Phân loại sản phẩm theo chiều cao ứng dụng PLC S7-1200

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : Th.S Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045

LỜI MỞ ĐẦU

Từ khi công nghiệp ra đời, máy móc được đưa vào phục vụ sản xuất, vì vậy con người đã

được giải phóng khỏi lao động chân tay rất nhiều. Bên cạnh đó, sản phẩm làm ra được tăng

lên đáng kể về số lượng và chất lượng được ổn định. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển như vũ

bão của khoa học kỹ thuật, tự động hóa trong công nghiệp ra đời, từng bước hình thành và tiến

bộ theo sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại. Đây chính là một bước ngoặt lớn thứ hai

trong nền sản xuất hàng hóa của con người. Con người giờ đây thật sự được giải phóng khỏi

lao động chân tay hay những lao động trong các môi trường độc hại, thay vào đó là những cỗ

máy thông minh, làm việc hiệu quả cao.

Sự ra đời PLC (Programable Logic Controller) giúp cho việc lập trình với sự hỗ trợ của

máy tính để quản lý hoạt động các hệ thống trong công nghiệp trở nên đơn giản hơn. Sự phát

triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ

dàng và tin cậy hơn. PLC có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển

truyền thông dùng rơle; khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập

trình các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán học và công

nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt

hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ. Bên cạnh đó PLC

còn thích hợp trong môi trường công nghiệp nhờ khả năng chống nhiễu tốt; cấu trúc dạng

modul rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp; lập trình dễ dàng; có những

modul chuyên dụng để thực hiện những chức năng đặc biệt hay những modul truyền thông để

kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng internet; có thể thay đổi chương trình hoặc

thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng cũng không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót.

Chúng em rất mong nhận được sự phê bình và đóng góp ý kiến từ thầy (cô) để đồ án tốt

nghiệp hoàn thiện hơn.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : Th.S Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp là đúc kết quá trình học tập trong những năm tháng tại trường Đại Học

Mở TP.HCM , để đạt được kết quả như hôm nay, ngoài sự phấn đấu bản thân là sự quan tâm

giúp đỡ của quý thầy cô tại trường, đặc biệt là các thầy cô tại khoa Xây Dựng Và Điện. Bên

cạnh đó là sự chia sẽ kinh nghiệm từ các bạn tại lớp CN08B1

Qua đây, em cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy PHAN VĂN HIỆP người đã

nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : Th.S Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045

MỤC LỤC

Lời mở đầu

Lời cảm ơn

Mục lục

Đặt vấn đề

Chương 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG PLC SIEMENS 1

1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển 1

1.2. Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC 2

1.2.1 Cấu trúc 2

1.2.2 Hoạt động của một PLC 2

1.2.3 Cổng truyền thông PROFINET 6

1.3. Giới thiệu thiết bị lập trình SIMATIC S7-1200 8

1.3.1 Giới thiệu về PLC S7-1200 8

1.3.2 Cấu trúc bộ nhớ 11

1.3.3 Cấu trúc phần cứng S7-1200 23

1.4. Ưu nhược điểm của PLC 26

1.5. Một vài ứng dụng tiêu biểu 28

Chương 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 30

2.1. Điện trở 30

2.2. Tụ 32

2.3. Transitor 33

2.4. Diode 36

2.5. NE555 39

2.6. Led thu phát hồng ngoại 40

2.7. IC ổn áp 7805 41

Chương 3: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA PORTAL V11 43

3.1. Giới thiệu TIA PORTAL V11 43

3.2. Giới thiệu màn hình HMI 48

3.3. Các tập lệnh PLC S7-1200 51

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 61

4.1. Một số mô hình phân loại sản phẩm 61

4.2. Lựa chọn các thiết bị 65

4.3. Mạch tạo xung vuông 66

4.4. Mạch phát hiện mất xung 67

4.5. Lưu đồ thuật toán 68

4.6. Lập trình điều khiển 69

4.7. Cấu hình kết nối PLC 1212C với PC qua cổng internet 74

4.8. Thiết kế giao diện trên WinCC flexible 76

KẾT LUẬN 80

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : ThS. Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045 Trang 1

Chương 1: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG PLC SIEMENS

1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết

kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn

giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy

các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập

trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết 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 (programmable

controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật

sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình

(PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống 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, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom

format). Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng

vận hành với những thuật toán hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data

manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube:

CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận

tiện hơn.

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho

hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể

tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ

nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống

PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc

độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử

lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn.

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM

Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… ngoài ra

các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh”

(intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLCS) cho tương lai.

* 1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors

* 1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford), được GM sử dụng trong công nghiệp ô-tô

(128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)

* 1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô

* 1973: PLC „thông minh“ với khả năng tính toán, điều khiển máy in, xử lý dữ liệu, giao diện

màn hình.

* 1975: PLC với bộ điều khiển PID

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : ThS. Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045 Trang 2

* 1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sản xuất

* 1977: mP-based PLC

* 1980: Các module vào/ra thông minh

* 1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu

* 1982: PLC với 8192 I/O (lớn nhất)

* 1992: Chuẩn IEC 61131 ra đời

* 1996: Slot-PLC, Soft-PLC,...

1.2. Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC

1.2.1 Cấu trúc

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm

(CPU: Central Processing Unit : CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0).

Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển lập trình

Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

1.2.2 Hoạt động của một PLC

CPU có 3 chế độ hoạt động: chế độ STOP, chế độ STARTUP và chế độ RUN. Các LED

trạng thái trên mặt trước của CPU biểu thị chế độ hiện thời của sự vận hành.

 Trong chế độ STOP, CPU không thực thi chương trình nào, và ta có thể tải xuống một

đề án.

 Trong chế độ STARTUP, các OB khởi động (nếu có) được thực thi một lần. Các sự

kiện ngắt không được xử lý cho đến pha khởi động của chế độ RUN.

 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 pha chu kỳ chương trình.

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : ThS. Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045 Trang 3

Ta không thể tải xuống một project trong khi đang ở chế độ RUN. CPU hỗ trợ một sự

STARTUP để đi vào chế độ RUN. STARTUP không bao gồm một sự đặt lại bộ nhớ. Tất cả

các hệ thống không có khả năng giữ và dữ liệu người dùng đều được khởi chạy tại một sự

STARTUP. Dữ liệu người dùng có khả năng giữ vẫn được giữ nguyên.

Một bộ nhớ đặt lại sẽ xóa tất cả các bộ nhớ làm việc, xóa các vùng nhớ có khả năng giữ

và không có khả năng giữ, và sao chép bộ nhớ nạp đến bộ nhớ làm việc. Một sự đặt lại bộ nhớ

không xóa đi bộ đệm chẩn đoán hay các giá trị được lưu vĩnh viễn của địa chỉ IP.

Ta có thể chỉ định chế độ bật nguồn của CPU hoàn thành với phương pháp khởi động lại

bằng cách sử dụng phần mềm lập trình. Biểu tượng cấu hình này xuất hiện trong mục Device

Configuration đối với CPU đang trong khởi động. Khi nguồn được bật, CPU thực hiện một

tuần tự các kiểm tra chẩn đoán bật nguồn và khởi chạy hệ thống. CPU sau đó sẽ đi vào chế độ

bật nguồn tương ứng. Tất nhiên các lỗi được phát hiện sẽ ngăn không cho CPU đi vào chế độ

RUN. CPU hỗ trợ các chế độ bật nguồn sau đây:

 Chế độ STOP

 Chuyển sang chế độ RUN sau khi STARTUP

 Chuyển sang chế độ trước đó sau khi STARTUP

Ta có thể thay đổi chế độ vận hành hiện thời bằng cách sử dụng các lệnh “STOP” hay

“RUN” từ các công cụ trực tuyến của phần mềm lập trình. Ta cũng có thể bao gồm một lệnh

STP trong chương trình để chuyển CPU về chế độ STOP. Điều này cho phép ta dừng sự thực

thi chương trình dựa trên logic lập trình.

Trong chế độ STOP, CPU 1 xử lý bất kỳ các yêu cầu truyền thông nào

(thích hợp) và 2 thực hiện tự chẩn đoán

Trong chế độ STOP, CPU không thực thi chương trình người dùng, và

các cập nhật tự động của ảnh tiến trình sẽ không xuất hiện.

Ta có thể tải xuống project chỉ khi CPU ở trong chế độ STOP.

Trong chế độ RUN, CPU thực hiện các tác vụ được thể hiện như trong hình sau đây:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : ThS. Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045 Trang 4

Hình 1.3: Chế độ hoạt động Startup và Run

STARTUP

A Xóa vùng nhớ I.

B Khởi chạy các ngõ ra cả với giá trị cuối cùng hay giá trị thay thế.

C Thực thi các OB khởi động.

D Sao chép trạng thái của các ngõ vào vật lý đến vùng nhớ I.

E Lưu trữ bất kỳ các sự kiện ngắt nào vào trong thứ tự để xử lý trong chế độ RUN.

F Kích hoạt việc ghi vùng nhớ Q đến các ngõ ra vật lý.

RUN

1 Ghi bộ nhớ Q đến các ngõ ra vật lý.

2 Sao chép trạng thái các ngõ vào vật lý đến vùng nhớ I.

3 Thực thi các OB chu kỳ chương trình.

4 Thực hiện các chẩn đoán tự kiểm tra.

5 Xử lý các ngắt và truyền thông trong suốt bất kỳ phần nào của chu kỳ quét.

Tiến trình khởi động (STARTUP)

Khi trạng thái hoạt động thay đổi từ STOP sang RUN, CPU xóa đi các ngõ vào ảnh tiến

trình, khởi chạy các ngõ ra ảnh tiến trình và thực thi các OB khởi động. Bất kỳ việc đọc nào

truy xuất đến các ngõ vào ảnh tiến trình bằng các lệnh trong các OB khởi động sẽ đọc giá trị

zero hơn là giá trị ngõ vào vật lý hiện thời. Do vậy, để đọc trạng thái hiện thời của một ngõ

vào vật lý trong suốt chế độ khởi động, ta phải thực hiện một việc đọc tức thời. Các OB khởi

động và bất kỳ các FC và FB nào có liên quan sẽ được thực thi tiếp theo. Nếu có nhiều hơn 1

OB khởi động tồn tại, mỗi OB đó sẽ được thực thi theo thứ tự số hiệu OB, trong đó số hiệu

OB thấp nhất được thực thi đầu tiên.

Mỗi OB khởi động bao gồm thông tin khởi động giúp ta xác định tính hợp lệ của các dữ

liệu lưu giữ và của đồng hồ giờ trong ngày. Ta có thể lập trình các lệnh bên trong các OB khởi

động để kiểm tra các giá trị khởi động này và để thực hiện thao tác thích hợp. Các vùng khởi

động sau đây được hỗ trợ bởi các OB khởi động:

Ngõ vào Kiểu dữ liệu Miêu tả

LostRetentive Bool Bit này đúng nếu các vùng lưu trữ dữ liệu giữ đã

bị mất.

LostRTC Bool Bit này đúng nếu đồng hồ giờ trong ngày

(Real time Clock) đã bị mất.

CPU còn thực hiện các tác vụ sau đây trong suốt quá trình khởi động:

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện – điện tử GVHD : ThS. Phan Văn Hiệp

SVTH : Lê Vũ Bảo Minh MSSV : 0851030045 Trang 5

 Các ngắt được sắp thứ tự nhưng không được thực thi trong suốt pha khởi động

 Không có việc giám sát thời gian chu trình nào được thực hiện trong suốt pha khởi

động

 Sự cấu hình làm thay đổi các module HSC, PWM và PtP đều có thể được thực hiện

trong lúc khởi động

 Sự vận hành thực tế của các module HSC, PWM và PtP chỉ xuất hiện trong chế độ

RUN

Sau khi sự thực thi của các OB khởi động đã hoàn thành, CPU đi vào chế độ RUN và thực

thi các tác vụ điều khiển trong một chu kỳ quét liên tiếp.

Việc thực thi chu kỳ quét trong suốt chế độ RUN

Đối với mỗi chu kỳ quét, CPU ghi các ngõ ra, đọc các ngõ vào, thực thi chương trình

người dùng, cập nhật các module truyền thông, thực hiện các công việc nội dịch

(housekeeping) và đáp ứng đến các sự kiện ngắt của người dùng và các yêu cầu truyền thông.

Các yêu cầu truyền thông được xử lý một cách định kỳ xuyên suốt quá trình quét.

Các hoạt động này (ngoại trừ các sự kiện ngắt của người dùng) được thực hiện thường xuyên

và theo một trật tự tuần tự. Các sự kiện ngắt của người dùng được kích hoạt sẽ được phục vụ

với mức ưu tiên theo trật tự mà chúng xuất hiện.

Hệ thống đảm bảo rằng chu kỳ quét sẽ được hoàn tất trong một chu kỳ thời gian được gọi

là thời gian chu trình tối đa, nếu không một sự kiện lỗi thời gian sẽ được sinh ra.

 Mỗi chu kỳ quét bắt đầu bằng việc tìm kiếm các giá trị hiện thời của các ngõ ra kiểu số

hay kiểu tương tự từ ảnh tiến trình và sau đó ghi chúng đến các ngõ ra vật lý của CPU,

các module SB và SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tự động (cấu hình mặc

định). Khi một ngõ ra vật lý được truy xuất bởi một lệnh, cả ảnh tiến trình ngõ ra và

bản thân ngõ ra vật lý đều được cập nhật.

 Chu kỳ quét tiếp tục bằng việc đọc các giá trị hiện thời của các ngõ vào kiểu số hay

kiểu tương tự từ CPU, các module SB, SM được cấu hình cho việc cập nhật I/O tự

động (cấu hình mặc định), và sau đó ghi các giá trị này đến ảnh tiến trình. Khi một

ngõ vào vật lý được truy xuất bởi một lệnh, giá trị của ngõ vào vật lý được truy xuất,

nhưng ảnh tiến trình ngõ vào không được cập nhật.

 Sau khi đọc các ngõ vào, chương trình người dùng được thực thi từ lệnh đầu tiên cho

đến lệnh cuối cùng. Điều này bao gồm tất cả các OB chu kỳ chương trình cộng với tất

cả các FC và FB có liên quan của chúng. Các OB chu kỳ chương tình được thực thi

theo trật tự của số hiệu OB, trong đó số hiệu OB thấp nhất được thực thi trước tiên.

Việc xử lý các truyền thông xuất hiện một cách định kỳ trong suốt quá trình quét, có thể

ngắt sự thực thi chương trình người dùng.

Các kiểm tra tự chẩn đoán bao gồm cả các kiểm tra định kỳ của hệ thống và các kiểm tra

trạng thái module I/O.

Các ngắt có thể xuất hiện trong suốt bất kỳ phần nào của chu kỳ quét, và được điều khiển

theo sự kiện. Khi một sự kiện xuất hiện, CPU ngắt chu kỳ quét và gọi OB đã được cấu hình để