Đồng thời nó cũng không ngừng thâm nhập vào các nghành kinh tế quốcdân như: Luyện kim, cơ khí, hóa chất, khai thác, mỏ, giao thông vận tải, … Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu dùng
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN
Phân tích yêu cầu công nghệ hệ thống điều khiển tuần tự
1.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển tuần tự.
Hệ thống điều khiển tuần tự đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối các hành động và trạng thái của thiết bị, máy móc theo một chuỗi chính xác và có hệ thống Đây là giải pháp thiết yếu để đảm bảo hoạt động liên tục, hiệu quả và ổn định của các quá trình công nghiệp, tự động hóa Hệ thống này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lỗi và nâng cao năng suất vận hành Việc hiểu rõ về hệ thống điều khiển tuần tự là nền tảng quan trọng để phát triển các hệ thống tự động hiện đại, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.
Hệ thống điều khiển tuần tự đảm bảo mọi bước trong quy trình được thực hiện đúng thứ tự, giúp tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu sai sót Trong các lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, giao thông, y tế và tự động hóa gia đình, hệ thống này plays a crucial role in maintaining stability and safety Ví dụ, trong các dây chuyền sản xuất, hệ thống đảm bảo từng bước từ gia công, lắp ráp đến kiểm tra diễn ra chính xác, góp phần giảm lỗi và giảm thiểu chi phí.
Hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì luồng giao thông thông suốt và an toàn, đảm bảo các phương tiện di chuyển dễ dàng và hiệu quả Trong lĩnh vực y tế, hệ thống điều khiển tuần tự giúp quản lý các thiết bị y tế và quy trình điều trị một cách hiệu quả, nâng cao an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế.
Các thiết bị gia đình như điều hòa, hệ thống chiếu sáng và hệ thống an ninh được tích hợp công nghệ tiên tiến giúp tiết kiệm năng lượng tối ưu Những hệ thống này không chỉ nâng cao tiện nghi cho người sử dụng mà còn góp phần giảm chi phí vận hành hàng tháng Việc sử dụng các thiết bị thông minh này giúp tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo an toàn cho gia đình.
Hệ thống điều khiển tuần tự không chỉ tối ưu hóa quy trình làm việc mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống, nâng cao năng suất lao động và đảm bảo an toàn trong các ứng dụng đời sống hàng ngày.
1.1.2 Phân tích yêu cầu. a Yêu cầu công nghệ.
Yêu cầu công nghệ: Một dây gồm 5 đèn hoạt động theo nguyên tắc sau:
Có 2 chế độ hoạt động: Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual), sử dụng công tắc chuyển mạch 02 vị trí để chọn chế độ.
- Chế độ tự động: Khi ấn nút "lên" các đèn sáng lần lượt tử đến số 1 đến đèn số
5 và dừng lại Khi ẩn nút “xuống” các đèn tắt dần từ đèn số 5 đến đèn số 1. Thời gian cách nhau giữa các đèn là 1s.
Chế độ bằng tay cho phép người dùng kiểm soát hệ thống bằng cách ấn nút “lên” để bật thêm một đèn sáng và ấn nút “xuống” để tắt một đèn, giúp điều chỉnh trạng thái hệ thống theo ý muốn Việc này giúp người dùng dễ dàng thao tác và theo dõi các trạng thái của hệ thống một cách trực quan Phân tích các trạng thái của hệ thống trong chế độ bằng tay là bước quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả, từ đó tối ưu hóa quá trình vận hành.
+ Trạng thái S0, trạng thái ban đầu khi bật nguồn điện và hệ thống sẵn sàng nguồn điện.
+ Trạng thái S1, chế độ làm việc auto.
+ Trạng thái S2,chế độ làm việc auto và nhấn nút lên đèn sáng lần lượt từ đèn 1 đến đèn 5.
+ Trạng thái S3, chế độ làm việc auto và nhấn nút xuốn đèn tắt dần từ đèn số 5 đến đèn số 1.
+ Trạng thái S4, chế độ làm việc man.
+ Trạng thái S5, chế độ làm việc man nhấn nút lên mỗi lần nhấn thêm 1 đèn sáng.
+ Trạng thái S6, chế độ làm việc man nhất nút xuống mỗi lần tắt đi 1 đèn.
