Đồ án Và sử dụng phần mềm lập trình cho PLC họ SIMATIC S7 để điều khiển máy trộn sơn và rót sơn

CHƯƠNG 1:LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1.GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG CỦA S7-200: 1.1Đặc điểm chung: S7-200 là PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens Cấu trúc của S7-200 gồm 1 CPU và các modul mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hình 1.1 hình dạng thực tế của PLC S7-200 Với dòng PLC S7 - 200, SIEMEN có các họ CPU cơ bản sau: + Họ 21x: 212, 214, 216, 218. Với họ CPU này do có nhiều nhược điểm không còn phù hợp với các hệ thống điều khiển hiện đại nên đã ít được sử dụng + Họ 22x: 222, 224, 226, 228. Đây là dòng CPU được sử dụng rất nhiều hiện nay vì tốc độ xử lý cao, kết cấu linh hoạt, hỗ + Họ 22x: 222, 224, 226, 228. Đây là dòng CPU được sử dụng rất nhiều hiện nay vì tốc độ xử lý cao, kết cấu linh hoạt, hỗ trợ truyền thông mạnh, có cấp bảo vệ chịu được môi trường công nghiệp như rung, bụi, các nhiễu từ trường… 1.2 Đặc điểm và thông số của một số loại CPU S7-200: Hình 1.2 Đặc điểm và thông số của một số loại CPU S7-200 Đặc điểm ngõ vào: Mức logic 1: 24VDC/4mA Mức logic 0: đến 5VDC/1mA Đáp ứng thời gian: 0.2ms Cách ly quang: 500VAC Địa chỉ ngõ vào: Ix.x Hình 1..3 điện áp ngõ vào PLC S7-200 Đặc điểm ngõ ra: Ngõ ra Relay hoặc Transistor Sourcing Điện áp tác động: 24-28VDC/2A hoặc 250VAC/8A(ngõ ra Relay) Chịu dòng quá tải 7A Điện trở cách ly nhỏ nhất 100Mohm Điện trở công tắc 200mOhm Thời gian chuyển mạch tối đa 10ms Địa chỉ ngõ ra: Qx.x Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch Hình 1..4 Đặc điểm ngõ ra PLC S7-200 Ghép nối PLC và máy tính: sử dụng cáp PC/PPI để chuyển đổi giữa RS232 và RS485 Hình 1..5: Ghép nối PLC và máy tính Sơ đồ kết nối PLC với thiết bị chấp hành: Hình 1.6 sơ đồ kết nối thực tế Modul mở rộng ngõ vào/ra: Có thể mở rộng ngõ vào/ra của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul mở rộng về phía bên phải của CPU (CPU 224 nhiều nhất 7 modul), làm thành một móc xích, bao gồm các modul có cùng kiểu. Các modul mở rộng số hay rời rạc đều chiếm chỗ trong bộ đệm, tương ứng với số đầu vào/ra của các modul. Hình 1..7: Modul mở rộng cùa CPU 224 1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC: Hình 1..8: Chu kì quét của PLC 1.4 Cấu trúc bộ nhớ: Bộ nhớ của S7 – 200 được chia thành 4 vùng : Hình 1..9: Cấu trúc bộ nhớ Vùng chương trình: là miền nhớ được sử dụng để lưu các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được. Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm … cũng như vùng chương trình, vùng tham số thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được. Vùng dữ liệu: dùng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông … một phần của vùng nhớ này thuộc kiểu non-volatile. Vùng dữ liệu được chia thành các miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau: V - Variable memory. I - Input image regigter. O - Output image regigter. M - Internal memory bits. SM - Speacial memory bits. Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word-2byte) hoặc từ kép (2 word). Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này không kiểu non-volatile nhưng đọc/ghi được. 2.NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA S7 – 200 2.1. Giới thiệu phần mềm STEP 7-MicroWIN 32 V3.2 2.1.1. Giao diện phần mềm: Đối với PLC S7-200, SIEMEN đã xây dựng một phần mềm để có thể lập trình cho họ PLC loại này. Phần mềm này có tên là STEP7- MicroWIN32. Đây là một phần mềm chạy trên nền Windows 32 bit, trải qua nhiều phiên bản khác nhau. Tài liệu này tập trung nói về STEP7- MicroWIN32 version 3.2. Để có thể thực hiện phần mềm lập trình STEP7- MicroWIN32 ta có 2 cách: Cách 1:Vào Start→ Simatic→ STEP7- MicroWIN32 V3.2.0→ STEP7- MicroWIN32. Cách 2: Chạy thông qua biểu tượng trên Desktop Vựng soạn thảo chương trỡnh Cỏc khối hàm, lệnh Cỏc khối chức năng Cụng cụ kết nối cỏc lệnh Nút thay đổi trạng thái làm việc của PLC Down load/Upload Nỳt kiểm tra trạng thỏi của chương trỡnh. Mở, tạo mới, lưu một CT điều khiển . 2.1.2. Một số thành phần quan trọng: - Program Block: Khi click chuột vào nút này ta sẽ trở về được vùng soạn thảo chương trỡnh. Ở vựng này ta cú thể thờm bớt cỏc đầu vào/ra, các biến, các lệnh, hàm để thực hiện chương trìnhđiều khiển. - Communications và cách kiểm tra sự kết nối với PLC S7-200: Ở đây ta có thể thay đổi cách mà máy tính truyền thông với PLC S7-200 (PPI, MPI, tốc độ truyền…) hoặc kiểm tra có hay không sự truyền thông giữa máy tính và PLC S7-200 (kiểm tra sự có mặt của PLC hay không). - Symbol Table: Click chuột vào đây, ta sẽ được một bảng mà ở đó ta có thể định nghĩa các tên biến và đặt địa chỉ tương ứng cho các biến đó để có thể dễ nhớ và dễ kiểm tra.Các biến này có thể là các đầu vào/ra, các biến trung gian… - Khối hàm, -Lệnh: Đây là một trong những thành phần quan trọng nhất của STEP7- MicroWIN32. Nó bao gồm toàn bộ các lệnh và khối hàm của STEP7- Micro WIN32 để có thể tạo được một chương trình điều khiển cho PLC S7-200. Trong đó thường dùng nhất là các khối: + Bit Logic: bao gồm các lệnh làm việc với bit và thực hiện các phép toán logic như AND, OR, NOT… + Timer: đõy là khối lệnh làm việc với cỏc loại timer của S7-200. + Counter: đõy là khối lệnh làm việc với cỏc loại timer của S7-200 + Move: các khối lệnh dùng để di chuyển dữ liệu từ vùng nhớ này sang vùng nhớ khác của PLC. + Interger Math, Floating-Point Math: nhóm lệnh làm việc với số nguyên 16bit, 32bit và số thực. Nhóm lệnh này thực hiện các phép toán số học như +, -, ì, ữ… + Compare: bao gồm các khối lệnh dùng để so sánh dữ liệu như >, <, =, ≥, ≤... Ngoài ra cũn cỏc khối khỏc cũng rất quan trọng chỳng ta cú thể tham khảo thờm ở phần Help của STEP7- MicroWIN32. Để có thể biết một khối hàm hoặc lệnh làm việc như thế nào và điều kiện kèm theo chúng ta chọn khối hàm, lệnh đó và nhấn F1. 2.1.3. Một số thao tác quan trọng: - Có 2 cách để tạo một chương trình mới: + Vào menu File à New. + Dựng biểu tượng trên thanh cụng cụ. - Lưu lại chương trình đó viết bằng cỏch: + Vào menu File à Save. + Dựng biểu tượng trên thanh cụng cụ. - Để chèn một network mới: + Click chuột phải vào số thứ tự của network, chọn Insert à Network(s). + Dựng biểu tượng trên thanh cụng cụ. - Để xoá một network: chọn network + Click chuột phải vào network cần xoỏ, chọn Delete à Network(s). + Dựng biểu tượng trên thanh cụng cụ. - Để thêm một lệnh trong chương trỡnh: Chọn vị trí của lệnh trong chương trỡnh: + Tiếp theo chọn Instructions, chọn nhúm lệnh sẽ làm việc, double click vào lệnh cần dựng. + Dựng biểu tượng trên thanh cụng cụ. - Để PLC S7-200 có thể thực hiện được các chương trìnhđiều khiển, người dùng phải Download chương trìnhxuống PLC. + Chọn File à Download. Và việc download cú Phím tắt là Ctrl+D. + Dùng ngay biểu tượng ở trên thanh công cụ - Khi trong PLC có sẵn một chương trỡnh, người dùng cần đưa lên để kiểm tra, chỉnh sửa STEP7- MicroWIN32 cũng hỗ trợ việc Upload. + Chọn menu File à Upload. Phím tắt là Ctrl+U. + Dựng biểu tượng ở trên thanh công cụ. 2. 2Các bước để lập trình một chương trình điều khiển cho PLC S7-200. 2.2.1. Bước 1: Phân tích yêu cầu công nghệ. + Phân tích các yêu cầu chung của hệ thống (tức là xác định thành phần nào cần điều khiển, yêu cầu về thời gian, độ chính xác…). + Phân tích thứ tự tác động của các thành phần trong hệ thống. Hay nói cách khác là sự phân biệt thứ tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống, cái nào trước, cái nào sau... và sự liên quan giữa chúng. + Phân tích bản chất của từng thành phần để xác định được các điều kiện liên quan mà chỉ phụ thuộc vào bản chất riêng của nó và kết hợp với toàn bộ với những phân tích trước đó để có phương pháp điểu khiển thích hợp. 2.2.2. Bước 2: Lập bảng địa chỉ cho các I/O. Từ các bước phân tích về công nghệ cho ta biết sẽ có bao nhiêu I/O trong hệ thống, bản chất của các I/O (số, tương tự, xung…) và ta sẽ xây dựng được một bảng các I/O cho toàn bộ hệ thống. Việc xây dựng bảng I/O phụ thuộc vào hệ thống và cấu hình PLC hoặc hệ PLC mà chúng ta định viết chương trình điều khiển. Và việc gán địa chỉ cho các I/O của hệ thống phải tuân thủ những quy định của nhà cung cấp PLC. 2.2.3. Bước 3: Lập giản đồ thời gian hoặc lưu đồ thuật toán điều khiển. Đối với những hệ điều khiển tương đối lớn và phức tạp thì bước này rất quan trọng cho việc lập trình về sau này. Nó sẽ giúp cho người lập trình phân tích hệ thống điều khiển thành từng phần, sự liên quan và thứ tự tác động của chúng và từ đó sẽ cụ thể hoá được phương án điều khiển trên chương trình cho PLC. Còn đối với những hệ thống nhỏ không có quá nhiều các I/O thì người ta có thể xây dựng giản đồ thời gian tương ứng cho từng I/O nằm trong tổng thể thứ tự và thời gian tác động của toàn bộ I/O của hệ thống. 2.2.4. Bước 4: Viết chương trình điều khiển. Từ những gì đã có từ việc phân tích hệ thống và xây dựng lưu đồ thuật toán hoặc giản đồ thời gian thì việc cụ thể hoá bằng ngôn ngữ lập trình và đưa xuống PLC cũng rất quan trọng. ở đây người lập trình cũng phải tuân thủ những quy định của nhà sản xuất về việc lập trình cho loại PLC S7-200 của họ dẫn đến một số hạn chế nhất định trong việc thể hiện thuật toán. Và đôi khi cũng phải điều chỉnh lại thuật toán cho phù hợp với loại PLC mà mình đang có. 2.2.5. Bước 5: Chạy thử chương trình và kiểm tra lỗi. 2.3 một số lệnh cơ bản dùng trong S7-200 2.3.1 Lệnh về bit: 2.3.2 Timer(Bộ định thời gian): TON, TOF, TONR CPU 224 có 3 loại Timer: + TON: delay ON + TOF: delay OFF + TONR: delay ON có duy trì Timer có 3 độ phân giải: 1ms, 10ms, 100ms. CPU 224 có 256 bộ timer(T0-T255). Ví dụ: Ví dụ: Ví dụ: Các số hiệu timer trong CPU 224: 2.3.3 Counter(Bộ đếm) Counter là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn xung trong S7 – 200. Các bộ đếm của S7 – 200 được chia làm 3 loại: bộ đếm lên (CTU), bộ đếm xuống (CTD) và bộ đếm lên/xuống(CTUD). . 2.3.4Các lệnh di chuyển nội dung ô nhớ ª MOV_B (LAD) Lệnh sao chép nội dung của byte IN sang byte OUT ª MOVB (STL) ª MOV_W (LAD) Lệnh sao chép nội dung của từ đơn IN sang OUT ª MOVW (STL) ª MOV_DW (LAD) Lệnh sao chép nội dung của từ kép IN sang OUT ª MOVD (STL) ª MOV_R (LAD) Lệnh sao chép một số thực từ IN (4byte) sang ª MOVR (STL) OUT (4byte) MOV_B MOV_W MOV_DW MOV_R 2.3.5 Các lệnh so sánh LAD Mô tả Toán hạng n1 n2 ─┤==B├─ n1 n2 ─┤==I├─ n1 n2 ─┤==D├─ n1 n2 ─┤==R├─ Tiếp điểm đóng khi n1=n2 B = byte I = Integer = Word D = Double Integer R = Real n1, n2(byte): VB, IB, QB, MB, SMB, AC, Const, *VD, *AC n1 n2 ─┤>=B├─ n1 n2 ─┤>=I├─ n1 n2 ─┤>=D├─ n1 n2 ─┤>=R├─ Tiếp điểm đóng khi n1≥ n2 B = byte I = Integer = Word D = Double Integer R = Real n1, n2(word): VW, T, C, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số, *VD, *AC n1 n2 ─┤<=B├─ n1 n2 ─┤<=I├─ n1 n2 ─┤<=D├─ n1 n2 ─┤<=R├─ Tiếp điểm đóng khi n1≤ n2 B = byte I = Integer = Word D = Double Integer R = Real n1, n2(Dword): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số, *VD, *AC Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con. LAD STL Mô tả Toán hạng n ─( JMP) JMP Kn Lệnh nhảy thực hiện việc chuyển điều khiển đến nhãn n trong một chương trình. n: CPU 212: 0÷63 CPU 214: 0÷255 LBL: n JMP Kn Lệnh khai báo nhãn n trong một chương trình. n ─( CALL) CALL Kn Lệnh gọi chương trình con, thực hiện phép chuyển điều khiển đến chương trình con có nhãn n. n: CPU 212: 0÷15 CPU 214: 0÷255 SBR:n SBR Kn Lệnh gán nhãn cho một chương trình con. ─( CRET) CRET Lệnh trở về chương trình đã gọi chương trình con có điều kiện (bit đầu của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1) Không có ─( RET) RET Lệnh trở về chương trình đã gọi chương trình con không điều kiện. 2.3.7 Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét: MEND, END, STOP, NOP, WDR 2.3.8 Các lệnh số học: Các lệnh số học trong S7-200 gồm: cộng(ADD), trừ(SUB), nhân(MUL), chia(DIV) Lệnh cộng trừ: Lệnh cộng và trừ gồm có cộng/trừ 16 bit(ADD_I và SUB_I), cộng trừ 32 bit(ADD_DI và SUB_DI) và cộng trừ hai số thực(ADD_R và SUB_R) Lệnh nhân chia: Lệnh nhân chia gồm có nhân chia 16 bit(MUL_I và DIV_I), nhân chia 32 bit(MUL_DI và DIV_DI)và nhân chia hai số thực(MUL_R và DIV_R) 2.3.9Sử dụng bộ đếm tốc độ cao: Hình 2.2.9: Bảng sự kiện ngắt CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RÓT SƠN 2.1Chương trình điều khiển máy trộn: van Hình 2.1: Sơ đồ bình trộn sơn Hình2.1 là sơ đồ bình trộn sơn để tạo ra cac màu sơn khác nhau. Trong sơ đồ cho thấy có đường ống để đưa ba loại sơn mầu khác nhau làm cơ sở cho việc tạo ra mầu sơn mong muốn. Hai cảm biến được sử dụng để báo mức trong bình: báo mức cao (I0.3) báo mức thấp (I0.4) Một thiết bị trộn được điều khiển bởi động cơ trộn (Q0.0) Qui trình làm việc được thực hiện như sau: trước tiên bơm ba loại sơn khác mầu nhau vào bồn, loại sơn thứ nhất được đưa vào bình bằng máy bơm được điều khiển qua Q0.7 trong khoảng thời gian T1, loại sơn thứ hai được đưa vào bình qua máy bơm thứ hai được điều khiển qua Q1.0 trong khoảng thời gian T2, loại sơn thư ba được đưa vào bình qua máy bơm thứ ba điều khiển qua Q1.1 trong khoảng thời gian T3. Các bơm dừng đưa dung dịch vào bình khi đã bơm đủ khoảng thời gian định sẵn hoặc dung dịch trong bình đã đạt mức cực đại (I0.4 = 1) và bắt đầu quá trình trộn. Quá trình này được điều khiển bởi động cơ trộn, thời gian trộn cần thiết là trộn 3s dừng 2s và được thực hiện 3 lần. Sau khi trộn xong, sản phẩm được đưa ra rót vào các hộp sơn qua van(Q0.1) 2.2Chương trình điểu khiển rót sơn: Khâu rót sơn ra hộp được thực hiện sau khi chương trình trộn sơn kết thúc, các hộp sơn được đặt trên băng tải, có ba cảm biến để báo quá trình rót sơn tự động. Các cảm biến được dùng trong qua trình rót sơn: Cảm biến 1(I0.5): báo hộp sơn đã đến đúng vị trí đẻ rót sơn. Cảm biến 2(I0.6): báo hộp sơn đến cuối băng tải cần được đưa Cảm biến 3(I0.7): báo hộp sơn đã rót đầy sơn cần ngưng mở van. Khi quá trình trộn sơn kết thúc, băng tải chạy để đưa hộp sơn đến đúng vị trí để rót sơn. Cảm biến 1 báo hộp sơn đã đế đúng vị trí thì băng tải ngưng và van(Q0.1) mở để đưa sơn xuống hộp cho đến khi cảm biến 3 báo đẽ rót đầy sơn thì van(Q0.1) đóng lại ngưng rót sơn đồng thời băng tải chạy lai để đưa hộp sơn ra cuối băng tải. Khi có hộp sơn đã đến cuối băng tải thì cảm biến 2 báo về để dừng băng tải đưa hộp sơn ra ngoài. Quá trình được thực hiện liên tục cho đến khi sơn trong bồn xuống mức cực tiểu(I0.3) thì quá trình được thực hiện lại bắt đầu từ quá trình trộn sơn. Sơ đồ nguyên lý mạch đo mức chất lỏng: Sơ đồ nguyên lý mạch phát thu hồng ngoại: 2.3Lưu đồ giải thuật: Chương trình chính(MAIN): START AUTO-MAN I0.2=? AUTO MAN 1 0 Đoạn mã chương trình chính(MAIN): Chương trình con điều khiển bằng tay(MAN): đây là đoạn chương trình điểu khiển các thiết bị chấp hành bằng các công tác, khi công tắc nào được bặt thì thiết bị chấp hành tương ứng được bật. Riêng việc điều khiển bằng tay 3 bơm sẽ phải xét thêm mức sơn trong bồn trộn đã đầy hay chưa, nếu chưa đầy thì các bơm được bơm và ngược lại khi sơn trong bồn chính đạt mức cực đại sẽ không cho bơm tiếp mặc dù các công tác điều khiển còn bật. Đoạn mã chương trình con điều khiển bằng tay(MAN): Chương trình con điều khiển tự động(AUTO): AUTO Công tắc chế độ 1 Công tắc chế độ 2 Trộn sơn theo tỷ lệ 5:5:2 Trộn sơn theo tỷ lệ 3:4:5 Trộn sơn theo tỷ lệ 6:4:2 có có không không Chương trình con điều khiển tự động(AUTO) cho phép hệ thống trộn theo 3 tỉ lệ sơn khác nhau. Công tắc chế độ 1 cho hệ thống trộn theo tỷ lệ 3:4:5, Công tắc chế độ 1 cho hệ thống trộn theo tỷ lệ 6:4:2 và kho hai công tắc trên không được chọn thì hệ thống sẽ tự động trộn theo tỷ lệ 5:5:2. Đoạn mã chương trình con điều khiển tự động: Chương trình con điều khiển trộn sơn tự động: Trộn sơn Khởi tạo bộ định thời T37,TON,520 T37>=1? T37<300? Bơm 1 mở T37>=1? T37<400? Bơm 2 mở T37>=1? T37<400? Bơm 3 mở T37=1? Mức sơn đạt cực đại Động cơ trộn hoạt động Rót sơn Đoạn mã chương trình trọn sơn tự động: Chương trình con điều khiển rót sơn tự động: Đoạn mã chương trình rót sơn tự động: Chương 3: Đánh giá – Kết luận + Kết quả thực hiện đồ án + Đánh giá đồ án đã thực hiện được so với các sản phẩm khác tương tự: Ưu điểm: có giá thành thấp,sử dụng các linh kiện thông dụng dễ kiếm khuyết điểm :do giá thành các cảm biến cao do đó phải thay thế bằng các linh kiện khác có giá thành thấp hơn tuy nhiên độ chính xác không cao khả năng chống nhiễu kém + Đề xuất cách khắc phục các khuyết điểm và hướng phát triễn mở rộng, nâng cấp đề tài để thu được sản phẩm hoàn thiện (nếu có):cần có thêm thời gian và kinh phí. PHỤ LỤC Chương trình điều khiển hệ thống trộn sơn viết trong LAD: