Bài tập lớn Hệ thu thập dữ liệu chuyển thùng hàng trên băng tải S7_300 mô phỏng trên WinCC.

Khi nhấn START thì BT2 chạy đồng thời BT1 dừng. Khi thùng đến vị trí chờ sản phẩm thì CB2 tác động. BT1 chạy sản phầm, BT2 dừng CB1 đếm sản phẩm rơi xuống thùng. Khi đủ 6 sản phẩm thì BT1 dừng BT2 chạy khi thùng rơi CB3 tác động đếm số thùng rơi xuống. Chu kỳ lặp đi lặp lại cho đến khi nhấn STOP thì mạch dừng hoạt động.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 2

1.2 Tìm hiểu về PLC – 300 2

1.2.1 Khái quát về PLC S7 – 300 2

1.2.2 Các module mở rộng 8

1.3 Tìm hiểu về HMI( dùng WinCC của SIEMENS) 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20

2.1 Lựa chọn thiết bị 20

2.2 Xây dựng sơ đồ khối 24

2.3 Mạch lực, bảng địa chỉ và sơ đồ đấu dây,thực hiện bài toán điều khiển 26

2.4 Trình bày về giao thức truyền thông trong hệ thống 31

2.4.1 Cấp của các thiết bị trong mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống mạng công ty 31

2.4.2 PLC sử dụng trong bài này được hỗ trợ giao thức thức truyền thông nào 32

2.4.3 Lựa chọn trình bày chi tiết về giao thức sử dụng trong hệ thống, lý do lựa chọn .33

Chương 3: KẾT LUẬN 35

3.1 Các nội dung đạt được trong đề tài 35

3.2 Các hạn chế còn tồn tại và phương pháp khắc phục 35

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Khi nhấn START thì BT2 chạy đồng thời BT1 dừng Khi thùng đến vị trí chờ sản

phẩm thì CB2 tác động BT1 chạy sản phầm, BT2 dừng CB1 đếm sản phẩm rơi xuốngthùng Khi đủ 6 sản phẩm thì BT1 dừng BT2 chạy khi thùng rơi CB3 tác động đếm sốthùng rơi xuống Chu kỳ lặp đi lặp lại cho đến khi nhấn STOP thì mạch dừng hoạtđộng

1.2 Tìm hiểu về PLC – 300

1.2.1 Khái quát về PLC S7 – 300

a, Lịch sử phát triển PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra từ

ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằmthay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu

kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở nên ngàycàng phổ biến Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/

ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn Vào năm 1976, PLC có khả năngđiều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét

Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện tự động hoá,hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập trình bằngbiểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối chuyên dụng haylập trình bằng tay

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và cấutrúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL),

sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD)

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley, GeneralMotors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…

PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505 Mỗi

họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như: Simatic S7 có S7-200, S7-300,S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau như S7-300 có CPU

312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, CPU 614…

b, Giới thiệu về phần mềm s7-300

- PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình

- Thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung các tính năng mới

- Kết cấu theo kiểu các module sắp xếp trên các thanh rack

c, Ứng dụng và vai trò của PLC

- Ứng dụng trong sản xuất và dân dụng như:

 Điều khiển robot công nghiệp

 Hệ thống xử lý nước sạch

 Điều khiển trong các cẩu trục

 Điều khiển dây chuyền băng tải

 Máy chế tạo công cụ

 Máy dệt may v.v

- Vai trò:

 Trong hệ thống điều khiển tự động hoá PLC được xem như một trái tim, vớichương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC Nó điều khiển trạngthái của hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng củachương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và xuất tín hiệu đến cácthiết bị đầu ra

 PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy tính chủthông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp

d, Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hoá

- Thời gian lắp đặt ngắn.

- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất.

- Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng.

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển.Thích ứng trong các môi

trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…

- Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển dùng

PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả giải quyết bài toán cao

e, Phần cứng của PLC S7-300

- PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các module này sử dụng cho

nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuậntiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệthống Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng, songtối thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU Các module cònlại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài,các module chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các module

Module ghép nối (IM)

Module chức năng điều khiển riêng (FM)

Module phục vụ truyền thông (CP)

M COIL VALE

PS CPU IM SM:DI SM:DO SM:AI SM:AO FM CP

f, Module nguồn PS307 của S7-300

- Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành

nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC Ngoài ra còn

có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và

các cơ cấu tác động có công suất nhỏ

- Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc

phía dưới của CPU tuỳ theo cách lắp đặt theo bề

ngang hoặc theo chiều dọc

- Module nguồn PS307 có 3 loại: 2 A, 5A và 10 A.

- Mặt trước của module nguồn gồm có:

Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24 V

Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra

Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230VAC

-Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra

Hình 1.1: Cấu trúc của PLC S7-300

Hình 1.2: Module nguồn

g, Khối xử lý trung tâm (CPU)

Chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm, cổngtruyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào/ra số onboard

PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý có trongCPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…

Với các CPU có hai cổng truyền thông, cổng thứ hai có chức năng chính là phục

vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵntrong hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọithêm cụm từ DP Ví dụ Module CPU 314C-2DP…

Hình 1.3: Các khối chức năng bên ngoài CPU S7-300

Các CPU khác nhau thì các thành phần trên không giống nhau, cụ thể các thành phần

trong từng module như hình dưới:

Một số đặc tính kỹ thuật của một số CPU S7-300

Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó,như : module CPU312, module CPU314, module CPU315,…

Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm đặt trongthư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào /ra onboard, đượcphân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ moduleCPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh đó còn có loại CPU với hai cổngtruyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán

và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ điều hành Các loại module

CPU này được phân biệt bằng cách thêm cụm từ DP (Distributed port) trong tên gọi.

Ví dụ: module CPU315-2DP, module CPU316-2DP

h, Module ghép nối (Interface module-IM)

Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module mở rộnglại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU Mộtmodule CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks nàyphải được nối với nhau bằng module IM Module IM gồm có các loại:

IM 360

IM 361

IM 365

1.2.2 Các module mở rộng

a, Các module Input và Output.

-Digital Input Module:

Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ nhận

các tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để

- Digital Output Module: Module mở rộng: các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất các tín

hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:

SM 331 AI2x12bit

SM 331 AI8x12bit

SM 331 AI8x16bit…

- Analog Output Module: Module mở rộng các cổng ra tương tự, có nhiệm vụ chuyển

các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu tương tự để phục vụ cho quá trìnhhoạt động của các thiết bị bên ngoài Gồm các loại module sau:

b, Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộngthông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của cácmodule số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I).Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output table-Q) lại đượcCPU chuyển tới cổng ra của các module ra số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộđệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nếu trong chương trình ứngdụng có nhiều lệnh đọc cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào

này có thể bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luônđọc được cùng một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thờiđiểm đầu vòng quét Cũng như vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giátrị cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đối nội dung bít nhớ tương ứng trong Q nênchỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự đưa tới cổng ra vật lý của module DO Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại đượcCPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO) Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị

từ địa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trịthực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh

Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bits ) tới địa chỉ củavùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra tương tự củamodule

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổngvào/ra tương tự có thể có của một trạm Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra

số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truynhập trực tiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng màkhông cần thông qua bộ đệm I và Q

1.3 Tìm hiểu về HMI( dùng WinCC của SIEMENS)

1.3.1 Giới thiệu về phần mềm WinCC

Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựnggiao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý

và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And DataAquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển

chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiếtlập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows

NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản phẩm thiết

kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA(SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.

sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Ngoài

ra WinCC còn cung cấp các module chức năng thường dung trongnghiệp như: hiển thị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo.Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập hình ảnh nhanh chóng vàchức năng lưu trữ an toàn (bảo mật) của nó đảm bảo tính hữu dụngcao

Với WinCC, người dung có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiềuPLC của các hang khác nhau như Mitsubishi, Siemens… thông quacổng COM với chuẩn RS-232 của máy tính với chuẩn RS-485 củaPLC

WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công tynhư việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing ExcutionSystem - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise ResourcePlanning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợgiúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemensđược tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức

1.3.2 Các ứng dụng của WinCC

Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất.Khi một hệ thống dung chương trình WinCC để điều khiển và thuthập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình các sự kiệnxảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện.WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thôngbáo bằng đồ họa, xử lí thông tin đo lường, các tham số công thức,các bảng ghi báo cáo v.v…đáp ứng yêu cầu công nghệ và là một

trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện ngườimáy (HMI)

Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện HMI và mạng SCADA,WinCC sử dụng các chức năng sau:

*Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng

và hoạt động của các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC.OLE, I/O,… với thuộc tính động (Dynamic)

*Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo

cáo trong khi hệ thống vận hành Đảm trách về các thông báo nhậnđược và lưu trữ.Nó chứa các chức năng để nhận các thông báo từcác quá trình, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Ngoài

ra, Alarm Logging còn giúp ta tìm nguyên nhân lỗi của hệ thống

*Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều

dạng khác nhau Tag Longging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trìnhthực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó Dữ liệu có thểcung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng lienquan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống

*Report Designer: Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các

kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật kí sự kiện

*User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương

trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động hóakhác Điều này có nghĩa: Các công thức, thông số trong chương trìnhWinCC có thẻ được soạn thảo, lưu giữ và sử dụng trong hệ thống

1.3.3 Trình tự tạo một Project mới

B1 Khởi động WinCC

Nhấn nút Start®Simatic®WinCC®Windows Control Center

B2 Tạo một Project mới

Đặt tên cho Project

B3 Cài đặt driver kết nối

Click chuột vào Tag Management ® Add new Driver

Chọn Driver để kết nối PLC từ hộp thoại sau:

Tạo External Tag

Gõ tên và nhấn vào OK từ hộp thoại New Connection Properties

Chọn New Tag từ Connection vừa tạo

Gõ tên Tags và chọn kiểu dữ liệu cho Tags

Click chuột vào nút Select để gán địa chỉ cho Tags

Có thể chọn ô Limit Scaling để tạo Scale(Tỷ lệ) cho Tag Analog

Ta cũng có thể làm tương tự cho kiểu biến Interal Tags

B4 Tạo giao diện

Click chuột phải vào Graphics Designer ® Chọn New

Có thể đổi tên cho Picture bằng cách nhấp chuột phải chọn Rename

Các cộng cụ trên Graphics Designer

Để lấy các hình ảnh có sẵn vào menu View, chọn Library

 Tạo nút nhấn (Button)

Chọn Button trong mục Windows Object bên Object Palette, kéo qua và đặt tại

vị trí mong muốn trên màn hình soạn thảo

Tương tự như thế ta có thể thiết lập được các thuộc tính cần thiết cho một dự án

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Lựa chọn thiết bị

Chọn cảm biến

Cảm biến 1, 2, 3 chọn loại cảm biến quang

Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

Hình 2.1:Cấu trúc của cảm biến

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Tuy nhiên, thông thường các nguồn sáng này được phát ở các tần số mà mắt người không nhìn thấy được

Bộ thu sáng:

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này

cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