Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ ôxy hòa tan (DO) sử dụng phần mềm TIA portal và bộ điều khiển PLC s7 300 (sử dụng khối hàm FC)

- Vào ngày 21 tháng 6 năm 2011, tại thành phồ Hồ Chí Minh, bộ phận Tự động hóa Công nghiệp thuộc công ty Siemens Việt Nam ra mắt thị trường Việt Namphần mềm lập trình đầu tiên trong công

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập-Tự do-Hạnh Phúc

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : SCADA, DCS VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Họ và tên HS-SV : Nhóm 11

1 Ngô Văn Hoàn

2 Dương Xuân Long

3 Kiều Hiền Lương

Chương 1- Tìm hiểu các cảm biến đo độ Ôxy hòa tan (DO)

Chương 2- Giới thiệu tổng quan về phần mềm TIA-Portal và bộ điều khiển

PLC S7-300

Chương 3- Lập trình cho bộ điều khiển và thiết kế giao diện giám sát cho hệ

thống

Chương 4- Kết quả mô phỏng

Ngày giao đề : 18/9/2018 Ngày hoàn thành : 01/12/2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hoàng Quốc Xuyên

LỜI MỞ ĐẦU

Cũng như các loài sinh vật sống trên cạn, các thủy sinh vật cũng cần có oxy đểduy trì sự sống.Đa phần thủy sinh vật điều sử dụng oxy hòa tan trong nước.Lượng oxyhòa tan trong nước gọi tắt là DO ( Dessolved Oxygen )

Ngày nay trong công nghiệp nuôi trồng thủy sản cũng như công nghệ xử lý nướcrất chú trọng tới việc đánh giá lượng DO nhằm giúp thủy hải sản phát triển tốt cũngnhư việc đánh giá mức độ ô nhiễm nước.Bên cạnh đó giúp cho chúng ta có thể pháthiện ra các biến cố để kịp thời xử lý (Như thiếu oxy hòa tan trong nước khiến thủy sảnchết hàng loạt hoặc tăng trưởng chậm).Do vậy oxy hòa tan là một yếu tố quan trọngkhông thể thiếu ở các thủy vực

Vì vậy với đề tài này chúng em xin đưa ra mô hình điều khiển giám sát mức độ DOtrong nước tan sử dụng phần mềm TIA-Portal và bộ điều khiển PLC S7-1200 (Sửdụng khối hàm FC) giúp sinh vật phát triển

M c L c ục Lục ục Lục

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 : 4

TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ OXY HÒA TAN (DO) 4

1.1.Sơ lược về DO 4

1.2.Phương pháp xác định DO 4

1.2.1.Có thể xác định DO bằng hai phương pháp khác nhau 4

1.2.2.Kỹ thuật phân tích 4

1.2.2.1.Phương pháp Winkler 4

1.2.2.2.Phương pháp điện cực oxy hoà tan- máy đo oxy 5

1.3.Lựa chọn cảm biến: 6

1.3.1.Giới thiệu cảm biến 6

1.3.2 Thông số kỹ thuật 7

CHƯƠNG 2 : 8

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIA PORTAL & PLC 300 8

2.1.Tổng quan về TIA PORTAL 8

2.2.Tổng quan về PLC S7-300 11

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển khả trình PLC 11

2.2.2 Cấu trúc và Module S7-300 12

2.2.2.1 Cấu trúc của PLC S7-300 12

- Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau Cấu trúc bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm: 15

