Thiết kế mô hình hệ thống lọc nước thô sử dụng plc s7 1200 Để xây dựng chương trình Điều khiển tự Động

Việc thiết kế mô hình hệ thống lọc thô không chỉ đáp ứng nhu cầu thựctiễn mà còn mang lại giá trị ứng dụng cho các dự án thực tế trong lĩnh vực xử lýnước và cải thiện mô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC

LỜI CẢM ƠN

Cảm ơn các Thầy/Cô Bộ môn Điều khiển học, Khoa Điện-Điện tử, các cán

bộ Phòng đào tạo Đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã quan tâm, tạo điềukiện giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Em cũng xin cảm những người bạn và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ vàđộng viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt nội dungmục tiêu của đồ án này

Báo cáo được hoàn thành không tránh khỏi những thiếu sót cũng như kinhnghiệm và trình độ còn hạn chế, phần trình bày còn nhiều khuyết điểm, em rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy (cô) để em có thểhoàn thiện hơn Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy (cô) dồi dào sức khỏe

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-LỜI CAM ĐOAN

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưacông bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểuphục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ cácnguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong bài báo cáo đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giácũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chúthích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung bài báo cáo đồ án của mình Trường đại học Giao thông vận tải khôngliên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trìnhthực hiện (nếu có)

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-TÓM TẮT

Hệ thống lọc thô cho bể bơi là một phần quan trọng trong việc duy trì chấtlượng nước và đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng Nhu cầu về hệ thống lọc ngàycàng tăng do xu hướng sử dụng bể bơi gia đình và công cộng đang phổ biến, yêucầu nước phải được làm sạch nhanh chóng và hiệu quả

Hệ thống lọc thô bao gồm các giai đoạn xử lý như loại bỏ cặn bẩn lớn, lọccác hạt lơ lửng, và hỗ trợ chuẩn bị cho các bước xử lý nước tinh vi hơn Đây là giảipháp tối ưu giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời đảm bảo hiệu quả làmsạch cao Việc thiết kế mô hình hệ thống lọc thô không chỉ đáp ứng nhu cầu thựctiễn mà còn mang lại giá trị ứng dụng cho các dự án thực tế trong lĩnh vực xử lýnước và cải thiện môi trường sống

MỤC LỤC

TÓM TẮT 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 9

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 13

1.1 Giới thiệu chung về đề tài 13

1.2 Mục đích nghiên cứu 14

1.3 Đối tượng nghiên cứu 14

1.4 Phạm vi áp dụng và giới hạn đề tài 14

1.5 Giải pháp thực hiện đề tài 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Tổng quan về điều khiển lập trình PLC 17

1.1.1 Giới thiệu điều khiển lập trình PLC 17

2.1.2 Ưu nhược điểm của PLC 17

2.1.3 Cấu trúc chung của PLC 18

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC 19

2.2 Cấu tạo của PLC S7-1200 19

2.3 Tìm hiểu về Arduino Nano 24

1.1.1 Giới thiệu chung về Arduino 24

2.3.2 Arduino Nano 25

2.4 Truyền thông giao tiếp giữa PLC và Arduino qua RS485 30

1.1.1 Chuẩn truyền thông Modbus RTU 30

2.4.2 Cấu trúc khung truyền Modbus RTU 31

2.5 Địa chỉ dữ liệu và thanh ghi theo chuẩn modbus 31

2.6 Chuẩn truyền thông RS485 trong PLC S7-1200 32

1.1.1 Câu lệnh COMM_LOAD_DB 33

2.6.2 Câu lệnh MB_MASTER 34

2.7 Cảm biến độ đục: 35

2.7.1 Định nghĩa cảm biến quang 35

2.7.2 Ưu điểm: 35

2.7.3 Nhược điểm: 36

2.7.4 Thông số kỹ thuật: 36

2.7.5 Cấu trúc: 36

2.7.6 Cách đấu nối: 37

2.8 Nguồn tổ ong 37

2.9 Relay: 39

2.9.1 Mô tả: 39

2.9.2 Thông số kỹ thuật: 39

2.9.3 Kích thước và cấu tạo 40

2.9.4 Ứng dụng: 40

2.10 Nút nhấn, đèn báo 41

2.10.1 Nút nhấn: 41

2.10.2 Đèn báo: 42

2.11 Máy bơm 24V 42

2.11.1 Ưu điểm của máy bơm 24V 43

2.11.2 Nhược điểm của máy bơm 24V 43

2.11.3 Ứng dụng của máy bơm 24V 44

2.11.4 Cấu tạo của máy bơm 24V 44

2.11.5 Nguyên lý hoạt động máy bơm 24V 44

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 46

3.1 Hoạt động của hệ thống 46

3.2 Yêu cầu thiết hế: 46

3.3 Kết cấu của hệ thống 47

3.4 Sơ đồ khối của hệ thống 47

3.5 Sơ đồ đấu nối 48

3.6 Kết nối Arduino với PLC 50

3.7 Lưu đồ thuật toán 51

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 54

4.1 Phần mềm TIA PORTAL V17 54

4.1.1 Giới thiệu 54

4.1.2 Tạo Project mới 55

4.1.3 Tag của PLC 57

4.1.4 Đổ chương trình xuống CPU 59

4.1.5 Giám sát và điều khiển chương trình trên Tia Portal V17 61

4.1.6 Giám sát điều khiển hệ thống trên WinCC 61

4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển Arduino Nano 65

4.3 Lập trình hệ thống 66

4.3.1 Mô tả hoạt động hệ thống 66

4.3.2 Bảng qui định địa chỉ vào ra của PLC 67

4.3.3 Giao diện WinCC sau khi hoàn thành: 67

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 69

5.1 Kết quả đạt được 69

5.2 Nhược Điểm 69

5.3 Ưu điểm 69

5.4 Hướng phát triển 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Hệ thống tự động chiết rót dầu nhớt thực tế 12

Hình 1 2 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai trong công nghiệp 15

Hình 2 1 Các bộ phận trong hệ thống của PLC 17

Hình 2 2 Vòng quét PLC 18

Hình 2 3 Cấu tạo phần cứng của PLC 18

Hình 2 4 Các dòng sản phẩm của Siemen 20

Hình 2 5 Đèn báo trên PLC 22

Hình 2 6 Kết nối giữa máy tính với PLC 22

Hình 2 7 Dây kết nối Ethernet 23

Hình 2 8 Động cơ DC 23

Hình 2 9 Cấu tạo động cơ Dc trong công nghiệp 24

Hình 2 10 Băng chuyền 26

Hình 2 11 Băng chuyền con lăn 27

Hình 2 12 Băng chuyền xích inox 28

Hình 2 13 Băng chuyền xích nhựa 28

Hình 2 14 Cảm biến quang E3F-DS30C4 29

Hình 2 15 Sơ đồ cảm biến quang 31

Hình 2 16 Sơ đồ đấu dây cảm biến vào PLC 31

Hình 2 17 Nguồn tổ ong 24VDC- 5A 32

Hình 2 18 Sơ đồ đấu nối 33

Hình 2 19 Relay trung gian 24VDC 5A MY2N 33

Hình 2 20 Kích thước Relay trung gian 24VDC 5A MY2N 34

Hình 2 21 Các loại nút nhấn trong công nghiệp 35

Hình 2 22 Các loại đèn báo trong công nghiệp 35

Hình 2 23 Một số hình ảnh van điều khiển hướng 36

Hình 2 24 Cấu tạo van điều hướng 37

Hình 2 25 Kích thước và lực đẩy của xi lanh khí nén Airtac TN20X100S 38

Hình 2 26 Hình máy bơm nước mini 39

Hình 2 27 Động Cơ DC Servo Giảm Tốc JGB37 41

Hình 2 28 Kích thước Động Cơ DC Servo Giảm Tốc JGB37 42

Hình 2 29 Sơ đồ chân động cơ giảm tốc encoder 42

Hình 2 30 Sơ đồ kết nối 43

Hình 2 31 Aptomat chống giật 44

Hình 3 1 Sơ đồ của hệ thống 45

Hình 3 2 Sơ đồ khối của hệ thống 46

Hình 3 3 Nhôm định hình 20x20 47

Hình 3 4 Cấu tạo băng tải 48

Hình 3 5 Cấu tạo mâm xoay 49

Hình 3 6 Thiết kế đấu nối chung các linh kiện điện tử 50

Hình 3 7 Sơ đồ đấu nguồn 50

Hình 3 8 Sơ đồ đầu vào PLC 51

Hình 3 9 Sơ đồ đầu ra của PLC 51

Hình 3 10 Sơ đồ đấu nối động lực 1 52

Hình 3 11 Sơ đồ đấu nối động lực 2 52

Hình 3 12 Hình ảnh thi công mô hình 53

Hình 3 13 Hình ảnh đấu nối các thiết bị 53

Hình 3 14 Lưu đồ giải thuật khâu chiết rót 54

Hình 3 15 Lưu đồ giải thuật khâu đóng nắp 56

Hình 3 16 Lưu đồ giải thuật khâu in hạn sử dụng 57

Hình 3 17 Lưu đồ thuật toán tổng quát 58

Hình 4 1 Giao diện phần mềm TIA PORTAL V17 59

Hình 4 2 Giao diện kết nối PLC 64

Hình 4 3 Giao diện thiết kế trên AutoCAD 70

Hình 5 1 Giao diện Scada 74 Hình 5 2 Kết nối plc và wincc 75

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển tự độngPET Polyethylene terephthalate Chai nhựa

AC Alternating current Điện áp xoay chiềuCPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

HMI Human Machine Interface Màn hình giao tiếp người dùng

SCADA

Supervisory Control And Data

Acquisition Điều khiển giám sát và thu

thập dữ liệu

LAD Ladder Diagram Ngôn ngữ lập trình trực quan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung về đề tài

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ,thế giới đã đạt được những bước tiến vượt bậc trong nhiều lĩnh vực, từ côngnghiệp, xây dựng đến môi trường Công nghệ tự động hóa, với những ưu điểm như

độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, khả năng tích hợp và chuyên môn hóa, đã vàđang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại, mang lại hiệuquả vượt trội trong sản xuất và vận hành

Trong lĩnh vực xử lý nước, đặc biệt là trong các hệ thống bể bơi, việc ứngdụng công nghệ để xây dựng các hệ thống lọc nước hiệu quả và tự động hóa đóngvai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuẩn an toàn và vệsinh Từ các mô hình hệ thống xử lý nước hiện đại và kiến thức đã học, em đã tiếnhành thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống lọc thô cho bể bơi Mô hình sử dụngcác thiết bị và công nghệ phù hợp nhằm đảm bảo loại bỏ tạp chất, cặn bẩn lớn trongnước, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất vận hành và dễ dàng tích hợp vào các hệ thốngxử lý nước phức tạp hơn

Hình 1 1 Hệ thống lọc thực tế tại bể bơi

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Chế tạo thành công mô hình hệ thống lọc thô cho bể bơi

- Mô hình hệ thống lọc hoạt động liên tục, ổn định và hiệu quả

- Sử dụng PLC S7-1200 để xây dựng chương trình điều khiển tự động

- Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên WinCC, đảm bảo dễ dàng vậnhành và theo dõi

- Tích hợp giao diện điều khiển thân thiện, hỗ trợ người dùng trong việc giámsát và điều chỉnh hệ thống

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Sử dụng PLC S7-1200 1214c dc/dc/dc, hệ thống phao đo mực nước, nguồn tổong 24v 5V, Relay 24 Vdc, van nước, bơm 24vdc, cảm biến đo độ đục,Arduino,…

- Thiết kế và thi công mô hình hệ thống

- Nghiên cứu và phát triển những chương trình và cơ cấu đã có sẵn

- Tìm hiểu chức năng và thông số của thiết bị từ hãng sản xuất Qua đó lựachọn và lên ý tưởng thiết kế mô hình

1.4 Phạm vi áp dụng và giới hạn đề tài

Phạm vi nghiên cứu:

+ Bảo quản các thiết bị lọc, hóa chất xử lý nước và các vật tư liên quan

+ Phù hợp sử dụng tại các bể bơi gia đình, bể bơi công cộng, hoặc các cơ sở đàotạo, thử nghiệm xử lý nước

+ Hệ thống lọc thô được ứng dụng cho các loại bể bơi từ nhỏ đến lớn, đảm bảoloại bỏ cặn bẩn, rác thải và hạt lơ lửng trong nước trước khi tiến hành cácbước xử lý tinh vi hơn

+ Hệ thống tích hợp công nghệ tự động hóa, sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điềukhiển trung tâm Các quy trình như hút nước, lọc và xả cặn đều được vậnhành tự động, giảm thiểu sự can thiệp của nhân công

+ Giao diện giám sát và điều khiển được thiết kế trên WinCC, giúp người vậnhành dễ dàng theo dõi trạng thái và điều chỉnh hệ thống.

+ Tự động hóa hệ thống lọc nước giúp nâng cao hiệu quả xử lý, giảm sức laođộng thủ công, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc ở các khâu xử lý nặngnhọc, nhàm chán

+ Hệ thống lọc thô tự động hóa giúp đáp ứng nhu cầu vận hành bể bơi cường độcao, đảm bảo khả năng bảo trì linh hoạt và tối ưu hóa chi phí vận hành, hỗ trợcác cơ sở cạnh tranh hiệu quả trên thị trường

Giới hạn đề tài:

Do hạn chế về mặt thời gian, trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này,báo cáo sẽ tập trung vào những phần chính thay vì trình bày chi tiết toàn bộ hệthống Cụ thể, nội dung nghiên cứu chủ yếu xoay quanh việc lập trình điều khiểnhệ thống lọc thô theo quy trình tự động hóa

Các nhiệm vụ chính bao gồm điều khiển hoạt động của các động cơ bơmnước, giám sát tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến độ đục, mức nước) để đảm bảohệ thống hoạt động chính xác và ổn định Ngoài ra, việc thiết kế và điều chỉnh môhình vật lý của hệ thống lọc thô được chú trọng nhằm giảm thiểu sai sót và rủi rotrong quá trình vận hành

Hệ thống còn được tích hợp giao diện SCADA, hỗ trợ người dùng giám sátvà điều khiển toàn bộ quy trình xử lý nước từ xa Chương trình điều khiển cũngđược thiết kế để phát hiện và xử lý các sự cố kịp thời Trong trường hợp xảy ra sự

cố, hệ thống sẽ phát cảnh báo và tự động dừng hoạt động để đảm bảo an toàn vàbảo vệ thiết bị

1.5 Giải pháp thực hiện đề tài

Đối với đề tài “Thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống lọc thô tại bể bơi,” việcthực hiện yêu cầu nắm vững các kiến thức liên quan đến cơ khí, điện tử, và lậptrình điều khiển PLC Đồng thời, cần tham khảo thêm các tài liệu chuyên ngành từ

sách báo, mạng internet để củng cố kiến thức Việc xây dựng mô hình phần cứngcủa hệ thống là bước nền tảng quan trọng để phát triển đề tài.

Mô hình hệ thống gồm hai phần: phần cứng và phần mềm, đòi hỏi cần có cảgiải pháp cho hai lĩnh vực này:

Giải pháp phần cứng:

 Thiết kế cơ cấu lọc thô bao gồm bể chứa, các tầng lọc vật liệu (cát, sỏi, thanhoạt tính), bơm hút nước điều khiển luồng nước qua các tầng lọc

 Sử dụng phao đo mức nước để giám sát mực nước trong bể

 Dùng cảm biến đo độ đục để phát hiện chất lượng nước không đạt trong quátrình vận hành

 Sử dụng động cơ bơm nước để cấp và xả nước với lưu lượng phù hợp, đảmbảo hoạt động liên tục và hiệu quả

Giải pháp phần mềm:

 Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển hệ thống lọc thô

 Lập trình PLC Siemens bằng ngôn ngữ Ladder để điều khiển các quá trình

tự động như vận hành bơm, điều khiển relay, giám sát tín hiệu từ các cảmbiến, và kích hoạt cảnh báo khi có sự cố

 Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC để hỗ trợ người dùng trong việcgiám sát và điều khiển hệ thống

Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lọc cho bể bơi

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về điều khiển lập trình PLC

1.1.1 Giới thiệu điều khiển lập trình PLC

PLC được viết tắt chữ tiếng anh của Programmable Logic Controller cónghĩa là thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép ta thực hiện linh hoạt các thuậttoán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng Lập trình điều khiển PLCthực chất như một máy tính điện tử để có thể điều khiển và quan sát trên SCADA.PLC giúp cho các quá trình trong hệ thống điều khiển dễ dàng hơn, PLC thườngxuyên được sử dụng trong những quá trình tự động hóa của các nhà máy điện côngnghiệp

2.1.2 Ưu nhược điểm của PLC

+ Bộ PLC có độ chính xác cao, hoạt động rất tốt, khả năng xử lý rất nhanh Tínhiệu ngõ ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với tín hiệu từ bộ điều khiển relay.+ Bộ nhớ bộ PLC có dung lượng lớn, chứa được nhiều lệnh chương trình phứctạp nhưng khi download, kiểm tra lỗi, xóa chương trình rất đơn giản Có thể giaotiếp truyền thông được với nhiều loại mạng khác nhau, thiết bị máy tính kết nốiđược nhiều PLC với nhau và nhiều đối tác thiết bị khác

Nhược điểm:

+ Có rất nhiều hãng PLC khác nhau nên dẫn đến sẽ có nhiều phần mềm tươngthích khác nhau, ngôn ngữ lập trình khác nhau Do đó, sẽ dẫn đến thiếu tính thống

nhất khi người viết chương trình.

+ Dùng PLC để lập trình cho hệ thống có quy mô nhỏ tốn kém vì PLC đắt, nếudùng không tối ưu thì ta nên dùng relay để điều khiển sẽ tiết kiệm hơn

2.1.3 Cấu trúc chung của PLC

- Có 5 bộ phận trong hệ thống của PLC: Nguồn cung cấp, bộ xử lý, bộ nhớ,thiết bị điều khiển, ngõ vào và ngõ ra

 Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ xử lý

 Thiết bị điều khiển: Nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý Chươngtrình sẽ được viết dựa trên các thiết bị và truyền dữ liệu tới bộ nhớ của PLC

 Ngõ vào và ngõ ra: Nơi mà bộ xử lý sẽ nhận các thông tin từ thiết bị ngoại vivà truyền thông tin đến các thiết bị ngoài Tín hiệu ngõ vào thường là nút

 nhấn, cảm biến Thiết bị ngõ ra thường là relay, động cơ, valve điềukhiển

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC

Chương trình của bộ PLC được thực hiện theo chu kì lặp Mỗi vòng lặp sẽ làmỗi vòng quét Mỗi vòng quét PLC sẽ đọc dữ liệu từ các ngõ vào và thực hiệnchương trình Trong từng vòng quét, chương trình sẽ thực hiện từ lệnh đầu tiênđếnlệch kết thúc, sau khi thực hiện xong sẽ kiểm tra lỗi và xử lý chương trình.Vòngquét kết thúc sẽ chuyển thông tin dữ liệu để điều khiển các ngõ ra

Hình 2 2 Vòng quét PLC

2.2 Cấu tạo của PLC S7-1200

Hình 2 3 Cấu tạo phần cứng của PLC

 2 ngõ ra

 14 ngõ vào / 10ngõ ra

 2 ngõ raKích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Độ mở rộng các

Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)

Module CPU của PLC S7 1200:

PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

256 I/O Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu

để mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các moduletruyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

+ Giao tiếp:

Hình 2 5 Giao tiếp giữa các PLC S7-1200

- S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)

- Giao tiếp PROFINET với:

+ Các thiết bị lập trình

+ Thiết bị HMI

+ Các bộ điều khiển SIMATIC khác

+ Hỗ trợ các giao thức kết nối:

+ STOP/RUN: Màu cam thuần túy chỉ thị chế độ STOP Màu xanh lá thuần

túy chỉ thị chế độ RUN Màu nhấp nháy (luân phiên giữa xanh lá và cam ) chỉ thịrằng CPU đang khởi động

