Đồ án chuyên ngành 2: Lập trình PLC S7-1200 và HMI điều khiển xi lanh

Tải trọn bộ đồ án PLC HMI S7-1200 điều khiển xi lanh trên TIA Portal V13. Báo cáo chi tiết, đầy đủ các chương, là tài liệu tham khảo hữu ích.

• Tác giả: Hoàng Văn Hùng
• Người hướng dẫn: Giảng viên Lê Thanh Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Đồ án PLC HMI S7-1200: Điều khiển xi lanh
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án PLC HMI S7 1200

Đồ án PLC HMI S7-1200 là một dự án thực tế nhằm ứng dụng công nghệ tự động hóa trong việc điều khiển xi lanh pneumatic. Dự án này kết hợp PLC S7-1200 của Siemens với giao diện HMI hiện đại, tạo ra một hệ thống điều khiển thông minh và dễ sử dụng. Ý nghĩa của đồ án nằm ở việc cung cấp kiến thức thực tế về lập trình PLC, thiết lập HMI và kết nối các thiết bị trong một hệ thống công nghiệp. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như đóng gói bao bì, hệ thống băng tải, điều khiển cửa tự động và nhiều ứng dụng dân dụng khác.

1.1. Ý Nghĩa Của Việc Thực Hiện Đồ Án

PLC S7-1200 là một bộ điều khiển lập trình được Siemens phát triển với tính năng mạnh mẽ nhưng kích thước nhỏ gọn. Dự án này giúp sinh viên làm quen với quy trình thiết lập cấu hình phần cứng, viết chương trình điều khiển và xây dựng giao diện HMI chuyên nghiệp. Việc thực hiện đồ án tạo cơ hội cho người học hiểu sâu hơn về tự động hóa công nghiệp và phát triển kỹ năng lập trình thực tế.

1.2. Tính Thực Tế Của Đồ Án

Đồ án điều khiển xi lanh có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại. Từ hệ thống nâng thủy lực, máy gia công, đến hệ thống băng tải và điều khiển cửa tự động, công nghệ PLC HMI được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất và an toàn lao động. Tính thực tế này giúp sinh viên tiếp cận những bài toán thực tế trong kỹ thuật công nghiệp.

II. Giới Thiệu PLC S7 1200 Và HMI

PLC S7-1200 là một bộ điều khiển lập trình nhỏ gọn nhưng có tính năng mạnh mẽ và khả năng tích hợp cao. Nó được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa khác nhau, từ hệ thống đơn lẻ đến mạng phân phối phức tạp. HMI (Human-Machine-Interface) là giao diện người-máy giúp vận hành viên tương tác với hệ thống điều khiển một cách dễ dàng và trực quan. Kết hợp PLC S7-1200 với HMI tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho các ứng dụng công nghiệp.

2.1. Các Tính Năng Chính Của PLC S7 1200

PLC S7-1200 tích hợp các đầu vào/ra số (Digital) và tương tự (Analog), hỗ trợ giao tiếp PROFINET cho việc lập trình dễ dàng. Nó có các module mở rộng cho I/O số và tương tự, nhiều lựa chọn giao tiếp khác nhau, và hỗ trợ các chức năng công nghệ như đếm, đo lường, điều khiển vòng kín và điều khiển chính xác.

2.2. Vai Trò Của HMI Trong Hệ Thống

HMI là phần mềm hiển thị thông tin về trạng thái quá trình cho vận hành viên. Nó chấp nhận và thực hiện hướng dẫn từ người điều hành, giúp tăng hiệu quả vận hành và giảm lỗi thao tác. Giao diện HMI hiện đại cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, dễ hiểu và có cách thức nhập dữ liệu đơn giản.

III. Phần Mềm TIA PORTAL V13 Cho Lập Trình

TIA PORTAL V13 là phần mềm lập trình của Siemens dành cho PLC S7-1200 và các bộ điều khiển SIMATIC khác. Nó cung cấp một môi trường lập trình thống nhất cho thiết lập cấu hình, lập trình PLC, thiết kế HMI và quản lý dự án. So với các phần mềm cũ như SIMATIC Manager và STEP 7 Micro/WIN, TIA PORTAL V13 có giao diện hiện đại hơn, hỗ trợ lập trình với các ngôn ngữ khác nhau như LAD, STL, SCL và cung cấp các công cụ quản lý dự án mạnh mẽ.

3.1. Các Tính Năng Chính Của TIA PORTAL V13

TIA PORTAL V13 cung cấp giao diện thống nhất cho lập trình PLC và thiết kế HMI. Nó hỗ trợ các câu lệnh cơ bản như AND, OR, NOT, các chức năng nâng cao như Timer, Counter và có thư viện khổng lồ các block lập trình sẵn có. Phần mềm này giúp tăng hiệu suất lập trình và giảm thời gian phát triển dự án.

3.2. Ưu Điểm So Với Phần Mềm Cũ

TIA PORTAL V13 vượt trội hơn SIMATIC Manager và STEP 7 Micro/WIN về giao diện người dùng hiện đại, tốc độ xử lý nhanh hơn, hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình đa dạng và cung cấp công cụ quản lý dự án chuyên nghiệp. Nó cũng dễ dàng kết nối với các thiết bị HMI và máy tính thông qua giao thức PROFINET.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Điều Khiển Xi Lanh Với HMI

Đồ án điều khiển xi lanh minh họa ứng dụng thực tế của PLC S7-1200 và HMI trong công nghiệp. Hệ thống này bao gồm thiết lập cấu hình phần cứng, lập trình điều khiển trong TIA PORTAL V13 và thiết lập giao diện HMI để vận hành từ xa. Quá trình kết nối máy tính-PLC-HMI cho phép giám sát và điều khiển xi lanh một cách an toàn và hiệu quả. Đồ án này cung cấp kiến thức thực tế về các bước thiết lập hệ thống, lập trình điều khiển logic và tạo giao diện thân thiện cho người sử dụng.

4.1. Yêu Cầu Công Nghệ Và Phần Cứng

Hệ thống điều khiển xi lanh cần PLC S7-1200, bộ cảm biến để phát hiện vị trí xi lanh, van điều khiển tương ứng, màn hình HMI để hiển thị trạng thái và máy tính chạy TIA PORTAL V13. Các yêu cầu công nghệ bao gồm đảm bảo an toàn hoạt động, điều khiển chính xác chuyển động và giao tiếp ổn định giữa các thiết bị.

4.2. Quá Trình Lập Trình Và Thiết Lập HMI

Chương trình điều khiển được viết trong TIA PORTAL V13 sử dụng ngôn ngữ lập trình LAD hoặc STL để điều khiển hoạt động xi lanh. HMI được thiết lập để hiển thị trạng thái thực tế, cho phép vận hành viên điều khiển xi lanh thông qua nút bấm ảo. Quá trình kết nối PLC-HMI thông qua PROFINET đảm bảo truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN 1. Ý nghĩa của việc thực hiện đồ án a, Lý do thực hiện đồ án HMI-CPU được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng bởi khả năng tự động hóa thông minh,tính năng tự động hóa cao,điều khiển dễ dàng và ngôn ngữ lập trình đơn giản,dễ hiểu PLC S7-1200 - Điều khiển với việc tích hợp giao tiếp PROFINET cho việc lập trình cho thiết bị, HMI và các bộ điều khiển SIMATIC khác. - Mạnh mẽ với việc tích hợp các chức công nghệ như: đếm, đo lường, điều khiển vòng kín và điều khiển chính xác. - Tích hợp các đầu vào/ra ( I/O) số ( DIGITAL) và tương tự ( ANALOG).

- Thiết kế tiện dụng cho tất cả các ứng dụng. - Module hóa các module mở vào/ra số và tương tự. - Nhiều lựa chọn cho giao tiếp. Kiểu dáng PLC S7-1200 nhỏ gọn nhưng tính năng mạnh mẽ, đa ứng dụng, hiệu suất làm việc cao.

Dễ dàng lắp đặt, lập trình và vận hành. Đa ứng dụng, có thể sử dụng như là một hệ thống đơn lẻ hoặc trong một mạng với hệ thống phân phối. HMI Giao diện người máy HMI là một phần mềm hiển thị thông tin cho vận hành viên về trạng thái của một quá trình ,chấp nhận và thực hiện các hướng dẫn của vận hành viên.Nó cũng có thể hiểu được thông tin nhà máy và hướng dẫn hoạt động tương tác giữa vận hành viên và hệ thống. Khi công nghệ mạng viễn thông ngày càng trở lên đa dạng vấn đề quản lí cũng trở lên phức tạp hơn.Sự phức tạp này đòi hỏi các giao diện quản lí chuẩn hóa phải tăng chất lượng dịch vụ.Mục đích là tăng hiệu quả mục đích của hệ thống quản lí và người vận hành chúng.HMI mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng,nổi bật là: -Dễ học và dễ nhớ -Khó có thể gây lỗi -Hoàn thành mục tiêu hiệu quả hơn -Sử dụng dễ chịu hơn b, Tính thực tế của đồ án CPU-HMI Tính ứng dụng rộng và khả năng phát triển rất lớn cả trong công nghiệp và dân dụng như: Đóng gói bao bì, trạm trộn xi măng và vữa, quạt thông gió cho các nhà máy, xí nghiệm, hệ thống bôi trơn tập trung, máy gia công gỗ, điều khiển cửa tự động.

Hệ thống nâng thủy lực, hệ thống băng tải, công nghiệp thực phẩm, phòng thí nghiệm, các ứng dụng điều biến, lắp ráp thiết bị điện, giám sát, bảo vệ hệ thống điều khiển. Giới thiệu về HMI HMI là gì? HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI,… Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn thuần.

Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra. Một số có một HMI thô sơ: một hiển thị ASC II đơn hoặc hai dòng ASCII với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ. Có rất ít các thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có độ phân giải cao cho quá trình. HMI sử dụng toàn bộ máy tính và màn hình hiển thị thì hạn chế đối với các phòng điều khiển bởi vì mạch máy tính, màn hình và ổ đĩa dễ hỏng.

Vỏ bọc được phát triển để giúp cho HMI sử dụng máy tính có thể định vị bên ngoài sàn nhà máy, nhưng rất rộng, kềnh càng và dễ hỏng do sức nóng, độ ẩm, sự rửa trôi và các sự cố khác ở sàn nhà máy. HMI máy tính trước đây cũng tiêu thụ rất nhiều điện năng.Một máy tính “desktop” thông thường trong những năm 80 của thế kỷ 20 có công suất 200 W. * Hỗ trợ người vận hành Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên phức tạp hơn.Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị dạng cảm ứng. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị.

Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình rửa trôi. Một ưu điểm khác nữa là hiển thị dạng tinh thể lỏng.Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có thể được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn. Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng. Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy.Đôi khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI có thể di chuyển được.

Các thiết bị HMI truyền thống: a. HMI truyền thống bao gồm: • Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm … • Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy. Nhược điểm của HMI truyền thống: • Thông tin không đầy đủ. • Thông tin không chính xác.

• Khả năng lưu trữ thông tin hạn chế. • Độ tin cậy và ổn định thấp. • Đối với hệ thống rộng và phức tạp: độ phức tạp rất cao và rất khó mở rộng. Các thiết bị HMI hiện đại: Do phát sự phát triển của Công nghệ thông tin và Công nghệ Vi điện tử, HMI ngày nay sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ.

HMI hiện đại chia làm 2 loại chính: • HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA. • HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng • Ngoài ra, còn có một số loại HMI biến thể khác MobileHMI dùng Palm, PoketPC. Các ưu điểm của HMI hiện đại: • Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin. • Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.

• Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa. • Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức. • Khả năng lưu trữ cao. Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hoá hiện đại: d.

Các thành phần của HMI: • Phần cứng: • Màn hình: • Các phím bấm • Chíps: CPU, ROM,RAM, EPROM/Flash, … • Phần Firmware: • Các đối tượng • Các hàm và lệnh • Phần mềm phát triển: • Các công cụ xây dựng HMI. • Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối. • Các công cụ mô phỏng • Truyền thông: • Các cổng truyền thông. • Các giao thức truyền thông.

Các thông số đặc trưng của HMI: • Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI. • Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin. • Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành. • Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ.

• Số lượng các đối tượng, hàm lệnh mà HMI hỗ trợ. • Các cổng mở rộng: Printer, USB, CF, PCMCIA, PC100. Quy trình xây dựng hệ thống HMI: *. Lựa chọn phần cứng: • Lựa chọn kích cở màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông tin cảm biến hiển thị đồng thời.

nhu cầu về đồ thị, đồ họa(lưu trình công nghệ. • Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc. • Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác. • Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển thị.

Xây dựng giao diện: • Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức. • Xây dựng các màn hình. • Gán các biến số (tag) cho các đối tượng. • Sử dụng các đối tượng đặc biệt.

• Viết các chương trình script (tùy chọn). • Mô phỏng và gỡ rối chương trình. • Nạp thiết bị xuống HMI. Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản của HMI: *.

Màn hình( Screen ): • Là thành phần của phần mềm ứng dụng HMI được xây dựng trên công cụ phần mềm phát triển HMI và được nạp xuống thiết bị để chạy. • Là nơi chứa đựng các đối tượng (Obj), các biến số (tags), các chương trình dạng ngữ cảnh (script). Đối tượng HMI c. Biến số (Tags): Gồm các biến số nội tại bên trong hệ điều hành thiết bị HMI, dùng để làm các biến số trung gian cho quá trình tính toán, các biến số quá trình trong các thiết bị trên mạng điều khiển: trong PLC, trong thiết bị đo lường thông minh, trong các thiết bị nhúng nà controller khác.

Kiểu biến: - Kiểu biến số (Tag type/Data type ): • Bit: 0/1 (true/false) • Byte: 0.+32512 • Long, Float, BCD. Chương trình script: • Script toàn cục (global): đoạn mã chương trình Script có tác động đến toàn bộ hệ thống HMI • Script đối tượng (Object script): là script chỉ tác dụng đến đối tượng đó. Thường là các đoạn mã chương trìnhviết cho các sự kiện (event) của đối tượng. Ví dụ: Script cho button, với sự kiễn “nhấn nút”.

Trend: Là dạng đồ thị biểu diễn sự thay đổi của một biến(tag) theo thời gian. Có 2 loại trend chính: Trend hiện thời và trend quá khứ (history). Cảnh báo Alarm: Là một loại đối tượng để đưa ra các báo động hay thông báo sự cố cho hệ thống. GIỚI THIỆU PLC S7-1200 1.

Giới thiệu chung về PLC S7-1200 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.