đề tài thiết kế thi công hệ thống trộn và chiết rót đồ uống

Với các chức năng cần thiết, phân quyềnngười dùng trong WinCC, thiết kế giao diện từ thư viện, tạo nút nhấn, hiển thị tínhiệu Analog Input hoặc Output, hiển thị cửa sổ làm việc nhỏ trên

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em xin cam đoan tự thực hiện Đồ án tốt nghiệp, không sao chép Đồ

án tốt nghiệp dưới bất kì hình thức nào, các số liệu trích dẫn trong Đồ án tốt nghiệp

là trung thực và nhóm em xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của chúng em

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, nhóm em đãnhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn.Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, chúng em xin được bày tỏ lời cảm ơn chânthành tới: Ban Giám hiệu TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HỒ CHÍ MINH

và các thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH đã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuậnlợi giúp đỡ nhóm em trong quá trình học tập và thực hiện đồ án

Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hùng đã luôn quan tâm vànhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình nhóm em làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn những người thân đã giúp đỡ động viên trong quá trìnhhọc tập và thực hiện đồ án Đồng cảm ơn thư viện TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNGNGHỆ TP.HỒ CHÍ MINH đã cung cấp cho chúng em tài liệu những kiến thức cơbản về S7-200

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, tháng 08 năm 2020Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Minh Sang

Đỗ Hữu Tin Dương Vi Bảo

TÓM TẮT

Trong đồ án này sẽ đề cập đến thiết kế giao diện để điều khiển, giám sát và thuthập dữ liệu từ xa cho mô hình trộn và chiết rót Giao diện được thiết kế trên phầnmềm WINCC của hãng Siemens kết hợp hãng Microsoft với thiết kế đẹp mắt vàđầy đủ các tính năng cần thiết cho người vận hành cũng như người giám sát hệthống Đồ án cũng hướng dẫn cụ thể các bước để các bạn khóa sau có thể tham khảolập trình trên WinCC một cách dễ dàng Với các chức năng cần thiết, phân quyềnngười dùng trong WinCC, thiết kế giao diện từ thư viện, tạo nút nhấn, hiển thị tínhiệu Analog Input hoặc Output, hiển thị cửa sổ làm việc nhỏ trên cửa sổ lớn, chuyểnđổi giữa các file ảnh khác nhau, tạo cảnh báo Alarm hoặc xuất dữ liệu ra Excel …

Mô hình được điều khiển thông qua PLC S7-200 của Siemens đây cũng là loạiPLC cao cấp của Siemens sử dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp tự động vừa

và lớn với yêu cầu ổn định và chất lượng cao Mô hình điều khiển thiết kế đơn giảnvới 3 bồn thực hiện cấp nguyên liệu và trộn nhiên liệu, trong mô hình này sử dụngcảm biến lưu lượng để xác định mực nước trong bồn trộn và thu thập dữ liệu đưa vềWinCC Các cảm biến khác bao gồm cảm biến quang để xác định vị trí chai, cảmbiến mức dùng công tắc phao xác định mực nước trong chai

Băng tải có thể điều chỉnh tốc độ bằng tay tuy nhiên các bạn khóa sau có thểnâng cấp điều khiển tốc độ động cơ băng tải bằng Analog Ouput để phát triển đề tài

Do nhiều khó khăn và kinh phí không cho phép nên mô hình chưa được hoàn thiệnnhư mong muốn Hi vọng quý bạn đọc có thể tìm hiểu khóa luận này để có thể phục

vụ cho nhu cầu cần thiết của mình trong học tập hay trong quá trình đi làm tại cácnhà máy có sử dụng SCADA

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Ưu điểm và thiếu xót khi thực hiện đề tài 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Phạm vi ứng dụng 3

6 Các chức năng của hệ thống 3

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PLC S7-200 4

1.Giới thiệu chung về PLC S7 200 4

2 Cấu hình phần cứng 8

2.1 Cấu trúc đơn vị cơ bản 9

2.2 Các Module của PLC 11

2.3 Thông số 12

3 Cấu trúc bộ nhớ 14

3.1 Vùng chương trình 14

3.2 Vùng tham số 14

3.3 Vùng dữ liệu 14

3.4 Vùng đối tượng 16

4 Nguyên tắc làm việc của CPU 16

5 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7 200 18

CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG 26

1 Phần mềm lập trình STEP7 26

2 Phần mềm mô phỏng trong PLC S7 200 29

3 Phần mềm SCADA WINCC 30

3.1 Giới thiệu phần mềm 30

3.2 Giao diện phần mềm WINCC 32

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 34

1.Quy trình công nghệ 34

2.Yêu cầu thiết kế mô hình 34

3.Thiết kế mô hình 35

3.1 Sơ đồ khối 35

3.2 Bảng vẽ cơ khí bằng phần mềm AUTO CAD 36

4 Lựa chọn thiết bị 38

4.1 PLC S7 200 CPU 224XP 38

4.2 Hệ thống bồn 39

4.3 Khung mô hình 40

4.4 Cảm biến 40

4.4.1 Cảm biến mực nước MH16P 41

4.4.2 Cảm biến quang 41

4.5 Bộ nguồn tổ ong 46

4.6 Các loại động cơ trong hệ thống 47

4.7 Van điện từ 49

4.8 Đèn báo 49

4.9 Nút nhấn 50

4.10 CB bảo vệ 51

4.11 Role kiếng 52

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 53

1 Mạch động lực 53

2 Mạch điều khiển 56

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 59

1 Yêu cầu thiết kế chương trình 59

2 Hệ thống ngõ vào ra(I/O PLC) 59

3 Nguyên lí hoạt động của dây chuyền 60

3.1 Giai đoạn trộn nhiên liệu 60

3.2 Giai đoạn chiết rót 61

4 Lưu đồ giải thuật 62

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 65

1 Mô hình điều khiển trộn và chiết rót nguyên liệu 65

2 Điều khiển và giám sát trên WINCC 67

3 Tổng kết 69

4 Hạn chế của đề tài 69

5 Rút kinh nghiệm 70

6 Hướng phát triển 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: PLC S7 200 CPU 224 DC/DC/DC 8

Hình 2.2: Hình khối mặt trước của PLC S7-200 (CPU 224XP) 9

Hình 2.3: Cổng truyền 11

Hình 2.4: Sơ đồ khối cấu trúc CPU 12

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của CPU PLC S7-200 17

Hình 3.1: Biểu tượng của STEP7 26

Hình 3.2: Của sổ lập trình của phần mềm lập trình V4.0 STEP 7 Microwin 26

Hình 3.3: Giao diện phần mềm S7 200 Simulator 2.0 English 29

Hình 3.4: Giao diện làm việc của WINCC 32

Hình 4.1: Lưu đồ sơ cấp quy trình 34

Hình 4.2: Sơ đồ khối của mô hình điều khiển 35

Hình 4.3a: Bảng vẽ cơ khí mô hình nhìn mặt cạnh 36

Hình 4.3b: Bảng vẽ cơ khí mô hình nhìn mặt trước 37

Hình 4.4: PLC S7 200 CPU 224XP 38

Hình 4.5: Khung mô hình 40

Hình 4.6 Cảm biến mực nước MH16P 41

Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây với PLC 43

Hình 4.8: Cảm biến quang 45

Hình 4.9: Nguồn tổ ong 46

Hình 4.10: Động cơ băng tải 48

Hình 4.11: Động cơ trộn 48

Hình 4.12: Van điện từ 49

Hình 4.13: Đèn báo 50

Hình 4.14: Nút nhấn 51

Hình 4.15: CB bảo vệ 51

Hình 4.16: Rơle 52

Hình 5.1: Sơ đồ mạch động lực 53

Hình 5.2: Mạch điều khiển 56

Hình 6.1: Lưu đồ giải thuật 62

Hình 7.1a: Mô hình hệ thống điều khiển trộn và chiết rót nguyên liệu 65

Hình 7.1b: Mô hình hệ thống điều khiển trộn và chiết rót nguyên liệu 66

Hình 7 2: Màn hình giám sát WINCC 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các lệnh vào/ra 19

Bảng 1.2: Các lệnh so sánh 21

Bảng 1.3: Bộ đếm timer 22

Bảng 1.4: Lệnh đếm counter 23

Bảng 1.5: Các lệnh thuật toán 24

Bảng 2.1: Bảng đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển S7 200 38

Bảng 2.2: Hệ thống bồn 39

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn 47

Bảng 2.4: Các từ viết tắt trong mạch động lực 55

Bảng 2.5: Các từ viết tắt trong mạch điều khiển 58

Bảng 3 1: Bảng hệ thống ngõ vào ra được sử dụng 60

Bảng 3.2: Bảng trạng thái 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮC

RESET Nút nhấn reset

Aquisition

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đốivới sự phát triển của một quốc gia Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật,…thì tựđộng hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Ở các nước này máy móc hầunhư đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn

và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiểngiám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính Việc điều khiển qua mànhình HMI là vô cùng cần thiết, giúp người vận hành có cái nhìn trực quan, tổng quátquá trình hoạt động của toàn bộ dây chuyền sản xuất

Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows Control Centre),

nó giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông qua máy tính màkhông phải trực tiếp xuống nơi sản xuất để quan sát Những điều trên chứng tỏ tầmquan trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự điều khiển động hóa ViệtNam là nước đang phát triển thì như cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hếtsức quan trọng đối với phát triển kinh tế cũng như như cầu công nghiệp hóa hiện đạihóa đất nước

Là sinh viên theo học chuyên ngành “Tư động hóa” cùng những nhu cầu, ứngdụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, chúng em muốn được nghiêncứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm về kiếnthức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa

hiện đại hóa Vì những lý do trên chúng em đã chọn đề tài: “ Thiết kế thi công hệ thống trộn và chiết rót đồ uống”.

Đồ án nhằm nắm vững kiến thức về lập trình với S7-200, mô phỏng quá trìnhhoạt động của một hệ thống với WinCC Nghiên cứu đề tài nhằm tích lũy kinhnghiệm, học hỏi thêm kiến thức và phát huy tính sáng tạo, giải quyết vấn đề

Ở Việt Nam hiện có rất nhiều nhà máy xí nghiệp sử dụng hệ thống tự động hóatrong sản xuất nhưng chúng chưa có sự liên kết với nhau và hiệu quả sản xuất cònchưa cao Muốn đạt được những kết quả cao trong sản xuất cũng như giảm nhẹgánh nặng trong việc điều khiển giám sát hệ thống tự động rất cần một phần mềm

để quản lý và giám sát

Hiện nay có rất nhiều phần mềm SCADA của các hãng như Mitsubishi, Intouchwonderwer, Siemens…Phần mềm Wincc là một phần mềm hỗ trợ rất tốt trong hệthống tự động hóa với những tính năng ưu việt đồ họa đẹp mắt, chuyên nghiệp cóthể lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc Visual Basic cho phép các kỹ sư có thể tùy biến

để thiết kế hệ thống SCADA một cách tối ưu và đạt hiệu quả cao nhất

Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra(I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phùhợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc

lựa chọn thiết bị khi yêu cầu thay đổi Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối nhữngnăm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở nhưIEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết

bị cũng như các nhà cung cấp giải pháp cho các hệ SCADA Đến năm 2000 thì hầuhết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng loạt chuyển sang giao thức mởnhư Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP

Hiện nay, các hệ thống SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang côngnghệ chuẩn truyền thông Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thếcác chuẩn cũ hơn Với việc phát triển không ngừng của SCADA nên nhóm emquyết định tìm hiểu và phát triển phần mềm này cho việc điều khiển và giám sát hệthống trộn, chiết rót để nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời kiểm soát quá trìnhsản xuất một cách tốt nhất

