Thiết kế và thi công mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng WinCC, PLC s7 1200

- Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện này thì việc ứng dụng thiết bị logic PLC để tự động hóa quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng xuất lao động, giảm sức người, nân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA

Tên đồ án: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN

XUẤT XI MĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG WINCC, PLC S7-1200

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phúc Vinh MSSV: 55132345

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy Khóa: 55

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Chất lượng hình thức

2 Chất lượng nội dung

Khánh Hòa, ngày tháng năm 2017

Khánh Hòa, ngày tháng 6 năm 2017

Thư ký Hội đồng Chủ tịch hội đồng

Bằng số Bằng chữ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu, em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử và toàn thể giáo viên trong trường Đại Học Nha Trang, đã hết lòng truyền thụ kiến thức quý giá và bổ ích cho chúng em trong suốt bốn năm học tập tại trường

Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Th.S Nguyễn Hoài Bão, người đã

chỉ bảo giúp đỡ em có thể hoàn thành đồ án Xin chân thành cảm ơn thầy

Và em cũng xin cảm ơn bố mẹ, bạn bè, những người thân xung quanh, những người giúp đỡ em về mặt tinh thần cũng như vật chất để em hoàn thành đồ án này Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, do còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như kỹ năng thực tế nên đồ án còn nhiều thiếu sót Em kính mong thầy cô và bạn bè

có những ý kiến đóng góp quý báu để kiến thức trong lĩnh vực tự động hóa được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô trong và ngoài khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Nha Trang thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để thực hiện sứ mệnh tốt đẹp của mình và truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, tháng 6 năm 2017 Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Phúc Vinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 2

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.3.2 Giới hạn của đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Giới thiệu PLC S7-1200 3

2.1.1 Giới thiệu chung 3

2.1.2 Cấu trúc phần cứng 4

2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ CPU 6

2.1.4 Vòng quét chương trình PLC 8

2.1.5 Các chế độ hoạt động của CPU 9

2.2 Giới thiệu SCADA, WinCC 10

2.3 Giới thiệu về phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 và WinCC 11

2.3.1 Phần mềm TIA PORTAL V13 lập trình cho PLC S7-1200 11

2.3.1.1 Sơ lượt về phần mềm 11

2.3.1.2 Hướng dẫn sử dụng các cửa sổ cơ bản của phần mềm 12

2.3.1.3 Cách tạo và xây dựng một Project trong TIA V13 16

2.3.2 Phần mềm WINCC V7.4 thiết kế giao diện cho WinCC 17

2.3.2.1 Hệ điều hành hỗ trợ cho phần mềm 17

2.3.2.2 Cách thiết kế giao diện, lập trình cơ bản trong WinCC 18

2.4 Tìm hiểu quy trình hoạt động của nhà máy sản xuất Xi Măng 30

2.4.1 Khái niệm và định nghĩa một số loại xi măng 30

2.4.2 Sơ lượt về tình hình công nghệ sản xuất xi măng trên toàn Thế Giới và Việt Nam 31

2.4.2.1 Ngành xi măng trên Thế Giới và phương hướng phát triển 31

2.4.2.2 Ngành xi măng Việt Nam 32

2.4.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của một số nhà máy 34 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG 43

3.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mô hình 43

3.1.1 Sơ đồ khối 43

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ 44

3.2 Lựa chọn thiết bị dùng trong mô hình 45

3.3 Thiết kế phần cứng 46

3.3.1 Thiết kế mô hình 46

3.3.2 Sơ đồ nối dây 46

3.4 Bài toán lập trình 49

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT WINCC 50

4.1 Thi công mô hình cơ khí mô phỏng nhà máy xi măng 50

4.1.1 Thi công mô hình thật 50

4.1.2 Cấu tạo mô hình 51

4.2 Chương trình điều khiển trên PLC và WIN CC 53

4.2.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống 53

4.2.2 Lập trình trên PLC S7-1200 54

4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 54

4.2.2.2 Quy định các tag vào ra trong PLC 57

4.2.2.3 Chương trình điều khiển PLC S7-1200 58

4.2.3 Lập trình trên WIN CC 67

4.2.3.1 Các tag trên WINCC 67

4.2.3.2 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên WINCC 69

4.2.3.3 Lập trình C cho toàn bộ hệ thống với Global Script 71

4.3 Phương pháp vận hành, điều khiển mô hình 81

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84

5.1 Kết quả mô hình 84

5.2 Kết luận 88

5.3 Hướng phát triển đề tài 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1: Các bộ phần cơ bản trên PLC S7-1200 4

Hình 2 2: Vòng quét chương trình PLC 9

Hình 2 3: Hệ thống giám sát và thu nhập dữ liêu SCADA điển hình 10

Hình 2 4: Cửa sổ "Portal view" của phần mềm TIA V13 12

Hình 2 5: Cửa sổ "Devices & networks" của phần mềm TIA V13 13

Hình 2 6: Cửa sổ "Online & diagnostics" của phần mềm TIA V13 14

Hình 2 7: Cửa sổ "Main OB1" của phần mềm TIA V13 15

Hình 2 8: Sơ đồ xây dựng một Project 16

Hình 2 9: Cửa sổ "Create new project" trong phần mềm TIA V13 16

Hình 2 10: Cửa sổ "Add new device" của phần mềm TIA V13 17

Hình 2 11: Hộp thoại WinCC Explorer để tạo New Project trong WinCC 18

Hình 2 12: Cửa sổ Add new dirver để kết nối với PLC 19

Hình 2 13:Cài đặt thông số kết nối PLC với WinCC 20

Hình 2 14: Tạo một Picture từ công cụ Graphics Designer 22

Hình 2 15: Thao tác cơ bản với Picture 22

Hình 2 16: Giao diện thiết kế Graphics Designer 23

Hình 2 17: Nhóm vẽ đối tượng Windows Objects trong Graphics Designer 24

Hình 2 18: Cửa sổ Button Configuration 24

Hình 2 19: Cửa sổ I/O Field Configuration 25

Hình 2 20: Nhóm vẽ đối tượng Smart Object trong Graphics Designer 25

Hình 2 21: Cửa sổ Library trong Graphics Designer 26

Hình 2 22: Cửa sổ Edit Action lập trình C-Action trong WinCC 26

Hình 2 23: Mở Global Scipt để lập trình cho toàn bộ WinCC 27

Hình 2 24: Cửa sổ làm việc của C-Editor của Global Scipt 27

Hình 2 25: Cửa sổ Computer Properties để cài đặt các thông số trước khi Runtime 29

Hình 2 26: Phòng điều khiển trung tâm của nhà máy xi măng Hoàng Thạch 34

Hình 2 27: Sơ đồ công nghệ nhà máy xi măng Hoàng Thạch 35

Hình 2 28: Mặt bằng tổng thể dây chuyền sản xuất xi măng VLXD Bỉm Sơn 38

Hình 2 29: Sơ đồ dây chuyền sản xuất xi măng VLXD Bỉm Sơn 38

Hình 2 30: Toàn cảnh nhà máy xi măng Hoàng Mai 41

Hình 2 31: Sơ đồ dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất xi măng Hoàng Mai 42

Hình 3 1: Sơ đố khối nguyên lý hoạt động của mô hình 43

Hình 3 2: Mô hình phần cứng thiết kế trên CorelDRAW X5 46

Hình 3 3: Sơ đồ nối dây của mô hình 47

Hình 4 1: Mặt trước của mô hình thật mô phỏng nhà máy sản cuất xi măng 50

Hình 4 2: Mặt bên của mô hình thật mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng 51

Hình 4 3: CB 1 pha 10A 51

Hình 4 4: Quạt mini 24VDC 52

Hình 4 5: Nút nhấn nhả có đèn báo 52

Hình 4 6: Đèn báo 24VDC 52

Hình 4 7: Jack đực bắp chuối 4mm 53

Hình 4 8: Jack cái bắp chuối 4mm 53

Hình 4 9: Sơ đồ khối hệ thống mô hình điều khiển 53

Hình 4 10: Lưu đồ thuật toán bắt đầu 55

Hình 4 11: Lưu đồ thuật toán lúc nhấn ON 56

Hình 4 12: Ký hiệu các tag ngõ vào ra PLC quy định trong phần mềm TIA V13 57

Hình 4 13: Dữ liệu thời gian trong Data Block 57

Hình 4 14: Cài đặt tag kết nối WinCC và In_Out của PLC 67

Hình 4 15: Cài đặt các tag bit nhớ PLC 68

Hình 4 16: Cài đặt tag giá trị thời gian 68

Hình 4 17: Giao diện màn hình 1 giới thiệu trên WinCC 69

Hình 4 18: Giao diện màn hình chính điều khiển mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng trên WinCC 70

Hình 4 19: Giao diện màn hình sơ đồ khối của mô hình trên WinCC 71

Hình 4 20: Các bước nạp chương trình PLC từ TIA V13 81

Hình 4 21: Các nút chuyển màn hình Picture trên WinCC 82

Hình 4 22: Báo đang hoạt động TAY hay WINCC khi rê chuột vào TAY/WINCC 82

Hình 4 23: Bảng điều khiển mô hình trên WinCC 83

Hình 5 1: Mô hình thực tế 84

Hình 5 2: Silo Đá Vôi, Đá Sét hoạt động trên WinCC 85

Hình 5 3: Khu Nghiền Clinker hoạt động trên WinCC 85

Hình 5 4: Khu Nung Clinker hoạt động trên WinCC 86

Hình 5 5: Silo Clinker, Thạch Cao hoạt động trên WinCC 86

Hình 5 6: Khu Nghiền Xi Măng hoạt động 87

Hình 5 7: Silo Xi Măng hoạt động 87

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật các module CPU của PLC S71200 4Bảng 2 2: Các module hỗ trợ cho PLC S7-1200 6Bảng 2 3: Các kiểu dữ liệu của Tag trong WinCC 21Bảng 2 4: Công suất sản xuất xi măng của 11 công ty lớn nhất Việt Nam (năm 2012) 33Bảng 3 1: Bảng ký hiệu sơ đồ nối dây 48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

TIA PORTAL Totally Integrated Automation Portal

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

- Ngày nay, tự động hóa, SCADA và ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ Ứng dụng nhiều trong sản xuất, phục vụ nhu cầu đời sống sinh hoạt ngày càng cao của con người

- Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện này thì việc ứng dụng thiết

bị logic PLC để tự động hóa quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng xuất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao Bộ Môn Điện Công Nghiệp – Khoa Điện Điện

Tử, trường Đại Học Nha Trang được hãng Siemen (Đức ) tài trợ PLC như

S7-200, S7-1S7-200, LOGO, Mặc khác đây là những thiết bị mà hiện nay các nhà máy sản xuất, xí nghiệp đều hay sử dụng Vì vậy việc làm quen tiếp xúc, tìm hiểu và điều khiển nó trên mô hình mô phỏng là điều rất quan trọng cho công việc của sinh viên trong tương lai

- Xi măng (từ tiếng Pháp: ciment) là một loại chất kết dính thủy lực, được dùng làm vật liệu xây dựng Công dụng quan trọng nhất của xi măng chính là sản xuất vữa và bê tông, chất kết dính của các kết tủa tự nhiên hoặc nhân tạo để hình thành nên vật liệu xây dựng vững chắc, chịu được tác động thường thấy của môi trường

- Chính vì vậy mà em chọn đề tài : “Thiết kế và thi công mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng WinCC, S7-1200”

Một mặt, cải thiện hơn hệ thống thực hành thí nghiệm để cho sinh viên dễ dàng

áp dụng lý thuyết được học vào thực tế Mặt khác, giúp cho sinh viên có kiến thức cơ bản nhất về chuyên ngành để sau này không bị bỡ ngỡ về công việc của mình

1.2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu, ứng dụng kiến thức điều khiển tự động, để thiết lập hệ thống giám sát bằng máy tính qua Win CC điều khiển mô hình Nhà Máy Sản Xuất Xi Măng Ứng dụng vào việc giảng dạy và học tập tại phòng thực hành

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu lý thuyết về S7-1200, SCADA, WIN CC

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi măng và tính toán thiết

kế

- Thi công mô hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi

măng

- Giám sát và điều khiển mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng hoạt

động theo yêu cầu bằng WinCC và S7-1200

1.3.2 Giới hạn của đề tài

- Đề tài này chỉ xây dựng mô hình mô phỏng nhà máy để ứng dụng vào việc học

tập thực hành, chưa ứng dụng vào hệ thống thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

o Tìm hiểu các qui định về việc sản xuất xi măng, chất lượng của xi

măng…

o Nghiên cứu tài liệu hiện có hoặc trên mạng về lập trình PLC S71200 và SCADA, WIN CC điều khiển mô hình, lập trình và mô phỏng trên máy

tính

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

o Lập trình giao tiếp PLC với WIN CC điều khiển các thiết bị thực tế mô

phỏng việc sản xuất xi măng trong mô hình

o Lắp đặt và vận hành mô hình thực tế

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu PLC S7-1200

2.1.1 Giới thiệu chung

- PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch

số

- Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm PLC S7-1200 dùng để thay thế dần cho PLC S7-200 So với PLC S7-200 thì PLC S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn:

o S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp,

và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng

o Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step 7 Basic Step 7 Basic

hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong phần mềm TIA PORTAL V13 của Siemens

2.1.2 Cấu trúc phần cứng

(1): Kết nối nguồn điện

(2): Hệ thống kết nối dây (phía sau nắp PLC)

(3): Đèn LED cho biết trạng thái I/O của PLC

(4): Kết nối PROFINET

- Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ khác nhau

Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật các module CPU của PLC S71200

 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến

trình

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

 3 tại 80 kHz

4

 3 tại 100 kHz

1 tại 30 kHz

 3 tại 80 kHz

1 tại 20 kHz

6

 3 tại 100 kHz

3 tại 30 kHz

 3 tại 80 kHz

3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu trữ đồng

hồ thời gian thực

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C

PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

- Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu

để mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

16 x DC In

16 x DC Out

16 x Relay Out

16 x DC In / 16 x DC Out

16 x DC In / 16 x Relay Out

Kiểu tương

o Vùng chứa chương trình ứng dụng Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền

 OB (Organisation block): Miền nhớ chương trình tổ chức

 FC (Function): Miền nhớ chương trình tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

 FB (Funtion block): Miền nhớ chương trình con, được tổ chức thành hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này phải xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data block)

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

 I (Process image input): Miền bộ đệm dữ liệu các ngõ vào số Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc tất cả giá trị logic của các cổng 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 bộ đệm 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) Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD)

o Vùng chứa các khối lượng dữ liệu được chia thành 2 loại

 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành khối Kích thước hay số lượng khối do người sử dụng qui định

Có thể truy nhập miền 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 chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụngcho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối đã gọi nó Toàn bộ vùng nhớ 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)

2.1.4 Vòng quét chương trình PLC

- PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1

- Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo (Q) tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:

Hình 2 2: Vòng quét chương trình PLC

- Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua các bộ đệm

2.1.5 Các chế độ hoạt động của CPU

- CPU có 3 chế độ hoạt động: STOP, STARTUP, RUN Các LED trạng thái

trên mặt trước của CPU hiển thị chế độ hiện thời của sự vận hành

o Trong chế độ STOP: CPU không thực thi bất cứ chương trình nào, người dùng có thể tiến hành tải xuống một đề án

o Trong chế độ STARTUP: các khối tổ chức (OB) khởi động và được thực thi một lần nếu có Các sự kiện ngắt không được xử lý cho đến khi chế độ RUN hoạt động

o Trong chế độ RUN: chu kỳ quét được thực thi một cách lặp lại Các sự kiện ngắt có thể xuất hiện và được thực thi tại bất kỳ điểm nào nằm trong chu kỳ chương trình Người dùng không thể tiến hành tải xuống

đề án khi chế độ RUN hoạt động

Gửi tín hiệu tới đầu ra

Nhận các tín hiệu đầu vào

Thực hiện chương trình điều khiển

Xử lý các yêu cầu về truyền thông (nếu có)

Kiểm tra trạng thái làm việc của CPU

2.2 Giới thiệu SCADA, WinCC

- SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống quản lý

tự động hóa trong công nghiệp với chức năng điều khiển giám sát và thu nhập

dữ liệu

- Một số chức năng cơ bản của hệ thống SCADA là:

o Điều khiển (Control)

o Hiển thị (Display): Trend (Historical), Table

- WinCC (Windows Control Center), là một phần mềm của hãng Siemens dùng

để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp, WINCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện giữa

Hình 2 3: Hệ thống giám sát và thu nhập dữ liêu SCADA điển hình.

người và máy (IHMI-Integrated Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu nhập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Những thành phần

có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người tích hợp những ứng dụng mới hoặc

có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào

- WinCC cung cấp 3 giải pháp chính cho cấu hình:

- WinCC có thể tạo một giao diện Người – Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người và hệ thống máy , thiết bị điều khiển ( PLC, CNC,…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các quy trình sản xuất và cảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố Do đó, WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người – Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống co quá trình

tự động hóa phức tạp và hiện đại

2.3 Giới thiệu về phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 và WinCC 2.3.1 Phần mềm TIA PORTAL V13 lập trình cho PLC S7-1200 2.3.1.1 Sơ lượt về phần mềm

- Ban tự động hóa Công nghiệp của Siemens giới thiệu phần mềm tự động hóa 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, gọi là Totally Integrated Automation Portal (TIA PORTAL)

- Được thiết kế với giao diện thân thiện, TIA PORTAL thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động 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 Trong đồ án này, em thực hiện trên phần mềm TIA PORTAL V13 để lập trình cho PLC S7-1200

2.3.1.2 Hướng dẫn sử dụng các cửa sổ cơ bản của phần mềm

- Cửa sổ “Portal view”: cung cấp chức năng tổng quan của phần mềm

o (1) Cung cấp các chức năng cơ bản của phần mềm

o (2) Mở các dự án đã lập trình sẵn, tạo một dự án mới, di chuyển một dự

án, hoặc vào phần trợ giúp để hiểu rõ hơn về phần mềm

o (3) Bảng lựa chọn những dự án có đã lưu được sắp xếp theo thời gian

o (4) Vào dự án mà ta chọn, đi đến giao diện dự án

Hình 2 4: Cửa sổ "Portal view" của phần mềm TIA V13

- Cửa sổ “Devices & Network”: là nơi cài đặt cấu hình cho các trạm, bao gồm

sắp xếp các giá (rack), các module, các giá vào ra phân tán, và các module giao tiếp Ta có thể thêm các module cần thiết, màn hình HMI, hoặc kết nối lập trình Wincc có sẵn trong phần mềm…

o (1) Tab để chuyển đổi giữa các thiết bị và kết nối mạng của các thiết bị

o (2) Thanh công cụ: bao gồm các công cụ cho mạng đồ họa của thiết bị, cấu hình các kết nối và màn hình hiển thị thông tin địa chỉ Sử dụng chức năng zoom phóng to, thu nhỏ để xem địa chỉ…

o (3) Khu vực đồ họa: hiển thị các thiết bị liên quan đến mạng, mạng lưới, kết nối và các giao tiếp Bạn có thể chèn các thiết bị từ các mục phần cứng (6) và kết nối chúng với nhau

o (4) Cung cấp tổng quan các đối tượng được tạo ra trong đồ họa Bằng cách giữ nút chuột, có thể nhanh chóng di chuyển các đối tượng mong muốn và hiển thị chúng trong mục đồ họa

o (5) Cửa sổ thanh kiểm tra hiển thị thông tin về các đối tượng đang được chọn Có thể chỉnh sửa các thiết lập của các đối tượng được chọn trong

“Properties” tab, đổi địa chỉ IP

Hình 2 5: Cửa sổ "Devices & networks" của phần mềm TIA V13

o (6) Danh mục phần cứng, giúp ta dễ dàng lựa chọn cung cấp cho ta các phần cứng khác nhau của các thiết bị Ta có thể lấy các phần cứng ra bằng cách kéo thả chuột từ phần này vào khu vực đồ họa của giao diện mạng

- Cửa sổ “Online & diagnostic”: là của sổ giao tiếp, kết nối thiết bị thông qua

địa chỉ IP, kiểm tra kết nối giữa máy tính với thiết bị PLC, HMI…

- Cách kiểm tra như sau:

o Đổi địa chỉ IP máy tính với thiết bị cần giao tiếp, kết nối

o Vào cửa sổ “Online & diagnostics”

o Thay đổi chuẩn kết nối trong mục “Type ò the PG/PC interface” thành chuẩn “PN/IE”

o Trong mục “PG/PC interface” ta lựa chọn card mạng máy tính đang dùng

o Cuối cùng, ta kích vào “Flash LED” nếu đèn báo trên thiết bị sáng thì kết nối giữa máy tính và thiết bị hoàn thành

Hình 2 6: Cửa sổ "Online & diagnostics" của phần mềm TIA V13

- Cửa sổ “Main OB1”: là cửa sổ để viết chương trình điều khiển Đây là khung

của chương trình, chứa các lệnh điều khiển chương trình ứng dụng Với một

số chương trình nhỏ, đơn giản ta có thể viết tất cả các lệnh trong khối này

o (1) Thanh công cụ: giúp truy cập các chức năng chính của trình biên tập chương trình, ví dụ như: Chèn, xóa, mở và đóng các networks; Hiện

và ẩn các toán hạng; Hiện và ẩn các mục ưa thích; Hiện và ẩn trạng thái chương trình

o (2) Khối giao diện: hiển thị các địa chỉ vào/ra được tạo ra và quản lý chúng

o (3) Mục này giúp dễ dàng viết chương trình, nhờ lấy các tiếp điểm, cũng như các khối timer, counter

o (4) Mục để viết chương trình: Tạo và quản lý các networks; Ghi các tiêu đề, bình luận cho các khối và networks; Tạo các tag cho các địa chỉ vào ra

o (5) Các khối nhiệm vụ cung cấp cho chương trình

o (6) Các khối mở rộng, cung cấp các chức năng phụ

o (7) & (8) Mục này giúp lựa chọn các mục chức năng cần thiết để hoàn thành chương trình

Hình 2 7: Cửa sổ "Main OB1" của phần mềm TIA V13

2.3.1.3 Cách tạo và xây dựng một Project trong TIA V13

- Để xây dựng một project trong TIA V13, ta có 2 cách thể hiện như hình

- Khi viết chương trình có nhiều ngõ vào và ngõ ra, ta nên cấu hình phần cứng trước Một trong những ưu điểm của phần mềm là có khả năng hiển thị các địa chỉ một cách trực quan cho người dùng

- Các bước tạo project trong TIA V13:

o Bước 1: Trong cổng thông tin bắt đầu, nhấp vào “Create new project” Nhập tên dự án và nhấn “Create”

Hình 2 8: Sơ đồ xây dựng một Project

Hình 2 9: Cửa sổ "Create new project" trong phần mềm TIA V13

o Bước 2: Sau khi tạo dự án, ta kích chuột vào “Device & Network” rồi click “Add new device” để chọn CPU

o Bước 3: Xem trên PLC thuộc loại CPU nào thì chọn CPU để them vào

dự án, chọn CPU từ danh sách có sẵn, cuối cùng click “Add” để thêm

o Bước 4: ta vào “Program block”, vào “Main [OB1]” để lập trình

2.3.2 Phần mềm WINCC V7.4 thiết kế giao diện cho WinCC

2.3.2.1 Hệ điều hành hỗ trợ cho phần mềm

- Cấu hình máy tính, hệ điều hành hỗ trợ cho phần mềm WINCC V7.4 như sau:

o Windows 10 (64-Bit) Professional, Enterprise for WinCC Server/ Single-user/ Client System

o Windows 7 SP1 (32-bit) Professional, Enterprise and Ultimate for WinCC Single-user / Client System

o Windows 7 SP1 (64-bit) Professional, Enterprise and Ultimate for WinCC Server / Single-user / Client System

o Windows 8.1 (32-bit) Professional, Enterprise for WinCC Single-user / Client System

o Windows 8.1 (64-bit) Professional, Enterprise for WinCC Server / Single-user / Client System

Hình 2 10: Cửa sổ "Add new device" của phần mềm TIA V13

o Windows 2008 Server R2 SP1 (64-bit) Standard, Enterprise for WinCC Server / Single-user system

o Windows 2012 Server R2 (64-bit) Standard, Enterprise for WinCC Server / Single-user System

2.3.2.2 Cách thiết kế giao diện, lập trình cơ bản trong WinCC

- Tạo một dự án (Project) mới

Bước 1: Khởi động phần mềm WINCC V7.4

Bước 2: Chọn FileNew hoặc click vào biểu tượng New trên thanh công cụ

để tạo một Project Hộp thoại WinCC Explorer xuất hiện với 4 lựa chọn:

o Single-User Project: Dự án một người dùng

o Multi-User Project: Dự án nhiều người dùng hay cùng một dự án mà nhiều máy tính khác sử dụng

o Client-Project

o Open an Existing Project: mở một dự án (Project) có sẵn

o Tùy vào ứng dụng mà ta có thể lựa chọn khác Ở đây, ta chọn User Project Click OK

Single-Hình 2 11: Hộp thoại WinCC Explorer để tạo New Project trong WinCC

Bước 3: Gặp hộp thoại “Creat a new project”, ta được yêu cầu nhập tên project

và đường dẫn nơi lưu trữ Project vừa tạo có tên với phần mở rộng “.mcp” (master control program)

- Tạo diver kết nối giữa WINCC và PLC:

o Diver là phần giao tiếp giữa WinCC và thiết bị PLC

o Để tạo một Driver từ Navigation Window của WinCC Explorer ta click chuột phải vào “Tag Management”, sau đó chọn “Add New Driver”

o Ở cửa sổ Add New Driver chọn “SIMATIC S7-1200, S7-1500

Channel”

o Sau đó, phía dưới ô “SIMATIC S7-1200, S7-1500 Channel”, click chuột phải “OMS+”, chọn “New Connection” để tạo tag kết nối mới, với địa chỉ PLC

o Tiếp theo click chuột phải vào New Connection mới tạo, chọn

“Connection Parameter” để sửa đổi IP và kết nối với PLC

o Trong ô IP address: kiểm tra IP với PLC, bình thường thì PLC có địa chỉ 192.168.0.1

Hình 2 12: Cửa sổ Add new dirver để kết nối với PLC

o Trong ô Access point: Chọn S7ONLINE

o Trong ô Product family: Chọn s71200-connection

o Cuối cùng nhấn OK để hoàn tất kết nối driver PLC với WINCC

- Tạo một Tag mới trong WINCC:

Tag là những thành phần trung tâm của các giá trị xử lí quá trình truy xuất thông tin Trong Project của WinCC, mỗi Tag nhận một tên và kiểu dữ liệu duy nhất Kết nối logic từ PLC được ấn định vào trong Tag của WinCC Kết nối này quyết định kênh nào ấn định đến giá trị xử lí tới những Tag sử dụng Tag được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu project- wide Khi máy chạy WinCC bắt đầu, tất cả Tag thuộc project được load lên và cấu trúc Runtime

tương ứng được thiết lập

Đối với một ứng dụng, việc truy các tiện ích Tag của người quản lí dữ liệu rất rõ ràng Nghĩa là ứng dụng không cần thông tin gì về nguồn hay đích

của Tag

Trong WinCC có 2 loại Tag:

o External Tags (Tag ngoại): còn gọi là “ Process Tags” hay “ Power Tags” Tag này được kết nối trực tiếp vào các địa chỉ ô nhớ của PLC

Hình 2 13:Cài đặt thông số kết nối PLC với WinCC

hay thiết bị tương tự Trong các External Tags có một dạng Tag đặc

biệt là “ Raw Data Tags”

o Internal Tags (Tag nội): là loại Tag được cung cấp bởi Data Manager trong WinCC Những Tag này không được kết nối và những ô nhớ của PLC Internal Tags có thể được dùng để tính toán và hiệu chỉnh trực

tiếp trên WinCC hoặc lưu trữ những thông tin chung như thời gian

- Các kiểu dữ liệu của Tag:

Bảng 2 3: Các kiểu dữ liệu của Tag trong WinCC

Unsigned 32-bit value 0 ÷ (232-1)

Floating-point number 32-bit IEEE 754 32 bit số thực có dấu chấm động

Floating-point number 64-bit IEEE 754 64 bit số thực có dấu chấm động

Text tag 8-bit character set

Text tag 8-bit character set

Raw Data Type

Date/Time

- Tạo giao diện picture bằng công cụ Graphics Designer:

Graphics Designer dùng để tạo ra các bức ảnh xử lí với các tính năng sau:

o Giao diện đơn giản, dễ sử dụng và tương thích với hoạt động trong

Window

o Cấu hình hệ thống với thư viện thống nhất

o Liên kết với các hàm thêm vào bằng phương tiện cấu hình Script

o Cho phép nhập các hình ảnh và hổ trợ giao diện OLE 2.0

o Liên kết với các đối tượng Graphics mà ta có thể tự tạo

Cách tạo một Picture:

o Từ Navination Window của WinCC, click chuột phải vào “Graphics

Designer” và chọn “New Picture”

o Trong cửa sổ bên phải sẽ hiện lên một Picture mới với tên được đặc mặc định Để đổi tên Picture, thì click chuột phải vào Picture và chọn

“Rename picture”, sau đó sửa tên Picture

Hình 2 14: Tạo một Picture từ công cụ Graphics Designer

Hình 2 15: Thao tác cơ bản với Picture

o Để mở Picture, click chuột phải, chọn Open picture

o Khi mở Open thì sẽ hiện như hình dưới Các công cụ hổ trợ trong Graphics Designer

(1) Gồm Menu, Standard Toolbar, Font Pallete, Color Pallete: Dùng để lưu, thao tác cơ bản, sử dụng bảng màu có sẵn của WinCC hoặc tạo ra các màu mới cho từng Object của Picture trong Graphics Designer

(2) Object pallete: Dùng để chèn các đối tương Object tùy theo yêu cầu, trong bảng có 4 tab, trong đó Tab Standard sử dụng để tạo ra các Object hiển thị trên các Picture thông thường, gồm các nhóm: Standard Objects, Smart Objects, Windows Objects, Tube Objects; còn Tab Controls dùng để tạo các Object điều khiển trong WinCC như: Alarm Control, Online Trend Control…

(3) Màn hình chính thiết kế Picture

(4) Thao tác nâng cao, điều khiển với các Object trong Picture khi click vào Object

- Ví dụ tạo nút nhấn (Button) trong nhóm Windows Object:

Hình 2 16: Giao diện thiết kế Graphics Designer

o Button: dùng như một sự kiện, có tác động thông qua các thao tác click chuột Nút nhấn có thể dùng để set, reset giá trị một tag nhị phân được kết nối, hoặc được dùng để kết nối một Picture,…

o Kéo và thả biểu tượng Button trong tab Standard, và trong nhóm Windows Objects Ngoài ra trong nhóm Windows Objects, còn có vẽ các đối tượng như Check Box (hộp kiểm tra), Option Group (Nhóm lựa chọn), Round Button (Nút nhấn tròn), Slidar Object (Đối tượng trượt) Tương tự ta có thể thao tác

o Sau đó, cửa sổ Button Configuration xuất hiện, ta ó thể sửa đổi tên, chọn kiểu font, màu chữ cho Button, sau đó nhấn OK để chèn

Hình 2 18: Cửa sổ Button Configuration

Hình 2 17: Nhóm vẽ đối tượng Windows Objects trong Graphics Designer

Tạo liên kết với Picture

- Ví dụ tạo I/O Field trong nhóm Smart Object: I/O field là công cụ để quan

sát hoặc cài đặt dữ liệu cho đối tượng trong WinCC Có 3 kiểu: Input, Output,

và I/O

o Để tạo I/O Field, trong nhóm Smart-ObjectI/O field trên tab

Standard, rồi kéo thả chuột vào màn hình giao diện

o Sau đó chỉnh sửa kích thước

o Tiếp đó chọn Tag, cũng như thời gian cập nhật của I/O Field trên cửa

sổ I/O Field Configuration

- Chèn một số thư viện (Library) trong Graphics Designer:

Hình 2 20: Nhóm vẽ đối tượng Smart Object

trong Graphics Designer

Hình 2 19: Cửa sổ I/O Field Configuration

- Click chuột vào Library phía bên dưới, sau đó lựa chọn đối tượng trong thư

viện cần chèn, cuối cùng là kéo thả chuột đối tượng vào giao diện thiết kế

- Cách lập trình C-Action cho một Object:

o Nếu muốn tạo ra các Object có các Action theo ý mình, những Action này không phải là những Action căn bản của WinCC Ta phải sử dụng C-Action lập trình cho các Object của riêng ta

o Để lập trình cho một Object ta phải vào hộp thoại Object Properties, tại Tab Event chọn bất cứ sự kiện nào mà ta muốn lập trình, right_click và chọn C-Action Cửa sổ Edit Action xuất hiện:

Hình 2 22: Cửa sổ Edit Action lập trình C-Action trong WinCC

Hình 2 21: Cửa sổ Library trong Graphics Designer

o Cửa sổ Edit Action dùng soạn thảo một chương trình C có cấu trúc rõ ràng, gồm: phần đầu (Header) dùng để khai báo các hàm được sử dụng trong quá trình lập trình, phần thân (body) dùng lập trình từng câu lệnh cho Action Bạn có thể sử dụng các hàm đã có sẵn trong WinCC hoặc các hàm do chính bản thân bạn viết thông qua công cụ Global Script

- Về lập trình cho toàn bộ hệ thống WinCC: Để lập trình cho toàn bộ hệ thống thì ta lập trình trong Global Scipt (C hay VB)

o Ở trong đồ án này, em dùng ngôn ngữ C Nên ta Open C Editor

- Một số hàm hay sử dụng trong chương trình:

Hình 2 24: Cửa sổ làm việc của C-Editor của Global Scipt

Hình 2 23: Mở Global Scipt để lập trình cho toàn bộ WinCC

o SetTagBit

 Cú pháp: BOOL SetTagBit(Tag Tag_Name, short int value);

 Nội dung: Định giá trị cho một Tag có kiểu dữ liệu Binary

 Các hàm tương tự: SetTagByte, SetTagSByte, SetTagWord…

o GetTagBit

 Cú pháp: BOOL GetTagBit(Tag Tag_Name);

 Nội dung: lấy giá trị hiện tại của một Tag có kiểu Binary

 Các hàm tương tự: GetTagByte, GetTagSByte, GetTagWord…

o Hàm thoát khỏi Runtime:

 Cú pháp: BOOL DeactiveRTProject();

 Nội dung: Thoát khỏi chương trình WinCC đang chạy RunTime

o Hàm hoát khỏi WinCC:

 Cú pháp: BOOL ExitWinCC();

 Nội dung: Thoát khỏi chương trình WinCC, kể cả WinCC Explorer

o Hàm Đọc tọa độ X của một đối tượng:

 Cú pháp: a = GetLeft(“Tên Picture.pdl”, “Tên đối tượng”);

 Nôi dung: Đọc giá trị tọa độ X của “Tên đối tượng” trong Picture

“Tên Picture.pdl” vào biến a Biến a thuộc dạng interger

o Hàm Đọc tọa độ Y của một đối tượng:

 Cú pháp: b = GetTop(“Tên Picture.pdl”, “Tên đối tượng”);

o Hàm Gán tọa độ X cho một đối tượng:

 Cú pháp: SetLeft(“Tên Picture.pdl”, “Tên đối tượng”, Giá trị);

 Nội dung: Gán giá trị vào tọa độ X cho đối tượng “Tên đối tượng” trong picture “Tên Picture.pdl”

o Hàm Gán tọa độ Y cho một đối tượng:

 Cú pháp: SetTop(“Tên Picture.pdl”, “Tên đối tượng”, Giá trị);

- Cài đặt tham số khi chạy Runtime: