Ngôn ngữ lập trình

PLC S7-300 có ba ngôn ngữ lập trình cơ bản sau:

- Ngôn ngữ lập trình liệt kê lệnh STL (Statement List). Đây là dạng ngôn ngữ

lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được hoàn chỉnh bởi sự

ghép nối của nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung “tên lệnh” + “toán hạng”.

- Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic). Đây là dạng ngôn ngữđồ hoạ, thích hợp với những người lập trình quen với việc thiết kế mạch điều khiển logic.

- Ngôn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram). Đây cũng là dạng ngôn ngữđồ hoạ, thích hợp cho những người quen thiết kế mạch điều khiển số.

Trong phạm vi bản luận án này sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình LAD để lập trình cho PLC. 3.7.3. Một số khối lệnh LAD S7-300 có tập các khối lệnh LAD rất phong phú như: - Khối lệnh về bit logic: tiếp điểm NO ---| |---, NC ---|/|---, cuộn hút ---( )… - Khối lệnh so sánh (số nguyên, số thực) Hệ điều hành OB1 FC1 FB5 … … FC7 FC9

- Khối lệnh chuyển đổi dữ liệu. - Khối lệnh Timer

- Khối lệnh đếm Counter

- Các khối lệnh đặc biệt khác: di chuyển, dịch và quay, …

Các khối lệnh này được mô tả chi tiết trong manual của S7-300 mà ở đây không đề cập đến.

Trong phạm vi báo cáo này, có thể nêu ví dụ về khối lệnh Timer được sử dụng trong bài thực hành DEMO. S7-300 có 5 bộ Timer

Timer Biểu tượng Mô tả

Timer tạo xung

không có nhớ

Ngay khi gửi tín hiệu vào S=1 thì tín hiệu ra Q=1 trong khoảng thời gian trễ TV=t. Nếu chưa hết thời gian trễ t mà tín hiệu vào S=0 thì tín hiệu ra Q=0.

Timer tạo xung có nhớ

Ngay khi gửi tín hiệu vào S=1 thì tín hiệu ra Q=1 trong khoảng thời gian trễ TV=t. Nếu chưa hết thời gian trễ t mà tín hiệu vào S=0 thì vẫn có tín hiệu ra Q=1.

Timer On- Delay

Khi tín hiệu vào S thay đổi từ 0 lên 1 sau một khoảng thời gian trễ TV=t thì tín hiệu ra Q thay

đổi từ 0 lên 1. Khi tín hiệu vào S=0 thì tín hiệu ra Q=0.

Timer On- Delay có nhớ

Khi tín hiệu vào S thay đổi từ 0 lên 1 thì sau một khoảng thời gian trễ TV=t thì tín hiệu ra Q thay

đổi từ 0 lên 1. Với bộ Timer On-Delay có nhớ, thời gian trễ t vẫn được tính cho dù tín hiệu đầu

vào đã về 0. Timer Off-

Delay

Khi tín hiệu vào S thay đổi từ 1 về 0 thì sau một khoảng thời gian trễ TV=t thì tín hiệu ra Q thay

đổi từ 1 về 0.

Hình dưới tổng kết lại các loại Timer của S7-300 cho tiện việc tra cứu sử

dụng, trong đó t là khoảng thời gian đặt trước.

Hình 3.7: Lưu đồ thời gian của các bộ Timer S7-300

3.7.4.Phần mềm Step 7

(1) Giới thiệu phần mềm Step7

Step7 là một phần mềm hỗ trợ:

- Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-300/400 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng.

- Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoạc nhiều trạm.

- Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển trong một trạm PLC và gỡ rối chương trình.

(2) Soạn thảo một Project

Khái niệm Project trong Simatic không đơn thuần chỉ là chương trình ứng dụng mà rộng hơn bao gồm tất cả những gì liên quan đến việc thiết kế phần mềm

ứng dụng để điều khiển, giám sát một hay nhiều trạm PLC. Trong một Project sẽ

có:

- Bảng cấu hình cứng về tất cả các module của từng trạm PLC.

- Bảng tham số xác định chếđộ làm việc cho từng module của mỗi trạm PLC. - Các logic block chứa chương trình ứng dụng của từng trạm PLC.

- Cấu hình ghép nối và truyền thông giữa các trạm PLC.