2 Mục tiêu của đề tài.

Mục tiêu đạt được sau khi hoàn thành đề tài: Xây dựng được mô hình dâychuyền trộn, chiết rót cũng như am hiểu các thiết bị cảm biến cách đấu nối và lậptrình PLC và các thiết bị tự động hóa Áp dụng phần mềm WINCC vào việc giámsát hệ thống cũng như điều khiển thông qua màn hình HMI đồng thời có thể nhậnlại các thông tin liên quan cũng như cảnh báo trả về khi gặp sự cố… Sử dụng PLCCPU S7- 200 vào việc thu tín hiệu từ các cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển hệthống van, motor

3 Ưu điểm và thiếu xót khi thực hiện đề tài.

Với kiến thức còn hạn chế cũng như ở Việt Nam SCADA còn chưa phổ biến,thời gian thực hiện đề tài không lâu cộng với vấn đề kinh tế nên mô hình còn nhiềuthiếu xót Mô hình chưa cho thầy, cô và các bạn thấy được sự rõ ràng về thực tếtrong quá trình sản xuất một sản phẩm nước uống Tuy nhiên đề tài cũng đã thểhiện được nhu cầu thực tế và đã giải quyết được cơ bản yêu cầu sản xuất

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Điều khiển tự động là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng nhưsinh hoạt bởi các ứng dụng vượt trội của nó Ở các hệ thống tự động có quy mô vừa

và lớn việc kết hợp PLC và SCADA mà ở đây là sử dụng phần mềm Wincc kết hợpvới STEP7 MICRO WIN S7 200 có thể điều khiển từ xa cho toàn hệ thống có thểđiều khiển giám sát hệ thống chính xác từ xa ở phòng xử lý trung tâm Kết hợpSCADA vào hệ thống tự động hóa là việc làm cần thiết để nâng cao chất lượng sảnphẩm cũng như mở rộng hệ thống có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng hệthống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế

Về mặt thực tiễn đề tài đi theo những nhu cầu thực tế bên ngoài của những nhàmáy và dây chuyền sản xuất đang được nâng cấp và mở rộng Đặc biệt ưu điểm của

đề tài là có thể áp dụng vào các nhà máy xí nghiệp có quy mô vừa và lớn để nângcao hiệu quả sản xuất trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước

5 Phạm vi ứng dụng.

Cơ sở sản xuất nước giải khát, hoặc các loại nước uống không gas khác đượctrộn hỗn hợp và chiết rót

Các công ty hóa chất, sản xuất dược phẩm

Chai nước sử dụng : Loại chai nhựa bình thường , lọ thủy tinh

6 Các chức năng của hệ thống.

Hệ thống kết hợp bình trộn và chiết rót thành 1 dây chuyền thống nhất Mạchđiều khiển trung tâm PLC của Siemens sử dụng S7-200 : Điều khiển xuyên suốt hệthống trộn, chiết rót Tủ điện điều khiển hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thốngtrên các đèn led Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện bằng nút nhấn vật lí

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PLC S7-200

1 Giới thiệu chung về PLC S7 200

Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máymóc công nghiệp…, người ta thực hiện kết nối các linh kiện rời (rơle, timer,contactor…) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điềukhiển Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa bảo trì do giá thành cao.Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động nào đó Từ thực tế đó việc tìm ramột hệ thống điều khiển đáp ứng được các yêu cầu như: giá thành hạ, dễ thi công,sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định, linh hoạt trong qua trình điều khiển, là điềutất yếu Hệ thống điều khiển logic có thể lập trình được PLC ra đời đã giải quyếtđược các vấn đề trên

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trìnhđược (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thôngqua một ngôn ngữ lập trình[1] Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạttrình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõvào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các

sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLChoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sựthay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể làLadder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens,Omron, Mitsubishi Electric, Allen-Bradley, Honeywell…

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên được những nhà thiết kế cho ra đời năm

1968 (công ty General Moto – Mỹ)[7] Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản vàcồng kềnh, người sử dụng gặp rất nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vìvậy các nhà thiết kế đã từng bước cải tiến để giúp hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễvận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn do lúc này không có cácthiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay(programable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969[7] Trong giaiđoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệthống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành,các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêuchuẩn đó là: dạng lập trình giản đồ hình thang Trong những năm đầu thập niên

1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuât toán hỗtrợ, vận hành với các dữ liệu cập nhật Do sự phát triển của loại màn hình dùng chomáy tính, nên việc giao tiếp giữa người điều khiển lập trình và thiết bị điều khiểncàng trở nên dễ dàng hơn[7] Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối vớicác PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng điều khiển của từngPLC riêng lẻ Tốc độ xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng vào/ralớn[7]

Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi vàtập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển khác nhau Hoạt động của PLChoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệungõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra

Người ta chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Có thể kết nối được với nhau và với các thiết bị khác như: máy tính, nối mạng, các modul mở rộng

- Giá cả có thể cạnh tranh được.

- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình cầm tay hoặc máy tính cá nhân

PLC cho phép người điều khiển không mất nhiều thời gian nối dây phức tạp khicần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần lập chương trình mới thay cho chươngtrình cũ Việc sử dụng PLC vào các hệ thống điều khiển ngày càng thông dụng, đểđáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng này, các nhà sản xuất đã đưa ra hàng loạt cácdạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầu khác nhau củangười sử dụng Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: dunglượng bộ nhớ và số tiếp điểm vào/ra của nó Ngoài ra còn có các chức năng khácnhư: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõvào/ra

Những ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển PLC:

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơle

- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển

- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

- Có nhiều chức năng điều khiển khác nhau

- Tốc độ xử lý cao, công suất tiêu thụ nhỏ

- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng

- Giá thành có thể đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng

Nhờ những ưu thế trên, PLC hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong các ngànhcông nghiệp, máy nông nghiệp, thiết bị y tế …vv Sử dụng trong các hệ thống điềukhiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng sản phẩm, giảmtiêu hao năng lượng, nâng cao độ an toàn tin cậy trong quá trình vận hành.

Bộ điều khiển lập trình S7-200 của Siemens thích hợp cho các ứng dụng điềukhiển từ đơn giản đến phức tạp[3] Có tích hợp thời gian thực Có thể mở rộng vào/ra

số, vào/ ra tương tự Dễ dàng kết nối tới các thiết bị giao diện như PC, HMI, Sốlượng modul đa dạng tạo nên các cấu hình phong phú phù hợp với nhiều ứng dụng.CPU S7-200 của SIEMENS thuộc dòng Micro Programmable Logic Controler,với những đặc điểm sau[1]:

- Kích thước nhỏ - giá thành rẻ - sức mạnh lớn

- Đáp ứng được những ứng dụng điều khiển tự động từ cho các máy đơn lẻđến các dây chuyền sản xuất

- Có thể hoạt động độc lập hay kết nối mạng trong một hệ thống lớn

- Dễ dàng kết nối tới các thiết bị giao diện như PC, HMI

- Số lượng modul đa dạng tạo nên các cấu hình phong phú phù hợp với nhiềuứng dụng

- Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau.

- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus

- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module

- Không quy định rãnh cắm

- Phần mềm điều khiển riêng

- Tích hợp CPU, I/O, nguồn cung cấp vào một Module

- Micro PLC với nhiều chức năng tích hợp

2 Cấu hình phần cứng

PLC Step 7 thuộc họ Simatic do hãng Siemens sản xuất Đây là loại PLC hỗnhợp vừa đơn khối vừa đa khối Cấu tạo cơ bản của loại PLC này là một đơn vị cơbản sau đó có thể ghép thêm các module mở rộng về phía bên phải, Có các module

mở rộng tiêu chuẩn, những module ngoài này bao gồm những đơn vị chức năng mà

có thể tổ hợp lại cho phù hợp với từng nhiệm vụ cụ thể

Hình 2.1: PLC S7 200 CPU 224 DC/DC/DC

2.1 Cấu trúc đơn vị cơ bản.

Đơn vị cơ bản của PLC S7-200 (CPU 224XP)[2]

Hình 2.2: Hình khối mặt trước của PLC S7-200 (CPU 224XP) Chú thích:

STOP: cưỡng bức PLC dừng công việc đang thực hiện, chuyển về trạngthái nghỉ Ở chế độ này PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặcnạp một chương trình mới.

Pin và nguồn nuôi bộ nhớ: nguồn pin được tự động chuyển sang trạng thái tíchcực khi dung lượng nhớ bị cạn kiệt và nó thay thế để dữ liệu không bị mất

Cổng truyền thông: S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS 485 với phíchcắm 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các PLCkhác Tốc độ chuyền dữ liệu cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 boud Các chân củacổng truyền thông là[1]:

Module CPU.

Có chức năng lưu trữ hệ điều hành, lưu trữ chương trình ứng dụng, là nơi diễn raquá trình tính toán xử lý thông tin theo thuật toán điều khiển đã được cài đặt bởingười lập trình Nguồn nuôi chính của CPU là điện áp một chiều, ngoài ra còn cónguồn pin Trong module CPU còn có thẻ nhớ dùng để lưu trữ chương trình ứngdụng đề phòng trường hợp chương trình ứng dụng trong CPU bị mất hoặc bị lỗi, thẻnhớ có thể có nhiều dung lượng khác nhau

Cấu trúc của CPU:

1. Khối trung tâm: là nơi lưu trữ hệ điều hành, nơi diễn ra quá trình tính toán xử lý thông tin

2. Nơi lưu trữ chương trình ứng dụng.

3. Khối các bộ thời gian.

4. Các bộ đếm.

5. Các bít, cờ báo trạng thái.

6. Bộ đệm vào ra (giành cho các

7. Khối quản lý các vào ra trên CPU.

- Tổng số cổng vào và ra cực đại là 64 vào/64 ra

- 512 từ đơn (1 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi không đổi để lưu chương trình (vùng nhớ giao diện với EFROM)

- 512 từ đơn lưu dữ liệu, trong đó có 100 từ nhớ đọc/ghi thuộc miềnkhông đổi.

- 64 bộ thòi gian trễ (times) trong đó: 2 bộ 1ms, 8 bộ 10ms và 54 bộ100ms

- 64 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi

- 368 bít nhớ đặc biệt để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Các chế độ ngắt và sử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theosườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt tốc độ cao và ngắt truyềnxung

- Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liêu trong khoảng thời gian 50h khiPLC bị mất nguồn cung cấp

 Với CPU 224XP:

- Có 14 cổng vào và 10 cổng ra logic Có thể mở rộng thêm 7 module baogồm cả module analog

- Tổng số cổng vào và ra cực đại là 64 vào/64 ra

- 2048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi không đổi để lưu chươngtrình (vùng nhớ giao diện với EFROM)

- 2048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi để ghi dữ liệu, trong đó

có 512 từ đầu thuộc miền không đổi

- 128 bộ thời gian (times) chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4

bộ 1ms, 16 bộ 10ms và 108 bộ 100ms

- 128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi

- 688 bít nhớ đặc biệt để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.

- Các chế độ ngắt và xử lí ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theosườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắttruyền xung

Bộ nhớ của PLC S7-200 được chia thành 4 vùng: vùng chương trình, vùng tham

số, vùng dữ liệu và vùng đối tượng

biến, vùng giành cho đầu vào (I), vùng giành cho đầu ra (O), vùng nhớ trong (M), vùng nhớ trong dữ liệu đặc biệt (SM).

Kích thước của các miền nhớ này phụ thuộc vào chủng loại CPU Tất cả cácmiền này đều có thể truy cập theo từng bit, byte, theo từ đơn hoặc từ kép Địa chỉtruy cập được quy ước như sau:

Truy cập theo từng bit:

Công thức: Tên miền + địa chỉ byte.chỉ số bit

Trong đó:

- Tên miền có thể là : V, I, Q, M, SM

- Địa chỉ byte phụ thuộc vào chủng loại CPU

- Chỉ số bit: 0 ÷ 7

Ví dụ: V125.0 là địa chỉ bit số 0 của byte 125 thuộc miền V

Truy câp theo từng byte:

Công thức: Tên miền + B và địa chỉ byte

Trong đó:

- Tên miền có thể là : V, I, Q, M, SM

- Địa chỉ byte phụ thuộc vào chủng loại CPU

- B: byte

Ví dụ: VB150 là địa chỉ byte 150 thuộc miền V

Truy cập theo từ đơn:

Công thức: Tên miền + W và địa chỉ byte cao của từ.

Ví dụ: VD150 là địa chỉ từ kép gồm bốn byte 150, 151, 152, 153 thuộc miền

V, trong đó byte 150 có vai trò byte cao, 153 có vai trò là byte thấp của từ kép

3.4 Vùng đối tượng.

Vùng đối tượng dùng để lưu trữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình như các giátrị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm hay bộ thời gian Dữ liệu kiểu đối tượngbao gồm các thanh ghi của bộ thời gian, bộ đếm, các bộ đếm cao tốc, bộ đệmtương tự và các thanh ghi AC Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các

dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng của đối tượng đó

4 Nguyên tắc làm việc của CPU

CPU của PLC làm việc theo nguyên tắc vòng quét (chu trình lặp) Một vòngquét của PLC S7-200 được chia thành 4 giai đoạn[1]:

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của CPU PLC S7-200.

Giai đoạn 1: là giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng vật lý vào trong bộ đệm ảo (bộ đệm đầu vào)

Giai đoạn 2: là giai đoạn thực hiện chương trình, chương trình sẽ được thực hiện từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh cuối cùng

Giai đoạn 3: là giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo (bộ đệm đầu ra) ra các cổng vật lý

Giai đoạn 4: truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Thời gian của mỗi chu kỳ quét có thể không giống nhau, nó phụ thuộc vào lượngthông tin phải xử lý trong chu kỳ quét đó Nếu thông tin nhiều thì thời gian quét lớn

và ngược lại Về mặt nguyên tắc chương trình ứng dụng càng nhiều chương trình

con và chương trình ngắt thì thời gian quét càng lớn và điều này làm giảm thời gian thực của hệ thống.

5 Ngôn ngữ lập trình của PLC S7 200

PLC S7-200 có ba ngôn ngữ lập trình cơ bản là: LAD, FBD và STL

LAD (Ladder logic) là ngôn ngữ lập trình dạng hình thang hay là ngôn ngữ đồhọa Thành phần cơ bản của LAD tương tự như thành phần cơ bản của điều khiểnrơle: có tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng, cuộn dây đầu ra, các hàmchức năng (thời gian, đếm)[8]

STL (Statement list) là ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính, thể hiệnchương trình dưới dạng các câu lệnh Một chương trình được ghép bởi nhiều câulệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúcchung là “tên lệnh” + “toán hạng”[8]

FBD (Function Block Diagram) là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người quenthiết kế mạch điều khiển số Việc chuyển đổi giữa ba ngôn ngữ LAD, FBD và STL

nếu giá trị logic 1

Cuộn dây đầu

ra

Cuộn dây đầu rađược kích thíchkhi được cấpdòng điều khiển

Lệnh Kí hiệu Mô tả Toán hạng

IN2

V, I, C, Q, M,

SM, AC, const

V, I, C, Q, M,

SM, AC, const

Bảng 1.2: Các lệnh so sánh

*Bộ thời gian (Timer):

Bộ thời gian có chức năng tạo thời gian trễ giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệuđầu vào

Nguyên lý: khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng thời gian trễ mongmuốn thì bộ timer có giá trị logic 1

Có hai loại bộ thời gian là: bộ thời gian không có nhớ (TON) và bộ thời gian

có nhớ (TONR) trạng thái đầu vào Độ phân giải của bộ timer là thời gian cập nhậtgiá trị đếm tức thời, trong PLC S7-200 có 3 loại độ phân giải: 1ms, 10ms, 100ms

Số lượng bộ thời gian phụ thuộc vào chủng loại CPU

Thời gian trễ mong muốn = giá trị độ phân giải * giá trị đặt (PT).

Với bộ TON có hai cách để reset đó là cho đầu vào về 0 hoặc dùng lệnh RESET.Còn với bộ TONR thì chỉ có một cách để reset đó là dùng lệnh RESET

Giá trị đếm: đếm tiến CTU (từ 0 đến 32767); đếm tiến lùi CTUD (từ - 32768 đến32767)

logic 1 thì nội dung cảu

(WAND_W, WAND_DW)

IN1 sẽ được thực hiệnbằng phép toán AND vớinội dung của IN2 và ghi

vào OUT

Lệnh XOR

(WXOR_W, WXOR_DW)

Khi chân END có giá trịlogic 1 thì nội dung cảuIN1 sẽ được thực hiệnbằng phép toán XOR vớinội dung của IN2 và ghi

vào OUT

Bảng 1.5: Các lệnh thuật toán

*Các tiếp điểm trong vùng nhớ đặc biệt:

- SM0.0: Vòng quét đầu tiên thì mở nhưng từ vòng quét thứ 2 trở đi thì đóng

- SM0.1: Ngược lại với SM0.0, vòng quét đầu tiên tiếp điểm này đóng,

kể từ

- Vòng quét thứ 2 thì mở ra và giữ nguyên trong suốt quá trình hoạt động

- SM0.4: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 phút

- SM0.5: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 giây

CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG

1 Phần mềm lập trình STEP7[6]

Để thiết kế chương trình điều khiển đèn giao thông bằng PLC S7-200 ta dùngphần mềm STEP7 Microwin V4 Sau khi cài đặt phần mềm, trên màn hình desktop

sẽ xuất hiện biểu tượng của STEP7

Hình 3.1: Biểu tƣợng của STEP7.

Đồng thời trong menu Start của Windows cung có thư mục Simatic với tất cả cáctên của những thành phần liên quan

Cấu trúc cửa sổ lập trình của STEP7 Microwin như sau:

Hình 3.2: Của sổ lập trình của phần mềm lập trình V4.0 STEP 7 Microwin.

Vùng soạn thảo chứa một chương trình, được chia thành từng Network Cácthông số nhập được kiểm tra lỗi cú pháp Nội dung cửa sổ “ Program Block” tùythuộc ngôn ngữ lập trình đã lựa chọn Có thể nhấn đúp vào phần tử lập trình cầnthiết trong danh sách để chèn chúng vào chương trình soạn thảo, cũng có thể chèncác phần tử cần thiết bằng cách nhấn và nhả chuột.

Các công cụ thường sử dụng:

- New (File Menu): tạo mới một chương trình soạn thảo

- Open (File Menu): mở một chương trình đã soạn thảo

- Cut, Copy, Paste (Edit Menu): cắt, sao chép và dán

- Download (PLC Menu): tải xuống chương trình điều khiển

- Network (Insert): chèn network mới

- Program Elements (Insert): mở cửa sổ các phần tử lập trình

- Clear/Reset (PLC): xóa chương trình hiện thời trong PLC

- LAD, STL, FBD (view): hiển thị dạng ngôn ngữ yêu cầu Các phần tử lập trình thường dùng (ngôn ngữ LAD):