Thiết kế, thi công máy pha cà phê tự động điều khiển và giám sát bằng HMI, s7 1200

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thời đại công nghiệp hóa - hiện đại hóa như hiện nay, PLC đang ngày càng được sử dụng phổ biến rộng rãi và đóng vai trò quan trọng

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

NGUYỄN THANH BẢO

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU

KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Th.S NGUYỄN HOÀI BÃO

NHA TRANG, 06/2017

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

QUYẾT ĐỊNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn trong lớp 55DDT

đã luôn ở bên động viên, khích lệ, giúp đỡ về chuyên môn lẫn tài chính để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THANH BẢO

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii

QUYẾT ĐỊNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

LỜI NÓI ĐẦU xiv

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PLC SIMATIC S7-1200 2

2.1 SƠ LƯỢC VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC 3

2.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển 3

2.1.2 Cấu trúc bên trong và nguyên lý hoạt động của PLC 4

2.2 PLC SIMATIC S7-1200 6

2.2.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200 6

2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7-1200 7

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL 14

2.3.1 Sơ lược về phần mềm 14

2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TIA Portal Step 7 v13 16

2.3.2.1 Giao diện phần mềm Step 7 v13 16

2.3.2.2 Cách xây dựng một Project 21

2.3.2.3 Ngôn ngữ lập trình 24

2.3.2.4 Cách tải chương trình từ 1 CPU trực tuyến 26

CHƯƠNG 3 GIAO DIỆN NGƯỜI – MÁY HMI 28

3.1 HMI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN: 28

3.2 CÁC THIẾT BỊ HMI HIỆN ĐẠI: 30

3.3 QUY TRÌNH LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HMI 30

3.3.1 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 30

3.3.2 Các bước thiết kế giao diện HMI trong TIA PORTAL 31

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG 36

4.1 CẤU TẠO CỦA MÁY: 36

4.1.1 Sơ đồ khối: 36

4.1.2 Cấu tạo các khối: 36

4.1.2.1 Khối nguồn: 36

4.1.2.2 Khối CPU: 37

4.1.2.3 Khối hiển thị và điều khiển: 38

4.1.2.4 Khối Rơ-le: 39

4.1.2.5 Khối tải: 40

4.1.2.6 Khối âm thanh: 43

4.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO PLC 46

4.2.1 Bài toán đặt ra 46

4.2.2 Phân địa chỉ vào ra, biến-bit nhớ và sơ đồ kết nối PLC S7-1200 47

4.2.3 Chương trình điều khiển 49

4.3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI 61

4.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 68

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

KẾT LUẬN 70

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TIA PORTAL Totally Integrated Automation Portal: Phần mềm tự động hóa tích hợp

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc bên trong của PLC 4

Hình 2.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200 7

Hình 2.3 PLC S7-1200 và bảng tín hiệu 10

Hình 2.4 PLC và module tín hiệu 11

Hình 2.5 PLC và module truyền thông 12

Hình 2.6 Vòng quét chương trình của PLC 13

Hình 2.7 Cửa sổ Portal view 16

Hình 2.8 Cửa sổ Overview 17

Hình 2.9 Cửa sổ Devices and networks 18

Hình 2.10 Online & diagnostics 19

Hình 2.11 Cửa sổ Main OB1 20

Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng Project 21

Hình 2.13 Create new project 22

Hình 2.14 Add new device 22

Hình 2.15 Chọn CPU 23

Hình 2.16 Main [OB1] 23

Hình 2.17 Ví dụ lập trình LAD cơ bản 24

Hình 2.18 Mạng LAD sai quy tắc 25

Hình 2.19 Ví dụ lập trình FBD 25

Hình 3.1 Màn hình giám sát HMI 28

Hình 3.2 Thêm thiết bị HMI vào dự án 31

Hình 3.3 Kết nối HMI với PLC 32

Hình 3.4 Root screen 32

Hình 3.5 Thanh công cụ vẽ 33

Hình 3.6 Màn hình chính HMI 34

Hình 3.7 Kết nối HMI thành công 34

Hình 4.1 Sơ đồ khối 36

Hình 4.2 Nguồn 220 VAC 37

Hình 4.3 Adapter 5VDC 37

Hình 4.4 Nút nhấn công nghiệp có đèn 38

Hình 4.5 Nút nhấn nhỏ 4 chân 38

Hình 4.6 Rơ-le trung gian 39

Hình 4.7 Sơ đồ chân của Rơ le 40

Hình 4.8 Cấu tạo bồn pha 40

Hình 4.9 Bộ phần bồn pha của máy 41

Hình 4.10 Cấu tạo cửa đường 42

Hình 4.11 Ngăn đường của máy 42

Hình 4.12 Sơ đồ chân Arduino 43

Hình 4.13 Module SD card 45

Hình 4.14 Loa 45

Hình 4.15 Giao diện Arduino IDE 46

Hình 4.16 Bài toán đặt ra 47

Hình 4.17 sơ đồ kết nối PLC 49

Hình 4.18 Cửa sổ “Add new block” 50

Hình 4.19 Cửa sổ “real_time_block” sau khi tạo biến 50

Hình 4.20 Hàm ghi thời gian thực 51

Hình 4.21 Tạo biến read_real_time 52

Hình 4.22 Hàm đọc thời gian thực 52

Hình 4.23 Screen “Trang chủ” 61

Hình 4.24 Mục Event của Button 62

Hình 4.25 Screen “Giới thiệu” 63

Hình 4.26 Khai báo Press cho button 64

Hình 4.27 Liên kết với tag cần hiển thị 65

Hình 4.28 Lựa chọn màu sắc sáng tắt cho đèn 66

Hình 4.29 Screen “Thiết lập” 66

Hình 4.30 Thiết lập cho ô nhập thời gian hệ thống 67

Hình 4.31 Thiết lập cho ô hẹn giờ 68

Hình 4.32 Mặt trên máy pha cà phê tự động 69

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Module truyền thông 8

Bảng 2.2 Module CPU 10

Bảng 2.3 So sánh ngôn ngữ LAD và FBD 26

Bảng 4.1 Phân địa chỉ vào, ra 47

Bảng 4.2 Địa chỉ Biến/Bit nhớ 48

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay con người đang sống trong thời đại công nghiệp phát triển vượt bậc, cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện - điện tử được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế,

kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội Một trong những thiết bị phải kể đến đó là

bộ PLC Với khả năng ứng dụng và nhiều ưu điểm nổi bậc, PLC ngày càng thâm nhập sâu rộng trong tất cả các lĩnh vực của nền sản xuất và cả đời sống sinh hoạt thường ngày

KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200” để làm đồ án tốt nghiệp là cơ sở giúp em nghiên cứu, thực nghiệm những kiến thức đã được học và cũng là tiền đề để có những nghiên cứu, tìm hiểu sau hơn về thiết bị điều khiển tuyệt vời này

Mặc dù đã cố gắng nhưng kết quả đề tài vẫn còn nhiều thiếu xót, mong quí Thầy (Cô) đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THANH BẢO

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong thời đại công nghiệp hóa - hiện đại hóa như hiện nay, PLC đang ngày càng được sử dụng phổ biến rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong tất cả các hoạt động sản xuất lẫn phục vụ nhu cầu đời sống sinh hoạt thường ngày Trong lĩnh vực pha chế cà phê, ở qui mô hộ gia đình và công sở việc pha chế thường pha chế thủ công, mặc dù máy pha chế cà phê đã ra đời và có mặt trên thị trường nhiều nước, nhưng ở Việt Nam chưa được phổ biến rộng rãi

ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG HMI, S7-1200” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp

Đề tài này sẽ ứng dụng những kiến thức đã học về tự động hóa để thiết kế, thi công tạo ra một sản phẩm máy pha cà phê tự động quy mô hộ nhỏ dành cho cá nhân;

hộ gia đình, có thể điều khiển bằng nút nhấn hoặc màn hình HMI, có thể giám sát hoạt động của máy, cùng với những tính năng tiện lợi, thú vị như hẹn giờ tự động, nghe nhạc

Thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được

1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

- Tổng hợp, nhắc lại những cơ sở lý thuyết về thiết bị tự động hóa PLC và HMI

- Lập trình điều khiển bài toán trên PLC S7-1200

- Thiết kế, lập trình giám sát, điều khiển cho HMI

- Thiết kế, thi công tạo ra sản phẩm máy pha cà phê đầy đủ những chức năng bài toán ban đầu đặt ra, đồng thời phải hoạt động ổn định

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

- Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu lập trình các tập lệnh cơ bản của phần mềm TIA PORTAL và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trên HMI, không đi sâu vào các tập lệnh chuyên sâu

- Đề tài tạo ra sản phẩm máy pha cà phê tự động quy mô còn nhỏ, ít chức năng và chưa tối ưu về phần cứng

- Đề tài tạo ra sản phẩm máy pha cà phê tự động không mang tính thương mại so với các sản phẩm khác trên thị trường

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu trên cơ sở tài liệu hiện có và tổng hợp trên mạng những kiến thức

lý thuyết về PLC, HMI và những linh kiện, thiết bị, module khác như: nút nhấn, Arduino, SD card,…

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

+ Tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của một số máy pha cà phê tự động hiện có trên thị trường

+ Tìm hiểu, sử dụng các loại cà phê khác nhau và công thức pha chế

+ Lên ý tưởng thiết kế cho toàn bộ máy và tiến hành thi công

+ Vận hành và điều chỉnh máy

1.6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Đồ án bao gồm những nội dung sau:

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PLC SIMATIC S7-1200

CHƯƠNG 3 GIAO DIỆN NGƯỜI – MÁY HMI

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PLC SIMATIC S7-1200

2.1 SƠ LƯỢC VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

2.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển

- PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp 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 Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các

sự kiện được đếm

- Năm 1968, công ty General của Mỹ đã cho ra đời thiết bị diều khiển lập trình được Tuy nhiên hệ thống còn khá cồng kềnh và đơn giản, nguời vận hành gặp nhiều khó khăn và không đáp ứng đủ yêu cầu sử dụng Ðể đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) ra đời năm 1969 đã tạo ra sự phát triển cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai doạn này hệ thống điều khiển lập trình PLC chỉ dùng dể thay thế cho hệ thống điều khiển nối cứng bằng Relay, contactor …

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm từ năm 1975 đến nay đã làm cho PLC phát triển mạnh hơn với nhiều chức năng mở rộng, tăng ngỏ vào/ra, tăng dung lượng bộ nhớ Ngoài ra còn cho phép kết nối những PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, kết nối với hệ thống máy tính, tăng khả năng điều khiển của từng hệ thống riêng lẻ, tốc độ xử lý của PLC được cải thiện, vòng quét nhanh hơn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ điều khiển đơn thuần một hệ thống, các nhà thiết kế đang xây dựng các PLC với chức năng thông minh hơn, tiện ích hơn trong điều khiển vận hành

- Các dòng PLC thông dụng ở Việt Nam: OMRON (Nhật Bản), Siemens (CHLB Đức), Delta (Đài Loan), Mitsubishi (Nhật Bản), Keyence (Nhật Bản)…

2.1.2 Cấu trúc bên trong và nguyên lý hoạt động của PLC

- Cấu trúc bên trong:

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ) Một bộ vi xử lý có cổng

giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra

Hình 2.1 Cấu trúc bên trong của PLC

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính

- Nguyên lý hoạt động:

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

Ưu điểm của bộ điều khiển PLC so với điều khiển nối dây thông thường:

Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn

Công suất tiêu thụ ít hơn

Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ

phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console

Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

Bảo trì và sữa chữa dễ dàng

Độ bền và tin cậy vận hành cao

Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

Có thiết bị chống nhiễu

Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó

Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

Lưu đồ điều khiển bằng PLC

Xác định nhiệm vụ điều khiển

Thiết kế giải thuật

Soạn thảo chương trình

Kiểm tra chức năng

2.2 PLC SIMATIC S7-1200

2.2.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm 1200 dùng để thay thế dần cho

S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

các đầu vào/ra (DI/DO)

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

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc

RS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ

ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA

Portal 11 của Siemens Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì

phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC S7-1200

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau Hình 2.6 là hình dạng bộ PLC S7-1200 gồm các thành phần cơ bản sau:

Hình 2.2 Cấu trúc phần cứng S7-1200

(1) Bộ phận kết nối nguồn

(2) Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

(4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trêncủaCPU)

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 Bảng 2.1 dưới đây là các module hỗ trợ Thông số kỹ thuật các module CPU thể hiện trong bảng 2.2

Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out

16xDC Out

16xRelay Out

16xDC In / 16xDC Out 16xDC In /16x Relay Out

Kiểu tương tự

Bảng tín

hiệu(SB)

Kiểu tương tự

Module truyền thông (CM)

RS485

RS232

Bảng 2.1 Module truyền thông

Kiểu tương tự 6 inputs/4

outputs

2 inputs

8 inputs/6 outputs

2 inputs

14 inputs/10 outputs

2 inputs

Thông thường 10 ngày/ ít nhất 6 ngày tại 40ºC

tự SB kết nối vào phía trước của CPU

SB với 4I/O kiểu số (ngõ vào 2xDC và ngõ ra 2xDC)

SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

Hình 2.3 PLC S7-1200 và bảng tín hiệu

(1) Các LED trạng thái trên SB

(2) Bộ phận kết nối dây có thể tháo rời

(3) Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể thể tháo rời

Các modul truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông CM (Communication module) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông : RS232 và RS485

CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU

Hình 2.5 PLC và module truyền thông

(1) Các Led trạng thái dành cho module truyền thông

(2) Bộ phận kết nối truyền thông

Vòng quét chương trình của 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 2.6 Vòng quét chương trình của PLC

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

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét.Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng 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 tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

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

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

Trong chế độ STOP: CPU không thực thi bất cứ chương trình nào, người dùng

có thể tiến hành tải xuống một đề án

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

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

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL

2.3.1 Sơ lược 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) [1]

Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ

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 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

Ví dụ: phầm mềm mới Simatic Step 7 V13 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V13 để cấu hình các màn hình HMI và chạy 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 nhu cầu của

khách hàng trên toàn thế giới Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình

của Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một

cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng

Ví dụ: tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình

trên cùng một cửa sổ Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu,

lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi, các tính năng online 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 trình điều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ

được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết

lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm

Phần mềm mới Simatic Step 7 V13, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho

S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC

Simatic Step 7 V13 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của

người sử dụng Simatic Step 7 V13 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình

PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA Portal

Phần mềm mới Simatic WinCC V13, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng

để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như

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

2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TIA Portal Step 7 v13

Sau khi download và cài đặt phần mềm TIA PORTAL thì chương trình có giao diện như sau:

2.3.2.1 Giao diện phần mềm Step 7 v13

Cửa sổ “Portal view” hình 2.10, cổng cung cấp chức năng tổng quan của phần

mềm

Hình 2.7 Cửa sổ Portal view

1 Cung cấp các chức năng cơ bản của phần mềm

2 Ta có thể mở các dự án đã lập trình sẵn, tạo một dự án mới, di chuyển một

dự án, hoặc vào phần trợ giúp để ta có thể hiểu rõ hơn về phần mềm

3 Bảng lựa chọn những dự án, được sắp xếp theo thời gian

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

5 Cung cấp thông tin của dự án mà ta đang mở như là tên, nơi lưu trữ…

Hình 2.8 Cửa sổ Overview

Cửa sổ “OVERVIEW” hình 2.11, là nơi quản lý toàn bộ dữ liệu của các dự

án (Project) được soạn thảo Các công cụ cần thiết sẽ được tự động kích hoạt khi người sử dụng truy cập đến dữ liệu đang được chọn

Các dự án (Project) là nơi lưu trữ các dữ liệu và chương trình được tạo trong một giải pháp tự động hóa Các dữ liệu trong một dự án bao gồm: Dữ liệu cấu hình

về cấu trúc phần cứng và các tham số cho các module

của một bộ điều khiển khả trình và nó chứa các dữ liệu để đặt cấu hình và tham

số cho mỗi module trong trạm

“Devices & Network” hình 2.9, là cửa sổ (phần mềm) 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

Hình 2.9 Cửa sổ Devices and networks

1 Tab để chuyển đổi giữa các thiết bị và xem kết nối mạng của thiết bị

2 Thanh công cụ: 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…

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

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

5 Cửa sổ thanh kiểm tra hiển thị thông tin về các đối tượng đang được chọn Ta

có thể chỉnh sửa các thiết lập của các đối tượng được chọn trong “Properties” tab, đổi địa chi IP…

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

“Online & diagnostics” hình 2.13, là cửa 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:

“PN/IE”

giữa máy tính và thiết bị hoàn thành

Hình 2.10 Online & diagnostics

“MAIN OB1” hình 2.14, là cửa sổ để viết chương trình điều khiển Đây là

phần khung của chương trình, chứa các lệnh điều khiển chương trình ứng dụng Với một số chương trình điều khiển nhỏ, đơn giản ta có thể viết tất cả các lệnh trong khối này Chương trình ứng dụng được xử lý bắt đầu từ chương trình chính, các lệnh được

xử lý lần lượt từ trên xuống dưới và chỉ một lần ở mỗi vòng quét Trong Step 7 v13 chương trình được chứa trong khối OB1

Hình 2.11 Cửa sổ Main OB1

1 Thanh công cụ: Thanh công cụ giúp ta truy cập các chức năng chính của trình biên tập chương trình, chẳng hạn như:

2 Khối giao diện: Hiển thị các địa chỉ vào/ra được tạo ra và quản lý chúng

3.Mục này giúp ta dễ dàng viết chương trình, nhờ lấy các tiếp điểm, cũng như các khối timer, counter…

4 Mục để viết chương trình

5 Các khối nhiệm vụ cung cấp cho chương trình

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

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

2.3.2.2 Cách xây dựng một Project

Để xây dựng một project trong Step7, ta có 2 cách sau:

Hình 2.12 Sơ đồ xây dựng Project

Khi viết chương trình có nhiều ngõ vào và ngõ ra, chúng ta nên cấu hình phần cứng trước Một trong những ưu điểm của Step7 là có khả năng hiển thị các địa chỉ một cách trực quan cho người viết chương trình

Với cách thứ 2, ta phải tự ghi nhớ các địa chỉ của từng thiết bị Và không thể gọi các địa chỉ này nhờ phần Step7

Trong việc cấu hình phần cứng, không những chúng ta có thể xác định địa chỉ

mà còn có thể thay đổi thuộc tính của các Modules (VD: việc thay đổi địa chỉ MPI của PLC)

 Các bước tạo một Project

Các bước tạo một Project gồm 4 bước:

Bước 1: Trong cổng thông tin bắt đầu nhấp vào “Create new project” Nhập

tên dự án và nhấn “Create”

Hình 2.13 Create new project Bước 2: Sau khi tạo dự án, ta kích chuột vào “Device & Network” rồi “Add

new device”

Hình 2.14 Add new device

Bước 3: Chọn CPU để thêm vào dự án

Hình 2.15 Chọn CPU

1 Trong hộp thoại “Add new device”, nhấp vào “SIMATIC PLC”

2 Chọn một CPU từ danh sách

3 Để thêm các CPU được lựa chọn cho dự án, bấm vào nút “Add”

Bước 4: Vào “Program blocks” vào “Main [OB1]” để lập trình

Hình 2.16 Main [OB1]

Để tạo ra sơ đồ logic cho các thực thi phức tạp, ta có thể chèn vào các nhánh

để tạo ra các mạch logic song song Các nhánh song song được mở ra theo hướng xuống hay được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu Ta kết thúc các nhánh theo hướng lên trên

Cần chú ý đến các quy tắc sau đây khi tạo ra một mạng LAD:

Không được kết thúc một mạng với tất cả lệnh so sánh (Compare) hay lệnh phát hiện ngưỡng (ngưỡng dương hay ngưỡng âm)

Hình 2.18 Mạng LAD sai quy tắc

(1) Không thể tạo ra một nhánh mà có thể đưa lại kết quả là một dòng tín hiệu theo chiều ngược lại

(2) Không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch

 Ngôn ngữ FBD

Giống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồ họa sử dụng trong đại số Boolean Các hàm toán học và các hàm phức khác có thể được thẻ hiện một cách trực tiếp trong sự kết hợp với các hộp logic Để tạo ra logic cho các vận hành phức tạp, ta chèn các nhánh song song giữa các hộp

Hình 2.19 Ví dụ lập trình FBD

Cả ngôn ngữ LAD và FBD đều sử dụng “dòng tín hiệu” (EN và ENO) đối với một vài lệnh “hộp” Các lệnh cố định (như lệnh toán học và lệnh di chuyển) hiển thị các thông số cho EN và ENO Các thông số này liên quan đến dòng tín hiệu và xác định khi nào lệnh được thực thi trong suốt lần quét đó

FBD Dòng tín hiệu (EN=1) phải được hiện diện tại ngõ vào này để cho lệnh hộp được thực thi Nếu ngõ vào EN của một hộp LAD được kết nối trực tiếp đén thanh dẫn tín hiệu bên trái, hộp sẽ luôn luôn được thực thi

FBD Nếu hộp có dòng tín hiệu tại ngõ vào EN và hộp thực thi các chức năng của nó mà không có lỗi, khi đó ngõ ra ENO sẽ cho dong tín hiệu (ENO=1) đi qua đến phần tử kế tiếp Nếu một lỗi được phát trong quá trình thực thi của lệnh hộp, dòng tín hiệu sau đó sẽ bị ngắt (ENO=0) tại hộp lệnh đã sinh ra lỗi

Bảng 2.3 So sánh ngôn ngữ LAD và FBD

2.3.2.4 Cách tải chương trình từ 1 CPU trực tuyến

STEP 7 cung cấp hai phương pháp để tải lên các khối mã của chương trình người dùng từ một CPU trực tuyến

 Cách 1: Sử dụng chuyển hướng dự án ta có thể kéo và thả các khối mã từ một

CPU (online) với một CPU trong dự án off line ta cần lập trình