xây dựng mô hình thực tế trên hệ thống, tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách đấu nối và cài đặt của Loadcell, PLC, màn hình HMI sử dụng trong mô hình

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI logic khả trình chuyển người điều hành và máy móc thiết bị... Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Việc xây dựng mô hình vật lý, cài đặt và đấ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào

Các số liệu, kết quả trong bản đồ án này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hữu Đức

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Trần Tiến Lương, đã hướng dẫn

và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, với kinh nghiệm giảng dạy lâu năm cùng kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực PLC thầy đã giúp em hoàn thành được những mục tiêu cơ bản mà đề tài đặt ra Bên cạnh đó

em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn và bộ môn Điện tự động công nghiệp đã hỗ trợ trang thiết bị vật tư để tạo điều kiện giúp đỡ chúng

em hoàn thành mô hình và bản đồ án này

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU i

1 Tính cấp thiết của đề tài i

2 Mục đích của đề tài i

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu i

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học i

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài i

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 1

1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 1

1.1.1 Khái quát chung 1

1.1.2 CPU S7-1200 1

1.1.3 Module mở rộng PLC S7-1200 4

1.1.4 Cổng PROFINET 5

1.1.5 Lưu trữ dữ liệu, các vùng nhớ và việc ghi địa chỉ 7

1.1.6 Vòng quét chương trình 10

1.2 GIỚI THIỆU VỀ MÀN HÌNH KTP 600 Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khái quát về sản phẩm Error! Bookmark not defined 1.2.2 Thiết kế cơ bản của KTP600 PN basicError! Bookmark not defined 1.2.3 Bật tắt thiết bị KTP 600 Error! Bookmark not defined 1.2.4 Nhập dữ liệu Error! Bookmark not defined 1.2.5 Cấu hình thiết bị KTP 600 Error! Bookmark not defined 1.2.6 Thay đổi cấu hình mạng 17

1.2.7 Giao tiếp của KTP 600 18 CHƯƠNG 2 GIAO TIẾP TRONG PLC S7-1200 VÀ MÀN HÌNH KTP 600

Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu phần mềm TIA Portal Error! Bookmark not defined 2.1.1 Khái quát phần mềm Error! Bookmark not defined

defined

2.2 Giao tiếp giữa PLC S7 1200 với PC Error! Bookmark not defined 2.2.1 Thành lập kết nối truyền thông phần cứngError! Bookmark not defined

2.2.2 Cấu hình cho thiết bị Error! Bookmark not defined

2.3 Giao tiếp giữa KTP 600 với PC 26

2.3.1 Thiết lập dự án 27

2.3.2 Thành lập kết nối truyền thông phần cứngError! Bookmark not defined 2.3.3 Cấu hình cho thiết bị Error! Bookmark not defined 2.4 Giao tiếp giữa PLC S7-1200 với màn hình KTP 600 Error! Bookmark not defined 2.4.1 Các bước cần thiết trong việc cấu hình truyền thông giữa một HMI và một CPU Error! Bookmark not defined 2.4.2 Cấu hình các kết nối mạng logic giữa một HMI và một CPU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO KHỐI LƯỢNG 35

3.1 Thực hiện bài toán 35

3.1.1 Xây dựng bài toán cụ thể 35

3.1.2 Giải pháp thực hiện 35

3.2 Các thiết bị trong mô hình 36

3.2.1 Loadcell 36

3.2.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu DRAGO DS7500 37

3.2.3 Màn hình HMI KTP 600 Error! Bookmark not defined 3.3 Thiết kế xây dựng điều khiển và giám sát mô hình 41

3.3.1 Sơ đồ mạch điều khiển 41

3.3.2 Sơ đồ tuật toán 43

3.3.3 Chương trình điều khiển 43

3.4 Kết quả 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

logic khả trình

chuyển

người điều hành và máy móc thiết bị

1.3 Kết nối trực tiếp: Thiết bị lập trình đƣợc kết nối CPU

S71200

6

một CPU S7-1200 khác

6

1.6 Kết nối mạng: Có nhiều hơn 2 thiết bị đƣợc kết nối với

nhau, bằng cách sử dụng một bộ chuyển mạch Ethernet

(LAN)

19

2.4 Chọn cấu hình thiết bị 23

2.19 Lựa chọn cổng trên một thiết bị và kéo kết nối đến cổng

trên thiết bị thứ hai

34

3.11 Bảng PLC tags 45

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nền công nghiệp đang phát triển theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa Các thiết bị đo lường được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp Vậy nên việc ứng dựng mô hình đo khối lượng vào thực tế sản xuất là cần thiết

2 Mục đích của đề tài

Xuất phát từ tính cấp thiết của đề tài, em đã tiến hành xây dựng mô hình

đo khối lượng Sử dụng Loadcell đưa tín hiệu về PLC xử lý và hiển thị lên màn hình HMI

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tiến hành xây dựng mô hình thực tế trên hệ thống, tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách đấu nối và cài đặt của Loadcell, PLC, màn hình HMI

sử dụng trong mô hình

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Trong quá trình nghiên cứu nhóm đã tiến hành thu thập tài liệu về các loại Loadcell, bộ chuyển đổi, PLC và màn hình KTP 600 Phân tích các tài liệu thu được, tổng hợp các đặc điểm chính cần thiết cho đề tài Từ các đặc điểm đã tổng hợp được ta tiến hành thiết kế, xây dựng mô hình đo khối lượng Chạy thử mô hình vật lý đã xây dựng, tiến hành hiệu chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Việc xây dựng mô hình vật lý, cài đặt và đấu nối giữa PLC với Loadcell

và màn hình KTP 600 trong mô hình giúp em có được những kiến thức quý báu

về hệ thống điều khiển dùng PLC trong công nghiệp nói chung cũng như cách vận hành và cài đặt chương trình PLC nói riêng Đó là những kiến thức vô cùng

bổ ích cho em sau khi ra trường và đi làm

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH

1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200

1.1.1 Khái quát chung

“Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển

tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh

mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việctruyền thông với các thiết bị thông minh khác.”[5]

“Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

nằm trong một khối xác định

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếpqua một mạng PROFINET Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485.”[5]

1.1.2 CPU S7-1200

“Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh,

bộ nhớ chương trình khác nhau…

S7-1200 có 3 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và 1214C

Hình 1.1 CPU S7-1200 (1): Bộ phận kết nối nguồn

(2): Bộ phận kết nối dây dẫn vào ra cho người dùng

(3): Các led trạng thái I/O

(4): Cổng PROFINET

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.”[9]

Bảng 1.1 Chức năng của các loại CPU S7-1200

Chức năng CPU 1211C CPU1212C CPU 1214C

I/O tích hợp cục bộ

 Kiểu số

 Kiểu tương tự

 6 ngõ vào / 4 ngõ ra

 2 ngõ ra

 8 ngõ vào /6 ngõ ra

 2 ngõ ra

 14 ngõ vào /10 ngõ ra

 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40C

Tốc độ thực thi tính

toán thực

18 µs/lệch

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số

và quy định của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

16 x DC In

16 x DC Out

16 x relay Out

Module truyền thông (CM)

-Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP)

- ISO trên TCP (RFC 1006)

CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với thiết bị lập trình STEP 7 Basic, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của

Siemens bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:

-Kết nối trực tiếp: sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết bị lập trình, HMI hay một CPU khác đƣợc kết nối đến một CPU riêng lẻ

- Kết nối mạng: sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với hơn hai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị không phải của Siemens).”[7]

Hình 1.3 Kết nối trực tiếp: Thiết bị lập trình đƣợckết nối CPU S7 1200

Hình 1.4 Kết nối trực tiếp: HMI đƣợc kết nối đến CPU S7-1200

Hình 1.5 Kết nối trực tiếp: Một CPU 1200 đƣợc kết nối đến một CPU

S7-1200khác

Hinh 1.6 Kết nối mạng: có nhiều hơn 2 thiết bị được kết nối với nhau, bằng

cách sử dụng một bộ chuyển mạch EthernetCSM1277 Một bộ chuyển mạch Ethernet là không cần thiết đối với một kết nối trựctiếp giữa một thiết bị lập trình hay HMI với một CPU Bộ chuyển mạchEthernet chỉ được yêu cầu cho một mạng với nhiều hơn 2 CPU hay các thiết bị HMI Bộ chuyển mạch Ethernet 4 cổng CSM1277 của Siemens có thể được dùng để kết nối các CPU và các thiết bị HMI Cổng PROFINET trên CPU S7-1200 không chứa một thiết bị chuyển mạch Ethernet

*Số lượng tối đa các kết nối đối với cổng PROFINET

Cổng PROFINET trên CPU hỗ trợ các kết nối truyền thông đồng thời sau:

 3 kết nối đối với truyền thông HMI đến CPU

 1 kết nối đối với truyền thông thiết bị lập trình (PG) đến CPU

 8 kết nối đối với truyền thông chương trình S7-1200 bằng cách sử dụng các lệnh khối T (TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN, TRCV)

 3 kết nối đối với một CPU S7-1200 thụ động giao tiếp với một CPU S7 tích cực

1.1.5 Lưu trữ dữ liệu, các vùng nhớ và việc ghi địa chỉ

“CPU cung cấp một số các tùy chọn dành cho việc lưu trữ dữ liệu trong suốt sựthực thi chương trình người dùng:

- Global memory (bộ nhớ toàn cục): CPU cung cấp nhiều vùng nhớ chuyên môn hóa, bao gồm các ngõ vào (I), các ngõ ra (Q) và bộ nhớ bit (M) Bộ nhớ này là có thể truy xuất bởi tất cả các khối mã mà không có sự hạn chế nào

- Data block (DB – khối dữ liệu): ta có thể bao gồm các DB trong chương trình người dùng để lưu trữ dữ liệu cho các khối mã Dữ liệu được lưu trữ vẫn duy trìkhi sự thực thi của một khối mã có liên quan dần kết thúc

- Temp memory(bộ nhớ tạm thời): khi một khối mã được gọi, hệ điều hành của CPU phân bổ bộ nhớ tạm thời hay cục bộ (L) để sử dụng trong suốt sự thực thi của khối Khi sự thực thi của khối hoàn thành, CPU sẽ phân bổ lại bộ nhớ cục bộ dành cho việc thực thi các khối mã khác

Mỗi vị trí bộ nhớ khác nhau có một địa chỉ đơn nhất Chương trình ngườidùng sử dụng các địa chỉ này để truy xuất thông tin trong vị trí bộ nhớ.”[9]

Bảng 1.3 Các vùng nhớ của CPU S7 1200

buộc

Lưu trữ

Được sao chép từ các ngõ vào vật lý tại

Việc đọc ngay lập tức của các điểm ngõ

Việc nghi ngay lập tứ của các điểm ngõ

M

L

Bộ nhớ tạm thời

Dữ liệu tạm thời cho một khối, một bộ

“byte.bit”) Trong ví dụ này, vùng bộ nhớ và địa chỉ byte (M = bộ nhớ bit và

2 = byte 2) đƣợc theo sau bởi một dấu chấm (“.”) để ngăn cách địa chỉ bit (bit 4)

A B C D

E

F

Ta có thể truy xuất dữ liệu trong hầu hết các vùng bộ nhớ (I, Q, M, DB và L)gồm các kiểu Byte, Word, hay Double Word bằng cách sử dụng định dạng

“byte address” Để truy xuất một dữ liệu Byte, Word, hay Double Word trong

bộ nhớ, ta phải xác định địa chỉ theo cách giống như xác định địa chỉ cho một bit Điều này bao gồm một bộ định danh vùng, ký hiệu kích thước dữ liệu, và địa chỉ byte bắt đầu của giá trị Byte, Word, hay Double Word Các ký hiệu kích thước là B (Byte), W (Word) và D (Double Word), ví dụ IB0, MW20 hay QD8 Các tham chiếu như là I0.3 và Q1.7 sẽ truy xuất ảnh tiến trình Để truy xuất ngõ vào hay ngõ ra vật lý, ta cộng thêm tham chiếu với ký tự “:P” (như là I0.3:P, Q1.7:P hay “Stop:P”)

1.1.6 Vòng quét chương trình

Hình 1.8 Vòng quét chương trình

- “Mỗi chu kỳ quét bắt đầu bằng việc tìm kiếm các giá trị hiện thời của các ngõ ra kiểu số hay kiểu tương tự từ ảnh tiến trình và sau đó ghi chúng đến các ngõ ra vật lý của CPU, các module SB và SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tựđộng (cấu hình mặc định) Khi một ngõ ra vật lý được truy xuất bởi một lệnh, cả ảnh tiến trình ngõ ra và bản thân ngõ ra vật lý đều được cập nhật

- Chu kỳ quét tiếp tục bằng việc đọc các giá trị hiện thời của các ngõ vào kiểu sốhay kiểu tương tự từ CPU, các module SB, SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tự động (cấu hình mặc định), và sau đó ghi các giá trị này đến ảnh tiến trình Khi một ngõ vào vật lý được truy xuất bởimộtlệnh, giá trị của ngõ vào vật lý được truy xuất, nhưng ảnh tiến trình ngõ vào không được cập nhật

- Sau khi đọc các ngõ vào, chương trình người dùng được thực thi từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh cuối cùng Điều này bao gồm tất cả các OB chu kỳ chương trình cộng với tất cả các FC và FB có liên quan của chúng Các OB chu kỳchương tình được thực thi theo trật tự của số hiệu OB, trong đó số hiệu OB thấp nhất được thực thi trước tiên

- Việc xử lý các truyền thôngxuất hiện một cách định kỳ trongsuốt quátrình quét, có thể ngắt sự thực thi chương trình người dùng.Các kiểm tra tự chẩn đoán gồm cả các kiểm tra định kỳ của hệ thống và các kiểm tra trạng thái module I/O Các ngắt có thể xuất hiện trong suốt bất kỳ phần nào của chu kỳ quét, và được điều khiển theo sự kiện Khi một sự kiện xuất hiện, CPU ngắt chu kỳ quét

và gọi OB đã được cấu hình để thực thi sự kiện đó Sau khi OB hoàn thành việc thực thi sự kiện, CPU khôi phục lại sự thực thi của chương trình người dùng tại điểm ngắt”.[9]

1.2 GIỚI THIỆU VỀ MÀN HÌNH KTP 600

1.2.1 Khái quát về sản phẩm

“KTP 600 là mộtHMI (Human-Machine-Interface), có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên phức tạp hơn Một trong những đặc điểm tiến bộ trong sản phẩm này là hiển thị dạng cảm ứng Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn các “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp.”[3]

Hình 1.9 Màn hình KTP600 PN basic

 Kiểu đơn sắc (STN, dải màu xám)

 Màn hình chạm 6 inch với 6 phím tiếp xúc

 Kiểu thẳng đứng hay nằm ngang

1.2.2 Thiết kế cơ bản của KTP600 PN basic

Hình 1.10 Cấu tạo màn hình KTP 600.[3]

1) Màn hình / màn hình cảm ứng.6) Kết nối cung cấp điện

4)Phím chức năng 9) Hướng dẫn cho dải ghi nhãn

5)Giao diện PROFINET.10)Nối đất

1.2.3 Bật tắt thiết bị KTP 600

a Bật thiết bị HMI: Cung cấp nguồn 24v để bật KTP 600

Hình 1.11 Cấp nguồn 24v cho thiết bị KTP 600

Bộ nạp mở ra sau khi thiết bị đƣợc cấp nguồn

Hình 1.12 Giao diện khởi động KTP 600 -Nhấn nút "Transfer" để thiết lập các thiết bị HMI chuyển chế độ

- Nhấn nút "Start" để bắt đầu dự án trên thiết bị HMI

- Nhấn nút "Control Panel" để mở bảng điều khiển của thiết bị HMI Bạn

có thể thực hiện một loạt các thiết lập trong Control Panel

Bảng 1.4 Chức năng của các phím trên màn hình Con trỏ trái

Con trỏ bên phải xóa nhân vật Hủy bỏ đầu vào Xác nhận đầu vào Hiển thị thông tin văn bản Chìa khóa này chỉ xuất hiện khi một infotext đã được cấu hình cho người điều khiển

Bảng 1.5 Chức năng của các thuộc tính trong Control Panel

Thay đổi cài đặt MPI / DP Thay đổi cấu hình mạng Cài đặt hoạt động cho HMI

Thay đổi thiết lập mật khẩu Cho phép một kênh dữ liệu

Thiết lập Saver màn hình

Thiết lập tín hiệu âm thanh

1.2.6 Thay đổi cấu hình mạng

- Lỗi truyền thông gây ra bởi các cuộc xung đột địa chỉ IP

- Lỗi truyền thông có thể xảy ra nếu một số thiết bị trong một mạng chia sẻ cùng một IP địa chỉ Mỗi thiết bị HMI chỉ có một địa chỉ IP là duy nhất trong mạng

Hình 1.15 Thiết lập địa chỉ IP cho KTP 600

1 Nhấn nút “Profinet” để mở “Profinet Cài đặt” hộp thoại

2 Chọn một trong hai địa chỉ tự động giao thông qua DHCP, hoặc người sử dụng cụ thể gán địa chỉ

3 Nếu gán một địa chỉ sử dụng cụ thể, sử dụng bàn phím màn hình để nhập hợp lệ Địa chỉ IP trong “Địa chỉ IP”

1.2.7 Giao tiếp của KTP 600

 KTP 600 kết nối trực tiếp với thiết bị lập trình qua cổng PROFINET

Hình 1.16 Kết nối PC thông qua cổng PROFINET(LAN)

 Kết nối màn hình KTP600 với PLC

Hình 1.17 Kết nối KTP với PLC thông qua cổng PROFINET(LAN)