ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔ HÌNH LÒ NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG PLC S7-300

Đồ Án Tốt Nghiệp - Điều Khiển và giám sát mô hình lò nhiệt độ sử dụng PLC S7-300

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO

MỤC LỤC

I Xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình điều khiển và giám sát module lò nhiệt độ

dùng s7-300: 3

II Tìm hiểu các thành phần trong mô hình: 3

1 Thành phần PC 3

2 Thành phần PLC S7-300 4

3 Thành phần OP270 6” 4

4 Thành phần đối tượng lò nhiệt: 5

5 Thành phần kết nối: 5

III Mô hình điều khiển giám sát bao gồm các quá trình 7

1 Kết nối phần cứng hệ thống: 7

2 Thiết lập cấu hình, lập trình và download chương trình cho PLC S7-300 7

3 Thiết kế giao diện và download cho OP270: 31

IV Kết quả chương trình và giao diện: 41

I Xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình điều khiển và giám sát module lò nhiệt độ dùng s7-300:

Mô hình điều khiển giám sát bao gồm các thành phần:

1 PC: dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC và panelOP270 hoạt động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống

2 PLC S7-300: điều khiển trực tiếp đối tượng

3 Panel OP270 6”: màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc

4 Đối tượng điều khiển: Lò nhiệt

5 Các kết nối:

a Cáp nối chuẩn MPI: truyền thông giữa PC và PLC S7-300

b Cáp nối chuẩn PROFIBUS-DP: truyền thông giữa PLC S7-300 và OP270

c Cáp nối chuẩn RS232: truyền thông giữa PC và OP270

d Các dây nối từ module analog của S7-300 với lò nhiệt

6 Ngoài ra còn có các bộ nguồn cung cấp điện áp nuôi dùng cho sự hoạt độngcủa lò nhiệt

II Tìm hiểu các thành phần trong mô hình:

1 Thành phần PC

a Chức năng:

 Lập trình và tạo giao diện điều khiển

 Download chương trình cho PLC và OP270

 Giám sát sự hoạt động của hệ thống

b Yêu cầu:

 Hệ điều hành window 2000/window NT 4.0/XP

 Pentium III, 500MHz và bộ nhớ RAM 128 trở lên

 Cài đặt Simatic manager V5.2 SP1 hoặc cao hơn, dùng để thiết lập cấu hình và lập trình cho S7-300

 Cài đặt Simatic Protol/Protool CS và Protool runtime, dùng

để thiết kế giao diện và giám sát hoạt động của panel OP270

2 Thành phần PLC S7-300

a Chức năng:

 Điều khiển sự hoạt động của đối tượng thông qua module điều khiển analog bao gồm việc xuất tín hiệu điều khiển và thu nhận tín hiệu phản hồi (module này được gắn trên bộ S7-300)

 Truyền thông với thiết bị lập trình (PC/PG) để nạp chương trình và truyền dữ liệu

 Truyền thông với thiết bị HMI (OP270 ) để nhận tín hiệu điều khiển đồng thời truyền dữ liệu thu được hiển thị trên màn hình giám sát

 Truyền thông với PLC: truyền tín hiệu điều khiển và nhận

dữ liệu từ PLC để hiển thị trên màn hình giám sát

4 Thành phần đối tượng lò nhiệt:

Chức năng: là đối tượng của quá trình điều khiển giám sát

5 Thành phần kết nối:

a Cáp nối chuẩn MPI: sử dụng truyền thông giữa PC và PLC S7-300

 Kết nối với modul CPU của S7-300 thông qua

 Kêt nối với PC thông qua cổm USB

 Yêu cầu: Thiết lập cấu hình phần cứng PLC S7-300, xác định địa chỉ truyền thông chuẩn MPI

b Cáp nối chuẩn PROFIBUS-DP: sử dụng truyền thông giữa PLC

S7-300 và OP270

 Kết nối với S7-300 thông qua cổng DP

 Kết nối với OP270 thông qua cổng IF1B

 Yêu cầu: Thiết lập cấu hình PLC S7-300 và OP270, xác định địa chỉ truyền thông cho chuẩn PROFIBUS-DP

c Cáp nối chuẩn RS232: sử dụng truyền thông giữa PC và OP270 nhằm download giao diện thiết kế từ PC đến OP

 Kết nối với PC thông qua cổng com

 Kết nối với OP thông qua cổng

 Yêu cầu: Khi thiết kế giao diện cần thiết lập cấu hình truyềnthông sử dụng cổng truyền thông IF2 và COM để downloadchương trình cho OP270.

III Mô hình điều khiển giám sát bao gồm các quá trình

a Kết nối PC với PLC S7-300 sử dụng cáp chuẩn MPI: nối cổng

RS485 vào modul CPU của S7-300, cổng USB vào PC; lưu ý trên 3 tín hiệu đèn xanh trên cáp đều sang

b Kết nối PLC S7-300 với OP270 sử dụng cáp chuẩn PROFIBUS-DP:

nối cổng RS vào cổng DP của CPU S7-300, đầu cáp còn lại nối vào cổng IF1B của OP270

c Kết nối PC và OP270 sử dụng cáp chuẩn RS232: nối 1 cổng vào

cổng COM máy tính, đầu còn lại nối vào cổng IF2 của OP270

d Kết nối PLC với lò nhiệt:

i. Sử dụng dây nối cổng ra của module analog trên

S7-300 với cổng điều khiển Ecom của lò nhiệt

ii. Sử dụng dây nối cổng vào của module analog truên S7-300 với cổng tín hiệu hồi tiếp của lò nhiệt

e Lắp ráp các nguồn nuôi dùng cho lò nhiệt và các dây nối cần thiết

2 Thiết lập cấu hình, lập trình và download chương trình cho PLC S7-300

Sử dụng phần mềm Simatic manager V5.2 SP2 trên PC

a Thiết lập cấu hình:

 Khởi động Simatic manager bằng cách vào Start→All Programs →SIMATIC → SIMATIC manager hoặc bằng cách nhấp phải chuột vàobiểu tượng trên desktop.

 Màn hình Simatic manager xuất hiện, vào File → New để tạo một

dự án mới Xuất hiện hộp thoại như sau:

 Tại hộp thoại đánh tên dự án trong mục name và nhấn OK

 Màn hình xuất hiện gồm 2 phần: bên trái hiển thị dự án theo sơ đồ cây, bên phải là các đối tượng trong dự án, mặc định khi khởi tạo có mạng kết nối MPI

 Thêm trạm làm việc S7-300 bằng cách kích chuột phải vào màn hình soạn thảo (màn hình phải) vào Insert New Object → SIMATIC

 Click chuột phải vào ô số 1 (slot 1) trong Rail chọn Insert Object

→ PS 307 2A để chọn module nguồn của S7-300

 Click chuột phải vào ô số 2 (slot 2) trong Rail chọn Insert Object

→ CPU 313C-2DP→6ES7 313-6CE01-0AB0 để chọn module CPU của S7-300 Lúc này xuất hiện hộp thoại PROFIBUS interface DP

 Nhấp vào New → xuất hiện hộp thoại new subnet PROFIBUS Taitab General đặt tên cho kết nối là PROFIBUS(1), tab Network settingsthiết lập tốc độ truyền thông và kiểu kết nối phù hợp như hình sau:

Nhấn OK → OK để trả về HW config thấy xuất hiện module CPU với một DP master system có tên là PROFIBUS(1)

 Click chuột phải vào ô số 4 (slot 4) chọn Insert Object →

SIMATIC 300 → SM 300 → AI/AO-300→ SM 334 AI4/AO2×8/8bit loại 6ES7 334-0CE01-0AA0 để chọn module analog cho S7-300 Lưu

ý địa chỉ của các cổng của module khi dùng để viết chương trình

 Nhấp đôi vào module CPU 313C-2DP tại slot 2 xuất hiện hộp thoại:

Nhấp vào properties để cấu hình truyền thông giữa PC và PLC

S7-300, hộp thoại xuất hiện chọn chuẩn kết nối MPI, tốc độ truyền thông

và địa chỉ truyền thông phù hợp theo như hình sau:

 Sau khi hoàn thành việc thiết lập cấu hình như sau:

 Đóng cửa sổ HW config, hộp thoại xác nhận xuất hiện, nhấn OK

để lưu cấu hình

Lúc này tại cửa sổ dự án xuất hiện 2 kết nối:

Trong đó:

 kết nối MPI dùng kết nối PC và PLC S7-300

 kết nối PROFIBUS(1) dùng kết nối PLC S7-300 với OP270

Để xem kết nối nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ, màn hình NetPro xuấthiện:

b Lập trình cho S7-300:

i Sơ đồ thuật toán:

BỘ PIDĐK

Tín hiệu xuất=”0”

Nhiệt độ đặt

Convertnhiệt-t.hiệu

Th.số PID

ĐkhiềnKp

TdTiBắt đầu vòng quét chương trình tại đây

S

Đ

Đ

ĐS

S

Convertt.hiệu-nhiệt

Màn hìnhOP270

ii Các thành phần chức năng trong chương trình:

Mô hình và sự chức năng của các khối trong chương trình

 Khối OB1:

 bao gồm các khối con FB, FC, SFB, SFC khác

Tạo khối OB1:

 Tại cửa sổ Simatic manager, click chuột vào

SIMATIC 300(1) → CPU 313C-2DP→S7 program(1)→block, nhấpđôi vào khối OB1, hộp thoại xuất hiện:

LÒ

NHIỆT

FC4Convertnhiệt-tín hiệu

FC5Converttín hiệu-nhiệt

FC3

Bộ PID

FC1lấy tín hiệu analog

FC2xuất tín hiệu analog

Panel OP270

Nhiệt hiện thời

Nhiệt độ đặt

Tín hiệu đặt

Tín hiệu hồi tiếp

OB1Thực hiện theo chu kỳ quét PLC

S7-300

Thôngsố PID

 Chọn ngôn ngữ sử dụng để lập trình (STL, LAD,FBD), ở đây ta chọn LAD; ngoài ra có thể cung cấp thông tin

về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2; nhấn OK để chấp nhận, cửa sổ soạn thảo cho khối OB1 xuất hiện

 Khối OB1 gọi các chương trình con bằng cách nhấp đôi vào các khối FB hay FC ở màn hình bên trái

 Chương trình trong khối OB1 được trình bày ở phần phụ lục kèm theo

 Khối FC1: khối thực hiện chức năng lấy tín hiệu hồi tiếp từ đối tượng cần điều khiển (lò nhiệt) về cho PLC

Tạo khối:

 Tại cửa sổ soạn thảo Simatic manager, click chuột phải, chọn Insert New Object→Function, xuất hiện hộp thoại Function properties

 Tại hộp thoại Function properties: mục Name điền tên khối hàm là FC1, mục Symbolic Name ghi

LAY_TIN_HIEU_ANA, chọn ngôn ngữ lập trình là LAD, ngoài ra

có thể cung cấp thông tin về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2, nhấn OK để chấp nhận Màn hình soạn thảocho khối FC1 xuất hiện

Viết chương trình:

Khối FC1 dùng để đọc tín hiệu hồi tiếp từ lò nhiệt về cho PLC thôngqua module analog SM 334 AI4/AO2×8/8bit, ở đây cần sử dụng cổng vào AI với khối chức năng định tỉ lệ ngõ vào analog (khối SCALE SFC105)

 Tại màn hình soạn thảo khối FC1, ở cửa sổ bên trái chọn Libraries→Standard Library→TI-S7 Converting

Blocks→FC105 SCALE CONVERT

i) Đầu vào:

Chân IN: Cổng vào analog, dùng lấy tín hiệu vào từ lò nhiệt (dạng số nguyên)

Chân HI_LIM và LO_LIM: giới hạn trên và dưới tín hiệu vật

lý của tín hiệu vào (dạng số thực)

Chân BIPOLAR: xác định quá trình chuyển đổi là số một cựchay hai cực (số BOOL)

ii) Đầu ra:

Chân OUT: đầu ra của bộ chuyển đổi (dạng số thực)

Chân RET_VAL: chứa giá trị trả về của bộ chuyển đổi (số nguyên dạng WORD)

 Các khai báo biến được đặt ở phần đầu:

 Sau khi lập trình ta được khối con FC1 như sau:

 Khối FC2: khối thực hiện chức năng xuất tín hiệu điều khiển từ S7-300 đến đối tượng cần điều khiển (lò nhiệt)

