàm này sẽ giữ tiếp điểm ở ngõ ra trạng thái ON cho dù điều kiện vào có OFF) RESET (Một khi điều kiện vào
ON, hàm sẽ giữ trạng thái OFF cho dù điều kiện vào có ON)
- Các lệnh về Timer: Có chức năng tương tự như các rơle thời gian, PLC
S7-200 có 3 loại timer: TON (Timer ON Delay), TOFF (Timer OFF Delay) và TONR (Timer ON Delay có nhớ) Và còn nhiều lệnh timer khác
Timer ON Delay: lệnh đếm thời gian khi ngõ vào cho phép ON, bit của Timer
ON khi giá trị hiện tại lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước (PT) và bit OFF khi ngõ vào OFF hoặc gặp lệnh Reset
Trang 21Timer OFF Delay: lệnh đếm thời gian giống như Timer ON Delay, nhưng khác
ở chỗ bit của lệnh sẽ ON ngay lặp tức khi ngõ vào cho phép ON, khi ngõ vào cho phép OFF thì sau khoảng thời gian đặt trước timer sẽ OFF
Timer ON có nhớ (TONR): nguyên tắc hoạt động giống như Timer ON delay, nhưng khác nhau ở chỗ giá trị đặt của timer có thể được giữ mặc dù ngõ vào cho phép
đã OFF
- Các lệnh điều khiển Counter: Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xung trong S7-200 Các bộ đếm của S7-200 được chia làm 3 loại: Bộ đếm lên (CTU),
bộ đếm xuống (CTD) và bộ đếm lên/xuống (CTUD) Và còn nhiều lệnh đếm khác
Bộ đếm lên CTU: đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số lần thay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu Số sườn xung đếm được, được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm
Bộ đếm xuống CTD: nguyên tắc hoạt động giống như lệnh đếm lên nhưng đếm
số xung xuống ở giá trị đặt trước đến khi bằng 0 thì bit của số hiệu sẽ chuyển trạng thái từ OFF lên ON Nếu ngõ vào LD lên mức 1 thì bộ đếm sẽ load giá trị đặt trước và không thể đếm được
Bộ đếm lên/xuống CTUD: đếm lên khi gặp sườn lên của xung vào, ký hiệu là
CU và đếm xuống khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm xuống, ký hiệu là CD Đầu vào Reset đặt lại trạng thái đầu của bộ đếm
- Lệnh gọi chương trình con và lệnh nhảy:
Chương trình con (Subroutine) là tập hợp một số lệnh để thực hiện một công việc nào đó, chương trình con được thực thi khi và chỉ khi có chương trình khác gọi
nó Có thể là chương trình chính hoặc từ một chương trình con khác
Lệnh nhảy (Jumper): Khi ngõ vào cho phép chương trình sẽ thực hiện lệnh nhảy, sẽ nhảy tới nhãn tương ứng, khi đó đoạn chương trình ở giữa lệnh nhảy và nhãn
sẽ được bỏ qua ở chu kỳ đó Ký hiệu của nhãn nhảy phải là một số nguyên n
- Các lệnh so sánh (Compare): Lệnh so sánh số học, so sánh hai byte, so sánh 2
số nguyên đơn hoặc số nguyên kép, so sánh 2 số thực,…Khi IN1 và IN2 thỏa điều kiện
so sánh trước đó thì tiếp điểm ngõ ra sẽ kín mạch
IN1 >= IN2 so sánh lớn hơn hoặc bằng
IN1 <= IN2 so sánh nhỏ hơn hoặc bằng
IN1 > IN2 so sánh lớn hơn
Trang 22IN1 < IN2 so sánh nhỏ hơn
IN1 <> IN2 so sánh khác
- Các lệnh di chuyển (Move): Trong S7-200 có các hàm Move sau:
Move_B: di chuyển các giá trị cho nhau trong giới hạn 1 Byte
Move_W: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Word
Move_DW: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Dword Move_R: di chuyển các giá trị thực cho nhau trong giới hạn 1 Dint
- Các lệnh số học (Integer Math, Floating-Point Math):
Lệnh ADD_I: cộng 2 số nguyên 16 bit
Lệnh SUBB_I: trừ 2 số nguyên 16 bit
Lệnh Mul_I, DIV_I: nhân, chia 2 số nguyên 16 bit
Tương tự ta có các lệnh đối với số thực, số nguyên 32 bit
- Các hàm chuyển đổi
B_I: Đổi từ Byte sang Int và ngược lại
I_DI: Đổi từ số nguyên 16 bit sang số nguyên 32 bit và ngược lại
DI_R: Đổi số nguyên 32 bit sang số thực
BCD_I: Đổi số BCD 16 bit sang số nguyên 16 bit và ngược lại
- Trong trường hợp việc đổi từ số dung lượng nhỏ sang dung lượng lớn hơn (như từ Byte sang Int, từ Int sang Dint, ) thì chương trình luôn thực thi
- Còn trường hợp ngược lại: Nếu giá trị chuyển bị tràn ô nhớ thì chương trình sẽ không thực thi và Bit tràn SM1.1 sẽ bật lên 1
Phương pháp lập trình điều khiển
- Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc của bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình
- Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, không cần thay đổi cách đấu dây bên ngoài, đó là ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển đấu cứng Do đó, phương pháp này rất mềm dẻo được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp
Trang 23Hình 2.4 Sơ đồ khối PLC 2.3 Giới thiệu hàm thời gian
Khái niệm thời gian thực (Timer):
Ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng tính bằng giây, phút, giờ Đối với bài toán đèn giao thông thời gian có ý nghĩa vô cùng
to lớn, nó quyết định khi nào thì chế độ bình thường chạy và khi nào thì chế độ ban đêm chạy Thời gian chạy trong bài toán chính là thời gian sinh hoạt của con người Chính vì vậy sử dụng thời gian thực không những diều khiển hệ thống vận hành một
cách hợp lí mà còn thể hiện sự thông minh của máy móc
Đồng hồ thời gian thực chỉ có với CPU 214
Các lệnh điều khiển Timer:
Timer là bộ tạo thời gian giữa tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường được gọi là khâu trễ
S7-200 có 64 bộ Timer (với CPU 212) hoặc 128 bộ Timer (với CPU214) được chia làm 2 loại khác nhau là:
Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), kí hiệu là TON
Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer), kí hiệu là TONR Khi sử dụng Timer kiểu TONR, giá trị đếm tức thời được lưu lại và không bị thay đổi trong khoảng thời gian khi tín hiệu đầu vào có logic 0 Giá trị của T-bit không
Xác định thật kỹ yêu cầu công nghệ
Liệt kê số đầu vào/ra cho PLC
Thiết kế giải thuật (Lập lưu đồ cho PLC thực hiện)
Viết chương trình điều khiển
Nạp chương trình vào bộ nhớ
Kiểm tra phần cứng cách đấu dây với thiết bị
Chạy thử - Kiểm tra
Trang 24được nhớ mà hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước
Khi reset một bộ Timer, T-word và T-bit của nó đồng thời được xóa và có giá trị bằng 0, như vậy giá trị đếm tức thời được đặt về 0 và tín hiệu đầu ra cũng có trạng thái logic bằng 0
Bảng 2.2 Độ phân giải các loại Timer của S7 – 200, CPU 214
Lệnh Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 214
Trang 25Bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM và 2 bộ điều chỉnh tương tự
Hình 2.5 Bộ điều khiển khả trình s7-200 với khối vi xử lí CPU 214
2.5 Tính toán lựa chọn thiết bị
Tuổi thọ của đèn: 50000 giờ
(Sau 50000 giờ cường độ sáng của đèn giảm đi 20%)
Trang 26Đèn tín hiệu 3 màu: Xanh – Vàng - Đỏ, trong đó mặt đèn LED Xanh và Vàng
có đường kính D = 200mm gồm 149 LED chuyên dùng Riêng mặt đèn LED đỏ có đường kính D = 300mm gồm 314 LED chuyên dùng nhằm tăng sự chú ý của người tham gia giao thông đối với tín hiệu dừng
2.5.2 Sơ đồ cung cấp cho các đèn tín hiệu
Chúng ta dùng CPU 214 có các đầu ra là rơle, điện áp đầu ra là 24V nhưng dòng rất nhỏ nên ta không thể dùng trực tiếp PLC để điều khiển đèn tín hiệu Có nhiều cách để đưa tín hiệu từ PLC ra đèn nhưng thích hợp nhất là dùng Tranzistor công suất nguồn cấp cho đèn là 36 VDC; giá trị điện trở R1, R2 được tính toán theo dòng và điện
áp định mức của đèn
Vì bóng đèn LED có công suất rất nhỏ (gần như không đáng kể) nên ta có thể
bỏ qua tổn thất điện áp trên dây dẫn từ tủ đến đèn tín hiệu Tuy nhiên, do điện áp định mức của đèn Xanh, Vàng, Đỏ lại khác nhau, số bóng LED trong mỗi đèn tín hiệu cũng khác nhau, sử dụng Tranzistor sẽ cho phép tăng tối đa công suất của nguồn