2.2.3 Các module của PLC S7-300 16

2.2.3.4 Module mở rộng: 17

2.2.3.10 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng: 19

2.3 Làm việc với phần mềm Tia Portal 20

2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI 20

2.3.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP 21

2.3.3 Cách tạo một Project 21

2.3.4 TAG của PLC / TAG local 23

2.4 Làm việc với một trạm PLC 25

2.4.1 Quy định địa chỉ IP cho module CPU 25

2.4.2 Đổ chương trình xuống CPU 25

2.4.3 Giám sát và thực hiện chương trình 25

2.5 Kỹ thuật lập trình 25

2.5.1 Vòng quét chương trình 25

2.5.2 Cấu trúc lập trình 26

2.5.2.1 Khối tổ chức OB – OGANIZATION BLOCKS 26

2.5.2.2 Hàm chức năng – FUNCTION 26

2.6 Tập lệnh S7-300 27

2.6.1 Lệnh xử lý bit 27

2.6.2 Lệnh Timer, Counter 29

2.6.2.1.Timer 29

2.6.2.2 Counter 30

CHƯƠNG 3: 31

LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 31

3.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ WINCC 31

3.1.1 Giới thiệu chung 31

3.1.2 Các đặc điểm chính: 32

3.1.2.1 Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: 32

3.1.2.2 Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA: 32

3.1.2.3 Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp: 32

3.1.2.4 Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn: 33

3.1.2.5 Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC): 33

3.1.2.6 Ngôn ngữ vạn năng: 33

3.1.2.7 Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu: 33

3.1.2.8 Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ: 33

3.1.2.9 Giao tiếp với hầu hết các loại PLC: 33

3.1.2.10 WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hoá tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation-TIA): 33

3.1.3 Các cấu hình hệ thống cơ bản: 33

3.2 Lập trình khối hàm FC 34

3.3 Lập trình cho bộ điều khiển 35

3.3.1.Cấu hình phần cứng trong Tia Portal 35

Từ chương I, chúng em đã chọn cảm biến đo lượng Oxy hòa tan có các thông số kỹ thuật như sau: 35

3.3.2.Viết chương trình cho khối hàm FC 36

3.4.Thiết kế giao diện giám sát hệ thống 40

CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41

4.1.Kết quả mô phỏng 41

4.2 Nhận xét: 41

CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ OXY HÒA TAN (DO)

1.1.Sơ lược về DO

-Oxy hòa tan là lượng oxy có trong nước được tính bằng mg/l hay % bão hòa dựa vàonhiệt độ Phần trăm bão hòa là phần trăm tiềm tàng của nước để giữ oxi có mặt trongnước Oxy trong nước mặt dao động từ 0 mg/l ở nguồn nước có điều kiện quá tệ chotới 15 mg/l trong nước đóng băng

-Oxy hoà tan trong nước đóng vai trò rất quan trọng đối với động vật thuỷ sinh nóichung và động vật thuỷ sản nói riêng, oxy hoà tan của thuỷ vực có hai nguồn chính:khuyếch tán từ không khí (nhờ gió, sóng) và do tảo quang hợp tạo ra, oxy bị tiêu haobởi các quá trình: thoát vào không khí, hô hấp của tảo và động vật, phân huỷ chất hữu

cơ do vi sinh vật, do các chất sa lắng trong lớp bùn Đảm bảo lượng oxy hoà tan cầnthiết cho thuỷ vực là đảm bảo năng suất nuôi trồng thủy sản, chất lượng sản phẩmthuỷ sản

-Nhằm mục đích theo dõi đánh giá nồng độ oxy tan trong nước để đảm bảo sự sốngcho sinh vật thủy sinh ta sử dụng cảm biến oxy hòa tan DO

1.2.Phương pháp xác định DO

1.2.1.Có thể xác định DO bằng hai phương pháp khác nhau

- Phương pháp Winkler (hóa học)

- Phương pháp điện cực oxy hòa tan - máy đo oxy

1.2.2.Kỹ thuật phân tích

1.2.2.1.Phương pháp Winkler

- Cách tiến hành: Oxy trong nước được cố định ngay sau khi lấy mẫu bằng hỗn hợpchất cố định (MnSO4, KI, NaN3), lúc này oxy hòa tan trong mẫu sẽ phản ứng vớiMn2+ tạo thành MnO2 Khi đem mẫu về phòng thí nghiệm, thêm acid sulfuric hayphosphoric vào mẫu, lúc này MnO2 sẽ oxy hóa I- thành I2 Chuẩn độ I2 tạo thành bằngNa2S2O3 với chỉ thị hồ tinh bột Tính ra lượng O2 có trong mẫu theo công thức:

1.2.2.2.Phương pháp điện cực oxy hoà tan- máy đo oxy

- Đây là phương pháp được sử dụng rất phổ biến hiện nay Máy đo DO được dùng đểxác định nồng độ oxy hòa tan ngay tại hiện trường Điện cực của máy đo DO hoạtđộng theo nguyên tắc: dòng điện xuất hiện trong điện cực tỷ lệ với lượng oxy hòa tantrong nước khuếch tán qua màng điện cực, trong lúc đó lượng oxy khuếch tán quamàng lại tỷ lệ với nồng độ của oxy hòa tan Đo cường độ dòng điện xuất hiện này chophép xác định được DO

- Các cảm biến đo hàm lượng oxy hòa tan thông dụng hoạt động dựa trên nguyên lý

do Macbeth đề xuất, trong đó, cảm biến hoạt động giống như một pin điện hóa

- Nguyên lý về cấu tạo và hoạt động của cảm biến này được trình bày trên sơ đồ

Hình 1

Cảm biến đo hàm lượng oxy hòa tan

Trong cảm biến chứa dung dịch KCl và 2 điện cực, anốt bằng kẽm hay chì và catốtbằng bạc Một màng chắn xốp ngăn cách phần trong cảm biến và dung dịch cần đonhưng cho phép oxy di chuyển vào trong cảm biến

Tại anốt xẩy ra sự oxy hóa : Zn → Zn2 + + 2 e

-Tại catốt xẩy ra sự khử oxy : 2 e -+ ½ O2 + H2O → 2 OH

-Do các phản ứng oxy hóa khử trên mà cảm biến hoạt động giống như một pin điệnhóa và tạo ra dòng điện Cường độ dòng điện này phụ thuộc vào hàm lượng oxy hòa

tan trong dung dịch đo Khi đo được cường độ dòng điện ta xác định được hàm lượngoxy hòa tan.

Cấu tạo thực tế của cảm biến được trình bày trong Hình 1b, trong đó catốt là một lõi ởgiữa, anốt là một ống bọc ngoài catốt Tất cả đặt trong một thân

1.3.Lựa chọn cảm biến:

Nhằm đáp ứng nhu cầu công nghệ nhóm chúng em xin đưa ra cảm biến

GLI5500 –một loại cảm biến đo DO rất hay được sử dụng trên thị trường hiện

nay

1.3.1.Giới thiệu cảm biến

Hình2 Cảm biến GLI5500

GLI5500 sử dụng công nghệ tế bào polarographic Clark, hệ thống cảm biến bao

gồm ba bộ đo một anot bạc, một catot vàng và một điện cực bạc tham

chiếu Cảm biến tham chiếu bạc cho ra tín hiệu rõ nhờ sử dụng một hằng số

phép đo điện áp phân cực đóng vai trò ổn định, để tránh sự gián đoạn của hệ

thống cảm biến Với việc sử dụng bộ ba cảm biến tế bào kết hợp với việc điện

cực oxy hòa tan GLI 5500 cho phép ta xác đinh DO với độ chính xác và ổn định

cao

Tính năng :

- Màng chống bám bẩn và bền

Màng thẩm thấu có tính năng kị nước dày 50 micron đảm bảo sensor không bị

đóng bám cặn và hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt như trong các

nhà máy xử lý nước thải

- Bao bọc toàn bộ

Cấu trúc thiết kế bao bọc toàn bộ để bảo vệ các bộ phận điện tử bên trong

sensor tránh khỏi các vấn đề về độ ẩm, kéo dài tuổi thọ của sensor

- Kiểu gắn đa dạng

Có thể lắp sensor vào các khung gắn kiểu trục, kẹp hay lắp vào ống đứng, khớp

quay hay quả cầu nổi để định vị trí sensor cũng như lấy sensor ra khỏi hệ thống

dễ dàng Kiểu lắp với quả cầu nổi giúp sensor nhấp nhô lên xuống để màng điện

cực va chạm nhẹ nhàng với dòng mẫu Kiểu gắn nhúng ngập giúp cố định vị trí

ở độ sâu cần đo đạc trong bể

1.3.2 Thông số kỹ thuật

Đầu ra Analog :4-20mA

Dải đo oxy hòa tan: 0-20 mg/L

Giao thức truyền thông RS-232 & 485, Profibus DPV1 RS-232 N / A

Lớp bảo vệ NEMA4X (IP66), 1 / 2DIN NEMA4X (IP65), 1 / 4DIN (panel)

NEMA4X

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIA PORTAL & PLC 300

2.1.Tổng quan về TIA PORTAL

- Siemens giới thiệu TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả phần mềm lập

trình điều khiển cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện tại ViệtNam

- Vào ngày 21 tháng 6 năm 2011, tại thành phồ Hồ Chí Minh, bộ phận Tự động

hóa Công nghiệp thuộc công ty Siemens Việt Nam ra mắt thị trường Việt Namphần mềm lập trình đầu tiên trong công nghiệp sử dụng chung một môi trường,một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, với tên gọi Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) Đây là phần mềm lậptrình điều khiển trực quan, hiệu quả và xác thực giúp khách hàng thiết kế toàn

bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một giao diện phần mềmduy nhất, từ đó mang đến cho các nhà tích hợp hệ thống và các doanh nghiệpsản xuất cơ hội nâng cao năng suất và lợi thế cạnh tranh hữu hiệu

- Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho

cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tựđộng hóa Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình,tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA)của Siemens Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 V11 để lập trình các

bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI vàchạy Scada trên máy tính

- Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng

dụng điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhucầu của khách hàng trên toàn thế giới Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phầnmềm lập trình của Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềmnày chia sẽ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện vàtính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bâygiờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ Hướng ứng dụng, các kháiniệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi, các tính năngonline là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung cơ sở

dữ liệu TIA Portal

- Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens

đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian,công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví dụ người sử

dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả’ một biến của trong chương trìnhđiều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ đượcgán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC – HMI đã được tự độngthiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm.

- Phần mềm mới Simatic Step 7 V11, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho

S7-1200, S7-300, S7-400 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC.Simatic Step 7 V11 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầucủa người sử dụng Simatic Step 7 V11 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổichương trình PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA Portal

- Phần mềm mới Simatic WinCC V11, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng

để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũngnhư để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA)

- Việc thiết lập cấu hình cho các Sinamics biến tần cũng sẽ được tích hợp vào

TIA Portal trong các phiên bản sau

- Ban công nghiệp của Siemens (Erlangen, Đức) là một trong những nhà cung

cấp hàng đầu thế giời về các công nghệ sản xuất, vận chuyển, xây dựng vàchiếu sáng thân thiện môi trường Với các công nghệ tích hợp tự động hóa vàcác giải pháp công nghiệp đặc thù, Siemens tăng cường năng xuất, hiệu quả vàtính linh động cho khách hàng trong các lãnh vực công nghiệp và hạ tầng cơ sở.Ban công nghiệp bao gồm 6 bộ phận: Công nghệ Tòa nhà, Công nghệ truyềnđộng, Tự động hóa Công nghiệp, Giải pháp công nghiệp, Vận chuyển vàOsram Với hơn 207,000 nhân viên trên toàn thế giới, Ban công nghiệpSiemens đạt doanh số khoảng 35 tỉ EUR trong năm 2009

- Bộ phận công nghiệp Tự động hóa của Siemens (Nuremberg, Đức) dẫn đầu

toàn cầu trong các lãnh vực về hệ thống tự động, điều khiển công nghiệp và cácphần mềm công nghiệp Dãi danh mục rộng lớn từ các sản phẩm tiêu chuẩn chocác ngành công nghiệp sản xuất và chế biến tới các giải pháp cho toàn ngànhcông nghiệp bao gồm cơ sở

- Siemens Việt Nam chính thức hiện diện tại Việt Nam vào năm 1993 khi hai

văn phòng đại diện của chúng tôi được thành lập tại Thành phố Hồ Chí Minh

và Hà Nội Kể từ đó cho đến nay, Siemens đã tham gia thực hiện một loạt các

dự án cơ sở hạ tầng tại Việt Nam trong các lĩnh vực then chốt của nền kinh tếnhư năng lượng, công nghiệp, y tế và giao thông vận tải Nhằm tạo dựng một

cơ sở kinh doanh vững chắc để thúc đẩy sự hợp tác với các đối tác trong nước,công ty TNHH Siemens đã được thành lập vào tháng 9 năm 2002, cung cấp cácgiải pháp và dịch vụ liên quan đến các hệ thống và sản phẩm của Siemens Sựphát triển nhanh chóng trong quan hệ hợp tác kinh doanh với Việt Nam thúcđẩy sự thành lập Nhà máy Tự động hóa Siemens vào năm 2005 chuyên sản

xuất hệ thống thanh cái dẫn điện Siemens luôn phấn đấu trở thành một bộ phậnhữu cơ của nền kinh tế Việt Nam với cam kết vì sự phát triển kinh tế và xã hộibền vững

- Phần Totally Intergrated Automation Portal cung cấp hai kiểu xem thiết lập công cụ khác nhau: một là thiết lập được định hướng theo công việc, thiết lập này được tổ chức trong chức năng của các công cụ (kiểu xem Portal), hai là kiểu xem được định hướng theo đề án gồm các phần tử bên trong đề án (kiểu xem Project) Người dùng cần chọn kiểu xem nào giúp làm việc với hiệu quả tốt nhất Với một cú nhấp chuột, người dùng có thể chuyển đổi giữa kiểu xem Portal và kiểu xem Project

- Kiểu xem Portal cung cấp một kiểu xem theo chức năng đối với các nhiệm vụ

và tổ chức chức năng của các công cụ theo nhiệm vụ để được hoàn thành, như

là tạo ra việc cấu hình các thành phần và các mạng phần cứng Người dùng có thể dễ dàng xác định cách thức để tiến hành

Hình 3

- Kiểu xem Project cung cấp việctruy xuất đến tất cả các thành phần nằmtrong một đề án Với tất cả các thành phần này nằm trong một vị trí, ngườidùng có một truy xuất dễ dàng đến mỗi phương diện của đề án Đề án chứa tất

cả các các phần tử đã vừa được tạo ra hay hoàn thành

Hình 4

2.2.Tổng quan về PLC S7-300

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển khả trình PLC

PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lậptrình được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 cà được sửdụng chủ yếu để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sảnxuất trong công nghiệp Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nócũng giống như con vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanhhơn và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng.Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm dongười dùng lập nên và cài vào Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán

tự động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển và chỉthay đổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau

Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn

- Dễ dàng thay đổi nhưng không tốn kém về mặt chính

- Có thể tính toán chính xác giá thành

- Cần ít thời gian làm quen

- Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo công nghệ thì dễ dàng

- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng

Bộ đệm

Bộ nhớ chương trình EEPROM Nguồn pin CPU bộ vi xử lý Clock

Bộ nhớ hệ thống ROMBộ nhớ Dữ liêu RAM

Khối vào ra

Bộ đệm

Bus điều khiển

Bus địa chỉBus hệ thống vào/ra

Panel lập trình

Bộ đệmMạch cách ly Mạch chốt

Mạch cách lyMạch giao tiếp

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC

Bus địa chỉ

Bộ đệm

Bộ nhớ chương trình EEPROM

tuỳ chọn

- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếngồn

Đứng đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của Mỹ,công ty MitSubiShi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ, Schnidercủa Pháp…

Cấu trúc chung của một hệ thống PLC được thể hiện trên sơ đồ hình 3.1

2.2.2 Cấu trúc và Module S7-300

2.2.2.1 Cấu trúc của PLC S7-300

Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớncác đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điềukhiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏthành các module Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán,song tối thiểu phải có một module chính là module CPU Các module còn lại làcác module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năngchuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung

là modul mở rộng Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack)

Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thờigian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có một vài cổng vào/ra

số Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau Nói chung chúng đượcđặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315 Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổngvào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư việncủa hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được

phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated

Function Module) Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM

Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổngtruyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Tấtnhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thíchhợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU được phân biệt với

những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví

Một chương trình ứng dụng S7 – 300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau:

- BOOL: Với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai ) Đây làkiểu dữ liệu cho biến hai trị

- BYTE: Gồm 8 bits, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dươngtrong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của một ký tự

- WORD: Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535

- INT: Cũng có dung lượng là 2 bytes, dùng để biểu diễn số nguyên trongkhoảng – 32768 đến 32767

- DINT: gồm 4 bytes, dùng để biểu diễn một số nguyên từ – 2147483648 đến2147483647

- REAL: gồm 4 byte dùng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động

- S5T (hay S5TIME): khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/mini giây

- TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.

- DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày

- CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự)

Bộ nhớ được chia làm ba vùng:

+ Vùng chương trình: là miền nhớ để lưu giữ các lệnh chương trình Vùng nàythuộc kiểu non-volatile đọc ghi được Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:

 OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức

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

 FB (Function block): Miền chưa chương trình con được tổ chức thành hàm và

có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các dữ liệunày phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB)

+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phânchia thành 7 miền khác nhau:

 I ( Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số Trước khi bắt

đầu thực hiện chương trình PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng tại vùng nhớ I, thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I

 Q ( Process image output): Miền bộ nhớ đệm các dữ liệu cổng ra số Kết thúc

giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ nhớ đệm Q

 M ( Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M) byte(MB), từ (MW) hay từ kép (MD)

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

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

 PI: Miền địa chỉ cổng vào 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 từng kép (PID)

 PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O - external output) Cácgiá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ kép (PQD)

+ Vùng dữ liệu: là miền để sử dụng để cất giữ các khối dữ liệu của chương trìnhbao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộđệm truyền thông Một phần của bộ nhớ này thuộc kiểu đọc ghi được

Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:

 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thướccũng như khối lượng do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều

Systerm memory

Bộ đệm ra sốQ

Bộ đệm vào sốIVùng nhớ cờMTimerT

CouterC

Work memory

Logic block Data block Local block, Stack

Load memory

User program (EEPROM) User program (RAM)

ACCU1ACCU2Accumulator

AR1AR2Address register

DB (share)

DI (instance)

Data block register

StatusStatus word

khiển Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ(DBW), hoặc từ kép (DBD)

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

OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biếnhình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của dữ liệu trong miềnnhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB

- Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau Cấutrúc bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:

+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi

+ Vùng system memory

+ Vùng Load memory

+ Vùng Work memory

Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU

Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao

gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trongthư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB

System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M),

thanh ghi T-Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter

Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình

(OB, FC, FB, SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát chonhững tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điềuhành và với các khối chương trình khác (Local Block) Tại một thời điểm nhất địnhvùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đóđược thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đókhối chương trình kế tiếp đến lược thực hiện

Truyền thông và kiểm tra nội bộChuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

Thực hiện chương trìnhChuyển dữ liệu từ cổng vào Q

VÒNG QUÉT

2.2.2.3 Vòng quét chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòngquét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổngvào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từngvòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khốiOB1 (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nộidung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạntruyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng

quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng

thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trongchương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòngquét đó

Hình 3.6: Vòng quét chương trình

Như vậy, việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điềukhiển tới 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

Chương trình xử lí ngắt có thể xâm nhập vào bất kì giai đoạn nào của chu trìnhvòng quét Vì thế, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuấthiện trong vòng quét Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điềukhiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụngviệc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổngvào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo Việc truyền thông gữa bộ đệm ảo với ngoại vitrong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý Ở một số module CPU, khigặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cảchương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra

2.2.3 Các module của PLC S7-300

2.2.3.1 Bộ nguồn:

Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòngtiêu thụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC) Dòng tiêu thụ của các phân tửPLC phải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải.

2.2.3.2 CPU:

Thành phần cơ bản của PLC là khối vi xử lý CPU Sản phẩm của mỗi hãng có đặctrưng cho tính linh hoạt, tốc độ xử lý khác nhau Về hình thức bên ngoài, các hệ CPUcủa cùng một hãng có thể được phân biệt nhờ các đầu vào, ra và nguồn cung cấp.Tốc độ xử lí của CPU là tốc độ xử lý từng bước lệnh của chương trình PLC đòihỏi CPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lýxảy ra nhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao Tuynhiên tốc độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC

2.2.3.3 Module CPU

Module CPU là loại module có chứa

bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộthời gian, bộ đếm, cổng truyền thông(RS485)… và có thể còn có một vài cổngvào ra số Các cổng vào ra số có trênmodule CPU được gọi là cổng vào raonboard

PLC S7_300 có nhiều loạimodule CPU khác nhau Chúng được đặt

tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module

CPU312, module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/raonboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điềuhành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhautrong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ nhưModule CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổngtruyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loạimodule này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port)như là module CPU315-DP

2.2.3.4 Module mở rộng:

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module.Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấutrúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc

mở rộng hệ thống Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụngnhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, các modulecòn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoàinhư động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ Chúng được gọi chung là các module

mở rộng

Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:

2.2.3.5 Module nguồn nuôi (PS - Power supply):

Hình 3.2: Module CPU

Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300 Modulenguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

2.2.3.6 Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module):

Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mởrộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số Sốcác cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loạimodule

- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module

- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cổng ra tương tự Số các cổng ratương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module

- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương

tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loạimodule

Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analogđều phải được chuyển đổi thành tín hiệu số Cũng như các module số, người sử dụngcũng có thể thiết lập các thông số cho các module analog

2.2.3.7 Module ghép nối (IM - Interface module):

Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đượcquản lý chung bởi 1 module CPU Thông thường các module mở rộng được gắn liềnvới nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mởrộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thểlàm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằngmodule IM

Các module ghép nối (IM) cho phép

thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu

hình S7-300 cung cấp 3 loại module ghép

nối sau:

- IM 360: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên

đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU

- IM 361: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8 module với khoảng cách tối đa là 10 m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi tầng

- IM 365: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên

đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU

2.2.3.8 Module chức năng (FM - Function module):

Module có chức năng điều khiển riêng Ví dụ như module PID, module điềukhiển động cơ bước…

2.2.3.9 Module truyền thông (CP - Communication module):

Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLCvới máy tính

M COIL VALE

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

Hình 3.4: Mô hình kết nối của SIMATIC S7-300

2.2.3.10 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 các module

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 được CPUchuyển tới cổng ra của các module ra số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm nàyđược thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nếu trong chương trình ứng dụng 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 luôn đọc được cùng

Màn hình PC

Hình 3.3: Module ghép nối

Chương trình ứng dụng(user program)

Process image input table (I) Process

imag output table (Q)

một giá trị từ I và giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòngquét Cũng như vậy, nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho mộtcổng ra số thì do nó chỉ thay đối nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trịthay 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 đươc 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

2.3 Làm việc với phần mềm Tia Portal

2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI

Step 7 basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo

Một hệ thống kỹ thuật mới

Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình,