Luận Văn Tốt Nghiệp "Mô hình giám sát và điều khiển động cơ bước" pps

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 1
TRƯỜNG …………………
KHOA………………………

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Mô hình giám sát và điều khiển động cơ bước

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 2
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3
1. Đặt vấn đề: 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5
1. Giới thiệu sơ lược về PLC S7-200 5
1.1 Giới thiệu tổng quát về họ PLC S7 5
4. Giới thiệu tổng quan về WINCC 30
4.1 Tạo một án mới trong WinCC 30
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC 51
1. Mạch điều khiển động cơ bước đơn sáu
dây: 51
CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG
PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 101
1. Kết luận 101

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
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 công, điều khiển máy dập giấy
decal, … v,…v, … Và cũng trong điều khiển chính xác người ta cần những động cơ
có thể đạt được độ chính xác cao theo đúng yêu 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 công 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 IHMI (Integrated Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết
hợp phần mềm điều khiển với quá 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 quá trình sản
xuất.Với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan
sát mọi hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng.
Việc sử dụng những bộ điều khiển lập trình PLC riêng lẻ không 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
thông rất tốt với PLC của hãng Siemens.Trong lãnh vực tự động hóa trong công
nghiệp, WinCC là một trong những phần mềm HMI chuyên dùng của hãng Siemens
để quản lý thu thập dữ liệu và điều khiển quá trình công 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 còn 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

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 4
ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp có thể phát triển ứng
dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ
thống.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏ
khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui mô
toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cao cấp như
MES(Manufacturing Excution System- Hệ thống quản lý việc thực hiện sản
xuất)và ERP(Enterprise Resource Planning).WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ
sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt trên toàn thế giới.
Đối với S7-300 thì việc kết nối với WinCC một cách dễ dàng nhờ sự tích hợp sẵn.
Trong khi thực tế các PLC S7-200 vẫn còn sử dụng nhiều mà WinCC thì không
tích hợp sẵn. Vì vậy việc kết nối giữa S7-200 và WinCC phải thông qua phần
mềm S7-200 PC Access để liên kết. Đây cũng là một phần được trình bày trong
bài luận văn này.
Đề tài mà tôi thực hiện là một ví dụ thực tiển: Mô hình giám sát và điều
khiển động cơ bước. Nội dung đề tài bao gồm các vấn đề sau:
• Tìm hiểu về S7-200 (CPU 226CN) để lập trình.
• Tìm hiểu về WinCC, PC Access.
• Thiết kế được mô hình giám sát và điều khiển động cơ bước dùng
PLC S7-200 để thực hiện cắt giấy theo một chiều dài định sẵn và có
sự giám sát của máy tính.
2. Giới hạn đề tài:
Với thời gian gần bảy tuần thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn
nên ở đề tài này chỉ làm: Tìm hiểu về các bộ điều khiển động cơ bước và sử dụng
S7-200 (CPU 226CN) để lập trình, tìm hiểu về PC Access, HMI và dùng WinCC
để giám sát mô hình cắt giấy tự động. Rất mong nhận được sự góp ý kiến quý thầy
cô và các bạn sinh viên để hoàn thiện hơn về về tài này.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
1. Giới thiệu sơ lược về PLC S7-200.
1.1 Giới thiệu tổng quát về họ PLC S7.
• Họ PLC S7 là một họ PLC mạnh, tốc độ xử lý cao, khả năng quản lý bộ
nhớ tốt, kết nối mạng công nghiệp.
• Hiện nay họ PLC S7 gốm có S7-200, S7-300, S7-400.
• Mỗi một thế hệ PLC lại có nhiều chủng loại CPU khác nhau.
• Đối với PLC S7, có thể thực hiện các phép toán lo6gic, đếm, định thời, các
thực toán phức tạp và thực hiện truyền thông với các thiết bị khác.
Một số thông số kỹ thuật của S7-200 CPU22X.

1.2 Cấu hình vào ra của S7-200 CPU226CN

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 6
1.3 Những khái niệm cơ sở của PLC S7-200
1.3.1 khái niệm vòng quét của PLC

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 7
a) Đọc dữ liệu đầu vào: Đọc các trạng thái vật lý ( Input ) vào bộ đệm ảo ( IR
– Input Register ).
b) Thực thi chương trình: CPU đọc dữ liệu từ IR, thực hiện chương trình
phần mềm, kết quả dược lưu lại ở các vùng nhớ thích hợp và bộ đệm ảo đầu
ra ( OR – Output Register ).

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 8
c) Xử lý các yêu cầu truyền thông ( Option ) : nếu có yêu cầu truyền thông
xử lý ngắt.
d) Tự chuẩn đoán lỗi: CPU kiểm tra lỗi của hệ điều hành trong Rom, các
vùng nhớ và các trạng thái làm việc của các module mở rộng.

e) Xuất kết quả ở đầu ra : CPU đọc kết quả từ OR, và xuất kết quả ra các
cổng vật lý.
Một số lưu ý :
• Đầu vào số :
+ Nếu không dùng tính năng I ( Immediately ) thì dữ liệu đầu vào
được cập nhật tại bộ đệm ảo.
+ Nếu dùng tính năng này, chương trình bỏ qua bộ đệm ảo.
• Đầu vào tương tự :
+ Nếu bỏ qua tính năng lọc tương tự, thì chương trình sẽ lấy trực tiếp
dữ liệu tại cổng vật lý.
+ Nếu dùng tính năng này, thì chương trình sẽ đọc các giá trị được lưu
lại.
Mô tả vòng quét :
+ Mỗi một vòng quét cơ bản của PLC mất từ 3ms – 10ms, tùy thuộc
vào số lượng cũng như kiểu lệnh viết trong chương trình.
1/Thời cập nhật bộ đệm đầuvào.
2/ Thời gian thực thi chương trình.
3/ Thời gian xuất kết quả ra cổng
vật lý.

1.3.2 Phân chia vùng nhớ trong S7-200 :

3
Thay đổi mức logic
đầu vào
Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 9
a. Vùng đệm ảo đầu vào ( I ; I0.0- I15.7 ):
• CPU sẽ truy cập các đầu vào vật lý tại đầu mỗi chu kỳ quét và ghi dữ liệu
vào bộ đệm ảo.
• Định dạng truy cập :

b. Vùng đệm ảo đầu ra ( Q ; Q0.0-Q15.7 ):
• Cuối mỗi chu kỳ quét, CPU S7-200 sẽ truy cập dữ liệu từ bộ đệm ảo xuất
ra các đầu ra vật lý.
• Định dạng truy cập :
c. Vùng nhớ thời gian ( T ; T0-T255):
• Vùng nhớ này dùng cho các bộ thời gian của S7-200. Đối với một bộ Timer
có hai hình thức truy cập vùng nhớ, truy cập theo Timer bit hoặc Current
Value.
• Định dạng truy cập :
• Tùy theo lệnh sử dụng trong chương trình mà cho phép ta truy cập theo
Timer bit hay Current value.
d. Vùng nhớ bộ đếm ( C ; C0-C255 ):
• Vùng nhớ này dùng cho các bộ đếm của S7-200. Đối với một bộ Counter
có hai hình thức truy cập vùng nhớ, truy cập theo Counter bit hoặc Current
Value.
• Định dạng truy cập :

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 10
• Tùy theo lệnh sử dụng trong chương trình mà cho phép ta truy cập theo
Counter bit hay Current Value.
e. Vùng nhớ đặc biệt ( SM ) :
• Vùng nhớ này cung cấp các bit truyền thông giữa CPU và chương trình.
Các bit này được dùng để lựa chọn và điều khiển một số chức năng đặc
biệt của CPU S7-200.
• Định dạng truy cập :
1.3.3 Truy cập dữ liệu gián tiếp thông qua con trỏ:
a. Con trỏ ( Pointer ) : là một ô nhớ có kích thước một từ kép ( double word )
chứa địa chỉ của một ô nhớ khác. Khi ta truy cập vào ô nhớ của con trỏ có nghĩa
ta đang đọc địa chỉ của ô nhớ mong muốn.
• Có 3 vùng nhớ trong S7-200 cho phép dùng làm con trỏ : V, L, AC1, AC2,

AC3.
• S7-200 cho phép dùng con trỏ để truy cập các địa chỉ nhớ sau: I, Q, V, M,
S, T ( current value ) , C ( current value ).
• S7-200 không cho phép dùng con trỏ để truy cập các địa chỉ nhớ AL, AQ,
HC, SM, L và địa chỉ dưới dạng bit.
• Khi sử dụng cách truy cập dữ liệu thông qua con trỏ, trong S7-200 sử dụng
2 ký tự & và *.
+ Ký tự &: Dùng để khởi tạo con trỏ.
- Ví dụ : MOVD & VB200, AC1.
- Chuyển địa chỉ VB200 ( không chuyển nội dung ) vào thanh ghi
AC1. Thanh ghi AC1 trở thành con trỏ.
+ Ký tự * : Dùng để truy cập nội dung ô nhớ có địa chỉ chứa trong con trỏ.
- Ví dụ : MOVB *AC1, VB200.
- Chuyển nội dung ô nhớ có địa chỉ lưu trong con trỏ AC1 vào ô nhớ
có địa chỉ VB200.
Ví dụ :

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 11
b. Lưu ý : Để thay đổi nội dung con trỏ :
• Sử dụng lệnh tăng +D ( Tăng từ kép, do con trỏ là một thanh ghi 32 bit).
• Nếu truy cập theo byte : Tăng nội dung con trỏ lên 1.
• Nếu truy cập theo word : Tăng nội dung con trỏ lên 2.
Nếu truy cập theo double word: Tăng nội dung con trỏ lên 4.
1.4 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình:
Trong S7-200 cho phép lựa chọn 3 ngôn ngữ lập trình :
• Ngôn ngữ LADDER ( LAD ).
• Ngôn ngữ STL.
• Ngôn ngữ FBD.
Ba ngôn ngữ này về mặt hình thức có thể chuyển đổi lẫn cho nhau. Việc lựa
chọn ngôn ngữ lập trình là tùy theo thói quen, sở thích cũng như kinh nghiệm của

người sử dụng.
1.4.1 Ngôn ngữ LADDER :
• Là ngôn ngữ lập trình đồ họa dựa trên cơ sở sơ đồ trang bị điện, việc kết
nối lập trình đồ họa giống với việc thiết lập các sơ đồ relay- contactor. Một
chương trình nguồn viết bằng LAD được tổ chức thành các network, mỗi
network thực hiện một công việc nhỏ.
• S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau đó lập lại
ở vòng quét tiếp theo.
Ví dụ ngôn ngữ LADDER:

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 12
1.4.2 Ngôn ngữ STL :
• Là ngôn ngữ lập trình dưới dạng Text gần giống với lập trình hợp ngữ trong
vi điều khiển và vi xử lý, là một ngôn ngữ mạnh cho phép tạo ra một
chương trình mà LAD và FBD rất khó tạo ra. Một chương trình viết dưới
dạng STL được tổ chức thành các network, mỗi network thực hiện một
công việc nhỏ.
• S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, sau đó lập lại ở vòng quét tiếp
theo.
Ví dụ ngôn ngữ STL:
1.4.3 Ngôn ngữ FBD :
• Là ngôn ngữ lập trình đồ họa dựa trên cơ sở kết nối các khối hàm, sử dụng
các ký hiệu logic giống với đại số boolean. Các hàm toán học phức tạp
cũng được thể hiện dưới dạng khối với các đầu vào đầu ra thích hợp.
• S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau đó lập lại
ở vòng quét tiếp theo.
Ví dụ ngôn ngữ FBD :

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 13
2. Giới thiệu về S7-200 PC ACCESS

S7-200 PC ACCESS được dùng trong luận văn này với mục đích kết nối
giữa S7-200 và Wincc, để làm được điều này ta cần tìm hiểu về cách cài đặt và sử
dụng của nó như thế nào .
2.1. Cài đặc S7-200 PC Access
Các bước thực hiện:
Trên thanh Taskbar, chọn All Programs > Run.
Hộp thoại Run xuất hiện, chọn nút Browse.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 14
Hộp thoại Browse xuất hiện, chọn đường dẫn đến chương trình cài đặt. Chọn file
Setup, rồi nhấp Open để mở.
Hộp thoại Run xuất hiện, nhấp OK.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 15
Hộp thoại Choose Setup Language xuất hiện, chọn ngôn ngữ English, rồi nhấp
OK.
Vệt sáng xuất hiện lan dần qua phải trên hộp thoại cho biết chương trìng đang cài
đặt.
Hộp thoại InstallShield Wizard xuất hiện, nhấp Next tiếp tục cài đặt.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 16
Hộp thoại kế tiếp xuất hiện, chọn Yes.
Hộp thoại hiển thị đường dẫn cài đặt chương trình. Nếu muốn thay đổi đường dẫn
chọn nút Browse. Ở đây ta giữ nguyên đường dẫn mặc định, Nhấp Next.
Vệt sáng xuất hiện lan dần từ trái sang phải cho biết quá trình cài đặt đang tiến
hành

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 17
Bảng SIMATIC Device Drivers Setup xuất hiện.
Sau khi các vệt sáng chạy xong, hộp thoại Set PG/PC Interface xuất hiện, nhấp

OK.
Hộp thoại InstallShield Wizard xuất hiện, nhấp Finish kết thúc quá trình cài đặt.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 18
2.2 Cách sử dụng S7-200 PC Access :
2.2.1 Tạo sự kết nối cho một PLC :
Trong S7-200 PC Access với trợ giúp OPC bao gồm 3 biến đối tượng :
- PLC
- Folder ( không cần thiết)
- Item
Khi tạo một dự án mới, việc kết nối PLC phải được làm trước với hai bước sau
a. Thiết lập cấu hình giao tiếp :
Khởi động S7-200 PC Access, tù thanh Taskbar chọn Start > Simatic > S7-200
PC Access.
Mở một dự án mới, chọn File > New, cửa sổ Unititled- S7-200 PC Access xuất
hiện.
Nhấp phải vào Microwin chọn PG/PC Interface

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 19
Cửa sổ Set PG/PC Interface xuất hiện .
Nhấp chọn PC/PPI cable(PPI), rồi chọn Properties, xuất hiện hộp thoại
Properties – PC/PPI cable.
Chọn địa chỉ và tốc độ truyền cho S7-200 PC Access , thông thường để mặc
định như trên, Ở mục Local connection chọn cổng COM cần kết nối với PLC.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 20
Sau đó nhấn Ok để chấp nhận.
b. Thiết lập cấu hình mới cho một PLC :
Trên cửa sổ làm việc của S7-200 PC Access, nhấp phải Microwin chọn New
PLC.

Cửa sổ PLC Properties xuất hiện, ở mục Name nhập vào tên PLC cần làm việc,
ở đây chọn tên PLC1.
Ở mục Netwok Address cần phải chọn con số phù hợp với địa chỉ cấu hình
của PLC trong dự án Step 7 –Micro/Win, thông thường đối với S7-200 thì mặc
định với số 2.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 21
2.2.2 Tạo mục Item :
Nhấp phải vào mục PLC1 chọn New, rồi chọn item.
Hộp thoại Item properties xuất hiện, ở mục Name nhập tên theo dự án đã tạo ở
S7-200, ở mục Address nhập địa chỉ vùng nhớ, ngõ vào ngõ ra phù hợp với dự
án mà ta đã thiết lập trên S7-200, sau đó nhấp ok để chấp nhận. Cụ thể sẽ được
trình bày ở chương 4.

Sau khi nhấn Ok ta được kết quả sau, tương tự ta tạo thêm nhiều Item khác.

Sau đó nhấp chuột chọn các item vừa tạo rồi kéo rê thả vào vùng Test Client .

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 22
2.2.3Chạy thử, kiểm tra :
Nhấp chọn Status > Start test Client.
Nếu thấy ở cột Qualty chuyển từ Bad sang Good là việc kết nối đã thành công.
3. Khái quát 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.

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 23
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.
3.1 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
3.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
3.2.1 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 thông 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 .

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 24
Động cơ bước đơn cực có 5 ngõ ra: trong đó có 4 đầu dây coil1÷coil4
dùng để điều khiển còn đầu dây common dùng để nối nguồn cung cấp. Kí hiệu
các màu dây theo qui đònh như hình dưới :

Động cơ bước đơn cực có 6 ngõ ra: trong đó có 4 đầu dây coil1÷coil4 dùng
để điều khiển, 2 đầu dây còn 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.
3.2.2 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 dòng điện qua cuộn dây a,b.
3.2.3 Động cơ bước nhiều pha:

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang: 25
Một loại động cơ bước nam châm vónh cửu ít thông dụng hơn đó là động cơ
bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng 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
3.3 Động cơ bước lai:
STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thơng 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 tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Răng của rotor tạo
đường dẫn giúp định hướng cho từ thơng ưu tiên vào trong lỗ khơng khí. STEP lai
được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng cực.
3.4 Động cơ biến từ trở: