Ứng dụng PLC S71200 điều khiển và ổn định tốc độ động cơ một chiều

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
MƠN : ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Họ và tên

: Nguyễn *** ***

Lớp

: Điện 0* – K1*

Mã sv

: 201760***

GVHD

: Bùi Thị Khánh Hòa


Bộ Cơng Thương

Cộng Hịa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Độc Lập–Tự Do-Hạnh Phúc

Bài Tập Lớn: Điều Khiển Lập Trình PLC
Đề số 03
Họ và tên: Nguyễn *** ***

Lớp: Điện 0*

Khóa:

Khoa: Điện

K1*

NỘI DUNG
Đề tài: Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển và ổn định tốc độ động cơ một chiều

PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung
Chương 1: Cấu trúc chung của hệ thống
Chương 2: PLC S7 - 1200
Chương 3: Thiết kế , xây dựng hệ thống điều khiển
3.1: Yêu cầu công nghệ
3.2: Lựa chọn thiết bị( PLC, cảm biến , thiết bị đóng cắt, thiết bị bảo vệ,..)
3.3: Sơ đồ đấu nối ( mạch điều khiển , mạch lực )
3.4: Sơ đồ thời gian, lưu đồ thuật tốn
3.5: Viết chương trình
3.6: Kết quả vận hành và chạy mơ hình thực ( nếu có )
Chương 4: Kết luận
Tài liệu tham khảo
Yêu cầu về thời gian:

Ngày giao đề: 18/05/2020
TRƯỞNG BỘ MƠN

Ngày hồn thành: 12/6/2020
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Bùi Thị Khánh Hòa


Mục Lục
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................2
Chương 1 Cấu trúc chung của hệ thống ............................................................3
1.1 Khái quát chunng hệ thống: .....................................................................3
1.2 Cấu trúc hệ thống gồm: ............................................................................4
Chương 2 PLC S7 – 1200 .................................................................................4
2.1 Giới thiệu chung S7 -1200 .......................................................................4
2.1.1 Các dịng chính của PLC S7 – 1200 .................................................5
2.1.2 Modun mở rộng S7 – 1200 ...............................................................7
2.1.3 Tính năng nổi bật: .............................................................................7
2.1.4 Lập trình và giao tiếp ........................................................................8
2.1.5 Ứng dụng của PLC S7 – 1200 ..........................................................9
2.2 Giới thiệu về động cơ 1 chiều 775 150W ................................................9
2.3 Giới thiệu về encoder 1000 Xung Omron E6B2-CWZ6C ....................10
Chương 3 Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển ..........................................11
3.1 Yêu cầu công nghệ:................................................................................11
3.2 Lựa chọn thiết bị trong hệ thống:...........................................................11
3.3 Sơ đồ đấu nối .........................................................................................11
3.3.1 Sơ đồ đấu nối encoder: ....................................................................11
3.3.2 Bảng định địa chỉ ............................................................................12
3.3.3 Đấu nối Encoder - PLC – động cơ ..................................................13
3.4 Sơ đồ thời gian và lưu đồ thuật toán ......................................................14

3.4.1 Xử lý ON/OFF ................................................................................14
3.4.1 Lưa đồ thuật tốn chương trình khởi tạo bộ đếm HSC ...................14
3.4.2 Lưu đồ thuật toán khởi tạo PID ......................................................14
3.5 Viết chương trình ...................................................................................15
3.5.1 Chương trình điều khiển bật tắt hệ thống .......................................15
3.5.2 Gọi và sử dụng bộ đếm tốc độ cao ..................................................15
3.5.3 Gọi và sử dụng PID để ổn định tốc độ động cơ .............................18
Chương 4 Kết luận ..........................................................................................19
4.1 Ưu điểm đạt được ..................................................................................19
4.2 Nhược điểm ...........................................................................................19
1


LỜI MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, có rất nhiều giải pháp về cơng nghệ, nhưng
để chọn một giải pháp tối ưu về mặt công nghệ mang tính hiện đại và tính hiệu quả
cao trong kinh tế trong đó có giải pháp sử dụng PLC điều khiển trong công nghiệp.
Động cơ điện một chiều là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
đơn giản đến phức tạp và động cơ làm việc một cách hiệu quả địi hỏi phải có một
cách điều khiển tối ưu. Xuất phát từ thực tế đó , dưới sự hướng dẫn của cơ giáo Bùi
Thị Khánh Hịa em đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Ứng dụng PLC S7-1200 điều
khiển và ổn định tốc độ động cơ một chiều”. Do kiến thức và kinh nghiệm chưa nhiều
nên trong q trình tìm hiểu khơng thể tránh hỏi sai sót em mong cơ giúp đỡ để đề tài
này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


Chương 1 Cấu trúc chung của hệ thống

1.1 Khái quát chunng hệ thống:

PLC S7 -1200
Stop

Start

Digital input
r

Run
Khối điều khiển
PID

Digital output

3


1.2 Cấu trúc hệ thống gồm:
 1 bảng điều khiển ( bật / tắt hệ thống có đèn báo run )
 1 bộ PLC S7-1200
 1 động cơ motor
 1 encoder

Chương 2 PLC S7 – 1200
2.1 Giới thiệu chung S7 -1200
S7 -1200 là một dòng của bộ điều hiển logic lập trình ( PLC ) có thể kiểm sốt
nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn chi phí thấp và một tập lạnh mạnh làm
cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng với S7 – 1200

S7 – 1200 bao gồm một microprocesor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn
các đầu vào đầu 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 TCP/IP.
Ngồi ra bạn cịn có thẻ dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485
hoặc RS232
Phần mề để lập trình cho S7 – 1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ 3 ngơn
ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA portal 11
của Siemens.

4


2.1.1 Các dịng chính của PLC S7 – 1200
S7-1200 có 5 dòng là: CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C,
CPU 1217C.
 PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory.
 PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory.
 PLC S7-1200 CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.
 PLC S7-1200 CPU 1215C có bộ nhớ làm việc 125KB work memory.
 PLC S7-1200 CPU 1217C có bộ nhớ làm việc 150KB work memory.
Đặc tính kỹ thuật của CPU S7 – 1200 Siemens:

Tính năng

CPU1211C

CPU1212C

CPU1214C

CPU1215C

Kích thước
(mm)

90x100x75

90x100x75

110x100x75

130x100x75

Work

30 Kbytes

50 Kbytes

75 Kbytes

100 Kbytes

Load

1 Kbyte

1 Kbyte

4 Kbytes

4 Kbytes

Retentive

10 Kbytes

10 Kbytes

10 Kbytes

10 Kbytes

Bộ nhớ
người
dùng

5


Kiểu số

6 inputs / 4
outputs

8 inputs / 6
outputs

Kiểu
tương tự

2 inputs

2 inputs

2 inputs

2 inputs / 2
outputs

Input

1024 bytes

1024 bytes

1024 bytes

1024 bytes

Output

1024 bytes

1024 bytes

1024 bytes

1024 bytes

Bít nhớ (M)

4096 bytes

4096 bytes

4096 bytes

4096 bytes

Module mở rộng vào ra
( SM )

None

2

8

8

1

1

1

1

3

3

3

3

3 buildinI/O,5 with
SB

4 buildinI/O,6 with
SB

6

6

3 at 100kHz

3 at 100kHz

3 at 30kHz

3 at 30kHz

1 at 20kHz

3 at 80kHz

3 at 80kHz

SB: 2 at
20kHz

3 at 20kHz

3 at 20kHz

4

4

4

I/O Tích
hợp trên
CPU
(on broad)
Kích
thướcBộ
đệm

14 inputs / 10 14 inputs / 10
outputs
outputs

Board tín hiệu (SB)
Board pin
(BB) hoặc Board
truyền thông
Module truyền thông
(CM, mở rộng về phía
bên trái)

total

Bộ đếm
Tốc độ
cao

Singe
phase

Quadrature
phase

Ngõ xung ra

3 at 100kHz
SB: 2 at
30kHz

1 at 30kHz
SB: 2 at
30kHz

3 at 80kHz
SB: 2 at
20kHz

3 at 100kHz

3 at 80kHz

4

Card nhớ

SIMATIC memory card (optinal)

Lưu trữ thời gian đồng
hồ thời gian thực

Chuẩn là 20/ nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 40oC
(duy trì bằng tụ điện có điện dung lớn)
6


1 cổng truyền thơng Ethernnet

PROFINET
Tốc độ thực thi phép
tốn thực

2,3 µs/lệnh

Tốc độ thực thi logic

0,08 µs/lệnh

Boolean
Load memory

: chứa bộ nhớ chương trình khi down xuống

Work memory

: bộ nhớ lúc làm việc

System memory
chứa các dữ liệu vào đây
2.1.2

2 cổng truyền
thơng
Ethernnet

: có thể setup vùng này trong hardware config, chỉ cần

Modun mở rộng S7 – 1200

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngồi để
mở rộng chức năng của CPU. Ngồi 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, thơng số và

quy định của nhà sản xuất.
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
– Communication module (CP).
– Signal board (SB)
– Signal Module (SM)
2.1.3 Tính năng nổi bật:
 Cổng truyền thơng Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thơng PLCPLC
 Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo
 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s
 Hỗ trợ 16 kết nối ethernet
 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và
đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
7


 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ
lái servo (servo drive)
 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve,
hay điều khiển nhiệt độ…
 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển
(auto-tune functionality)
 Thiết kế linh hoạt:
 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn
trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà khơng thay
đổi kích thước hệ điều khiển
 Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra.

Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU
 3 module truyền thơng có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền
thông, vd module RS232 hay RS485
 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương
trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware
 Chẩn đoán lỗi online / offline
2.1.4

Lập trình và giao tiếp

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba
ngơn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA
Portal 11 của Siemens.

8


S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point).
Giao tiếp PROFINET với:
o Các thiết bị lập trình
o Thiết bị HMI
o Các bộ điều khiển SIMATIC khác
Hỗ trợ các giao thức kết nối:
o TCP/IP
o SIO-on-TCP
o Giao tiếp với S7
2.1.5

Ứng dụng của PLC S7 – 1200

-

Điều khiển ổn định động cơ

-

Hệ thống băng tải

-

Điều khiển đèn chiếu sáng

-

Điều khiển bơm cao áp

-

Máy đóng gói

-

Máy in

-

Máy dệt

-

Máy trộn v.v…

2.2 Giới thiệu về động cơ 1 chiều 775 150W
Motor 775 150W trục trịn đường kính 5mm Sử dụng rộng rãi trong việc chế
máy khoan cắt tay, máy tiện, máy phay, máy bơm, máy hút bụi, máy cắt cỏ và cả máy
phát điện mini…
Thông số kỹ thuật Motor 775 150W:
- Điện áp hoạt động: 12-24V
- Tốc độ cực đại tại 24V: 16000 RPM
- Cơng suất: 150w
- Dịng điện khơng tải: 1.05A
- Đường kính động cơ: 42mm
- Đường kính trục quay: 5mm
-Chiều dài động cơ (khơng có trục): 66.5mm
- Mơ-men xoắn 3.4KG
9


Sử dụng rộng rãi trong việc chế máy khoan cắt tay, máy tiện, máy phay, máy
bơm, máy hút bụi, máy cắt cỏ và cả máy phát điện mini…

2.3 Giới thiệu về encoder 1000 Xung Omron E6B2-CWZ6C
Encoder 1000 xung E6B2-CWZ6C được sản xuất bởi chính hãng Omron cho độ
chính xác, độ ổn định và độ bền cao
Encoder 1000 xung Omron E6B2-CWZ6C được sử dụng để kết nối với động cơ hoặc
các cơ cấu cần xác định tọa độ, vị trí,..., Encoder có độ chính xác cao lên đến 1000
xung/ 1 vịng (1000 p/r) với 3 kênh xung đầu ra riêng biệt A, B, Z.
Thông số kỹ thuật:

Model: Omron E6B2-CWZ6C 1000 p/r


Điện áp sử dụng: 5~24VDC.

Dòng tiêu thụ: max 80mA

Số xung: 1000 xung / 1 vòng (1000 p/r)

Số kênh xung: 3 kênh xung riêng biệt A, B, Z.

Tần số đáp ứng tối đa: 100Khz

Dạng ngõ ra xung: NPN cực thu hở (cần mắc trở treo lên VCC để tạo mức cao
(High))

Đường kính trục: 6mm

Đường kính thân: 40mm

10


Chương 3 Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển
3.1 Yêu cầu công nghệ:
Ứng dụng PLC- S7-1200 CPU1212C DC/DC/DC đo, điều khiển ổn định tốc độ
động cơ một chiều:
Khi ấn On ở bảng điều khiển thì hệ thống hoạt động, đèn báo Run sáng báo
hiệu hệ thống hoạt động và động cơ bắt đầu chạy
Khi động cơ chạy làm quay encoder. Encoder bắt đầu đếm xung và gửi về bộ
đếm tốc độ cao
Bộ đếm tốc độ cao hận tín hiệu từ encoder và phản hồi lại tốc độ cho bộ điều

khiển PID để điều khiển cho động cơ chạy quanh giá trị đặt trước setpoint=10000v/p
Ấn OFF hệ thống dừng hoạt động
3.2 Lựa chọn thiết bị trong hệ thống:
 PLC S7 -1200 CPU 1212C DC/DC/DC của hãng Siemens sản xuất
 2 Nút nhấn : Start, Stop
 1 đèn báo : đèn báo hệ thống hoạt động (RUN)
 Một động cơ motor 775 chạy nguồn điện 24V
 Một encoder Omron E6B2-CWZ6C chạy 1000 xung/vịng có điện áp sử
dụng 24V
3.3 Sơ đồ đấu nối
3.3.1 Sơ đồ đấu nối encoder:
Màu

Chức năng

Nâu (Brown)

Nguồn cấp 24VDC

Đen (Black)

Đầu ra pha A (đếm xung)

Trắng (White)

Đầu ra pha B (đếm xung)

Cam (Orange)

Đầu ra pha Z (đếm vòng quay)

Xanh (Blue)

Chân đất 0V

11


Bên trong encoder:

3.3.2 Bảng định địa chỉ

Tên

Địa chỉ

Chức năng

Đầu ra pha A (encoder)

I0.0

Đếm xung từ encoder

Đầu ra pha B (encoder)

I0.1

Đếm xung từ encoder

ON

I0.2

Bật hệ thống

OFF

I0.3

Tắt hệ thống

Động cơ

Q0.0

Động cơ

12


Nhập địa chỉ trên PLC S7 – 1200:

3.3.3 Đấu nối Encoder - PLC – động cơ

Pha A ( đen)

xanh
Encoder
ON

Pha B ( trắng)

DC

+

-

+

2

M

4
24VDC
V

13

L

-

24VDC

OFF

3.4 Sơ đồ thời gian và lưu đồ thuật toán
3.4.1 Xử lý ON/OFF

ON (I0.2)

OFF (I0.3)

Run ( Q0.0)

3.4.1 Lưa đồ thuật tốn chương trình khởi tạo bộ đếm HSC
HSC

+Khởi tạo bộ đếm hsc
+Quy đổi tín hiệu xung ra
tốc độ (v/p)
Tốc độ = (xung đếm
được/1000)*60 (v/p)

End
3.4.2 Lưu đồ thuật toán khởi tạo PID

PID

Khởi tạo bộ PID
(setup các thông số)

End
14

3.5 Viết chương trình
3.5.1 Chương trình điều khiển bật tắt hệ thống

3.5.2 Gọi và sử dụng bộ đếm tốc độ cao

15


16


Chuyển đổi dữ liệu để tính tốn tốc độ:

Tính tốn tốc độ động cơ:

17


3.5.3 Gọi và sử dụng PID để ổn định tốc độ động cơ

18


Chương 4 Kết luận
4.1 Ưu điểm đạt được
 Biết cách sử dụng bộ đếm tốc độ cao
 Tìm hiểu được bộ PID trong PLC S7-1200
 Áp dụng được công nghệ vào điều khiển và ổn định tốc độ động cơ một
chiều.
4.2 Nhược điểm

 Chi phí của cơng nghệ tốn kém
 Chưa có mơ hình thực

19