GIỚI THIỆU CHUNG
Đặt vấn đề
Nền công nghiệp Việt Nam và thế giới đang phát triển mạnh mẽ, từ sản xuất thủ công chuyển sang hiện đại hóa, đòi hỏi kho hàng phải đáp ứng nhu cầu lưu trữ hiệu quả Các kho hàng truyền thống gặp nhiều hạn chế như chiếm nhiều diện tích, không phân loại hàng hóa, khó kiểm soát số lượng hàng ra vào, và mất thời gian cho xuất nhập Để khắc phục, hệ thống kho tự động ra đời, sử dụng robot và công nghệ hiện đại, giúp quản lý hàng hóa tốt hơn, bảo quản hiệu quả, tiết kiệm thời gian và nhân công, mặc dù đầu tư ban đầu cao.
Chúng tôi đã thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động sử dụng bộ điều khiển PLC, đồng thời giám sát và điều khiển qua hệ thống SCADA để đáp ứng nhu cầu và lý do cụ thể.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Đề tài này tập trung vào việc thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển quy trình nhập xuất kho một cách chính xác, nhanh chóng và tự động Hệ thống còn bao gồm chức năng phân loại hàng hóa để tối ưu hóa khu vực lưu trữ trong kho Tất cả hoạt động sẽ được điều khiển và giám sát qua hệ thống SCADA, với giao diện điều khiển từ máy tính như WinCC và HMI Hệ thống cũng có khả năng dự đoán và cảnh báo các lỗi có thể xảy ra trong quá trình hoạt động, giúp kiểm tra số lượng hàng hóa hiệu quả hơn, rút ngắn thời gian và giảm thiểu sự can thiệp vào quá trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất của dây chuyền lưu trữ hàng hóa.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
• Phần mềm Tia Portal V15.1, HMI
• Động cơ bước và Driver TP6600
Thiết kế phần cứng và lập trình trên PLC S7-1200 điều khiển giám sát “Mô hình lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200”.
Phương pháp nghiên cứu
➢ Tham khảo tài liệu trên trang chủ http://www.siemens.com kết hợp với thực hành trực tiếp trên CPU 1214C của Siemens trên mô hình
➢ Tham khảo một số tài liệu do GVHD cung cấp; tài liệu trên các diễn đàn liên quan
➢ Khảo sát một số mô hình thực tế và một số đề tài trước.
Kế hoạch nghiên cứu
➢ Thu thập và nghiên cứu tài liệu
➢ Tìm hiểu PLC S7-1200, TIA Portal V15.1, Driver TP6600
➢ Phác thảo mô hình, viết chương trình
➢ Xây dựng mô hình, kiểm tra và sửa lỗi
➢ Kiểm tra, hoàn thiện phần cứng và chương trình
➢ Hoàn thành đồ án: đánh máy, in ấn, đóng bìa và nộp đề tài.
Nội dung đề tài
Đề tài được gồm 4 chương:
Giới thiệu tổng quát về đề tài “Mô hình lưu kho tự động ứng dụng PLC S7- 1200”
➢ Chương 2: Tổng quan về hệ thống Simatic S7-1200 và HMI
Giới thiệu về PLC S7-1200: các dòng CPU, cấu trúc phần cứng, I/O, các tập lệnh, phần mềm Tia Portal V15.1
➢ Chương 3: Thiết kế mô hình Lưu kho tự động
Thiết kế phần cứng, HMI và lập trình hệ thống
➢ Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Kết luận những gì đã đạt được trong đề tài và đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SIMATIC S7-1200 VÀ HMI4
Giới thiệu về PLC S7-1200
2.1.1 Tổng quan về nguồn gốc PLC
Năm 1968, công ty General của Mỹ đã giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên, nhưng hệ thống này vẫn còn cồng kềnh và đơn giản, gây khó khăn cho người vận hành và không đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng.
Hiện nay, thị trường có nhiều loại PLC từ các hãng sản xuất khác nhau như Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Schneider, Hitachi và Koyo, mỗi hãng đều có nhiều thế hệ sản phẩm khác nhau Bên cạnh đó, các hãng cũng cung cấp nhiều thiết bị liên quan như module và cảm biến để phục vụ cho quá trình tự động hóa.
2.1.2 Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay
➢ CPU S7 300: 312IFM; 312C; 313; 313C; 313C-2DP+P; 313C-2DP; 314; 314IFM; 314C-2DP+P; 314C-2DP; 315; 315-2DP; 315E-2DP; 316-2DP; 318-2
Controtechnique: Họ Compact TWD LCAA 10DRP; TWD LCAA 16DRP;
➢ AC 800M, đây là loại có 2 module CPU làm việc song song theo chế độ dự phòng nóng
2.1.3 Tổng quan về họ PLC S7-1200
Hình 2 2 PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY
S7-1200 là một bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý Với nhiều tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 cung cấp giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa của bạn.