- Các màn hình giao diện phục vụ việc giám sát toàn bộ mạng hoặc giám sát từng trạm PLC của mạng.

Trong đó chỉ cần một số bước cơ bản là có thể cấu hình cho một trạm PLC - Khai báo và mở một Project.

- Xây dựng cấu hình cứng cho trạm PLC: Step7 giúp việc khai báo cấu hình cứng đơn giản nhờ bảng danh mục các module của nó. Muốn đưa module nào vào bảng cấu hình, ta chỉ cần đánh dấu slot nơi module sẽđược đưa vào rồi nháy kép chuột tại tên của module đó trong bảng danh mục các module kèm theo.

Hình 3.9: Cấu hình phần cứng của một trạm PLC

Hình 3.10: Soạn thảo các khối chương trình

(3) Làm việc với PLC

Máy tính/lập trình được ghép nối với CPU qua cổng truyền thông nối tiếp RS232 (cổng COM) của máy tính hay cổng MPI hay cổng CP là còn tùy thuộc vào bộ giao diện được sử dụng. Ví dụ CPU 317-2 PN/DP kết nối với máy tính qua Ethernet

Hình 3.11: Kết nối máy tính/thiết bị lập trình với CPU 317-2 PN/DP

1.Đèn hiển thị trạng thái và lỗi 2.Thẻ nhớ chương trình

3.Lẫy chọn chếđộ

4&5.Cáp nối PLC với mạng

6.Thiết bị lập trình (PG) với STEP7 software

Sau khi ghép nối về phần cứng ta phải định nghĩa thêm địa chỉ truyền thông cho trạm PLC. Sau đó là có thể download, upload chương trình giữa PG và PLC. Không những vậy Step7 còn có khả năng giám sát việc thực hiện chương trình với chức năng Monitor.

3.8. Phần mềm WinCC

WinCC (Windows Control Center) được phát triển bởi hãng Siemens là phần mềm tích hợp giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điều khiển với quá trình tựđộng hoá. Những thành phần dễ

sử dụng của WinCC giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.

Chương trình WinCC được thiết kế với những module chức năng phù hợp với yêu cầu công nghiệp. Ví dụ như các giao diện đồ họa, các message, các báo cáo…

Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tựđộng hoá một cách dễ dàng.

WinCC còn có đặc điểm là đặc tính mở. Phần mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như: SIEMENS, MITSUBISHI, ALLEN BRADLEY... Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ

thống.

Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏ

khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những hệ thống cấp cao như

MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resourse Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của SIEMENS có mặt trên khắp thế giới.

WinCC là một phần mềm chạy trên các máy tính PC với các yêu cầu về cấu hình như sau:

- Hệđiều hành: Windows XP, Windows 7, Windows Server 2008. - CPU: Intel Pentium 4; 1.7 GHz.

- RAM: tối thiểu 1GHz.

CHƯƠNG 4

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BMS DỰA TRÊN PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM CỦA HÃNG SIEMENS

4.1. Bài toán đặt ra

Như đã giới thiệu ở các chương trước, hệ thống BMS tích hợp sẽ quản lí rất nhiều hệ thống quản lí thành phần. Trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ tập trung vào một vài thành phần của hệ thống BMS. Cụ thể đó là phần điều khiển, giám sát hệ thống bơm nước sinh hoạt và chiếu sáng tòa nhà, cấu hình cho hệ thống quản lí điện năng.

Hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng thể hiện ở hình 3.1 gồm có bể I dưới mặt đất chứa nước sạch, bể II ở trên tháp nước cấp cho các đơn vị, nước từ bể I

được bơm lên bể II bằng 2 bơm P1 và P2 dùng chung đường ống. Dưới bể I có 1 phao S1L báo mức nước thấp, bể II có phao S2L báo mức nước thấp và phao S2H báo mức nước cao. Hệ thống 2 bơm có 2 role nhiệt bảo vệ quá tải và dung chung 1 công tắc dòng chảy báo bơm không có nước hoặc bơm yếu. Yêu cầu xây dựng bộ điều khiển 2 bơm chạy luân phiên theo số lần khởi động để tăng tuổi thọ 2 bơm (mỗi khi bơm đầy bể thì lần bơm tiếp theo chuyển sang bơm còn lại chạy). Khi một trong 2 bơm lỗi (do tín hiệu báo từ công tắc dòng chảy từ 10s trở lên hoặc do role nhiệt) thì tự động chuyển sang bơm còn lại. Ngoài yêu cầu điều khiển, hệ thống bơm nước sinh hoạt phải được quản lí từ phòng điều khiển trung tâm đặt các máy tính của hệ thống BMS để người vận hành có thể giám sát trạng thái bơm, cảnh báo khi bơm lỗi .

Hệ thống chiếu sáng gồm các đèn trong tầng hầm và khu vực xung quanh tòa nhà. Đặc điểm của hệ thống chiếu sáng là nhu cầu về độ sáng thay đổi theo thời gian trong ngày. Ví dụ khoảng thời gian từ 22h đến 6h sáng thì chỉ cần bật một nửa các đèn. Hệ thống chiếu sáng cũng được điều khiển và giám sát từ hệ thống BMS.

Đối với hệ thống quản lí điện năng thì tại các tủ điện trong phòng kĩ thuật có các đồng hồđa năng Multimeter đểđo các thông sốđiện như P, Q, U, I, cosφ… Các thông số này cũng cần được giám sát bởi hệ thống BMS. Tại phòng điều khiển trung tâm, người vận hành có thể giám sát các thông số điện, biểu đồ… Qua đó, có thể quản lí được điện năng và phát hiện sự cố.

4.2. Giải pháp xây dựng hệ thống

Đối với hệ thống bơm nước sinh hoạt, các bơm sẽ được đấu cáp lực nối tiếp với contactor đặt trong tủ điều khiển. Các contactor phải chịu được dòng điện lớn qua bơm. Tủ điều khiển chạy/dừng bơm từ xa thông qua việc đóng/cắt contactor. Contactor có tiếp điểm phụ báo trạng thái đưa về PLC để điều khiển bơm tựđộng. Chương trình nạp trong PLC sẽ thực hiện việc điều khiển bơm tự động. Đầu ra

output PLC điều khiển đóng/cắt cuộn hút của contactor. PLC được kết nối truyền thông với hệ thống BMS qua truyền thông đểđiều khiển, giám sát trên màn hình đặt tại phòng điều khiển trung tâm.

Hình 4.2: Sơđồ điều khiển khiển bơm

Hệ thống chiếu sáng được điều khiển và giám sát từ xa qua PLC kết nối truyền thông với hệ thống BMS tương tự như hệ thống bơm. Các đồng hồ Multimeter của hệ thống quản lí điện năng cũng được kết nối truyền thông với hệ thống BMS. Nhờ đó, tại phòng điều khiển trung tâm có thể điều khiển đèn chiếu sáng cũng như quản lí được năng lượng tiêu thụ trong tòa nhà.

Từ các phân tích ở trên ta xây dựng được cấu hình phần cứng và cấu hình mạng cho hệ thống như thể hiện ở hình 4.3.

Hình 4.3: Cấu hình mạng cho hệ thống Các sản phẩm sơ bộở từng cấp như sau:

- Thiết bị cấp trường: gồm các contactor điều khiển đóng/cắt bơm, đèn chiếu sáng, đồng hồđa năng Multimeter.

 Contactor có thể chọn của nhiều hãng như LS, ABB, Siemens… Tiếp điểm phụ của contactor sẽđấu nối với đầu vào của PLC. Cuộn hút của contactor đấu với đầu ra của PLC. Với nguồn 24VDC đầu vào DI và đầu ra DO của PLC quy

định mức 0 và 1 ứng với điện áp <5VDC và >8VDC. Do điện trở của dây đồng là rất nhỏ và khoảng điện áp cho phép lớn nên có thể kéo dây đồng từ cảm biến mức nước, contactor tới PLC ở khoảng cách xa. Đểđảm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ta sử dụng cáp có vỏ bọc kim loại.

Đồng hồ Multimeter: Để đơn giản và tiết kiệm cổng truyền thông, ta sẽ mắc nối tiếp truyền thông 3 đồng hồ Multimeter bằng giao thức Modbus RTU. Kỹ

thuật truyền dẫn chọn RS-485 với khoảng cách cho phép giữa đồng hồ đầu và

đồng hồ cuối là 1200m nên có thể đáp ứng được trong tòa nhà. Multimeter 1 phải chọn loại tích hợp sẵn gateway chuyển đổi giao thức từ MODBUS RTU sang TCP/IP để có thể chuyển thông tin với dung lượng lớn của 3 đồng hồ lên máy tính chủ của hệ thống quản lí điện năng.

- Thiết bị cấp điều khiển vùng: PLC Siemens S7-300 hỗ trợ giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP, các bộ switch kết nối mạng.

 Do dung lượng dữ liệu truyền tải lớn nên chọn giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP. Từđó, phải chọn PLC S7-300 loại có hỗ trợ giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP.

 Khi đấu nối truyền thông Ethernet cho PLC phải chú ý đến khoảng cách quy

định của chuẩn Ethernet đã đề cập trong bảng 2.3 chương 2.

 Số lượng bộ PLC cần thiết phụ thuộc vào số lượng tín hiệu vào/ra, số lượng cổng truyền thông theo yêu cầu của bài toán. Các tín hiệu này được liệt kê chi tiết ở mục 4.3.1

- Thiết bị cấp điều khiển, giám sát: gồm các máy chủ có hỗ trợ giao thức Ethernet TCP/IP để giao tiếp với PLC S7-300 và đồng hồ Multimeter.

 Máy chủ 1 cài phần mềm Step7 để cấu hình PLC.

 Máy chủ 2 cài đặt phần mềm WinCC để giám sát và điều khiển từ xa hệ

thống bơm nước sinh hoạt, hệ thống chiếu sáng.

 Máy chủ 3 cài đặt phần mềm SENTRON Powermanager V3.2 để đọc thông

số từ các đồng hồ Multimeter.

4.3. Cấu hình chi tiết hệ thống

4.3.1. Chọn các module PLC S7-300

Từ yêu cầu bài toán đặt ra ở mục 4.1 và giải pháp xây dựng ở mục 4.2, ta liệt kê các tín hiệu vào/ra, giao thức truyền thông của PLC S7-300

STT Loại tín hiệu Địa chỉ Mô tả

1 Tín hiệu đầu vào DI

I0.0 Tín hiệu từ phao S1L báo bể 1 mức nước thấp I0.1 Tín hiệu từ phao S2L báo bể 2 mức nước thấp I0.2 Tín hiệu từ phao S2H báo bể 2 mức nước cao I0.3 Tín hiệu báo lỗi từ công tắc dòng chảy

I0.4 Tín hiệu báo bơm 1 lỗi từ role nhiệt I0.5 Tín hiệu báo bơm 2 lỗi từ role nhiệt I0.6 Tín hiệu báo trạng thái từ Contactor K1 I0.7 Tín hiệu báo trạng thái từ Contactor K2

2 Tín hiệu đầu ra D0 Q4.1 Tín hiệu điều khiển chạy/dừng bơm 1 Q4.2 Tín hiệu điều khiển chạy/dừng bơm 2 Q4.3 Tín hiệu điều khiển bật/tắt cụm đèn số 1 Q4.4 Tín hiệu điều khiển bật/tắt cụm đèn số 2 3 Giao thức truyền

thông của CPU Ethernet TCP/IP

Bảng 4.1. Bảng liệt kê các tín hiệu của PLC S7-300 điều khiển bơm

Từ bảng trên ta lựa chọn được cấu hình chi tiết của PLC S7-300 điều khiển bơm.

- Module nguồn: Chọn nguồn PS 307 5A.

- Module CPU: Chọn CPU 315-2 PN/DP hỗ trợ Ethernet TCP/IP. - Module đầu vào: Chọn module 16 cổng vào DI16xDC24V.

- Module đầu ra: Chọn module 8 cổng ra DO8xDC24V/2A.

Hình 4.4: PLC S7-300

4.3.2. Chọn đồng hồ Multimeter

Từ yêu cầu bài toán đặt ra ở mục 4.1 và giải pháp xây dựng ở mục 4.2, ta chọn các loại đồng hồ như sau:

- Multimeter 2, 3: Chọn đồng hồ SENTRON PAC3100 có module hỗ trợ truyền

Cấu hình phần cứng của BMS

Cấp điều khiển hệ thống/điều khiển vùng