(Đồ án tốt nghiệp) Điều khiển và giám sát trạm bơm khu resort dùng PLC S7 1200

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM
KHU RESORT DÙNG PLC S7 - 1200

GVHD: ThS. TRẦN VĂN SỸ
SVTH: TIÊU TẤN PHƯỚC
MSSV: 14141172
SVTH: NGUYỄN THANH THẮNG
MSSV: 14141742

SKL 0 0 4 3 5 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠM BƠM
KHU RESORT DÙNG PLC S7 - 1200

GVHD: ThS. Trần Văn Sỹ
SVTH1: Tiêu Tấn Phước
MSSV: 12141172
SVTH2: Nguyễn Thanh Thắng
MSSV: 12141742

Tp. Hồ Chí Minh - 07/2016


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠM BƠM KHU
RESORT DÙNG PLC S7 - 1200

GVHD: ThS. Trần Văn Sỹ
SVTH1: Tiêu Tấn Phước
MSSV: 12141172
SVTH2: Nguyễn Thanh Thắng

MSSV: 12141742

Tp. Hồ Chí Minh – 07/2016
i


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.

2.

Thông tin sinh viên
Họ và tên: Tiêu Tấn Phước

MSSV: 12141172

Tel: 0989298528

Email:

Họ và tên: Nguyễn Thanh Thắng

MSSV: 12141742

Tel: 0966957827

Email:

Thông tin đề tài

Tên của đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM NƯỚC KHU
RESORT BẰNG PLC S7-1200
Mục đích của đề tài:
Điều khiển và giám sát hoạt động của trạm bơm nước thông qua biến tần
kết hợp với PLC nhằm ổn định áp suất trong đường ống và tiết kiệm năng
lượng.
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa
Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện: Từ ngày /03/2016 đến

3.

/07 /2016.

Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài
- Tìm hiểu về sơ đồ bố trí trạm bơm, yêu cầu về điều khiển giám sát các thông
số và hoạt động của bơm theo yêu cầu thực tế của một khu resort đặt ra.
- Lựa chọn thiết bị, thiết kế và thi cơng mơ hình đáp ứng được các yêu cầu đặt
ra của khu resort.
- Thiết kế và thi công sơ đồ mạch động lực, sơ đồ mạch kết nối tín hiệu vào, ra
với PLC S7-1200.
- Thiết kế giao diện điều khiển, giải thuật và chương trình điều khiển theo yêu
cầu trên phần mềm lập trình Tia Portal.
- Thử nghiệm chương trình và chỉnh sửa hồn thiện chương trình.
- Viết báo cáo.
ii


Tp.HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2016
SV thực hiện đồ án

Tiêu Tấn Phước

Nguyễn Thanh Thắng

Xác nhận của Bộ Môn

Tp.HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2016
Giáo viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

iii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Cơng Nghiệp

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 04 năm 2016

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Bản lịch trình này được đóng vào đồ án)
Họ tên sinh viên 1: TIÊU TẤN PHƯỚC
Lớp:
12141DT2D
MSSV:12141172
Họ tên sinh viên 2: NGUYỄN THANH THẮNG
Lớp:

12141DT2D
MSSV:12141742
Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM NƯỚC KHU RESORT

BẰNG PLC S7-1200
Tuần/ngày

Nội dung

21/03 – 27/03
-

Chọn đề tài làm đồ án.
Làm đề cương đồ án.

-

Cơ sở lý thuyết về biến tần, HMI,sensor
áp suất,lưu lượng.
Tổng quang về PLC và modul analog.

28/3 – 03/04

04/04 – 10/04

11/04 – 17/04
18/01 _ 24/04

-

Nghiên cứu cách giao tiếp liệu giữa plc
và biến tần, HMI

-

Thi công kết nối phần cứng.
Thi cơng xây dựng mơ hình ứng dụng.

-

Tìm hiểu về phần mềm TIA POTRAL
và ngơn ngữ lập trình cho PLC S7-1200.
Tìm hiều về Win CC

-

Lập trình cho ứng dụng.
Viết báo cáo.

-

Lập trình cho ứng dụng.
Viết báo cáo.

-

Lập trình cho ứng dụng.

25/04 – 01/05

02/05 – 08/05

09/05 – 15/05

16/05 – 22/05
iv

Xác nhận GVHD


-

Viết báo cáo.

-

Lập trình cho ứng dụng.
Viết báo cáo.

-

Làm power point thuyết trình.

-

Làm power point thuyết trình.

23/05 – 29/05

30/05 – 05/06

06/06 – 12/06

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm chúng em cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của chúng em.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
TP. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 07 năm 2016
Người thực hiện
( Ký và ghi rõ họ tên )

vi


LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Văn Sỹ đã trực
tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để nhóm thực hiện hồn thành tốt đề
tài.
Nhóm thực hiện cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên cùng
lớp đã chia sẻ, trao đổi những kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu của
mình để góp phần giúp nhóm thực hiện hồn thành đề tài tốt hơn.
Do hạn chế về thời gian nghiên cứu cũng như kiến thức và kinh nghiệm ứng
dụng thực tiễn nên báo cáo của nhóm khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong
nhận được sự cảm thơng và đóng góp ý kiến của thầy để đề tài được hoàn thiện hơn.

Em xin cảm ơn ba mẹ người đã luôn động viên giúp đỡ lo cho em tiền bạc và
tinh thần không chỉ trong kỳ đồ án tốt nghiệp này mà trong suốt 4 năm học đại học tại
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên
Nguyễn Thanh Thắng
Tiêu Tấn phước

vii


MỤC LỤC
Phiếu đánh giá khóa luận tốt nghiệp ........................................................................... i
Phiếu giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ....................................................................... ii
Lịch trình thực hiện .................................................................................................. iv
Lời cam đoan ........................................................................................................... vi
Lời cảm ơn ............................................................................................................... vii
Mục lục ................................................................................................................... viii
Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... xii
Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xiv
Tóm tắt .................................................................................................................... xv

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu .......................................................................................................... 1
1.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 1
1.4. Giới hạn ........................................................................................................... 2
1.5. Bố cục ............................................................................................................. 2

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................. 3
2.1 Tổng quan về PLC S7-1200 ............................................................................ 3
2.1.1 Khái niệm ............................................................................................ 3
2.1.2 Phân loại .............................................................................................. 3
2.1.3 Hình dạng bên ngoài (CPU 1214C) ..................................................... 5
2.1.4 Cấu trúc bên trong ............................................................................... 6
2.1.5 Cách đấu dây ....................................................................................... 7
2.1.6 Module mở rộng .................................................................................. 7
2.1.7 Phương pháp lập trình điều khiển ........................................................ 9
2.2 Giới thiệu về biến tần Sinamics V20 ............................................................. 10
2.2.1 Sơ lượt về biến tần V20 ..................................................................... 10
2.2.2 Lắp đặt phần điện .............................................................................. 11
2.2.3 Cài đặt thông số cho biến tần V20 ..................................................... 14
2.2.3.1 Màng hình điều khiển BOP ................................................... 14
2.2.3.2 Ý nghĩa các biểu tượng trạng thái .......................................... 15
Viii


2.2.4 Cách chỉnh sửa thông số trong biến tần V20 ..................................... 15
2.2.5 Cấu trúc tổng quát của menu parameter ............................................ 16
2.2.6 Reset biến tấn về mặc định ................................................................ 16
2.2.7 Cài đặt nhanh với Setup Menu .......................................................... 17
2.2.7.1 Cài đặt thông số động cơ ....................................................... 17
2.2.7.2 Macro kết nối ......................................................................... 18
2.2.7.3 Ứng dụng Macro .................................................................... 24
2.3 Đo áp suất ...................................................................................................... 24
2.3.1 Áp suất và đơn vị đo áp suất .............................................................. 24
2.3.1.1 Định nghĩa áp suất ................................................................. 24
2.3.1.2 Đơn vị đo áp suất ................................................................... 25
2.3.2 Các phương pháp đo áp suất nước (đo áp suất của chất lưu) ............. 25

2.3.2.1 Các phương pháp đo áp suất tĩnh........................................... 25
2.3.2.2 Phương pháp đo áp suất động ................................................ 25
2.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................... 26
2.4 Màn hình HMI ............................................................................................... 27
2.4.1 Khái niệm và giới thiệu màn hình HMI của Weintek ........................ 27
2.4.1.1 Khái niệm............................................................................... 27
2.4.1.2 Màn hình HMI của Weintek .................................................. 27
2.4.2 Các thành phần và thông số đặc trưng và ứng dụng của HMI ........... 28
2.4.2.1 Các thành phần của HMI ....................................................... 28
2.4.2.2 Các thông số đặt trưng ........................................................... 28
2.4.2.3 Ứng dụng của HMI ................................................................ 28
2.4.3 Hướng dẫn thiết kế giao diện HMI ..................................................... 29
2.4.3.1 Bố cục màn hình .................................................................... 29
2.4.3.2 Chọn màu ............................................................................... 29
2.4.3.3 Điều hướng và điều khiển ...................................................... 30
2.4.3.3.1 Điều hướng .................................................................... 30
2.4.3.3.2 Điều khiển ..................................................................... 30
2.5 Motor bơm nước không đồng bộ ba pha ............................................... 30
2.5.1 Khái niệm.................................................................................. 30
2.5.2 Cấu tạo ...................................................................................... 30
2.5.2.1 Stato.................................................................................. 31
2.5.2.2 Roto .................................................................................. 31
ix


2.5.3 Nguyên lý làm việc ................................................................... 32
2.5.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
bằng thay đổi thông số ....................................................................... 32
2.6 Bộ nguồn DC ......................................................................................... 34
2.7 Giao thức Modbus RTU ........................................................................ 34

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ. ............................................. 36
3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 36
3.2 Tính tốn và thiết kế mơ hình ........................................................................ 36
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối mơ hình .............................................................. 36
3.2.1.1 Khối tải................................................................................... 37
3.2.1.2 Khối công suất ....................................................................... 37
3.2.1.3 Khối điều khiển ...................................................................... 37
3.2.1.4 Khối truyền thơng .................................................................. 37
3.2.1.5 Khối tín hiệu điều khiển và giám sát ..................................... 38
3.2.1.6 Khối cảm biến ........................................................................ 40
3.2.1.7 Khối nguồn ............................................................................ 42
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch ................................................................ 42

3.2.2.1 Thiết kế phần cơ khí.............................................................. 42
3.2.2.2 Thiết kế bể nước .................................................................... 42
3.2.2.2 Thiết kế bể nước .................................................................... 43
3.2.2.4 Thiết kế tủ điện ...................................................................... 44
3.2.3 Sơ đồ kết nối của mạch ...................................................................... 45
3.2.3.1 Sơ đồ kết nối mạch động lực ................................................. 45
3.2.3.2 Sơ đồ nối dây Modbus RTU giữa biến tần với PLC thông qua
boar CB1241
RS485................................................................................................. 45
3.2.3.3 Sơ đồ kết nối nguồn vào và ra của PLC của mơ hình ............ 46

CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................... 47
4.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 47
4.2 Thi cơng mơ hình .......................................................................................... 47

4.2.1 Thi cơng cơ khí ............................................................................... 47

4.2.2 Thi cơng bảng điện ......................................................................... 49
4.2.2.1 Lắp ráp ................................................................................... 49
4.2.2.2 Kiểm tra ................................................................................. 49
x


4.2.3 Lắp ráp biến tần và bộ nguồn ........................................................ 49
4.2.2.1 Lắp ráp ................................................................................... 49
4.2.2.2 Kiểm tra ................................................................................. 51

4.2.4 Lắp ráp cảm biến............................................................................. 51
4.2.4.1 Lắp ráp ................................................................................... 51
4.2.4.2 Kiểm tra ................................................................................. 51
4.3 Đóng gói mơ hình .......................................................................................... 51
4.4 Lập trình cho mơ hình ................................................................................... 52

4.4.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................................. 52
4.4.2 Phần mềm lập trình cho PLC S7-1200......................................... 54
4.4.2.1 Giới thiệu về phần mềm lập trình .......................................... 54

4.4.3 Phần mềm thiết kế HIM ................................................................. 55
4.4.3.1 Giới thiệu về phần mềm thiết kế HMI Weintek
EasyBuilder8000 ................................................................................ 55
4.4.3.2 Thiết kế cho mơ hình ............................................................. 57
4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ...................................................... 58

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................... 58
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .............................. 60
5.1 Kết quả thống kê. ............................................................................................ 60

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................ 62
6.1 Kết luận ........................................................................................................... 62
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHU LỤC

............................................................................................................

xi


DANH SÁCH HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Hình dạng bên ngồi của S7-1200(CPU 1214C) …………………….5
Hình 2.2: Cấu trúc bên trong …….……………………....……...……………….6
Hình 2.3: Sơ đồ đấu dây S7-1200 / CPU 1214C …………………………….….7
Hình 2.4: Các module mở rộng ………………………………...……………….8
Hình 2.5: Phương pháp lập trình điều khiển …………………...……………….9
Hình 2.6: Biến tần V20 ………………………………………...……………….10
Hình 2.7: Sơ đồ kết nối tổng quát biến tần V20 ………………..……………....11
Hình 2.8: Cấu trúc các cổng kết nối của biến tần V20 ………....…………...….12
Hình 2.9: Màng hình điều khiển BOP ………………………………………….14
Hình 2.10: Cài đặt trong setup menu …………………………..……………….17
Hình 2.11: Connection Macro Cn001 ………………………….……………….18
Hình 2.12: Connection Macro Cn002 dạng Sink ……………………………….19
Hình 2.13: Connection Macro Cn002 dạng Source ……………………….…....19

Hình 2.14: Connection Macro Cn003 ……………………………….……...….20
Hình 2.15: Connection Macro Cn004 ……………………………….……...….20
Hình 2.16: Connection Macro Cn005 ……………………………….……...….21
Hình 2.17: Connection Macro Cn006 ……………………………….……...….21
Hình 2.18: Connection Macro Cn007 ……………………………….……...….22
Hình 2.19: Connection Macro Cn008 ……………………………….……...….22
Hình 2.20: Connection Macro Cn009 ……………………………….……...….23
Hình 2.21: Connection Macro Cn010 ……………………………….……...….23
Hình 2.22: Connection Macro Cn011 ……………………………….……...….24
Hình 2.23: Sơ đồ hoạt động bên trong của cảm biến …………………….....….26
Hình 2.24: Màng hình HMI Weintek MT8070iH ……….……………….....….27
Hình 2.25: Stato motor khơng đồng bộ ba pha ……….………………….....….31
Hình 2.26: Roto motor khơng đồng bộ ba pha ………..………………….....….31
Hình 2.27: Bộ nguồn tổ ong ngõ ra 24VDC ………….…………………......….34
Hình 3.1: Sơ đồ khối mơ hình …………………………....……………….........36
Hình 3.2: Board truyền thơng CB 1241 …………………………....….….........38
Hình 3.3: Nút nhấn không đèn …………………………....………...…….........38
xii


Hình 3.4: Chuyển mạch ba vị trí AR22PL-311L3SZA ………………………....39
Hình 3.5: Bóng đèn NP116-22DS ……………………………………………....39
Hình 3.6: Cảm biến áp suất ISE50 ………………………...…………………....40
Hình 3.7: Điện áp và áp suất ngõ ra tương tự của ISE50 …….………………....40
Hình 3.8: Mơ hình thiết kế ………………………………...…………………....42
Hình 3.9: Thiết kế bể xả …………………………………………………….......43
Hình 3.10: Thiết kế bể chứa …………………………………….……………....43
Hình 3:11: Khung mơ hình …………………………………..………………....44
Hình 3.12: Bảng điện thiết kế ………………………………..………………....44
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối mạch động lực ………………….…………………....45

Hình 3.14: Sơ đồ kết nối dây Modbus RTU giữa biến tần và PLC thơng qua board
CB1241 ………………………………………………………….……………....45
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối PLC của mơ hình …………………………………....46
Hình 4.1: Bể chứa nước phía trên …………………………...………………....47
Hình 4.2: Bể cấp nước cho mơ hình …………………………...……………....48
Hình 4.3: Hai máy bơm phía dưới bảng điện …………………………...…......48
Hình 4.4: Bảng điều khiển ……………...…………………...………………....49
Hình 4.5: Bộ nguồn …………………………...……………………….…….....50
Hình 4.6: Hai biến tần ……………..………………………...………………....50
Hình 4.7: Cảm biến áp suất …………………………...………………….….....51
Hình 4.8: Mơ hình hồn thiện …………..…………………...………………....52
Hình 4.9: Lưu đồ chương trình chính …..…………………...………………....52
Hình 4.10: Lưu đồ chương trình con chế độ Auto ……………………………..53
Hình 4.11: Lưu đồ chương trình con chế độ Tay ……………………………....53
Hình 4.12: Giao diện chính của phần mềm …………………………...……......54
Hình 4.13: Giao diện soạn thảo chính …………..…………...………………....55
Hình 4.14: Tạo một dự án EasyBuilder8000 …………………………...……....56
Hình 4.15: Tạo dự án mới …………………………………...………………....56
Hình 4.16: Lựa chọn PLC kết nối với HMI …………………………...…….....57
Hình 4.17: Giao diện chính của mơ hình …………………………...……….....57
Hình 4.18: Giao diện điều khiển ……..……………………...………………....58
Hình 4.19: Giao diện thơng số của hai trạm bơm ……………………………...58
Hình 5.1: Mặt trước của mơ hình …………………………...……………….....61
Hình 5.2: Mặt sau của mơ hình ……………………………...………………....61

xiii


DANH SÁCH BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Các đặc điểm cở bản của S7-1200 ………………………………….. 4
Bảng 2.2: Thông số các module ……………….……………………………….. 8
Bảng 2.3: Thông số các chân kết nối của biến tần V20 ……………………….. 13
Bảng 2.4: Hướng dẫn điều khiển nút nhấn trên màng hình BOP …………….. 14
Bảng 2.5: Ý nghĩa các biểu tượng trạng thái trên BOP ……………………….. 15
Bảng 2.6: Hướng dẫn cài đặt các thông số …………………………...……….. 16
Bảng 2.7: Thông số động cơ ………………………....…….………………….. 17
Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn tổ ong ngõ ra 24VD ………….….. 34
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy bơm ……………….…………………... 36
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất ISE50 ……...…………….. 40
Bảng 4.1: danh sách các linh kiện …………………………………………….. 48

xiv


TĨM TẮT
Nước có vai trị vơ cùng quan trọng đối với con người cũng như bất cứ sinh vật
nào trên trái đất. Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá nhưng không phải là vô
tận. Nước cần cho mọi sự sống và phát triển, nước vừa là môi trường vừa là đầu vào
cho các q trình sản xuất nơng nghiệp cơng nghiệp. Vì vậy chúng ta phải sử dụng
nước một cách tiết kiệm và hợp lý. Việc điều khiển và giám sát trạm bơm khu Resort
thông qua cảm biến áp suất nước cũng góp một phần nhỏ trong việc sử dụng và tiết
kiệm nguồn nước sạch trong tự nhiên.
Để điều khiển và giám sát trạm bơm chúng ta cần biết giá trị áp suất trong đường
ống là bao nhiêu để điều chỉnh bơm một cách hợp lý để cung cấp nước vừa đủ sử dụng
không bị dư thừa. Phương pháp bơm được điều khiển bằng PLC S7-1200 thông qua
biến tần Sinamics V20. Việc giao tiếp giữa PLC và biến tần thơng qua mạng RS485

Modbus RTU.
Sau một thời gian tìm hiểu và thi công chúng em đã giao tiếp được giữa PLC và
biến tần. Qua đó có thể điều khiểm 2 bơm nước theo mình mong muốn.

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì các hệ thống điều
khiển giám sát bằng PLC ln luôn biến đổi cho phù hợp với từng nhu cầu cơng nghệ.
Mặc dù PLC ra đời khá lâu, nhưng nó vẫn không ngừng phát triển và luôn được cải tiến
nhiều tính năng mới vơ cùng tiện ích và phong phú. Việc tìm hiểu và làm chủ một loại
PLC mới ln là sự thách thức và mong muốn của các bạn sinh viên. Để thực hiện được
việc đó, người học cần rất nhiều yếu tố như ngơn ngữ lập trình, các kiến thức liên quan
đến thiết bị điện, thiết kế mạch ứng dụng của mạch điều khiển và điều quan trọng là phải
có phương tiện, thiết bị phục vụ cho việc học tập, thực hành ứng dụng kiến thức.
Để có thể lĩnh hội nhanh chóng kiến thức về PLC, người học phải nghiên cứu trên
lý thuyết, thiết kế, thi công mạch và sau đó lập trình, nó sẽ gây tốn khá nhiều thời gian
và cơng sức của người tìm hiểu cơng nghệ, nhất là việc nghiên cứu loại PLC mới. Việc
thiết kế lập trình thí nghiệm ứng dụng những tính năng của PLC sẽ làm tăng hiệu quả
trong công việc điều khiển giám sát một hệ thống trở dễ dàng hơn.
Thấy được sự quan trọng trong việc giám sát và điều khiển trong quá trình sản xuất
và nhu cầu sử dụng nguồn nước sạch trong đời sống hằng ngày và để ra trường có thể
tiếp cận với xu hướng phát triển trong nền cơng nghiệp tiên tiến, nhóm thực hiện đề tài

chọn hướng nghiên cứu về điều khiển tự động hóa để làm đồ án tốt nghiệp của mình với
tên đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM NƯỚC KHU RESORT DÙNG
S7 – 1200”.

1.2.

MỤC TIÊU

Giúp cho người sử dụng dễ dàng điều khiển và giám sát hoạt động của trạm bơm
nước khu Resort từ tủ điện thực tế hoặc qua màng hình HMI. Giúp giảm thiểu chi phí
về vật tư của hệ thống khi sử dụng cách truyền thông Modbus RTU. Qua đó nguồn nước
sẽ được sử dụng một cách hợp lý, góp phần tiết kiệm các nguồn năng lượng của tự nhiên.

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về sơ đồ bố trí trạm bơm, yêu cầu về điều khiển giám sát
các thông số và hoạt động của bơm theo yêu cầu thực tế của một khu Resort đặt
ra.
 NỘI DUNG 2: Lựa chọn thiết bị, làm tủ điện, thiết kế và thi cơng mơ hình và thi
công sơ đồ mạch động lực, sơ đồ mạch kết nối tín hiệu vào, ra với PLC S7-1200.
 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu về PLC s7-1200, biến tần Sinamics V20 của hãng siemens
và truyền thông giữa biến tần và PLC thơng qua Modbus RTU.
 NỘI DUNG 4: Tìm hiểu cách viết chương trình cho PLC và thiết kế giao diện cho
HMI.
 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.4.

GIỚI HẠN

 Nghiên cứu chi tiếc về PLC S7-1200 và tìm hiểu về cảm biến áp suất, phần mền
EB8000 để thiết kế cho HMI MT8070iH của weintek, phần mền TIA PORT V13
để viết chương trình cho PLC, cách truyền thông công nghiệp qua Modbus RTU.
 Thiết kế mơ hình trạm bơm được điều khiển bơm thơng qua giá trị áp suất.
 Đề tài này chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm trên mơ hình với các u cầu điều
khiển, giám sát hoạt động, thông số gần giống như trong thực tế.

1.5.

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, board truyền thông CB 1412,
biến tần Sinamic V20 của Siemens, màng hình HMI điều khiển, cảm biến áp suất,
máy bơm và lựa chọn đường ống
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn
Chương này nói về cách thiết kế và bố trí các thiết bị trong mơ hình cho phù
hợp với người giám sát và điều khiển. Tính tốn và thiết kế mạch động lực, bảng
điều khiển cho mô hình. Mơ tả cách thức hoạt động của dự án và sự liên kết giữa

các thiết bị với nhau.
 Chương 4: Thi Công
Dựa trên những cơ sở đã thiết kế và lựa chọn thiết bị ở chương 3, nhóm bắt
đầu thi cơng mơ hình từ các khâu cơ khí, lắp ráp thiết bị và kết nối các thiết bị với
nhau, kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị.
 Chương 5: Kết Quả
Chương này trình bày những gì đã làm được trong đề tài từ kiến thức về phần
cứng và phần mềm.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát triển
Chương này trình bày kết quả mà nhóm thực hiện được của đề tài, Có những
ưu và nhược điểm gì. Cuối cùng là đưa ra những hướng phát triển mới của đề tài
có thể thực thi được.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

2


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
2.1.1 Khái niệm
PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa
chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ
nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay. Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các
module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển. Tất cả các phần cứng
Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều
khiển, giảm được khơng gian và chí phí lắp đặt.
Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8, 16, và

32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog. Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến
có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200
cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm khơng gian. Thiết kế có thể mở rộng này
giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương
thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang
một bộ điều khiển lớn hơn. Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu
người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID
với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thơng số vịng
lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển q trình thơng dụng. Simatic S71200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức
Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC.
2.1.2 Phân loại
Việc phân loai S7-1200 dựa vào CPU mà nó trang bị.
Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C.
Thông thường S7-1200 được phân ra làm hai loại chính:
 Loại cấp điện 220VAC:
- Ngõ vào: kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (Từ 15VDC – 30VDC).
- Ngõ ra: Relay.
- Ưu điểm của loại này là dung ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở
nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng 0V, 24V, 220V …).
- Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng
không nhanh cho ứng dụng biến điệu đọ rộng xung, hoặc Output tốc độ
cao…
 Loại cấp điện áp 24VDC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (Từ 15VDC – 30VDC).
- Ngõ ra: Transistor.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor. Do đó có thể sử dụng ngõ ra này
để biên điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao.
Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử
dụng ở cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối cho những
ứng dụng có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải thông qua
một Relay 24VDC đệm.

Bảng 2.1: Các đặc điểm cở bản của S7-1200.

Đặc trưng

CPU 1211C

Kích thước (mm)

90 x 100 x 75

CPU 1212C

CPU 1214C
110 x 100 x 75

Bộ nhớ người dung:
 Bộ nhớ làm
việc:
 25 Kbytes.
 50 Kbytes.

 Bộ nhớ tải:
 1 Mbytes.
 2 Mbytes.
 Bộ nhớ sự kiện:
 2 Kbytes.
 2 Kbytes.
Phân vùng I/O:
 Digital I/O
 6 inputs / 4  8 inputs /
 14 intputs / 10
outputs.
6 outputs.
outputs.
 Analog I
 2 inputs.
 2 inputs.
 2 inputs.
Tốc độ xử lý
1024 bytes (inputs) và 1024 bytes (outputs).
Modul mở rộng

Khơng

2

Mạch tín hiệu

8
1

Modul giao tiếp

3 (left-size expansion ).

Bộ đếm tốc độ cao
 Trạng thái đơn:

3
3 – 100Khz

 Trang thái đôi:

3 – 80Khz

Mạch ngõ ra
Thẻ nhớ
Thời gian lưu trữ khi
mất điện
PROFINET
Tốc độ thực thi phép
toán số thực
Tốc độ thi hành

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

4
3 - 100Khz
1 – 30Khz
3 – 80Khz
1 – 20Khz

6
3 - 100Khz
3 – 30Khz
3 – 80Khz
3 – 20Khz

2
Thẻ nhớ Simatic(tùy chọn).
240h.
1 cổng giao tiếp Ethernet.
18us.
0,1us.

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3 Hình dạng bên ngồi (CPU 1214C)

Hình 2.1: Hình dạng bên ngồi của S7-1200(CPU 1214C)

 1: Bộ phận kết nối nguồn.
 2: Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thế tháo được (Phía sau các năp
khe).
 3: Led báo trạng thái I/O tích hợp.
 4: Led báo nguồn và cảnh báo lỗi.
 5: Bộ phận kết nối cổng mạng.
 6: Bộ phận kết nối module mở rộng.
CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 module

tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM).
Các đèn báo trên CPU 1212C:






ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã
xảy ra lỗi.
STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã
nạp vào bộ nhớ.
MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay
không.
LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành cơng.
Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền.

Đèn cổng ngõ ra

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Ix.x. đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc.
 Qx.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
2.1.4 Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ
xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập:
 Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch
các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được
lưu trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động
đến các thiết bị xuất.
 Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết
cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.
 Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển
dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
 Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các
thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có
thể từ các cơng tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của
bộ khởi động động cơ, các van solenoid…
 Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay
bằng máy vi tính.

Bộ nhớ

Sensor
SW

Input

CPU

Output

Thiết
bị

điều
khiển

Nguồn
Cơng suất

Hình 2.2. Cấu trúc bên trong

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.5 Cách đấu dây
Ở đây chúng ta chọn CPU 1214C để trình bày đấu dây tiêu biểu:
Chúng ta cung cấp nguồn 24VDC cho PLC và các thơng số điện áp được thể hiện
ở hình 2.3

Hình 2.3. Sơ đồ đấu dây S7-1200 / CPU 1214C

Nguồn cung cấp là 24VDC. Điện áp có thể thay đổi trong khoảng 20.4V - 28.8V.
Ở 28.8V dòng điện tiêu thụ là 12A.
Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC. Các ngõ ra của
PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC. Ngõ ra ở mức 1 khi cơng tắc đóng
hay điện áp =>15VDC. Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1” xuống “0” tối
thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được.
Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC. Tùy theo yêu cầu
thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó.
2.1.6 Module mở rộng

Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín
hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng. Ngồi ra bạn cũng có thể cài đặt thêm 3 module
giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông.
 1 : Module giao tiếp (CM).
 2 : PLC.
 3 : Board tín hiệu (SB).
 4 : Module tín hiệu (SM).

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4. Các module mở rộng

Bảng 2.2: Thông số các module
Module

Ngõ vào

Ngõ ra

8 x DC

8 x DC
8 x Relay

Module tín

Digital

hiệu (SM)

Ngõ vào / ra
8 x DC / 8 x DC
16 x DC / 8 x
Relay
16 x DC / 16 x

16 x DC

16 x DC

DC

16 x Relay

16 x DC / 16 x
Relay

Analog
Board
tín hiệu (SB)

4x Analog

2 x Analog

Digital

-

-

Analog

-

1 x Analog

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

4 x Analog / 2 x
Analog
2 x DC / 2 x DC
-

8