Đồ án tốt nghiệp thiết kế điều khiển giám sát cho hệ thống rót, đóng nắp chai và đóng thùng nước giải khát sử dụng simatic s7 300 và WinCC

Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiể

MỤC LỤC

CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 1

1.1 Phạm vi áp dụng: 1

1.2 Yêu cầu thiết kế: 1

1.3 Các chức năng chính của hệ thống 2

1.4 Nguyên lý hoạt động: 2

1.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng: 3

1.5.1 Kiểm tra khuyết tật chai: 3

1.5.2 Chiết nước vào chai: 5

1.5.3 Đóng nắp chai: 6

1.5.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót: 7

1.5.5 Dây chuyền đóng thùng: 8

CHƯƠNG IITỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 11

2.1 Giới Thiệu Chung 11

2.2 Ngôn ngữ lập trình: 16

2.3 Tập Lệnh S7-300 17

2.3.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm: 18

2.3.2 Lệnh về timer : 19

2.3.3 Bộ đếmCounter: 21

2.3.4 Lệnh so sánh: 22

2.3.5 Các lệnh về số học: 24

2.3.6 Lệnh Di chuyển : 25

2.3.7 Lệnh dịch bit: 25

CHƯƠNG IIITỔNG QUAN VỀ WINCC 26

3.1 Khái niệm 26

3.2 Các bước cài đặt WinCC V7.0 trên máy tính: 28

CHƯƠNG IVXÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN 37

4.1 Giới thiệu quy trình công nghệ: 37

4.2 Viết chương trình S7-300: 39

4.3 Thiết kế mô phỏng trên WinCC: 48

4.3.1 Tạo biến 52

4.3.2 Tạo ảnh: 56

4.3.3 Thiết lập các thuộc tính hình ảnh 58

4.3.4 Tạo nút nhấn thoát chương trình: 60

4.3.5 Tạo thanh trượt chọn giá trị Slider Object : 61

4.3.6 Tạo nút nhấn đăng nhập và đăng xuất: 62

4.3.7 Thiết lập tài khoản quản trị: 62

4.3.8Tạo khung hiển thị số: 64

4.3.9Lấy đối tượng đồ họa từ thư viện WinCC: 65

4.3.10Gán thuộc tính quá trình cho đối tượng: 68

4.3.11Tạo bảng thông báo trạng thái hệ thống: 70

4.3.12Global Script: 73

4.4Thiết lập các điều kiện và chạy Runtime: 78

4.5Thao tác trên màn hình Runtime: 84

CHƯƠNG VTỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85

5.1 Tổng kết: 85

5.2 Hạn chế của đề tài: 85

5.3 Hướng phát triển: 85

PHỤ LỤC 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng và các thầy cô trong khoaĐiệnđã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn Th.S Bùi Tấn Lợi đã luôn quan tâm và nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình em làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn những người thân đã giúp đỡ động viên trong quá trình học tập và thực hiện đồ án Đồng cảm ơn anh Đào Duy Dương đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản về S7-300 và WinCC

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 12tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Bùi Hữu Tài

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật,…thì tự động hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn

và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows Control Centre), nó giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông qua máy tính mà không phải trực tiếp xuống nơi sản xuất để quan sát Những điều trên chứng tỏ tầm quan trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự điều khiển động hóa Việt Nam là nước đang phát triển thì như cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với phát triển kinh tế cũng như như cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

Là những sinh viên theo học chuyên ngành “Điện Công nghiệp” cùng những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, em muốn được nghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm

về kiến thức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công

nghiệp hóa hiện đại hóa Vì những lý do trên em đã chọn đề tài: “ Thiết kế điều

khiển giám sát cho hệ thống rót, đóng nắp chai và đóng thùng nước giải khát

sử dụng Simatic S7-300 và WinCC”

Trong bản thuyết minh em đã hoàn được những nội dung sau:

Chương I: Tổng quan về dây chuyền công nghệ chiết rót, đóng nắp và đóng thùng chai nước giải khát

Chương II: Tổng quan về PLC S7-300

Chương III: Tổng quan về WinCC

Chương IV: Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển cho hệ thống chiết nước, dập nắp và đóng thùng nước giải khát

Chương V: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài

Theo phương châm học đi đôi với hành thì việc tạo ra một hệ thống mô phỏng dùng S7-300 và WinCC là một yêu cầu cần thiết , đáp ứng được nhu cầu đặt ra Giới hạn đề tài:

Đề tài sữ dụng S7-300 và WinCC trong tự động hóa thì rất rộng lớn, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp ứng dụng WinCC trong việc điều khiển, giám sát tất cả các khâu Nhưng trong đề tài này ta hạn chế là chỉ mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống nhỏ, chưa thể hoàn toàn theo sát với thực tế Vì vậy vẫn còn nhiều vấn

đề cần được quan tâm giải quyết trong tương lai

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v…, với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất Cũng chính vì lý do này các hệ thống máy chiết rót, đóng chai tự động được sữ dụng rất rộng rãi với nhiều chũng loại khác nhau Trong đồ án này em sẽ thiết kế mô phỏng hệ thống chiết rót đóng nắp chai dựa theo

hệ thống máy có thật đó là “Hệ Thống Xúc Rửa, Chiết Rót Và Đóng Nắp Chai PET 250-2250ml” của Công ty TNHH Hy Đan Sau đây em xin giới thiệu về hệ thống này:

1.1 Phạm vi áp dụng:

- Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng, hoặc các loại nước uống không gaz khác

- Chai nước sử dụng : Loại chai PET có dung tích từ250ml đến 2250ml

1.2 Yêu cầu thiết kế:

- Nguồn nước tinh khiết : có chất lượng nước đạt chuẩn nước uống tinh khiết TCVN 6096:2004

- Áp suất nước trong hệthống: hệthống được thiết kế với áp suất trung bình không quá 10kgf/cm2 Vì vậy cần phải dùng công tác áp suất hoặc dùng biến tần để điều chỉnh áp lực nước phù hợp trong quá trình vận hành

- Điện áp sử dụng:1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz

- Dòng tải: tùy theo công suất bơm sửdụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông thường không nhỏ hơn 5A

- Các biện pháp an toàn điện: hệthống được thiết kế ELCB chống giật trên toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE Nút tắt khẩn cấp khi có sự cố xảy ra

- Khung sườn thiết bị: được thiết kếbằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316, chịu được lực rung lớn

- Ống dẫn nước : ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ 304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây

ra các nấm mốc vi sinh

- Các thiết bị lọc nước: vật tư, thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF

Hình 1.1 máy đóng chai PET 3 trong 1

- Khung sườn : được làm bằng thép không gỉ

- Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức:các chai PET được vận chuyển tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót, xúc rửa

- Ống dẫn nước: bằng Inox

- 2 chế độ hoạt động auto / manual: giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng

1.4 Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây:

- Vỏ chai PET được đặt trên băng chuyền trước khi vào hệ thống xúc rửa chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC)

- Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC

- Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống xúc rửa Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa Lưu ý nước rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trong máy phun lên

- Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vịtrí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ giữ chặt cổchai để tránh đổc hai trong qua trinh rót Các chai được xoay vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót Máy bơm nước được thiết kế sẵn trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình (Lưu ý : thể tích nước có thể điều chỉnh được)

- Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp Nắp bình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai PET

- Các tay đòn sẽ siết nắp chặt

- Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài

- Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có)

Hình 1.2 Dây chuyền sản xuất nước đóng chai

Do giới hạn đề tài là mô phỏng trên máy tính nên em sẽ nghiên cứu những thiết bị phần điện tự động là chính, mô hình mô phỏng sẽ có một số điểm khác so với hệ thống thực để thuận thiện cho việc mô phỏng.Cụ thể là dây chuyền mô phỏng sẽ có các khâu chính là:

- Kiểm tra khuyết tật chai

- Chiết nước vào chai

- Đóng nắp chai

- Đưa sang dây chuyền đóng thùng sản phẩm

1.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng:

1.5.1 Kiểm tra khuyết tật chai:

Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường dùng các hệ thống máy hiện đại , hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị để thực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì em được biết hãng PRESSCO TECHNOLOGY INC là nhà cung cấp dòng sản phẩm INTELLISPEC mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏ chai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như:

- Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển

Dòng sản phẩm INTELLISPEC CP500: được trang bị 2 camera bên trong và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chính nhà cung cấp.Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồnđiện nên có thể hoạt động thêm một thời gian sau khi cúpđiện

Nguyên tắc: camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu về máy tính xử lí với phần mền chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mục đích của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu Tốc độ chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút

a

b Hình 1.3 aCác loại chai có thể nhận diện bằng máy CP500

b hình chụp của máy

Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai

1.5.2 Chiết nước vào chai:

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cách chiết rót khác nhau như: Nước có gaz, nước không gaz, chất lỏng dạng cô đặc Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác

Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

 Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai

 Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai

có bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai

 Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng

 Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt

 Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

 Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm

có gas như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng Với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao

Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót được bố trí chiết cho 1 chai Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần

tự (máy chiết bàn quay) như hình bên dưới:

Hình 1.5 Máy chiết bàn quay

1.5.3 Đóng nắp chai:

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín các

loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động (hình 1.6) Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín

Hình 1.6 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay

1.5.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót:

Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnh điều khiển Để xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ thu quang Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng 1 bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor quang Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ ánh sáng khi vật xuất hiện Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấu kính ở phần thu ánh sáng

từ thấu kính tác động đến transitor thu quang Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được sóng dao động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và sáng theo tần số mạch dao động Phương pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm biến thu phát xa hơn và tiêu thụ ít công suất hơn

Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang điện chính:Through-beam

sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản quang), Diffuse reflection sensor (cảm biến phản xạ khuếch tán)

Hình 1.7 Cảm biến phản quang

Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chai PET

có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạp cảm biến cho ứng dụng đó Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh Một trong số đó là bộcảm biến O5G500 và một bộ lọc phân cực cùng với lăng kính phản xạ E20722 (hình 1.7)

1.5.5 Dây chuyền đóng thùng:

Các máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô sơ tới cực kỳ hiện đại tùy theo doạng sản phẩm sẽ có cách đóng gói khác nhau Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai có dung tích lớn thường được đóng thùng bằng cánh tay Robot Phương pháp này hiện đại và chính xác nhất, đảm bảo chống va đập làm hư sản phẩm Số lượng sản phẩm phụ thuộc vào kích thước thùng chứa, số lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như để đóng két cho bia chai thì mỗi lần

cánh tay robot có thể gắp 20 chai Dây chuyền đóng thùng gồm 2 băng tải, một băng tải đưa sản phẩm đến tay gắp, một băng vận chuyển thùng, hai băng tải đặt ngang nhau Bộ phận gắp chai đượcđiểu khiển đồng bộ bằng khí nén

Hình 1.8: Bộ phận gắp chai

Hình 1.9 Một cánh tay robot đang làm việc

Với các loại chai nhỏ và khó vỡ thì thường dùng phương pháp đóng thùng kiểu “Drop” (hình 1.10), hệ thống có hai băng tải, một băng tải chở sản phẩm chai

ở phía trên, băng tải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số lượng thì phần đáy của khung mở ra để toàn bộ chai trong khung rơi xuống thùng, các chai

rơi xuống thùng đồng thời thùng được hạ xuống để giảm lực tác động vàođáy chai, cách đóng thùng này nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tay Robot

Hình 1.10: Drop Packer

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300

2.1 Giới Thiệu Chung

Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển Vì vậy người ta phát minh ra bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như PLC

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có thể thay thế gần như hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống Như vậy PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là:

- Khả năng chống nhiễu tốt

- Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc mở rộng, cải tạo nâng cấp

- Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt

- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động

- Hiện nay trên thị trường có các loại PLC của các hãng sản xuất như: Omron, Mitsubishi, Siemens, ABB, Allen Bradley

Do yêu cầu đề tài nên em xintrình bày về Simatic S7-300 của Siemens

S7-300 là Dòng sản phẩm cao cấp, được dùng cho những ứng dụng lớn với những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối mạng và có khả năng mở rộng, nâng cấp

Ngôn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sử dụng có quyền chọn lựa Đặc điểm nổi bật của S7-300 đó là ngôn ngữ lập trình cung cấp những hàm toán đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt Hoặc ta có thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm riêng cho ứng dụng mà ta cần

Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt

2.1.1.1 Modul CPU

Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) và có thể còn có một vài cổng vào ra

số Các cổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra Onboard

PLC S7_300 có nhiều loại modul CPU khác nhau Chúng được đặt tên theo bộ

vi xử lý có trong nó như modul CPU312, modul CPU314, modul CPU315

Những modul cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module)

Ví dụ như modul CPU312 IFM, modul CPU314 IFM

Hình 2.2: Một số CPU của PLC S7-300

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loại modul này phân biệt với các loại modul khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là modul CPU314C-2DP

2.1.1.2 Modul mở rộng

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu modul Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc modul rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU, các modul còn lại là những modul truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ Chúng được gọi chung là các modul mở rộng

Các modul mở rộng chia thành 5 loại chính:

a) Module nguồn nuôi (PS - Power supply)

Có 3 loại: 2A, 5A, 10A

b) Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module)

Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

DI (Digital input): Modul mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul

DO (Digital output): Modul mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul

DI/DO (Digital input/Digital output): Modul mở rộng các cổng vào/ra số Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại modul

CPU 312 IFM CPU 314C-2PTP CPU 314 CPU 314C-2DP

AI (Analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại modul

AO (Analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại modul

AI/AO (Analog input/Analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương

tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại modul

Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều phải được chuyển đổi thành tín hiệu số Cũng như các modul số, người sử dụng cũng có thể thiết lập các thông số cho các modul analog

c) Modul ghép nối (IM - Interface modul)

Modul ghép nối nối các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi 1 modul CPU Thông thường các modul mở rộng được gắn liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi) Một modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng modul IM

Các modul ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình, S7-300 cung cấp 3 loại modul ghép nối sau:

IM 360: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul trên

đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU

IM 361: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8 modul với khoảng cách tối đa là 10 m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi tầng

IM 365: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul trên

đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU

d) Modul chức năng (FM - Function modul)

Modul có chức năng điều khiển riêng Ví dụ như modul PID, modul điều khiển động cơ bước

e) Module truyền thông (CP - Communication modul)

Modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Hình 2.3 Các loại modul mở rộng của S7-300

Các Tín hiệu kết nối với PLC:

a/Tín hiệu số : Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2

b/ Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA…

Vd: Tín hiệu đọc từ Loadcell,từ cảm biến lưu lượng…

c/ Tín hiệu khác : Bao gồm các tín hiệu giaotiếp với máy tính ,với các thiết bị

ngoại vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thức RS232, RS485,

Modbus…

Modul ra sè (DO) d) Modul chøc n¨ng (FM) e) Modul truyÒn th«ng (CP)

a) Modul nguån (PS) b) Modul vµo sè (DI) c) Modul ra analog (AO)

Kiểu dữ liệu:

a/Kiểu Bool: True hoặc False ( 0 hoặc 1) VD: M0.0

b/Kiểu Byte : gồm 8 Bit

PLC S7_300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản sau:

Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List) Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo 1 thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm 1 hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh”+”toán hạng”

Ví dụ:

Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder Logic) Đây là dạng ngôn ngữ

đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic

2.3.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm:

1/ Lệnh về bit:

Tiếp điểm thường hở: KQ=KT nếu I0.0=1 KQ=0 nếu I0.0=0

Tiếp điểm thường đóng : KQ=KT nếu I0.0=0 KQ=0 nếu I0.0=1

Lệnh Not: KQ thu được bằng đảo giá trị của KT, Nếu KT=1 thì KQ=0 ; Nếu KT=0 thì KQ=1

Ngõ ra ( cuộn coil) : Gán KQ cho ngõ ra Q0.0

Xác định kết quả: Gán KQ tại vị trí mà lệnh được chèn

Vd: M0.0 lưu kết quả sau 2 phép tính qua I0.0 và I0.1

Lệnh SET Bit: Gán giá trị 1 cho M0.0

Lệnh RESET Bit : Gán giá trị 0 cho M0.0

Vi phân cạnh lên : M0.0 lưu giá trị KQ ở vòng quét trước

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1 và M0.0 =0 thì Q0.0 =1

Vi phân cạnh xuống: M0.0 lưu giá trị KQ ở vòng quét trước

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 và M0.0=1 thì Q0.0=1

Q0.0=1 khi Timer đang chạy

MW100 lưu giá trị đếm của Timer theo dạng Integer

MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCD

Chức năng của Timer này là tạo xung có thời gian được đặt sẵn

Trong quá trình chạy nếu có tín hiệu I0.1 thì Timer dừng

Q0.0 =1 khi Timer đang chạy

Các ô nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng Integer và dạng BCD

CPU 313 trở lên: có 256 Timer

Có 2 cách cài đặt giá trị cho Timer:

1/ Cài thông số thời gian trực tiếp:

Để cài giá trị trực tiếp cho Timer ta phải thêm kí tự S5T# trước giá trị đặt Các kí tự kế tiếp là thông số thời gian muốn cài đặt cho Timer

2/ Cài đặt thông số thời gian thông qua biến nhớ:

Giá trị cài đặt cho timer thông qua một biến kiểu WORD 16 bits:

2.3.3 Bộ đếmCounter:

Lệnh đếm lên xuống S_CUD:

Ngõ vào I0.2=1 : đưa giá trị đếm vào PV

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 ,C0 đếm tăng lên 1

Khi I0.1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 ,C0 đếm giảm xuống 1

Khi cả I0.0 và I0.1 đều chuyển trạng thái thì C0 không thay đổi

Khi I0.3=1 thì C0 bị Reset về 0

Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

Lệnh đếm lên S_CU:

Ngõ vào I0.1=1 : đưa giá trị đếm vào PV

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1 , C0 đếm tăng lên 1

Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

Lệnh đếm xuống S_CD:

Ngõ vào I0.1=1 : đưa giá trị đếm vào PV

Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 sang 0 , C0 giảm đi 1

Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999

Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0

2.3.4 Lệnh so sánh:

Lệnh so sánh số nguyên:

Lệnh EQ_I(Equal Integer): so sánh MW100 và MW102, nếu hai số nguyên này bằng nhau thì KT=KQ

Lệnh NE_I ( Not Equal Integer) : So sánh MW100 và MW102,nếu 2 số này khác nhau thì KQ=KT

Lệnh GT_I ( Greater than Integer) : So sánh 2 số MW100 và MW102 ,nếu MW100 lớn hơn MW102 thì KQ=KT

Lệnh GE_I ( Greater than or equal Integer ) : So sánh 2 số MW100 và MW102, Nếu MW100 lớn hơn hoặc bằng MW102 thì KQ=KT

Lệnh LE_I ( Less than or equal Integer ) : So sánh 2 số MW100 và MW102, Nếu MW100 bé hơn hoặc bằng MW102 thì KQ=KT

Lệnh so sánh hai số Double Interger và hai số thực Real tương tự như trên

2.3.5 Các lệnh về số học:

Phép Toán trên số nguyên 16 Bit:

Lệnh ADD_I : Lệnh thực hiện việc cộng 2 số nguyên 16 Bit ,kết quả cất vào

số nguyên 16 Bit,nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1 ,cờ OS sẽ lưu Bit bị tràn đó

Lệnh MUL_I : : Lệnh thực hiện việc nhân 2 số nguyên 16 Bit ,kết quả cất vào

số nguyên 16 Bit , nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1 ,cờ OS sẽ lưu Bit bị tràn đó

MW104 = MW100 * MW102

Lệnh DIV_I : : Lệnh thực hiện việc chia 2 số nguyên 16 Bit ,kết quả cất vào số nguyên 16 Bit , nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1 ,cờ OS sẽ lưu Bit

bị tràn đó

Các lệnh dịch phải, dịch trái ô nhớ 32 Bit tương tự

Ngoài ra còn rất nhiều lệnh trong S7-300 nhưng ta chỉ nghiên cứu những lệnh

CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ WINCC

Thông thường một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) yêu cầu một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển

HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc sử lý và lưu trữ dữ liệu Phần mềmWinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng cho mục đích này 3.1 Khái niệm

WinCC là một trong các chương trình ứng dụng Scada trong lĩnh vực dân dụng và công nghiệp WinCC được dùng để điều hành các màn hình hiện thị và hệ thống điều khiển trong tự động hóa sản xuất và quá trình

WinCC là chữ viết tắt của Window Control Center, là một phần mền của hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp, WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện Người và Máy– HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Những thành phần có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất

kỳ trở ngại nào

Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác nhau như Misubishi, Allen Braddly, Siemens,v.v…thông qua cổng COM với chuẩn RS – 232 của máy tính với chuẩn RS – 485 của PLC

Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người – Máy (HMI) và mạng SCADA, WinCC sử dụng các chức năng sau:

o Graphics Designer: thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của WinCC, Windows, OLE, I/O,… với nhiều thuộc tính động (Dynamic)

o Alarm Logging: thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành Đảm trách về các thông báo nhận được và lưu trữ, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Ngoài ra, Alarm Logging còn giúp ta tìm nguyên nhân của lỗi

o Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều dạng khác nhau Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiện thị và lưu trữ dữ liệu đó Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống

o Report Designer: có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện

WinCC có thể tạo một giao diện Người – Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người và hệ thống máy , thiết bị điều khiển ( PLC, CNC,…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các quy trình sản xuất và cảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố Do

đó, WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người – Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống co quá trình tự động hóa phức tạp và hiện đại

Từ máy tính trung tâm, có thể điều khiển sự hoạt động toàn bộ dây chuyền sản xuất được lập trình trên WinCC, ta có thể giám sát tất cả các thiết bị trên dây chuyền Dựa vào giao diện HMI, có thể giám sát và thu thập dữ liệu vào ra (I/O) một cách chính xác, hỗ trợ các phương thức xử lí dữ liệu, tổ chức số liệu một cách linh hoạt thông qua kiểu lập trình bằng ngôn ngữ C

Ngoài ra, sự kết hợp giữa chương trình WinCC và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hoặc Visual Basic sẽ tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với một cấu hình cụ thể nào đó

Windows XP embedded with SQL Server Express Edition

Windows 7 (Professional / Enterprise / Ultimate) 32-Bit

3.2 Các bước cài đặt WinCC V7.0 trên máy tính:

1 Chạy WinCC_V70_SP3.exe, Bấm next để tiếp tục cài đặt

2 Đồng ý thỏa thuận sữ dụng chương trình và bấm next

3 Chọn nơi giải nén chương trình để cài đặt

4 Chờ cho chương trình giải nén file cài đặt

5 Chọn ngôn ngữ khi cài đặt chương trình:

6 Bấm next

7 Đọc thông báo, bấm next

8 Đồng ý thỏa thuận sữ dụng phần mềm

9 Chọn ngôn ngữ của chương trình

10 Chọn phương án và ổ đĩa cài đặt

11 Tùy chọn thành phần muốn cài đặt

12 Chờ cho máy cài đặt xong là hoàn thành Khi đó ta có Icon chương trình WinCC trên màn hình Desktop như sau:

Các bước tạo một dự án trên WinCC:

1 Khởi động Wincc

2 Tạo một Project mới

3 Bổ xung thiết bị PLC

4 Định nghĩa các Tag sử dụng

5 Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng

6 Cài đặt thông số cho Runtime

7 Chạy chương trình Active

8 Sử dụng chương trình mô phỏng WinCC Variable Simulator hoặc PLCSIM

Hình 3.1: Giao diện làm việc của WinCC

- Loại dữ liệu (Data Types):Chứa các loại dữ liệu được gán cho các Tag và các kênh khác nhau

- Các trình soạn thảo Editor :Các trình soạn thảo được liệt kê trong vùng này dùng để soạn thảo và điều khiển một dự án hoàn chỉnh , chức năng các bộ soạn thảo cho như bảng sau:

Bảng 3.1 Các bộ soạn thảo trong trung tâm điều khiển ( Control Center)

Alarm Logging

(Báo động)

Nhận các thông báo từ các quá trình để chuẩn

bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ các thông báo này

(Thư viện văn bản)

Chứa các văn bản tùy thuộc ngôn ngữ do người dùng tạo ra

Report Designer

(Báo cáo)

Cung cấp hệ thống báo cáo được tích hợp có thể

sử dụng để báo cáo dữ liệu, các giá trị, thông báo hiện hành và đã lưu trữ, hệ thống tài liệu của chính người sử dụng

Global Script

(Viết chương trình)

Cho phép tạo các dự án động tùy thuộc vào từng yêu cầu đặc biệt Bộ soạn thảo này cho phép tạo các hàm và các thao tác có thể được sử dụngtrong một hay nhiều dự án tùy theo kiểu của chúng

Tags WinCC là phần tử trung tâm để truy nhập các giá trị quá trình Trong một

dự án, chúng nhận một tên và một kiểu dữ liệu duy nhất Kết nối logic sẽ được gán với WinCC Kết nối này xác định rằng kênh nào sẽ chuyển giao giá trị quá trình cho các biến

Các biến được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu toàn dự án Khi một chế độ của WinCC khởi động, tất cả các biến trong một dự án được nạp và cấu trúc Run – time tương ứng được thiết lập Mỗi biến được lưu trữ trong quản lí dữ liệu theo một kiểu

dữ liệu chuẩn

WinCC làm việc với 3 loại Tag:

- Tag nội (Internal Tag):