+ ERROR: Màu đỏ nhấp nháy chỉ thị một lỗi, như một lỗi nội bộ trong CPU,

mỗi lỗi với thẻ nhớ, hay một lỗi về cấu hình (các module không thích ứng) Màu đỏthuần túy chỉ thị phần cứng bị hỏng

+ Main (Maintenance): nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ CPU sau đó

chuyển sang chế độ STOP Sau khi CPU đã chuyển sang chế độ STOP, thực hiệnmột trong các hàm sau đây để bắt đầu sự định lượng thẻ nhớ: thay đổi CPU sangchế độ RUN, thực hiện một sự đặt lại thẻ nhớ (MRES)

Hình 2 6 Đèn báo trên PLC

- Truyền thông giữa máy tính và PLC

Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tao sự dễ dàng trong kết nối.Simatic S7 – 1200 vói Simatic HMI Basic được lập trình chung trên mộtnền phần mềm là TIA Portal V14 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặcversion cao hơn Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do dó tạo sự

dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sựtruyền thông kết nối theo tags

Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộngúng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phầncứng.

Hình 2 7 Kết nối giữa máy tính với PLC

Hình 2 8 Dây kết nối Ethernet

2.3 Tìm hiểu về Arduino Nano

1.1.1 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thực ra là một bo mạch vi xử lí được dùng để tương tác với các thiết

bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hay các thiết bị khác Đặc điểm nổi bậtcủa Arduino là môi trường phát triển ứng dựng cực kì dễ sử dụng Với ngôn ngữlập trình có thể học nhanh chóng ngay cả khi người học ít hiểu biết về điện tử vàlập trình Và điều làm nên Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở

từ cứng tới mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một boardArduino có 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiềuboard mở rộng khác nhau

Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tương tác vớimôi

trường xung quanh với:

• Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, giatốc,

vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiệnchuyển động, phát hiện kim loại, khí độc, …)

• Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED)

• Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bịkhác hoặc

các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth,315/433Mhz, 2.4Ghz,

…) Định vị GPS, nhắn tin SMS, và nhiều thứ thú vị khác

2.3.2 Arduino Nano

Arduino Nano có chức năng tương tự như Arduino Duemilanove nhưngkhác nhau về dạng mạch Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giốngnhư Arduino UNO Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP(Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plasticquad flat pack) với 32 chân Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổngADC Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, màthay vào đó có cổng mini-USB Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộgiám sát nối tiếp

Hình 2 9 Arduino Nano V3

Bảng 1 Đặc điểm kỹ thuật của Arduino Nano

Nguồn tiêu thụ

19mA Ngõ ra PWM

SRAM

2KB Cân nặng

Hình 2 10 Sơ đồ chân của Arduino Nano

 Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16

Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital Các chân làmviệc với điện áp tối đa là 5V Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mAvà có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Các chân có thể được sử dụng làm đầu vàohoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ().Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chứcnăng bổ sung

 Chân 1, 2: Chân nối tiếp

Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếpTTL Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếpUSB tới TTL

 Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM

Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit Tín hiệu PWM

có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ()

 Chân 5, 6: Ngắt

Khi cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, có thểsử dụng các chân này Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 vàINT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt () Các chân có thể đượcsử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mứcngắt và thay đổi giá trị ngắt.

 Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI

Khi không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, có thể sử dụng cácchân ngoại vi nối tiếp này Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK Mặc dùphần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có Vì vậy, phảisử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này

 Chân 16: Led

Khi sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng

 Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự

UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự(19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7 có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự đểxử lý Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽcho giá trị 1024) Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V Nếu muốnđiện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pinthứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference () Tương tự như các chândigital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác

 Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C

Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giớihạn trong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C.I2C hỗ trợ chỉ với hai dây Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA) Để sửdụng tính năng I2C này, cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire

 Chân 18: AREF

Điện áp tham ciếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC

 Chân 28 : RESET

Đây là chân reset mạch khi nhấn nút rên bo Thường được sử dụng để được kếtnối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset

2.4 Truyền thông giao tiếp giữa PLC và Arduino qua RS485

1.1.1 Chuẩn truyền thông Modbus RTU

MODBUS hoạt động theo nguyên tắc “Master – Slave” hay còn gọi là “Chủ– Tớ” Một Master có thể kết nối được với một hay nhiều “Slave” “Master”thường là PLC, PC, DCS, RTU hay SCADA “Slave” thường là các thiết bị cấphiện trường Nói một cách dễ hiểu, nó là một phương pháp được sử dụng để truyềnthông tin qua đường dây nối tiếp giữa các thiết bị điện tử Thiết bị yêu cầu thôngtin được gọi là Modbus Master và thiết bị cung cấp thông tin là Modbus Slaves.Trong mạng Modbus tiêu chuẩn, có một Master và tối đa 247 Slave, mỗi Slave cómột địa chỉ Slave duy nhất từ 1 đến 247 Master cũng có thể ghi thông tin vào cácSlave Các thiết bị được liên kết với nhau theo đường truyền chính:

Hình 2 11 Đường truyền tín hiệu của giao thức truyền thông Modbus RTU

– Chiều dài đường truyền và tốc độ tối đa cho phép:

40 Feet = 12m => 10 Mbits/sec

400 Feet = 122m => 1 Mbits/sec

4000 Feet = 1219m => 100 kbits/sec

Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông chomột byte dữ liệu Đây là giao thức truyền thông lí tưởng đối với RS232 hayRS485, tốc độ từ 1200 đến 115000 baud Tốc độ phổ biến nhất là từ 9600 đến

19200 baud MODBUS RTU là giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụngrộng rãi nhất

2.4.2 Cấu trúc khung truyền Modbus RTU.

Một gói tin của Mobus RTU bao gồm cấu trúc như sau:

1-byte địa chỉ – 1 byte mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC

Hình 2 12 Cấu trúc khung truyền Modbus RTU

2.5 Địa chỉ dữ liệu và thanh ghi theo chuẩn modbus

Thông tin dữ liệu được lưu trữ trong thiết bị Slave được chia trong 4 khoảnggiá trị khác nhau Hai khoảng lưu trữ các giá trị rời rạc on/off (coils) và hai khoảnglưu trữ giá trị số (register – thanh ghi) Mỗi coils và register đều có khoảng biến chỉđọc (read-only) và biến đọc và ghi (read-write)

Mỗi khoảng có 9999 biến giá trị

Mỗi coil hoặc contact là 1bit và được gán một địa chỉ dữ liệu trong khoảng từ

0000 đến 270E

Mỗi register là 1 word = 16 bít = 2 bytes và cũng được gán một địa chỉ dữ liệu

từ 0000 đến 270E

2.6 Chuẩn truyền thông RS485 trong PLC S7-1200

Module Rs485 là thiết bị chức năng truyền thông để kết hợp với PLC để thựchiện giao thức truyền thông RS485 với các thiết bị khác Đối với khung truyền thìFrame truyền theo khung chuẩn Mobus RTU Trong lập trình cho PLC thì sử dụng

các module chức năng để phục vụ cho việc kết nối và truyền dữ liệu Chúng ta chỉcần cấu hình, thiết lập các biến để kết nối và truyền dữ liệu tới thiết bị trườngTrước khi vào phần lập trình thì chúng ta cần phải cấu hình module CM1241(Module RS485) được kết nối với PLC.

PORT: Giá trị của PORT chính là giá trị của thông số Hardware indentifiertrong quá trình thiết lập module lúc đầu Giá trị 269 là giá trị được thiết lập mặcđịnh khi cấu hình thiết bị

BAUD: tốc độ baud được chọn theo các giá trị như: 9600, 12500… nhưngthường là chọn 9600 và được chọn theo cấu hình đã được thiết lập

PARITY: được thiết lập theo như cấu hình được thiết lập trước đó

MB_DB là khối dữ liệu được tham chiếu từ khối MASTER

2.6.2 Câu lệnh MB_MASTER

Hình 2 16 Câu lệnh MB_MASTER

REQ: Là bit enable, khi nó được bật lên thì quá trình truyền thông được thựchiện

MB_ADDR: Là địa chỉ của Slave, các địa chỉ này được thiết lập trên Slave

DATA_ADDR: là địa chỉ thanh ghi dữ liệu ở Slave

MODE: Bit này sẽ được set tùy theo mục đích sử dụng của ta là đọc hay ghi

2.7 Cảm biến độ đục:

2.7.1 Định nghĩa cảm biến quang

Cảm biến độ đục được sử dụng để đo mức độ trong suốt của chất lỏng thôngqua việc xác định cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong chất lỏng.Đây là một thiết bị giá rẻ, dễ lắp đặt, vận hành đơn giản và thường được ứng dụngtrong các lĩnh vực như xử lý nước, kiểm soát chất lượng nước thải, nông nghiệp,và các hệ thống tự động hóa liên quan

Hình 2 17 Cảm biến độ đục

2.7.2 Ưu điểm:

- Khả năng đo lường chính xác các mức độ đục khác nhau với độ nhạy cao

- Có thể hoạt động liên tục trong môi trường chất lỏng, độ bền cao và ít bị ảnhhưởng bởi tác động hóa học

- Thiết kế gọn nhẹ, dễ tích hợp vào các hệ thống tự động hóa

- Có thể cung cấp đầu ra tín hiệu dạng tương tự (analog) hoặc số (digital), phùhợp với nhiều loại thiết bị đọc dữ liệu

2.7.3 Nhược điểm:

- Hiệu suất đo có thể bị ảnh hưởng bởi sự bám bẩn trên bề mặt cảm biến hoặccặn lắng tích tụ

- Độ nhạy cảm với môi trường xung quanh, như ánh sáng môi trường mạnh,

có thể làm giảm độ chính xác

- Cần được bảo trì và vệ sinh định kỳ để đảm bảo độ chính xác trong thời giandài

2.7.4 Thông số kỹ thuật:

- Nguồn điện cung cấp: 5-24V DC

- Dải đo độ đục: 0-1000 NTU.

- Ngõ ra tín hiệu: Analog (0-4.5V) hoặc Digital (TTL)

- Kích thước: 3cm x 6cm x 2cm

- Nhiệt độ hoạt động: 0-50°C

2.7.5 Cấu trúc:

Cảm biến độ đục thường bao gồm các thành phần chính:

- Nguồn phát ánh sáng: Sử dụng LED hồng ngoại hoặc LED trắng để phát raánh sáng chiếu qua môi trường cần đo

- Bộ thu ánh sáng: Một photodiode hoặc phototransistor để nhận ánh sáng tánxạ bởi các hạt lơ lửng trong chất lỏng

- Mạch xử lý tín hiệu: Chuyển đổi tín hiệu ánh sáng nhận được thành tín hiệu

điện, sau đó khuếch đại và xử lý để tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng

2.7.6 Cách đấu nối:

Dây màu Đỏ: Nguồn (+) 5V DC

Dây màu Đen: GND

Dây màu Vàng: Tín hiệu Analog/Digital

Hình 2 18 Sơ đồ đấu dây cảm biến vào Arduino

2.8 Nguồn tổ ong

Nguồn tổ ong 24V là loại nguồn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bịcông nghiệp và dân dụng, được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều110/220VAC thành nguồn một chiều DC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động.Trong công nghiệp nguồn tổ ong thường được sử dụng để cấp nguồn cho một sốthiết bị của tủ điện

Nguồn tổ ong 24V/3A được thiết kế với vỏ ngoài bằng kim loại được đục lỗnhư hình dạng tổ ong nên chúng có tên thường gọi là nguồn tổ ong, thiết kế vỏngoài kim loại này nhằm mục đích tản nhiệt tốt nhất có thể, để nâng cao tuổi thọcủa bộ nguồn

Hình 2 19 Nguồn tổ ong 24VDC- 5A

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 220V

- Tần số đầu vào: 47 - 63Hz

- Điện áp đầu ra: 24V

- Dòng ra: 3A

- Công suất: 72W

- Kích thước: 159*100*43mm

- Hiệu suất: ≥87%