Luận Văn S7 200 WinCC Flexible 2008

Luận văn tốt nghiệp hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động sử dụng phần mềm WinCC Flexible 2008 và MicroWin, Tài liệu dùng để nghiên cứu và học tập Giúp các bạn chưa biết về phần mềm có thể tự tìm hiểu và làm theo rất dễ dàng

MỤC LỤC

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC SIEMEN 1

1.1 Tổng quan về PLC .1

1.1.1 Khái niệm PLC .1

1.1.2 Lịch sử phát triển của PLC .1

1.1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển .3

1.2 Giới thiệu về PLC họ S7 4

1.2.1 Sơ lược về các dòng PLC họ s7 .4

1.2.2 PLC s7 – 200 modul 224 AC/DC/RLY .6

1.2.3 Hình dạng và cấu trúc bên ngoài của s7-200 .7

1.2.4 Cấu trúc phần cứng .8

1.2.5 Mở rộng cổng vào ra .9

1.2.6 Thực hiện chương trình .9

1.2.7 Cấu trúc chương trình 10

1.2.8 Thiết bị lập trình 10

1.2.9 Kiểu dữ liệu 11

CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH STEP7 MICRO/WIN 12

2.1 Giao diện làm việc 12

2.2 Các khối sử dụng trong giao diện lập trình 13

2.2.1 Khối Programe Block 13

2.2.2 Khối Data Block 14

2.2.3 Khối System Block 15

2.2.4 Khối Symbol Table 16

2.2.5 Khối Status Chart 16

2.2.6 Khối Cross Reference 16

2.2.7 Khối Communication 16

2.3 Ngôn ngữ lập trình 18

2.3.1 Phương pháp lập trình 18

2.3.2 Phương pháp lập trình hình thang LAD 18

2.3.3 Phương pháp liệt kê câu lệnh STL 19

2.3.4 Phương pháp khối hàm FBD 19

1.1.2 Lịch sử phát triển của PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những

kỹ sư Công ty General Motor – Hoa Kỳ đã sáng chế và cho ra đời năm 1968

Với các chỉ tiêu kỹ thuật

nhằm đáp ứng các yêu cầu điều

khiển:

 Dễ lập trình và thay đổi

chương trình

 Cấu trúc dạng Module mở

rộng, dễ bảo trì và sữa chữa

 Đảm bảo độ tin cậy trong môi

trường sản xuất

Hình 1.1: PLC đầu tiên ra đời 1968 tại Hoa kỳ Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế - chế tạo từng bước cải tiến hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành hơn

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay

(Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển.

Trong giai đoạn này các hệ

thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ

đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay

và dây nối trong hệ thống điều khiển

thời kỳ đầu Qua quá trình vận hành,

các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra

được một tiêu chuẩn mới cho hệ

thống Đó là tiêu chuẩn dạng lập trình

dùng giản đồ hình thang

Hình 1.2: PLC sản xuất năm 1969

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho

hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :

 Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ

ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

 Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn

 Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những năm đầu thập niên 1970,

với sự phát triển của công nghệ phần

Từ năm 1970 cho đến nay, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở thành một thiết

bị không thể thiếu trong công nghiệp tự động

Các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn

Hình 1.4: Những PLC phổ biến hiện nay ( Mitsubishi, Siemen)

1.1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm soát, xử lý và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã đạt được xác định nhằm đạt kết quả tốt nhất ở sản phẩm đầu ra thì được gọi là Hệ thống điều khiển

Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

 Điều khiển nối cứng

 Điều khiển logic khả trình

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:

 Khối vào

 Khối xử lý-điều khiển

 Khối ra

 Khối vào:

Khối có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là: nút nhấn, cảm biến …và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục(analog)

1.2 Giới thiệu về PLC họ S7

1.2.1 Sơ lƣợc về các dòng PLC họ s7

Hãng Siemens là một trong những hãng hàng đầu trên thế giới và được tin dùng tại Việt Nam ngay từ những ngày đầu công nghiệp hóa sản xuất

Có các dòng PLC s7 cơ bản sau đây:

 S7-200: Là dòng sản phẩm trung bình có ứng dụng cho các dự án vừa có số đầu

I/O vừa phải (tầm 128) Nó mang đầy đủ các đặc tính và các hàm toán học, logic cần thiết.Và đặc biệt có thể kết nối hệ thống và có khả năng ứng dụng cho lập trình Scanda nhỏ và điều khiển cho hệ thống công nghiệp môi trường khắc nghiệt

 S7 300, 400: Là dòng sản phẩm cao cấp có ứng dụng cho các dự án lớp và môi

trường khắc nghiệt Dòng có số I/O lớn, có thời gian đáp ứng nhanh và có khả năng

mở rộng trong tương lai xa Hàm viết có cấu trúc phức tạp nhưng ưu điểm lại có thể viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình người dùng có thể có nhiều chọn lựa.Giá thành hơi cao nhưng hiệu quả đi kèm rất tốt và có nhiều hàm mang đặc tính riêng biệt và nhiều module mở rộng đếm các xung tốc độ cao cho dự án

 S7-1200: Là dòng sản phẩm S7-1200 nhằm thay thế S7-200 với nhiều ưu điểm

 Bao gồm:

 Bộ điều khiển tích hợp với giao diện PROFINET IO điều khiển để giao tiếp giữa bộ điều khiển SIMATIC , HMI , thiết bị lập trình hoặc các thành phần tự động hóa khác

 Mô-đun giao tiếp với giao diện PROFIBUS DP

 Mô-đun truyền thông PROFIBUS DP

 GPRS mô-đun kết nối GSM / GPRS cho điện thoại di động

 Chức năng ghi dữ liệu để lưu trữ dữ liệu trong thời gian chạy từ chương trình sử dụng

 Mạnh mẽ , chức năng tích hợp công nghệ như đếm, đo lường, điều khiển vòng kín và điều khiển chuyển động

 Tích hợp đầu vào / đầu ra kỹ thuật số và analog

 Module truyền thông mở rộng

 Đặc điểm:

 Cung cấp tự động hóa tối đa, chi phí tối thiểu

 Tích hợp đa dạng , tiết kiệm không gian , mạnh mẽ

 Thích hợp cho các ứng dụng vừa và nhỏ

PLC s7-1500:S7-1500 là bộ điều khiển thế hệ mới của TIA và là 1 cốt mốc quan trọng trong tự động hóa S7-1500 với nhiều tính năng cải tiến cho sự tối ưu hóa hoạt động, dễ dàng sử dụng trong hoạt động

 Mạnh mẽ hơn

- Hiệu suất của hệ thống cao do thời gian đáp ứng ngắn và chất lượng điều khiển cao nhất

- Tích hợp công nghệ điều khiển vị trí

- Tích hợp chức năng bảo mật cao nhất

 Hiệu quả hơn

- Cải tiến thiết kế, dễ dàng trong việc sử dụng cũng như kiểm tra hệ thống

- Tích hợp chuẩn đoán lỗi hệ thống, tự động hiển thị trên màn hình

- TIA Portal giúp cho việc lập trình hiệu quả và giảm giá thành sản phẩm

 Tính năng mới:

- Bus kết nối module tốc độ cao giúp xử lý tín hiệu nhanh hơn

- 3 cổng truyền thông Ethernet với 2 IP

- Vẽ đồ thị (Trace): giúp việc chuẩn đoán các ứng dụng Motion và biến tần chính xác

- Chức năng điều khiển trục và tốc độ được tích hợp

- Chức năng điều khiển PID (version 2.0)

- Nhiều cấp bảo mật cho chương trình

- Màn hình hiển thị các trạng thái của CPU và module cũng như chuẩn đoán lỗi

1.2.2 PLC s7 – 200 modul 224 AC/DC/RLY

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức),

có cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng Các module này được sử dụng với những mục đích khác nhau

Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình

và dữ liệu (Catridge )

Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ ) và 22X ( loại mới ), trong đó

họ 21X không còn sản xuất nữa Họ 21X có các đời sau: 210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau: 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

Bảng 1.1: Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của series 22X

1.2.3 Hình dạng và cấu trúc bên ngoài của s7-200

- Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF)

 Port truyền thông

- Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biến tần…

- Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng

 Công tắc chuyển chế độ

- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnh STOP thì PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở vị trí RUN ( quan sát đèn trạng thái )

- STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF

- TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra còn được dùng để download chương trình người dùng

 Vít chỉnh tương tự

Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ

để thay đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình

1.2.4 Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:

- Module nguồn

- Module đầu vào

- Module đầu ra

- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

- Module bộ nhớ

- Module quản lý phối ghép vào ra

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

CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng của PLC 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

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

Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ ra và cách ly quang

 Bộ nguồn

Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC

 Khối quản lý ghép nối

Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp

1.2.5 Mở rộng cổng vào ra

Các PLC họ S7-200 đều có thể mở rộng thêm các đầu vào/ra và các chức năng nâng cao khác bằng cách ghép nối thêm các module mở rộng về phía bên phải của PLC tạo thành một móc xích các module Địa chỉ của các vị trí các module được xác định bằng kiểu vào ra và vị trí của các module trong móc xích, bao gồm các module có cùng kiểu

Các module mở rộng số hay tương tự đều chiếm chỗ trong bộ đệm tương ứng với số đầu vào ra của module

Cách đặt địa chỉ module mở rộng của CPU224:

Bảng 1.2: Cách đặt địa chỉ module mở rộng của CPU 224

quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng

ra

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý Khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra

Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với các chế độ ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình ngắt chỉ được thực hiện khi có sự kiện báo ngắt

- Chương trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ

và mỗi phần thực hiện một nhiệm vụ riêng biệt, từng phần nằm trong những khối riêng biệt (OB1, SUBROUTIN, INTERRUPT) Loại chương trình này thường áp dụng với những yêu cầu phức tạp và nhiều khâu Khi lập trình chương trình có cấu trúc thường sử dụng ngoài chương trình chính còn có chương trình con và chương ngắt Chương trình con được viết trong khối chương trình con và được gọi trong chương trình chính khi có lệnh gọi Chương trình ngắt được viết trong khối chương trình ngắt và thực hiện mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra bất kể trong thời điểm nào của vòng quét Cả hai loại chương trình này đều có khả năng trao đổi dữ liệu với các chương trình khác

1.2.8 Thiết bị lập trình

Có hai loại thiết bị có thể dùng để lập trình cho PLC S7- 200 là PG và PC

- PG: Là thiết bị lập trình chuyên dụng được dùng cho PLC S7-200 tuy nhiên chỉ sử dụng để lập trình với ngôn ngữ STL

- PC: Là máy tính cá nhân trên đó có cài phần mềm STEP7-MICROWIN Phần mềm này cho phép lập trình với cả ba ngôn ngữ là STL, LAD và FBD Để cài phần mềm này người phải có bản quyền và PC phải cài hệ điều hành WIN98/2000/NT/XP.Hiện nay hầu hết sử dụng STEP7- MICROWIN 3.0, 3.2, 4.0 để lập trình cho S7 để có thể sử dụng được những ứng dụng nâng cao

1.2.9 Kiểu dữ liệu

Trong PLC S7-200 có các kiểu dữ liệu được cho trong bảng sau:

Kiểu dữ

BYTE 8 bits Số nguyên không dấu 0 ÷ 255

BYTE 8 bits

Số nguyên có dấu ( chỉ

áp dụng cho lệnh SHRB)

-128 ÷ 127

WORD 16 bits Số nguyên không dấu 0 ÷ 65535

INT 16 bits Số nguyên có dấu -32678 ÷ 32676 DWORD 32 bits Số nguyên không dấu 0 ÷ 4294967295 DINT 32 bits Số nguyên có dấu -2147383648÷2147383648 REAL 32 bits Số nguyên có dấu theo

CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH STEP7 MICRO/WIN

2.1 Giao diện làm việc

Sau khi đã cài đặt phần mềm STEP7-MICROWIN và vào chương trình làm việc, giao diện làm việc sẽ được thể hiện như sau:

Hình 2.1: Giao diện làm việc của Micro/WIN

- Navigation Bar: Thể hiện các khối và các lệnh làm việc được tạo sẵn trong phần mềm Để sử dụng các khối này ta chỉ cần kích vào nút biểu tượng tương ứng với khối cần dùng

- Instruction Tree: Thể hiện tất cả các khối và lệnh sử dụng trong chương trình dưới dạng cây thư mục Muốn làm việc với lệnh nào chỉ việc Click đúp chuột vào vị trí đó để chọn thiết bị làm việc

- Các khối Cross Reference, Data Block, Status Chart, Symbol Table sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau

- Program Editor: Đây là vùng chính để thực hiện chương trình bằng cách đưa các lệnh vào trong vùng và sắp xếp chúng theo cách thức của người dùng để tạo

ra một chương trình

- Menu bar và Toolbar: Là các thanh công cụ giúp thực hiện nhanh các lệnh

và chức năng sử dụng trong chương trình

2.2 Các khối sử dụng trong giao diện lập trình

2.2.1 Khối Programe Block

- Khối INTERRUPT: Là khối chứa chương trình ngắt Khối này sẽ được thực hiện mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra

Hình 2.2: Cách tạo chương trình con hay chương trình ngắt

Có thể tạo nhiều chương trình con hay chương trình ngắt tuy nhiên không thể tạo nhiều chương trình chính do chương trình chính chỉ có một Có thể xóa hay đổi

tên chương trình con hay chương trình ngắt bằng cách click chuột phải vào biểu tượng chương trình và chọn “Delete” hay “Rename”

Hình 2.3: Cách đổi tên 1 chương trình con

2.2.2 Khối Data Block

Đây là khối chứa dữ liệu của một chương trình Ta có thể định dạng dữ liệu trước trong khối này và sử dụng chúng trong chương trình Khi tải chương trình vào PLC thì toàn bộ nội dung của khối sẽ được lưu vào bộ nhớ của PLC Khối chỉ làm việc với dữ liệu của vùng nhớ V

Để tạo dữ liệu trong khối này ta có click vào biểu tượng trên màn hình hoặc trên cây thư mục chọn khối và click vào biểu tượng “USER”, khi đó màn hình chương trình sẽ chuyển sang làm việc với khối Cách tạo dữ liệu được thể hiện bên dưới

Hình 2.4: Màng hình giao diện của Data Block