LUẬN văn hệ THỐNG hòa TRỘN CHIẾT rót hỗn hợp LỎNG DÙNG PLC s7 300 và GIÁM sát BẰNG PHẦN mềm WINCC . ứng dụng thiết bị cảm biến công nghiệp như : loadcell, photocell, module IO PLC để sinh viên dễ áp dụng trong môi trường nhà máy công nghiệp
TỔNG QUAN
Đặt Vấn Đề
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học kỹ thuật và tự động hóa, cơ điện tử đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý và công nghiệp Việc áp dụng hiệu quả công nghệ này là cần thiết để thúc đẩy sự tiến bộ trong kỹ thuật điều khiển tự động Qua các đợt thực tập tại nhà máy và khu công nghiệp, chúng tôi nhận thấy rằng nhiều quy trình sản xuất, như trong nhà máy nước đóng chai, đã được tự động hóa Tuy nhiên, các doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn chưa hoàn toàn áp dụng tự động hóa, dẫn đến năng suất thấp do phụ thuộc vào nhân công Với kiến thức đã học và thực tế quan sát, chúng tôi quyết định thiết kế một mô hình hệ thống chiết rót hỗn hợp lỏng, sử dụng thiết bị chuyên dụng nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc, góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội.
Lịch Sử Giải Quyết Vấn Đề
Hệ thống chiết rót hỗn hợp lỏng rất phổ biến trong các nhà máy và xí nghiệp sản xuất, đặc biệt là trong ngành chế biến nước giải khát và bia Tuy nhiên, để triển khai một hệ thống chiết rót tự động hóa với thiết bị công nghiệp và mạng SCADA, cần có đầu tư lớn về trang thiết bị và nguồn nhân lực có trình độ cao Điều này tạo ra một hạn chế cho việc áp dụng hệ thống tự động trong các cơ sở sản xuất quy mô lớn.
Phạm Vi Và Phương Pháp Nghiên Cứu Đề Tài
Mạng SCADA là hệ thống điều khiển và giám sát phức tạp, đòi hỏi nghiên cứu sâu về nhiều khía cạnh Trong bối cảnh thời gian hạn chế, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào phần mềm WinCC của Siemens và PLC S7-300 để phát triển hệ thống hòa trộn và chiết rót hỗn hợp lỏng Nghiên cứu này bao gồm việc kết nối thiết bị, điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ hệ thống Mô hình thí nghiệm sử dụng phần cứng với PLC S7-300 CPU 314C-2DP, lập trình qua phần mềm Step 7 SIMATIC Manager theo phương pháp lập trình tuần tự, và toàn bộ chương trình tương tác, điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu được thực hiện bằng WinCC 6.0 của Siemens.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới Thiệu Sơ Lược PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi tác nhân ngõ vào hoặc qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và các sự kiện đếm Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ bật hoặc tắt thiết bị điều khiển bên ngoài, gọi là thiết bị vật lý Bộ điều khiển lập trình liên tục lặp lại chương trình do người dùng lập ra, chờ tín hiệu ngõ vào và xuất tín hiệu ngõ ra tại các thời điểm đã được lập trình PLC được phát triển để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, như bộ điều khiển Relay, nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong điều khiển tự động.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sữa chửa
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa những chương trình phức tạp
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Module mở rộng
- Giá cả có thể cạnh tranh được
Các thiết kế ban đầu được phát triển để thay thế các phần cứng Relay và Logic thời gian, đồng thời đáp ứng nhu cầu tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC Điều này đảm bảo tốc độ xử lý nhanh chóng và giá cả hợp lý, dẫn đến sự quan tâm sâu sắc trong việc ứng dụng PLC trong ngành công nghiệp.
Các tập lệnh đã tiến triển từ các lệnh logic cơ bản đến các lệnh đếm, định thời, và thanh ghi dịch, tiếp theo là các chức năng toán học trên các máy tính lớn Sự phát triển của máy tính đã tạo ra các bộ PLC với dung lượng lớn hơn và số lượng I/O phong phú hơn.
Trong hệ thống PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai yếu tố quan trọng cho quá trình điều khiển Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi chương trình được nạp vào bộ nhớ của PLC Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ mà không cần can thiệp vật lý, điều này giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với việc sử dụng dây nối hay Relay.
Cấu Trúc, Nguyên Lý Hoạt Động Của PLC
Hầu hết các PLC đều có thành phần chính là:
- Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng them một số bộ nhớ ngoài EPROM)
- Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC
Một bộ PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc bằng máy tính Các đơn vị lập trình đơn giản thường trang bị đủ RAM để lưu trữ chương trình một cách hoàn thiện hoặc bổ sung Đối với các đơn vị lập trình xách tay, RAM thường đi kèm với pin dự phòng, chỉ khi chương trình được kiểm tra và sẵn sàng thì mới được truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn, việc lập trình thường được thực hiện trên máy tính để hỗ trợ việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình kết nối với PLC thông qua các cổng như RS232, RS422, RS485, USB, và Ethernet.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC:
Đơn vị xử lý trung tâm:
CPU là bộ phận điều khiển các hoạt động bên trong PLC, đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Sau đó, CPU thực hiện từng lệnh theo thứ tự, điều khiển việc đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra này được gửi tới các thiết bị liên kết để thực hiện, và toàn bộ hoạt động này phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau
- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC, thông tin được truyền giữa bộ vi xử lý và các module vào/ra qua Data Bus, Address Bus và Control Bus với 8 đường Điều này cho phép truyền đồng thời 8 bit của 1 byte trong cùng một thời điểm.
Khi một module đầu vào nhận địa chỉ trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào vào Data Bus Nếu địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus Control Bus sẽ truyền các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế
Hệ thống Bus đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O Đồng thời, CPU nhận được xung Clock với tần số từ 1 đến 8 MHz, điều này không chỉ xác định tốc độ hoạt động của PLC mà còn cung cấp các yếu tố liên quan đến định thời và đồng hồ của hệ thống.
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
- Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O
- Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay
Mỗi lệnh trong chương trình được lưu trữ tại các vị trí riêng biệt trong bộ nhớ, với mỗi vị trí được đánh số bằng địa chỉ bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ được quản lý bởi một bộ đếm địa chỉ bên trong bộ vi xử lý, và bộ vi xử lý sẽ tăng giá trị của bộ đếm này lên một sau mỗi lệnh được xử lý Khi địa chỉ mới được xác định, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ được truy xuất, quá trình này được gọi là quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được cấu thành từ các vi mạch bán dẫn, với khả năng lưu trữ từ 2000 đến 16000 dòng lệnh tùy thuộc vào loại vi mạch Trong hệ thống PLC, các loại bộ nhớ như RAM và EPROM đều được áp dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) có khả năng nạp, thay đổi và xóa nội dung bất kỳ lúc nào, nhưng sẽ mất dữ liệu khi nguồn điện bị ngắt Để khắc phục điều này, các PLC được trang bị pin khô để cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế, RAM thường được sử dụng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Hiện nay, CMOSRAM trở thành xu hướng nhờ vào khả năng tiêu thụ điện năng thấp và tuổi thọ cao.
EPROM (Bộ nhớ chỉ đọc lập trình điện tử) là loại bộ nhớ mà người dùng chỉ có thể đọc mà không thể ghi Nội dung của EPROM không bị mất khi mất điện, và nó thường được cài sẵn trong thiết bị bởi nhà sản xuất, chứa hệ điều hành Nếu người dùng không cần mở rộng bộ nhớ, họ chỉ cần sử dụng EPROM đã được lắp đặt trong PLC Trên PG (Programmer) có chức năng để ghi và xóa EPROM.
Môi trường ghi dữ liệu thứ ba, như đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình để lưu trữ các chương trình lớn Với dung lượng lớn, đĩa cứng và đĩa mềm cho phép lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài, đảm bảo hiệu suất và tính khả dụng của các ứng dụng.
- Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300÷1000 dòng lệnh
- Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K÷16K, có khả năng chứa từ 2000÷16000 dòng lệnh
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM
Các tín hiệu từ bộ cảm biến được kết nối với các module đầu vào của PLC, trong khi các cơ cấu chấp hành được liên kết với các module đầu ra của PLC.
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiêu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC
Mỗi đơn vị I/O có một địa chỉ duy nhất, và trạng thái của các kênh I/O được hiển thị qua đèn LED trên PLC, giúp việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra
2.2.5 Các hoạt động xử lý bên trong PLC:
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ
PLC có bộ đếm địa chỉ trong vi xử lý, cho phép thực hiện chương trình trong bộ nhớ theo thứ tự từ đầu đến cuối Mỗi lần thực hiện toàn bộ chương trình được gọi là một chu kỳ thực hiện, với thời gian thực hiện phụ thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và kích thước chương trình Chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn liên tiếp.
Bộ xử lý trong PLC bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của tất cả các đầu vào thông qua hệ điều hành Sau đó, nó sẽ tuần tự đọc và xử lý các lệnh trong chương trình Trong quá trình này, bộ vi xử lý đọc tín hiệu từ các đầu vào, thực hiện các phép toán logic, và kết quả sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
- Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra.
Giới Thiệu Sơ Lược PLC S7-300 Với CPU 314C-2DP
Hình 2 1: CPU 314C-2DP và module mở rộng
PLC S7-300 có cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau:
- CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314C, 314IFM, 315- 2DP, 316-2DP…
- Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng /số: SM321, SM322,
- Module nguồn PS307 cáp nguồn 24VDC cho các module khác dòng 2A, 5A, 10A
- Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365
- Các Bus nối tích hợp phía sau các module
- Có thể nối mạng Multi Point Interface (MPI), Profibus hay Industrial Ethernet
- Thiết bị lập trình có thể truy cập đến các module
- Cài đặt cấu hình cà thông số với công cụ trợ giúp HW-Config
Các module được lắp đặt trên thanh rây với tối đa 8 module SM/FM/CP bên phải CPU, tạo thành một rack kết nối qua các connector ở mặt sau Mỗi module được đánh số theo thứ tự từ trái sang phải, với module nguồn ở slot 1, module CPU ở slot 2, và module kế ở slot 4.
Hình 2 2: Cấu hình một thanh rack của PLC S7-300
Khi sử dụng nhiều module, cần bố trí thành nhiều rack, ngoại trừ CPU 312IFM và CPU 313 chỉ có một rack CPU được đặt ở rack 0, slot 2, tiếp theo là module phát IM360 ở slot 3, có nhiệm vụ kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3 Mỗi rack này sẽ có module kết nối thu IM361, và bên phải mỗi module IM là module SM/FM/CP Cáp nối giữa hai module IM không được vượt quá 10m Các module được đánh số theo slot, từ đó làm cơ sở để thiết lập địa chỉ cho các module đầu vào ra tín hiệu Đối với các CPU 315-2DP, 316-2DP, 318-2, có thể gán địa chỉ tùy ý cho các module.
Bảng 2 1: Thông số kết nối CPU với các rack
Hình 2 3: Cấu hình tổng quát của một PLC S7-300 với 4 thanh rack nối với nhau nhờ
Phụ kiện: Bus nối dữ liệu
LED DC 24V Trạng thái Phản ứng của nguồn
Sáng liên tục Có điện áp 24V Có điện áp 24V
Bị sụt áp được hồi phục khi không còn quá tải Điện áp suy giảm, giảm tuổi thọ
Off Ngắn mạch lối ra Mất điện áp, tự động hồi phục khi ngắn mạch được loại bỏ
Off Quá áp hay thấp áp nguồn sơ cấp
Quá áp có thể gây thiệt hại Khi bị thấp áp tự động ngắt
Bảng 2 2: Kiểm tra phần cứng bằng cách nhìn LED ở bộ nguồn
Ho ạt động của một PLC S7-300 :
Hoạt động cơ bản của PLC rất đơn giản: hệ thống cổng vào/ra nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến, công tắc và động cơ Sau khi tiếp nhận tín hiệu, CPU sẽ xử lý thông tin và gửi tín hiệu điều khiển qua module xuất ra các thiết bị cần điều khiển.
Trong quá trình hoạt động, CPU thực hiện quét dữ liệu từ thiết bị ngoại vi qua ngõ vào và thực thi các chương trình trong bộ nhớ Một bộ đếm chương trình sẽ lấy lệnh từ bộ nhớ và chuyển đến thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng danh sách lệnh (STL) sẽ được dịch sang ngôn ngữ máy và lưu trữ trong bộ nhớ Sau khi hoàn thành chương trình, CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu đến các thiết bị thông qua module xuất Toàn bộ quy trình này, bao gồm đọc tín hiệu từ ngõ vào, thực hiện chương trình, và gửi cập nhật tín hiệu ra ngõ, được gọi là chu kỳ quét (Scanning).
Hình 2 4: Một vòng quét của PLC 2.3.1 Một số thông tin về CPU 314C-2DP:
Hình 2 5: Bộ điều khiển CPU và các thành phần hiển thị
Hình 2 6: Hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)
2.3.2 Mô tả các đèn báo trên S7-300 CPU 314C-2DP:
Đèn I/O LED ở cổng vào/ra thể hiện trạng thái tức thời của các tín hiệu I/O (Input/Output), phản ánh giá trị logic của cổng.
- SF: đỏ lỗi phần cứng hay mềm
- BF: đỏ bus bị lỗi (chỉ có ở CPU 313C-2DP và 314C-2DP)
- DC5V: lá cây nguồn 5V bình thường và S7 300 bus bình thường
- FRCE: vàng sang lên khi biến cưỡng bức có tác động
- RUN: lá cây CPU ở chế độ chạy, LED chớp khi khởi động với tần số 2Hz, ổn định ở chế độ RUN với 0.5 Hz
- STOP: vàng CPU ở trạng thái dững, tạm ngưng hoặc khởi động lại; LED chớp suốt khi bộ nhớ reset yêu cầu với tần số 0.5Hz, tự reset là 2Hz
CPU 31xC được thiết kế với 2 lỗ cấp nguồn cho 2 cực, với các lỗ có phần cuối đinh ốc được xếp theo hàng và luôn được gắn chặt vào CPU.
2.3.4 Thẻ nhớ mini (Micro Memory Card):
Thẻ nhớ MMC được sử dụng như bộ nhớ phụ cho CPU 31xC, cho phép tải dữ liệu vào ổ nhớ hoặc lưu trữ thông tin ở mức trung bình Việc lưu trữ dữ liệu trong MMC luôn phụ thuộc vào tình trạng hoạt động của CPU.
- Chương trình người dùng (tất cả hàm trong khối)
- Bộ lưu trữ và các công thức
- Cấu hình của dữ liệu (STEP 7 projects)
- Cập nhật sự hoạt động của hệ thống và sao lưu dữ liệu
Nhớ: trên một MMC ta chỉ có thể lưu giữ cấu hình của dữ liệu hay sự hoạt động của hệ thống
Loại Số seri thích hợp Yêu cầu Firmware cho cập nhật
MMC 2M 6ES7 953–8LL00–0AA0 CPU 312C/CPU 313C/CPU 31xC-2 PtP
MMC 4M 6ES7 953–8LM00–0AA0 CPU 31xC-2 DP
Bảng 2 3: Các MMC thích hợp cho CPU S7 300
- Truy ền thông bằ ng cáp Multi Point Interface (MPI):
RS485 được sử dụng để kết nối giữa CPU và PG/OP, đồng thời hỗ trợ kết nối với MPI cấp thấp hơn Mỗi CPU đều được trang bị một cổng RS485 để thực hiện truyền thông MPI hiệu quả.
Tốc độ truyền thông đặc trưng là 187.5 Kbps Ta cũng có thể dùng tốc độ truyền 19.2 Kbps giống S7-200 Còn những tốc độ truyền khác không dùng được
Khi sử dụng cáp MPI để kết nối với CPU, các tham số như tốc độ baud sẽ được truyền tự động Trong một chương trình tương ứng, hệ thống có khả năng tự động lấy ra các thông số chính xác và kết nối với một MPI cấp thấp hơn.
CPU đang hoạt động ta không thể kết nối cáp MPI)
- K ết nối cáp Profibus -DP:
Cáp Profibus-DP là giải pháp chính cho việc kết nối mạng phân tán các I/O, cho phép mở rộng kết nối hiệu quả Với tốc độ truyền tối đa lên đến 12 Mbps, Profibus-DP mang lại hiệu suất cao cho hệ thống tự động hóa.
Khi sử dụng cáp MPI để kết nối với CPU, các tham số như tốc độ baud sẽ được tự động truyền đi Trong một chương trình tương ứng, hệ thống có khả năng tự động lấy ra các thông số chính xác để kết nối với Profibus Đồng thời, người dùng có thể điều chỉnh để hạn chế việc truyền dữ liệu đến bus này.
CPU 313C-2DP và 314C-2DP được trang bị cáp Profibus-DP nên ta có thể thiết lập nó như hệ thống mẹ hay con tùy ý
2.3.6 Mở rộng cổng vào ra: có các loại module mở rộng sau
- PS (Power Supply): module nguồn nuôi, có loại 2A, 5A, và 10A
- SM (Singal Module): module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra gồm có:
DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số với số lượng cổng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo loại module Gồm 24VDC và 120/130VAC
DO (digital Output): module mở rộng các cổng ra số với số lượng cổng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo loại module Gồm 24VDC và ngắt điện từ
DI/DO (Digital Input/Digital Out): module mở rộng các cổng vào/ra số với số lượng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy từng loại module
Module AI (Analog Input) là một bộ mở rộng cổng vào tương tự, hoạt động như những bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bits (AD) Mỗi tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số nguyên 12 bits Số lượng cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8, tùy thuộc vào loại module Tín hiệu đầu vào có thể là dòng, áp suất hoặc trở.
Mô-đun AO (Analog Output) là thiết bị mở rộng các cổng vào tương tự, hoạt động như bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bits (AD) Số lượng cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8, tùy thuộc vào loại mô-đun Tín hiệu đầu vào có thể là dòng điện, điện áp hoặc trở kháng.
Module AI/AO (Analog Input/Analog Output) là thiết bị mở rộng cho các cổng vào và ra tương tự, với số lượng cổng có thể thay đổi tùy thuộc vào loại module, như 4 cổng vào/2 cổng ra hoặc 4 cổng vào/4 cổng ra.
Module ghép nối (IM) là một thành phần quan trọng trong hệ thống tự động hóa, có nhiệm vụ kết nối các module mở rộng thành một khối thống nhất được quản lý bởi module CPU Các module mở rộng thường được lắp đặt trên một thanh đỡ gọi là rack, với mỗi rack có khả năng chứa tối đa 8 module mở rộng, không tính module CPU và nguồn Một module CPU S7-300 có thể kết nối trực tiếp với tối đa 4 racks, và các racks này cần được nối với nhau thông qua module IM.
Ngôn Ngữ Lập Trình Của S7-300 (CPU314C-2DP)
Chương trình điều khiển S7-300 có thể được viết ở dạng đơn khối hay đa khối:
Chương trình đơn khối chỉ áp dụng cho các công việc tự động đơn giản, với các lệnh được sắp xếp tuần tự trong một khối Khi lập trình đơn khối, khối OB1 được sử dụng để thực hiện các lệnh Bộ PLC sẽ quét qua các lệnh trong khối và khi đến lệnh cuối cùng, nó sẽ quay lại lệnh đầu tiên để tiếp tục thực hiện.
Chương trình đa khối cho phép chia nhỏ nhiệm vụ tự động hóa phức tạp thành các phần riêng biệt gọi là khối Các khối này có thể được lồng ghép vào nhau, giúp chương trình linh hoạt hơn Khi một khối đang thực hiện, nó có thể gọi khối khác để xử lý công việc, và sau khi hoàn tất, chương trình sẽ trở về tiếp tục thực hiện ở khối ban đầu.
Các kh ối dùng để lập tr ình:
Khối tổ chức OB (Organization blocks)
Khối hàm hệ thống SFB (System function blocks) và hàm hệ thống SFC (system functions) tích hợp trong PLC
Khối hàm FB (Function Blocks) trong thư viện hay người dùng tự viết
Hàm FC (Function) trong thư viện hay người dùng tự viết
Khối dữ liệu Instance (Instance Data Blocks) lien kết với FB/SFB
Khối dữ liệu chia xẻ (Shared Data Blocks)
Khối tổ chức OB là giao diện giữa chương trình người dùng và hệ điều hành của PLC, được gọi theo chu kỳ, khi có ngắt, sự cố hoặc khi khởi động PLC Có nhiều khối OB với mức ưu tiên khác nhau, trong đó khối OB có ưu tiên cao hơn có khả năng ngắt khối OB có ưu tiên thấp hơn Số lượng khối OB có thể sử dụng phụ thuộc vào loại CPU, và bảng dưới đây liệt kê các khối OB tương ứng.
Bảng 2 4: Các loại OB và mức độ ưu tiên
Loại OB Ý nghĩa Ưu tiên
OB1 Được gọi khi kết thúc khởi động hay kết thúc OB1, theo 1 chu kỳ 1
Ngắt theo thời gian trong ngày, tháng, năm 2
Ngắt chu kỳ có thể được điều chỉnh với nhiều thời gian khác nhau để phù hợp với nhu cầu sử dụng, bao gồm các tùy chọn như 5 giây, 2 giây, 1 giây, 500 mili giây, 200 mili giây, 100 mili giây, 50 mili giây, 20 giây và 10 giây Việc lựa chọn thời gian ngắt chu kỳ thích hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng yêu cầu cụ thể trong quá trình hoạt động.
OB60 Gọi bởi SFC35 "MP_ALM" 25 OB70
Lỗi I/O redundancy ( H CPU) Lỗi CPU redundancy (H CPU) Lỗi Communication redundancy (H CPU)
Sự cố chu kỳ quét Lỗi nguồn Ngắt chuẩn đoán Ngắt do thêm bớt module Lỗi phần cứng CPU Lỗi chương trình Lỗi module mở rộng Lỗi truyền thông
Warm or cold restart or delete a block being executed in OB90 or load an OB90 on the
Khởi động ấm Khởi động nóng Khởi động lạnh
Sai lập trình Sai I/O Ưu tiên của tác nhân sự cố
2.4.2 Các loại ngôn ngữ lập trình: có 5 loại cơ bản thường gặp dành cho dòng
Ngôn ngữ hình thang, ký hiệu LAD (Ladder logic)
Hình 2 8: Lập trình dạng Ladder Đây là ngôn ngữ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic
Ngôn ngữ liệt kê lệnh, ký hiệu STL (Statement List)
Lập trình dạng Statement List là ngôn ngữ lập trình phổ biến cho máy tính, trong đó một chương trình được tạo thành từ nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định Mỗi câu lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung là “tên lệnh” cộng với “toán hạng”.
Ngôn ngữ hình khối, ký hiệu FBD (Function Block Diagram)
Hình 2 10: Lập trình dạng khối (FBD) Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số
Ngôn ngữ lập trình dạng đồ họa GRAPH là một ngôn ngữ lập trình cấp cao, nổi bật với cấu trúc chương trình rõ ràng và ngắn gọn Nó rất phù hợp cho những người làm trong ngành cơ khí, đặc biệt là những ai đã quen thuộc với giản đồ Grafcet trong khí nén.
Hình 2 12: Lập trình dạng High GRAPH
2.4.3 Các toán hạng và giới hạn cho phép của CPU 314C:
TT Tên tham số Diễn giải Vùng tham số
2 IB Đầu vào byte 0 đến 65535
3 IW Đầu vào từ 0 đến 65534
4 ID Đầu vào từ kép 0 đến 65532
6 QB Đầu ra byte 0 đến 65535
7 QW Đầu ra từ 0 đến 65534
8 QD Đầu ra từ kép 0 đến 65532
9 M Nhớ nội dạng bit 0.0 đến 255.7
10 MB Nhớ nội dạng byte 0 đến 255
11 MW Nhớ nội dạng từ 0 đến 254
12 MD Nhớ nội dạng từ kép 0 đến 252
13 PIB Vùng đệm đầu vào dạng byte 0 đến 65535
14 PIW Vùng đệm đầu vào dạng từ 0 đến 65534
15 PID Vùng đệm đầu vào dạng từ kép 0 đến 65532
16 PQB Vùng đệm đầu ra dạng byte 0 đến 65535
17 PQW Vùng đệm đầu ra dạng byte từ 0 đến 65534
18 PQD Vùng đệm đầu ra dạng từ kép 0 đến 65532
21 DBX Khối dữ liệu kiểu BD dạng bit 0.0 đến 65535.7
22 DBB Khối dữ liệu kiểu BD dạng byte 0 đến 65535
23 DBW Khối dữ liệu kiểu BD dạng từ 0 đến 65534
24 DBD Khối dữ liệu kiểu BD dạng từ kép 0 đến 65532
25 DIX Khối dữ liệu kiểu BI dạng bit 0.0 đến 65535.7
26 DIB Khối dữ liệu kiểu BI dạng byte 0 đến 65535
27 DIW Khối dữ liệu kiểu BI dạng từ 0 đến 65534
28 DID Khối dữ liệu kiểu BI dạng từ kép 0 đến 65532
29 L Vùng dữ liệu tạm thời dạng bit 0.0 đến 65535.7
30 LB Vùng dữ liệu tạm thời dạng byte 0 đến 65535
31 LW Vùng dữ liệu tạm thời dạng từ 0 đến 65534
32 LD Vùng dữ liệu tạm thời dạng từ kép 0 đến 65532
2.4.4.1 Bắt đầu từ SIMATIC Manager và Tạo một dự án
Phần mềm SIMATIC Manager là giao diện chính khi khởi động Step 7, giúp bạn dễ dàng tạo và quản lý dự án Step 7 Wizard khởi động với các thiết lập mặc định hỗ trợ trong quá trình tạo dự án Cấu trúc dự án được thiết lập để lưu trữ và sắp xếp tất cả dữ liệu và chương trình một cách có hệ thống.
Hình 2 13: Cấu trúc dự án sau khi tạo xong
Nhấn đúp vào biểu tượng SIMATIC Manager trên màn hình máy tính, sau đó chọn File > Wizard để mở menu "New Project" nếu trình hướng dẫn không khởi động tự động.
Hình 2 14: Phần Xem trước, bạn có thể chuyển đổi xem cơ cấu dự án được tạo ra và tắt
Sau đó nhấp tiếp vào hộp thoại Next
Khi bắt đầu dự án, việc lựa chọn CPU là rất quan trọng, và trong mẫu "Bắt đầu", CPU 314 được khuyến nghị Bạn có thể chọn CPU mà bạn đã được cung cấp tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thực hiện dự án.
Nhấn Next để xác nhận các thiết lập và chuyển sang hộp thoại tiếp theo
Chọn OB1 khối tổ chức (nếu điều này là không được chọn)
Chọn một trong những lập trình ngôn ngữ: Ladder Logic (LAD) Danh sách tuyên bố (STL), hoặc khối chức năng
Xác nhận các thiết lập và nhấp Next
Hình 2 16: Thiết lập các chọn lựa
Double-click để chọn các đề nghị tên trong trường "Tên dự án" và ghi đè lên nó với "Bắt đầu"
Nhấp vào Make để tạo mới dự án của bạn
2.4.4.2 Cấu hình cho phần cứng (Configuring Hardware):
Bạn có thể cài đặt cấu hình phần cứng một khi bạn đã tạo ra một dự án với một trạm SIMATIC
Phần cứng được cấu hình thông qua STEP 7, và dữ liệu cấu hình sẽ được chuyển giao cho bộ điều khiển lập trình thông qua quá trình "downloading" Để bắt đầu, hãy mở SIMATIC Manager và khởi động dự án "Getting Started".
300 Station và nhấp đúp vào biểu tượng Hardware
Hình 2 17: Cách mở cửa sổ HW Config
Cửa sổ "HW Config" hiện ra, cho phép bạn chọn CPU dựa trên các dự án được hiển thị Đối với dự án "Getting Started", CPU được lựa chọn là 314.
Để thay đổi các thông số như địa chỉ của một module trong dự án, bạn cần kích đúp vào các mô-đun trong cửa sổ HW Config Tuy nhiên, chỉ nên thực hiện thay đổi nếu bạn hiểu rõ tác động của những thay đổi đó đối với lập trình điều khiển.
Các dữ liệu được chuẩn bị để chuyển giao cho CPU bằng cách sử dụng lệnh trình đơn Save and Compile
2.4.5 Một số lệnh cơ bản dùng trong lập trình: [3]
Phần mềm dùng để lập trình cho PLC S7-300, S7-400 là STEP 7 SIMATIC
Manager Chương trình này có version 5.0 dùng cho Win 98, version 5.0 và 5.3 dùng cho Win XP
= Q 0.2 Hình 2 25: Lệnh LPS, LRD, LPP
2.4.6 Phần mềm mô phỏng cho PLC S7-300 và S7-400: [4]
Phần mềm S7-PLCSIM cho phép người dùng chạy và thử nghiệm chương trình PLC trên máy tính hoặc thiết bị lập trình mà không cần kết nối với phần cứng S7 Với mô phỏng CPU S7, bạn có thể kiểm tra và gỡ lỗi chương trình cho cả S7-300 và S7-400 Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển và bảo trì hệ thống tự động hóa.
S7-PLCSIM cung cấp giao diện dễ sử dụng để theo dõi và điều chỉnh các thông số của chương trình, bao gồm cả các biến đầu vào on và off Người dùng có thể sử dụng các ứng dụng khác của phần mềm Step 7 trong khi chạy chương trình trên CPU mô phỏng, cho phép theo dõi và sửa đổi các biến thông qua công cụ bảng biến (VAT).
S7-PLCSIM cung cấp các tính năng sau đây để chạy một chương trình trên một mô phỏng PLC:
Nút ấn trên thanh công cụ quản lý SIMATIC có vai trò quan trọng trong việc bật hoặc tắt chương trình mô phỏng Khi mô phỏng được kích hoạt, mọi kết nối mới sẽ tự động liên kết với PLC mô phỏng Ngược lại, khi tắt mô phỏng, các kết nối sẽ được chuyển sang PLC thực tế.
PLC mô phỏng chạy các chương trình dành cho S7-300 CPU S7-400
LẬP TRÌNH WINCC
WinCC, viết tắt của Windows Control Center, là phần mềm của Siemens được sử dụng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong hệ thống tự động hóa sản xuất hay SCADA Để đáp ứng yêu cầu điều khiển của SCADA, cần kết hợp bộ hiển thị HMI (Giao diện người và máy) để giám sát thiết bị qua màn hình Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, WinCC là phần mềm HMI chuyên dụng của Siemens, cho phép quản lý và thu thập dữ liệu trong quá trình công nghiệp WinCC có nhiều phiên bản khác nhau, từ WinCC 4.x đến WinCC 7.x, với các chức năng ứng dụng ngày càng phong phú Tuy nhiên, hiện nay có nhiều phần mềm SCADA khác với chức năng tương tự như InTouch, GeniDAQ, Vijeo Look, Citech và Trace Mode Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu WinCC phiên bản 6.0, bao gồm các thành phần như Alarm logging, Tag logging, Graphics designer, Global scripts và User archives.
V ị trí của Control Center trong hệ thống WINCC :
Control Center đặc trưng cho lớp cao nhất trong hệ thống WINCC Tất cả ác modules của toàn bộ hệ thống WinCC đều được bắt đầu từ đây
Nội dung của Control Center gồm có:
WinCC – là giao di ện giữa người v à máy móc trong thi ết kế tự động :
WinCC là hệ thống trung tâm trong lĩnh vực công nghệ và kỹ thuật, được sử dụng để điều hành nhiệm vụ của màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hóa sản xuất Hệ thống này cung cấp các module chức năng công nghiệp như hiển thị hình ảnh, quản lý thông điệp, lưu trữ và báo cáo Với giao diện điều khiển mạnh mẽ, khả năng truy cập hình ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an toàn, WinCC đảm bảo tính hữu dụng cao trong các quy trình tự động hóa.
WinCC không chỉ cung cấp các chức năng hệ thống mà còn mở ra giao diện cho các giải pháp người dùng, cho phép tích hợp vào các hệ thống tự động hóa phức tạp và toàn công ty Việc xử lý dữ liệu lưu trữ được thực hiện thông qua các giao diện chuẩn ODBC và SQL, trong khi OLE2.0 và OLE Custom Controls (OCX) hỗ trợ thêm các đối tượng và tài liệu Những cơ chế này giúp WinCC trở thành một phần mềm dễ sử dụng và tương thích trong môi trường Windows, hoạt động trên hệ điều hành 32 bit MS-Windows 95 hoặc MS-Windows.
Windows NT sở hữu khả năng thực hiện đa nhiệm hiệu quả, cho phép phản ứng nhanh với việc xử lý ngắt và đảm bảo an toàn cao chống mất dữ liệu Hệ điều hành này cung cấp các chức năng bảo mật, tạo nền tảng vững chắc cho hoạt động của các máy chủ trong hệ thống WinCC đa người dùng WinCC là ứng dụng 32 bit được phát triển dựa trên công nghệ phần mềm hướng đối tượng hiện đại nhất.
Control Center là nơi tập trung tất cả các chức năng quản lý cho hệ thống WinCC, cho phép người dùng cấu hình và khởi động module runtime một cách dễ dàng.
Nhiệm vụ của quản lý dữ liệu:
Quản lý dữ liệu hoạt động trên nền tảng nền tảng, cung cấp hình ảnh quá trình cùng với các giá trị của thẻ Tất cả các hoạt động liên quan đến quản lý dữ liệu đều diễn ra trong chế độ nền.
Nhiệm vụ của Control Center:
- Lập cấu hình hoàn chỉnh
- Hướng dẫn giới thiệu việc lập cấu hình
- Thích ứng việc ấn định, gọi, và lưu trữ các projects (dự án)
- Có khả năng nối mạng các chức năng soạn thảo cho nhiều người sử dụng trong một project
- Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hình
- Điều khiển và đặt cấu hình cho các hình vẽ/cấu trúc hệ thống
- Thiết lập việc cài đặt toàn cục
- Đặt cấu hình cho các chức năng định vị đặc biệt
- Tạo và soạn thảo các tham khảo đan chéo
- Báo cáo trạng thái hệ thống
- Thiết lập hệ thống đích
- Chuyển giữa run-timer và cấu hình
- Kiểm tra chế độ/mô phỏng/trợ giúp thao tác để đặt cấu hình dữ liệu,
- bao gồm dịch hình vẽ, mô phỏng tag, hiển thị trạng thái, và tạo thông
Control Center có các cấu trúc như sau:
Tìm hiểu WinCC trong Control Center
Giao diện đồ họa cho cấu hình dưới môi trường Windows 95 và Windows
Cung cấp ảnh quá trình với các giá trị của tag
Truyền dữ liệu và quản lý dữ liệu đã nhận từ các hệ thống tự động
Hệ thống đồ họa (Graphic Designer)
Hiển thị và kết nối quá trình bằng đồ thị
Viết chương trình cho các thao tác (Global Scrips)
Tạo một dự án động cho các yêu cầu đặc biệt
Hệ thống thông báo (Alarm Logging)
Xuất các thông báo và hồi đáp
Lưu trữ và soạn thảo các giá trị đo lường (Tag Logging)
Soạn thảo các giá trị đo lường và lưu giữ chúng trong thời gian dài
Soạn thảo dữ liệu hướng người sử dụng và lưu giữ chúng trong thời gian dài
Hệ thống báo cáo (Report Designer)
Báo cáo trạng thái hệ thống
Đối với Control Center, việc in hệ thống định sẵn từ Report Designer là cần thiết để phản hồi tài liệu Tất cả máy tính, tags và các kết nối đã được định hình sẽ được hiển thị trên màn hình hoặc in ra thông qua "print job".
Các kiểu dữ liệu dự án được xuất ra thông qua phản hồi tài liệu bao gồm thông tin về máy tính như tên và loại (Server hoặc Client), quản lý thẻ với tên thẻ, kiểu dữ liệu, kết nối và kênh, cùng với thông tin về kết nối, đơn vị và các tham số liên quan.
2.5.1.3 Các thành phần của project trong Control Center:
Một project gồm các thành phần sau:
Thành phần "Computer" cho phép quản lý tất cả các máy tính truy cập vào một dự án hiện tại, đồng thời cho phép cấu hình riêng biệt cho từng máy tính Các thuộc tính của mỗi máy tính có thể được thiết lập để đáp ứng nhu cầu cụ thể của dự án.
Server: Máy tính trung tâm để lưu trữ dữ liệu và quản lý tồn cục trong hệ thống WinCC
Client: Cũng được định nghĩa như một workstation Control Center được tải cục bộ trong từng máy tính loại này
Hình 2 31: Giao tiếp giữa các máy Server và Client
Thành phần này bao gồm nhiều mục con, bao gồm các bộ điều khiển truyền thông để quản lý các tag quá trình, các tag nội, các kết nối logic và các nhóm tag.
Hình 2 32: Quản lý các Tag
Các bộ điều khiển truyền thông:
Bộ điều khiển truyền thông đóng vai trò là giao diện giữa hệ thống PLC và WinCC Trong hệ thống WinCC, các bộ điều khiển truyền thông được lưu trữ trong Kênh DLL, cung cấp thông tin quan trọng về kết nối và truyền dữ liệu.
- Điều kiện tiên quyết cần để xử lý các tag quá trình bằng PLC
- Các thủ tục chung để kết nối với tag ngồi
- Giới thiệu cấu hình đặc biệt của kênh DLL
Các kiểu điều khiển truyền thông như: SIMATIC S7 Protocol Suite.chn, Profibus DP.chn, SIMATIC S5 ETHERNET TF.CHN, SIMATIC TI Ethernet Layer 4.CHN …
Kênh WinCC hoạt động như một Windows DLL và liên kết động với hệ thống, cho phép truy cập các tham số kết nối đặc biệt thông qua các nghi thức cụ thể, như kênh SIMATIC S5 Ethernet TF hỗ trợ giao thức TF Một kênh DLL có thể điều khiển nhiều khối kênh cùng loại, ví dụ, kênh DLL SIMATIC S5 Ethernet TF có thể hoạt động với cả khối SINEC-H1 (CP1413) và SINEC-L2 (CP5412) đồng thời Quản lý dữ liệu trong WinCC yêu cầu giá trị quá trình từ PLC ở xa thông qua kết nối logic, với khối kênh thực hiện các bước truyền thông cần thiết để cung cấp giá trị này Dữ liệu được lưu trữ như ảnh quá trình trong RAM của máy tính và tất cả các thành phần của WinCC đều có thể truy cập ảnh này Các kết nối logic, nhóm tag và tags cũng có thể được gán vào một khối kênh.
Hình 2 33: Mạng giao tiếp giữa máy tính và PLC
Tags WinCC là yếu tố chính để truy cập các giá trị quá trình trong một dự án, mỗi tag có tên và kiểu dữ liệu riêng Kết nối logic gán cho tag WinCC xác định kênh chuyển giao giá trị quá trình Tất cả các tag được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của dự án.
WinCC khởi động, tất cả các tags trong một project được nạp và các cấu trúc run time tương ứng được thiết lập
Mỗi tag được lưu trữ trong quản lý dữ liệu theo một kiểu dữ liệu chuẩn
Các tags nội trong hệ thống PLC không có địa chỉ và quản lý dữ liệu trong WinCC, giúp cung cấp thông tin cho toàn bộ mạng Chúng được sử dụng để lưu trữ thông tin tổng quát như ngày, giờ hiện tại và lớp hiện hành, đồng thời cho phép cập nhật liên tục Hơn nữa, các tags nội còn hỗ trợ trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng, thực hiện truyền thông tập trung và tối ưu cho toàn bộ quá trình.
Trong hệ thống WinCC, tag ngoại, hay còn gọi là tag quá trình, được kết nối với truyền thông logic để phản ánh thông tin địa chỉ của các hệ thống PLC khác nhau Các tags này chứa thông tin tổng quát như tên, kiểu, giá trị giới hạn, cùng với mục chuyên biệt về kết nối, phụ thuộc vào cách diễn tả của kết nối logic Quản lý dữ liệu cung cấp các mục đặc biệt của tag ngoại cho các ứng dụng trong một mẫu văn bản.
Nhóm tag chứa tất cả các tags có kết nối logic lẫn nhau
CPU: nhóm này chứa tất cả các tags truy nhập cùng một CPU
Lò nhiệt: nhóm này chứa tất cả các tags truy nhập cho một lò
I/O số: nhóm này chứa tất cả các tags truy nhập các I/Os số
I/O tương tự: : nhóm này chứa tất cả các tags truy nhập các I/O tương tự
Một kết nối logic diễn tả giao diện giữa hệ thống tự động và quản lý dữ liệu
Mỗi nhóm tag được gán với một khối kênh Một kênh có thể chứa nhiều nhóm tag