Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư theo thời gian thực sử dụng PLC S7 – 200

MỤC LỤC TRANGLỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU VỀ PLC S7 – 200 (CPU 224) CỦA HÃNG SIEMENS 5 1. Tổng quan về PLC. 5 1.1. Khái niệm PLC 5 1.2. Hệ thống điều khiển 5 1.3. Cấu trúc của PLC 7 1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC 9 1.5. Các ứng dụng của PLC 9 2 . PLC S7200 10 2.1. Cấu trúc phần cứng 10 2.2. Cấu trúc bộ nhớ 19 2.3. Nguyên lý hoạt động của PLC 22 2.4. Lập trình cho PLC S7200 23 CHƯƠNG 2 :XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 26 1.Xây dựng bài toán điều khiển đèn giao thông 26 2. Thiết kế mô hình điều khiển đèn giao thông tại ngã tư 27 3. Chương trình phần mềm 29 CHƯƠNG 3 :KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32 3.1 Mô hình thực nghiệm. 33 3.2 Các kết quả thực nghiệm. 33 Kết luận 35

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày…tháng… năm 2012 Giáo viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC TRANG

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU VỀ PLC S7 – 200 (CPU 224) CỦA HÃNG SIEMENS 5

1 Tổng quan về PLC 5

1.1 Khái niệm PLC 5

1.2 Hệ thống điều khiển 5

1.3 Cấu trúc của PLC 7

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC 9

1.5 Các ứng dụng của PLC 9

2 PLC S7200 10

2.1 Cấu trúc phần cứng 10

2.2 Cấu trúc bộ nhớ 19

2.3 Nguyên lý hoạt động của PLC 22

2.4 Lập trình cho PLC S7200 23

CHƯƠNG 2 :XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 26

1.Xây dựng bài toán điều khiển đèn giao thông 26

2 Thiết kế mô hình điều khiển đèn giao thông tại ngã tư 27

3 Chương trình phần mềm 29

CHƯƠNG 3 :KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32

3.1 Mô hình thực nghiệm 33

3.2 Các kết quả thực nghiệm 33

Kết luận 35

-LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ ra tăng

không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thong xảy ra rất thường xuyên

Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông thông suốt và sử dụng đèn điều khiển giao thông ở những ngã

tư ,những nơi giao nhau của các làn đường là một giải pháp

Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ khác nhau Nhưng với những ưu điểm vượt trội của PLC S7- 200 như : giá thành hạ , dễ thi công , sửa chữa , chất lượng làm việc ổn định linh hoạt ….nên ở đây nhóm SV chúng em đã chọn hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programmble Logic Control) với ngôn ngữ lập trình của S7 – 200 để viết chương trình điều khiển đèn giao thông

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và những ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực này chúng em xin chọn đề tài làm đồ án môn về : ‘’ Thiết kế hệ thống điều khiển đèn

giao thông tại ngã tư theo thời gian thực sử dụng PLC S7 – 200

‘’ Mục đích của đề tài này là hiểu biết về các thiết bị tự động hoá , các giải pháp tự động hoá tích hợp toàn diện thông qua PLC S7 – 200 và quan trọng nhất là những ứng dụng của PLC trong cuộc sống ( Điều khiển đèn giao thông , tự động hoá trong mọi lĩnh vực của ngành sản xuất )

Dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Tống Thị Lý nhóm

SV chúng em đã hoàn thành xuất sắc đồ án này với đầy đủ các yêu cầu đặt ra của đề tài

Nhóm sinh viên chúng em xin được gửi tới cô lời cảm ơn chân

thành.!

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU VỀ PLC S7 – 200 (CPU 224) CỦA HÃNG

cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp

Như vậy, PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn côngnghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linhhoạt trong điều khiển tự động hóa

1.2 Hệ thống điều khiển

1.2.1 Hệ thống điều khiển là gì?

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử Nó dùng

để vận hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt

1.2.2 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm

60 và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ nhưcác bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ Những thiết bị này được liênkết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bốtrí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển)

Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/rathì tủ điều khiển rất lớn Điều đó dẩn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hưhỏng rất phức tạp và khó khăn Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổiyêu cầu điều khiển thì bắt buộc thiết kế lại từ đầu

1.2.3 Hệ thống điều khiển dùng plc

Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện.những năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nângcao độ tinh cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường côngnghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao Đó là bộ điều khiển lập trìnhđược, được cuẩn hóa theo ngôn ngữ Anh Quốc là Programmable LogicController (viết tắt là PLC)

Hệ thống điều khiển dùng PLC cơ bản Hình vẽ được thể hiện dưới dạngkhối

Thường các thành phần như nguồn, khởi động từ, PLC, thiết bị lập tr ình,Giao tiếp người dùng, đèn được đặt trong tủ Những qui định n ày chỉ có tínhchất tương đối, phụ thuộc chủ yếu vào người thiết kế và bố trí hệ thống sao chophù hợp và thẩm mỹ

Nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống được mô tả như sau :

PLC nhận các tín hiệu (logic, analog) từ các ngõ vào (inputs), tín hiệuđược xử lý bởi phần mềm do người sử dụng viết (user software) nạp ở bộ nhớcủa PLC bằng thiết bị lập trình (programming device), sau khi xử lý xong, tínhiệu được xuất ra ngõ ra (outputs) dưới dạng điện (logic, analog) để điều khiển

thiết bị M àn hình giao tiếp (HMI) được kết nối với thiết bị qua cổng truyềnthông để hiển thị giao diện giữa người và máy Để viết chương trình điều khiểncho PLC, đối với từng loại PLC có một hoặc nhiều phần mềm chuy ên biệt đểlập trình.

Qua việc khảo sát một số hệ thống điều khiển tr ên, ta thấy :

1 Phần cứng hệ thống điều khiển sử dụng PLC c ơ bản gồm 3 thành phần:Thiết bị điều khiển (PLC), cảm biến (Sensor) v à thiết bị chấp hành (Actuator)

2 Phần mềm bao gồm : Phần mềm lập tr ình cho PLC, phần mềm củangười dùng nạp cho PLC để điều khiển thiết bị, phần mềm tạo giao tiếp giữaPLC và con người và phần mềm cho các module đặc biệt khác

Ngoài ra, toàn bộ công tắc điện, thiết bị điều khiển, relay điều khiển, … được đặt trong tủ điều khiển và đặt tại vị trí dễ quan sát và thoáng mát

Đối với những hệ thống điều khiển lớn, t ương đương với việc sử dụngcác ngõ vào ra nhiều, độ phức tạp của hệ thống cao h ơn, sử dụng các chuẩnmạng để truyền thông, chương trình điều khiển được thiết kế quy mô hơn,…

Khối Module Output: chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữliệu analog, digital thực hiện điều khiển các đối tượng.

b Các chủng loại PLC:

Hiện nay, một số PLC được sử dụng trên thị trường Việt Nam:

- Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments,Cutter Hammer,…

- Đức: Siemens, Boost, Festo…

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC

a Ưu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC:

- Điều khiển linh hoạt, đa dạng

- Lượng contact lớn, tốc độ hoạt động nhanh

- Tiến hành thay đổi và sửa chữa

- Độ ổn định, độ tin cậy cao

- Lắp đặt dơn giản

- Kích thước nhỏ gọn

- Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống

b Hạn chế

- Giá thành (tùy theo yêu cầu máy)

- Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động

- Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần dùng PLC

- PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động ở môi trường có nhiệt độ

cao, độ rung mạnh.

1.5 Các ứng dụng của PLC

- Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, ximăng, nước giải khát,

linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,…

- Rửa xe ôtô tự động

- Thiết bị khai thác

- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng

- Hệ thống báo động

- Điều khiển thang máy

- Điều khiển động cơ

- Chiếu sáng

- Cửa công nghiệp, tự động

- Bơm nước

- Tưới cây

- Báo giờ trường học, công sở,…

- Máy cắt sản phẩm, vô chai,…

- Và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác

2 PLC S7-200

2.1 Cấu trúc phần cứng

2.1.1 Bộ điều khiển lập trình plc S7-200

PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính công nghiệp

Do công nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi,chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm(CPU) Sự thay đổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số đầuvào/ ra(I/O), tốc độ quét, … vì vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC

PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7- 400 Riêng S7- 200 có các loại CPU sau: CPU 210, CPU 214, CPU 221,CPU 222, CPU 224, CPU 226, … Mới nhất có CPU 224 xp, CPU 226 xp cótích hợp analog Các CPU dòng 21x hiện tại không sản xuất mới, chỉ sản xuấttheo yêu cầu phục vụ nhu cầu thay thế

Trong tài liệu này trình bày cấu trúc chung họ S7 – 200, CPU 224.

Tổng số I/O

speed counter, đồng hồ thời gian thực, v.v

Module mở rộng đa dạng, nhiều chủng loại như analog, xử lý nhiệt độ,điều khiển vị trí, module mạng v.v…

2.1.2 Các thành phần của CPU

a Đặc điểm của CPU 224:

- Kích thướt: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mấtđiện

- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ, PLC

sẽ chuyển từ RUN qua STOP nếu gặp sự cố

- STOP: PLC dừng công việc thực hiện chương trình ngay lập tức

- TERM: cho phép máy lập trình quyết định chế độ làm việc của PLC.Dùng phần mềm điều khiển RUN, STOP

2.1.3 Kết nối điều khiển

Cho các model của S7-200 sau:

Xác định các đặc điểm của PLC hãng Siemens

Kết nối dây cho PLC hoạt động

Cấp nguồn

Chú ý: phân biệt loại cấp nguồn nuôi cho PLC.

Loại DC nguồn nuôi có kí hiệu là M, L+

Loại AC nguồn nuôi có kí hiệu là N, L1

Ngỏ vào:

Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút nhấn cho ngỏ vào PLC

Chân 1M, 2M nối chung với chân M

Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại của tiếp điểm nối vàocác ngỏ vào I trên PLC

Ngỏ ra:

Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển Relay, các cơ cấu chấphành khác,…

Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương

Từng ngỏ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vàonguồn âm

Các ngỏ vào thường dùng là:

- Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,…

- Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu

âm, phân biệt màu sắc, cảm biến áp suất, …

- Công tắc hành trình, công tắc thường

- Đèn báo, đèn chiếu sáng

- Chuông báo giờ

- Động cơ Step Servo

- Biến tần

- Quạt thông gió

- Máy lạnh

- Động cơ phát điện

2.1.4 Truyền thông giữa PC và PLC

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS 485 với jack nối 9 chân đểphục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm khác của PLC.Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI (Point To Point Interface) là 9600baud

Cổng truyền thông:

Chân Giải thích

- Chọn các thông số để truyền thông

- Tốc độ truyền: 09.6k

- Dữ liệu truyền: 11 bit

2.2 Cấu trúc bộ nhớ

2.2.1 Phân chia bộ nhớ

Bộ nhớ S7 – 200 chia làm 4 vùng nhớ:

Vùng chương trình: có dung lượng 4 Kwords được sử dụng để lưu giữcác lệnh chương trình

Vùng tham số: miền lưu giữ các từ khóa, địa chỉ trạm

Vùng dữ liệu: lưu giữ dữ liệu chương trình: kết quả phép tính, hằng sốđược định nghĩa trong chương trình Là 1 vùng nhớ động Nó có thể truy nhậptheo từng bit, byte, word hoặc double word

- Bộ đệm cổng vào tương tự: AIW 0 – AIW 30

- Bộ đệm cổng ra tương tự: AQW 0 – AQW 30

- Thanh ghi (Accumulater): AC 0, AC1, AC2, AC3

- Bộ đếm tốc độ cao: HSC0 -> HSC5

2.2.2 Các phương pháp truy nhập

a Truy nhập theo bit:

Tên miền + địa chỉ byte + + chỉ số bit

Ví dụ: V5.4

Truy suất các vùng khác; Ví dụ: I0.0; Q0.2; M0.3; SM0.5

b Truy nhập theo byte:

Tên miền + B + địa chỉ byte

Ví dụ: VB5

Truy suất các vùng khác; Ví dụ: IB0; QB2; MB7; SMB37

c Truy nhập theo Word(từ):

Tên miền + W + địa chỉ byte cao của word trong miền

Ví dụ: VW;

Như vậy VW4 gồm 2 byte VB4 và VB5 gộp lại trong đó VB4 đóng vaitrò là byte cao, còn VB5 đóng vai trò là byte thấp trong word VW4

-> VW4 = VB4 + VB5

Truy suất các vùng khác; Ví dụ: IW0; QW4; MW40; SMW68

d Truy nhập theo doubleword(từ kép):

Tên miền + D + địa chỉ byte cao nhất của một double word trong miền

Ví dụ: VD2

->VD2 chỉ từ kép gồm 4 byte VB2, VB3, VB4, VB5 thuộc miền V,trong đó byte VB2 có vai trò là byte cao nhất, byte VB5 có vai trò byte thấp nhấttrong VD2

Truy suất các vùng khác; Ví dụ: ID0; QD3; MD100; SMD48

2.2.3 Mở rộng vào/ra

- CPU 224 cho phép mở rộng nhiều nhất 14 module kể cả module analog.Các module mở rộng tương tự và số đều có trong S7-200.

- Có thể mở rộng cổng vào / ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nócác module mở rộng về phía bên phải của CPU làm thành một móc xích Địa chỉcủa các module được xác định bằng kiểu vào / ra và vị trí của module trongmóc xích

Cách đặt địa chỉ cho các module mở rộng CPU 224

2.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

2.3.1 Cấu trúc chương trình

Các chương trình cho S7-200 phải luôn có một chương trình chính(Main Program) Nếu có sử dụng chương trình con và chương trình xử lý ngắtthì được viết tiếp sau chương trình chính.

a Ladder Logic: LAD (Ladder): là phương pháp lập trình hình thang,thích hợp trong ngành điện công nghiệp.

b Statement List: STL (Statement List): là phương pháp lập trình theodạng dòng lệnh giống như ngôn ngữ Assemply, thích hợp cho ngành máy tính

c Function Block: FBD (Flowchart Block Diagram): là phương pháplập trình theo sơ đồ khối, thích hợp cho ngành điện tử số

CHƯƠNG 2 :XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 1.Xây dựng bài toán điều khiển đèn giao thông

1.1 Tình trạng giao thông tại ngã tư ở Việt Nam

Ngày nay ở nước ta với sự phát triển của kinh tế thì việc đô thị hóa diễn ra ngàycàng nhanh làm cho lượng phương tiện lưu thông đặc biệt làm trên đường phốcũng tăng theo Do đó vấn đề đảm bảo giao thông trong các đô thị lớn như HàNội , Sài Gòn…đặc biệt là tại các nút ngã tư, ngã năm…diễn ra thông suốt là rấtquan trọng

Để việc lưu thông được thuận lợi thì chúng ta có thể nhờ đến sự giúp đỡ của lựclượng cảnh sát giao thông và các lực lượng khác Tuy vậy với số lượng ngàycàng tăng của các phương tiện tham gia giao thông thì kéo theo số lượng cảnhsát giao thông cũng tăng theo, điều này sẽ gây khó khăn và tốn kém

Tuy nhiên với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các thành tựu trong nềnkhoa học kĩ thuật đã từng bước ứng dụng vào các lĩnh vực trong đời sống xã hộikhông những góp phần giảm nhẹ sức lao động của con người mà còn giảm chi

phí đầu tư, một trong những ứng dụng đó là “Hệ thống điều khiển đèn giao thông” tại các nút lưu thông trên đường phố.

1.2 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển đèn giao thông là hệ thống đèn tín hiệu hướng dẫn cácphương tiện và con người tham gia giao thông trên đường Việc điều khiển sựhoạt động của đèn giao thông cũng đã có rất nhiều cách thức như: dùng các tiếpđiểm và rơ le thời gian, dùng các vi mạch điều khiển, dùng bộ PLC( Programmable Logic Controller)…Trong đó sử dụng bộ PLC trong việc điềukhiển có nhiều ưu điểm: Làm việc chắc chắn , liên tục và có tuổi thọ cao

Có thể làm việc trong những môi trường công nghiệp mà vẫn đảm bảo độ ổnđịnh Thao tác thiết bị rất đơn giản

Giới thiệu công nghệ của đề tài

Yêu cầu về công nghệ bao gồm:

Hệ thống đèn giao thông đặt ở hai tuyến giao thông ngã tư:

- Tuyến 1:gồm xanh 1,đỏ 1, vàng 1

- Tuyến 2:gồm xanh 2,đỏ 2, vàng 2

- Bộ điều khiển khả lập trình PLC(PLC S7 200 CPU 224)

- Hệ thống nút nhấn điều khiển (Control Panel)

1.3 Nguyên tắc điều khiển đèn gia thông

Cơ chế hoạt động của đèn giao thông thật ra rất đơn giản:

- Khi đèn của làn đường 1(đx1) được bật sáng thì cùng lúc đó đèn đỏ củalàn đường 2 (đđ2), đèn đỏ cho người đi bộ ở làn đường 1(đđn1), đèn xanh người

đi bộ làn đường 2 (đxn2) cũng được bật sáng.Sau một khoảng thời gian nhấtđịnh đx1 tắt,đèn vàng 1(đv1) được bật lên

- Khi đv1 tắt thì đđ2, đđn1,đxn2 mới tắt cùng lúc đó đèn xanh 2(đx2) , đèn

đỏ 1(đđ1),đèn đỏ cho người đi bộ 2(đđn2), đèn xanh cho người đi bộ 1(đxn1)được bật sáng

- Lúc đèn vàng 2(đv2) được bật lên cũng là lúc đx2 tắt ,đv2 tắt chu kì đượclập lại với đđ2,đx1…

2 Thiết kế mô hình điều khiển đèn giao thông tại ngã tư