Phương án thực hiện
Hệ thống của tôi sử dụng nút bấm, công tắc chuyển mạch và đèn để điều khiển các phần tử trong dự án Để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả, tôi lựa chọn PLC S7-300 làm thiết bị điều khiển trung tâm Việc này giúp tích hợp dễ dàng các cảm biến và thiết bị đầu ra, nâng cao tính tự động hóa của hệ thống Sử dụng PLC S7-300 còn mang lại độ bền cao, khả năng mở rộng linh hoạt và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Trong chương trình của PLC, việc sử dụng bộ đếm (counter) cùng với lệnh so sánh CMP là cần thiết để kiểm soát quá trình tự động hóa Ngoài ra, các phần tử quan trọng khác như tiếp điểm thường hở, lệnh SET và RESET cũng góp phần đảm bảo hoạt động chính xác và linh hoạt của hệ thống điều khiển Những thành phần này giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành và dễ dàng điều chỉnh theo yêu cầu của hệ thống tự động hóa.
- Sử dụng 3 nút bấm để khởi động, nhấn lên và nhấn xuống.
- Sử dụng công tắc chuyển mạch để chuyển chế độ auto và man
- Sử dụng 5 đèn để điều khiển.
PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ HÀM LOGIC SỬ DỤNG ĐỒ HÌNH TRẠNG THÁI
Phân tích chọn biến vào ra
STT Tên biến Trạng thái Ghi chú
1 S0 0 Trạng thái S0 chưa được Set
2 S1 0 Trạng thái S1 chưa được Set
3 S2 0 Trạng thái S2 chưa được Set
4 S3 0 Trạng thái S3 chưa được Set
5 S4 0 Trạng thái S4 chưa được Set
6 S5 0 Trạng thái S5 chưa được Set
7 S6 0 Trạng thái S6 chưa được Set
14 T0 0 Timer 0 đếm xuống không được bật
1 Timer 0 đếm xuống được bật
15 T1 0 Timer 1 đếm xuống không được bật
1 Timer 1 đếm xuống được bật
16 C0 0 Counter đếm lên C0 không được bật
1 Counter đếm lên C0 được bật
17 C1 0 Counter đếm lên C1 không được bật
1 Counter đếm lên C1 được bật
18 L 0 Nút lên không được nhấn
19 X 0 Nút xuống không được nhấn
20 A 0 Công tắc không ở vị trí Auto
1 Công tắc ở vị trí Auto
21 M 0 Công tắc không ở vị trí Man
1 Công tắc ở vị trí Man
Mô tả hệ thống và thiết kế hàm logic
2.2.1 Các phương pháp mô tả hệ thống.
Phương pháp bảng chuyển trạng thái:
Phương pháp này mô tả quá trình chuyển đổi trạng thái dưới hình thức bảng: + Các cột của bảng ghi các biến vào và biến ra
+Các hàng của bảng ghi các trạng thái trong của mạch (S1, S2, S3…) Số hàng của bảng chỉ rõ số trạng thái trong cần có của hệ.
Các ô giao nhau giữa cột biến vào và hàng trạng thái thể hiện trạng thái của mạch điện Trạng thái được xác định dựa trên việc so sánh giữa trạng thái mạch và tên hàng; nếu trùng khớp, đó là trạng thái “ổn định,” còn nếu không trùng khớp, thì đó là trạng thái “không ổn định.” Việc nắm rõ các ô giao nhau này giúp phân biệt các trạng thái của mạch một cách chính xác, hỗ trợ trong phân tích và thiết kế mạch điện hiệu quả.
Các ô giao nhau của cột tín hiệu ra và các hàng trạng thái ghi giá trị tín hiệu ra tương ứng, giúp thể hiện rõ các trạng thái chuyển của mạch logic trình tự Đồ hình trạng thái mô tả các đỉnh và các cung định hướng ghi các tín hiệu vào/ra cùng kết quả, thường áp dụng cho hàm một đầu ra Có hai loại đồ hình trạng thái chính là đồ hình Mealy và đồ hình Moore, trong đó đồ hình Mealy thể hiện các tín hiệu đầu ra dựa trên trạng thái hiện tại và tín hiệu nhập, phù hợp cho các hệ thống có yêu cầu phản hồi nhanh và chính xác hơn.
Các đỉch biểu diễn các trạng thái nội tại của hệ và các cung đích hướng, trong đó các cung ghi nhận các biến vào/ra của hệ khi chịu tác động của biến đầu vào Điều này giúp mô tả chính xác các thay đổi trạng thái của hệ trong quá trình hoạt động, phù hợp với các phân tích hệ thống và tối ưu hóa hiệu suất.
Hình 2 1: Đồ hình Mealy Đồ hình Moore
Trong đồ hình Moore, các đỉnh là các trạng thái và giá trị của hàm, còn các cung định hướng sẽ ghi biến tác động.
Phương pháp lưu đồ thuật toán:
Lưu đồ thuật toán là phương pháp mô tả hệ thống một cách trực quan, giúp hình dung các quy trình và dòng chảy công việc một cách dễ hiểu Các khối chính trong lưu đồ thể hiện các bước hoạt động quan trọng của thuật toán, được liên kết bằng các mũi tên thể hiện luồng điều khiển Việc sử dụng lưu đồ thuật toán giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và phân tích hệ thống, đồng thời nâng cao khả năng truyền đạt ý tưởng một cách rõ ràng và logic.
Hình 2 3: Lưu đồ thuật toán
Phương pháp Grafcet Định nghĩa grafcet
Grafcet, viết tắt của "Graphe fonctionnel de commande étape transition" trong tiếng Pháp, là một sơ đồ chức năng mô tả các trạng thái hoạt động của hệ thống và quá trình điều khiển chuyển đổi giữa các trạng thái này Đây là một biểu đồ có hướng, giúp xác định quá trình vận hành theo từng bước cụ thể, nhờ vào các phần tử điều khiển giúp hệ thống hoạt động trơn tru và hiệu quả.
Grafcet cho một quá trình luôn là một đồ hình khép kín từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu.
2.2.2 Lựa chọn phương án mô tả và thiết kế hàm logic.
Từ những phương pháp đã học được nêu trên tiến hành sử dụng phương pháp đồ hình Grafcet để mô tả hệ thống.
Hình 2 5: Grafcet mô tả hệ thống.
In counter 0 = S5.L Reset counter 0 = RSTC0
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ S7-300 VÀ PHẦN MỀM
Giới thiệu về PLC ((Programmable Logic Controller)
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình.
Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại là kết quả của tiến bộ trong công nghệ điều logic khả trình, dựa trên nền tảng của tin học và sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật máy tính.
Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển từ những năm 1968-1970, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong tự động hóa công nghiệp Ban đầu, các thiết bị PLC yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử cao và trình độ chuyên môn vượt trội Tuy nhiên, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ, ngày nay các thiết bị PLC đã trở nên phổ biến rộng rãi, dễ dàng sử dụng và đóng vai trò trung tâm trong hệ thống điều khiển tự động hóa industrial.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán dựa trên ngôn ngữ lập trình, thay vì phải thiết kế mạch điện tử phức tạp Nhờ chương trình điều khiển, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và thuận tiện trong việc trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài, như các PLC khác hoặc máy tính Để thực hiện chức năng này, PLC phải có các thành phần như một máy tính: bộ vi xử lý trung tâm (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ chương trình để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng các cổng vào ra để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Ngoài ra, để đáp ứng các yêu cầu của điều khiển số, PLC còn cần các khối hàm chức năng như Timer, Counter và các hàm đặc biệt khác, giúp nâng cao khả năng điều khiển và xử lý tín hiệu chính xác.
Các PLC có chức năng tương tự máy tính nhưng được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ điều khiển trong môi trường công nghiệp, khác với máy tính tập trung vào tính toán và hiển thị dữ liệu Chính vì vậy, các PLC được thiết kế chuyên biệt nhằm đảm bảo hoạt động chính xác, bền bỉ và đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa quy trình sản xuất.
- Để chịu được các rung động, nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và tiếng ồn.
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra.
- Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch.
Chức năng chính của bộ điều khiển logic PLC tương tự như bộ điều khiển sử dụng rơ le, công tắc tơ hoặc các khối điện tử, nhằm tự động điều khiển hệ thống và nâng cao hiệu quả hoạt động PLC giúp thực hiện các nhiệm vụ tự động hóa một cách linh hoạt và chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống dựa trên rơ le Với khả năng lập trình dễ dàng, PLC có thể quản lý các chức năng phức tạp, giảm thiểu lỗi và tăng độ tin cậy cho hệ thống tự động Từ đó, nó trở thành giải pháp tối ưu trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp hiện đại.
-Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến.
-Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiệnđóng mở các mạch phù hợp với công nghệ.
-Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
3.1.1 Các thành phần cơ bản của một bộ PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: Bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào ra và thiết bị lập trình
Sơ đồ hệ thống như sau:
Hình 3 1: Sơ đồ hệ thống.
Bộ xử lý, còn gọi là CPU (bộ xử lý trung tâm), là thành phần quan trọng chứa bộ vi xử lý cần thiết cho hoạt động của máy tính Nó nhận các tín hiệu đầu vào, thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình lưu trữ trong bộ nhớ của CPU, và truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.
Bộ nguồn có vai trò chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC thấp, thường là 5VDC để cấp nguồn cho bộ vi xử lý Ngoài ra, bộ nguồn còn cung cấp điện cho các mạch điện của các module khác, thường là 24V, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi như công tắc, cảm biến nhiệt độ, tế bào quang điện, và truyền dữ liệu đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu đầu vào có thể là các dạng rời rạc, liên tục, hoặc logic, phản ánh trạng thái của các cảm biến hoặc công tắc Tín hiệu ra thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị như cuộn dây công tắc tơ, rơ le, van điện từ, và động cơ nhỏ, giúp hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả.
Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ Hình 3 2: Giao diện vào ra của PLC.
Các kênh vào ra đã được trang bị chức năng cách ly và điều hòa tín hiệu, giúp các bộ cảm biến và bộ tác động có thể kết nối trực tiếp mà không cần thêm mạch điện phụ Điều này đảm bảo sự ổn định và an toàn trong hệ thống tự động hóa Hệ thống này tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và tăng tính linh hoạt trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp Việc tích hợp chức năng cách ly và điều hòa tín hiệu giúp giảm thiểu rủi ro gây lỗi và nâng cao độ bền của các thiết bị kết nối.
Tín hiệu vào thường được cách ly bằng các linh kiện quang để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống điều khiển Dải tín hiệu đầu vào cho các PLC lớn phổ biến gồm 5V, 24V, 110V, và 220V, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Trong khi đó, các PLC kích thước nhỏ chỉ chấp nhận tín hiệu đầu vào ở mức 24V để đảm bảo tính tương thích và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Tín hiệu ra có thể được ghép cách ly theo kiểu rơle hoặc cách ly quang để đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong hệ thống tự động Các loại tín hiệu ra phổ biến gồm tín hiệu chuyển mạch 24V, 100mA; 110V, 1A một chiều; và 240V, 1A xoay chiều, tùy thuộc vào loại PLC sử dụng Đối với PLC cỡ lớn, dải tín hiệu ra có thể được mở rộng bằng cách lựa chọn và lắp đặt các module ra phù hợp, mang lại tính linh hoạt cao trong thiết kế hệ thống tự động.
3.1.2 Đánh giá ưu ngược điểm của PLC.
Trước đây, Bộ PLC thường rất đắt đỏ, khả năng hoạt động hạn chế và quy trình lập trình phức tạp khiến chúng chỉ được sử dụng trong các nhà máy và thiết bị đặc biệt Tuy nhiên, hiện nay, nhờ mức giá giảm và khả năng mở rộng vượt trội, PLC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị máy móc công nghiệp Các bộ PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào và 16 kênh đầu ra phù hợp cho máy móc tiêu chuẩn và thiết bị liên hợp, trong khi các bộ PLC đa năng, có khả năng mở rộng linh hoạt, được sử dụng cho các nhiệm vụ phức tạp hơn Các ưu điểm của PLC như tính linh hoạt, dễ lập trình và khả năng mở rộng giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí vận hành.
PLC có khả năng chuẩn bị hoạt động nhanh nhờ thiết kế module linh hoạt, giúp thích nghi dễ dàng với các chức năng điều khiển khác nhau và sẵn sàng vận hành ngay sau khi lắp đặt Thiết bị này còn dễ dàng được tái sử dụng cho các ứng dụng khác, giảm thiểu thời gian và chi phí bảo trì Ngoài ra, các linh kiện điện tử của PLC có tuổi thọ cao hơn so với các thiết bị cơ - điện, nâng cao độ tin cậy của hệ thống Độ tin cậy của PLC ngày càng được cải thiện, thường không cần bảo dưỡng định kỳ như các mạch rơ le và công tắc tơ, giúp giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Giới thiệu bộ điều khiển lập trình loại Simatic S7-300
3.2.1 Cấu trúc phần cứng. a Cấu trúc chung
S7-300 là dòng PLC cỡ trung của Siemens, nổi bật với khả năng xử lý mạnh mẽ và độ tin cậy cao Phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp vừa và lớn, S7-300 đáp ứng các yêu cầu cao về chức năng đặc biệt và mở rộng linh hoạt Với thiết kế đa dạng và tính năng nâng cao, dòng PLC này là giải pháp tối ưu cho các hệ thống tự động hóa phức tạp và đòi hỏi hiệu suất cao.
