Thiết kế tủ điều khiển PLC s7 1200 PN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG
KHOA ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên nghành: Tự Động Hóa

THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN PLC-S7-1200-PN

Khóa: DT14DH-DT1
Giáo viên hướng dẫn: ThS.Đào Tăng Tín

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2019


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của THS. Đào Tăng Tín. Các nội dung nghiên cứu phân tích trong đồ án là
trung thực dựa vào các tài liệu đã được công bố theo quy định. Nội dung các cơ sở lý
thuyết phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá trích dẫn từ các nguồn khác nhau
có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn của mình. Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng không liên quan đến những vi
phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).

Người cam đoan


Lời cảm ơn
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy THS.
Đào Tăng Tín, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Em chân thành cảm ơn quý Thầy trong khoa Điện tử - Tự động hóa, Trường Đại học
Quốc tế Hồng Bàng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập. Với
vốn kiến thức em được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá
trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp mà còn là hành trang quý báu để em bước vào đời
một cách vững chắc và tự tin.
Em xin chân thành cảm ơn!


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tự động hóa là một trong những đồ án quan trọng của sinh viên ngành kỹ thuật.
Đồ án này được thực hiện nhằm mục đích giới thiệu cho sinh viên các hệ thống sản
xuất tiên tiến và linh hoạt, những phương pháp mới trong sản xuất công nghiệp để
nâng cao tầm quản lý và định hướng phát triển của sự nghiệp sau này.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do giới hạn về thời gian nên nhóm tập trung thực
hiện:
-

Thiết kế bàn thí nghiệm.
Thiết lập các ứng dụng thực tế cho mô hình.
Tìm hiểu và lập trình plc S7- 1200

Nội dung đồ án này gồm 4 chương:
-

Chương 1: Tổng quan.

-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết .

-

Chương 3: Thiết kế mô hình thí nghiệm.

-

Chương 4: Kết luận.

Kết quả mong muốn của đồ án này giúp cho sinh viên ứng dụng những kiến thức cơ
khí tự động hóa để áp dụng cho một bài toán thực tế trên cơ sở những gì đã được học.
Từ đó rút ra được những bài học kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa.


Mục Lục

Chương1

11

TỔNG QUAN

11

2

1.1

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.

11

1.2

Mục tiêu của đề tài.

12

1.3

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

12

1.4

Phương pháp nghiên cứu

12

1.5

Sơ đồ khối mô hình.

13

Chương 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1

Tổng quan về PLC S7-1200

15
15

2.1.1

Giới thiệu về PLC

15

2.1.2

Cấu trúc của PLC

16

2.1.3

Nguyên lý hoạt động của PLC

19

2.1.4

Giới thiệu về SIMATIC S7-1200

20

2.2

Làm việc với phần mềm Tia Portal V13

27

2.2.1

Giới thiệu Tia Portal V13

27

2.2.2

Kết nối qua giao thức TCP/IP

27

2.2.3

Cách tạo một Project

27

2.2.4

Tag của PLC

30

2.2.5

Tag Local

30

2.3

Làm việc với một trạm PLC

2.3.1

Quy định địa chỉ IP cho module CPU

33
33


2.3.2

Nạp chương trình xuống CPU

33

2.3.3

Giám sát và thực hiện chương trình

34

2.4

36

2.4.1

Vòng quét chương trình

36

2.4.2

Cấu trúc lập trình

36

2.4.3

Hàm chức năng – FUNCTION

37

2.5

Giới thiệu các tập lệnh

38

2.5.1

Bit logic ( tập lệnh tiếp điểm )

38

2.5.2

Sử dụng bộ Timer

41

2.5.3

Sử dụng bộ Counter

43

2.5.4

So sánh

44

2.6
3

Kỹ thuật lập trình

Kết luận

Chương 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1

Thiết kế các module thí nghiệm

46
47
47

3.1.1

Module HMI

47

3.1.2

Module PLC

48

3.1.3

Module INPUT

49

3.1.4

Module OUTPUT

49

3.1.5

Module Mạch khởi động sao – tam giác.

49

3.1.6

Module Mạch điều khiển tín hiệu đèn giao thông tại ngã tư.

49

3.2

Thiết kế bài thí nghiệm.

50

3.2.1

Bài thí nghiệm số 1: Mô hình điều khiển mạch khởi động sao-tam giác. 50

3.2.2

Thiết bị điện trong mô hình.

50

3.2.3

Bài thí nghiệm số 2: Mô hình điều khiển đảo chiều động cơ 3 pha.

55


3.2.4
4

5

Bài thí nghiệm số 3 - Mô hình điều khiển đèn giao thông tại ngã tư.

Chương 4 KẾT LUẬN

58
62

4.1

Kết luận

62

4.2

Kết quả đạt được

62

4.3

Ứng dụng thực tế

62

4.4

Khuyết điểm mô hình

62

4.5

Khuyến nghị

63

4.6

Hướng phát triển đề tài

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH ẢNH


DANH SÁCH CÁC BẢNG/ BIỂU


Chương1
TỔNG QUAN

Mục tiêu chương này trình bày tổng quan hướng nghiên cứu, cơ sở khoa học, thực
tiễn của đề tài, xác định mục tiêu, phạm vi hướng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu
khoa học.
Nội dung giới thiệu sơ đồ khối mô hình thí nghiệm, cơ sở khoa học và thực tiễn,
mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi giới hạn và phương pháp nghiên cứu đề tài.
1.1

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.
- Ngày nay kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là một trong những ngành quan

trọng trong thời kỳ xã hội hiện đại bước vào kỷ nguyên mới. Trong các nhà máy công
nghiệp với các dây chuyền sản xuất tiên tiến, tự động hoá cao, các hệ thống điều khiển
giao thông đường không, giao thông đường bộ, năng lượng, viễn thông hiện đại…đều
không thể thiếu sự có mặt của những người kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Trong nông nghiệp các hệ thống giám sát điều khiển quá trình nước, dinh dưỡng cho cây
trồng tự động được xây dựng bởi các kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Trong các
ứng dụng dân dụng người kỹ sư kỹ thuật điều khiển và tự động hóa còn có thể đóng góp
chuyên môn của mình ngày càng rộng rãi bao gồm nhận dạng thẻ mã vạch, thẻ từ, khoá
điện tử, các bảng quảng cáo điện tử, bán vé tự động, các mạch điều khiển thang máy, máy
điều hoà thông minh, kỹ thuật Logistic (Tự động hóa trong vận chuyển giao dịch hàng
hóa trên toàn cầu)… Những phân tích ở trên là lý do đề tài được chọn.

1.2

Mục tiêu của đề tài.
- Xây dựng mô hình các mô hình thí nghiệm.
+ Lập trình, điều khiển động cơ KĐB 3 pha khởi động sao-tam giác.
+ Lập trình, điều khiển động cơ KĐB 3 pha chạy thuận nghịch.
+ Lập trình, điều khiển bãi đậu xe tự động.
+ Lập trình, điều khiển đèn giao thông tại ngã tư.
- Viết chương trình điều khiển sử dụng S7-1200, HMI.
- Kết nối S7-1200 (CPU 1214C-AC/DC/Rly) với khối cảm biến ngõ vào và cơ cấu

chấp hành ngõ ra.
- Kết nối HMI ( WienTek 8071iE ) với S7-1200(CPU 1214C- AC/DC/Rly).
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
- Giới thiệu mô hình, kiểm chứng, trình bày mô hình điều khiển.
- Phạm vi đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình mở, phục vụ cho các yêu cầu trong
giảng dạy.
- Đề ra hướng phát triển ứng dụng đề tài với nhiều bài thí nghiệm, nhiều môn học
kết hợp sử dụng trong nghành tự động hóa.
1.4

Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu, đọc tài liệu trong và ngoài nước, tham khảo trên các trang diễn đàn

về công nghệ tự động hóa.
- Phân tích kỹ thuật, công nghệ Profibus
- Sử dụng PLC S7-1200 điều khiển kết nối với HMI.
- Sử dụng phần mềm TIA Portal V13 lập trình cho PLC S7-1200 và điều khiển

PLC qua cổng kết nối Profinet với HMI.


1.5

Sơ đồ khối mô hình.

Hình 1.

Sơ đồ khối mô hình

- Khối 1: Nguồn – Cung cấp nguồn xoay chiều 220 AC cho các thiết bị.
- Khối 2: HMI – Hiển thị các chương trình do PLC đang thực thi trên màn hình, có
thể thay đổi giá trị thời gian tác động nên các ngõ vào hoặc ngõ ra trong chương trình
PLC.
- Khối 3: PLC S7-1200 – Thực thi các chương trình do người thiết lập nạp vào
CPU, dựa vào các tín hiệu điều khiển tác động ngõ vào ( input ) để xuất các tín hiệu cho
ngõ ra ( output).
- Khối 4: Ngõ vào – Các tín hiệu điều khiển tác động như là: nút nhấn, công tắc,
cảm biến, xung, …
- Khối 5: Nút nhấn, công tắc – Kích các tín hiệu điều khiển tác động cho ngõ vào (
input) của PLC.
- Khối 6: Ngõ ra - Chấp hành các lệnh điều khiển của ngõ vào qua PLC.
- Khối 7: Contactor, rơle – Nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp
( dùng rơle ) để khởi động hoặc dừng một thiết bị được điều khiển.
1.6 Nội dung.
- Chương 1: Tổng quan.


- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

- Chương 3: Thiết kế mô hình thí nghiệm.
- Chương 4: Kết luận.
1.7 Kết luận.
- Giới thiệu đề tài trên cơ sở khoa học và thực tiễn.
- Trình bày phương pháp nghiên cứu, mục tiêu và phạm vi đề tài.
- Thiết kế sơ đồ khối.
- Xây dựng nội dung chương trình.


2 Chương 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1 Tổng quan về PLC S7-1200
2.1.1 Giới thiệu về PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép
thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự sự kiện. Các sự kiện này
được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt
động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế
các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái
trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn
ngữ lập trình của PLC có thể là LAD hoặc STL.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình
điều khiển hoặc xử lí hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được
xác định bởi một chương trình. Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,
PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Nếu muốn thay đổi hay
mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình trong bộ
nhớ PLC.
Những ưu điểm của PLC so với bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển
bằng relay):
-

Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

-

Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản sửa chữa.

-

Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa những chương trình phức tạp.

-

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính và mạng.

-

Phù hợp, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.


2.1.2 Cấu trúc của PLC

-

Bộ xử lý chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các
hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của
PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các
thiết bị xuất.

-

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động
điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

-

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC
(24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao
tiếp nhập và xuất hoạt động.

-

Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thông
tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều
khiển.
Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp
của bộ lập trình hay bằng máy vi tính.

-

Bộ xử lý chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các
hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của
PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các
thiết bị xuất.

-

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động
điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

-

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC
(24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao
tiếp nhập và xuất hoạt động.

-

Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thông
tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều
khiển.


Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp
của bộ lập trình hay bằng máy vi tính.
Sơ đồ 2.1: Cấu trúc bên trong PLC

Hình 2.

Cấu tạo bên trong PLC


Hình 3.

Cấu tạo bên trong PLC


Hình 4.

Cấu tạo bên trong PLC

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái của
thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như
sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra Về cơ bản
hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra
(Input/Output) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU. Sau khi nhận
được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module xuất
ra các thiết bị được điều khiển.
Chương trình ở dạng STL (StatementList - dạng lệnh liệt kê) sẽ được dịch ra ngôn
ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình. Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gửi
hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được thực hiện thông qua module xuất. Một chu kỳ
gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gửi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra
được gọi là một chu kỳ quét (scanning).


Sơ đồ 2.2: Một vòng quét của PLC

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng
quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu
kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ phức tạp của chương trình và mức độ giao
tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi.
2.1.4

Giới thiệu về SIMATIC S7-1200
Bộ điều khiển PLC S7-1200 được sử dụng với sự linh động và khả năng mở

rộng phù hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa tương ứng với người dùng.
Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm cho
PLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phù

hợp đối với nhiều ứng dụng khác nhau.
CPU của PLC S7-1200 được kết hợp với 1 vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp,
các tín hiệu đầu vào/ra, thiết kế theo nền tảng Profinet, các bộ đếm/phát xung tốc
độ cao tích hợp trên than, điều khiển vị trí (motion control), và ngõ vào analog đã
làm cho PLC S7-1200 trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ. Sau khi


download chương trình xuống CPU vẫn lưu giữ những logic cần thiết để theo dõi
và kiểm soát các thiết bị thông tin trong ứng dụng của người lập trình.
PLC S7-1200 được tích hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thông mạng
Profinet. Ngoài ra, PLC S7-1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc
RS232 thông qua các module mở rộng.
2.1.4.1 Các loại CPU của PLC S7-1200
Bảng 2.1 : Chức năng các loại CPU của PLC S7-1200
Chức năng
Kích thước vật lý (mm)

CPU 1211C

CPU 1212C

90 x 100 x 75

CPU 1214C
110 x 100 x 75

Bộ nhớ người dùng:
 Bộ nhớ làm việc

 25 kB

 50 kB

 Bộ nhớ nạp

 1 MB

 2 MB

 Bộ nhớ giữ lại
I/O tích hợp cục bộ

 2 kB

 2 kB

 Kiểu số

 6 in/4 out

 8 in/6 out

 14 in/10 out

 2 out

 2 out

 2 out

 Kiểu tương tự
Kích thước ảnh tiến trình

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các module tín

Không

hiệu
Bảng tín hiệu

1

Các module truyền thông

3 (mở rộng về bên trái)

Các bộ đếm tốc độ cao

3

 Đơn pha
 Vuông pha

8192 byte

2

8

4
 3 tại 100 kHz
 3 tại 80 kHz

6
 3

tại

100

 3

tại

100

kHz, 1 tại

kHz, 3 tại

30 kHz

30 kHz

 3 tại 80 kHz,

 3 tại 80 kHz.

1 tại 20 kHz

3 tại 20 kHz

Các ngõ ra xung

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C

thời gian thực
PROFINET

1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán 18 μs/lệnh
thực
Tốc độ thực thi Boolean

0,1 μs/lệnh

Hình 5.

2.1.4.2 CPU 1214C AC/DC/RLY

Cấu tạo CPU 1214C AC/DC/RLY

1. Bộ phận kết nối nguồn
2. Các bộ phận kết nối - nối dây của
người dùng (phía sau nắp che)
3. Các LED trạng thái dành cho I/O tích
hợp
4. Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên
của CPU)
Sơ đồ 2.3: Sơ đồ đấu dây 1214
AC/DC/RLY


2.1.4.3 Các loại Module mở rộng
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở
rộng chức năng của CPU. Ngoài ra,có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ
giao thức truyền thông khác.
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy
định của nhà sản xuất.
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
- Communication module (CM).
- Signal board (SB).
- Signal Module (SM)

1. Module truyền thông (CM)

3. Board tín hiệu (SM)

2. CPU

4. Module tín hiệu (SB)

Các đặc tính của Module mở rộng

Module

Ngõ vào

Ngõ ra

Ngõ kết hợp


8 x DC In

16 x DC In
Module
hiệu

(SM)

Board

8 x DC In / 8 x DC Out

8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x Relay Out
16 x DC Out 16 x DC In / 16 x DC Out

Kiểu số

tín

8 x DC Out

16 x Relay 16 x DC In / 16 x Relay
Out

Kiểu

4 x Analog In

2 x Analog In

tương tự 8 x Analog In

4 x Analog In

Kiểu số _

_

Kiểu

1 x Analog In

_

Out
4 x Analog In / 2 x
Analog
Out
2 x DC In / 2 x DC Out
_

tín hiệu(SB)

tương tự
Module truyền thông (CM)
 RS485
 RS232

1. Các LED trạng thái trên SB
2. Bộ phận kết nối dây

Hình 6.

Board tín hiệu (Signal board)


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
Hình 7.

Module tín hiệu (Signal module)

1. Các LED trạng thái
dành cho
module truyền thông
2. Bộ phận kết nối
truyền thông

Hình 8.

Module truyền thông (Communication module).