thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông ngã tư sử dụng PLC S7-1200

đồ án tốt nghiệp đồ án tốt nghiệp đồ án tốt nghiệp đồ án tốt nghiệp đồ án tốt nghiệp

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày Tháng Năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠNTrong thời gian làm chuyên đề điều khiển với plc nâng cao, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn

bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đặng Quang Đồng, giảng viên

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo

em trong suốt quá trình làm chuyên đề điều khiển với plc nâng cao

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên nói chung, các thầy cô trong bộ môn nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em cóđược cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành chuyên đề điều khiển với plc nâng cao

Hưng Yên, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện

LỜI NÓI ĐẦUĐất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá để từng bước bắtkịp sự phát triển của các nước trong khu vực cũng như các nước trên thế giới về mọi mặt kinh tế, văn hoá và xã hội Trong đó, công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của đất nước Trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay, yêu cầu về tự động hoá đang được chú trọng và phát triển Tự động hoá giúp cho việc xử lý kết quả

tự động và chính xác hơn Tự động hoá giúp cho việc vận hành sửa chữa dễ dàng hơn, hiệu suất công việc cao hơn

Tự động hoá trong sản xuất được áp dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến Khoa học kỹ thuật càng phát triển thì sự cạnh tranh về chất lượng, mẫu mã sản phẩm

và chất lượng sản phẩm của các công ty ngày càng quyết liệt Công ty nào áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến hơn sẽ có cơ hội phát triển tốt hơn so với các công ty khác Tự động hoá thực sự đóng góp một phần quan trọng trong quyết định dẫn chất lượng giá thành sản phẩm và sự phát triển của công ty

Trong chuyên đề điều khiển với plc nâng cao lần này, em thực hiện đề tài

"Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông ngã tư sử dụng PLC S7-1200" Sau một

khoảng thời gian nghiên cứu em đã nghiên cứu thành công và đáp ứng được yêu cầu của đề tài

Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Đặng Quang Đồng em đã hoàn thành chuyên đề điều khiển với plc nâng cao của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện chuyên đề điều khiển với plc nâng cao này.Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI1.1 Tổng quan về PLC S7-1200

1.1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200

mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động

Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 dã tạo ra một plc mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu đê giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõvào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông vói các thiết bị thông minh khác

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

- Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

- Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằmtrong một khối xác định

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng

PROFINET.Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485

2 Các bộ phận kết nối dây người dung có thể tháo được (phía sau các nắp che)

-50 KB-2 MB-2 KBI/O tích hợp cục bộ

-Kiểu số

-Kiểu tương tự

-6 ngõ vào/4 ngõ

ra-2 ngõ ra

-8 ngõ vào/6 ngõ ra-2 ngõ ra

-14 ngõ vào/10 ngõ

ra-2 ngõ ra

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

Thời gian lưu giữ đồng

hồ thời gian thực

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

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

để mở roomgr dung lượng của CPU, người dùng còn có thể lắp đặt them các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

Kiểu tươngtự

hiệu

Kiểu tươngtự

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dung thêm vào I/O cho CPU Người

có thể them một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của CPU

-SB vói 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)

-SB với một ngõ ra kiểu tương tự

Hình 1.2: Bảng tín hiệu SB1.Các LED trạng thái trên SB

2.Bộ phận kết nồi dây người dùng có thể tháo ra

1.1.4 Module tín hiệu

Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng Cácmodule tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU

Hình 1.3: Module tín hiệu

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối dây có thể tháo ra

1.1.5 Module truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) 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 (hay về phía bên trái của một CM khác)

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module truyền thông

2.Bộ phận kết nối truyền thông

Hình 1.4: Module truyền thông1.2 Phần mềm

1.2.1 phần mềm Tia Portal v15

Tia Portal v15 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, chuẩn đoán và nhiều hơn nữa Lợi ích với người dung:

-Trực quan: dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động

-Hiệu quả: tốc độ về kỹ thuật

-chức năng bảo vệ: kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự

đổi mới trong tương lai

-Kết nối qua giao thức TCP/IP

-Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

1.2.2 Phần mềm PLC Sim v15

Phần mềm PLC Sim v15 được sử dụng để mô phỏng các chương trình viết trênphần mềm Tia Portal v15

1.3 Một số câu lệnh lập trình

1.3.1 Bit logic (tập lệnh tiếp điểm)

a Tiếp điểm thường hở

Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1Toán hạng n: I, Q, M, L, D

b Tiếp điểm thường đóng

Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng0

Toán hạng n: I, Q, M, L, Dc.Lệnh OUT

Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng

1 và ngược lại

Toán hạng n: Q, M, L, DChỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ

Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng

1, khi đầu vào của lệnh này bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

Toán hạng n: Q, M, L, D

g Lệnh Reset

Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng

1, khi đầu vào của lệnh này bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái

Toán hạng n: Q, M, L, D

1.3.2 Sử dụng bộ timer

Sử dụng bộ time để tạo ra một chương trình trễ định thời số lượng của timer

phụ thuộc vào người sử dụng và số lượng vùng nhớ của CPU Mỗi timer sử dụng 16

byte IEC_Timer dữ liệu kiểu cấu trúc DB Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy khối

timer

a.Timer tạo xung – TP

Timer TP tạo một chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước Thay đổi

PT, IN không ảnh hưởng khi Timer đang chạy

Khi đầu vào IN được tác động vào Timer sẽ tạo ra một xung có độ rộng bằng thời gian đặt TP

b.Timer trễ sườn lên có nhớ - Timer TONR

Thay đổi PT không ảnh hưởng khi Timer đang vận hành, chỉ ảnh hưởng khi timer đếm lại

Khi ngõ vào IN chuyển sang “FALSE”khi vận hành thì timer sẽ dừng nhưng không đặt lại bộ định thì Khi chân IN “TRUE” trở lại thì timerbắt đầu tính thời gian từ giá trị thời gian đã tích lũy

c Timer trễ không nhớ - Timer TON

Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì reset và ngừng hoạt động timer.Thay đổi PT khi timer vận hành không có ảnh hưởng gì

d.Timer trễ sườn xuống - Timer TOF

Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì reset và ngừng hoạt động timer.Thay đổi PT khi timer vận hành không có ảnh hưởng gì

1.3.3 Sử dụng bộ counter

Lệnh counter được dùng để đếm các sự kiện ở ngoài hay các sự kiện quá trình

ở trong PLC Mỗi counter sử dụng cấu trúc lưu trữ của khối dữ liệu DB để làm dữ

liệu của counter Step 7 tự động tạo khối DB khi lấy lệnh

Tấm giá trị đếm phụ thuộc vào kiểu dư liệu mà bạn chọn lựa Nếu giá trị đếm

là một số Interger không dấu, có thể đếm xuống tới 0 hoặc đếm lên tới tầm giới hạn

Nếu giá trị đếm là một số Interger có dấu, có thể đếm xuống tới giá trị âm giới hạn

hoặc đếm lên tới một số dương giới hạn

a.Counter đếm lên - CTU

Giá trị bộ đếm CV được tăng 1 khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi CV>=PV Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0

b Counter đếm xuống - CTD

Giá trị bộ đếm CV được giảm 1 khi tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra Qd được tác động lên 1 khi CD<=0

Nếu trạng thái LD được tác động thì CV =PV

c Counter đếm lên xuống - CTUD

Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ

0 lên 1 Ngõ ra QU được tác động lên 1 khi CV>=PV Nếu trạng thái

R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0

Giá trị bộ đếm CV được giảm 1 khi tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra QD được tác động lên 1 khi CD<=0 Nếu trạng thái LD được tác động thì CV =PV

Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm: IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1 <= IN2, IN1 > IN2, IN1 < IN2 hoặc IN1 <> IN2.

So sánh hai kiểu dư liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa mãn thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE (tác động mức cao) và ngược lại

Kiểu dư liệu so sánh là: Sint, Int, Dint, Usint, Udint, real, Lreal, String, Char, Time, DTL, Constant

1.4 Cấu trúc lập trình

Chương trình cho S7-1200 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng

cho chương trình và có thể lập được với hai dạng cấu trúc khác nhau:

a.Lập trình tuyến tính

Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ Loại hình

cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp

khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh

trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên

(hình 1.5)

Hình 1.5: Lập trình tuyến tínhb.Lập trình cấu trúc

Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và những phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau Loại cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiệm vụ và phức tạp.

PLC s7-1200 có bốn khối cơ bản:

-Loại khối OB (Organization block): khối tổ chức quản lý chương trình điều khiển Có nhiều loại khối OB với chức năng khác nhau, chúng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB, ví dụ OB1, OB35, OB40, OB80…

-Loại khối FC (Program block): khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức) Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và vác khối FC này được phân biệt vói nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự FC Chẳng hạn như: FC1, FC2

-Loại khối FB (Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block Một chương trình ứng dụng cónhiều khối FB và vác khối FB này được phân biệt vói nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự FB Chẳng hạn như: FB1, FB2…

-Loại khối DB (Data block): khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứng dụng có nhiều khối DB và vác khối DB này được phân biệt vói nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự DB Chẳng hạn như: DB1, DB2…

-Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối Xem những phần chương trình trong các khối như các chương trình conthì S7-1200 cho phép gọi chương trình con lồng nhau tức là chương trình con này gọichương trình con khác từ chương trình con được gọi lại gọi tới một chương trình con thứ 3… Số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng loại module CPU mà ta sử dụng

1.5 Ngôn ngữ lập trình

a Ngôn ngữ LAD (ladder logic)

Ngôn ngữ LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mách điện logic nằm ngang Ở hình bên, logic điều khiển được được biểu diễn bằng 2 công tắc thường đóng và một ngoc ra relay logic

kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logic điều khiển phức tạp ĐIều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder

là lập tài liệu về hệ thống mà mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác

Hình 1.6: Ngôn ngữ LADCác quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nối với đường dây này

Mỗi lấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

Sơ đồ thang được đọc từ trái sáng phải và từ trên xuống Lấc ở đỉnh than được đọc từ trái sang phải lấc thức 2 tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu trình quét

Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra

Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng đước trình bày ở trạng thái đóng.

Thiết bị bất kì có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một role đóng một hoặc nhiều thiết bị

Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng Kí hiệu tùy hteo nhà sản xuất quy định

b Ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram)

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 thể hiện một cách trực tiếp trong sự kết hợp với các hộp logic Để tạo ra logic cho các vận hành phức tạp, ta chèncác nhánh song song giữa các hộp

Hình 1.7: Ngôn ngữ 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

EN (Enable In) là một ngõ vào Boolean cho các hộp trong ngôn ngữ LAD và 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 đến thanh dẫn tín hiệu bên trái, hộp sẽ luôn luôn được thực thi.

ENO (Enable Out) là một ngõ ra Boolean cho các hộp trong ngôn ngữ LAD và 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 dòng tín hiệu (ENO = 1) đi qua đến phần

tử kế tiếp Nếu một lỗi được phát hiện 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