S7-300 gồm CPU và các module lắp đặt trên các rack, trong đó mỗi rack có thể chứa tối đa 8 module trừ các module CPU và nguồn CPU có khả năng hoạt động cùng lúc với tối đa 4 rack, tương đương 32 module Các rack được kết nối với nhau thông qua module IM-Interface Modul, đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và linh hoạt.
Hình 3 4: Cách ghép nối các modul trên 1 rack.
Hệ thống S7-300 bao gồm CPU và các modul được lắp đặt trên các rack khác nhau Mỗi rack có thể chứa tối đa 6 modul mở rộng, ngoại trừ modul CPU và nguồn CPU S7-300 có thể hoạt động đồng thời với tối đa 4 rack tương ứng với 32 modul mở rộng Các rack trong hệ thống được kết nối với nhau nhờ vào module IM-Interface Modul, tạo thành một hệ thống linh hoạt và mở rộng dễ dàng.
Hình 3 5: Cách ghép nối các rack trong hệ PLC S7-300.
Các thông số kỹ thuật của PLC S7-300:
Hình 3 6: Địa chỉ mặc định của các modul trong hệ PLC S7-300. b Các module của PLC S7-300.
Có nhiều loại CPU khác nhau, đặt tên theo bộ vi xử lý: CPU 312, 313, 314,
CPU ngày càng được nâng cấp với các hàm chức năng mới gọi là IFM (Integrated Function Module), giúp mở rộng khả năng xử lý của hệ thống điều khiển Các CPU còn được trang bị cổng mạng gọi là DP, tạo điều kiện kết nối và giao tiếp dễ dàng trong hệ thống tự động hóa Thêm vào đó, CPU có các tùy chọn tích hợp chức năng đặc biệt như thuật toán PID để điều chỉnh quá trình, điều chế độ rộng xung (PWM) để kiểm soát động cơ chính xác, và khả năng đọc xung tốc độ cao từ Encoder, nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển tự động.
Module nguồn nuôi PS (Power Supply):
Cấp nguồn 24VDC cho CPU và các modul mở rộng Có loại 2A (PS 307 2A) hoặc loại 5A (PS 307 5A) hoặc 10A (PS 307 10A) Module nguồn nuôi có 3 loại với các thông số đó là 2A, 5A,10A
Các module mở rộng này được chia thành 4 loại chính bao gồm:
* Module tín hiệu SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm:
- DI(Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số.
- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số.
- DI/DO (Digital Input /Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra số.
- AI(Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự.
- AO(Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự.
- AI/AO(Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự.
* Module ghép nối IM (Interface Module):
Đối với các bài toán có nhiều đầu vào/ra, khi cần mở rộng CPU từ 2 rack trở lên (hơn 8 module tín hiệu), cần sử dụng module ghép nối IM như IM360, IM361, IM365 Các module này chuyên dụng để kết nối các nhóm module mở rộng thành một hệ thống thống nhất do module CPU quản lý chung Các module mở rộng được gắn trên một thanh rack, mỗi rack có thể chứa tối đa 8 module mở rộng (không bao gồm module CPU và nguồn nuôi) Một bộ CPU S7-300 có thể làm việc liên tiếp với tối đa 4 rack, các rack này phải được kết nối với nhau qua module IM Các rack mở rộng cần được cung cấp nguồn riêng cho hệ thống và tùy thuộc vào loại module IM, khả năng mở rộng tối đa có thể lên đến 4 rack, ví dụ như IM360 chỉ cho phép mở rộng tối đa với 1 module.
* Module chức năng FM(Function Module):
Các module xử lý đặc biệt như FM355C với khả năng điều khiển PID, FM355-2C chuyên dụng điều khiển nhiệt độ, FM350 tích hợp đọc xung tốc độ cao, và FM351 dành cho điều khiển vị trí, mang lại giải pháp linh hoạt và chính xác cho hệ thống tự động hóa.
* Module truyền thông CP (Communication Module):
Khi cần nối mạng PLC để tạo thành hệ thống mạng PLC hiệu quả, bạn cần sử dụng các modul truyền thông như CP341 (hỗ trợ giao thức Internet) và CP342 (hỗ trợ giao thức Profibus) Các modul truyền thông CP đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC và máy tính, giúp hệ thống hoạt động liên tục và ổn định.
3.2.2 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ. a Các kiểu dữ liệu
Trong một chương trình có thể có các kiểu dữ liệu sau:
-BOOL: Với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hay 1.
-BYTE: Gồm 8 bit, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 255.
-WORD: Gồm 2 byte, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 65535.
-INT: Có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ -32768 đến
-DINT: Gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147463846 đến 2147483647. -REAL: Gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động.
-S5T: Khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/miligiây.
-TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.
-DATE : Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.
-CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự). b Phân chia bộ nhớ
Bộ nhớ trong PLC S7-300 có 3 vùng nhớ cơ bản sau:
*Vùng chứa chương trình ứng dụng
OB (Organisation Block): Miền chứa chương trình tổ chức.
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
Trong lập trình PLC, FB (Function Block) là miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có khả năng trao đổi dữ liệu với các khối chương trình khác Các dữ liệu này được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là Data Block (DB), giúp tối ưu hóa việc xử lý và quản lý dữ liệu trong hệ thống tự động hóa.
*Vùng chứa tham số của hệ điều hành và các chương trình ứng dụng Được chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:
I (Process Input Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số.
Q (Process Output Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
M:Miền các biến cờ.Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu trữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB),từ (MW), từ kép (MD).
Timer (Bộ định thời) là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, chịu trách nhiệm lưu trữ các giá trị thời gian đặt trước (PV - Preset Value) và giá trị đếm thời gian tức thời (CV - Current Value) Ngoài ra, bộ định thời còn có chức năng lưu trữ các giá trị logic đầu ra, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp.
C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước
(PV-Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giá trị logic của bộ đếm.
PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự
PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự.
*Vùng chứa các khối dữ liệu Được chia làm hai loại:
Data Block (DB) là miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối, giúp quản lý và truy xuất thông tin hiệu quả trong hệ thống điều khiển tự động Kích thước và số lượng khối DB được người dùng tùy chỉnh phù hợp với từng yêu cầu cụ thể của bài toán Chương trình có khả năng truy cập dữ liệu trong DB theo nhiều dạng khác nhau như từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD), đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình xử lý dữ liệu.
L (Local Data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình
OB, FC, FB được sử dụng để thực hiện các biện pháp tức thời và trao đổi dữ liệu trong quá trình vận hành, giúp giao tiếp hiệu quả giữa các khối chương trình đã gọi chúng Nội dung dữ liệu trong miền này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng, đảm bảo quản lý bộ nhớ tối ưu Miền này có thể truy cập từ chương trình dưới dạng bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD), cung cấp linh hoạt trong xử lý dữ liệu.
3.2.3 Xử lý chương trình của PLC S7-300.
PLC hoạt động theo chu trình lặp gọi là vòng quét (scan), gồm 4 giai đoạn chính Đầu tiên, PLC đọc dữ liệu từ các cổng vào và lưu trữ trong vùng đệm đầu vào để chuẩn bị cho quá trình xử lý Tiếp theo, chương trình được thực thi theo tuần tự từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng trong mỗi vòng quét, nhằm kiểm tra và xử lý dữ liệu đầu vào Sau đó, nội dung của các bộ đệm ảo được chuyển đổi tới các cổng ra để điều khiển thiết bị xuất Cuối cùng, PLC thực hiện các hoạt động truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi hệ thống, hoàn thành một vòng quét để bắt đầu vòng lặp mới, tạo thành một chu trình lặp vô hạn đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và ổn định.
Thời gian vòng quét (Scan Time) của PLC là khoảng thời gian cần để thực hiện một vòng quét dữ liệu Thời gian này không cố định và có thể thay đổi tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình điều khiển và khối lượng dữ liệu truyền qua trong mỗi vòng quét Các vòng quét nhanh hay chậm đều phụ thuộc vào tải công việc của PLC trong quá trình thực hiện, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác của hệ thống tự động.
3.2.4 Cấu trúc chương trình của PLC S7-300.
Các chương trình điều khiển PLC S7-300 được viết theo một trong hai dạng sau: chương trình tuyến tính và chương trình có cấu trúc. a Lập trình tuyến tính
Chương trình điều khiển thường được lưu trữ trong một khối trong bộ nhớ, phù hợp cho các bài toán tự động nhỏ, không phức tạp Khối OB1 là loại cấu trúc tuyến tính được chọn làm nơi thực thi chương trình, vì CPU luôn quét và thực hiện các lệnh trong khối này liên tục từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng rồi quay trở lại để tiếp tục quá trình.
Hình 3 7: Cách thức lập trình tuyến tính. b Lập trình có cấu trúc.
