Đồ án tìm hiểu về s7 300 và wincc ứng dụng điều khiển giám sát sản xuất nước tinh khiết

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHO
A CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐỒ ÁN 1

TÌM HIỂU VỀ S7-300 VÀ WINCC
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
SẢN XUẤT NƯỚC TINH KHIẾT

SVTH : Trịnh Việt Tuấn
Vũ Đình Tn
Nguyễn Đình Tú
Trương Minh Trị

MSSV
MSSV
MSSV
MSSV

GVHD:Phan Minh Thân

TP. HỒ CHÍ MINH 07-2010

07704741
07711481
07706061
07708941

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay , khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cộng với sự
phát triển của các ngành cơng nghiệp .Do đó nhu cầu sản xuất ngày
càng tăng,tự động hóa cũng khơng ngừng phát triển để đáp ứng nhu
cầu đó.Ứng dụng cơng nghệ tự động vào sản xuất là xu hướng tất
yếu của nước ta.Hiện nay ,hàng loạt các nhà cung cấp công nghệ đã
và đang phát triển nhiều thiết bị ,chương trình giám sát .Tuy
nhiên ,phổ biến và hay được sử dụng nhiều là chương trình WinCC
kết hợp vói các PLC .
Trong phần Đồ Án này ,chúng tơi xin trình bày những hiểu biết
của mình về hai chương trình này.


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em đã nhận được sự
hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy Phan Minh Thân .Chúng em
xin chân thành cảm ơn thầy cùng tồn thể thầy cơ trong Khoa Điện.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn trong lớp
ĐHĐI3B đã đóng góp ý kiến và cung cấp một số tài liệu giúp đỡ
chúng tôi.
Dù đã cố gắng rất nhiều ,nhưng do đây là lần đầu tiên làm Đồ
Án cũng như trong q trình làm cịn có những thiếu sót .Nên nhóm
tơi rất mong nhận được sự góp ý của q thầy cơ và tồn thể các
bạn.


Nhận xét

(Của giáo viên hướng dẫn)
………………………………………………………

………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
……………………….........
TP.Hồ Chí Minh, Ngày Tháng Năm
Giáo Viên Hướng Dẫn


Nhận xét

(Của giáo viên phản biện)
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………

………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
………………………………………………………
……………………….........
TP.Hồ Chí Minh, Ngày Tháng Năm
Giáo Viên Phản Biện


MỤC LỤC
1.TÌM HIỂU VỀ S7-300.............................................................................................1
1.1 .Giới thiệu chung về PLC (Programmable Logic Control) : (bộ điều khiển logic
khả trình).....................................................................................................................1
1.1.2. Phân loại PLC:..................................................................................................4
1.1.3. Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng:..........................................................4
1.1.3.1. Máy tính:........................................................................................................4
1.1.3.2 .Vi xử lý:.........................................................................................................5
1.1.3.3. PLC................................................................................................................5
1.1.4 Ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC:.........................................5
1.1.5 Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC:...........................................................6
1.2. Hệ thống điều khiển PLC S7-300........................................................................6
1.2.1 Các tính năng của PLC S7-300:.........................................................................6
1.2.2 Các Module của S7-300:....................................................................................6

1.2.3 Cấu trúc bộ nhớ của CPU S7-300:...................................................................13
1.2.4 Các ngơn ngữ lập trình của S7-300:.................................................................15
1.2.4.1 Ngơn ngữ lập trình LAD...............................................................................15
1.2.4.2 Ngơn ngữ lập trình FBD...............................................................................16
1.2.4.3 Ngơn ngữ lập trình STL................................................................................16
1.2.4.4 Ngơn ngữ lập trình SCL................................................................................17
1.2.4.5 Ngơn ngữ lập trình S7-Graph:......................................................................18
1.2.4.6 Ngơn ngữ lập trình Hi-Graph:.......................................................................18
1.3. Cài đặt phần mềm S7-300 và chọn chế độ làm việc:.........................................19
1.3.1 Giới thiệu chung:.............................................................................................19
1.3.2 Cài đặt STEP7:.................................................................................................19
1.3.3 Đặt tham số làm việc:......................................................................................23
1.3.4 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển:........................................23
1.3.5 Soạn thảo một Project:.....................................................................................24
1.3.5.1 Khai báo và mở một Project mới:.................................................................24


1.3.5.2 Xây dựng cấu trúc phần cứng cho trạm PLC:...............................................26
1.3.5.2 Cấu trúc PROJECT STEP7:..........................................................................26
1.3.5.2 Viết chương trình điều khiển:.......................................................................26
1.3.5.3 Soạn thảo chương trình cho các khối Logic:................................................28
1.3.6 Nạp chương trình và giám sát việc thực hiện chương trình:............................32
1.3.6.1 Nạp chương trình soạn thảo từ PC xuống CPU:...........................................32
1.3.6.2 Xóa chương trình đã có trong CPU:.............................................................32
1.3.6.3 Giám sát việc thực hiện chương trình:..........................................................33
2.Dự án winCC.........................................................................................................33
2.1.1 Bước 1: Khởi động WinCC.............................................................................34
2.1.2 Bước 2:Tạo dự án (Project) mới...................................................................34
2.1.3 Bước 3: Cài đặt bộ điều khiển cho PLC.........................................................36
2.1.4 Tags và các nhóm Tag:....................................................................................39

2.1.4.2 Bước 4a: Tạo nhóm tag............................................................................40
2.1.5 Hiệu chỉnh hình ảnh q trình (Process Pictures)...........................................42
2.1.5.1 Bước 5.1 :Tạo hình ảnh quá trình:..............................................................42
2.1.5.2 Cửa sổ Graphics Designer:...........................................................................43
2.1.5.3 Hình ảnh quá trình........................................................................................45
2.1.5.4 Bước 5.2 : Tạo nút nhấn (button) :...............................................................45
2.1.5.5 Bước 5.3 : Định dạng hình ảnh q trình....................................................46
2.1.5.6 Bước 5.4 Kích hoạt chế độ hiển thị Fill Level :...........................................48
2.1.5.7 Bước 5.5: Tạo và thực thi vùng xuất/nhập dữ liệu:.....................................51
2.1.6 Bước 6: Thiết lập thuộc tính chạy thực (Runtime).........................................53
2.1.7 Bước 7: Kích hoạt Project...............................................................................54
2.1.8 Bước 8: Dùng bộ mô phỏng (Simulator)........................................................55
2.2 Hiển thị các giá trị của quá trình........................................................................56
2.2.1 Bước 1: Mở Tag Loging.................................................................................56
2.2.2 Bước 2: Cấu hình bộ định thời (timer).............................................................57
2.2.3 Bước 3: Tạo vùng lưu trữ ( Archive):.............................................................58
2.2.4 Bước 4: Tạo Trend Window..........................................................................60
2.2.5 Bước 5: Tạo cửa sổ bảng biểu ( Table)............................................................62


2.2.6 Bước 6: Thiết lập thuộc tính chạy thực :.........................................................65
2.2.7 Kích hoạt Project :...........................................................................................65
3.1. Ứng Dụng điều khiển lập trình Lader với S7-300............................................67
3.1.1 Chương trình của “Day Chuyen San Xuat Nuoc Tinh Khiet”.........................77
3.1.2 Giải thích chương trình:...................................................................................80
3.1.3 Mơ Phỏng Chương Trình S7-300....................................................................81
3.2 Các bước thực hiện trên WinCC......................................................................86
3.2.1 Khởi động chương trình và tạo biến................................................................86
3.2.2 Tạo màn hình biểu diễn....................................................................................93
3.2.3 Đặt điều kiện cho Runtime hoạt động...........................................................101

3.3.3.1 Hiển thị các giá trị xử lý............................................................................105
3.3.3.2 Tạo một Trend Window trong Graphic Designer.......................................110
3.3.3.3 Tạo một Table Window trong Graphic Designer.......................................116
3.3.4 Cấu trúc Alarm logging.................................................................................123
3.3.4.2 Cài đặt thông báo màu .............................................................................130
3.3.4.3 Chèn cửa sổ bản tin vào trong bức ảnh.......................................................130


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

1.TÌM HIỂU VỀ S7-300
1.1 .Giới thiệu chung về PLC (Programmable Logic Control) : (bộ điều khiển
logic khả trình).
Hình thành từ nhóm các kỹ sư của hãng General Motors năm 1968 với ý
tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ hiểu.
- Dễ dàng sửa chữa thay thế.
- Ổn định trong môi trường công nghiệp.
- Giá co cạnh tranh.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) (hình 1.1) là loại thiết bị cho phép
thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình,
thay cho việc thể hiện thuật toán bằng mạch số.

Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều
khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi
trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Tồn bộ chương trình
điều khiển được lưu trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB,
FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét.

Để thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính
năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành,
bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với
đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó,
nhằm phục vụ bài tốn điều khiển số, PLC cịn cần phải có thêm các khối chức năng
Trang 1


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer)…và những khối chuyên
dụng. (như hình bên dưới ta có sơ đồ cấu tao của 1 PLC đơn giản) .

Trang 2


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC:

Trang 3


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Hình 1.4: Hệ thống điều khiển dùng PLC
1.1.2. Phân loại PLC:
PLC được phân loại theo 2 cách:
 Hãng sản xuất: gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi,
Alenbratlay…
 Version: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo…
PLC misubishi có các họ: Fx, Fx0, FxON…
1.1.3. Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng:
1.1.3.1. Máy tính:
 Dùng trong những chương trình phức tạp địi hỏi độ chính xác cao.
 Có giao diện thân thiện.

Trang 4


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

 Tốc độ xử lý cao.
 Có thể lưu trữ với dung lượng lớn.
1.1.3.2 .Vi xử lý:
 Dùng trong những chương trình có độ phức tạp khơng cao (vì chỉ xử lý 8
bit).
 Giao diện khơng thân thiện với người sử dụng.
 Tốc độ tính tốn khơng cao.
 Khơng lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít.
1.1.3.3. PLC
 Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao.

 Giao diện không thân thiện với người sử dụng.
 Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít.
 Mơi trường làm việc khắc nghiệt.
1.1.4 Ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC:
Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã thay đổi hẳn hệ thống điều khiển
cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ thống điều khiển dùng PLC có nhiều
ưu điểm sau:
 Giảm 80% số lượng dây nối.
 Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.
 Có chức năng tự chuẩn đốn do đó giúp cho cơng tác sửa chữa được
nhanh chóng và dễ dàng.
 Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy
tính, màn hình) mà khơng cần thay đổi phần cứng nếu khơng có u cầu thêm bớt
các thiết bị xuất nhập.
 Số lượng Relay và Timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển.
 Số lượng tiếp điểm trong chương trình khơng hạn chế.
 Thời gian hồn thành một chun trình điều khiển rất nhanh (vài ms) do
đó tăng cao tốc độ sản xuất.
 Chi phí lắp đặt thấp.
 Độ tin cậy cao.

Trang 5


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

 Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút thuận tiện
cho quá trình bảo trì và sửa chữa hệ thống.

1.1.5 Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC:
Từ các ưu điểm trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực khác nhau trong công nghiệp: các máy móc cơng nghiệp (hệ thống nâng vận
chuyển, dây chuyền đóng gói, các Robot lắp ráp sản xuất…), máy nơng nghiệp
(trạm bơm…), thiết bị y tế…
1.2. Hệ thống điều khiển PLC S7-300.
1.2.1 Các tính năng của PLC S7-300:
 Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong
phạm vi trung bình.
 Có nhiều loại CPU.
 Có nhiều Module mở rộng.
 Có thể mở rộng tới 32 Modules
 Các Bus nối tích hợp phía sau các Module.
 Có thể nối mạng Multipoint Interface (MPI), Profibus hoặc Industrial
Ethernet.
 Thiết bị lập trình trung tâm có thể kết nối đến các Module.
 Không hạn chế rãnh.
 Cài đặt thông số và cấu hình với cơng cụ trợ giúp “HW-config”.
1.2.2 Các Module của S7-300:

Trang 6


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

 Module CPU:
Module CPU là Module chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ định thì,
bộ đếm, cổng truyền thơng (RS 485)…và có thể cịn có một vài cổng vào/ra số.

Các cổng vào/ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ra onboard như
CPU 314IFM.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung
chúng được đặt tên theo bộ xử lý có trong nó như module CPU312, module
CPU314, module CPU315…
Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện
của hệ điều hành phục vụ, việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ phân biệt
với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function
Module). Ví dụ module CPU 313IFM, module CPU 314IFM…
Ngồi ra, cịn có loại module CPU với hai cổng truyền thơng, trong đó cổng
truyền thơng thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán như
mạng PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ
hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài đặt sẵn trong hệ
điều hành. Các loại module CPU này được phân biệt với các loại module CPU khác
bằng cách thêm vào 1cụm từ DP (Distributed Port). Ví dụ như module CPU3152DP. Tham khảo hình dưới đây:

Trang 7


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Các loại module mở rộng:
 PS (Power Supply): module nguồn ni gồm có 3 loại: 2A, 5A và
10A.
 SM (Signal Module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra gồm:
 DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số với số
lượng cổng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy từng loại module. Gồm 24VDC và 124/230

VAC.
 DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số với số
lượng cổng có thể là 8,16 hoặc 32 tùy từng loại module. Gồm 24VDC và ngắt điện
từ.
 DI/DO (Digital Input/Digital Output): module mở rộng các
cổng vào/ra số với số lượng cổng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy từng
loại mdule.
 AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào tương tự.
Chúng là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương
tự được chuyển đổi thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits. Số các cổng
vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy từng loại module. Tín hiệu vào có thể là áp,
dòng, điện trở.
 AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra tương tự.
Chúng là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits (DA). Số các cổng ra tương tự có
thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module. Tín hiệu ra có thể là áp hoặc dịng.
 AI/AO (Analog Input/Analog Output): module mở rộng các
cổng vào/ra tương tự. Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy
theo từng loại module.
 IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên
dụng có tác dụng nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối
và được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module mở rộng
được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack (hình 2.3). Trên mỗi thanh rack
chi có thể gá tối đa 8 module mở rộng (không kể module CPU, nguồn ni). Một
module CPU S7-300 có thể làm việc với nhiều nhất 4 racks và các rack nay phải
được nối với nhau bằng module IM (hình 2.4):
Trang 8


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Trang 9


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

 FM (Function Module): module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ
như module điều khiển động cơ servo, module điều khiển động cơ bước, module
PID, module điều khiển vịng kín, module đếm, định vị, điều khiển hồi tiếp…
 CP (Communication Module): module phục vụ truyền thông trong
mạng (MPI, profibus, Industrial Ethernet) giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC
với máy tính.
Hình sau là cấu hình đầy đủ của một thanh Rack và sơ đồ kết nối nhiều
Rack:

Trang 10


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Hình 2.6: Cấu hình tổng quát của một PLC S7-300 với 4 thanh Rack nối tiếp với
nhau nhờ module IM và cáp nối 368
 Phụ kiện: Bus nối dữ liệu (Bus connector)
 Kiểm tra phần cứng.
Kiểm tra bằng cách nhìn LED ở bộ nguồn:

Trang 11


Đồ án 1

GVHD: Phan Minh Thân

Kiểm tra bằng cách nhìn LED ở CPU của S7-300:

o Trạng thái hiển thị LED:
- SF: lỗi nhóm, chương trình sai hay lỗi từ khối chuẩn đốn.
- BATF: lỗi pin, pin hết hay khơng có pin.
- DC5V: báo có 5V DC.
- FRCE: sáng lên khi có biến cưỡng bức tác động.
- RUN: sáng lên khi CPU khởi động, ổn định khi ở chế độ RUN.
- STOP: ổn định ở chế độ STOP
Chớp đậm khi có yêu cầu RESET bộ nhớ
Chớp nhanh khi đang RESET bộ nhớ.
o Chìa khóa cơng-tắc: Để đặt bằng tay các trạng thái hoạt động của CPU
- MRES: Reset bộ nhớ (Reset khối)
- STOP: trạng thái dừng STOP, chương trình khơng thực hiện
- RUN-P: trạng thái RUN, CPU thực hiện chương trình
- RUN: chương trình được thực hiện, tuy nhiên, chỉ đọc thơi khơng sửa được
chương trình.
Trang 12