Tạo khối:

 Tại cửa sổ soạn thảo Simatic manager, click chuột phải, chọn Insert New Object→Function, xuất hiện hộp thoại Function properties

 Tại hộp thoại Function properties: mục Name điền tên khối hàm là FC2, mục Symbolic Name ghi

XUAT_TIN_HIEU_ANA, chọn ngôn ngữ lập trình là LAD, ngoài ra

có thể cung cấp thông tin về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2, nhấn OK để chấp nhận Màn hình soạn thảocho khối FC2 xuất hiện

Viết chương trình:

Khối FC2 dùng để xuất tín hiệu điều khiển từ PLC đến lò nhiệt thông qua module analog SM 334 AI4/AO2×8/8bit, ở đây cần sử dụng cổng ra AO với khối chức năng không định tỉ lệ ngõ ra analog (khối UNSCALE SFC106)

 Tại màn hình soạn thảo khối FC2, ở cửa sổ bên trái chọn Libraries→Standard Library→TI-S7 Converting

Blocks→FC106 UNSCALE CONVERT

i) Đầu vào:

Chân IN: Cổng vào, tín hiệu cần xuất ra cổng analog được đưa vào chân này (dạng số thực)

Chân HI_LIM và LO_LIM: giới hạn trên và dưới tín hiệu vật

lý của tín hiệu analog cần xuất (dạng số thực)

Chân BIPOLAR: xác định quá trình chuyển đổi là số một cựchay hai cực (số BOOL)

ii) Đầu ra:

Chân OUT: đầu ra của bộ chuyển đổi, chứa địa chỉ của cổng

 Sau khi lập trình ta được khối con FC2 như sau:

 Khối FC3: khối thực hiện chức năng của bộ PID, xử lýtín hiệu hồi tiếp và điều khiển việc xuất tín hiệu

Tạo khối:

 Tại cửa sổ soạn thảo Simatic manager, click chuột phải, chọn Insert New Object→Function, xuất hiện hộp thoại Function properties

 Tại hộp thoại Function properties: mục Name điền tên khối hàm là FC3, mục Symbolic Name ghi BO_PID, chọn ngôn ngữ lập trình là LAD, ngoài ra có thể cung cấp thông tin về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2, nhấn OK

để chấp nhận Màn hình soạn thảo cho khối FC3 xuất hiện

Viết chương trình:

Khối FC3 dùng với chức năng của bộ PID, ở đây sử dụng khối module PID mềm FB41 CONT_C cho quá trình điều khiển lien tục, khối FB41 được chứa trong thư viện Libraries

 Tại màn hình soạn thảo khối FC3, ở cửa sổ bên trái chọn Libraries→Standard Library→PID Control Blocks→FB41 CONT_C ICONT

i) Đầu vào:

Chân COM_RET: reset bộ PID

Chân MAN_ON : điều khiển bằng tay

Chân P_SEL: chọn thuật điều khiển P

Chân I_SEL: chọn thuật điều khiển I

Chân D_SEL: chọn thuật điều khiển D

Chân CYCLE: đặt chu kỳ thực hiện của bộ PIDChân SP_INT: tín hiệu đặt

Chân PV_IN: tín hiệu hồi tiếp

Chân GAIN: hệ số Kp của bộ P

Chân Ti: hệ số thời gian tích phân bộ I

Chân Td: hệ số thời gian vi phân bộ D

Chân LMN_HLM: giới hạn trên của đầu ra bộ PIDChân LMN_LLM: giới hạn dưới của đầu ra bộ PID

ii) Đầu ra:

Chân LMN: đầu ra của bộ PID

Chân LMN_P: đầu ra của tín hiệu sau bộ P

Chân LMN_I: đầu ra của tín hiệu sau bộ I

Chân LMN_D: đầu ra của tín hiệu sau bộ D

Chân PV: tín hiệu hồi tiếp

Chân ER: tín hiệu sai lệch

Các khai báo biến được đặt ở phần đầu:

Khối FB41 luôn đi kèm một khối dữ liệu (khối DB), khối này sẽ chứa các thông số của bộ PID, đặt tên khối dữ liệu kèm theo là DB1,khi đó xuất hiện thông báo:

 Khối FC4: khối thực hiện chức năng chuyển đổi giá trịnhiệt độ thành tín hiệu điện áp Sử dụng chuyển đổi nhiệt độ đặt thành tín hiệu đặt để đưa vào bộ PID

Tạo khối:

 Tại cửa sổ soạn thảo Simatic manager, click chuột phải, chọn Insert New Object→Function, xuất hiện hộp thoại Function properties

 Tại hộp thoại Function properties: mục Name điền tên khối hàm là FC4, mục Symbolic Name ghi

CONVERT_NHIET_T_HIEU, chọn ngôn ngữ lập trình là LAD, ngoài ra có thể cung cấp thông tin về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2, nhấn OK để chấp nhận Màn hình soạn thảo cho khối FC4 xuất hiện

Chân OUT: đầu ra của phép nhân hai số thực

Các khai báo biến được đặt ở phần đầu:

 Sau khi lập trình ta được khối con FC4 như sau:

 Khối FC5: khối thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu sang nhiệt độ, sử dụng khi hiển thị nhiệt độ hiện thời của lò nhiệt thông qua điện áp hồi tiếp của nó

Tạo khối:

 Tại cửa sổ soạn thảo Simatic manager, click chuột phải, chọn Insert New Object→Function, xuất hiện hộp thoại Function properties

 Tại hộp thoại Function properties: mục Name điền tên khối hàm là FC5, mục Symbolic Name ghi

CONVERT_T_HIEU_NHIET, chọn ngôn ngữ lập trình là LAD, ngoài ra có thể cung cấp thông tin về tác giả, phiên bản của khối bằng cách chọn tab General-Part 2, nhấn OK để chấp nhận Màn hình soạn thảo cho khối FC5 xuất hiện

i) Đầu vào:

Chân IN1: số thực thứ nhất

Chân IN2: số thực thứ hai

Đầu ra:

Chân OUT: đầu ra của phép chia số thực

Các khai báo biến được đặt ở phần đầu:

 Sau khi lập trình ta được khối con FC5 như sau:

 Tạo bảng biến symbols:

 Từ cửa sổ làm việc của Simatic manager chọn SIMATIC 300(1)→CPU 313C-2DP→S7 Programs(1)→ Symbols Cửa sổ Symbol Editor xuất hiện, điền tên symbol, địa chỉ, kiểu dữ liệu

và chú thích (nếu cần) như hình sau:

 Lưu bảng Symbol bằng cách nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ

 Tạo bảng biến để giám sát trong quá trình chạy chươngtrình:

 Từ cửa sổ làm việc của Simatic manager chọn SIMATIC 300(1)→CPU 313C-2DP→S7 Programs(1)→ Blocks Ở cửa sổ bên phải click chuột phải chọn Insert Object→Variable Table Cửa sổ Variable properties xuất hiện, điền tên bảng biến VAR_1,mục Symbolic Name ghi BANG_BIEN, ngoài ra có thể cung cấpthông tin về tác giả, phiên bản bằng cách chọn tab General-Part

2, nhấn OK để chấp nhận Màn hình soạn thảo cho bảng biến VAR_1 xuất hiện

 Đánh địa chỉ, kiểu dữ liệu cần quan sát vào bảng như hình sau:

 Lưu bảng VAR_1 bằng cách nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ

 Sau khi hoàn thành việc tạo các khối, bảng dữ liệu và bảng biếncần quan sát, màn hình làm việc của Simatic manager sẽ như sau:



c Download chương trình từ PC đến PLC S7-300:

 Thiết lập cấu hình download:

 Bật nguồn PLC, kiểm tra PLC phải ở chế độ STOP

 Kiểm tra cáp kết nối MPI giữa PC và PLC, 3 đèn màu xanh trên cáp kết nối phải sáng

 Từ cửa sổ Simatic manager vào menu Option→Set PG/PC Interface cửa sổ Set PG/PC Interface xuất hiện, chọn kiểu kết nối MPI cable; nếu kết nối này chưa có, tại mục

Interface→Add/Remove nhấn vào nút Select…chọn MPI rồi nhấn vào Install

 Download chương trình:

 Chọn SIMATIC 300(1), nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ hoặc vào menu PLC→Download để download chương trình cho PLC S7-300