Chương trình được chia thành các phần nhỏ hơn gọi là khối chương trình (program blocks), chẳng hạn như OB (Organization Block), FB (Function Block), hoặc Subroutines.
Cách viết này giúp dễ dàng quản lý, bảo trì và tái sử dụng các đoạn mã.
Các khối hoặc hàm có thể được gọi ở những vị trí cần thiết trong chương trình chính.
Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối và chuyển khối.
-Khối tổ chức OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển.
-Khối hàm FC (Function): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm.
Hướng dẫn cơ bản về Smatic Manager Step 7 (Simens)
3.3.1 Kết hợp giữa phần cứng và phần mềm.
Sử dụng phần mềm STEP7 cho phép bạn viết các chương trình điều khiển cho các thiết bị trong một dự án
- PLC S7 bao gồm một bộ nguồn cung cấp, một bộ điều khiển trung tâm CPU, và các Modules xuất nhập
PLC giám sát và điều khiển các thiết bị thông qua chương trình S7, đảm bảo quá trình tự động hóa diễn ra hiệu quả Việc định địa chỉ các Modules xuất nhập được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm lập trình, giúp tối ưu hóa cấu hình hệ thống tự động Chương trình điều khiển sẽ được chuyển xuống CPU qua cáp giao tiếp, đảm bảo hoạt động chính xác và tin cậy của hệ thống tự động hóa.
Hình 3 10: Kết hợp phần cứng và phần mềm.
3.3.2 Các cách xây dựng một Project. Để xây dựng một Project trong STEP7 chúng ta có các cách sau:
Hình 3 11: Cách xây dựng một project.
Khi lập trình với nhiều ngõ vào và ngõ ra, việc cấu hình phần cứng trước là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả Một trong những ưu điểm nổi bật của STEP7 là khả năng hiển thị các địa chỉ một cách trực quan, giúp người viết chương trình dễ dàng quản lý và thao tác hơn Điều này giúp tối ưu hóa quá trình phát triển phần mềm và giảm thiểu lỗi kỹ thuật trong quá trình vận hành.
- Với các thứ 2, bạn phải tự ghi nhớ các địa chỉ của từng thiết bị Và bạn không thể gọi các địa chỉ này nhờ phần mềm STEP7
Trong cấu hình phần cứng, người dùng không chỉ có thể xác định địa chỉ của các Modules mà còn có thể thay đổi các thuộc tính như địa chỉ MPI của PLC để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Việc tùy chỉnh này giúp tối ưu hóa khả năng giao tiếp và quản lý các thiết bị trong hệ thống tự động hóa công nghiệp Chọn cấu hình phù hợp đảm bảo tính linh hoạt, mở rộng dễ dàng và nâng cao độ tin cậy của toàn bộ hệ thống phần cứng.
- Chạy chương trình SIMATIC Manager thông qua biểu tượng ở Desktop
- Từ cửa sổ Wizard New Project (nếu không thấy cửa sổ này thì chọn File -
>Wizard New Project), khi nhấn nút “Preview” sẽ đóng hoặc mở cấu trúc của Project sẽ được tạo mặc định (CPU 312C, MPI=2,…)
- Nếu nhấn “NEXT” sẽ chuyển sang hộp thọai kế tiếp cho phép bạn chọn lọai CPU khác, địa chỉ MPI (như hình là chọn CPU 314, MPI=2)
3.3.3 Mở SIMATIC Manager và tạo một Project.
Tiếp tục nhấn “NEXT” để chuyển qua hộp thoại kế tiếp, giúp người dùng dễ dàng chọn các khối hàm cần thêm vào dự án của mình Trong quá trình này, bạn còn được lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp như LAD, FBD hoặc STL, đảm bảo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và sở thích cá nhân.
- Tiếp tục nhấn “NEXT” để chuyển qua hộp thọai kế tiếp, để nhập tên Project sẽ được tạo ra Cuối cùng nhấn nút “MAKE” hoặc “FINISH” để tạo Project.
3.3.4 Cấu trúc PROJECT trong SIMATIC Manager:
- Ngay khi cửa sổ STEP7 Wizard được đóng lại, SIMATIC Manager xuất hiện với project mới vừa tạo có chứa các thư mục và cửa sổ như hình sau:
3.3.5 Lập trình với các ký hiệu (SYMBOLS)
Mỗi ngõ nhập, xuất đều có một địa chỉ tuyệt đối được thiết lập khi cấu hình phần cứng, còn gọi là địa chỉ trực tiếp, giúp đảm bảo truyền dữ liệu chính xác và hiệu quả.
- Các địa chỉ trực tiếp này có thể được thay thế bằng ký hiệu tùy ý do bạn đặt ra.
Trong quá trình lập trình, để dễ quản lý và đọc hiểu mã nguồn, bạn cần tạo các ký hiệu Điều này đòi hỏi xác định tên và kiểu dữ liệu cho tất cả các địa chỉ tuyệt đối bạn sẽ sử dụng, chẳng hạn như đặt tên cho ngõ vào I0.1 là "Key_1" Các ký hiệu này sẽ trở thành các biến toàn cục trong chương trình, giúp nâng cao khả năng tổ chức và hiệu quả thực thi mã.
3.3.6 Viết chương trình trong OB1
- Có 03 ngôn ngữ chuẩn trong việc lập trình trong STEP7 là: LAD, STL, FBD
Viết chương trình trong OB1 dùng ngôn ngữ LAD:
Viết chương trình trong OB1 dùng ngôn ngữ STL
- Chọn ngôn ngữ STL trong “View”
- Đánh chữ A (tương ứng lệnh AND), tiếp theo là khỏang trắng, sau đó là ký hiệu
- Đánh dấu = “tương ứng cuộn dây trong ngôn ngữ LAD”, sau đó khảong trống, rồi tên của ký hiệu
PHẦN IV PHÂN TÍCH CHỌN PLC, ĐẶT ĐỊA CHỈ, THIẾT KẾ
Phân tích chọn PLC
Do yêu cầu đề bài là sử dụng PLC S7-300 đồng thời trong hệ thống cần đáp ứng một số yêu cầu như sau:
+ Có số lượng biến đầu vào lớn hơn hoặc bằng 1.
+ Có số lượng biến đầu ra lớn hơn hoặc bằng 1.
+ Đầu ra của PLC có thể điều khiển được contactor
+ Hạn chế sử dụng nguồn cấp rời.
Từ những yêu cầu trên chọn sử dụng: S7 300 CPU 312 6ES7312-5BF04-
Đặt địa chỉ
- Địa chỉ các biến vào/ra:
STT Tên biến Địa chỉ Ghi chú
Sơ đồ nguyên lý
Hình 4 1: Sơ đồ nguyên lý.
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ
Lập trình điều khiển
Hình 5 1: Chương trình hệ thống
Thuyết minh nguyên lý
+ Cấp điện cho hệ thống, nhấn start(m) để hệ thống hoạt động, trạng thái M0 được set chờ xác nhận chế độ chạy.
Hình 5 2: Trạng thái M0 được Set.
+ Kiểm tra chế độ chạy Auto, nhấn chế độ Auto trạng thái M1 được set chờ tín hiệu từ nút lên và nút xống.
Chế độ Auto hoạt động khi nhấn nút lên, bộ đếm xuống ghi nhớ T0 để thực hiện việc đếm Kết quả của bộ đếm được lưu trữ vào MW10, sau đó sử dụng lệnh CMP để so sánh giá trị này với thời gian cần thiết để đèn sáng dần từ đèn 1 đến đèn 5, mỗi đèn cách nhau 1 giây.
Hình 5 4: Chế độ Auto khi nhấn lên.
+ Như việc set đèn sáng lần lượt bằng timer T0 thì việc reset các đèn từ đèn 5 đến đèn 1 tiến hành tương tự khi nhấn nút xuống.
Hình 5.5 mô tả chế độ tự động khi nhấn xuống, giúp kiểm tra chế độ Manual (Man) Khi vặn công tắc sang chế độ Man, trạng thái M4 ngay lập tức được thiết lập sẵn sàng chờ tín hiệu từ nút lên hoặc xuống, đảm bảo hoạt động linh hoạt và chính xác trong quá trình vận hành.
Khi nhấn nút lên, trạng thái M5 được thiết lập và counter C0 bắt đầu đếm số lần nhấn nút Mỗi lần nhấn nút, giá trị của C0 sẽ tự động tăng lên một đơn vị, giúp theo dõi số lần nhấn Sau đó, hệ thống sẽ so sánh giá trị của C0 để xác định trạng thái phù hợp cho đèn, đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu.
Hình 5 7: Chế độ Man khi nhấn lên+ Khi nhấn nút xuống lập tức chuyển sang trạng thái M6 đồng thời sẽ có 1 đèn tắt.
Hình 5 8: Chế độ Man khi nhấn xuống.
