Bao_Cao_TN-v5.0

Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp với tiêu đề: “ Thiết kế hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa hai ngã tư sử dụng PLC S7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

S7-1200 VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PROFINET

Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

Hà Nội 04/2017

Bé c«ng th¬ng

Trêng ®h c«ng nghiÖp hµ néi

Céng hßa x· héi chñ nghÜa viÖt nam

§éc lËp – Tù do – H¹nh phóc

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Qua việc thực hiện các nội dung yêu cầu của đồ án giúp sinh viên hình thành kỹnăng phân tích công nghệ của bài toán, đưa ra giải pháp đáp ứng công nghệ và biếtcách xây dựng một hệ thống điều khiển trọn vẹn bao gồm cấp chấp hành, cấp điềukhiển và cấp điều khiển giám sát trên máy tính

Yêu cầu: Sinh viên cần hoàn thành những nội dung sau:

1. Tổng quan về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông

2. Thiết kế phần mềm điều khiển cho hệ thống sử dụng PLC S7-1200

3. Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho hệ thống

4. Xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả

Ngày giao đề tài: 06/03/2017

Ngày hoàn thành: 21/04/2017

Hà Nội, ngày 03 tháng 03 năm 2017

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốcđộ gia tăngkhông ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của cácphương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thườngxuyên

Hiện nay, các tuyến đường chính trong đô thị ở nước ta đều sử dụng đèn tín hiệuđểđiều khiển giao thông Hệ thống này góp phần giải quyết vấn nạn ùn tắc giao thôngtrên các tuyến đường và nâng cao ý thức chấp hành luật giao thông của người dân,nâng cao mức độ văn minh của đô thị

Tuy nhiên, đa phần các đèn đặt tại các nút giao làm việc độc lập mà không có sựliên hệ lẫn nhau khi hoạt động Việc tổchức điều khiển giao thông trong trường hợpnày tuy đơn giản nhưng sẽ làm cho dòng xe trên tuyến chính bị tổn thất thời gian rấtlớn do liên tục gặp phải đèn đỏ.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thôngthông suốt

Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp với

tiêu đề: “ Thiết kế hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa hai

ngã tư sử dụng PLC S7-1200 và mạng truyền thông Profinet ”.

Nội dung chính của Đồ án là nghiên cứu hệ thốngđiều khiển phối hợp tín hiệu đèngiao thông giữa hai ngã tư sử dụng PLC S7-1200 và liên kết các nút giao thông thôngqua mạng truyền thông Profinet

Đồ án được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương đượctóm tắt như sau:

Chương 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu giao thông:

Giới thiệu một cách tổng quan về đèn giao thông, mô hình hệ thống điều khiển phốihợp tín hiệu đèn giao thông và những ưu điểm của hệ thống điều khiển phối hợp

Chương 2 – Thiết kế phần mềm điều khiển cho hệ thống sử dụng PLC 1200: Giới thiệu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200, mạng truyền thông Profinet

S7-và khả năng truyền thông qua mạng Ethernet của S7-1200 Xây dựng thuật toán S7-vàchương trình điều khiển

Chương 3 – Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho hệ thống: Tổng quan về

phần mềm điều khiển giám sát sử dụng trong đồ án và từng bước thiết kế giao diệnđiều khiển giám sát cho hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông giữa haingã tư

Chương 4 – Xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả: Thiết kế sơ đồ

nguyên lý và mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết so với thựctiễn

Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để hoàn thành nội dung yêu cầu đặt ra,xong vì vốn kiến thức còn hạn hẹp và khả năng cũng như kinh nghiệm thực tế còn ítnên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được sự bổ xung góp ýcủa các thầy cô và các bạn để Đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn Chúng em xin

chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Hoàng Quốc Xuyên, các thầy cô trong bộ môn đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TÍN

HIỆU GIAO THÔNG

1.1 Khái quát chung về hệ thốngđèn tín hiệu giao thông

1.1.1 Giới thiệu về đèn tín hiệu giao thông

Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông hay đèn điềukhiển giao thông) là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ

có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại) Đây làmột thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm

ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè Đèngiao thông có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc do cảnh sát giao thông điều khiển

Hình 1-1 Hình ảnh thực tế hệ thống đèn giao thông

Phân loại

− Đèn dành cho xe cộ

Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ Ý nghĩa của màu đèn như sau:

+ Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi.

+ Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu Khi đèn vàng bật sau đèn xanh

nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừng lại trước vạch dừng vì tiếp

đó đèn đỏ sẽ sáng, trường hợp đã vượt quá vạch dừng thì phải nhanh chóng cho xe rờikhỏi giao lộ Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là được đi nhưng ngườilái xe vẫn phải chú ý

+ Đỏ: Khi gặp đèn đỏ, tất cả các phương tiện đang lưu thông phải dừng lại ở phía trước

vạch dừng (trừ trường hợp những xe rẽ phải và những xe được quyền ưu tiên đi làmnhiệm vụ)

Ba loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa,xanh ở dưới Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ởbên phải hoặc ngược lại(đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc dải phân cách,đèn đỏ hướng xuống lòng đường)

− Đèn dành cho người đi bộ

Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ Ý nghĩa của màu đèn như sau:

+ Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường" Khi gặp đèn đỏ, người đi bộ phải

đứng yên trên vỉa hè Khi đèn đỏ nhấp nháy báo hiệu chuẩn bị được sang đường

+ Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường" Khi gặp đèn xanh, người đi bộ

được phép sang đường Khi đèn xanh nhấp nháy, người đi bộ phải khẩn trương vượtqua nốt quãng đường còn lại

Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới.Nếu lắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại Loạinày đôi khi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có khả năng ước lượng thờigian sang đường là bao lâu

− Đèn đếm lùi

Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính Đèn đếm lùiđược hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau Khi đèn đếmđến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính.Đèn đếm lùi có thể có số 0 trước hàng đơn vịhoặc không có

1.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của đèn tín hiệu giao thông

1.1.2.1 Cấu tạo

Hình 1-2 Mô hình hệ thống đèn giao thông tại một ngã tư

Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chínhđược lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi một cột đèn gồm 6đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn vàng và đèn đỏ Ngoài ra có 2 đèn phụ dùng

điều khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh người đi bộ và đèn đỏ người đibộ.

Mỗi một hệ thống đèn giao thông có một hộp điều khiển từ đó sẽ phát ra tín hiệuđiều khiển đèn

cứ thế lặp đi lặp lại

1.1.3 Quy trình điêu khiển đèn tín hiệu giao thông

Đèn giao thông phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên,không được bật nhiều màu cùng một lúc Giữa 2 chiều đường, khi hướng đi 1 bật đèn

đỏ thì lập tức hướng đi 2 phải bật ngay đèn xanh và ngược lại Khi chuyển từ xanh-đỏbắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh và đỏ Ở chế độban đêm khi bật đèn vàng thì phải bật sáng ở cả 2 hướng đi 1 và 2 Dưới đây là giản đồthời gian của đèn giao thông tại một ngã tư:

Hình 1-3 Giản đồ thời gian của đèn tín hiệu giao thông hoạt động ở chế độ bình

− Trạng thái 2(15-20s): Đèn vàng ở hướng đi 1(đv1) và đèn đỏ ở hướng đi 2(đđ2) sángtrong 5s.

− Trạng thái 3(20-35s): Đèn đỏ ở hướng đi 1(đđ1) và đèn xanh ở hướng đi 2(đx2) sángtrong 15s

− Trạng thái 4(35-40s): Đèn đỏ ở hướng đi 1(đđ1) và đèn vàng ở hướng đi 2(đv2) sángtrong 5s

Khi đèn đỏ ở hướng đi 1 sáng thì đồng thời đèn xanh người đi bộ ở hướng đi 1 vàđèn đỏ người đi bộ ở hướng đi 2 được bật sáng Tương tự đối với hướng đi 2 cũng nhưvậy

1.1.4 Các phương pháp điều khiển tín hiệu đèn giao thông

1.1.4.1 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng IC số

Với mạch dùng IC số có những ưu điểm sau:

− Giá thành rẻ

− Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy

Tuy nhiên khi sử dụng các IC số rất khó khăn trong việc thay đổi thuật toán điềukhiển Muốn thay đổi một thuật toán điều khiển nào đó thì buộc ta phải thay đổi phầncứng và đòi hỏi người công nhân phải có nhiều hiểu biết về IC số Do đó mỗi lần phảilắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiệnđược nhờ phương pháp này

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử

lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phươngpháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được

1.1.4.2 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

− Chi phí thấp do hiện nay vi điều khiển khá phổ biến và đa dạng: 8051, AVR, PIC…

− Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giảnnên việc lập trình đơn giản hơn

− Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có quy mô nhỏ rấttiện lợi mà mạch IC số không thực hiện được

− Có thể giao tiếp truyền thông với máy tính giúp cho việc điều khiển trở nên linh hoạthơn.

Kết luận: Phương pháp điều khiển đền giao thông bằng vi điều khiển rất là khả quan,

đáp ứng được nhiều tiêu chí

1.1.4.3 Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng bộ điều khiển PLC

Với phương pháp sử dụng PLC có những ưu diểm sau:

− Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao

− Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) màkhông cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị nhập xuất

− Thời gian thực hiện một chu trình điều khiển rất nhanh

Kết luận: Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng bộ điều khiển PLC này có

nhiều ưu điểm hơn vi xử lý tuy nhiên việc áp dụng trong hệ thống nhỏ là không thíchhợp bởi giá thành rất cao

1.2 Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp

Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp bằng đen tín hiệu là một tiến bộ lớn so vớiđiều khiển từng nút giao thông riêng biệt Hệ thống điều khiển giao thông phối hợp cóthể phân ra làm 2 loại sau:

− Hệ thống điều khiển phối hợp đồng bộ.

− Hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn (làn sóng xanh).

1.2.1 Hệ thống điều khiển phối hợp đồng bộ

Cùng một lúc thay đổi tín hiệu đèn tại tất cả các ngã tư trên một tuyến phố Hệthống này chỉ có lợi trong các trường hợp khi khoảng cách giữa các ngã tư như nhau

và thời gian cần thiết để các xe chạy từ nút này đến nút kia với tốc độ không đổi, bằnghoặc nhỏ hơn thời hạn của một chu kỳ đèn

1.2.2 Hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn “Làn sóng xanh”

1.2.2.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển đèn giao thông theo “Làn sóng xanh”

Đèn tín hiệu hoạt động theo tuyến thường ưu việt hơn hoạt động độc lập Đèn tínhiệu hoạt động theo tuyến đường là đèn tín hiệu ở các nút trên cùng một tuyến đượcsắp xếp đảm bảo xe chạy với tốc độ ổn định để khi tới nút tiếp theo xe không phảidừng lại mà gặp ngay đèn xanh, như vậy có thể giảm được thời gian dừng xe, tiết kiệm

nhiên liệu, tăng khả năng thông xe và chạy xe được an toàn hơn, hạn chế hiện tượngvượt xe.

Cách tổ chức giao thông như vậy gọi là tổ chức giao thông theo “làn xanh” hay “lànsóng xanh” Để tổ chức giao thông theo “làn sóng xanh” thì các loại xe phải có cùngmột tốc độ giới hạn, chạy tập trung và theo từng đợt có tính chất chu kỳ Nếu dòng xe

là một dòng hỗn hợp các loại xe có tốc độ khác nhau thì sẽ có xe đến trước, xe đếnsau Trong trường hợp này ưu tiên xem xét đến loại xe có số lượng lưu thông lớn nhất.Giao thông theo làn sóng xanh thường được tổ chức ở những nút trên tuyến giaothông chính của đô thị Vì vậy, nếu nối tất cả các nút này về một trung tâm điều khiểnthì việc tổ chức theo làn sóng xanh sẽ dễ dàng hơn

1.2.2.2 Ý nghĩa của tổ chức giao thông theo “Làn sóng xanh”

Chúng ta được biết trở ngại giao thông không những ảnh hưởng đến mỗi ngườitham gia giao thông, gây lãng phí thời gian và tiền bạc Ngoài ra còn làm tăng thêmchi phí của xã hội cho các hoạt động giao thông Vì thế có nhiều phương án được đưa

ra và một trong số đó là phương án điều khiển đèn giao thông theo “làn xanh” hay “lànsóng xanh”

Khái niệm “làn xanh” được đề cập đến ở đây chính là làm thế nào để phương tiệntham gia giao thông có thể gặp hai đèn xanh liên tiếp ở hai ngã tư liền nhau Muốnđược như vậy chúng ta phải thiết kế điều khiển tín hiệu giao thông, tập trung các nútgiao thông gần kề nhau, đồng thời thỏa mãn mục tiêu khi đèn xanh tại nút thứ nhất thìkhi di chuyển tới nút thứ 2 cũng sẽ gặp đèn xanh Khi thực hiện điều khiển theo giảipháp này thì cần đảm bảo rằng các trục đường không được ưu tiên phải thông suốt,phải tính toán thời gian đặt cho mỗi hướng thật hợp lý nhằm đưa ra một giải pháp tối

ưu nhất khi số lượng xe tham gia giao thông tại thời điểm giờ cao điểm và không phảigiờ cao điểm

Việc điều khiển đèn giao thông theo “làn xanh” sẽ giúp tăng tính năng lưu thôngcho các nút giao thông, điều khiển tiện lợi dễ dàng tiết kiệm chi phí, có tính mở rộngcao, tối ưu hóa việc tham gia của các phương tiện và khả năng thông xe nhanh nhấttrong điều kiện cơ sở vật chất đường và các công trình hỗ trợ giao thông hiện có Nâng

cao ý thức tham gia giao thông của người tham gia vào những tuyến đường có nhiềuphương tiện lưu thông.

1.2.2.3 Phương pháp tính toán, đặt thời gian cho tín hiệu đèn giao thông

Gọi δt là khoảng thời gian bằng thời gian phương tiện đi từ ngã tư này đến ngã tưkia thì ta có:

1.3 Mô hình hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giao thông

Trước đây, đa phần các loại tủ điều khiển đèn tín hiệu giao thông cũ được chế tạo

và sản xuất dựa trên thiết bị kỹ thuật số với các phần tử đóng cắt ra đèn sử dụng loại

có tiếp điểm như rơle, hoặc contactor nên tuổi thọ không cao và chỉ hoạt động độc lậptheo một chu kỳ thời gian cố định rất khó thay đổi Do không có trung tâm điều khiểnnên không thích ứng được với các sự thay đổi lưu lượng phương tiện thực tế dẫn đếnchỉ thực hiện tốt chức năng an toàn cho người và phương tiện lưu thông qua nút, cònchức năng giải toả ùn tắc giao thông hầu như không thực hiện được

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì hệ thống điều khiển tín hiệugiao thông cũng trở nên hiện đại hơn rất là nhiều:

− Có khả năng lựa chọn theo khoảng thời gian trong ngày hoặc bằng tay

− Chế độ ưu tiên, tùy theo nhu cầu giao thông thực tế

− Hệ thống điều khiển có một giao diện vận hành tiện lợi dựa trên giao diện người

sử dụng bằng đồ họa

Dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèn giaothông sử dụng bộ điều khiển PLC:

Hình 1-4 Mô hình hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông

− Máy tính: Trung tâm điều phối, cung cấp giao diện người dùng trực quan cho việc điều

khiển giám sát hệ thông

− PLC (Programable Logic Controler): Là thiết bị điều khiển logic lập trình được, PLC

nhận thông tin từ các cảm biến và xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất địnhdồng thời truyền lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành PLC cũng cung cấp thông tinđến trung tâm điều phối

− Ethernet switch: Mở rộng kết nối giữa các thiết bị PLC và máy tính thông qua mạng

Ethernet

1.4 Tổng kết chương

Ở chương 1 nhóm thực hiện khái quát và phân tích về hệ thống đèn giao thông, quytrình điều khiển đèn giao thông, các phương pháp điều khiển đèn giao thông và hệ

Qua tìm hiểu và phân tích ta thấy rằng có nhiều phương pháp điều khiển tín hiệuđền giao thông như:

− Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng IC số

− Phương pháp điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển

− Phương điều khiển đèn giao thông sử dụng bộ điều khiển PLC

Mỗi phương pháp trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Ngoài ra thôngqua chương 1 chúng ta biết được có hai hệ thống điều khiển giao thông phối hợp là: hệthống điều khiển phối hợp đồng bộ và hệ thống điều khiển phối hợp liên hoàn “lànsóng xanh” Qua đó giúp ta thấy được những lợi ích của việc áp dụng hệ thống điềukhiển phối hợp liên hoàn Để hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển phối hợp tín hiệu đèngiao thông sang chương 2 ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu những thiết bị cần thiết của hệthống điều khiển phối hợp tín hiệu giao thông đồng thời xây dựng chương trình điềukhiển cho hệ thống

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG SỬ

bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển Các yêucầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của

nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất Với thiết bị điềukhiển khả trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả nănghoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất Một số nhàsản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiểnkhả trình hay còn gọi là PLC

Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đemlại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le Các thiết bị này đượclập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độtin cậy cao hơn các hệ thống rơ le Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ratất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác

Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao vàkhả năng lập trình dễ dàng Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫnđược thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp Các mạch vào ra được thiết kếđảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao Cácngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như sơ đồ thang trong các hệ thống điềukhiển logic, nên các kỹ sư dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải quamột quá trình đào tạo nào Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trong thờigian đầu bị thất bại, cũng chính vì việc học sử dụng các phần mềm máy tính không dễ

Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các khả năng

cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn Các PLC có trang bị vi xử lý có khảnăng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứngdụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp Các PLC không chỉ dừng lại ởchổ là các thiết bị điều khiển logic, mà nó còn có khả năng thay thế cả các thiết bị điềukhiển tương tự Vào cuối những năm 70 việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sựphát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử Các PLC có thể điều khiển các thiết bịcách xa hàng vài trăm mét Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điềukhiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn

Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng chomục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết

bị “cứng” như các rơ le, cuộn hút và các tiếp điểm

Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp Chúngđược sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thựcphẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và chất thải, công nghiệp dượcphẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng,trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các

hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC CácPLC có thể được kêt nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu baogồm các quá trình điều khiển, đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thayđổi chương trình điều khiển từ xa Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ thống quản

lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các các

hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở

Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm 80 đã nâng cao đáng kể tínhnăng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuất Các

PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiêt bị lập trình và là giao diện giữangười vận hành và hệ thống điêu khiển Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạcho máy tính cá nhân PC, các PLC cũng được trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể

mô phỏng hoặc hiện thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điêu khiển.Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo cho ta khả

năng mô phỏng trước quá trình gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai Máytính cá nhân PC và PLC đều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sảnxuất và cả trong các hệ thống dịch vụ.

PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lý hoạt động,các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúnghoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất PLC khác với cácmáy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành Khi đượcbật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ khôngthể chạy được hoạt động nào khác Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như:Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãngchiếm phần lớn thị phần PLC thế giới Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộngrãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá

Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệthống công nghiệp Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điềukhiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn và quan trọng nhất là hiệu quả hơn PLC là sự lựachọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau:

− Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ

điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

− Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các máy tính

thông thường

− Giá thành thấp : Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó có khả năng

thay thế hàng trăm rơ le

− Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ các vật

liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu.Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này

− Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có thể

giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếpnhờ các mô đun vào ra I/O

− Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ thang, tương

tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường

− Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanh chóng và

dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình,bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ratrong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khingười dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu đểgiám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào vàlàm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạtđộng như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyềnthông với các thiết bị thông minh khác Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việctruy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

− Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việctruy xuất đến các chức năng của CPU

− Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trongmột khối xác định

PLC S7-1200 bao gồm 4 dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và 1215C Các moduleCPU khác nhau về hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình…vàchúng đều được tích hợp sẵn một cổng Profinet hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

Bảng 2-1 Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C

− Kiểu số

− Kiểu tương tự

− 6 ngõ vào / 4ngõ ra

− 2 ngõ ra

− 8 ngõ vào / 6ngõ ra

− 2 ngõ ra

− 14 ngõ vào /

10 ngõ ra

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

Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ

thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40oC

PROFINET Một cổng truyền thông Ethernet

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mởrộng chức năng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyềnthông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quyđịnh của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

Hình 2-1 Hình ảnh các module mở rộng S7-1200

− Communication module (CM):Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

− Signal board (SB):Board tín hiệu vào ra số, tương tự được gắn phía trên CPU.

− Signal Module (SM):Module tín hiệu vào ra số, tương tự.

Chi tiết các đặc tính của module được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 2-2 Bảng các đặc tính module mở rộng

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

2. Kết nối với các module mở rộng

3. Đèn LED hiển thị I/O trên board

4. Kết nối Profinet

Hình 2-2 Cấu tạo PLC S7-1200 – CPU 1214C

Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu chức năng của từng bộ phận:

Các đầu vào/ra số:

− Đầu vào (Ix.x): kết nối với nút ấn, công tắc, sensor … với điện áp vào tiêu chuẩn24VDC.

− Đầu ra (Qx.x): kết nối với các thiết bị điều khiển với các điện áp 24VDC hoặc220VAC (tùy thuộc vào loại CPU)

− Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC (tùy thuộc vào loại CPU)

Hình 2-3 Sơ đồ đấu nối PLC S7-1200 Đèn trạng thái:

CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về các trạng tháihoạt động Các trạng thái đó được thể hiện như sau:

ĐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM

+ Màu đỏ thuần túy: Chỉ thị phần cứng bị hỏng

− MAINT (maintenance): Đèn này sẽ nhấp nháy khi ta gắn vào một thẻ nhớ

− LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với máy tính thành công

− Rx/Tx: Màu vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền phát

− Ix.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu vào số (ON/OFF)

− Qx.x: Màu xanh chỉ thị trạng thái đầu ra số (ON/OFF)

Cổng truyền thông Profinet:

− Cho phép PLC kết nối với máy tính để thực hiện download chương trình từ máytính xuống PLC

− Truyền thông với các thiết bị khác như PLC, màn hình HMI… để điều khiển giámsát

b Cấu trúc phần cứng

Hình 2-4 Mô hình tổng quát của một PLC

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Cental Processing Unit):

Có nhiệm vụ xử lý thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng củaPLC Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.

CPU thường được chia làm hai loại: Đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từngữ”:

− Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, đơn thuần là

xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản thời gian xử lý dài

− Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép toán,

đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy nhiên thờigian xử lý được cải thiện nhanh hơn

− Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

Khối vào ra:

− Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC) vớimạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC)

− Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu chuẩn

EEPROM Miền nhớ ngoài

Bộ nhớ của PLC S7-1200 được chia thành 3 vùng cơ bản và hầu hết đều có khảnăng đọc ghi được

OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức, trong đó:

− Khối tổ chức khởi động – Startup: Khối khởi động được gọi khi PLC chuyển từ chế độSTOP sang RUN, chỉ được gọi một lần duy nhất khi PLC khởi động, thường được sửdụng để thiết lập những tham số và trạng thái ban đầu

− Khối tổ chức OB – Program cycle (Main OB): Khối tổ chức chính, mặc định thực thilặp vòng Nó được bắt đầu khi quá trình khởi động hoàn thành và bắt đầu trở lại khi nókết thúc Thời gian thực hiện Main OB gọi là thời gian quét(scan time), CPU ấn địnhthời gian quet tối đa, thông thường 150ms tùy thuộc vào CPU và có thể thay đổi được

− Khối tổ chức ngắt trì hoãn – Time delay interrupt: Được thực hiện sau 1 khoảng thờigian đặt trước bắt đầu từ OB20 đến OB23

− Khối tổ chức ngắt chu kỳ – Cyclic Interrup: Khối ngắt theo chu kì định trước, có 4khối tổ chức ngắt chu kỳ OB30 đến OB33

− Khối tổ chức ngắt phần cứng - Hardware Interrupt: Được thực hiện khi có lỗi xảy ra ởphần cứng bắt đầu từ OB40.

− Khối tổ chức ngắt lỗi thời gian (OB80) – Time error interrupt: Được thực hiện khi sốlệnh chương trình quá nhiều, thời gian thực hiện vượt quá chu kỳ quét

− Khối tổ chức ngắt chuẩn đoán – Diagnostic error interrupt: Thực hiện khi CPU pháthiện ra lỗi chuẩn đoán hoặc module có chức năng chuẩn đoán lỗi

− Khối tổ chức báo lỗi thêm bớt module – Pull/plug of module: Được thực thi hi cấuhình các module I/O phân tán, module mạng Profibus, Profinet, AS-I với sự kiệntháo/lắp module vào CPU

− 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, được phân biệt bởi các số nguyên

− FB (Function Block): Tương tự như FC, FB còn phải xây dựng 1 khối dữ liệu riênggọi là DB (Data Block)

Vùng nhớ tham số

− I (Process image input): Miền bộ đệm dữ liệu các ngõ vào số Trước khi bắt đầu thựchiện chương trình, PLC sẽ đọc tất cả giá trị logic của các cổng vào rồi cất giữ chúngtrong vùng I khi thực hiện chương trình CPU sẽ sử dụng các giá trị trong vùng I màkhông đọc trực tiếp từ ngõ vào số

− Q (Process image output): tương tự vùng I, miền Q là bộ đệm dữ liệu cổng ra số Khikết thúc chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số

− M (Memory): Miền các biến cờ Do vùng nhớ này không mất sau mỗi chu kỳ quét nênchương trìng ứng dụng sẽ sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết Cóthể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), theo từ (MW) hay từ kép (MD)

− PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input) Các giá trịtương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự độngtheo những địa chỉ Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte(PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID)

− PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O External output) Các giá trịtương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự độngtheo những địa chỉ Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte(PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD)

Vùng dữ liệu

PIW256 hoặc Q10.0

Phần chữ Phần số Phần chữ Phần số

DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành khối Kích thước hay

số lượng khối do người sử dụng qui định Có thể truy nhập miền này theo từng bit(DBX), byte( DBB), từng từ (DBW), từ kép (DBD).Ngoài ra, vùng nhớ DB nếu được

sử dụng với chức năng Instance DB để lưu trữ chỉ định cho FB và cấu trúc bởi cáctham số của FB

L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,

FC, FB tổ chức và sử dụngcho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hìnhthức với những khối đã gọi nó Toàn bộ vùng nhớ sẽ bị xoá sau khi khối thực hiệnxong Có thể truy nhập theo từng bit (L), byte (LB), từ LW), hoặc từ kép (LD)

+ Kiểu: Bit I[địa chỉ byte].[địa chỉ bit] I0.1

+ Kiểu: Byte, word, Double word I[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên]

Ví dụ: IB4, IW1, ID2

Vùng nhớ các đầu ra Q:

− Trong quá trình thực hiện các công việc trong một vòng quét(bao gồm cả chương trìnhđiều khiển), PLC sẽ ghi các giá trị tương ứng vào vùng nhớ này, cuối vòng quét PLC

sẽ gửi các giá trị này đến các đầu ra tương ứng

− Truy nhập:

+ Kiểu: Bit Q[địa chỉ byte].[địa chỉ bit] Q0.0

+ Kiểu: Byte, word, Double word Q[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên]

+ Kiểu: Bit M [địa chỉ bit] M10.1

+ Kiểu: Byte, Word, Double word M[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên]

Ví dụ: MB20, MW8, MD6

Vùng nhớ các đầu vào, đầu ra Analog AI, AQ:

− PLC chuyển đổi một giá trị điện áp (hoặc dòng điện) thành một số nhị phân (12 bit)lưu trữ trong vùng nhớ analog (hoặc ngược lại)

− Cách truy nhập với tín hiệu vào: PI[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên]

Ví dụ: PIB20, PIW8, PID6

− Cách truy nhập với tín hiệu ra: PQ[kích thước][địa chỉ byte đầu tiên]

Ví dụ: PQB20, PQW8, PQD6

Vùng nhớ của các khối dữ liệu DB:

Với chế độ Standard trong khối dữ liệu DB cột Offset chính là địa chỉ để truy xuất

dữ liệu của khối Và cách đọc địa chỉ sẽ được thể hiện dưới dạng sau đây:

Bảng 2-3 Định dạng vùng nhớ trong khối dữ liệu DB với chế độ Standard

2.1.2.3 Cấu trúc chương trình và giao diện lập trình trên PLC S7-1200

a Hoạt động của chương trình trên PLC

PLC thực hiện các công việc(bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu trìnhlặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scan cycle) Mỗi vòng quét được bắt đàu

bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giaiđoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từlệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối Main OB.

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm

ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầutruyền thông(nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU

Hình 2-6 Hoạt động của chương trình trên PLC

Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy

nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộđệm

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là thời gianvòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòngquét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quétđược thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trongchương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó.Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điềukhiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nóicách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điềukhiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trìnhcàng cao

Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40,OB80, Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuấthiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khối chương trình này có thể thực hiện tạimọi vòng quét chứ không phải bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chươngtrình Chẳng hạn một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyềnthông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông để thực hiệnchương trình ngắt Như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệungắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chươngtrình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quálạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp vớicổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trong vùng nhớ tham số Việctruyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPUquản lý Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừngmọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện với cổng vào/ra

- Chương trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phầnthực hiện một nhiệm vụ riêng biệt, từng phần nằm trong các khối OB1 và các khốichương trình FC, FB Sử dụng lập trình cấu trúc giúp chương trình dễ quản lý và sửalỗi, thuận tiện cho việc lập trình theo nhóm với những chương trình lớn.

Hình 2-7 Lập trình cấu trúc với FB/FC

c Kiểu dữ liệu

Kiểu dữ liệu hỗ trợ cho PLC S7 – 1200 sẽ được giải thích cách định dạng dữ liệu vàkích thước dữ liệu thông qua bảng sau:

Bảng 2-4 Kiểu dữ liệu của PLC S7 - 1200

Kiểu dữ liệu Miêu tả

Bit và chuỗi Bit

− Bool gồm 1 bit đơn

− Byte gồm 8 bit

− Word gồm 16 bit

− Dword gồm 32 bit

Interger

− USInt (số interger không dấu 8 bit)

− Sint (số interger có dấu 8 bit)

− UInt (số interger không dấu 16 bit)

− Int (số interger có dấu 16 bit)

− UDInt (số interger không dấu 32 bit)

− DInt (số interger có dấu 32 bit)

Số thực – Real − Real – số thực dấu chấm động 32 bit.

− LReal – số thực dấu chấm động 64 bit

Date and Time

− Date là kiểu dữ liệu 16 Bit chỉ số ngày có tầm từD#1990-1-1 đến D#2168-21-31

− DTL (date and time long) bao gồm dữ liệu với 12 Bytelưu trữ thông tin về ngày, tháng, năm

− Time là kiểu dữ liệu 32 Bit được miêu tả theo chuẩn IEC

Time tầm giá trị lên đến T#24D20H31M23S647MS.

− TOD (Time of day) là kiểu dữ liệu 32 bit có tầm giá trị

từ TOD#0:0:0.0 đến TOD#23:59:59.999.

Char và String − Char là kiểu dữ liệu ký tự với 8 Bit

− String là kiểu dữ liệu chuỗi lên tới 256 char

Array và Structure

− Array là kiểu dữ liệu mảng bao gồm nhiều thành phầnđơn giống nhau về kiểu dữ liệu Mảng có thể tạo tronggiao diện interface của OB, FB, FC, DB

− Struct là kiểu dữ liệu định dạng theo cấu trúc thành phần

có thể định nghĩa bởi người dùng

PLC data types − PLC data types hay còn gọi là UDT là dạng dữ liệu cấutrúc có thể định nghĩa bởi người dùng.Pointer − Pointer hay con trỏ sử dụng để định địa chỉ gián tiếp

d Phần mềm lập trình

Năm 2009, Siemens giới thiệu PLC S7-1200 cùng với phần mềm lập trình TIAPortal V10.5 (Total Intergrated Automation Portal) tích hợp sẵn Step 7 Basic lập trìnhcho PLC S7-1200 và Wincc Basic lập trình cho dòng màn hình KTP

Từ năm 2010 – đến nay, Siemens không ngừng cải thiện và nâng cấp phần mềmTIA Portal V10.5 lên tới TIA Portal V13 Hiện nay, phần mềm TIA Portal là phầnmềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ tự động hóa và truyềnđộng điện: PLC, HMI, Inverter của Siemens.TIA Portal được thiết kế với giao diệnthân thiện người sử dụng, lần đầu làm quen thì rất rối mắt bởi rất nhiều tính năng vàtác vụ của nó, nhưng khi làm quen nhiều rồi thí đúng là rất tiện, tất cả trong một Tất

cả các bộ điều khiển PLC, HMI, Inverter đều được cấu hình trên TIA Portal V13 tạo ra

sự nhất quán trong việc lập trình và cấu hình sản phẩm

Các gói phần mềm có trong TIA Portal:

− SIMATIC STEP7 Professional V13 và SIMATIC STEP7 V13 PLCSIM: dùng đểlập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-300, S7-400

− SIMATIC WinCC Professional V13: Lập trình giao diện HMI và SCADA

− SIMATIC Start Driver V13: Cấu hình biến tần Siemens

Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho người dùng nhằmphát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều khiển ứng dụng,bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong đề án, nhưcác thiết bị PLC hay HMI STEP 7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và

với ứng dụng, và còn cung cấp các công cụ để tạo ra và cấu hình các thiết bị HMItrong đề án của người dùng Để giúp người dùng tìm ra thông tin cần thiết, STEP 7Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến.

2.1.2.4 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200

Với dòng sản phẩm PLC S7-1200 ứng dụng cho hệ thống nhỏ và vừa, Siemens pháttriển và ưu tiên hỗ trợ cho 3 ngôn ngữ lập trình:

− Lập trình hình thang (LAD – Ladder Logic)

− Lập trình khối hàm (FBD – Funtion Block Diagram)

− Lập trình theo dạng text (SCL - Structured Control Language)

+ Tiếp điểm thường đóng:

+ Tiếp điểm thường mở:

− Cuộn dây: Mô tả cuộn dây relay, toán hạng sử dụng là bit

− Khối hộp: Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, làm việc khi có tín hiệu kích đến.Những hàm thường được biểu diễn bằng khối hộp là các hàm tạo trễ (Timer), hàm đếm(Counter) và các hàm toán học khác

− Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh Thông thường cáctín hiệu điện phải đi từ dây nóng qua thiết bị rồi đến dây trung tính sau đó về nguồn,tuy nhiên trong phần mềm lập trình chỉ thể hiện dây nóng ở bên trái và các đường nốiđến thiết bị từ đó

Ngôn ngữ FBD:

Đây là ngôn ngữ lập trình dựa theo đại số Boolean Sử dụng các khối hàm môphỏng các lệnh và khối làm việc trong mạch số Các phần tử cơ bản trong phươngpháp này là các khối lệnh được liên kết với nhau

Lưu ý: Khi viết code cho một khối hàm nào đó (OB, FB, FC) thì người dùng có thể

sử dụng một trong 3 ngôn ngữ trên để có thể lập trình

2.2 Mạng truyền thông Profinet

2.2.1 Giới thiệu về Profinet

PROFINET là một chuẩn mở của HTTĐH dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp.PROFINET cung cấp những chức năng như: tự động phân phối, tích hợp các thiết bị

có sẵn, các hoạt động điều hành, các ứng dụng thời gian thực (như điều khiển chuyểnđộng) Thêm vào việc sử dụng CNTT, việc bảo vệ sự đầu tư cũng đóng vai trò quantrọng đối với PROFINET PROFINET cho phép tích hợp các hệ thống có sẵn nhưPROFIBUS mà không cần thay đổi các thiết bị khác trong hệ thống Điều này đảm bảoviệc đầu tư vào các thiết bị không trở nên lãng phí do việc không tương thích với nhau.Profinet có thể đáp ứng được tất cả những yêu cầu về mặt CNTT của HTTĐH Toàn

bộ những kinh nghiệm của Profibus trong nhiều năm về việc chuẩn hóa đã đượcchuyển giao cho Profinet Việc sử dụng chuẩn mở, những khả năng xử lý đơn giản, vàkhả năng tích hợp nhiều hệ thống có sẵn đã được định nghĩa ngay từ đầu trongProfinet Profinet hiện được tích hợp trong IEC 61158

Một trong những điểm mạnh của Profinet là có tầm nhìn dài hạn trong việc pháttriển công nghệ Nhờ đó, chi phí phát sinh bởi hệ thống máy móc trong quá trình càiđặt, khởi động và vận hành được giảm xuống tối đa Điểm mạnh của Profinet chính làgiúp cho việc mở rộng sự kết nối máy móc trở nên dễ dàng hơn nhiều, đồng thời việchoạt động hoàn toàn độc lập, không phụ thuộc vào nhau Những sản phẩm của Profinetđược chứng nhận đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cao từ tổ chức người dùng Profibus

2.2.2 Khả năng truyền thông qua mạng Ethernet của PLC S7-1200

− 8 kết nối với Open User Communication (truyền hay nhận dữ liệu) như:TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEND, và TRCV.

− 3 kết nối truyền thông giữa CPU – CPU S7 Communication để trao đổi dữ liệuvới PUT/GET với chức năng là Server

− 8 kết nối truyền thông giữa CPU – CPU S7 Communication để trao đổi dữ liệuvới PUT/GET với chức năng là Client

− Kết nối HMI được cấu hình thông qua phần mềm TIA Portal

− 1 kết nối PG (kết nối với máy tính lập trình)

− Nhiều kết nối đến Web server (HTTP)

2.2.3 Truyền thông dữ liệu CPU S7-1200 với Profinet

2.2.3.1 Kết nối giữa Local và Partner

Kết nối Local/Partner (remote) định nghĩa một giao thức kết nối giữa hai thànhphần để thiết lập các dịch vụ truyền thông Một kết nối được định nghĩa gồm:

− Các thiết bị truyền thông tham gia vào giao thức/ lập trình truyền thông (1 bêntruyền, 1 bên nhận)

− Kiểu kết nối – Type of connection (ví dụ như 1 PLC, HMI hay các thiết bị kếtnối mạng…)

− Kết nối theo đường dẫn – Connection path

Truyền thông giữa các Partner được thực hiện thông qua lệnh để cài đặt và thựchiện truyền thông kết nối Người dùng sử dụng các tham số để chỉ định bên truyền vàbên nhận dữ liệu truyền thông giữa đầu/cuối của các Partner Sau khi kết nối đượcthiết lập và thực hiện thì kết nối sẽ tự động thực hiện và giám sát bởi CPU

Nếu kết nối bị kết thúc, bị rớt mạng (ví dụ như đứt dây), Partner sẽ tự động thựchiện kết nối trở lại cho tới khi tìm được thiết bị mà người dùng không cần phải cấuhình lệnh trở lại

CPU có thể kết nối với các CPU khác, với máy tính lập trình, HMI và các thiết bịkhông phải của Siemens khi sử dụng chuẩn truyền thông TCP protocol

Thiết bị lập trình được kết nối đếnCPU S7-1200

Màn hình HMI được kết nối đến CPUS7-1200

Một CPU S7-1200 được kết nối đếnCPU S7-1200 khác

Hình 2-8 Truyền thông trực tiếp giữa 2 thiết bị qua mạng Ethernet

Các dòng sản phẩm CPU 1211C, 1212C, 1214C chỉ có một cổng mạng, cho nên chỉ

có thể kết nối được với từng máy tính lập trình, HMI, CPU khác tại một thời điểm Để

có thể kết nối cùng một lúc nhiều thiết bị người dùng phải sử dụng Ethernet switching(Hub mạng)