BTL Điều khiển lập trình PLC cho cầu trục

PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được ứng dụng rộng rãi trong côngnghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng.Nhờ hoạt động theo chương trình nê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN:

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU PLC S7-1200 KẾT HỢP VỚI BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÂNG HẠ CẦU TRỤC 3

XƯỞNG NHÓM 4 Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thị Hồng Hạnh

Hồ Bá Vương CDCD

- 1141040320

Hà Nội - 2019

Mức độ hoàn thành

Ghi chú

Kế hoạc h (15 tuần)

Thực hiện

1 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết 1 Báo cáo

2 Phân tích đối tượng điều

5 Lựa chọn thiết bị điều khiển,

thiết bị vào, cơ cấu chấp hành 8 Báo cáo

7 Xây dựng thuật toán điều

Ghi chú: - Thực hiện: Ghi thời gian hoàn thành thực tế của sinh viên

- Mức độ hoàn thành: XS(xuất sắc), T(Tốt), K(khá), TB(trung bình), Y(yếu)

MỤC LỤC

Mục Lục 1

Danh mục hình ảnh 3

Danh mục bảng biểu 4

Lời Nói Đầu 5

Chương 1: Tìm Hiểu Tổng Quan Về Thiết Bị Điều Khiển Khả Trình PLC 6

1.1 Khái niệm cơ bản và chức năng về PLC 6

1.2 Cấu trúc cơ bản của một PLC 7

1.2.1 Bộ xử lý trung tâm ( CPU: Control Proccessing Unit) 7

1.2.2 Hệ điều hành: 9

1.2.3 Các kênh truyền ( Các Bus) 10

1.2.4 Bộ nguồn 10

1.2.5 Các thành phần vào/ra: 10

1.2.6 Phương thức thực hiện chương trình của PLC 11

1.3 Ưu điểm của PLC so với các Rơ-le truyền thống và hệ điều khiển xung số trong điều khiển Điện 13

1.4 Ứng dụng của PLC trong thực tiễn Công Nghiệp 14

Chương 2: Tìm Hiểu Tổng Quan Về PLC S7-1200 16

2.1 Cấu trúc phần cứng, bộ nhớ và ưu điểm của S7-1200 so với các thế hệ trước như S7-200 16

2.1.1 Cấu trúc phần cứng: 16

2.1.2 Các Module CPU thông dụng 18

2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ 18

2.1.4 Những Ưu Điểm Nổi Trội Của S7-1200 So Với Các Thế Hệ Trước 21

2.2 Các Loại Mudule Mở Rộng Cho S7-1200 23

2.3 Một số ứng dụng s7-1200 trong công nghiệp 25

Chương 3: Thiết kế, xây dựng và mô phỏng hệ thống nâng hạ cầu trục 3 xưởng 28 3.1 Hệ Truyền động điện PLC – Biến tần – Động cơ KĐB 3 pha 28

3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản và Các luật điều chỉnh tần số của biến tần 28

3.3 Mục đích, ý tưởng thiết kế cơ cấu nâng hạ cầu trục 3 xưởng với 2 loại tải nặng và nhẹ 32

3.4 Lựa chọn thiết bị 32

3.4.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm LJ12A3-4-Z/BX NPN 32

3.4.2 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại 33

3.4.3 Động cơ giảm tốc DC 12V 34

3.4.4 Mạch khống chế điện áp, khống chế dòng điện 35

3.4.5 Nguồn tổ ong 5V-40A 36

3.4.6 Nguồn tổ ong 12V – 10A 36

3.5 Sơ đồ đấu nối phần cứng 37

3.6 Thuật toán 37

3.7 Chương trình điều khiển 40

Chương 4: Kết Luận 48

4.1 Các kết quả thu được 48

4.2 Các hạn chế khi thực hiện 48

4.3 Biện pháp khắc phục 48

4.4 Phương hướng phát triển 48

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh thực tế của một PLC 6

Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ PLC 7

Hình 1.3: Cấu trúc bộ nhớ của PLC 8

Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của PLC S7-1200 17

Hình 2.2: Hình ảnh thiết kế dạng Module của S7-1200 22

Hình 2.3: Khả năng mở rộng của S7-1200 so với S7-200 23

Hình 2.4: Module signal board (SB) SB 1232 AQ1 (12 bit) 23

Hình 2.5: Signal Module (SM) 24

Hình 2.6: Module truyền thông S7-1200 24

Hình 2.7: Module Nguồn S7-1200 25

Hình 2.8: Hình ảnh hệ thống cầu trục ứng dụng S7-1200 25

Hình 2.9: Hình ảnh hệ thống băng tải ứng dụng S7-1200 26

Hình 2.10: Hình ảnh hệ thống chiếu sáng ứng dụng S7-1200 26

Hình 2.11: Hình ảnh hệ thống đóng gói sản phẩm ứng dụng S7-1200 27

Hình 2.12: Hình ảnh hệ thống máy trộn ứng dụng S7-1200 27

Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của biến tần 29

Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển PLC - biến tần - động cơ KĐB 30

Hình 3.3: Hình ảnh thực tế cảm biến tiệm cận điện cảm 33

Hình 3.4: Hình ảnh thực tế cảm biến tiệm cận hồng ngoại 33

Hình 3.5: Hình ảnh thực tế động cơ giảm tốc 12VDC – 12RPM 34

Hình 3.6: Hình ảnh thực tế mạch khống chế điện áp, dòng điện 35

Hình 3.7: Hình ảnh thực tế nguồn 5V – 40A 36

Hình 3.8: Hình ảnh thực tế nguồn 12V – 10A 36

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của các CPU tiêu biểu thuộc dòng S7-1200 18Bảng 2.2: Bảng thông số vùng nhớ của PLC S7-1200 20

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, nước ta hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóa,hiện đại hóa Vì thế, tự động hóa đóng vai trò hết sức quan trọng, tự động hóa giúptăng năng suất, tăng độ chính xác và do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất Để có thểthực hiện được tự động hóa sản xuất, bên các các thiết bị máy móc cơ khí hiện đại, cácdây chuyển sản xuất v.v thì cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng Trongcác thiết bị hiện đại được đưa vào dây truyền sản xuất tự động đó không thể không kểđến biến tần và PLC

Bộ biến tần không chỉ điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số,khởi động mềm động cơ mà còn góp phần đáng kể để giảm năng lượng điện tiêu thụtrong các cơ sở sản xuất của doanh nghiệp Vì vậy bộ biến tần có vai trò rất quan trọngtrong đời sống và hoạt động của các doanh nghiệp

PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được ứng dụng rộng rãi trong côngnghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng.Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiềuthiết bị máy móc khác nhau Nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết

bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản ta chỉ cần thay đổi chương trình điềukhiển cho nó Các thiết bị mà PLC có thể điều khiển rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt,máy khoan, lò nhiệt … cho đến các hệ thống phức tạp hơn như băng tải, cầu trục,thang máy, dây chuyền sản xuất v.v Xuất phát từ đặc điểm trên mà hệ truyền độngđiện PLC-biến tần- động cơ KĐB 3 pha là một trong những hệ truyền động điện phổbiến và tối ưu nhất hiện nay

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU

KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC

Hình 1.1: Hình ảnh thực tế của một PLC

PLC viết tắt của cụm từ Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển

lập trình được (khả trình) hay là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phépthực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện PLC đượcnghiên cứu và chế tạo bởi nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra

ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng mộtthiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển Logic cứng.Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller viết tắt là

PC, sau này khi máy tính cá nhân PC ( Personal Computer ) trở nên phổ biến thì từviết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn PLC cho phép thực hiện một loạtcác thuật toán điều khiển đó có thể là bài toán điều khiển logic, bài toán điều khiểntuần tự hoặc bài toán điều khiển độc lập với rất nhiều các đối tượng điều khiển khácnhau, người sử dụng chỉ cần viết ra một chương trình ( một dạng của thuật toán màmình muốn điều khiển dưới dạng một ngôn ngữ lập trình nào đó mà máy tính có thểhiểu được ) sau đó PLC sẽ nhận các tín hiệu đầu vào có trong chương trình, đọc, xử lý

và xuất các tín hiệu điện ở các cổng ra để điều khiển thiết bị điện như đèn, rơ-le,

contactor, van điện từ v.v, để gián tiếp điều khiển cơ cấu chấp hành như động cơ,xilanh khí nén, xilanh thủy lực v.v

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đãchế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

 Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

 Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phứctạp

 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

 Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng,các module mở rộng

Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ PLC

1.2.1 Bộ xử lý trung tâm ( CPU: Control Proccessing Unit)

Bao gồm 1 hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống

Các bộ phận chính gồm có:

 Bộ số học và logic (ALU): xử lý dữ liệu bằng các phép tính số học vàlogic;

 Bộ nhớ chương trình: PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái cácchức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.

Hình 1.3: Cấu trúc bộ nhớ của PLC

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉcủa từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ vi

xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địachỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi làquá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này cókhả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớnhư RAM, EPROM đều được sử dụng

 Bộ nhớ dữ liệu RAM ( Random Access Memory): có thể nạp chương trình,thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mấtnếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang

bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vàitháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm trachương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêuthụ thấp và tuổi thọ lớn

 Đồng hồ xung nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theochu kỳ ( thông thường từ 0.01s đến 1000p).

 EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory): là bộ nhớ màngười sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vàođược Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵntrong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người

sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bêntrong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): liênkết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dungcủa nó có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là

có giới hạn

 Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường đượcdùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các modul ngoại vi (các ngõ vào và ngõra) được kết nối với PLC thông qua Bus nối Một Bus bao gồm các dây dẫn mà các dữliệu được trao đổi

Hệ điều hành tổ chức việc truyền dữ liệu trên các dây dẫn này

 Bus dữ liệu ( thường là 8bit ): đường dẫn các thông tin dữ liệu, mỗi dâytruyền 1 bit dạng số nhị phân

 Bus địa chỉ ( thường là 8 hoạc 16 bit): Tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ

 Bus điều khiển: Truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận

 Bus hệ thống: Trao đổi trông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhậpxuất

1.2.4 Bộ nguồn

Cung cấp nguồn 1 chiều 5v ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác

từ 1 nguồn xoay chiều (110V, 220V,…) hoặc nguồn 1 chiều ( 12V, 24V)

1.2.5 Các thành phần vào/ra:

Đây là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của chúng làchuyển đổi thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bị ngoại vi ( cảm biến, công tắchành trình, cơ cấu chấp hành v.v) và CPU

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào củaPLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC) Hầu hếtcác PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của cáckênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên LC, điều này làm cho việc kiểm trahoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản hơn

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

 Đầu vào số (DI: Digital Input) : Các ngõ vào của khối này được kết nốivới các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, công tắc, cảmbiến tạo tín hiệu nhị phân ,…Dải điện áp đầu vào có thể là 5VDC, 12-24VDC/VAC, 48VDC, 100-120VAC, 200-240VAC

 Đầu vạo tương tự ( AI: Analog Input): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tínhiệu tương tự thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này thường đượckết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu Analog như cảm biến nhiệt

độ, cảm biến lưu lượng, hay ngõ ra Analog cảu biến tần Các chuẩn tínhiệu tương tự thường gặp là 4-20mA, 0-5V, 0-10V

 Đầu ra tương tự ( AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổitín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệutương tự Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điềukhiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào Analog của biến tần, van điệntừ,…

 Đầu ra số ( DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nốivới các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộnhút relay… Có 3 loại đầu ra số là dạng Transistor ( 1 chiều), Triac ( xoaychiều) và Relay ( 1 chiều và xoay chiều ) với các dải điện áp 5VDC,24VDC, 12-48VDC/VAC, 120VAC, 230VDC

1.2.6 Phương thức thực hiện chương trình của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới cácthiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vàochương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tínhiệu song song:

 Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khácnhau

 Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

 Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểukhiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào rathông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm chophép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu

ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Databus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt độngcủa PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bêncạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyếtđịnh tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệthống

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp Mỗi vòng lặp được goi là vòngquét ( Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổngvào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.Trong từng dòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc.Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảongõ ra (Q) từ các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội

bộ và kiểm tra lỗi Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi làthười gian vòng quét ( Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là khôngphải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quétthực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào sô lệnh trong chương trìnhđược thực hiện, vào khối 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 tínhiệu điều khiển tới đối tượng có một khoang thời gian trẽ đúng bằng thời gian vòngquét Nói cách khac, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chươngtrình điều khiển trong PLC Thời gian quét càng ngắn tính thời gian thực của chươngtrình càng cao Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việctrực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham

số Việc truyền thông giữa bộ đểm ảo với ngoại vi do hệ điều hành CPU quản lý Ở 1

số MODULE CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi côngviệc khác, ngay cả chương trình xử lý, ngắt để thực hiện lệnh trực tiếp của cổng vào ra

1.3 Ưu điểm của PLC so với các Rơ-le truyền thống và hệ điều khiển xung số trong điều khiển Điện

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũngnhư các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau:

 Giảm đến 80% số lượng dây nối

 Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

 Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanhchóng và dễ dàng

 Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không

có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phầncứng

 Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển

 Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình

 Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điềunày làm tăng tốc độ và năng suất PLC

 Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắngiúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

 Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học

 Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

 Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trìnhphức tạp

 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

 Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính,kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

 Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

 Giá bán cạnh tranh

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ

số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt côngnghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệuchỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng sốlượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thểxem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trungtâm cho một hệ thống hoạt động tự động

1.4 Ứng dụng của PLC trong thực tiễn Công Nghiệp

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnhvực khác nhau trong công nghiệp như:

 Hệ thống nâng vận chuyển

 Dây chuyền đóng gói

 Các robot lắp giáp sản phẩm

 Điều khiển bơm

 Dây chuyền xử lý hoá học

 Công nghệ sản xuất giấy

 Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh

 Sản xuất xi măng

 Công nghệ chế biến thực phẩm

 Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

 Dây chuyền lắp giáp Tivi

 Điều khiển hệ thống đèn giao thông

 Quản lý tự động bãi đậu xe

 Hệ thống báo động

 Dây chuyền may công nghiệp

 Điều khiển thang máy

 Dây chuyền sản xuất xe ôtô

 Sản xuất vi mạch

 Kiểm tra quá trình sản xuất

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200

trước như S7-200

2.1.1 Cấu trúc phần cứng:

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soátnhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làmcho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,các đầu vào/ra (DI/DO)

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chươngtrình điều khiển:

 Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vàoPLC

 Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mìnhS7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặcRS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ bangôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIAPortal 11 của Siemens

 1200 là một dòng PLC mới của Siemens, cũng giống như model

S7-200, S7-1200 cũng thuộc dòng compact PLC, S7-1200 có cấu trúc phầncứng khá giống với S7-200 gồm 1 CPU tích hợp sẵn một số đầu vào/ra,

và có khả năng mở rộng thêm đầu vào ra khi cắm thêm các module IO,tuy nhiên S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (RJ45)thay vì cổng PPI(DB9) như trên S7-200 Và download/upload chương

trình với PLC S7-1200 thông qua cáp mạng Ethernet thông thườngkhông cần cáp chuyên dụng như S7-200, S7-300.

 S7-1200 sử dụng phần mềm Step 7 Basic 10.5 (chạy trên Windows XP)hoặc Step 7 Professional V11 hoặc V12(chạy trên Windows 7) để cấuhình và lập trình Phần mềm Step 7(TIA Portal) có cấu trúc khá giốngvới phần mềm Step 7 Version 5 dùng cho các dòng PLC S7-300, S7-400trước đây

 S7-1200 có cấu hình phần cứng mạnh mẽ hơn so với S7-200 và cũngđược tích hợp sẵn 2 đầu vào Analog input sẵn trên module CPU, cùngkhả năng mở rộng tín hiệu vào/ra khi tích hợp thêm 1 signal board vàomodule CPU

2.1.2 Các Module CPU thông dụng

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của các CPU tiêu biểu thuộc dòng S7-1200

2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ gồm 48KB RAM, 48KB ROM, không có khả năng mở rộng và tốc độ

xử lý gần 0.3ms trên 1000 lệnh nhị phân, bộ nhớ được chia trên các vùng:

Vùng chứa chương trình ứng dụng:

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

 Khối OB1: Khối tổ chức chính, mặc định, thực thi lặp vòng Nó được bắtđầu khi quá trình khởi động hoàn thành và bắt đầu trở lại khi nó kết thúc

 Khối OB10 (Time of day interrupt): được thực hiện khi có tín hiệu ngắtthời gian

 Khối OB20 (Time delay interrupt): được thực hiện sau 1 khoảng thờigian đặt trước

 Khối OB35 (Cyclic Interrupt): khối ngắt theo chu kì định trước

 Khối OB40 (Hardware Interrupt): được thực hiện khi tín hiệu ngắt cứngxuất hiện ở ngõ vào I124.0 I124.3

 FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm cóbiến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó, được phân

biệt bởi các số nguyên Ví dụ: FC1, FC7, FC30ngoài ra còn có các hàmSFC là các hàm đã được tích hợp sẵn trong hệ điều hành.

 FB (Function Block): tương tự như FC, FB còn phải xây dựng 1khối dữliệu riêng gọi là DB (Data Block) và cũng có các hàm SFB là các hàmtích hợp sẵn trong hệ điều hành

Vùng chứa các tham số hệ điều hành và chương trình ứng dụng:

 I (Process image input): Miền bộ đệm dữ liệu các ngõ vào số Trước khibắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc tất cả giá trị logic của cáccổng vào rồi cất giữ chúng trong vùng I khi thực hiện chương trình CPU

sẽ sử dụng các giá trị trong vùng I mà không 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 Khi kết thúc chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộđệm Q tới các cổng ra số

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

 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian bao gồm việc lưu trữ các giá trị đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CV-Current Value) cũng như các giá trị logic đầu ra của Timer

 C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ các giá trị đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CV-Current Value) cũng như các giá trị logic đầu ra của Counter

 PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input) Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo 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 trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo 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 chứa các khối dữ liệu, được chia thành 2 loại:

 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành khối Kíchthước hay số lượng khối do người sử dụng qui định Có thể truy nhậpmiền này theo từng bit (DBX), byte( DBB), từng từ (DBW), từ kép(DBD)

 L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chươngtrình OB, FC, FB tổ chức và sử dụngcho các biến nháp tức thời và traođổi dữ liệu của biến hình thức với những khối đã gọi nó Toàn bộ vùngnhớ sẽ bị xoá sau khi khối thực hiện xong Có thể truy nhập theo từng bit(L), byte (LB), từ LW), hoặc từ kép (LD)

Bảng 2.2: Bảng thông số vùng nhớ của PLC S7-1200

2.1.4 Những Ưu Điểm Nổi Trội Của S7-1200 So Với Các Thế Hệ Trước

Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC

PLC- Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 Hỗ trợ 16 kết nối ethernet

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộlái servo (servo drive)

 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve,hay điều khiển nhiệt độ…

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển(auto-tune functionality)

Thiết kế linh hoạt:

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắntrực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thayđổi kích thước hệ điều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyềnthông, vd module RS232 hay RS485

 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chươngtrình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline

 S7-1200 được thiết kế dưới dạng module nhỏ gọn, chi phí thấp, và mộttập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụngvới S7-1200

 S7-1200Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàngtrong kết nối

 Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên mộtnền phần mềm là TIA Portal (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặcversion cao hơn Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do

đó tạo sự dễ dành cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản,chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags

 Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mởrộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí,không gian và phần cứng

 Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị.

Hình 2.5: Hình ảnh thiết kế dạng Module của S7-1200

Hình 2.6: Khả năng mở rộng của S7-1200 so với S7-200

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để

mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông

để hỗ trợ giao thức truyền thông khác Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộcvào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

 Signal Board(SB) : một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với sốlượng tín hiệuít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở

rộng số lượng tín hiệu ít Gồm các board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit(0-10VDC, 0-20mA).

Hình 2.7: Module signal board (SB) SB 1232 AQ1 (12 bit)

 Signal Module (SM): tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog(cho CPU 1212C tối đa của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8)

 Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bênphải củaCPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog,giúp linh hoạt trong sử dụng S7-1200 Tính đa dạng của các module tínhiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển

Hình 2.8: Signal Module (SM)