BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


SVTH: HUỲNH THẾ CƯƠNG
Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐA NĂNG PHỤC VỤ CHO VIỆC KIẾM
KHÁM SỨC KHỎE VÀ ĐỊNH LƯỢNG ĐỒ VẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT BẰNG PLC S71200 VÀ HMI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. NGUYỄN HOÀI BÃO

Khánh Hòa – 2017


ii

ii


i

LỜI CẢM ƠN
Kính thưa:
- Ban giám hiệu trường Đại Học Nha Trang.
- Thầy cô khoa Điện – Điện tử.
Trải qua bốn năm học tập đầy căng thẳng và thú vị, dưới sự chỉ bảo và dạy dỗ

1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ...............................................................................1

1.2.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ..........................................................................2

1.3.

NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN 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

1.4.1.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ..................................................2

1.4.2.



2.2.

GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI ...........................................8

2.2.1.

HMI và các khái niệm cơ bản...........................................................8

2.2.2.

Các thiết bị HMI hiện đại ...............................................................10

2.3.

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13 .....................................10

2.3.1.

Sơ lược về phần mềm ......................................................................10

2.3.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm ............................................................12
2.4.

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ ...............................................23

2.4.2.

Khái niệm và cấu tạo cân đa năng .................................................23
ii

Thân Cân ..........................................................................................27

3.2.4.

Bàn cân .............................................................................................28

3.2.5.

Bộ phận phát âm thanh...................................................................29

3.3.

SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .............................31

3.3.1.

Sơ đồ khối hệ thống .........................................................................31

3.3.2.

Sơ đồ kết nối .....................................................................................32

CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CÂN ĐA NĂNG .......34
4.1.

LẬP TRÌNH CHO PLC S7-1200 .............................................................34

4.1.1.

Sơ đồ thuật toán ...............................................................................34


4.4. Tải chương trình HMI phòng trường hợp hư hỏng hay gãy chương
trình 67
4.5.

Lỗi thường gặp dành cho HMI mới sử dụng ..........................................68

4.6.

Code dùng trên arduino để phát nhạc theo ý muốn ...............................69

4.6.1.

Điều kiện phát nhạc .........................................................................69

4.6.2.

Chương Trình lập trình Arduino...................................................70

iii


iv

4.7.

Tinh chỉnh cho bộ khuếch đại tín hiệu cảm biến ....................................73

4.8.


Hình 2.9. Online & diagnostics ................................................................16
Hình 2.10. Cửa sổ Main OB1 ...................................................................16
Hình 2.11. Sơ đồ xây dựng Project ..........................................................17
Hình 2.12. Cửa sổ “Create new project” ..................................................18
Hình 2.13. Thêm thiết bị PLC ..................................................................18
Hình 2.14. Lựa chọn CPU ........................................................................19
Hình 2.15. Cửa sổ Main[OB1] .................................................................19
Hình 2.16. Mạng LAD sai quy tắc ...........................................................20
Hình 2.17. Ví dụ lập trình FBD................................................................21
Hình 2.18. Cảm biến lực (loadcell) ..........................................................23
Hình 2.19. Màn hình hiển thị ...................................................................23
Hình 2.20. Cân được dùng trong y tế .......................................................24
Hình 3.2. Bàn cân y tế .............................................................................26
Hình 3.4. Màn hình hiển thị .....................................................................27
Hình 3.5. Thân cân ...................................................................................28
Hình 3.6. Bàn cân .....................................................................................28
Hình 3.7. Arduino Uno R3 .......................................................................29
Hình 3.8. Modun SD cad adapter ............................................................29
Hình 3.9. Loa DC 5V 3W x 2 .................................................................30
Hình 3.13. Cân đa năng ............................................................................30
Hình 3.10. Sơ đồ chân cảm biến .............................................................32
Hình 3.12. Sơ đồ kết nối ..........................................................................33
v


vi

Hình 4.1. Tạo 1 Block ..............................................................................38
Hình 4.2. Cửa sổ tạo Block ......................................................................38
Hình 4.3. Cài đặt thông số block ..............................................................39


vii

Hình 4.33. Cài đặt chuyển màn hình ........................................................61
Hình 4.34. Màn hình hiển thị tình trạng cơ thể ........................................62
Hình 4.35. Tab Basic objects 3 ................................................................62
Hình 4.36. Cài đặt nhấp nháy ...................................................................63
Hình 4.37. Cài đặt chức năng cho button .................................................63
Hình 4.38. Màn hình cơ thể cân đối ........................................................63
Hình 4.39. Màn hình cơ thể ốm ..............................................................64
Hình 4.40. Màn hình cơ thể hơi mập ......................................................64
Hình 4.41. Màn hình cơ thể béo ..............................................................64
Hình 4.42. Màn hình cơ thể cực béo ........................................................65
Hình 4.43. Màn hình chế độ cân .............................................................65
Hình 4.44. Kết nối HMI thành công ........................................................66
Hình 4.45. Kết thúc quá trình đổ chương trình HMI ..............................66
Hình 4.46. Tìm kiếm Simatic prosave .....................................................67
Hình 4.47. Chọn dòng HMI .....................................................................68
Hình 4.48. Giao diện truyền OS cho HMI ...............................................68
Hình 4.49. Cài đặt IP ................................................................................69
Hình 4.50. Bộ khuếch đại Loadcell ..........................................................73
Hình 4.51. Các nút vặn của Bộ khuếch đại Loadcell ...............................73
Hình 4.52. Màn hình khởi động ..............................................................75
Hình 4.53. Màn hình chọn chế độ ...........................................................75
Hình 4.54. Màn hình nhập chiều cao ......................................................76
Hình 4.55. Màn hình tình trạng cơ thể ....................................................76
Hình 4.56. Màn hình cơ thể đang ở mức ốm ...........................................77
Hình 4.57. Chọn chế độ...........................................................................77
Hình 4.58. Màn hình cân vật ...................................................................78



Function Block Diagram: Ngôn ngữ lập trình logic.

HMI

Human Block Interface: Màn hình giao tiếp người dùng.

DI

Digital Input: Đầu vào số.

DO

Digital Output: Đầu ra số.

AI

Analog Input: Đầu vào tương tự.

SM

Module tín hiệu.

CM

Module truyền thông.

OB

Organization blocks: Khối tổ chức.

xã hội hiện nay, Nhu cầu sản xuất công nghiệp cũng từ đó mà cần nhiều thiết bị tự
động hơn. Một trong những nhu cầu đó là xác định khối lượng của vật thể hay còn
gọi là "Cân". Cân điện tử cũng từ đó mà ra đời và chiếm vai trò quan trọng trong
sản xuất.
Cân điện tử loại nhỏ thường được sử dụng để cân đồ trong phòng thí nghiệm,
cửa hàng, siêu thị, trung tâm mua sắm… Cân điện tử loại lớn được dùng để cân ô
tô, cân bàn, cân sàn, cân đóng bao, cân băng tải… trong những nhà máy công
nghiệp.
Một số loại cân điện tử được tích hợp nhiều chức năng như: máy tính tiền, máy
in mã vạch, máy chấm công, in báo cáo…hoặc một số loại cân có cổng giao tiếp với
máy tính (thông qua cổng RS232, RS485…) phục vụ việc quản lí, lưu trữ và xử lý
dữ liệu…
Dần dần vai trò của cân trong đời sống là không thể thiếu. Nắm được nhu cầu
dó, trong đồ án tốt nghiệp môn hc này nhóm em chọn đề tài " Thiết kế và thi công
cân đa năng phục vụ cho việc kiểm khám sức khỏe và định lượng đồ vật điều khiển
và giám sát bằng PLC và HMI S7 1200". Đề tài này sẽ ứng dụng những kiến thức

1


2

đã học về tự động hóa để xây dựng một mô hình mà gọi tắt là cân đa năng để xác
định khối lượng của 1 vật chính xác 1 cách tối đa nhất cho cả người lẫn vật để dễ
dàng theo dõi sức khỏe và thao tác trên HMI một cách dễ dàng. Điều mà em hướng
tới là sản phẩm gần như ở ngoài thực dụng nhất có thể để sinh viên có thể tiếp xúc
với một mô hình gần như là dùng được trong đời sống hay khi đi làm ngoài xã hội.
1.2.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

2


3

- Kết hợp với đợt Thực tập tổng hợp, Sử dụng các trang thiết bị hiện đại
trong nhà máy nơi thực tập và sự giúp đỡ đội ngũ kỹ sư Tự động hóa tự
động.
- Kế thừa từ đồ án môn học và các kiến thức có trên mạng
- Đo khối lượng từ loadcell từ mô hình thực tế.
- Vận hành mô hình thực tế.
1.5.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Đồ án được thực hiện theo các nội dung sau:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH

3


1

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.


2.1.2. Cấu trúc phần cứng S7-1200

Hình 2.1. PLC S7-1200
(1) Bộ phận kết nối nguồn.
(2) Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau
các nắp che).
(2) 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 trên của CPU).
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.
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật các module CPU
Chức năng
Kích thước vật lý
(mm)

Đồ Án Cân Điện Tử

CPU 1211C
90x100x75

CPU 1212C

CPU 1214C
110x100x75


3


Kiểu tương tự

2 inputs

Kích thước ảnh tiến

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

2 inputs

trình
Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các

Không

8192 byte
2

8

module tín hiệu
Bảng tín hiệu

1

Các module truyền

3 tại 20 kHz

Vuông pha

Các ngõ ra xung

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ

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

đồng hồ thời gian thực
PROFINET

Một cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính

18 µs/lệnh

toán thực
Tốc độ thực thi
Boolean

Đồ Án Cân Điện Tử

16 x DC Out
16 x DC In

16 x Relay Out 16 x DC In / 16 x

4 x Analog In

2 x Analog In

Relay Out
4 x Analog In / 2 x

tương tự 8 x Analog In
Kiểu số
_

4 x Analog In
_

Analog
2
x DC In / 2 x DC Out
Out

Kiểu

1 x Analog In

_


Hình 2.2. PLC S7-1200 và bảng tín hiệu
(1) Các LED trạng thái trên SB.
(2) Bộ phận kết nối dây có thể tháo rời.
2.1.1.2.

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 2.3. PLC và 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 của người dùng có thể tháo rời

Đồ Án Cân Điện Tử


6

2.1.1.3.

Các 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.

Hình 2.4. PLC và module truyền thông

Nhận các tín
hiệu đầu vào

Thực hiện
chương trình
điều khiển

- 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.
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.
2.1.3. 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.

Đồ Án Cân Điện Tử



phát triển để giúp cho HMI sử dụng máy tính có thể định vị bên ngoài sàn nhà máy,
nhưng rất rộng, kềnh càng và dễ hỏng do sức nóng, độ ẩm, sự rửa trôi và các sự cố
khác ở sàn nhà máy.
HMI máy tính trước đây cũng tiêu thụ rất nhiều điện năng. Một máy tính
“desktop” thông thường trong những năm 80 của thế kỷ 20 có công suất 200 W.

Đồ Án Cân Điện Tử


9

Hình 2.5. Màn hình giám sát HMI
2.2.1.2.

Hỗ trợ người vận hành

Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều
khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển
nội bộ trở nên phức tạp hơn. Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này
là hiển thị dạng cảm ứng. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn
từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận
hiển thị. Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ
công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình rửa trôi.
Một ưu điểm khác nữa là hiển thị dạng tinh thể lỏng. Nó chiếm ít không gian
hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có thể được sử dụng trong những
không gian nhỏ hơn.
Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó
thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một
HMI có đầy đủ tính năng.


GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13

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).
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

Đồ Án Cân Điện Tử


11

hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn
diện (TIA) của Siemens. Ví dụ như 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 sẽ 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