Sử dụng mạng profibus xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng WinCC

Hữu Nguyên
LỜI NÓI ĐẦU
Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất
linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống sản xuất linh hoạt
(FMS) cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ
và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, các Rôbốt công
nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động, các đồ gá và các dụng cụ,
các hệ thống vận chuyển, tích trữ phôi với mục đích tối ưu hóa quá trình
công nghệ và quá trình sản xuất.
Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chế
tạo sản phẩm mới. Như vậy, nó rất thích hợp không chỉ cho sản xuất hàng
khối, hàng loại lớn mà còn cho sản xuất hàng loại vừa và hàng loại nhỏ,
thậm chí cả sản xuất đơn chiếc.
Tuy nhiên phân tích FMS trong điều kiện sản xuất đơn chiếc cho
thấy sự không ăn khớp giữa năng suất của FMS và phương pháp chuẩn bị
sản xuất bằng tay. Cũng do việc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tự
động hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuất kéo dài.
Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy
nhất với sự trợ giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất
lao động của các nhà thiết kế, các nhà công nghệ và các nhà tổ chức sản
xuất và do đó nâng cáo năng suất và chất lượng sản phẩm. Các hệ thống
sản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp
của máy tính.
Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS mới chỉ được bắt đầu tài liệu
về lĩnh vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có. Các hệ thống FMS và
mô hình mới chỉ được trang bị ở một số trường ĐH. Trong tương lai các
hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều các cơ sở đào tạo khác trên cả
nước. Song song với cơ sở hiện đại là việc rất cần có giáo trình giảng
dạy.
1
Hữu Nguyên

Với đề tài ‘‘Sử dụng mạng Profibus xây dựng hệ thống điều khiển
và giám sát ứng dụng WinCC” sử dụng bộ PLC S7-300 và PLC S7-200
của siemens liên hệ với nhau qua mạng truyền thông PROFIBUS mà em
trình bày trong đồ án tốt nghiệp này, em hy vọng sẽ đóng góp một phần
nhỏ bé vào quá trình tìm hiểu công nghệ sản xuất.
Trong quá trình làm đồ án còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệu
tham khảo cho vấn đề này đang rất ít và hạn hẹp, nhưng được sự hướng
dẫn của thầy Thái Hữu Nguyên và
toàn

thể

các thầy

cô

giáo

trong
khoa
Điện
đã hướng dẫn và

giúp

đỡ
em
trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp
.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng về thời gian và khả năng của em còn có hạn

nên không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến bổ
sung của các thầy, cô giáo.
Em xin chân thành cảm ơn !
2
Hữu Nguyên
CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
1.1 Trạm phân phối gia công
1.1.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm phân phối gia công
Trạm phân phôi vật gia công có chức năng lưu trữ và phân phối phôi
cho toàn bộ hệ thống. Phôi được chứa trong hộp đựng phôi và được đẩy
xuống băng tải nhờ Xi lanh đẩy phôi. Cảm biến quang điện sẽ phát hiện
sự có mặt của phôi trên băng tải và bật tín hiệu cho băng tải hoạt động, di
chuyển phôi đến cuối băng tải. Khi phôi đến cuối băng tải nhờ cảm biến
quang đặt trên băng tải phát hiện và sau một thời gian trễ thì tín hiệu gọi
cánh tay rôbốt hai bậc được bật lên. Cánh tay rôbốt sẽ ghắp phôi từ băng
tải trạm 1 đặt sang trạm kế tiếp để chuẩn bị cho các quá trình gia công
tiếp theo.
Hình 1.1: Trạm phân phối vật gia công.
1.1.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Mô hình băng tải : Di chuyển phôi.
3
Hữu Nguyên
• Cơ cấu cấp phôi : Cung cấp phôi xuống băng tải.
• Phôi với 3 loại khác nhau : Phôi nhựa với 2 màu trắng, đen và
phôi sắt. Ngoài ra, có một số phôi bị lỗi được đưa vào để phân biệt
với những phôi trên.
• Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống Băng tải khi có tín hiệu từ van
điện.
• Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu

cầu từ PLC.
• Cánh tay Robot : Cánh tay 2 bậc xoay và ghắp phôi sang trạm
tiếp theo
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm
biến, van điện.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222.
• Module mở rộng EM 223.
• Module truyền thông PROFIBUS EM 277.
• Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cơ cấu
cấp phôi va cuối băng tải.
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ
động cơ Băng tải.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo.
1.2 Trạm kiểm tra sản phẩm
1.2.1 Tìm hiểu về quy trình công nghệ trạm kiểm tra sản phẩm
Khi trạm cấp phôi hoàn thành công đoạn cấp phôi, trạm kiểm tra sản
phẩm có nhiệm vụ kiểm tra phôi bị lỗi hay không (dài quá hoặc ngắn quá
coi là phôi lỗi - phế phẩm) nhờ hai cảm biến từ đo độ cao của phôi. Bảng
chân lý để nhận biết phôi thành phẩm và phôi phế phẩm như sau:
4
Hữu Nguyên
Đặc điểm phôi Cảm biến từ 1 Cảm biến từ 2
Kết luận
Phôi ngắn 0 0
Phế phẩm ngắn
Phôi dài 1 1
Phế phẩm dài
Phôi vừa 1 0
Thành phẩm
Phế phẩm sẽ bị đẩy xuống thùng chứa phía dưới. Phôi không bị lỗi

sẽ được đẩy xuống băng tải. Trên băng tải lắp đặt ba loại cảm biến gồm:
Cảm biến quang điện phát hiện tất cả các loại phôi, cảm biến tiệm cận
phát hiện phôi có tính chất từ tính, cảm biến mầu sắc phát hiện những
phôi màu trắng. Bảng chân lý để nhận biết phôi như sau:
Đặc điểm phôi
Cảm biến
quang
Cảm biến tiệm
cận
Cảm biến màu
sắc
Phôi sắt 1 1 1
Phôi nhựa
trắng
1 0 1
Phôi nhựa đen 0 0 1
Khi phôi di chuyển qua các cảm biến, nhờ tín hiệu ba cảm biến này
sẽ xác định từng loại phôi và truyền tín hiệu sang trạm Gia công sản
phẩm để gia công theo yêu cầu công nghệ của từng loại phôi.
5
Hữu Nguyên
Hình 1.2: Trạm kiểm tra sản phẩm.
1.2.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Mô hình băng tải : Di chuyển phôi.
• Cơ cấu kiểm tra phôi : Nâng và hạ phôi lên xuống để kiểm tra
phôi có phải là thành phẩm hay phế phẩm.
• Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống băng tải hoặc thùng đựng phế
phẩm khi có tín hiệu từ van điện.
• Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu
từ PLC.

• Bộ nguồn 24 VDC : Cấp nguồn 24 VDC cho mạch điện tử, cảm
biến, van điện.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222.
• Module mở rộng EM 223.
• Module truyền thông PROFIBUS EM 277.
• Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở
cuối băng tải.
6
Hữu Nguyên
• Cảm biến từ : Giới hạn trên/dưới cho cơ cấu kiểm tra phôi và
phân biệt phôi có bị lỗi hay không.
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ
động cơ Băng tải.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo.
1.3 Trạm xử lý gia công phôi
1.3.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm xử lý gia công phôi
Trạm xử lý gia công nhận phôi từ trạm kiểm tra phôi. Phôi sau khi
được xác định không bị lỗi sẽ bắt đầu quá trình gia công ở trạm này theo
yêu cầu công nghệ của từng loại phôi theo bảng chân lý như sau:
Đặc điểm phôi
Khoan lỗ trên bề
mặt
Kiểm tra lỗ của phôi
Phôi sắt có có
Phôi nhựa trắng có có
Phôi nhựa đen có có
Mâm xoay sẽ xoay từng bước phù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từ
cảm biến và động cơ một chiều Hamonic. Động cơ khoan sẽ di chuyển
lên xuống nhờ cơ cấu xy lanh. Khi phôi dừng tại vị trí khoan, động cơ
khoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quá trình này thực hiện trong vài

giây sau đó động cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xy lanh đẩy lên. Tiếp
theo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh.
7
Hữu Nguyên
Hình 1.3: Trạm xử lý gia công phôi.
1.3.2 Kết cấu thiết bị bao gồm :
• Cơ cấu mâm xoay 6 vị trí : Di chuyển phôi lần lượt đến các vị
trí gia công.
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm
biến, động cơ khoan.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển
lập trình.
• Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số.
• Module EM 277 : truyền thông PROFIBUS – DP.
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ
động cơ Băng tải.
• Cảm biến tiệm cận : Phát hiện loại phôi có tính chất từ tính.
• Cảm biến màu : Phát hiện phôi có màu đen hoặc trắng.
• Cơ cấu khoan : Gia công phôi.
8
Hữu Nguyên
• Xy lanh khí : Giữ phôi để khoan dễ dàng.
• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo.
1.4 Trạm Rôbôt 5 bậc tự do Scara
1.4.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot 5 bậc tự do Scara
Hình 1.4: Trạm Robot 5 bậc tự do
Robot SCARA gồm 5 bậc tự do sử dụng cơ cấu truyền động động cơ
bước và cơ cấu gắp sản phẩm được điều khiển bằng khí nén. Robot được
lập trình và mô tả tọa độ trên phần mềm OpenGL. Robot sẽ gắp sản phẩm

từ trạm gia công phôi chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm.
1.4.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển
lập trình.
9
Hữu Nguyên
• Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số.
• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP.
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC
• Robot SCARA.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo.
• Phần mềm điều khiển Robot Scara
1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm
1.5.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lắp ráp sản phẩm
Phôi được chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm nhờ Robot SCARA.
Khi phôi được đưa đến đầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tín
hiệu về PLC S7 200 yêu cầu cơ cấu giữ sản phẩm thực hiện nguyên công
giữ. Khi sản phẩm được giữ chắc chắn, cơ cấu lắp ráp sản phẩm sẽ thực
hiện. Sau khí lắp ráp xong, cơ cấu kẹp vật nhả ra, sản phẩm chạy đến cuối
băng tải, sẵn sàng cho trạm tiếp theo
Hình 1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm
1.5.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
10
Hữu Nguyên
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm
biến.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222.
• Module mở rộng EM 223.
• Module truyền thông PROFIBUS EM 277.

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc
độ động cơ băng tải
• Cảm biến quang : Phát hiện sản phẩm đã có trên băng tải.
• Cơ cấu lắp ráp sản phẩm.
• Xy lanh khí : Giữ phôi để lắp ráp.
• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo.
1.6 Trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển sản phẩm
1.6.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot cánh tay khí nén di
chuyển vật
Sau khi sản phẩm được lắp ráp hoàn thiện ở trạm lắp ráp, một tín
hiệu sẽ được bật lên để gọi cánh tay khí nén hoạt động, chuyển động sang
trái về phía sản phẩm cần gắp. Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấu
khí nén hành trình được điều khiển chính xác tại vị trí của sản phẩm. Sau
khi kẹp được sản phẩm, tay khí nén di chuyển sang phải và đặt sản phẩm
cho trạm kế tiếp.
11
Hữu Nguyên
Hình 1.6 Cánh tay khí nén di chuyển vật
1.6.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van
điện.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển
lập trình.
• Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số.
• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP.
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện.
• Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm
• Cánh tay khí nén : Ghắp vật sang trạm tiếp theo.
• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh.

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo.
1.7 Trạm lưu kho sản phẩm
12
Hữu Nguyên
1.7.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lưu kho sản phẩm
Sản phẩm lắp ráp hoàn thiện được cánh tay khí nén gắp sang băng tải
của trạm lưu kho. Băng tải di chuyển sản phẩm đến cuối hành trình. Trên
băng tải có 3 loại cảm biến để phân loại sản phẩm : Cảm biến tiệm cận
phát hiện sản phẩm từ tính, cảm biến màu sắc phát hiện sản phẩm màu
trắng, cảm biến quang phát hiện sản phẩm màu đen. Tương ứng với mỗi
sản phẩm đó, sẽ có tín hiệu gọi Robot lưu kho và lưu vào các hàng tương
ứng 1, 2 hoặc 3.
Hình 1.7 trạm lưu kho sản phẩm
1.7.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van
điện, cảm biến, động cơ băng tải.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển
lập trình.
• Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số.
• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP.
13
Hữu Nguyên
• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện, động
cơ băng tải
• Robot lưu kho tự động.
• Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm.
• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo.
1.8 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm
1.8.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm điều khiển và giám sát trung

tâm
Trạm điều khiển và giám sát sử dụng bộ điều khiển PLC S7 300
CPU 313C-2DP và màn hình giám sát HMI – TP 177A. Bộ PLC S7 300
sẽ nhận tín hiệu từ 8 bộ PLC S7 200 truyền lên và xuất tín hiệu điều
khiển xuống các trạm thông qua mạng PROFIBUS. Đồng thời, màn hình
HMI – TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến nhớ, các đầu vào/ra,
tín hiệu từ cảm biến hiển thị lên màn hình.
14
Hữu Nguyên
Hình 1.8.1 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm
15
Hữu Nguyên
1.8.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:
• Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và màn
hình
• TP 177A.
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 CPU 313C-2DP.
• Màn hình giao tiếp HMI – TP 177A.
• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo
Hình 1.8.2 Màn hình giám sát TP 177A và PLC S7 300
1.8.3 Bộ điều khiển PLC S7 300 điều khiển các trạm qua mạng
PROFIBUS-DP
PLC S7 300 CPU 313C-2DP có 16 đầu vào số, 16 đầu ra số, 1 cổng
truyên thông MPI, 1 cổng truyền thông PROFIBUS (cổng DP). PLC S7
300 giao tiếp với các trạm thông qua mạng PROFIBUS, nó sẽ nhận các
16
Hữu Nguyên
tín hiệu gửi lên từ các trạm và ra lệnh điều khiển xuống đảm bảo đúng
yêu cầu công nghệ và tính thời gian thực.
Hình 1.8.3 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300

1.8.4 Màn hình giao tiếp Người – Máy TP 177A và giao diện điều
khiển giám sát
Màn hình TP 177A là thiết bị giao tiếp Người – Máy (HMI)do hãng
Siemens sản xuất. Nó có khả năng giao tiếp với các loại PLC của
Siemens thông qua chuẩn PPI, MPI và PROFIBUS.
Màn hình TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến của PLC trong
các trạm thông qua mạng PROFIBUS. Cho phép hiển thị trạng thái của
các biến, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến về lên màn hình. Đồng
thời, có thể điều khiển từ màn hình với chức năng đa điểm chạm (Touch
Panel).
17
Hữu Nguyên
Hình 1.8.4 Màn hình điều khiển TP 177A
1. Rãnh tháo lắp màn hình.
2. Màn hình hiển thị và điều khiển với chức năng đa điểm.
3. Gờ cạnh ngoài cùng của màn hình.
4. Chỗ lắp cơ cấu gá.
18
Hữu Nguyên
CHƯƠNG 2:
THIẾT LẬP MẠNG PROFIBUS-DP, XÂY DỰNG LƯU ĐỒ
THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
2.1. Cấu hình mạng PROFIBUS-DP với phần mềm STEP 7
Các bước lập trình và cấu hình mạng truyền thông lần lượt thực hiện
như sau:
Vào START  SIMATIC  SIMATIC Manage để kích hoạt
phần mềm lập trình STEP 7 V5.5
Hình 3.1: Cách vào phần mềm lập trình STEP 7 V5.5.
Phần mềm STEP7 được mở ra, vào File  New trên giao diện
chính.

19
Hữu Nguyên
Hình 3.2: Cách tạo một Project mới
Tiếp theo kích chọn Insert  Station  SIMATIC 300 Station để tạo
một trạm PLC S7 300 trong Project.
20
Hữu Nguyên
Hình 3.3: màn hình thiết lập trạm S7 - 300
21
Hữu Nguyên
Khi nhấn chọn trạm sẻ xuất hiện biểu tượng Hardware.
Hình 3.4.: Chọn biểu tượng Hardware
Project có tên DOANTOTNGHIEP_FMS_2012 đã được thêm
phần cứng bên trong là một trạm PLC S7 300. Kích đúp trái chuột vào
SIMATIC 300(1) bắt đầu cấu hình phần cứng cho Project.
Cửa sổ HW_config cho phép người lập trình thiết lập cấu hình phần
cứng của toàn bộ hệ thống ngoài thực tế bao gồm trạm chủ PLC S7 300,
các trạm tớ PLC S7 200 và chuẩn kết nối trong mạng truyền thông
Trong mục SIMATIC 300 chọn RACK-300, kích và giữ trái chuột vào
Rail và thả vào phần trống bên trái
22
Hữu Nguyên
Hình 3.5 : Chọn biệu tượng giá đỡ (Rail)
Ta theo quy tắc để lựa các khay Slot:
• Slot 1: Nguồn PS 307 2A
• Slot 2: CPU 313C-2DP
• X2 DP
• 2.2 DI16/DO16
• 2.4 Count
Lần lượt kéo thả các phần cứng đó vào đúng Slot sẽ được cấu hình

như hình dưới
23
Hữu Nguyên
Hình 3.6: Giao diện sau khi cài xong phần cứng
Khi ta kéo chọn CPU 313C – 2DP vào Rail, sẽ xuất hiện hộp thoại
Hình 3.7 : Màn hình sau khi đặt CPU vào Slot 2
Tiếp theo chọn New ta làm theo như các hình vẽ sau:
24
Hữu Nguyên
Hình 3.8: Cấu hình mạng Profibus
Hình 3.9: Chọn tốc độ truyền cho mạng Profibus
Nhấn OK để kết thúc thiết lập địa chỉ và tốc độ truyền cho mạng
Profibus, ta được kết quả như sau:
25