Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển giám sát hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ




ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


Đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200
VÀ HMI ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG



Cán bộ hướng dẫn:
ThS. BÙI THÚC MINH
Sinh viên thực hiệ
n::
LƯƠNG BÌNH CHƠN
Khóa 51




Khánh Hòa, 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ




ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC



Đề tài:
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200
VÀ HMI ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG



Cán bộ hướng dẫn:
ThS. BÙI THÚC MINH
Sinh viên thực hiệ
n::
LƯƠNG BÌNH CHƠN

Khóa 51 (2009 - 2013)


Khánh Hòa, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên người nhận xét:
Chức danh: Đơn vị công tác:
Tên đồ án: Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống.
Họ và tên sinh viên: LƯƠNG BÌNH CHƠN MSSV: 51130155
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy Khóa: 51
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Chất lượng hình thức




2. Chất lượng nội dung




Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013
Người nhận xét
3. Điểm đánh giá:

Điểm kết luận của Hội đồng chấm Đồ án

Điểm số


Điểm bằng chữ


Khánh Hòa, ngày tháng 7 năm 2013
Thư ký Hội đồng Chủ tịch hội đồng
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)
Bằng số Bằng chữ


i

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
LỜI NÓI ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư điện-điện tử là điều khiển,
giám sát hệ thống hay một dây chuyền sản xuất, thực hiện một nhiệm vụ trong sản
xuất, sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Nha Trang được nhận đồ án tốt
nghiệp: “Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống”
Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận
với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Điều khiển
lập trình 1, 2, Thực hành điều khiển lập trình” và một số môn học thuộc lĩnh vực điện
công nghiệp khác. Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa
học khác có liên quan, sinh viên sẽ tự thiết kế một hệ thống thực hiện một nhiệm vụ kĩ

thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ và được điều khiển, giám sát một cách
khoa học. Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu
trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết
kế, tự nâng cao kĩ năng điều khiển, giám sát hệ thống và nhìn nhận vấn đề một cách
chính xác, trực quan hơn.
Hệ thống thùng trộn được sử dụng khá rộng rãi với nhiều ứng dụng trong công
nghiệp , nông nghiệp , xây dựng….Đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho em tiếp xúc, tìm
hiểu và đi sâu vào thiết kế một hệ thống dẫn động thực tiễn, cũng là cơ hội giúp em
nắm rõ những kiến thức và học thêm được rất nhiều về phương pháp làm việc khi thực
hiện thiết kế, đồng thời cũng sử dụng thực tiễn kiến thức đã học đi vào thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo BÙI THÚC MINH đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
ii

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống
Đồ án tập trung nghiên cứu giới thiệu về sản phẩm PLC S7-1200, HMI của hãng
Siemens và phần mềm STEP 7 v11 lập trình điều khiển giám sát hệ thống. PLC là sản
phẩm có khả năng lập trình đã thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển,
không những thế mà nó còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự. Các
PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. S7-1200 là dòng PLC mới của
Siemens ngày càng được ứng dụng rộng rãi và thay thế các dòng PLC khác. HMI là
sản phẩm có khả năng điều khiển, với giao diện màn hình giúp cho ta có cái nhìn trực
quan hơn về hệ thống, có thể giám sát quá trình hoạt động qua từng công đoạn.
Phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 là TIA V11, TIA V11 hỗ trợ mạnh mẽ
trong việc lập trình cho PLC các dòng S7-300/400/1200 và ET200. Ngoài ra, phần
mềm TIA còn tích hợp thêm lập trình màn hình HMI và tạo giao diện điều khiển từ PC
(PC systems).

Đồ án còn thể hiện tính ứng dụng điều khiển giao tiếp thông qua việc điều
khiển mô hình trộn và phân loại sơn. Mô hình đã thể hiện rõ sự kết nối, giao tiếp giữa
PLC S7-1200 – HMI điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của mô hình.



iii

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2
1.4. HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ PLC S7-1200 4
2.1. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH (PLC) 4
2.2. GIỚI THIỆU VỀ HỌ PLC S7-1200 7
2.3. CÁC MODULE CỦA PLC S7-1200 8
2.3.1. Các kiểu CPU của PLC S7-1200 8
2.3.2. Một số Module hỗ trợ họ PLC S7-1200 10
2.3.2.1. Các bảng tín hiệu 11
2.3.2.2. Các Module tín hiệu 12

2.3.2.3. Các Module truyền thông 12
2.4. VÒNG QUÉT CHƯƠNG TRÌNH CỦA PLC 13
2.5. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH 14
2.5.1. Các khối mã tạo nên cấu trúc chương trình 14
2.5.2. Các kiểu cấu trúc chương trình 15
2.6. CÁC KHỐI OB ĐẶC BIỆT 16
2.7. CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU 17
2.8. BẢO VỆ BẰNG MẬT KHẨU CHO CPU S7-1200 19
2.8.1. Cách thiết lập mật khẩu 19
2.8.2. Cách phục hồi mật khẩu bị mất 20
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MÀN HÌNH GIÁM SÁT HMI VÀ CÁCH THỨC
LẬP TRÌNH 21
3.1. MỘT SỐ LOẠI MÀN HÌNH GIÁM SÁT TRONG CÔNG NGHIỆP 21
iv

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
3.1.1. Giám sát là gì? 21
3.1.2. Định nghĩa và phân loại HMI 21
3.1.3. Một số loại màn hình Siemen 22
3.1.4. Giới thiệu HMI ứng dụng đồ án và cách kết nối truyền thông phần cứng
máy tính, HMI và CPU S7-1200 26
3.1.4.1. Màn hình HMI KTP 600 Basic PN 26
3.1.4.2. Cách kết nối truyền thông phần cứng bao gồm máy tính, HMI và
CPU S7-1200 27
3.2. CÁCH THỨC LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH HMI CƠ BẢN 28
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL. (STEP7 V11) 36
4.1. SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL 36
4.2. CÁC THAO TÁC CHÍNH KHI SỬ DỤNG PHẦN MỀM 37
4.2.1. Một số cửa sổ chính của phần mềm Step7 37
4.2.2. Xây dựng một Project 42

4.2.2.1. Các cách xây dựng một Project 42
4.2.2.2. Các bước tạo một Project 43
4.3. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 44
4.3.1. Ngôn ngữ lập trình LAD 45
4.3.2. Ngôn ngữ lập trình FBD 46
4.4. CÁC BƯỚC THÊM THIẾT BỊ MÀN HÌNH HMI TỪ PHẦN MỀM STEP 7
V11 47
4.5. CÁCH TẢI CHƯƠNG TRÌNH TỪ MỘT CPU TRỰC TUYẾN (ONLINE).52
4.6. CÁC ƯU ĐIỂM CỦA PHẦN MỀM STEP 7 V11 53
CHƯƠNG 5: CÁCH THỨC VẬN HÀNH, GIAO TIẾP THIẾT BỊ PLC S7-1200
KẾT NỐI HMI VÀ LẬP TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG CẢM BIẾN ÁP
SUẤT TRONG MÔ HÌNH. 54
5.1. CÁCH THỨC GIAO TIẾP KẾT NỐI THIẾT BỊ 54
5.1.1. Cách thức giao tiếp sử dụng PROFINET 54
5.1.2. Giao tiếp HMI – PLC 56
5.1.2.1. Các bước cần thiết trong việc cấu hình truyền thông giữa một HMI và
một CPU 56
5.1.2.2. Cấu hình các kết nối mạng logic giữa một HMI và một CPU 57
5.2. CÁCH THỨC ĐỔI ĐỊA CHỈ IP 58
5.2.1. Gán, kiểm tra địa chỉ IP cho thiết bị lập trình trong máy tính 58
5.2.2. Gán, kiểm tra địa chỉ IP cho thiết bị thực 59
v

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
5.3. CÁCH THỨC LẬP TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG CẢM BIẾN ÁP
SUẤT TRONG MÔ HÌNH 60
CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 67
6.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 67
6.2. PHÂN ĐỊA CHỈ VÀO RA 73
6.3. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 73

6.4. SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC 74
6.5. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 74
CHƯƠNG 7: TỔNG QUAN MÔ HÌNH, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
89
7.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 89
7.1.1. Giới thiệu các thiết bị trong mô hình 89
7.1.1.1. Thiết bị bên trong tủ điện 89
7.1.1.2. Thiết bị bên ngoài 90
7.1.2. Yêu cầu kĩ thuật 92
7.1.2.1. Phương pháp pha chế các màu sơn 92
7.1.2.2. Cơ sở quá trình trộn 93
7.1.2.3. Mức độ đồng đều của sản phẩm 93
7.1.3. Mô hình hệ thống pha màu tự động 94
7.1.4. Giao diện điều khiển HMI và nguyên lý hoạt động của mô hình 98
7.2. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102


vi

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 2.1. Các cổng hỗ trợ PLC S7-1200 8
Hình 2.2. Một số module hỗ trợ PLC S7-1200 10
Hình 2.3. Vị trí kết nối bảng tín hiệu (SB) 11
Hình 2.4. Vị trí kết nối module tín hiệu 12
Hình 2.5. Vị trí kết nối module truyền thông 12
Hình 2.6. Các kiểu cấu trúc chương trình 15

Hình 2.7. Chế độ hoạt động của CPU 18
Hình 2.8. Các chế độ thiết lập mật khẩu 19
Hình 3.1. Màn hình KTP 400 BASIC PN 22
Hình 3.2. Màn hình KTP 1000 BASIC PN 23
Hình 3.3. Màn hình KTP 1500 BASIC PN 24
Hình 3.4. Màn hình HMI OP 73 24
Hình 3.5. Màn hình HMI OP 3 25
Hình 3.6. Màn hình HMI TD 200 25
Hình 3.7. Màn hình HMI 6V6643-0DD01-1AX1 26
Hình 3.8. Màn hình HMI TP170A 26
Hình 3.9. Màn hình HMI KTP 600 BASIC PN 27
Hình 3.10. Cổng kết nối PROFINET 28
Hình 4.1. Cửa sổ portal view 37
Hình 4.2. Cửa sổ overview 38
Hình 4.3. Cửa sổ devices & network 39
Hình 4.4. Cửa sổ online & diagnostics 40
Hình 4.5. Cửa sổ main OB1 41
Hình 4.6. Sơ đồ xây dựng project 42
Hình 4.7. Ví dụ lập trình LAD cơ bản 45
Hình 4.8. Minh họa không thể tạo một nhánh tạo dòng tín hiệu theo chiều ngược lại.45
Hình 4.9. Minh họa không thể tạo một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch 46
Hình 4.10. Ví dụ về lập trình FBD 46
vii

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
Hình 5.1. Kết nối trực tiếp MÁY TÍNH - PLC 54
Hình 5.2. Kết nối trực tiếp HMI - PLC 54
Hình 5.3. Kết nối trực tiếp PLC - PLC 55
Hình 5.4. Kết nối mạng thông qua bộ chuyển mạch ETHERNET 55
Hình 5.5. Kết nối, giao tiếp HMI - PLC 56

Hình 5.6. Các bước vào hộp thoại online & diagnostics 59
Hình 6.1. Sơ đồ mạch động lực 74
Hình 6.2. Sơ đồ kết nối PLC 74
Hình 7.1. CPU 1214C AC/DC/RLY 89
Hình 7.2. Màn hình HMI KTP 600 BASIC PN 89B
Hình 7.3. Thiết bị đóng ngắt CB 89
Hình 7.4. Rơ le trung gian 90
Hình 7.5. Cầu chì 90
Hình 7.6. Cảm biến áp suất 90
Hình 7.7. Công tắc hành trình 91
Hình 7.8. Động cơ bơm 91
Hình 7.9. Van xả 91
Hình 7.10. Động cơ trộn 92
Hình 7.11. Mô hình hệ thống pha trộn sơn tự động 94
Hình 7.12. Bồn chứa màu cơ bản và động cơ bơm 94
Hình 7.13. Van xả sơn thành phần 95
Hình 7.14. Bồn định lượng 95
Hình 7.15. Cảm biến áp suất và van xả bồn định lượng 95
Hình 7.16. Bồn chứa và động cơ trộn sơn hỗn hợp 96
Hình 7.17. Các thiết bị trong tủ điện điều khiển 96
Hình 7.18. Màn hình HMI điều khiển mô hình 97
Hình 7.19. Bồn chứa sơn thành phẩm và băng tải chính 97
Hình 7.20. Băng tải phụ và cần gạt 97
Hình 7.21. Giao diện HMI 98

viii

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 2.1. So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển 6
Bảng 2.2. So sánh các kiểu CPU của Plc S7-1200 8
Bảng 2.3. Bảng thông số các MODULE 10
Bảng 2.4. Các cấp độ bảo mật 20
Bảng 4.1. So sánh ngôn ngữ lập trình LAD và FBD. 47
Bảng 5.1. Các bước cấu hình truyền thông HMI - PLC 57
Bảng 5.2. Cấu hình kết nối mạng logic HMI - PLC 57
Bảng 6.1. Phân địa chỉ vào ra 73
Bảng 7.1. Tỷ lệ màu cơ bản để trộn màu 92


















ix

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ GIẢI THÍCH
CPU Center Processing Unit Bộ điều khiển trung tâm
PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển lập trình
CB Circuit Breaker Cầu dao cách ly
I/O Input/Output Đầu vào/Đầu ra
DI/DO Digital Input/Digital Output Đầu vào số/Đầu ra số
AI/AO Analog Input/Analog Output Đầu vào tương tự/Đầu ra tương
tự
AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều
DC Drect Current Dòng điện một chiều
HMI Human machine interface Giao diện màn hình

1

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tự động hóa quá trình công nghiệp ngày nay không còn gì xa lạ đối với các
doanh nghiệp sản xuất trong nước. Những máy móc, những dây chuyền sản xuất tự
động lập trình, điều khiển dùng PLC đã được ứng dụng rất nhiều tại các công ty, xí
nghiệp. PLC S7-1200 được biết đến là họ PLC mới của Siemens vì thế có nhiều ưu
điểm vượt trội so với các thế hệ trước, sẽ dần thay thế các dòng PLC trước đây trong
các xí nghiệp, công ty Vậy nên tìm hiểu, nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 đang là
vấn đề hết sức cần thiết đối với bộ môn điện công nghiệp ngày nay.

Nhưng còn một điều khó khăn là vận hành và giám sát trạng thái hoạt động của
hệ thống đó như thế nào để đạt nhiều hiệu quả. Kịp thời khắc phục sự cố hệ thống một
cách tối ưu nhất mà không tốn nhiều thời gian xuống nhà máy, xí nghiệp để kiểm tra,
mà người vận hành, quản lý vẫn biết được quá trình hoạt động, làm việc của thiết bị.
Dây chuyền nào đang hoạt động, dây chuyền nào có sự cố. Sự cố đó là gì, ở chỗ nào
để có thể xử lý kịp thời, mang lại sự ổn định trong công việc, góp phần tạo nên thành
công cho các xí nghiệp, công ty.
Để làm được điều này thì cần một hệ thống điều khiển và giám sát qua các giao
diện người với máy, viết tắt là HMI (Human Machine Interface).
Với những tính năng, tiện ích của hệ thống PLC và HMI, nên hiện nay bộ điều
khiển này đang được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau. Một trong những
ngành đang phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay đó là ngành xây dựng, và việc ứng dụng
PLC vào trong ngành xây dựng là một việc làm sẽ đem lại hiệu quả cao và rất phù
hợp, đặc biệt là trong công đoạn pha chế sơn.
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Sơn là một trong những nguyên vật liệu chủ yếu trong ngành xây dựng, chủ yếu
là sơn phủ bề mặt nhằm bảo vệ bề mặt đối tượng sử dụng đồng thời cũng là hình thức
trang trí thẩm mỹ, chính vì vậy màu sắc của sơn là một yếu tố quan tâm hàng đầu. Đa
số việc pha màu hiện nay trên thị trường đều được thực hiện trên phương pháp thủ
2

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
công (tức theo kinh nghiệm). Chính vì vậy độ chính xác không cao, sản phẩm sản xuất
ra đôi khi không theo mong muốn, tỷ lệ phế phẩm nhiều, năng suất thấp, lãng phí sức
lao động, thời gian, … Các công ty, doanh nghiệp điều khiển pha màu dùng PLC thì
chưa ứng dụng HMI, việc giám sát và điều khiển ít trực quan, thiếu thông tin về quá
trình, không đáp ứng được yêu cầu về hiển thị và việc điều khiển nội bộ trở nên phức
tạp hơn

Để loại bỏ những nhược điểm trên. Cũng như để tạo ra những sản phẩm theo
mong muốn, chỉ bằng một thao tác đơn giản, đưa bộ điểu khiển lập trình PLC và màn
hình HMI vào điều khiển, giám sát hệ thống. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ
cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị HMI với các “nút ảo” trên màn hình cảm ứng
để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị. Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột
và gậy điều khiển. Mô hình thực hiện cụ thể ở đây là một dây chuyền tự động: “Hệ
Thống Pha (trộn) sơn Tự Động”.
Mô hình này có thể sử dụng trong hệ thống pha trộn hóa chất và một số lĩnh
vực khác như pha chế thực phẩm, …
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Từ yêu cầu của Đồ án tốt nghiệp, cũng như khả năng về kiến thức và thời gian
không cho phép nên em chỉ thực hiện những công việc sau:
 Tìm hiểu mô hình Pha màu trong thực tế.
 Tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7 – 1200.
 Tìm hiểu và lập trình phần mềm TIA Portal v11.
 Viết chương trình.
 Chạy chương trình trên PLC (CPU 1214C AC/DC/RLy).
 Tìm hiểu HMI, lập trình màn hình HMI.
 Cách kết nối truyền thông phần cứng bao gồm máy tính, HMI và CPU S7-1200.
 Kết nối, giao tiếp truyền dữ liệu lập trình HMI – PLC.
 Thi công mô hình và phần cứng.


3

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
1.4. HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
 Nghiên cứu mô hình hệ thống Pha màu từ các bồn chứa vật liệu cơ bản (các

màu cơ bản và thành phần để tổng hợp nên màu cơ bản).
 Ấn định sản xuất một số màu từ các màu cơ bản (xanh, đỏ, vàng).
 Ấn định sản xuất khối lượng được người sử dụng nhập từ giao diện.
 Sử dụng giao diện để người sử dụng lựa chọn sản phẩm, khối lượng và tỷ lệ
theo các thành phần màu để có một màu theo mong muốn.
 Sử dụng các bộ timer và cảm biến để tính thời gian trộn và xả sản phẩm.
 Thông qua PLC để tác động đóng mở các van cấp nguyên vật liệu,
máy bơm và điều khiển động cơ khuấy trộn.
 Lập trình điều khiển PLC.
 Vẽ giao diện về mô hình và bảng điều khiển để dễ dàng trong việc giám sát và
điều khiển.
 Lập trình màn hình HMI điều khiển giám sát hệ thống.
 Kết nối giữa giao diện máy tính, chương trình PLC và HMI thông qua cổng
Ethernet.
 Thi công mô hình và điều khiển mô hình hoàn toàn hoạt động.

4

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU THIẾT BỊ PLC S7-1200
2.1. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH (PLC)
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) là loại
thiết bị thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập
trình, thay vì phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số.
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không
cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều
khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng. Hơn nữa, chúng ta còn có

ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống
truyền thông mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.
Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thông”, và chúng có các đặc điểm
thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp.
 Khả năng kháng nhiễu tốt.
 Cấu trúc dạng Module cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm
Module mở rộng vào/ ra) và thêm chức năng (nối thêm Module chuyên dùng).
 Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá.
 Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – Ladder, Instruction và Funtion Chart, dễ hiểu
và dễ sử dụng.
 Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng.
Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng rộng rãi trong việc điểu khiển
các máy móc công nghiệp và trong điều khiển quá trình (Process – control).
 Tin cậy hơn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp.
 Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ – le chức năng
tương đương.
 Giá thành cạnh tranh.
Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản
xuất hoàn chỉnh các họ PLC với các mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và
hiệu suất. Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ 20 ngõ vào/ ra và dung
5

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
lượng bộ nhớ chương trình 500 bước, đến các PLC có cấu trúc Module nhằm dễ dàng
mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng:
 Xử lý tín hiệu liên tục (analog).
 Điều khiển động cơ servo, động cơ bước.
 Truyền thông.

 Số lượng ngõ vào/ ra.
 Bộ nhớ mở rộng.
Với cấu trúc dạng Module cho phép chúng ta mở rộng hay nâng cấp một hệ
thống điều khiển dùng PLC với chi phí và công suất ít nhất. Hiện nay PLC đã được
nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Pesto, Alan
Bradley, Shneider, Hitachi, …. Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị
mở rộng khác như: các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết
bị hiển thị, các bộ vào.
Như vậy, PLC là một bộ điều khiển gọn, nhẹ và dễ trao đổi thông tin với môi
trường bên ngoài (với các PLC khác hoặc máy tính, màn hình ). Toàn bộ chương
trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình
và được thực hiện theo chu kỳ của vòng quét (scan).
Có một số thuật ngữ dùng để mô tả điền khiển lập trình:
+ PC Programmable Controller (Anh)
+ PLC Programmable Logic Controller (Mỹ)
+ PBS Programmable Binary Systems (Thụy Điển)
Hai thuật ngữ sau thể hiện bộ điều khiển lập trình làm việc với tín hiệu nhị
phân. Trong thực tế, tất cả bộ điều khiển trừ bộ điều khiển loại nhỏ đều có khả năng xử
lý tín hiệu analog, nên các thuật ngữ đó không nói lên được hết khả năng của bộ điều
khiển lập trình. Vì lý do này và một số lý do khác mà thuật ngữ Programmable
Controller, viết tắt là PC, thể hiện ý nghĩa tổng quát nhất về bộ điều khiển lập trình.
Tuy nhiên, để tránh sự hiểu lầm với thuật ngữ máy vi tính cá nhân “PC” thì PLC
thường được dùng thay cho PC.

6

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
Bảng 2.1. So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển

Chỉ tiêu so
Sánh

Rơ – le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành
từng
chức năng
Khá thấp Thấp Cao Thấp
Kích thước
Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn
Tốc độ điều
khiển
Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh
Khả năng
chống nhiễu
Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt
Lắp đặt
Mất thời gian
thiết kế và lắp
đặt
Mất thời gian
thiết kế
Mất nhiều thời
gian lập trình
Lập trình và
lắp
đặt đơn giản
Khả năng điều

khiển tác vụ

phức tạp
Không Có Có Có
Dễ thay đổi
điều khiển
Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản
Công tác bảo
trì
Kém - có rất
nhiều công tắc
Kém – nếu IC
được hàn
Kém – có rất
nhiều mạch
điện tử chuyên
dùng
Tốt – các
Module được
tiêu chuẩn hoá
So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển. Theo bảng so sánh,
PLC có những đặc điểm về phần cứng và phần mềm làm cho nó trở thành bộ điều
khiển công nghiệp được sử dụng rộng rãi.
Tóm lại, sự ra đời của PLC cũng như các bộ điều khiển hiện đại khác đã mở ra
một thời đại mới trong lĩnh vực tự động hoá. Với những khả năng điều khiển phong
phú và phức tạp hơn, PLC đã vượt xa các mạch điều khiển cổ điển dùng dây nối và
7

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
Relay. Các hệ thống dây chuyền sản xuất được điều khiển một các nhịp nhàng hơn,

các thiết bị máy móc được điều khiển chính xác hơn.
2.2. GIỚI THIỆU VỀ HỌ 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 dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát
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 hoàn 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).
- 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 thông 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
ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong
TIA Portal v11 của Siemens.
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã
bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

8

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn

Hình 2.1. Các cổng hỗ trợ PLC S7-1200
1) Bộ phận kết nối nguồn, các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể
tháo được (phía sau các nắp che)
2) Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
4) Bộ phận kết nối PROFINET
2.3. CÁC MODULE CỦA PLC S7-1200
2.3.1. Các kiểu CPU của PLC S7-1200
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng
giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Bảng 2.2. So sánh các kiểu CPU của PLC S7-1200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75
Bộ nhớ người dùng:
 Bộ nhớ làm việc
 Bộ nhớ nạp

 25 kB
 1 MB

 50 kB
 2 MB
9

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
 Bộ nhớ giữ lại  2 kB  2 kB
I/O kết hợp cục bộ
 Kiểu số

 Kiểu tương tự

 6 ngõ
vào/4 ngõ
ra
 2 ngõ ra

 8 ngõ
vào/6
ngõ ra
 2 ngõ ra

 14 ngõ
vào/10
ngõ ra
 2 ngõ ra
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte
Độ mở rộng các module tín
hiệu
Không 2 8
Bảng tín hiệu 1
Các module truyền thông 3 (Mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao:
 Đơn pha

 Vuông pha
3
 3 tại 100
kHz


 3 tại 80
kHz
4
 3 tại 100
kHz và 1
tại 30
kHz
 3 tại 80
kHz và 1
tại 20
kHz
6
 3 tại 100
kHz và 3
tại 30
kHz
 3 tại 80
kHz và 3
tại 20
kHz
Các ngõ ra xung 2
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời
gian thực.

Thông thường 10 ngày/ít nhất 6 ngày tại 40
0
C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 µs/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 µs/lệnh

10

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
2.3.2. Một số Module hỗ trợ họ PLC S7-1200

Hình 2.2. Một số Module hỗ trợ PLC S7-1200
1. Module truyền thông (CM): tối đa là 3, được chèn vào các khe số 101, 102 và 103
2. CPU: khe số 1
3. Cổng Ethernet của CPU
4. Bảng tín hiệu (SB): tối đa là 1, được chèn vào CPU
5. Module tín hiệu (SM) dành cho I/O tương tự hay số: tối đa là 8, được chèn vào
trong các khe từ 2 đến 9 (CPU 1214C khởi động 8 SM, CPU 1212C khởi động 2 SM
còn CPU 1211C không khởi động CM nào)
Họ PLC S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín
hiệu để mở rộng dung lượng của CPU. Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module
truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.
Bảng 2.3. Bảng thông số các Module
Module Ngõ vào Ngõ ra Kết hợp
In/Out
8 x DC In 8 x DC Out
8 x Relay Out

8 x DC In / 8 x
DC Out
8 x DC In / 8 x
Relay Out
Module tín
hiệu (SM)
Kiểu số
16 x DC In 16 x DC Out
16 x Relay Out
16 x DC In / 16
x DC Out
11

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
16 x DC In / 16
x Relay Out
Kiểu tương tự 4 x Analog In
8 x Analog In
2 x Analog In
4 x Analog In
4 x Analog In /
2 x Analog Out
Kiểu số - - 2 x DC In/2 x
DC Out
Bảng tín hiệu
(SB)
Kiểu tương tự - 1 x Analog In -
Module truyền thông (CM)

 RS 485
 RS 232
2.3.2.1. Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng
có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước
của CPU.
 SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
 SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.

Hình 2.3. Vị trí kết nối bảng tín hiệu (SB)
1) Các LED trạng thái trên SB
2) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra


12

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
2.3.2.2. Các Module tín hiệu
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức
năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.

Hình 2.4. Vị trí kết nối Module tín hiệu
1) Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
2) Bộ phận kết nối đường dẫn
3) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
2.3.2.3. Các Module truyền thông
Họ PLC S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng
bổ sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485.

 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông
 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM
khác)

Hình 2.5. Vị trí kết nối Module truyền thông
13

Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu, ứng dụng PLC S7-1200 và HMI điều khiển, giám sát hệ thống

GVHD: Th.S Bùi Thúc Minh SVTH: Lương Bình Chơn
1) Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
2) Bộ phận kết nối truyền thông
2.4. VÒNG QUÉT CHƯƠNG TRÌNH CỦA PLC
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng
vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng
vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối
OB1 (Block end). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội
dung của bộ đệm ảo Q đến các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn
truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng quét
(Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng
được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong
chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều
khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói
cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều
khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình
càng cao.
Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt. Chương trình của

các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng
chủng loại. Các khối chương trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng
quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn
nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra
nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương
trình tương ứng với khối tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như
vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong
vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển tuyệt
đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng
chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.