Ứng dụng PLC s7 – 1200 điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BĂNG CHUYỀN TRONG CÔNG NGHIỆP1.1 Giới thiệu chung: Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật, các bộ điều khiển đang có ứng dụng rộngrãi trong các lĩnh vực khoa học kỹ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Tên đề tài: “ Ứng dụng PLC S7 – 1200 điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC”

Sinh viên thực hiện: Lưu Nguyễn Hữu Phước

Phan Văn Tiến

Mã sinh viên: 1711505510114

1711505510124Lớp: 17TDH1

Nội dung:

Mô hình điều khiển và phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển vàgiám sát qua WinCC ứng dụng PLC S7 – 1200 Ở đây nhóm đã sử dụng CPU1215C AC/DC/RLY, dòng CPU đời mới, hiện đã và đang được ứng dụng trongcác nhà máy lớn với chức năng điều khiển quy trình hoạt động lớn của một hệthống sản xuất của một nhà máy

Đề tài nghiên cứu tập trung vào sử dụng tín hiệu Analog đầu vào của cânLoadcell, thông qua công AI0 trên PLC S7 – 1200, quy trình điều khiển tuần tự

mà từ đó viết chương trình phân loại sản phẩm dựa theo cân nặng

Báo cáo về đề tài gồm có 5 phần chính:

Chương 1: Tổng quan băng chuyền trong công nghiệp

Chương 2: Tổng quan về PLC và WinCC

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển

Chương 5: Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại

Sinh viên thực hiện: Lưu Nguyễn Hữu Phước Mã SV: 1711505510114

Phan Văn Tiến Mã SV: 1711505510124

1 Tên đề tài:

“Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC”.

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Sử dụng PLC S7 – 1200 CPU 1215C AC/DC/RLY dùng để điều khiển, giám sát quy

trình hoạt động mô hình qua WinCC

- Trần Văn Hiếu, “Tự Động Hóa PLC S7 – 1200 Với TIA Portal”, năm 2019, nhà

xuất bản khoa học - kỹ thuật

- PGS.TS Trần Thu Hà - KS Phạm Quang Huy, “Tự động hóa với WinCC”, năm

2012, nhà xuất bản Hồng Đức

3 Nội dung chính của đồ án:

Chương 1: Tổng quan về các loại băng chuyền trong công nghiệp

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-1200 và WinCC

Chương 3: Thi công mô hình phân loại sản phẩm

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển

Chương 5: Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC

- Báo cáo tổng kết theo quy định ( từ 50 – 70 trang, không bao gồm phụ lục, mục lục,tài

liệu tham khảo)

- Bản vẽ sơ đồ mạch điều khiển, mạch động lực của mô hình

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước là một trong một trong nhữngmục tiêu mà nước ta hiện và đang chú trọng trong những năm vừa qua Việc ápdụng những dây chuyền sản xuất tự động ngày càng được áp dụng nhiều trongcác nhà máy, xí nghiệp nhằm tăng năng suất làm việc, tăng lợi nhuận đầu ra,giảm thời gian sản xuất… đáp ứng cầu của thị trường, sự phát triển hàng ngàyhàng giờ của kinh tế và công nghệ Từ đó ngành kỹ thuật điều khiển và tự độnghóa ra đời và càng phát triển hơn, đáp ứng đủ nhu cầu và nguồn lực cho côngnghiệp thời đại mới cũng như sự phát triển của nước nhà

Sau khoảng thời gian học tập và rèn luyện, được nhận những kiến thứcchuyên ngành của thầy và cô khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật– Đại học Đà Nẵng, nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện đồ án “Ứng dụngPLC S7 -1200 điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điềukhiển và giám sát qua WinCC”

Đồ án ứng dụng những kiến thức được nhận trên trường lớp cùng với việctìm hiểu thông qua Internet để giải quyết vấn đề đặt ra cũng như đánh giá cơ sở lýthuyết đến giải quyết thực tiễn Từ đó là cơ sở nền, vững chắc thêm kiến thứcsuốt 4 năm đại học

Em xin chân thành cảm ơn ThS.Võ Khánh Thoại đã tận tình hướng dẫn

và giúp chúng em thực hiện đồ án này Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù

đã cố gắng hết sức nhưng vẫn sẽ không thể tránh thiếu sót, mong sự đóng góp ýcủa thầy/cô

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài : “Ứng dụng PLC S7 – 1200 điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC.”

Sinh viên thực hiện: Lưu Nguyễn Hữu Phước

Phan Văn Tiến

Sinh viên thực hiện

Lưu Nguyễn Hữu Phước Phan Văn Tiến

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

LỜI NÓI ĐẦU v

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BĂNG CHUYỀN TRONG CÔNG NGHIỆP 2

1.1 Giới thiệu chung: 2

1.2 Định nghĩa băng chuyền: 3

1.3 Cấu tạo và một số loại băng chuyền tiêu biểu: 3

1.3.1 Cấu tạo băng chuyền: 3

1.3.2 Các loại băng chuyền tiêu biểu: 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ WINCC 7

2.1 Giới thiệu về PLC 7

2.2 Lịch sử phát triển của PLC 8

2.3 Tổng quan về PLC S7 – 1200 [1] 11

2.3.1 Cấu trúc phần cứng của PLC S7 – 1200 12

2.3.1 Phân loại CPU S7 – 1200: 12

2.3.2 Cấu trúc phần mềm của PLC S7 – 1200 15

2.4 Module mở rộng của PLC S7 – 1200 [1]: 16

2.5 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7 – 1200: 16

2.6 Phương pháp lập trình PLC S7 – 1200 17

2.7 Các tập lệnh cơ bản của PLC S7 – 1200 [4] 18

2.7.1 Bit Logic 18

2.7.2 Bộ đảo logic NOT 18

2.7.3 Cuộn dây ngõ ra (LAD) 18

2.7.4 Các lệnh Set và Reset 18

2.7.5 Lệnh dò ngưỡng dương và âm 19

2.7.6 Lệnh Timer 19

2.7.7 Bộ đếm Counter 20

2.7.8 Lệnh so sánh 21

2.7.9 Các lệnh tính toán 22

2.7.10 Lệnh giá trị nhỏ nhất và lớn nhất 23

2.8 Phần mềm lập trình cho PLC S7 – 1200 23

2.8.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V16 23

2.8.2 Giao diện phần mềm TIA Portal 24

2.8.3 Sử dụng bảng Tag trong PLC 26

2.8.4 Tải chương trình xuống CPU 28

2.9 Giới thiệu về WinCC [2]: 29

2.9.1 Tổng quan về WinCC 29

2.9.2 Các ứng dụng của WinCC 29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 31

3.1 Giới thiệu về hệ thống 31

3.2 Thiết kế và tính chọn thiết bị 32

3.2.1 Khối điều khiển: 32

3.2.2 Khối nút nhấn và đèn báo 32

3.2.3 Khối cảm biến: 34

3.2.4 Khối động lực: 37

3.2.5 Khối cách ly bảo vệ 38

3.2.6 Khối nguồn: 39

3.3 Thiết kế sơ đồ điện hệ thống: 41

3.3.1 Sơ đồ đấu nối PLC: 41

3.3.2 Sơ đồ đấu nối tủ điện 42

3.4 Thiết kế mô hình: 43

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 44

4.1 Yêu cầu lập trình: 44

4.2 Xác định địa chỉ vào ra 45

4.3 Sơ đồ thuật toán hệ thống 45

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 49

5.1 Giới thiệu về giao diện hệ thống điều khiển và giám sát 49

5.2 Thành phần chính của hệ thống SCADA [4] 49

5.3 Thiết kế giao diện: 50

5.3.1 Tạo giao diện cho hệ thống: 50

5.3.2 Gắn HMI Tags cho hệ thống: 52

5.3.3 Hiệu chỉnh giao diện: 53

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG

Hình 1.1: Một băng chuyền vận chuyển hàng hóa nhanh 2

Hình 1.2: Băng chuyền con lăn 4

Hình 1.3: Băng chuyền đóng gói 5

Hình 1.4: Băng tải cao su 5

Hình 1.5: Băng tải xích 6

Hình 2.1: Ứng dụng của PLC 7

Hình 2.1 Bộ PLC đầu tiên của Mỹ 8

Hình 2.2 Bộ PLC năm 1969 9

Hình 2.3: Bộ Module PLC năm 1970 10

Hình 2.4: Các loại PLC phổ biến hiện nay 10

Hình 2.5: PLC S7 – 1200 11

Hình 2.6 Cấu trúc PLC S7 – 1200 12

Hình 2.7 Cấu trúc phần mềm cơ bản PLC 15

Hình 2.8 Ngôn ngữ lập trình LAD 16

Hình 2.9 Phương pháp lập trình PLC 17

Hình 2.8 : Phần mềm TIA PORTAL V16 23

Hình 2.9: Sử dụng Tag trong TIA Portal 27

Hình 2.10: Giao diện chương trình chính TIA Portal 27

Hình 2.11: Đổ chương trình vào PLC 28

Hình 2.11: Thiết lập liên kết giữa máy tính và PLC 28

Hình 2.12: Khởi động Module PLC 28

Hình 3.1: Hệ thống băng tải phân loại sản phẩm theo cân nặng 31

Hình 3.2 PLC S7 – 1200 CPU 1215C AC/DC/RLY 32

Hình 3.2 Nút nhấn LA38 33

Hình 3.3 Nút nhấn E – stop 33

Hình 3.4: Cảm biến hồng ngoại 34

Hình 3.5 Cấu tạo Loadcell 35

Hình 3.6 Loadcell 5Kg 35

Hình 3.7: Mạch khuếch đại Loadcell JY – S60/E10 36

Hình 3.8: Sơ đồ nối dây Loadcell với mạch khuếch đại 36

Hình 3.7 Cấu tạo van 5/2 37

Hình 3.8 Xy lanh khí nén 38

Hình 3.10 Relay trung gian 24v 39

Hình 3.11 Aptomat VINAKIP 39

Hình 3.12 Nguồn 24V – 5A 40

Hình 3.13: Sơ đồ đấu nối mô hình 41

Hình 3.14: Sơ đồ đấu nối mặt tủ điện 42

Hình 3.15 : Sơ đồ bố trí tủ điện 42

Hình 3.16: Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng 43

Bảng 4.1: Bảng phân công địa chỉ vào ra của hệ thống 45

Hình 4.1: Lựa chọn chế độ cho hệ thống 45

Hình 4.2: Chế độ Manual 46

Hình 4.3: Chế độ Auto 48

Hình 5.1: Kết nối PLC với WinCC RT Advanced 50

Hình 5.2: Chọn Screen để tạo HMI 50

Hình 5.2: Add new screen tạo giao diện 51

Hình 5.3: Giao diện thiết lập WinCC 51

Hình 5.4: Khối Basic objects 51

Hình 5.5: Khối Elements 52

Hình 5.6: Khối Controls 52

Hình 5.7: Gắn Tag HMI cho WinCC 53

Hình 5.8: Thanh hiệu chỉnh Properties 53

Hình 5.9: Thanh hiệu chỉnh Animations 53

Hình 5.10: Thanh hiệu chỉnh Events 54

Hình 5.11: Giao diện giám sát WinCC của hệ thông 54

Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại SVTH: Lưu Nguyễn Hữu Phước

Phan Văn Tiến

1

Tên đề tài: Ứng dụng PLC S7 – 1200 trong điều khiển và phân loại sản phẩm theo khối lượng, điều khiển và

giám sát qua WinCC.

MỞ ĐẦU

Trong thời đại mà các dây chuyền sản xuất, đóng gói và phân loại sản phẩm củacác nhà máy không chỉ ở nước ta mà trên toàn thế giới đang dần dần chuyển hoàn toànthành dây chuyền tự động hóa Mục đích nhằm tăng năng suất sản phẩm, rút ngắn thờigian thành phẩm, có thể làm việc liên tục, giảm sức người và nhân công nhằm đem lạilợi nhuận lớn hơn cho doanh nghiệp và nhà đầu tư

Đồ án “Ứng dụng PLC S7 – 1200 điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theokhối lượng, điều khiển và giám sát qua WinCC” thông qua việc sử dụng PLC SiemensS7 – 1200 và WinCC giám sát công đoạn phân loại sản phẩm theo trọng lượng củatừng sản phẩm, giúp kiểm soát được những sản phẩm bị lỗi, phân loại sản phẩm theokhối lượng mong muốn

Đồ án gồm 6 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về băng chuyền trong công nghiệp

Chương 2: Tổng quan về PLC và WinCC

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển

Chương 5: Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát

Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BĂNG CHUYỀN TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu chung:

Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật, các bộ điều khiển đang có ứng dụng rộngrãi trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật lẫn đời sống xã hội, nhất là trong lĩnh vực tựđộng hóa và điều khiển, một trong những bước tiến mạnh mẽ của con người

Bước vào những năm 90 của thế kỉ 20, khi mà nền công nghiệp trên cả thế giớiđang chuyển biến mạnh mẽ theo sự phát triển của khoa học và kĩ thuật, cùng với đó là

sự cung và cầu của con người về các hàng hóa thiết yếu ngày càng tăng lên, các dâychuyền sản xuất thô sơ với một lượng lớn nhân công dường như không thể đáp ứng nổi

vì con người không thể làm việc liên tục không nghỉ Cho nên việc kết hợp tự độnghóa vào công nghệ như mở ra một bước ngoặc trong việc phát triển kinh tế, thay đổinên công nghiệp của một quốc gia nói chung cũng như cả thế giới nói riêng

Đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp,việc phát triển các dây chuyền công nghiệp kếthợp với tự động hóa đang được các nhà máy cũng như nhiều xí nghiệp lớn và nhỏ triểnkhai với nhiều ưu điểm như đẩy mạnh tốc độ sản xuất, rút ngắn thời gian thành phẩmcũng như giảm nhân công, giảm sức lao động cho con người Với những ngành có đặcthù khác nhau thì cũng có các loại băng chuyền khác nhau, phù hợp với đặc điểm củatừng khâu của từng hệ thống

Hình 1.1: Một băng chuyền vận chuyển hàng hóa nhanh.

1.2 Định nghĩa băng chuyền:

Ngày nay, băng chuyền là sản phẩm máy móc được con người chế tạo, được sửdụng rộng rãi và đặc biệt hỗ trợ đắc lực cho con người trong công việc vận chuyển,đóng gói hàng hoá…cỗ máy này sở hữu khả năng vận chuyển một hàng hóa, một vật,bưu kiện hoặc gói hàng khâu này đến khâu kia trong nhà máy, xí nghiệp Băng chuyềntrong công nghiệp có nhiều loại, có nhiều loại được lắp ráp thêm các bàn thao tác ở haibên để nhân công và người vận hành chế biến thực phẩm, lắp ráp đóng gói linh kiện…

Ở phía trên có thể lắp thêm tầng cho thành phẩm

Băng chuyền mang yếu tố quan trọng trong một dây chuyền sản xuất hàng loạt củamột hệ thống trong nhà máy, có tính kinh tế cao, là một trong những bộ phận khôngthể tách rời và cực kì quan trọng trong dây chuyền chế tạo, lắp ráp, sản xuất của cácdoanh nghiệp và nhà máy Chúng góp phần tạo nên một môi trường chế tạo khoa họcnăng suất cao, giải phóng sức lao động, tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp và mang lạitác dụng kinh tế cao

1.3 Cấu tạo và một số loại băng chuyền tiêu biểu:

1.3.1 Cấu tạo băng chuyền:

- Phần khung: thường có cấu tạo chính là nhôm, inox hoặc thép sơn tĩnh điện

- Dây băng chuyền: dây băng tải PVC có độ dày 2mm và 3mm hoặc dây băng tải PU

có độ dày nhỏ hơn 1 nửa là 1.5mm

- Cơ cấu truyền động: bao gồm rulo kéo, nhông xích,

- Hệ thống bàn thao tác:chất liệu bằng gỗ, thép hoặc inox, bề mặt được dán thảm cao

su chống tĩnh điện

- Hệ thống đường khí nén, đường điện, có bộ điều khiển bao gồm nhiều cảm biến, biến tần, timer hoặc PLC,…

1.3.2 Các loại băng chuyền tiêu biểu:

1.3.2.1 Băng chuyền con lăn:

Là một trong những băng chuyền được thiết kế tối ưu trong việc vận chuyển cácsản phẩm từ mức nhẹ, vừa đến nặng trong môi trường thông thường, có hoá chất ănmòn hoặc bụi bặm…được sử dụng nhiều trong quá trình sản xuất

+ Hệ thống phớt bảo vệ vòng bi: đảm bảo con lăn làm việc bền bỉ, ít bị ảnh hưởnggây hư hại ở nơi có độ ẩm, mài mòn, nhiệt độ cao

+ Con lăn thường được gia công từ inox, thép tiết kiệm chi phí sửa chữa và bảodưỡng định kì do có thiết kế đồng tâm giúp giảm độ rung

Hình 1.2: Băng chuyền con lăn.

Băng chuyền con lăn có ứng dụng trong sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian, chiphí, nhân công lao động.Các nhà máy ứng dụng băng chuyền con lăn nhiều trong việcđóng thùng, vận chuyển bánh kẹo, bia, sữa,

1.3.2.2 Băng chuyền đóng gói:

Là băng chuyền được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng gói sản phẩm khô,tổng thể là sự kết hợp giữa hệ thống băng chuyền, bàn thao tác và kệ để hàng Vậnchuyển hàng hóa với mặt phẳng băng chuyền rộng

Cấu tạo gồm:

- Khung băng chuyền: chất liệu nhôm định hình theo khuôn đối xứng giúp gia công dễ dàng, băng chuyền cân đối, vận hành trơn tru

- Bề mặt băng chuyền là PVC

- Cơ cấu truyền động: lô chủ động, lô bị động, con lăn đỡ và nhông xích

- Hệ thống khí nén dùng cho các công cụ cầm tay để thao tác trên băng chuyền

- Động cơ truyền động: loại động cơ giảm tốc có thể điều chỉnh vô cấp

- Bàn thao tác và giá kệ chứa hàng làm bằng ống inox lắp ghép tạo sự linh hoạttrong lắp ráp cũng như tháo rời, sàn trên thường cho các người vận hành hoặccông nhân làm việc trong khi hệ thống, sàn dưới thường dùng để vật dụng, dụng

cụ liên quan đến công việc

Hình 1.3: Băng chuyền đóng gói.

1.3.2.3 Băng chuyền cao su

Là một trong những loại băng chuyền không thể thiếu trong hệ thống truyềntải,giúp giảm sức lao động của con người và tăng năng suất, hiệu suất công việc trongcác ngành công nghiệp nặng với vật liệu khó vận chuyển bằng sức người hoặc băng tảithông thường

Cấu tạo:

+ Ở giữa là lõi thép làm nên đặc tính cơ cho sản phẩm, độ bền kéo và độ dãn dài,thường là lõi lưới dệt và lưới thép

+ Bên ngoài là hai lớp cao su, một lớp bao phủ ở trên và một lớp bên dưới băng

để bảo vệ lõi thép và đặc tính của băng tải Những lớp cao su bên ngoài được khửozone và tĩnh điện để an toàn hơn trong công việc

Hình 1.4: Băng tải cao su

Ứng dụng trong các nhà máy xí nghiệp than đá, nhiệt điện, xi măng, sản xuấtthép…với độ chịu nhiệt cao Còn có các loại băng tải đặc biệt là: băng tải chịu dầu,băng tải chịu axit, băng tải chống cháy, băng tải tai bèo.

1.3.2.4 Băng chuyền xích

Hệ băng tải xích thường được sử dụng để truyền tải sản phẩm tươi sống hoặc đã chếbiến, trong dây chuyền công nghiệp như sản xuất ô tô…

Cấu tạo gồm:

+ Khung, sườn băng tải được mạ kẽm-inox

+ Ngoài dây xích thường dùng còn có dây xích loại nhựa với cấu tạo đơn giản, thích hợp với nhiều địa hình nhờ khối lượng nhẹ hơn so với inox

+ Băng chuyền sử dụng động cơ giảm tốc chuyển động

+ Có các tay và thanh đỡ và chắn sản phẩm ở những khâu đặc biệt

Hình 1.5: Băng tải xích

Không chỉ được dùng để vận chuyển các loại vật liêu xây dựng và hạng nặng nhưgạch đá, xi măng, thì băng tải xích còn ứng dụng rộng rãi trong: quá trình lắp ráp cácthiết bị điện tử như ti vi, máy giặt, máy lạnh, tải các vật liệu dạng hộp, nước uống đóngchai, nước ngọt trong sản xuất nước giải khát hay vận chuyển các loại nông sản nhưđiều, cà phê, hồ tiêu…

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ WINCC

2.1 Giới thiệu về PLC

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller, được hiểu một trong nhữngthiết bị điều khiển lập trình đầu tiên với mục đích chính là thực hiện được các thuậttoán điều khiển logic, thông qua ngôn ngữ được các kỹ sư lập trình riêng cho PLC.Thiết bị lập trình PLC đầu tiên được lên ý tưởng từ một nhóm kỹ sư thuộc hãngGeneral Motor vào năm 1968 Từ những năm đầu của thế kỉ 20, PLC được sử dụngngày càng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lýtưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất, nhằm tăng năng suất của một hệthống, nhà máy Đi đôi với sự phát triển công nghệ máy tính vượt bậc theo từng ngàynhư hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụngđiều khiển công nghiệp

Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như PLC Mitsubishi, Siemens,Panasonic… Cho đến ngày nay, ngôn ngữ lập trình của PLC gồm có 3 dạng chính là:LAD (Ladder logic – thang logic), FBD (Function Block Diagram – Khối chức năng),STL (Statement List – Liệt kê lệnh) trong đó Ladder logic là ngôn ngữ lập trình

PLC được nhiều kỹthuật, lập trình viên dùng và ưa chuộng nhất

PLC được ứng dụng trong công nghiệp nhưng những dây chuyền hệ thống đóng góisản phẩm, băng chuyền sản phẩm với quy mô nhỏ thì có thể sử dụng những PLC có ítin/out với chi phí kinh tế thấp nhưng vẫn được sử dụng cho những ứng dụng cơ bản.Đối với những tác vụ, yêu cầu kĩ thuật phức tạp thì có thể sử dụng module khác nhauvới lượng I/O, thêm module truyền thông, analog để phù hợp với yêu cầu đặt ra

Hình 2.1: Ứng dụng của PLC.

Như vậy, PLC có thể xem như một máy tính thu nhỏ nhưng nó phù hợp với nhữngtiêu chuẩn chủ yếu của công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh với các cơcấu chấp hành lớn với công suất cao PLC là đầu não quan trọng, là nơi xử lý chính tínhiệu và rất linh hoạt trong điều khiển tự động hóa.

2.2 Lịch sử phát triển của PLC

Trước khi có PLC thì việc điều khiển các cơ cấu máy móc thực hiện theo logic thìchỉ có thể sử dụng các Role trung gian, Timer, Counter…và cùng với đó, hệ thốngcàng phức tạp, càng nhiều quy trình thì có càng nhiều khí cụ điện như trên được dùng.Việc đó gây ra nhiều vấn đề trong quá trình lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì thế PLCđược phát minh và là bước tiến lớn trong hoạt động sản xuất thời bấy giờ

Năm 1968, Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Logic Controller) haycòn có tên gọi là Modicon đã được Dick Morley và những kỹ sư của Công ty GeneralMotor – Hoa Kỳ sáng chế

Các chỉ tiêu kỹ thuật được đưa ra nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển như;

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình theo hệ thống

- Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa

- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Hình 2.1 Bộ PLC đầu tiên của Mỹ.

Tuy nhiên vì là bộ vi điều khiển với thế hệ đầu tiên cùng với những hạn chế vềcông nghệ những năm 70, bộ điều khiển lập trình còn khá đơn điệu và đặc biệt cồngkềnh, do đó khiến người vận hành và các kỹ sư gặp khó khăn trong việc vận chuyển,lắp đặt, vận hành và lập trình trên bộ điều khiển lập trình Vì vậy các nhà thiết kế - chếtạo từng bước một cải tiến hệ thống trở gọn nhẹ, dễ vận hành cũng như ưu việt hơn vềnhiều mặt

Dần theo dòng thời gian và sự phát triển ở những phiên bản đầu tiên, hệ thống điềukhiển lập trình cầm tay hay được gọi là PCH (Programmable Controller Handle) được

ra mắt đầu tiên vào năm 1969 với mục đích nhằm đơn giản hóa việc lập trình Sự pháttriển này này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điềukhiển thời bấy giờ

Hình 2.2 Bộ PLC năm 1969.

Trong giai đoạn những phiên bản đầu tiên ra đời, các hệ thống điều khiển lập trìnhchỉ nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển của một hệthống ở những thời kỳ đầu Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế và sáng chế đã ghinhận và rút ra được những ưu điểm, những thiếu sót và từng bước tạo ra được một tiêuchuẩn mới cho hệ thống, và đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.Đầu năm 1970, sự vươn lên của công nghệ cũng như sự phát triển của hệ thốngphần cứng kéo theo sự đổi mới và phát triển của PLC với nhiều các chức năng mởrộng:

- Số lượng Input và Output nhiều hơn và có khả năng điều khiển các đầu vào, đầu ra

từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

- Bộ lưu trữ dữ liệu không còn hạn chế và được nhiều hơn

- Nhiều loại Module chuyên dùng hơn với từng yêu cầu kĩ thuật khác nhau

Cùng với sự phát triển của phần cứng, sự phát triển của công nghệ phần mềm cũngđược đẩy lên một bậc mới, bộ lập trình điều khiển PLC không chỉ thực hiện các lệnhLogic đơn giản mà còn có thêm các lệnh đếm sự kiện xảy ra, xử lý toán học, xử lýxung, thời gian thực…và dần trở thành một thiết bị không thể thiếu trong công nghiệp

tự động

Hình 2.3: Bộ Module PLC năm 1970.

Ngày nay, khi mà khoa học công nghệ của loài người đã phát triển, vi mạch điện tử

và công nghệ thông tin phát triển vượt bậc, PLC không chỉ được thiết ngày càng nhỏgọn từ những cỗ máy cồng kềnh và khó vận hành, cùng với đó chức năng cũng được

bổ sung khá nhiều So sánh với những PLC đời đầu được sáng chế và phát minh nhữngnăm 1970, PLC thời nay đã có thêm các chức năng nâng cao hơn như truyền thông,PID, kết nối Internet, điều khiển Servo, động cơ Step, và đặc biệt có thể điều khiển vàgiám sát thông qua Webserver, cùng nhiều chức năng khác Cấu hình được nâng cao

và phát triển như có mở rộng nhiều module hơn, tốc độ xử lý tăng lên phù hợp vớinhững yêu cầu lập trình khác nhau

Hình 2.4: Các loại PLC phổ biến hiện nay

CPU của PLC S7 - 1200 được kết hợp với một Microprocessor, một nguồn cungcấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO), được thiết kế theo nền tảng Profinet,điều khiển vị trí (motion control), các bộ đếm xung tốc độ cao, các ngõ Analog Input/

Output.Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trìnhđiều khiển:

- Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

- Tính năng “Know-How Protection” để bảo vệ các block đặc biệt

- S7-1200 cung cấp một cổng truyền thông mạng Profinet, hỗ trợ chuẩn Ethernet

và TCP/IP Ngoài ra, PLC S7 - 1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485,RS232 thông qua các module mở rộng ngoài

- Dòng sản phẩm PLC S7-1200 có nhiều CPU khác nhau như: CPU 1211, CPU

1212, CPU 1214, CPU 1215, CPU 1217…trong mỗi dòng CPU đều được phân biệt bởi

ký hiệu như AC/DC/RLY, DC/DC/DC, AC/DC/DC…tương ứng với nguồn nuôi choCPU, dạng cổng Input, dạng Ouput Mỗi CPU có bộ nhớ làm việc, chu kỳ lệnh, cổng

truyền thông giao tiếp, khối tổ chức chương trình OB, chức năng khác nhau…Tùy vàoứng dụng và hệ thống mà ta sẽ lựa chọn dòng CPU phù hợp để đáp ứng về tốc độ xử

lý, cũng như về giá thành của CPU

Các đèn báo trên CPU:

- STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạp vào

bộ nhớ

- ERROR (màu đỏ) : màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ra lỗi

- MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không

- LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

- Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

2.3.1 Phân loại CPU S7 – 1200:

Thời gian lưu trữ

 Bộ nguồn : chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ

xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động

 Bộ nhớ : là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điềukhiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

 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 điều khiển Tín hiệu nhập

có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của

bộ khởi động động cơ, các van solenoid…

8 x DC out

8 x Rly out

8 x DC In / 8 x DCout

8 x DC In / 8 x Rly out

KiểuAnalog

out

KiểuAnalog

Module truyền thông (CM)

 RS485 : PTP (Point to Point Comunication Module)

 RS232 : PTP (Point to Point Comunication Module)

là ngôn ngữ dựa trên nền Pascal

LAD (Ladder): là một ngôn ngữ lập trình dựa theo sơ đồ mạch điện, cực kì đơn giản, dễ hiểu và dễ chỉnh sửa

Hình 2.8 Ngôn ngữ lập trình LAD.

LAD là ngôn ngữ phổ biến được các kỹ sư sử dụng, mà ở đó các phần tử củamột sơ đồ mạch điện gồm các cuộn dây, các tiếp điểm thường đóng hay thường mở,được nối với nhau tạo thành bậc thang.

Trong một network, có thể chèn vào các nhánh để tạo ra các mạch logic songsong Các nhánh song song được mở ra theo hướng xuống hay được kết nối trực tiếpđến thanh dẫn tín hiệu Mỗi nhanh sẽ được nối lên trục chính để kết thúc

Những chú ý khi sử dụng ngôn ngữ LAD trong lập trình:

 Mỗi network được viết bằng LAD phải kết thúc bằng lệnh hộp hay cuộn dây.Không được kết thúc network với cả như lệnh so sánh (Compare) hay lệnh phát hiệnngưỡng, sẽ tạo ra lỗi

Không thể tạo ra một nhánh mà có thể đưa lại kết quả là một dòng tín hiệutheo chiều ngược lại

 Không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch

2.6 Phương pháp lập trình PLC S7 – 1200

Ưu điểm của lập trình bằng PLC là linh động, không liên quan đến hệ thống đấudây phần cứng Từ đó, khi muốn thay đổi hay nâng cấp hệ thống, ta chỉ việc thay đổichương trình chứ không cần phải thay đổi hệ thống đấu dây

Phương pháp điều khiển lập trình gồm các bước:

Hình 2.9 Phương pháp lập trình PLC.

2.7 Các tập lệnh cơ bản của PLC S7 – 1200 [4]

2.7.1 Bit Logic

Tiếp điểm thường hở NO (Normally Open) được đóng lại (ON) khi giá trị bit đượcgán bằng 1 và tiếp điểm thường đóng NC (Normally Closed) được đóng lại (ON) khigiá trị bit được gán bằng 0

Các tiếp điểm được nối nối tiếp sẽ tạo ra mạch logic AND

Các tiếp điểm được nối song song sẽ tạo ra mạch logic OR

2.7.2 Bộ đảo logic NOT

Tiếp điểm NOT (LAD) chuyển đổi trạng thái logic của đầu vào tín hiệu

Nếu không có dòng tín hiệu vào trong tiếp điểm NOT, sẽ có tín hiệu ra

Nếu có dòng tín hiệu vào trong tiếp điểm NOT, sẽ không có tín hiệu ra

2.7.3 Cuộn dây ngõ ra (LAD)

Nếu có luồng tín hiệu chạy qua một cuộn dây ngõ ra, bit ngõ ra được đặt lên mức 1 Nếu không có luồng tín hiệu chạy qua một cuộn dây ngõ ra, bit ngõ ra được đặt về

Khi lệnh S (Set) được kích hoạt, giá trị dữ liệu ở địa chỉ OUT được đặt lên mức 1.Khi lệnh S không được kích hoạt, ngõ ra OUT không bị thay đổi.

Khi lệnh R (Reset) được kích hoạt, giá trị dữ liệu ở địa chỉ OUT được đặt về mức 0.Khi lệnh R không được kích hoạt, ngõ ra OUT không bị thay đổi

Những lệnh này có thể được đặt tại bất cứ vị trí nào trong mạch

2.7.5 Lệnh dò ngưỡng dương và âm.

Tiếp điểm P (LAD): trạng thái của tiếp điểm này là “TRUE” khi một sự quá độdương (từ OFF sang ON) được phát hiện trên bit “IN” được gán Trạng thái logic củatiếp điểm sau đó được kết hợp với dòng tín hiệu trong mạch để thiết lập trạng thái ngõ

ra của dòng tín hiệu Tiếp điểm P có thể được định vị tại bất kỳ vị trí nào trong mạch,ngoại trừ vị trí kết thúc của một nhánh

Tiếp điểm N (LAD): trạng thái của tiếp điểm này là “TRUE” khi một sự quá độ âm(từ ON sang OFF) được phát hiện trên bit được gán Trạng thái logic của tiếp điểm sau

đó được kết hợp với dòng tín hiệu trong mạch để thiết lập trạng thái ngõ ra của dòngtín hiệu Tiếp điểm N có thể được định vị tại bất kỳ vị trí nào trong mạch, ngoại trừ vịtrí kết thúc của một nhánh

2.7.6 Lệnh Timer

Sử dụng lệnh Timer để tạo một chương trình trễ định thời Số lượng của Timer phụthuộc vào người sử dụng và số lượng vùng nhớ của CPU Mỗi timer sử dụng 16byteIEC_Timer dữ liệu kiểu cấu trúc DB Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy khối Timer.Kích thước và tầm của kiểu dữ liệu Time là 32 bit, lưu trữ như là dữ liệu Dint: T#-14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_23s_647ms hay là -2.147.483.648

ms đến 2.147.483.647 ms

Timer gồm có các loại timer:

- Timer tạo xung - TP

Timer TP tạo một chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước Thay đổi PT, IN không ảnh hưởng khi Timer đang chạy.

Khi đầu vào IN được tác động vào timer sẽ tạo ra một xung có độ rộng bằng thời gian đặt PT

˗ Timer trễ sườn lên có nhớ - Timer TONR

Thay đổi PT không ảnh hưởng khi Timer đang vận hành, chỉ ảnh hưởng khi timerđếm lại

Khi ngõ vào IN chuyển sang “FALSE” khi vận hành thì timer sẽ dừng nhưngkhông đặt lại bộ định thì Khi chân IN “TRUE” trở lại thì Timer bắt đầu tính thời gian

từ giá trị thời gian đã tích lũy

- Timer trễ không nhớ - TON ; Timer trễ sườn xuống - TOF

Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì reset và dừng hoạt động Timer, thay đổi PT khiTimer vận hành không có ảnh hưởng gì

2.7.7 Bộ đếm Counter

Lệnh Counter được dùng để đếm các sự kiện ở ngoài hay các sự kiện quá trình ởtrong PLC Mỗi Counter sử dụng cấu trúc lưu trữ của khối dữ liệu DB để làm dữ liệucủa Counter Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy lệnh

Tầm giá trị đếm phụ thuộc vào kiểu dữ liệu mà bạn chọn lựa Nếu giá trị đếm làmột số Interger không dấu, có thể đếm xuống tới 0 hoặc đếm lên tới tầm giới hạn.Nếu giá

trị đếm là một số Interger có dấu, có thể đếm tới giá trị âm giới hạn hoặc đếm lên tới một số dương giới hạn.

- Counter đếm lên - CTU

Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 khi tín hiệu ngõ vào CU từ 0 lên 1

Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi CV>=PV

Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0

Giá trị bộ đếm được giảm 1 khi tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ 0 lên 1

Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi CV <=0

Nếu trạng thái LOAD được tác động thì CV = PV

- Counter đếm lên xuống – CTUD

Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1 Ngõ

ra QU được tác động lên 1 khi CV >=PV Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì

bộ đếm CV = 0

Giá trị bộ đếm CV được giảm 1 khi tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra

QD được tác động lên 1 khi CV <=0 Nếu trạng thái Load được tác động thì CV = PV

2.7.8 Lệnh so sánh

So sánh 2 kiểu dữ liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE.

Kiểu dữ liệu so sánh là: SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real, LReal, String, Char, Time, DTL, Constant

Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1 <= IN2, IN1 < IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2

Kiểu dữ liệu so sánh là: SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real, LReal, String, Char, Time, DTL, Constant

2.7.9 Các lệnh tính toán

Công dụng: thực hiện phép toán từ các giá trị ngõ vào IN1, IN2, IN(n) theo công thức OUT=… (+, -, *, /) rồi xuất kết quả ra ngõ ra OUT

Các thông số ngõ vào dùng trong khối phải chung định dạng

Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2

Lệnh trừ SUB: OUT = IN1 – IN2

Lệnh nhân MUL: OUT = IN1*IN2

Lệnh chia DIV: OUT = IN1/IN2

Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: SInt, Int, Dint, USInt, UInt, UDInt, Real, LReal, Constant.

Tham số OUT có kiểu dữ liệu: SInt, Int, Dint, USInt, UInt, UDInt, Real, LReal Tham số ENO = 1 nếu không có lỗi xảy ra trong quá trình thực thi Ngược lại ENO

EN: cho phép ngõ vào

IN: Toán tử đầu vào, có thể lên tới 32 đầu vào

OUT: Toán tử ngõ ra

ENO: Cho phép ngõ ra

2.8 Phần mềm lập trình cho PLC S7 – 1200

2.8.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V16

Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal): là phần mềm cung cấp một môitrường thân thiện với người dùng, từ lập trình hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnhlogic cần thiết đến ứng dụng điều khiển

Hình 2.8 : Phần mềm TIA PORTAL V16

Phần mềm lập trình TIA Portal V16 giúp người dùng dễ dàng phát triển, tích hợpcác hệ thống tự động hóa một cách thuận tiện, giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp,xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng biệt, gây khó khăn và dễ gặp lỗi.

TIA Portal là phần mềm được phát trình dành riêng cho các dòng PLC đời mới, làmột phần mền chung được Siemens dùng để tích hợp các chương trình của họ lại vớinhau, tạo nên tính thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho các ứng dụng Mọiphần cứng của Siemens phát triển như PLC, HMI đều được lập trình, cấu hình phù hợpvới TIA Portal Việc này giúp giảm thời gian trong việc thiết lập truyền thông giữa cácthiết bị này, tránh xung đột với nhau

2.8.2 Giao diện phần mềm TIA Portal

Phần mền TIA PORTAL V16 làm nhiệm vụ trung gian giữa người dùng, người lậptrình và PLC Các bước để tạo một project trên phần mềm :

Bước 1: Kích đúp vào biểu tượng của TIA Portal V16

Bước 2: Ở phần Start, kích chuột vào Create New Project để tạo dự án mới

Bước 3: Tạo tên của Project, sau đó kích Create