➢ S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (I/O)
➢ Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển
All CPUs offer password protection to prevent unauthorized access to PLCs Additionally, you can utilize the "know-how protection" feature to safeguard your specific blocks.
Bộ điều khiển S7-1200 được trang bị cổng Profinet, hỗ trợ các tiêu chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối thông qua các module truyền thông mở rộng bằng RS485 hoặc RS232.
Hình 2 3 Các cổng kết nối S7-1200
➢ Tính năng kỹ thuật của CPU:
Bảng 2 1 Các module mở rộng của S7-1200
Môđun Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp vào/ra
8 ngõ vào DC 8 ngõ ra DC
16 ngõ vào DC 16 ngõ ra DC
4 vào tương tự/2 ra tương tự
Số 2 vào DC/2 ra DC
Tương tự 1 ra tương tự
Môđun truyền thông (CM): RS485 &
➢ S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng khác nhau
➢ Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là AC/DC/RLY, DC/DC/DC hay DC/DC/RLY
➢ Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware
➢ Chuẩn đoán lỗi online/offline
➢ Đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực
Bảng 2 2 Đặc điểm các dòng CPU
Word memory 25 Kbytes 50 Kbytes 75 Kbytes
Load memory 1 Mbytes 1 Mbytes 2 Mbytes
Retentive memory 2 Kbytes 2 Kbytes 2 Kbytes
Digital 6DI/4DO 8DI/6DO 14DI/10DO
Có giá trị 0-10VDC Full-scale range: 0-27648 Resolution: 10 bits
Vùng nhớ Bit (M) 4096 bytes 4096 bytes 8192 bytes
Mở rộng Board tín hiệu 1 max
Module truyền thông 3 (Lắp bên trái CPU)
Bộ đếm tốc độ cao 3 4 6
3 bộ 100kHz và 1 bộ 30kHz
3 bộ 100kHz và 3 bộ 30kHz
3 bộ 80kHz và 1 bộ 20kHz
3 bộ 80kHz và 3 bộ 20kHz Đầu ra xung (Pulse outputs)
2 2 bộ DC 100kHz 2 bộ RLY 1Hz
12 cạnh lên và 12 cạnh xuống Thẻ nhớ (Memory Card) Simatic Memory card (Optional)
Thời gian lưu trữ đồng hồ thời gian thực Được 10 ngày, nếu môi trường 40 o C thì được tối thiểu 6 ngày
Sai số đồng hồ thời gian thực ± 60s/tháng
Profinet Tích hợp 1 cổng truyền thông Ethernet trên
Tốc độ thực hiện câu lệnh toán học
Tốc độ thực hiện câu lệnh logic
Tốc độ thực hiện lệnh chuyển dữ liệu Word 12às/cõu lệnh
Truyền thông/kết nối 1 cổng RJ45 tốc độ 10/100Mb/s
Mở rộng module truyền thông
Bộ điều khiển S7–1200 có khả năng lập trình thông qua phần mềm Step 7 Basic, có sẵn trong TIA Portal phiên bản 10.5 hoặc cao hơn Lưu ý rằng thiết bị này không tương thích với các phiên bản cũ hơn của phần mềm Step 7.
➢ Các loại khối lập trình của S7-1200
• Chu kỳ chương trình OB1
• Các bộ khởi động OB100
• Các bộ ngắt thời gian OB200
• Các bộ chương trình ngắt OB200
• Các bộ ngắt phần cứng OB200
• Ngắt lỗi thời gian OB80
• Ngắt phát hiện lỗi OB82
Hình 2 5 Giao diện bắt đầu TIA Portal V15.1
Hình 2 6 Hình dáng bên ngoài S7-1200
➢ Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình
➢ Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off)
Đèn SF màu đỏ là tín hiệu cảnh báo rằng hệ thống gặp sự cố, có thể do lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành Cần phân biệt rõ giữa lỗi hệ thống và lỗi chương trình người dùng Ngoài ra, đèn cũng thể hiện trạng thái hoạt động của các ngõ vào ra và tình trạng hoạt động của CPU, đồng thời liên quan đến cổng kết nối Profitnet.
Khe cắ thẻ nhớ Khe kết nối dây trước khi download xuống CPU, phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi dịch sang mã máy
➢ Đèn Ix.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào số
➢ Đèn Qx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra số
2.1.6.2 Giao tiếp PLC S7 – 1200 với máy tính
➢ Để lập trình ta kết nối trực tiếp 1 PC với 1 PLC qua 1 dây cáp Ethernet
➢ Một PLC có thể kết nối trực tiếp với 1 thiết bị
➢ Để kết nối nhiều hơn 1 thiết bị với S7-1200 cần có cáp hay thiết bị chuyển đổi
➢ Sơ đồ chân cổng Ethernet của PLC :
Hình 2 7 Sơ đồ chân cáp Ethernet
2.1.7 Các tập lệnh cơ bản trong S7-1200
2.1.7.1 Tập lệnh tiếp điểm (Bit logic)
Tiếp điểm thường hở (NO), thường đóng (NC):
• Tiếp điểm NO: Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n bằng 1 Toán hạng n: I, Q, M, L, D
• Tiếp điểm NC: Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n bằng 0 Toán hạng n: I, Q, M, L, D
Thông số Kiểu dữ liệu Miêu tả
IN Bool Bit được gán giá trị
2.1.7.2 Cuộn dây ngõ ra (OUT)
Hình 2 9 Cuộn dây ngõ ra
Lệnh OUT thiết lập giá trị của bit tại địa chỉ n bằng 1 khi đầu vào của lệnh này là 1, và ngược lại Toán hạng n có thể là Q, M, L, hoặc D, và chỉ cho phép sử dụng một lệnh OUT cho mỗi trường hợp.
Lệnh OUT NOT có chức năng điều chỉnh giá trị của bit tại địa chỉ n, biến nó thành 1 khi đầu vào là 0 và ngược lại Các toán hạng có thể sử dụng bao gồm Q, M, L và D Lưu ý rằng chỉ nên áp dụng một lệnh OUT NOT cho mỗi địa chỉ.
Bảng 2 4 Cuộn dây ngõ ra
Thông số Kiểu dữ liệu Miêu tả
OUT Bool Bit được gán giá trị
2.1.7.3 Các lệnh Set và Reset
➢ Khi lệnh S (Set) được kích hoạt, giá trị dữ liệu ở địa chỉ OUT được đặt lên 1 Khi lệnh S không được kích hoạt, ngõ ra OUT không bị thay đổi
➢ Khi lệnh R (Reset) được kích hoạt, giá trị dữ liệu ở địa chỉ OUT được đặt về
0 Khi lệnh R không được kích hoạt, ngõ ra OUT không bị thay đổi
➢ Những lệnh này có thể được đặt tại bất cứ vị trí nào trong mạch
Thông số Kiểu dữ liệu Miêu tả
IN Bool Vị trí bit được giám sát
OUT Bool Vị trí bit được đặt hoặc đặt lại
2.1.7.4 Các bộ định thời (Timer)
➢ Kích thước và tầm của kiểu dữ liệu Time là 32 bit, lưu trữ như là dữ liệu
Dint: T#-14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_23s_647ms hay là - 2.147.483.648 ms đến 2.147.483.647 ms
• TP: bộ định thì xung phát ra một xung với bề rộng xung được đặt trước
• TON: ngõ ra của bộ định thời ON – delay Q được đặt lên ON sau một sự trì hoãn thời gian đặt trước
• TOF: ngõ ra Q của bộ định thì OFF – delay được đặt lại về OFF sau một sự trì hoãn thời gian đặt trước
TONR là một ngõ ra bộ định thì có khả năng ghi nhớ trạng thái ON, với độ trễ được thiết lập sau một khoảng thời gian nhất định Thời gian này sẽ được tích lũy qua nhiều giai đoạn định thì cho đến khi ngõ vào R được sử dụng để đặt lại thời gian đã trôi qua.
• RT: đặt lại một bộ định thì bằng cách xóa dữ liệu thời gian được lưu trữ trong khối dữ liệu tức thời của bộ định thì xác định
➢ Các bộ định thời TP, TON và TOF có các thông số ngõ vào và ngõ ra giống nhau
➢ Bộ định thời TONR có thông số ngõ vào đặt lại được thêm vào R
➢ Lệnh RT đặt lại dữ liệu định thời cho bộ định thời được chỉ định
Thống số Kiểu dữ liệu Miêu tả
IN Bool Ngõ vào bộ định thời cho phép
R Bool Đặt lại thời gian trôi qua của
PT Bool Ngõ vào giá trị thời gian đặt trước
Q Bool Ngõ ra bộ định thời
ET Time Ngõ ra giá trị thời gan trôi qua
Khối dữ liệu định thời
DB Chỉ ra bộ định thời nào để đặt lại với lệnh RT
➢ S7-1200 có ba bộ đếm Counter
• CTU: bộ đếm đếm lên
• CTD: bộ đếm đếm xuống
• CTUD: bộ đếm đếm lên và xuống
Thông sô Kiểu dữ liệu Miêu tả
CU, CD Bool Bếm lên hay đếm xuống, bởi một lần đếm R(CTU,CTUD) Bool Đặt lại giá trị đếm về không
LOAD(CTU,CTUD) Bool Nạp điều khiển cho giá trị đặt trước
Giá trị đếm đặt trước
Q,QU Bool Đúng nếu CV>=PV
QD Bool Đúng nếu CV= IN1 lớn hơn hay bằng IN2
