Báo cáo đồ án tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGÃ TƯ THEO THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG PLC S7200

MỤC LỤC TRANG PHẦN I. TÌM HIỂU VỀ PLC S7200 (CPU 224) CỦA HÃNG SIEMENS……………….. I. Tổng quan về PLC. 1 I.1. Khái niệm PLC 6 I.2. Hệ thống điều khiển 6 I.2.1. Hệ thống điều khiển là gì? 6 I.2.2. Hệ thống điều khiển dùng rơle điện 6 I.2.3. Hệ thống điều khiển dùng plc 6 I.3. Cấu trúc của PLC 8 I.4. Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC 10 I.5. Các ứng dụng của PLC 10 II. PLC S7200 11 II.1. Cấu trúc phần cứng 11 II.1.1. Bộ điều khiển lập trình plc S7200 11 II.1.2. Các thành phần của CPU 12 II.1.3. Kết nối điều khiển 13 II.1.4. Truyền thông giữa PC và PLC 20 II.2. Cấu trúc bộ nhớ 22 II.2.1. Phân chia bộ nhớ 22 II.2.2. Các phương pháp truy nhập 23 II.2.3. Mở rộng vàora 24 II.3. Nguyên lý hoạt động của PLC 25 II.3.1. Cấu trúc chương trình 25 II.3.2. Thực hiện chương trình 25 II.4. Lập trình cho PLC S7200 26 II.4.1. Các ngôn ngữ lập trình 26 PHẦN II : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG NGÃ TƯ………….26 1.SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀO RA VỚI PLC…………………………………………………..29 2.LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ……………………………………...30 3.CHƯƠNG TRÌNH CHẾ ĐỘ BÌNH THƯỜNG ……………………………..32 3.CHƯƠNG TRÌNH CON CHẾ ĐỘ 2……………………………………………………...37

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN PLC

TƯ THEO THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG PLC S7-200

GVHD : TH.S TỐNG THỊ LÝ

SVTH : PHẠM QUANG ĐẠT

TRỊNH ĐĂNG BẮC NGUYỄN ĐÌNH HÒA

LÊ DUẨN NGUYỄN HỮU QUỐC KHÁNH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN BỘ MÔN

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

MỤC LỤC TRANG

PHẦN I TÌM HIỂU VỀ PLC S7-200 (CPU 224) CỦA HÃNG SIEMENS………

I Tổng quan về PLC 1

I.1 Khái niệm PLC 7

I.2 Hệ thống điều khiển 7

I.2.1 Hệ thống điều khiển là gì? 7

I.2.2 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện7 I.2.3 Hệ thống điều khiển dùng plc 7

I.3 Cấu trúc của PLC 8

I.4 Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC 11

I.5 Các ứng dụng của PLC 11

II PLC S7-200 12

II.1 Cấu trúc phần cứng 12

II.1.1 Bộ điều khiển lập trình plc S7-200 12

II.1.2 Các thành phần của CPU 13

II.1.3 Kết nối điều khiển 14

II.1.4 Truyền thông giữa PC và PLC 21

II.2 Cấu trúc bộ nhớ 23

II.2.1 Phân chia bộ nhớ 23

II.2.2 Các phương pháp truy nhập 24

II.2.3 Mở rộng vào/ra25 II.3 Nguyên lý hoạt động của PLC 26

II.3.1 Cấu trúc chương trình 26

II.3.2 Thực hiện chương trình 26

II.4 Lập trình cho PLC S7-200 27

II.4.1 Các ngôn ngữ lập trình 27

PHẦN II : XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG NGÃ TƯ………….26

1.SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀO / RA VỚI PLC……… 29

2.LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ……… 30

3.CHƯƠNG TRÌNH CHẾ ĐỘ BÌNH THƯỜNG ……… 32

3.CHƯƠNG TRÌNH CON CHẾ ĐỘ 2……… 37

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 thông 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.!

PHẦN I TÌM HIỂU VỀ PLC S7 – 200 (CPU 224) CỦA HÃNG SIEMENS

I Tổng quan về PLC.

I.1 Khái niệm PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sángtạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vàonăm 1968 Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụngngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng choviệc tự động hóa các quá trình sản xuất Cùng với sự phát triển công nghệ máytính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bảntrong ứng dụng điều khiển công nghiệp

Như vậy, PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệpcao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linh hoạttrong điều khiển tự động hóa

I.2 Hệ thống điều khiển

I.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 đểvận hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt

I.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 bố tríchằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển)

Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì

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

I.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 dạng

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 tính chấttương đối, phụ thuộc chủ yếu vào người thiết kế và bố trí hệ thống sao cho phùhợp 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 nhớ củaPLC bằng thiết bị lập trình (programming device), sa u khi xử lý xong, tín hiệuđược 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 truyền thông đểhiển thị giao diện giữa người và máy Để viết chương trình điều khiển cho PLC,đối với từng loại PLC có một hoặc nhiều phần mềm chuy ên biệt để lập 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 giữa PLC

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 dụng cácngõ vào ra nhiều, độ phức tạp của hệ thống cao h ơn, sử dụng các chuẩn mạng đểtruyền thông, chương trình điều khiển được thiết kế quy mô hơn,…

I.3 Cấu trúc của PLC

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

- Đức: Siemens, Boost, Festo…

I.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.

- 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

II PLC S7-200

II.1 Cấu trúc phần cứng

II.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 Docông nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi, chủyếu 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 có tích hợpanalog Các CPU dòng 21x hiện tại không sản xuất mới, chỉ sản xuất theo yêucầu phục vụ nhu cầu thay thế

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

Tổng số I/O max tương đối lớn, khoảng 256 I/O Số module mở rộng tùytheo CPU có thể lên đến tối đa 7 module Tích hợp nhiều chức năng đặc biệttrên CPU như ngõ ra xung, high 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…

II.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

- Có 2 bộ điều chỉnh tương tự

- Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…

- Đồng hồ thời gian thực

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

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

- 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

II.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 vào cácngỏ vào I trên PLC

Ngỏ ra:

Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển Relay, các cơ cấu chấp hànhkhác,…

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

- Van khí nén

- Van thuỷ lực

- Van solenoid

- 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

- Ghép nối S7 – 200 với máy tính PC qua cổng RS 232 cần có cáp kết nối

PC / PPI với bộ chuyển đổi RS 232 / RS 485

- Gắn 1 đầu cáp PC / PPI với cổng truyền thông 9 chân của PLC còn đầukia với cổng truyền thông nối tiếp RS 232 của máy PC Nếu cổng truyềnthông nối tiếp RS – 232 với 25 chân thì phải ghép nối qua bộ chuyển đổi 25chân / 9 chân để có thể nối với cáp truyền thông PC / PPI

- Chọn các thông số để truyền thông

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

Vùng đối tượng:

- Timer: T0 -> T255

- Counter: C0 –> C255

- 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

II.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 vai trò

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

Cách đặt địa chỉ cho các module mở rộng CPU 224.

II.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

II.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

II.3.2 Thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi làvòng quét, mỗi vòng quét bao gồm các bước sau:

- Đọc các ngỏ vào ra bộ đệm

- Thực hiện chương trình

- CPU tự kiểm tra, truyền thông

- Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ra các ngỏ ra

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

PHẦN II XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIAO THÔNG

CẤU TẠO

Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đènchính được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi một cộtđèn gồm 6 đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn đỏ

Ngoài ra, mỗi một hệ thống đèn có một hộp điều khiển từ đó sẽ phát ra tínhiệu điều khiển đèn Tín hiệu điều khiển của đèn từ CPU thông qua các cổng rarồi đến các rơle, rồi qua hệ thống dây nối đến các đèn

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

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

làn 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 nhất địnhđx1 tắt,đèn vàng 1(đv1) được bật lên

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

lập lại với đđ2,đx1…

Giản đồ thời gian các đèn

Thời gian hoạt động các đèn :

- Đèn đỏ : 30s (thời gian sáng mỗi chu kì )

- Đèn xanh : 27s (thời gian sáng mỗi chu kì )

- Đèn vàng : 3s (thời gian sáng mỗi chu kì )

Thời gian chuyển chế độ đèn vàng nhấp nháy

- Từ 23h đêm đến 6h sáng

1 SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀO / RA VỚI PLC