TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200
VÀ HMI ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG
Cán bộ hướng dẫn:
ThS. BÙI THÚC MINH
Sinh viên thực hiệ
n::
LƯƠNG BÌNH CHƠN
Khóa 51
Khánh Hòa, 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúcPHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên người nhận xét:
Chức danh: Đơn vị công tác:
Tên đồ án: Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống.
Họ và tên sinh viên: LƯƠNG BÌNH CHƠN MSSV: 51130155
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy Khóa: 51
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Chất lượng hình thức
2. Chất lượng nội dung
Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013
Người nhận xét
3. Điểm đánh giá:
thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ và được điều khiển, giám sát một cách
khoa học. Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu
trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết
kế, tự nâng cao kĩ năng điều khiển, giám sát hệ thống và nhìn nhận vấn đề một cách
chính xác, trực quan hơn.
Hệ thống thùng trộn được sử dụng khá rộng rãi với nhiều ứng dụng trong công
nghiệp , nông nghiệp , xây dựng….Đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho em tiếp xúc, tìm
hiểu và đi sâu vào thiết kế một hệ thống dẫn động thực tiễn, cũng là cơ hội giúp em
nắm rõ những kiến thức và học thêm được rất nhiều về phương pháp làm việc khi thực
hiện thiết kế, đồng thời cũng sử dụng thực tiễn kiến thức đã học đi vào thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo BÙI THÚC MINH đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
ii
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
Đồ án tập trung nghiên cứu giới thiệu về sản phẩm PLC S7-1200, HMI của hãng
Siemens và phần mềm STEP 7 v11 lập trình điều khiển giám sát hệ thống. PLC là sản
phẩm có khả năng lập trình đã thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển,
không những thế mà nó còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự. Các
PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. S7-1200 là dòng PLC mới của
Siemens ngày càng được ứng dụng rộng rãi và thay thế các dòng PLC khác. HMI là
sản phẩm có khả năng điều khiển, với giao diện màn hình giúp cho ta có cái nhìn trực
quan hơn về hệ thống, có thể giám sát quá trình hoạt động qua từng công đoạn.
Phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 là TIA V11, TIA V11 hỗ trợ mạnh mẽ
trong việc lập trình cho PLC các dòng S7-300/400/1200 và ET200. Ngoài ra, phần
mềm TIA còn tích hợp thêm lập trình màn hình HMI và tạo giao diện điều khiển từ PC
(PC systems).
2.3.2.3. Các Module truyền thông 12
2.4. VÒNG QUÉT CHƯƠNG TRÌNH CỦA PLC 13
2.5. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH 14
2.5.1. Các khối mã tạo nên cấu trúc chương trình 14
2.5.2. Các kiểu cấu trúc chương trình 15
2.6. CÁC KHỐI OB ĐẶC BIỆT 16
2.7. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU 17
2.8. BẢO VỆ BẰNG MẬT KHẨU CHO CPU S7-1200 19
2.8.1. Cách thiết lập mật khẩu 19
2.8.2. Cách phục hồi mật khẩu bị mất 20
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI VÀ CÁCH THỨC
LẬP TRÌNH 21
3.1. MỘT SỐ LOẠI MÀN HÌNH GIÁM SÁT TRONG CÔNG NGHIỆP 21
iv
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
3.1.1. Giám sát là gì? 21
3.1.2. Định nghĩa và phân loại HMI 21
3.1.3. Một số loại màn hình Siemen 22
3.1.4. Giới thiệu HMI ứng dụng đồ án và cách kết nối truyền thông phần cứng
máy tính, HMI và CPU S7-1200 26
3.1.4.1. Màn hình HMI KTP 600 Basic PN 26
3.1.4.2. Cách kết nối truyền thông phần cứng bao gồm máy tính, HMI và
CPU S7-1200 27
3.2. CÁCH THỨC LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH HMI CƠ BẢN 28
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL. (STEP7 V11) 36
4.1. SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL 36
4.2. CÁC THAO TÁC CHÍNH KHI SỬ DỤNG PHẦN MỀM 37
4.2.1. Một số cửa sổ chính của phần mềm Step7 37
4.2.2. Xây dựng một Project 42
6.4. SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC 74
6.5. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 74
CHƯƠNG 7: TỔNG QUAN MÔ HÌNH, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
89
7.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 89
7.1.1. Giới thiệu các thiết bị trong mô hình 89
7.1.1.1. Thiết bị bên trong tủ điện 89
7.1.1.2. Thiết bị bên ngoài 90
7.1.2. Yêu cầu kĩ thuật 92
7.1.2.1. Phương pháp pha chế các màu sơn 92
7.1.2.2. Cơ sở quá trình trộn 93
7.1.2.3. Mức độ đồng đều của sản phẩm 93
7.1.3. Mô hình hệ thống pha màu tự động 94
7.1.4. Giao diện điều khiển HMI và nguyên lý hoạt động của mô hình 98
7.2. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102vi
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1. Các cổng hỗ trợ PLC S7-1200 8
Hình 2.2. Một số module hỗ trợ PLC S7-1200 10
Hình 2.3. Vị trí kết nối bảng tín hiệu (SB) 11
Hình 2.4. Vị trí kết nối module tín hiệu 12
Hình 2.5. Vị trí kết nối module truyền thông 12
Hình 2.6. Các kiểu cấu trúc chương trình 15
Hình 5.6. Các bước vào hộp thoại online & diagnostics 59
Hình 6.1. Sơ đồ mạch động lực 74
Hình 6.2. Sơ đồ kết nối PLC 74
Hình 7.1. CPU 1214C AC/DC/RLY 89
Hình 7.2. Màn hình HMI KTP 600 BASIC PN 89B
Hình 7.3. Thiết bị đóng ngắt CB 89
Hình 7.4. Rơ le trung gian 90
Hình 7.5. Cầu chì 90
Hình 7.6. Cảm biến áp suất 90
Hình 7.7. Công tắc hành trình 91
Hình 7.8. Động cơ bơm 91
Hình 7.9. Van xả 91
Hình 7.10. Động cơ trộn 92
Hình 7.11. Mô hình hệ thống pha trộn sơn tự động 94
Hình 7.12. Bồn chứa màu cơ bản và động cơ bơm 94
Hình 7.13. Van xả sơn thành phần 95
Hình 7.14. Bồn định lượng 95
Hình 7.15. Cảm biến áp suất và van xả bồn định lượng 95
Hình 7.16. Bồn chứa và động cơ trộn sơn hỗn hợp 96
Hình 7.17. Các thiết bị trong tủ điện điều khiển 96
Hình 7.18. Màn hình HMI điều khiển mô hình 97
Hình 7.19. Bồn chứa sơn thành phẩm và băng tải chính 97
Hình 7.20. Băng tải phụ và cần gạt 97
Hình 7.21. Giao diện HMI 98
viii
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ GIẢI THÍCH
CPU Center Processing Unit Bộ điều khiển trung tâm
PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển lập trình
CB Circuit Breaker Cầu dao cách ly
I/O Input/Output Đầu vào/Đầu ra
DI/DO Digital Input/Digital Output Đầu vào số/Đầu ra số
AI/AO Analog Input/Analog Output Đầu vào tương tự/Đầu ra tương
tự
AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều
DC Drect Current Dòng điện một chiều
HMI Human machine interface Giao diện màn hình
1
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tự động hóa quá trình công nghiệp ngày nay không còn gì xa lạ đối với các
doanh nghiệp sản xuất trong nước. Những máy móc, những dây chuyền sản xuất tự
động lập trình, điều khiển dùng PLC đã được ứng dụng rất nhiều tại các công ty, xí
nghiệp. PLC S7-1200 được biết đến là họ PLC mới của Siemens vì thế có nhiều ưu
điểm vượt trội so với các thế hệ trước, sẽ dần thay thế các dòng PLC trước đây trong
các xí nghiệp, công ty Vậy nên tìm hiểu, nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 đang là
vấn đề hết sức cần thiết đối với bộ môn điện công nghiệp ngày nay.
Để loại bỏ những nhược điểm trên. Cũng như để tạo ra những sản phẩm theo
mong muốn, chỉ bằng một thao tác đơn giản, đưa bộ điểu khiển lập trình PLC và màn
hình HMI vào điều khiển, giám sát hệ thống. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ
cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị HMI với các “nút ảo” trên màn hình cảm ứng
để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị. Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột
và gậy điều khiển. Mô hình thực hiện cụ thể ở đây là một dây chuyền tự động: “Hệ
Thống Pha (trộn) sơn Tự Động”.
Mô hình này có thể sử dụng trong hệ thống pha trộn hóa chất và một số lĩnh
vực khác như pha chế thực phẩm, …
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Từ yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp, cũng như khả năng về kiến thức và thời gian
không cho phép nên em chỉ thực hiện những công việc sau:
Tìm hiểu mô hình Pha màu trong thực tế.
Tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7 – 1200.
Tìm hiểu và lập trình phần mềm TIA Portal v11.
Viết chương trình.
Chạy chương trình trên PLC (CPU 1214C AC/DC/RLy).
Tìm hiểu HMI, lập trình màn hình HMI.
Cách kết nối truyền thông phần cứng bao gồm máy tính, HMI và CPU S7-1200.
Kết nối, giao tiếp truyền dữ liệu lập trình HMI – PLC.
Thi công mô hình và phần cứng. 3
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
1.4. HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu mô hình hệ thống Pha màu từ các bồn chứa vật liệu cơ bản (các
ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống
truyền thông mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.
Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thông”, và chúng có các đặc điểm
thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp.
Khả năng kháng nhiễu tốt.
Cấu trúc dạng Module cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm
Module mở rộng vào/ ra) và thêm chức năng (nối thêm Module chuyên dùng).
Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá.
Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – Ladder, Instruction và Funtion Chart, dễ hiểu
và dễ sử dụng.
Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng.
Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng rộng rãi trong việc điểu khiển
các máy móc công nghiệp và trong điều khiển quá trình (Process – control).
Tin cậy hơn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp.
Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ – le chức năng
tương đương.
Giá thành cạnh tranh.
Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản
xuất hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và
hiệu suất. Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ 20 ngõ vào/ ra và dung
5
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
lượng bộ nhớ chương trình 500 bước, đến các PLC có cấu trúc Module nhằm dễ dàng
mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng:
Xử lý tín hiệu liên tục (analog).
Điều khiển động cơ servo, động cơ bước.
Truyền thông.
Chỉ tiêu so
Sánh
Rơ – le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành
từng
chức năng
Khá thấp Thấp Cao Thấp
Kích thước
Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn
Tốc độ điều
khiển
Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh
Khả năng
chống nhiễu
Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt
Lắp đặt
Mất thời gian
thiết kế và lắp
đặt
Mất thời gian
thiết kế
Mất nhiều thời
gian lập trình
Lập trình và
lắp
đặt đơn giản
Khả năng điều
khiển tác vụ
các thiết bị máy móc được điều khiển chính xác hơn.
2.2. GIỚI THIỆU VỀ HỌ PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200.
So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
- 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 làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng
với S7-1200
- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,
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:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào
PLC
Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.
Ngoài ra bạn 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 v11 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
8
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
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
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte
Độ mở rộng các module tín
hiệu
Không 2 8
Bảng tín hiệu 1
Các module truyền thông 3 (Mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao:
Đơn pha
Thông thường 10 ngày/ít nhất 6 ngày tại 40
0
C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 µs/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 µs/lệnh
10
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
2.3.2. Một số Module hỗ trợ họ PLC S7-1200
Hình 2.2. Một số Module hỗ trợ PLC S7-1200
1. Module truyền thông (CM): tối đa là 3, được chèn vào các khe số 101, 102 và 103
2. CPU: khe số 1
3. Cổng Ethernet của CPU
4. Bảng tín hiệu (SB): tối đa là 1, được chèn vào CPU
5. Module tín hiệu (SM) dành cho I/O tương tự hay số: tối đa là 8, được chèn vào
trong các khe từ 2 đến 9 (CPU 1214C khởi động 8 SM, CPU 1212C khởi động 2 SM
còn CPU 1211C không khởi động CM nào)
Họ PLC 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 2.3. Bảng thông số các Module
Module Ngõ vào Ngõ ra Kết hợp
In/Out
8 x DC In 8 x DC Out
8 x Relay Out
RS 485
RS 232
2.3.2.1. Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng
có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước
của CPU.
SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.
Hình 2.3. Vị trí kết nối bảng tín hiệu (SB)
1) Các LED trạng thái trên SB
2) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra 12
Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
2.3.2.2. Các Module tín hiệu
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức
năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.
Hình 2.4. Vị trí kết nối 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 nối dây của người dùng có thể tháo ra
2.3.2.3. Các Module truyền thông
Họ PLC 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.
các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng
chủng loại. Các khối chương trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng
quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn
nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra
nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương
trình tương ứng với khối tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như
vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong
vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển tuyệt
đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng
chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.
Copyright: Tài liệu đại học ©