Thiết kế và thi công mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng WinCC, PLC s7 1200

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

SVTH: NGUYỄN PHÚC VINH

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG NHÀ
MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
BẰNG WINCC, PLC S71200

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. NGUYỄN HOÀI BÃO

Nha Trang - 2017


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Số:

/2012/QĐ-ĐĐT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Khánh Hòa, ngày

QUYẾT ĐỊNH
V/v giao đồ án tốt nghiệp đại học

tháng

năm 2012


3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA
TRANG

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: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN

XUẤT XI MĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG WINCC, PLC S7-1200
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phúc Vinh

MSSV: 55132345

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử

Hệ: Chính quy. Khóa: 55

Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Chất lượng hình thức

2. Chất lượng nội dung

Khánh Hòa, ngày

tháng năm 2017

Người nhận xét
3. Điểm đánh giá:
Bằng số Bằng chữ

Điểm kết luận của Hội đồng chấm Đồ án
Điểm số

Điểm bằng chữ
Khánh Hòa, ngày

Thư ký Hội đồng
(Ký, ghi rõ họ tên)

tháng 6 năm 2017

Chủ tịch hội đồng
(Ký, ghi rõ họ tên)


i

LỜI CẢM ƠN.

Lời đầu, em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử và
toàn thể giáo viên trong trường Đại Học Nha Trang, đã hết lòng truyền thụ kiến thức
quý giá và bổ ích cho chúng em trong suốt bốn năm học tập tại trường.
Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Th.S Nguyễn Hoài Bão, người đã
chỉ bảo giúp đỡ em có thể hồn thành đồ án. Xin chân thành cảm ơn thầy.
Và em cũng xin cảm ơn bố mẹ, bạn bè, những người thân xung quanh, những người
giúp đỡ em về mặt tinh thần cũng như vật chất để em hoàn thành đồ án này. Xin chân
thành cảm ơn tất cả mọi người.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, do còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng
như kỹ năng thực tế nên đồ án cịn nhiều thiếu sót. Em kính mong thầy cơ và bạn bè
có những ý kiến đóng góp quý báu để kiến thức trong lĩnh vực tự động hóa được hồn
thiện hơn.
Cuối cùng, em xin kính chúc q thầy cơ trong và ngoài khoa Điện – Điện Tử trường
Đại Học Nha Trang thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để thực hiện sứ mệnh tốt đẹp của
mình và truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 6 năm 2017
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Phúc Vinh

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN. ............................................................................................................ i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. ......................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài. ..........................................................................................1
1.2. Mục đích của đề tài. .......................................................................................2
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ....................................................................2
1.3.1.

Nhiệm vụ của đề tài .............................................................................2

1.3.2.

Giới hạn của đề tài. ..............................................................................2

1.4. Phương pháp nghiên cứu. ..............................................................................2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ..........................................................................3
2.1. Giới thiệu PLC S7-1200 . ..............................................................................3
2.1.1.

Giới thiệu chung ..................................................................................3

2.1.2.

Cấu trúc phần cứng. .............................................................................4

2.1.3.

Cấu trúc bộ nhớ CPU. .........................................................................6

2.1.4.

Vòng quét chương trình PLC. .............................................................8

2.1.5.

Các chế độ hoạt động của CPU ...........................................................9

2.2. Giới thiệu SCADA, WinCC. .......................................................................10
2.3. Giới thiệu về phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 và WinCC. ...............11
2.3.1.

Phần mềm TIA PORTAL V13 lập trình cho PLC S7-1200..............11

2.3.1.1. Sơ lượt về phần mềm.........................................................................11


iii

2.3.1.2. Hướng dẫn sử dụng các cửa sổ cơ bản của phần mềm......................12
2.3.1.3. Cách tạo và xây dựng một Project trong TIA V13 ...........................16
2.3.2.

Phần mềm WINCC V7.4 thiết kế giao diện cho WinCC. .................17

2.3.2.1. Hệ điều hành hỗ trợ cho phần mềm. .................................................17
2.3.2.2. Cách thiết kế giao diện, lập trình cơ bản trong WinCC. ...................18
2.4. Tìm hiểu quy trình hoạt động của nhà máy sản xuất Xi Măng. ..................30
2.4.1.

Khái niệm và định nghĩa một số loại xi măng...................................30

2.4.2.

Sơ lượt về tình hình cơng nghệ sản xuất xi măng trên tồn Thế Giới

và Việt Nam. .....................................................................................................31
2.4.2.1. Ngành xi măng trên Thế Giới và phương hướng phát triển. .............31
2.4.2.2. Ngành xi măng Việt Nam. .................................................................32
2.4.3.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của một số nhà máy.
34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI
MĂNG. ......................................................................................................................43
3.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mô hình. .......................................43
3.1.1.

Sơ đồ khối .........................................................................................43

3.1.2.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ. ........................................................44

3.2. Lựa chọn thiết bị dùng trong mơ hình .........................................................45
3.3. Thiết kế phần cứng ......................................................................................46
3.3.1.

Thiết kế mơ hình................................................................................46

3.3.2.

Sơ đồ nối dây .....................................................................................46

3.4. Bài tốn lập trình. ........................................................................................49
CHƯƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI
MĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT WINCC. ....................................................50


iv

4.1. Thi cơng mơ hình cơ khí mơ phỏng nhà máy xi măng. ...............................50
4.1.1.

Thi cơng mơ hình thật. ......................................................................50

4.1.2.

Cấu tạo mơ hình. ...............................................................................51

4.2. Chương trình điều khiển trên PLC và WIN CC. .........................................53
4.2.1.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống. .................................................53

4.2.2.

Lập trình trên PLC S7-1200. .............................................................54

4.2.2.1. Lưu đồ thuật tốn...............................................................................54
4.2.2.2. Quy định các tag vào ra trong PLC. ..................................................57
4.2.2.3. Chương trình điều khiển PLC S7-1200. ............................................58
4.2.3.

Lập trình trên WIN CC. .....................................................................67

4.2.3.1. Các tag trên WINCC. ........................................................................67
4.2.3.2. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên WINCC. ..................69
4.2.3.3. Lập trình C cho toàn bộ hệ thống với Global Script .........................71
4.3. Phương pháp vận hành, điều khiển mơ hình. ..............................................81
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................84
5.1. Kết quả mơ hình ..........................................................................................84
5.2. Kết luận........................................................................................................88
5.3. Hướng phát triển đề tài. ...............................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ........................................................................................89


v

DANH MỤC HÌNH

Hình 2. 1: Các bộ phần cơ bản trên PLC S7-1200 ......................................................4

Hình 2. 2: Vịng qt chương trình PLC. ....................................................................9
Hình 2. 3: Hệ thống giám sát và thu nhập dữ liêu SCADA điển hình. .....................10
Hình 2. 4: Cửa sổ "Portal view" của phần mềm TIA V13. .......................................12
Hình 2. 5: Cửa sổ "Devices & networks" của phần mềm TIA V13. ........................13
Hình 2. 6: Cửa sổ "Online & diagnostics" của phần mềm TIA V13. .......................14
Hình 2. 7: Cửa sổ "Main OB1" của phần mềm TIA V13. ........................................15
Hình 2. 8: Sơ đồ xây dựng một Project. ....................................................................16
Hình 2. 9: Cửa sổ "Create new project" trong phần mềm TIA V13. ........................16
Hình 2. 10: Cửa sổ "Add new device" của phần mềm TIA V13. .............................17
Hình 2. 11: Hộp thoại WinCC Explorer để tạo New Project trong WinCC .............18
Hình 2. 12: Cửa sổ Add new dirver để kết nối với PLC ...........................................19
Hình 2. 13:Cài đặt thơng số kết nối PLC với WinCC. ..............................................20
Hình 2. 14: Tạo một Picture từ cơng cụ Graphics Designer. ....................................22
Hình 2. 15: Thao tác cơ bản với Picture. ..................................................................22
Hình 2. 16: Giao diện thiết kế Graphics Designer. ...................................................23
Hình 2. 17: Nhóm vẽ đối tượng Windows Objects trong Graphics Designer. .........24
Hình 2. 18: Cửa sổ Button Configuration .................................................................24
Hình 2. 19: Cửa sổ I/O Field Configuration. ............................................................25
Hình 2. 20: Nhóm vẽ đối tượng Smart Object trong Graphics Designer..................25
Hình 2. 21: Cửa sổ Library trong Graphics Designer. ..............................................26
Hình 2. 22: Cửa sổ Edit Action lập trình C-Action trong WinCC ............................26
Hình 2. 23: Mở Global Scipt để lập trình cho tồn bộ WinCC.................................27
Hình 2. 24: Cửa sổ làm việc của C-Editor của Global Scipt. ...................................27
Hình 2. 25: Cửa sổ Computer Properties để cài đặt các thơng số trước khi Runtime.
...................................................................................................................................29
Hình 2. 26: Phịng điều khiển trung tâm của nhà máy xi măng Hoàng Thạch. ........34


vi

Hình 2. 27: Sơ đồ cơng nghệ nhà máy xi măng Hồng Thạch. ................................35
Hình 2. 28: Mặt bằng tổng thể dây chuyền sản xuất xi măng VLXD Bỉm Sơn. ......38
Hình 2. 29: Sơ đồ dây chuyền sản xuất xi măng VLXD Bỉm Sơn. ..........................38
Hình 2. 30: Tồn cảnh nhà máy xi măng Hồng Mai. ..............................................41
Hình 2. 31: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ nhà máy sản xuất xi măng Hồng Mai. ..42
Hình 3. 1: Sơ đố khối nguyên lý hoạt động của mơ hình..........................................43
Hình 3. 2: Mơ hình phần cứng thiết kế trên CorelDRAW X5 ..................................46
Hình 3. 3: Sơ đồ nối dây của mơ hình.......................................................................47
Hình 4. 1: Mặt trước của mơ hình thật mơ phỏng nhà máy sản cuất xi măng ..........50
Hình 4. 2: Mặt bên của mơ hình thật mơ phỏng nhà máy sản xuất xi măng ............51
Hình 4. 3: CB 1 pha 10A. ..........................................................................................51
Hình 4. 4: Quạt mini 24VDC. ...................................................................................52
Hình 4. 5: Nút nhấn nhả có đèn báo ..........................................................................52
Hình 4. 6: Đèn báo 24VDC. ......................................................................................52
Hình 4. 7: Jack đực bắp chuối 4mm. .........................................................................53
Hình 4. 8: Jack cái bắp chuối 4mm. ..........................................................................53
Hình 4. 9: Sơ đồ khối hệ thống mơ hình điều khiển. ................................................53
Hình 4. 10: Lưu đồ thuật tốn bắt đầu. .....................................................................55
Hình 4. 11: Lưu đồ thuật tốn lúc nhấn ON..............................................................56
Hình 4. 12: Ký hiệu các tag ngõ vào ra PLC quy định trong phần mềm TIA V13. .57
Hình 4. 13: Dữ liệu thời gian trong Data Block. .......................................................57
Hình 4. 14: Cài đặt tag kết nối WinCC và In_Out của PLC. ....................................67
Hình 4. 15: Cài đặt các tag bit nhớ PLC. ..................................................................68
Hình 4. 16: Cài đặt tag giá trị thời gian.....................................................................68
Hình 4. 17: Giao diện màn hình 1 giới thiệu trên WinCC ........................................69
Hình 4. 18: Giao diện màn hình chính điều khiển mơ hình mơ phỏng nhà máy sản
xuất xi măng trên WinCC .........................................................................................70
Hình 4. 19: Giao diện màn hình sơ đồ khối của mơ hình trên WinCC. ....................71
Hình 4. 20: Các bước nạp chương trình PLC từ TIA V13. .......................................81

vii

Hình 4. 21: Các nút chuyển màn hình Picture trên WinCC. .....................................82
Hình 4. 22: Báo đang hoạt động TAY hay WINCC khi rê chuột vào TAY/WINCC.
...................................................................................................................................82
Hình 4. 23: Bảng điều khiển mơ hình trên WinCC. ..................................................83
Hình 5. 1: Mơ hình thực tế ........................................................................................84
Hình 5. 2: Silo Đá Vơi, Đá Sét hoạt động trên WinCC ............................................85
Hình 5. 3: Khu Nghiền Clinker hoạt động trên WinCC............................................85
Hình 5. 4: Khu Nung Clinker hoạt động trên WinCC ..............................................86
Hình 5. 5: Silo Clinker, Thạch Cao hoạt động trên WinCC .....................................86
Hình 5. 6: Khu Nghiền Xi Măng hoạt động ..............................................................87
Hình 5. 7: Silo Xi Măng hoạt động ...........................................................................87


viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2. 1: Thông số kỹ thuật các module CPU của PLC S71200 ..............................4
Bảng 2. 2: Các module hỗ trợ cho PLC S7-1200. .......................................................6
Bảng 2. 3: Các kiểu dữ liệu của Tag trong WinCC ..................................................21
Bảng 2. 4: Công suất sản xuất xi măng của 11 công ty lớn nhất Việt Nam (năm
2012)..........................................................................................................................33
Bảng 3. 1: Bảng ký hiệu sơ đồ nối dây .....................................................................48


ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

PLC

Programmable Logic Controller

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

WINCC

Windows Control Center

CPU

Central Processing Unit

HMI

Human Machine Interface

OB

Organization Blocks

FC

Function

FB

Funtion Block

DB

Data Block

I/O

Input/Output

DI

Digital Input

DO

Digital Output

TIA PORTAL

Totally Integrated Automation Portal

LAD

Ladder Diagram

VAC

Điện Áp Xoay Chiều

VDC

Điện Áp một Chiều


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.
1.1.
-

Lý do chọn đề tài.

Ngày nay, tự động hóa, SCADA và ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự
động, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ. Ứng
dụng nhiều trong sản xuất, phục vụ nhu cầu đời sống sinh hoạt ngày càng cao
của con người.

-

Với sự phát triển của khoa học cơng nghệ như hiện này thì việc ứng dụng thiết
bị logic PLC để tự động hóa q trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng xuất
lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề
cấp thiết và có tính thời sự cao. Bộ Mơn Điện Công Nghiệp – Khoa Điện Điện
Tử, trường Đại Học Nha Trang được hãng Siemen (Đức ) tài trợ PLC như S7200, S7-1200, LOGO,... Mặc khác đây là những thiết bị mà hiện nay các nhà
máy sản xuất, xí nghiệp đều hay sử dụng. Vì vậy việc làm quen tiếp xúc, tìm
hiểu và điều khiển nó trên mơ hình mơ phỏng là điều rất quan trọng cho công
việc của sinh viên trong tương lai.

-

Xi măng (từ tiếng Pháp: ciment) là một loại chất kết dính thủy lực, được dùng
làm vật liệu xây dựng. Công dụng quan trọng nhất của xi măng chính là sản
xuất vữa và bê tơng, chất kết dính của các kết tủa tự nhiên hoặc nhân tạo để
hình thành nên vật liệu xây dựng vững chắc, chịu được tác động thường thấy
của mơi trường.

-

Chính vì vậy mà em chọn đề tài : “Thiết kế và thi công mơ hình mơ phỏng
nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng WinCC, S7-1200”.
Một mặt, cải thiện hơn hệ thống thực hành thí nghiệm để cho sinh viên dễ dàng
áp dụng lý thuyết được học vào thực tế. Mặt khác, giúp cho sinh viên có kiến
thức cơ bản nhất về chuyên ngành để sau này không bị bỡ ngỡ về cơng việc
của mình.


2

1.2.
-

Mục đích của đề tài.

Nghiên cứu, ứng dụng kiến thức điều khiển tự động, để thiết lập hệ thống giám
sát bằng máy tính qua Win CC điều khiển mơ hình Nhà Máy Sản Xuất Xi
Măng. Ứng dụng vào việc giảng dạy và học tập tại phòng thực hành.

1.3.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài

-

Tìm hiểu lý thuyết về S7-1200, SCADA, WIN CC.

-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi măng và tính tốn thiết
kế.

-

Thi cơng mơ hình mơ phỏng ngun lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi
măng.

-

Giám sát và điều khiển mơ hình mơ phỏng nhà máy sản xuất xi măng hoạt
động theo yêu cầu bằng WinCC và S7-1200.
1.3.2. Giới hạn của đề tài.

-

Đề tài này chỉ xây dựng mơ hình mơ phỏng nhà máy để ứng dụng vào việc học
tập thực hành, chưa ứng dụng vào hệ thống thực tế

1.4.
-

Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
o Tìm hiểu các qui định về việc sản xuất xi măng, chất lượng của xi
măng…
o Nghiên cứu tài liệu hiện có hoặc trên mạng về lập trình PLC S71200 và
SCADA, WIN CC điều khiển mơ hình, lập trình và mơ phỏng trên máy
tính.

-

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
o Lập trình giao tiếp PLC với WIN CC điều khiển các thiết bị thực tế mô
phỏng việc sản xuất xi măng trong mơ hình.
o Lắp đặt và vận hành mơ hình thực tế.


3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
2.1.

Giới thiệu PLC S7-1200 .
2.1.1. Giới thiệu chung

-

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình, là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng
qua 1 ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật tốn đó bằng mạch
số.

-

Năm 2009, Siemens ra dịng sản phẩm PLC S7-1200 dùng để thay thế dần cho
PLC S7-200. So với PLC S7-200 thì PLC S7-1200 có những tính năng nổi trội
hơn:
o 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 giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng
sử dụng với S7-1200.
o S7-1200 bao gồm một bộ vi xử lí (Microprocessor), một nguồn cung
cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
o Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và
chương trình điều khiển:
 Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người
dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
 Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection”
để ẩn mã nằm trong một khối xác định.
o S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và
TCP/IP.
o Ngồi ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng
mạng RS232 hay RS485.
o Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step 7 Basic. Step 7 Basic
hỗ trợ ba ngơn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được
tích hợp trong phần mềm TIA PORTAL V13 của Siemens.

4

2.1.2. Cấu trúc phần cứng.

Hình 2. 1: Các bộ phần cơ bản trên PLC S7-1200
(1): Kết nối nguồn điện.
(2): Hệ thống kết nối dây (phía sau nắp PLC)
(3): Đèn LED cho biết trạng thái I/O của PLC
(4): Kết nối PROFINET
-

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ
nhớ khác nhau..

Bảng 2. 1: Thông số kỹ thuật các module CPU của PLC S71200
Chức năng

CPU 1211C

Kích thước vật lý

90 x 100 x 75

CPU 1212C

CPU 1214C
110 x 100 x 75

(mm)

Bộ nhớ người dùng:
 Bộ nhớ làm
việc
 Bộ nhớ nạp

 25 kB

 50 kB

 1 MB

 2 MB

 2 kB

 2 kB

 Bộ nhớ giữ lại
I/O tích hợp cục bộ

 6 ngõ

 Kiểu số

vào/4

 Kiểu tương tự

ngõ ra

 8 ngõ vào /

 14 ngõ vào/

6 ngõ ra

10 ngõ ra

 2 ngõ ra

 2 ngõ ra


5

 2 ngõ ra
Kích thước ảnh tiến

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

trình
Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các

Khơng

8192 byte

2

8

module tín hiệu
Bảng tín hiệu

1

Các module truyền

3 (mở rộng về bên trái)

thông
Các bộ đếm tốc độ

3

cao

4
 3 tại

 Đơn pha

100kHz

 Vuông pha

 3 tại 80

kHz

6
 3 tại 100

 3 tại 100

kHz

kHz

1 tại 30

3 tại 30

kHz

kHz

 3 tại 80

 3 tại 80

kHz

kHz

1 tại 20

3 tại 20

kHz

kHz

Các ngõ ra xung

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu trữ đồng Thơng thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
hồ thời gian thực
PROFINET

1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính

18 µs/lệnh

tốn thực
Tốc độ thực thi
Boolean

0,1 µs/lệnh

6

-

Họ 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 cịn có thể lắp đặt thêm các
module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.

Bảng 2. 2: Các module hỗ trợ cho PLC S7-1200.
Modul

Chỉ ngõ vào

Chỉ ngõ ra

e
8 x DC Out
8 x DC In
8 x Relay Out

Kết hợp In/Out
8 x DC In / 8 x DC Out
8 x DC In / 8 x Relay
Out

Kiểu
số

16 x DC Out

Module tín
16 x DC In

hiệu (SM)

Kiểu

16 x Relay
Out

Out
16 x DC In / 16 x
Relay Out

4 x Analog In 2 x Analog In

tương
tự

16 x DC In / 16 x DC

4 x Analog In / 2 x
Analog

8 x Analog In 4 x Analog In
Out

Kiểu

_

_

2 x DC In / 2 x DC Out

Bảng tín hiệu

số
Kiểu

_

1 x Analog In

_

(SB)

tương
Module truyền thơng (CM)
 RS485
 RS232

2.1.3. Cấu trúc bộ nhớ CPU.
-

Bộ nhớ của PLC S7-1200 được chia làm 3 vùng chính:


7

o Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia
thành 3 miền.
 OB (Organisation block): Miền nhớ chương trình tổ chức.
 FC (Function): Miền nhớ chương trình tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
 FB (Funtion block): Miền nhớ chương trình con, được tổ chức
thành hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối
chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải xây dựng thành một
khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data block).
o Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được
phân chia thành 7 miền khác nhau:
 I (Process image input): Miền bộ đệm dữ liệu các ngõ vào số.
Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc tất cả giá
trị logic của các cổng vào rồi cất giữ chúng trong vùng I. khi
thực hiện chương trình CPU sẽ sử dụng các giá trị trong vùng I
mà không đọc trực tiếp từ ngõ vào số.
 Q (Process image output): tương tự vùng I, miền Q là bộ đệm dữ
liệu cổng ra số. Khi kết thúc chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị
logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số.
 M (Memory): Miền các biến cờ. Do vùng nhớ này không mất
sau mỗi chu kỳ quét nên chương trìng ứng dụng sẽ sử dụng vùng
nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết. Có thể truy nhập nó
theo bit (M), byte (MB), theo từ (MW) hay từ kép (MD).
 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian bao gồm việc lưu trữ
các giá trị đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CVCurrent Value) cũng như các giá trị logic đầu ra của Timer.
 C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ
các giá trị đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CVCurrent Value) cũng như các giá trị logic đầu ra của Counter.

8

 PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External
input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ
được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương
trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB),
từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID).
 PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O External
output). Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo
từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD).
o Vùng chứa các khối lượng dữ liệu được chia thành 2 loại
 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành
khối. Kích thước hay số lượng khối do người sử dụng qui định.
Có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte( DBB),
từng từ (DBW), từ kép (DBD).
 L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối
chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụngcho các biến nháp
tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối đã
gọi nó. Tồn bộ vùng nhớ sẽ bị xố sau khi khối thực hiện xong.
Có thể truy nhập theo từng bit (L), byte (LB), từ LW), hoặc từ
kép (LD).
2.1.4. Vịng qt chương trình PLC.
-

PLC thực hiện các cơng việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu
trình lặp. Mỗi vịng lặp được gọi là một vòng quét. Mỗi vòng quét được bắt
đầu bằng việc 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 vịng qt, chương trình
được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1.

-

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ
đệm ảo (Q) tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý
các u cầu truyền thơng (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU. Mỗi vịng
qt có thể mơ tả như sau:


9

Gửi tín hiệu
tới đầu ra

Kiểm tra
trạng thái làm
việc của CPU

Xử lý các
u cầu về
truyền thơng
(nếu có)

Nhận các tín
hiệu đầu vào

Thực hiện
chương trình
điều khiển

Hình 2. 2: Vịng qt chương trình PLC.

- Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các
lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không
thông qua các bộ đệm.
2.1.5. Các chế độ hoạt động của CPU
-

CPU có 3 chế độ hoạt động: STOP, STARTUP, RUN. Các LED trạng thái
trên mặt trước của CPU hiển thị chế độ hiện thời của sự vận hành.
o Trong chế độ STOP: CPU không thực thi bất cứ chương trình nào,
người dùng có thể tiến hành tải xuống một đề án.
o Trong chế độ STARTUP: các khối tổ chức (OB) khởi động và được
thực thi một lần nếu có. Các sự kiện ngắt khơng được xử lý cho đến khi
chế độ RUN hoạt động.
o Trong chế độ RUN: chu kỳ quét được thực thi một cách lặp lại. Các sự
kiện ngắt có thể xuất hiện và được thực thi tại bất kỳ điểm nào nằm
trong chu kỳ chương trình. Người dùng khơng thể tiến hành tải xuống
đề án khi chế độ RUN hoạt động.


10

2.2.

Giới thiệu SCADA, WinCC.

Hình 2. 3: Hệ thống giám sát và thu nhập dữ liêu SCADA điển hình.
-

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống quản lý
tự động hóa trong cơng nghiệp với chức năng điều khiển giám sát và thu nhập

dữ liệu.

-

Một số chức năng cơ bản của hệ thống SCADA là:
o Điều khiển (Control)
o Hiển thị (Display): Trend (Historical), Table..
o Cảnh báo (Alarm).
o Lưu trữ (Archieve)
o In ấn (Report).

-

Một số phần mềm cho hệ SCADA hiện có tại Việt Nam là: WinCC (Siemens),
Fix-Intellution, Wonderware, Scitect, Plantscape (Honeywell)…

-

WinCC (Windows Control Center), là một phần mềm của hãng Siemens dùng
để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa
hẹp, WINCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện giữa


11

người và máy (IHMI-Integrated Human Machine Interface) trong hệ thống
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là
thu nhập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Những thành phần
có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người tích hợp những ứng dụng mới hoặc
có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.

-

WinCC cung cấp 3 giải pháp chính cho cấu hình:
o Sử dụng các cơng cụ chuẩn có sẵn.
o Sử dụng các ứng dụng của Windows có sẵn với WinCC bằng DDE,
OLE, ODBC và ActiveX.
o Sử dụng Visual C++ hay Visual Basic để tự phát triển các ứng dụng
nhúng vào WinCC.

-

Giao diện WinCC cung cấp các module hàm thích hợp với cơng nghiệp về
graphic display (màn hình đồ hoạ), messages (những thơng báo), archives (văn
thư lưu trữ) và reports (những báo cáo).

-

WinCC có thể tạo một giao diện Người – Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp
giữa con người và hệ thống máy , thiết bị điều khiển ( PLC, CNC,…) thông
qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn. Có thể
giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số,
cơng thức hoặc q trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao
tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động. Giao diện HMI
cho phép người vận hành giám sát các quy trình sản xuất và cảnh báo, báo
động hệ thống khi có sự cố. Do đó, WinCC là chương trình thiết kế giao diện
Người – Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống co quá trình
tự động hóa phức tạp và hiện đại.

2.3.

Giới thiệu về phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 và WinCC.
2.3.1. Phần mềm TIA PORTAL V13 lập trình cho PLC S7-1200.
2.3.1.1.

-

Sơ lượt về phần mềm.

Ban tự động hóa Cơng nghiệp của Siemens giới thiệu phần mềm tự động hóa
đầu tiên trong cơng nghiệp sử dụng chung một môi trường, một phần mềm duy


12

nhất cho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, gọi là Totally Integrated
Automation Portal (TIA PORTAL).
-

Được thiết kế với giao diện thân thiện, 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.
Trong đồ án này, em thực hiện trên phần mềm TIA PORTAL V13 để lập trình
cho PLC S7-1200.
2.3.1.2.

-

Hướng dẫn sử dụng các cửa sổ cơ bản của phần mềm

Cửa sổ “Portal view”: cung cấp chức năng tổng quan của phần mềm.

Hình 2. 4: Cửa sổ "Portal view" của phần mềm TIA V13.
o (1) Cung cấp các chức năng cơ bản của phần mềm.
o (2) Mở các dự án đã lập trình sẵn, tạo một dự án mới, di chuyển một dự
án, hoặc vào phần trợ giúp để hiểu rõ hơn về phần mềm.
o (3) Bảng lựa chọn những dự án có đã lưu được sắp xếp theo thời gian.
o (4) Vào dự án mà ta chọn, đi đến giao diện dự án.


13

-

Cửa sổ “Devices & Network”: là nơi cài đặt cấu hình cho các trạm, bao gồm
sắp xếp các giá (rack), các module, các giá vào ra phân tán, và các module
giao tiếp. Ta có thể thêm các module cần thiết, màn hình HMI, hoặc kết nối
lập trình Wincc có sẵn trong phần mềm…

Hình 2. 5: Cửa sổ "Devices & networks" của phần mềm TIA V13.
o (1) Tab để chuyển đổi giữa các thiết bị và kết nối mạng của các thiết bị
o (2) Thanh công cụ: bao gồm các công cụ cho mạng đồ họa của thiết bị,
cấu hình các kết nối và màn hình hiển thị thơng tin địa chỉ. Sử dụng
chức năng zoom phóng to, thu nhỏ để xem địa chỉ…
o (3) Khu vực đồ họa: hiển thị các thiết bị liên quan đến mạng, mạng lưới,
kết nối và các giao tiếp. Bạn có thể chèn các thiết bị từ các mục phần
cứng (6) và kết nối chúng với nhau.
o (4) Cung cấp tổng quan các đối tượng được tạo ra trong đồ họa. Bằng
cách giữ nút chuột, có thể nhanh chóng di chuyển các đối tượng mong
muốn và hiển thị chúng trong mục đồ họa.

o (5) Cửa sổ thanh kiểm tra hiển thị thông tin về các đối tượng đang được
chọn. Có thể chỉnh sửa các thiết lập của các đối tượng được chọn trong
“Properties” tab, đổi địa chỉ IP..