Thiết kế hệ thống điều khiển lưu vị trí, góc quay của động cơ bước bằng PLC S71200 có chương trình

TRƯỜNG ĐAI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN VĂN ĐỘ
Sinh viên: NGUYỄN VĂN TUẤN
MSSV:1405190516
Lớp DHTDHCK14A2

Nghệ An, năm 2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KỸ THUẬT VINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN
NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
1. Tên đề tài:
Thiết kế mơ hình điều khiển giám sát động cơ bước sử dụng PLC S7-1200
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Động cơ bước

- Drive điều khiển động cơ bước
- Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 (Siemens)
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
- Giới thiệu tổng quan về đề tài
- Tìm hiểu bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 và phần mềm SCADA
- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển động cơ bước
- Xây dựng mơ hình (Đặc tính, thơng số của các thiết bị sử dụng trong mơ hình)
- Lập trình điều khiển và giám sát cho mơ hình
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
- Bản vẽ nguyên lý của mô hình
- Sơ đồ kết nối
5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
Ths: Nguyễn Văn Độ
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:............................................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án: ...............................................................................................
Ngày …… tháng …… năm ……
Trưởng bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

( Ký, ghi rõ họ, tên)

( Ký, ghi rõ họ, tên)

1


PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài.
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………….
2. Đánh giá chất lượng của đề tài. (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ
Đ.T.T.N trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản
vẽ ...)
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………….
3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn:
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày … tháng … năm 2022
Cán bộ hướng dẫn chính
(Họ tên và chữ kí)

2


Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế mơ hình điều khiển và giám sát động
cơ bước sử dụng PLC S7-1200” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy Ths.
Nguyễn Văn Độ. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Vinh, ngày … tháng … năm 2022
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Tuấn

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề:
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành
đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. các
loại động cơ bước được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều
khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển robot,
điều khiển lập trình trong các thiết bị gia cơng, điều khiển máy dập giấy decal, … vv, …
Và cũng trong điều khiển chính xác người ta cần những động cơ có thể đạt được độ chính
xác cao theo đúng u cầu cả về lực và tốc độ. Động cơ bước là một trong những sự lựa
chọn tốt để đáp ứng được những yêu cầu trên với khả năng chuyển động chính xác đến
từng bước thậm chí là vi bước. Đặc biệt việc điều khiển motor bước được ứng dụng phổ
biến trong xí nghiệp, nhà máy phục vụ trong cơng việc sản xuất hiện nay.
Bên cạnh đó việc phát triển các phần mềm ứng dụng cũng ngày một cao hơn, đặc
biệt với WinCC ( Windows Control Center), đây là phần mềm tích hợp giao diện người
và máy HMI (Integrated Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm
điều khiển với q trình tự động hóa, là phần mềm ứng dụng để giám sát, điều khiển và
thu thập dữ liệu của một hệ thống tự động hóa q trình sản xuất.Với WinCC, người sử
dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của q trình tự
động hóa một cách dễ dàng.
Việc sử dụng những bộ điều khiển lập trình PLC riêng lẻ khơng đáp ứng yêu cầu
điều khiển của một hệ thống Scada, cần phải kết hợp thêm các bộ hiển thị HMI (Human
Machine Interface) giao diện người và máy.
Phần mềm này có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác
nhau như Siemens, Mítubishi, Allen Bradley,v.v…,nhưng nó đặc biệt truyền thơng rất tốt
với PLC của hãng Siemens. Trong lãnh vực tự động hóa trong cơng nghiệp, WinCC là
một trong những phần mềm HMI chuyên dùng của hãng Siemens để quản lý thu thập dữ
liệu và điều khiển q trình cơng nghiệp, chương trình dùng để điều hành các nhiệm vụ

của màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hóa sản xuất.
WinCC được cài đặt trên máy tính và giao tiếp vơí PLC thông qua cổng COM1 hoặc
COM2 (chuẩn RS- 232) của máy tính. Do đó, cần phải có một bộ chuyển đổi từ chuẩn
RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC. WinCC cịn có đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một
cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm người sử dụng, tạo nên giao diện
người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp có thể phát

4


triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng
hệ thống.
Đối với S7-1200 thì việc kết nối với WinCC một cách dễ dàng nhờ sự tích hợp sẵn
cổng truyền thơng Profinet. Phần mềm lập trình cho PLC và phần mềm điều khiển giám
sát WINCC được tích hợp sẵn trong gói phần mềm TIA Portral. Đây cũng là phần mà đề
tài đề cập đến.
Đề tài mà tơi thực hiện là một ví dụ thực tiển: Mơ hình điều khiển và giám sát
động cơ bước sử dụng PLC S7-1200. Nội dung đề tài bao gồm các vấn đề sau:

Tìm hiểu về S7-1200 (CPU 1215C; DC/DC/DC) để lập trình.

Tìm hiểu về WinCC Professional tích hợp trong TIA Portral.

Thiết kế được mơ hình giám sát và điều khiển động cơ bước dùng PLC
S7-1200 để thực hiện quay động cơ bước theo một góc định sẵn và có sự
giám sát của máy tính.

5

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
Trong hệ thống tự động và trong máy tính điện tử ngày càng sử dụng rộng rải hệ
thống truyền động rời rạc. Các hệ thống truyền động rời rạc này thực hiện nhờ loại động
cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước. Động cơ bước thường là động cơ đồng bộ
dùng phổ biến các tín hiệu điều khiển dươí dạng các xung điện áp thành các chuyển động
góc quay hoặc chuyển động của rotor và có khả năng cố định rotor vào những vị trí cấn
thiết. Động cơ bước làm việc được nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, để đưa tín hiệu điều
khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay
của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển và tần số chuyển đổi.
2.1 Phân loại và cấu tạo
Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loại:
 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu.
 Động cơ bước biến trở từ
 Động cơ bước lai
Động cơ bước nam châm vĩnh cữu cơ bản gồm 3 lọai:
 Động cơ bước đơn cực
 Động cơ bước lưỡng cực
 Động cơ bước nhiều pha
2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
2.2.1 Động cơ bước đơn cực:

Hình 2.1:Động cơ bước đơn cực
STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa
cuộn, vì vậy thơng thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra, STEP loại
này được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn
lại lần lượt được nối mass .

6

Hình 2.2:Sơ đồ đấu dây động cơ bước đơn cực
Động cơ bước đơn cực gồm có 5 ngõ ra :trong đó có 4 đầu dây coil dùng để điều khiển
cịn đầu dây common dùng để nối nguồn cung cấp. Kí hiệu các màu dây theo quy định
như hình dưới:

Hình 2.3:Kí hiệu màu dây
Động cơ bước đơn cực có 6 ngõ ra: trong đó có 4 đầu dây coil dùng để điều khiển ,
2 đầu dây cịn lại chính là dây common được tách ra làm 2,khi dùng phải nối cả 2 với
nguồn cung cấp. Hai dây common này có cùng màu.
2.2.2 Động cơ bước lưỡng cực:

Hình 2.4: Động cơ bước lưỡng cực
Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn giản hơn nhưng
khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dịng điện qua cuộn dây a,b.
2.2.3 Động cơ bước nhiều pha:

7


Hình 2.5:Động cơ bước nhiều pha
Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thơng dụng hơn đó là động cơ bước có tât
cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vịng kín và giữa mỗi cặp dây có một
điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực. Kiểu thông dụng nhất là kiểu 3
pha và 5 pha.
2.3 Động cơ bước lai:

Hình 2.6:Động cơ bước lai
STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnh cửu.

Roto cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ thơng thay đổi, chứa lõi từ
hóa trịn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Răng của rotor tạo đường dẫn giúp định
hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ khơng khí. STEP lai được lái giống như STEP
đơn cực và lưỡng cực.
2.4 Động cơ biến từ trở:

8


Hình 2.7: Động cơ biến từ trở
Thơng thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung được nối
với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thơng với đất để quay rotor.
Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn trên hai
cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ quay cực gần nhất
(X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ
quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ như vậy điều khiển quay rotor.
2.5 Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước:
 Động cơ bước hoạt động dựa trên việc cấp xung ,nó khơng có bộ chuyển mạch bên
trong nên tất cả mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bằng bộ điều khiển.
 Tại mỗi thời điểm sẽ chỉ có một hay hai cuộn dây có điện(tùy vào phương pháp
điều khiển là đầy bước hay nửa bước).Khi trạng thái cấp xung thay đổi thì sẽ sinh ra
moment xoắn và sẽ làm cho roto quay.
 Điều khiển chiều quay động cơ :thay đổi thứ tự cấp xung ,giả sử động cơ đang ở
bước thứ 8 ta cấp xung cho bước thứ 7 thì lúc đó nó sẽ quay ngược lại.
 Điều khiển tốc độ:thay đổi độ rộng xung và tần số xung .

Trong đó :
V: vận tốc trung bình của động cơ bước. (vòng/giây)
n: số lần dịch bước.
t: thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước. (giây)

: góc bước của động cơ (độ)
f : tần số dịch bước.
2.6 Các phương pháp điều khiển động cơ bước.
 Điều khiển đủ bước
 Điều khiển nửa bước
 Điều khiển vi bước
2.6.1 Điều khiển đủ bước:
a. Một pha:
Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 mấu được cấp điện.
Bảng 2.1:Thứ tự phát xung một pha

9


Tại mỗi thời điểm sẽ có 2 mấu được cấp điện.
b. Hai pha
Bảng 2.1:Thứ tự phát xung hai pha

2.6.2 Điều
khiển nửa bước:
Khi khơng có phần nào của mạch từ bão hịa, thì việc cấp điện đồng thời cho hai
mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của các moment xoắn đối
với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn
hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau,
đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của đường cong gốc, như ở hình
dưới

Đấy là cơ bản của điều khiển nửa bước. Moment xoắn giữ là đỉnh của đường cong
10

moment xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dịng lớn nhất đi qua. Đối với động cơ nam
châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, moment xoắn giữ hai mấu sẽ là:
h2 = (2^0.5) h1
Trong đó:
h1 – moment xoắn giữ trên một mấu
h2 – moment xoắn giữ hai mấu
Điều này cho thấy rằng khơng có phần nào trong mạch từ bão hồ và moment xoắn
theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng.
Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở đều chỉ ra
moment xoắn giữ hai mấu mà khơng có đưa ra moment xoắn giữ trên một mấu.
Nếu bất kỳ phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hoà, hai đường cong
moment xoắn sẽ khơng thể cộng tuyến tính với nhau. Kết quả là moment tổng hợp có
thể khơng nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân bằng ban đầu.
2.6.3 Điều khiển vi bước:
Cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác nhau qua hai mấu động
cơ, như hình vẽ dưới:

Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng các
mạch từ khơng bão hồ và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu theo vị trí là một
hình sin hồn hảo, cơng thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt của đường cong
moment xoắn tổng hợp:
h = ( a2 + b2 )0.5
x = ( S / ( /2) ) arctan( b / a )
Trong đó:
a – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians
b – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radians
h – moment xoắn giữ tổng hợp
x - vị trí cân bằng tính theo radians
S – góc bước, tính theo radians.

11


Khi khơng có bão hồ, các moment xoắn a và b tỉ lệ với dòng đi qua các mấu tương
ứng. Điều này rất thông dụng khi làm việc với các dịng và moment xoắn bình thường,
để moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận trong một mấu động
cơ là 1.0.

CHƯƠNG 3
BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
GIÁM SÁT WINCC PROFESSIONAL
3.1. Giới thiệu về PLC S7-1200.
3.1.1. Khái niệm plc s7-1200.
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 S71200 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 hực, 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
S7-1200 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.
3.1.2. Đặc điểm của 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 dịng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm sốt 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 hồn 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).
12


- 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 thong 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 ngơn
ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11
của Siemens.
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm
cả mơi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
3.1.3. Phân loại
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thơng
dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1215C Thông thường S7-200 được phân ra làm 2
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 dùng ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở
nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 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 độ 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
- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor. Do đó có thể sử dụng ngõ ra này
để biến 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 một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng
có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC
đệm.
Bảng 3.1: Các đặc điểm cơ bản của s7-1200.
Đặc trưng
Kích thước (mm)
Bộ nhớ người dùng

CPU 1211C
CPU 1212C
90 x 100 x 75
13

CPU 1215C
110 x 100 x 75


Bộ nhớ làm việc
Bộ nhớ tải

Bộ nhớ sự kiện
Phân vùng I/O
Digital I/O
Analog I
Tốc độ xử lý ảnh
Modul mở rộng
Mạch tín hiệu
Modul giao tiếp
Bộ đếm tốc độ cao
Trạng thái đơn
Trạng thái đôi
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

25 Kbytes
1 Mbytes
2 Kbytes
6 Inputs/4 Outputs 8 Inputs/6 Outputs
2 inputs
2 inputs

50 Kbytes
2 Mbytes
2 Kbytes

14 Inputs/10
Outputs
2 inputs
And 1024 bytes (outputs)

1024 bytes
(inputs)
None
2
1
3(left – side expansion)
3
4
3 – 100 kHz
3 – 100 kHz
1 – 30 kHz
3 – 80 kHz
3 – 80 kHz
1 – 20 kHz
2
Thẻ nhớ simatic (tùy chọn)
240 h

8
6
3 – 100 kHz
3 – 30 kHz
3 – 80 kHz
3 – 20 kHz

1 cổng giao tiếp ethernet
18 us
1.1 Us

3.1.4. Hình dạng bên ngồi (CPU 1215C)

Hình
3.1: Hình dạng bên ngồi của S7 – 1200 (CPU 1215C)
Bảng 3.2: Thơng số kỹ thuật của S7-1200 CPU 1215C.
Nguồn cấp

20.4 – 28.8 VDC; 85

14

264 VAC (47

63 Hz)


Số lượng ngõ vào/ra
Ngõ vào
Ngõ ra
Bộ nhớ người dung
Thẻ nhớ chương trình
Thời gian lưu trữ
PROFINET
Cấp bảo vệ

DI 14x24V DC, DQ 10x24V DC hoặc 10xRLY, Al 2x10 bit 010VDC

14 đầu (điện áp định mức ngõ vào 24V DC)
10 transistor, Al 2x10 bit 0-10VDC hoặc 10 relay, Al 2x10 bit 010VDC
50Kb
SIMATIC (tùy chọn từ 2MB đến 24MB)
Thơng thường 10 ngày/ ít nhất 6 ngày tại 400C
1 cổng truyền thong Etherne
IP 20

 Các đèn báo trên CPU 1215C:
- STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạp vào
bộ nhớ.
- ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy
ra lỗi.
- 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 vào ra:
- 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.
3.1.5. Cấu trúc bên trong PLC S7-1200
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.

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của PLC S7-1200.

15

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây S7 -1200 / CPU 1215C.
Điện áp có thể thay đổi trong khoảng từ 85V÷264V AC. Ở 264V dòng điện tiêu
thụ là 20A.
Nguồn cung cấp là 24VDC. Điện áp có thể thay đổi trong khoảng 20.4V÷28.8V. Ở
28.8V dịng 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 vào 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.
3.1.6. Module mở rộng

Hình 3.4: Hình dạng bên ngoai của các module mở rộng.
1) Communicotion module (CM).
2) CPU.
3) Signal module 1 (SM).
16


4) Signal module 2 (SM).
5) Signal board (SB).
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 thơng.
Bảng 3.3: Thơng số các module:
module
Module tín
hiệu (SM)

Ngõ vào
Digital

Ngõ ra
8 x DC
8 x Relay
16 x DC
16 x Relay

8 x DC
16 x DC

Board tín hiệu
(SB)

Analog

4 x Analog

2 x Analog

Digital

-

-

Ngõ vào/ra
8 x DC/8 x DC

16 x DC/8 x Relay
16 x DC/16 x DC
16 x DC/16 x Relay
4 x Analog/2 x
Analog
2 x DC/2 x DC

Analog
1 x Analog
Module giao tiếp (CM)
RS485
RS232
3.1.7. Phương pháp lập trình điều khiển
Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình,
cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình. Chương trình định
nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính.
Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển,
chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài. Ta thấy được ưu điểm của phương pháp
điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng. Do đó, phương pháp này
được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm dẻo…
Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

Hình 3.5: Phương pháp lập trình điều khiển.

3.1.8. Các ngơn ngữ lập trình của PLC S7-1200
17


3.1.8.1. Ngơn ngữ lập trình LAD (ladder Logic)

Hình 3.6: Ví dụ về chương trình LAD.
Chương trình LAD (hinh 2.6) bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng
với các kí hiệu cơng tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logic nằm ngang. Ở hình
bên, logic điều khiển được biểu diễn bằng hai công tắc thường hở, một công tắc thường
đóng và một ngõ ra relay logic.
Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sự kết
hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logic điều
khiển phức tạp. Điều cần thiết cho cơng việc thiết kế chương trình ladder là lập tài liệu
về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một
cách nhanh chóng và chính xác.
 Các qui ước của ngơn ngữ lập trình LAD:
- Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nối với
đường này.
- Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển.
- Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống. Nấc ở đỉnh thang được
đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ
hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần.
Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét.
- Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít một ngõ ra.
- Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng. Vì vậy, cơng tắc
thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở. Cơng tắc thường đóng được
trình bày ở trạng thái đóng.
- Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang. Có thể có một role đóng
một hoặc nhiều thiết bị.
- Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhà
sản xuất qui định
3.1.8.2. Ngôn ngữ lập trình FDB (Funtion Block Diagram)
Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ khơng tiếp điểm dùng
các cổng logic (thường dùng theo ký tự của EU).

18


Hình 3.7: Ví dụ về ngơn ngữ FDB.
Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp được thay thế bằng cổng AND,
các tiếp điểm ghép song song được thay thế bằng cổng OR, các tiếp điểm thường đóng
thì có cổng NOT. Phương pháp này thích hợp cho người dùng sử dụng kiến thức về điện
tử mà đặc biệt là mạch số.
3.2. Phần mềm lập trình SIMATIC TIA PORTAL STEP7 BASIC
3.2.1. Giới thiệu về phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic
TIA Portal là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ
thống tự động hóa và truyền động điện.
Ban Tự động hóa Cơng nghiệp của Siemens vừa giới thiệu phần mềm tự động hóa
đầu tiên trong cơng 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 hình, tích hợp các thiết bị
trong dải sản phẩm, tích hợp tự động hóa tồn diện (TIA) của Siemens. Ví dụ như phầm
mềm mới Simatic Step 7 V11 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC
V11 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 tồn vẹn cho ứng dụng. Ví dụ, tất cả
các thiết bị và mạng truyền thơng bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ.

Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đốn
lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng
chung cơ sở dữ liệu TIA Portal.
Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều
được lập trình, cấu hình trên TIA portal. Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong
19