Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi

HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Bùi Hải Phong MSSV: 13141235 Nghiêm Sỹ Tú MSSV: 15141325 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 13141DT1B 15141DT2C I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI II. NHIỆM VỤ Nội dung thực hiện: • Nội dung 1: Tìm hiểu PLC S7 – 1200. • Nội dung 2: Tìm hiểu cách kết nối của cảm biến nhiệt ẩm với PLC S7-1200. • Nội dung 3: Thiết kế mô hình hệ thống chuồng trại chăn nuối heo có giám sát. • Nội dung 4: Thiết kế mô hình toàn hệ thống. • Nội dung 5: Thi công mô hình hệ thống cơ khí, hệ thống điện. • Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống. • Nội dung 7: Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao diện hiển thị dữ liệu cảm biến online. • Nội dung 8: Đánh giá kết quả thực hiện, cải tiến mô hình. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/08/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Bùi Hải Phong Lớp: 13141DT1B MSSV: 13141235 Họ tên sinh viên 2: Nghiêm Sỹ Tú Lớp: 15141DT2C MSSV: 15141325 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (26/08/2019- Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài 01/09/2019) Tuần 2 (02/09/2019- Tìm hiểu nội dung và hướng làm đề tài của 08/09/2019) việc điều khiển một hệ thống bằng PLC. Tuần 3 Tìm hiểu PLC S7 – 1200 (09/092019- 15/09/2019) Tuần 4 Tìm hiểu cách kết nối truyền nhận dữ liệu (16/09/2019- giữa cảm biến và PLC S7-1200 22/09/2019) Tuần 5,6 Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn hệ (23/09/201- thống. 06/10/2019) Tuần 7,8 Tiến hành thiết kế và thi công hệ thống (07/10/2019- điện. 20/10/2019) Tuần 9,10,11,12 (21/10/2019 - Tiến hành lập trình cho hệ thống. 17/11/2019) Tuần 13,14 (18/11/2019- Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao 01/12/2019) diện hiển thị dữ liệu cảm biến trên web. Tuần 15 (02/12 - Viết báo cáo, kiểm tra các phần cứng, hiệu 08/12/2019) chỉnh. 20/12/2019 Hoàn thành nhiệm vụ đồ án. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ii • LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Người thực hiện Bùi Hải Phong Nghiêm Sỹ Tú iii LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM nói chung, các thầy cô và sinh viên trong khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Em cũng xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Sinh viên thực hiện đồ án Bùi Hải Phong Nghiêm Sỹ Tú iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................... ii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ iii LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................iv MỤC LỤC .............................................................................................................. v LIỆT KÊ HÌNH VẼ............................................................................................ vii LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................ix TÓM TẮT .............................................................................................................. x Chương 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU ............................................................................................... 1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2 1.4. GIỚI HẠN ................................................................................................ 2 1.5. BỐ CỤC ................................................................................................... 2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 4 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI. ................................................................................. 4 2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200................................................ 4 2.3 TRUYỀN THÔNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200 ....... 13 2.4 BƠM CHÌM 220V................................................................................. 16 2.5 ARDUINO UNO R3 ................................................................................. 20 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ........................................................... 29 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG .......................................................................... 29 3.1.1. Giới thiệu về hệ thống............................................................................. 29 3.1.2. Chức năng từng phần .............................................................................. 29 v 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................. 29 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 29 3.2.3. Sơ đồ kết nối PLC với toàn hệ thống ....................................................... 34 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................. 35 4.1. GIỚI THIỆU........................................................................................... 35 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 35 4.2.1. Thi công phần khung của hệ thống.......................................................... 35 4.3 LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ............................................................. 37 4.3.1. Lưu đồ giải thuật ..................................................................................... 37 4.2.3. Phần mềm lập trình cho PLC ................................................................... 41 Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ........................................... 49 5.1. KẾT QUẢ .............................................................................................. 49 5.2. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ. .................................................................... 53 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 54 6.1. KẾT LUẬN ............................................................................................ 54 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55 PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................. 56 vi LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 2. 1 : Tổng quan PLC S7-1200 ................................................................... 9 Hình 2. 2: Bảng tín hiệu của PLC S7-1200........................................................ 11 Hình 2. 3: Các Module tín hiệu PLC S7- 1200 .................................................. 12 Hình 2. 4: Các module truyền thông PLC S7- 1200........................................... 13 Hình 2. 5: Sơ đồ kết nối RS485 ......................................................................... 14 Hình 2. 6: Cảm biến SHT10 .............................................................................. 15 Hình 2. 7: Bơm chìm......................................................................................... 16 Hình 2. 8: Động cơ DC 12V.............................................................................. 16 Hình 2. 9: Nút nhấn........................................................................................... 17 Hình 2. 10: Nút dừng khẩn cấp ......................................................................... 17 Hình 2. 11: Relay trung gian 24V...................................................................... 18 Hình 2. 12: Vít tải ............................................................................................. 18 Hình 2. 13: Quạt thổi ........................................................................................ 19 Hình 2. 14: Đèn sợi tóc ..................................................................................... 19 Hình 2. 15: Những phiên bản của Arduino ........................................................ 21 Hình 2. 16: Arduino Uno .................................................................................. 22 Hình 2. 17: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn .............................................. 24 Hình 2. 18: Arduino đời đầu ............................................................................. 25 Hình 2. 19: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino ............................................. 25 Hình 2. 20: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino..................................................... 26 Hình 2. 21: Các shield xếp chồng lên Arduino .................................................. 28 Hình 2. 22: Một số shield thông dụng ............................................................... 28 Hình 3. 1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................... 30 Hình 3. 2: Giao diện hệ thống scada .................................................................. 32 Hình 3. 3: Giao diện web .................................................................................. 33 Hình 3. 4: Sơ đồ chân của PLC ......................................................................... 34 Hình 4. 1: Thiết kế phần khung hệ thống........................................................... 35 Hình 4. 2: Bên ngoài bảng điều khiển ............................................................... 36 Hình 4. 3: Bên trong bảng điều khiển. ............................................................... 36 Hình 4. 4: Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay ..................................................... 38 vii Hình 4. 5: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động ...................................................... 39 Hình 4. 6: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động ...................................................... 40 Hình 4. 7: Tia Portal V14 .................................................................................. 42 Hình 4. 8: Giao diện bắt đầu của chương trình .................................................. 42 Hình 4. 9: Giao diện tạo dự án mới. .................................................................. 42 Hình 4. 10: Giao diện bắt đầu của dự án mới .................................................... 43 Hình 4. 11: Giao diện Devices & networks ....................................................... 43 Hình 4. 12: Giao diện Add new device. ............................................................. 44 Hình 4. 13: Giao diện làm việc. ......................................................................... 44 Hình 4. 14: Giao diện viết chương trình. ........................................................... 44 Hình 4. 15: Giao diện web cập nhật giá trị của nhiệt độ - độ ẩm ........................ 45 Hình 4. 16: Giao diện SCADA quản lí hệ thống. ............................................... 45 Hình 4. 17: Biểu tượng Visual studio ................................................................ 47 Hình 4. 18: Giao diện tạo một project mới ........................................................ 47 Hình 4. 19: Giao diện lựa chọn ......................................................................... 48 Hình 4. 20: Cấu hình cho web. .......................................................................... 48 Hình 5. 1: Mặt trước của hệ thống ..................................................................... 49 Hình 5. 2: Mặt bên của hệ thống. ...................................................................... 50 Hình 5. 3: Bên trong của hệ thống ..................................................................... 50 Hình 5. 4: Giao diện giới thiệu trường của trang web. ....................................... 51 Hình 5. 5: Giao diện giới thiệu đồ án của trang web .......................................... 51 Hình 5. 6: Giao diện truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biển .................................... 52 Hình 5. 7: Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến ............... 53 vii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2. 1: Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200. .......................... 9 Bảng 2. 2: Bảng các module hỗ trợ PLC S7- 1200. ................................................ 11 Bảng 2. 3: Một vài thông số của Arduino UNO R3...23 vii TÓM TẮT Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, các trang trại chăn nuôi công nghiệp, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong qui trình chăn nuôi tạo ra các sản phẩm chăn nuôi chất lượng cao. Một trong đó là các trang trại chăn nuôi giám sát các nhu cầu cơ bản của vật nuôi sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens. Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI”. Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở rộng, phát triển nữa. Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với hệ thống làm sạch trang trại chăn nuôi, thu gom và xử lí chất thải sẽ tạo ra một hệ thống phân trang trại thông minh và hoàn thiện. x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những ứng dụng đó là áp dụng vào quy trình chăn nuôi bằng hệ thống cho ăn, uống và giám sát các nhu cầu khác của heo một cách tự động sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens. Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI”. Đã có khá nhiều đề tài thực hiện việc chăm sóc các loại vật nuôi khác nhau như cá, bò. Nhưng với mỗi loại vật nuôi lại có những môi trường chăm sóc khác nhau thì lại cần có những mô hình khác nhau. Vì vậy ta cần một hướng xử lí phù hợp hơn với từng loại vật nuôi mà ở đây đối tượng chăn nuôi là heo. Với hệ thống chăn nuôi theo mô hình truyền thống thì việc giám sát chưa chặt sẽ vì môi trường sống của vật nuôi chưa được giám sát và theo dõi chặt chẽ. Vì vậy chúng ta cần xây dựng việc giám sát hệ thống theo dõi nhiệt độ, độ ẩm để phù hợp với từng vật nuôi. 1.2. MỤC TIÊU Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn và PLC S7 – 1200 và các ứng dụng trong thực tế. Từ đó thiết kế và thi công mô hình trang trại chăn nuôi tự động. Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình trên máy tính. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU • NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về PLC S7 -1200, cảm biến nhiệt độ-độ ẩm, bơm điện để bơm nước và relay trung gian. • NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm thu thập được, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình. Kết nối các ngoại vi với PLC. • NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho PLC. Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống, giao diện hiển thị dữ liệu web online. • NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm, phần cứng để mô hình được tối ưu, sử dụng dễ dàng. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế, hiệu suất hoạt động của hệ thống so với tính toán. • NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện. • NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4. GIỚI HẠN • Mô hình quy mô còn nhỏ. • Mô hình còn chưa tối ưu, hình dáng còn thô kệch. • Độ chính xác tương đối. • Tốc độ còn chậm do là điều khiển tuần tự. 1.5. BỐ CỤC • Chương 1: Tổng Quan. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. • Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống. • Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI. Môi trường sống là vô cùng quan trọng với từng loại vật nuôi, việc giám sát nhiệt độ - độ ẩm, cung cấp thức ăn nước uống và vệ sinh chuồng trại có thể thực hiện bởi con người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân công và việc quản lí các số liệu về nhiệt độ - độ ẩm cho môi trường sống của heo cũng trở nên khó khăn hơn, vì thế một hệ thống quản lí thông tin và số liệu về môi trường sống của heo là vô cùng cần thiết. 2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 2.2.1. Tổng quan về PLC 2.2.1.1. Giới thiệu Kỹ thuật điện tử đã phát triển đến trình độ kỳ diệu và sẽ có những tiến bộ vượt bật trong tương lai. Nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp. Nhất là trong giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang thiết bị hiện đại này là PLC. PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành. Bởi tất cả những gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn đó là PLC. Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính. Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất. Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều công ty hoàn toàn xa lạ với PLC. Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm. Thật ra là do ngại thay đổi, do chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hảnh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình gặp không ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng. Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC. 2.2.1.2. PLC là gì? PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình. Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh), khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển công nghiệp. ➢ Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp: − Khả năng kháng nhiễu tốt. − Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp. − Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet. − Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. − Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình. 2.2.1.3. Cấu trúc phần cứng của PLC ➢ Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau: − Module nguồn. − Module đơn vị xử lý trung tâm. − Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT − Module đầu vào. − Module đầu ra. − Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng). 2.2.1.4. Cấu trúc bộ nhớ PLC ➢ Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính • Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền: − Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét. − Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính. − Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao. • Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau: − I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. − Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q. − M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này dể lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MW). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT − T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian. − C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm. • Vùng dữ liệu. Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ 2.2.1.5. Xử lý chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra. 2.2.1.6. Cấu trúc chương trình Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau: ➢ Lập trình có cấu trúc: chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau: Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển. khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét. hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ➢ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ. Không phức tạp. Khối được chọn phải là khối organization Block mà PLC luôn quét và thực hiện tổng các lệnh đó thường xuyên. Từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối và quay lại lệnh đầu tiên. • Loại khối chương tình ngắt: là khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi 1 lượng lớn với các khối chương trình khác. Chương trình sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra. 2.2.2. Giới thiệu về PLC S7- 1200 2.2.2.1. Khái niệm chung PLC S7- 1200 Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7- 200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội: - S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7- 1200 -S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/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 và TCP/IP. Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là LAD, FBD và STL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens. - Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI. Hình 2. 1 : Tổng quan PLC S7-1200 Chú thích: 1: Bộ phận kết nối nguồn. 2: Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che). 2: Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên. 3: Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp. 4: Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU. Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau. Bảng 2. 1. Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200. Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C Kíc