Giới thiệu về PLC S7-1200: Tính năng và ứng dụng

PLC S7-1200 là một trong những dòng sản phẩm nổi bật của Siemens trong lĩnh vực điều khiển tự động. 64 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật · 2023.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tự Động Hóa
• Đề tài: Giới Thiệu Về PLC S7-1200: Tính Năng Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: bài viết
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PLC S7-1200
• 1.1. Tổng quan về PLC S7-1200
• 1.1.1. Các dòng sản phẩm của SIEMENS
• 1.2. Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200
• 1.2.1. Signal boards
• 1.2.1.1. Kết nối hệ thống dây dẫn
• 1.2.2. Signal modules
• 1.2.2.1. Trạng thái đèn LED của I/O module tín hiệu
• 1.2.2.2. Bus kết nối
• 1.2.2.3. Kết nối hệ thống dây
• 1.2.3. Các mođun truyền thông
• 1.2.3.1. Trạng thái đèn LED cho các module giao tiếp
• 1.2.3.2. Truyền thông kết nối
• 1.2.4. Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7-1200
• 1.2.5. Phạm vi ứng dụng của Simatic S7-1200
• 1.2.6. Các chức năng nổi bật của CPU 1214C
• 1.3. Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC
• 1.4. Board tín hiệu của S7-1200
• 1.5. Modules mở rộng tín hiệu vào/ra
• 1.5.1. Module Analog
• 1.6. Module truyền thông
• 1.7. Thẻ nhớ
• 1.8. Module nguồn
• 1.9. Switch
• 1.10. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
• 1.10.1. Cấu trúc
• 1.10.2. Nguyên lý hoạt động của PLC
• 1.10.3. Đèn tín hiệu PLC
• 1.10.4. Bộ nhớ PLC
• 1.10.5. Hệ thống và bộ nhớ đồng hồ
• 1.10.5.1. Biến nhớ tạo xung clock M10.5Hz
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V11
• 2.1. Kết nối CPU qua giao thức TCP/IP
• 2.2. Cấu hình CPU
• 2.3. Địa chỉ IP mặc định của PLC S7-1200
• 2.4. Cấp địa chỉ IP cho PC hoặc Laptop
• 2.5. Kết nối máy tính với PLC
• 2.6. Kết nối Profinet
• 2.7. Mật khẩu bảo vệ cho CPU S7-1200
• 2.8. Khởi tạo bảng tag mới
• 2.8.1. Tạo bảng tag
• 2.8.2. Kéo thả vào địa chỉ PLC
• 2.9. Khối chương trình
• 2.9.1. Khối tổ chức OB – Organization Blocks
• 2.9.2. Hàm chức năng – Function (FC)
• 3. CHƯƠNG 3: TẬP LỆNH CƠ BẢN CỦA PLC S7-1200
• 3.1. Các tập lệnh cơ bản
• 3.1.1. Công tắc và cuộn coil
• 3.1.2. Lệnh Set và Reset
• 3.1.3. Lệnh nhận biết xung cạnh lên P và xung cạnh xuống N
• 3.2. Lệnh TIMER
• 3.2.1. Timer TP – Timer tạo xung
• 3.2.2. Timer TON – Timer trễ sườn lên có nhớ
• 3.2.3. Timer TOF – Timer trễ sườn xuống
• 3.2.4. Timer TONR – Timer trễ sườn lên có nhớ
• 3.3. Lệnh Counter
• 3.3.1. Counter đếm lên – CTU
• 3.3.2. Counter đếm xuống – CTD
• 3.3.3. Counter đếm lên xuống – CTUD
• 3.4. Lệnh so sánh CMP
• 3.5. Lệnh toán học
• 3.5.1. Lệnh Cộng, Trừ, Nhân, Chia
• 3.5.2. Lệnh phủ định
• 3.5.3. Lệnh tăng, giảm
• 3.5.4. Lệnh giá trị tuyệt đối
• 3.6. Lệnh di chuyển Move
• 3.6.1. Lệnh di chuyển Move
• 3.6.2. Lệnh Block Move

Tóm tắt

I. Giới thiệu về PLC S7 1200 Tính năng nổi bật và ứng dụng

PLC S7-1200 là một trong những dòng sản phẩm nổi bật của Siemens trong lĩnh vực điều khiển tự động. Thiết bị này được thiết kế để thực hiện các tác vụ điều khiển logic một cách linh hoạt và hiệu quả. Với khả năng lập trình dễ dàng, PLC S7-1200 cho phép người dùng thực hiện nhiều trình tự điều khiển khác nhau thông qua ngôn ngữ lập trình thân thiện. Đặc biệt, thiết bị này có thể kết nối với nhiều loại thiết bị thông minh khác, tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh và hiệu quả.

1.1. Tính năng nổi bật của PLC S7 1200

PLC S7-1200 sở hữu nhiều tính năng nổi bật như khả năng lập trình dễ dàng, dung lượng bộ nhớ lớn và khả năng giao tiếp với các thiết bị khác. Thiết bị này còn tích hợp cổng truyền thông Profinet, giúp kết nối nhanh chóng và hiệu quả.

1.2. Cấu hình và điều hành PLC S7 1200

Cấu hình của PLC S7-1200 bao gồm các module tín hiệu và các module mở rộng, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng. Việc điều hành thiết bị cũng rất đơn giản nhờ vào phần mềm TIA Portal.

II. Vấn đề và thách thức khi sử dụng PLC S7 1200

Mặc dù PLC S7-1200 mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình sử dụng. Việc lập trình và cấu hình thiết bị có thể gặp khó khăn đối với những người mới bắt đầu. Ngoài ra, việc bảo trì và sửa chữa cũng cần được chú ý để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định.

2.1. Khó khăn trong lập trình PLC S7 1200

Người dùng mới có thể gặp khó khăn trong việc làm quen với ngôn ngữ lập trình và các chức năng của PLC S7-1200. Việc này đòi hỏi thời gian và sự kiên nhẫn để nắm vững.

2.2. Thách thức trong bảo trì và sửa chữa

Bảo trì và sửa chữa PLC S7-1200 cần có kiến thức chuyên môn. Việc không thực hiện đúng quy trình có thể dẫn đến hỏng hóc và giảm hiệu suất làm việc.

III. Phương pháp lập trình PLC S7 1200 hiệu quả

Để lập trình PLC S7-1200 một cách hiệu quả, người dùng cần nắm vững các phương pháp lập trình cơ bản. Sử dụng phần mềm TIA Portal là một trong những cách tốt nhất để tối ưu hóa quá trình lập trình. Phần mềm này cung cấp giao diện thân thiện và nhiều công cụ hỗ trợ.

3.1. Hướng dẫn lập trình cơ bản với TIA Portal

Phần mềm TIA Portal cho phép người dùng lập trình PLC S7-1200 thông qua các khối chức năng và lệnh logic. Việc sử dụng các khối này giúp đơn giản hóa quá trình lập trình.

3.2. Các lưu ý khi lập trình PLC S7 1200

Người dùng cần chú ý đến việc tổ chức chương trình một cách hợp lý. Điều này giúp dễ dàng trong việc bảo trì và mở rộng chức năng sau này.

IV. Ứng dụng thực tiễn của PLC S7 1200 trong công nghiệp

PLC S7-1200 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như tự động hóa sản xuất, điều khiển máy móc và hệ thống điều khiển quy trình. Nhờ vào tính linh hoạt và khả năng mở rộng, thiết bị này đáp ứng tốt nhu cầu của các nhà máy hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong tự động hóa sản xuất

PLC S7-1200 giúp tự động hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và tăng năng suất. Thiết bị này có thể điều khiển nhiều loại máy móc khác nhau.

4.2. Ứng dụng trong điều khiển quy trình

Trong các nhà máy chế biến, PLC S7-1200 được sử dụng để điều khiển các quy trình phức tạp, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

V. Kết luận và tương lai của PLC S7 1200

PLC S7-1200 không chỉ là một thiết bị điều khiển thông minh mà còn là một phần quan trọng trong xu hướng tự động hóa hiện đại. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, PLC S7-1200 hứa hẹn sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

5.1. Tương lai của PLC S7 1200 trong công nghiệp

Với sự phát triển của công nghệ IoT và AI, PLC S7-1200 sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và điều khiển.

5.2. Những cải tiến dự kiến cho PLC S7 1200

Các nhà sản xuất đang nghiên cứu để cải tiến tính năng và khả năng kết nối của PLC S7-1200, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

Nội dung chính

TỔNG QUAN HỌC THUẬT VÀ NỘI DUNG GIÁO TRÌNH: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200: TÍNH NĂNG VÀ ỨNG DỤNG

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình "Giới thiệu về PLC S7-1200: Tính năng và ứng dụng" là tài liệu học tập chuyên ngành thuộc khối kiến thức Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Cơ điện tử ở bậc đào tạo đại học và cao đẳng kỹ thuật. Nội dung tài liệu đóng vai trò cầu nối quan trọng giữa lý thuyết điều khiển logic cơ bản và việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình hiện đại vào hệ thống điều khiển công nghiệp.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học:

• Hệ thống kiến thức về kiến trúc phần cứng, nguyên lý quét chương trình và cơ chế quản lý bộ nhớ của dòng PLC SIMATIC S7-1200 do Siemens sản xuất.
• Kỹ năng cấu hình truyền thông công nghiệp, thiết lập mạng TCP/IP/Profinet và thao tác trên môi trường kỹ thuật TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) V11.
• Khả năng vận dụng tập lệnh cơ bản (xử lý bit, định thời, đếm, toán học, xử lý tín hiệu analog) để xây dựng chương trình điều khiển theo ngôn ngữ Ladder (LAD), Sơ đồ khối chức năng (FBD) và phương pháp lưu đồ tuần tự GRAFCET.
• Năng lực thiết kế, đấu nối phần cứng và lập trình giải quyết các bài toán truyền động điện cơ bản trong nhà máy.

Cấu trúc giáo trình được thiết kế theo trình tự logic kỹ thuật chặt chẽ, tiếp cận từ phần cứng vật lý, môi trường phần mềm đến cú pháp câu lệnh và triển khai ứng dụng thực nghiệm. Điểm đặc sắc của tài liệu là sự tích hợp đầy đủ giữa thông số kỹ thuật phần cứng (các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C, module mở rộng Signal Board, Signal Module, module truyền thông) với các ví dụ thực hành cụ thể về sơ đồ đấu dây và chương trình điều khiển trực tiếp.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             KIẾN TRÚC NỘI DUNG GIÁO TRÌNH
[CHƯƠNG 1]         [CHƯƠNG 2]          [CHƯƠNG 3]          [CHƯƠNG 4]         [CHƯƠNG 6]
Tổng quan phần     Phần mềm TIA        Tập lệnh cơ bản     Phương pháp lập    Ứng dụng điều
cứng S7-1200       Portal V11          PLC S7-1200         trình & GRAFCET    khiển động cơ
- CPU & Modules    - Cấu hình IP       - Bit & Latch       - Ngôn ngữ LAD     - Khởi động KĐB
- Bộ nhớ & Bus     - Khối OB & FC      - Timer & Counter   - Ngôn ngữ FBD     - Đảo chiều quay
- Đèn báo & Clock  - Tag Table & Tag   - Math & Analog     - Lưu đồ giải thuật - Khởi động Y-Δ

Các chương và chủ đề chính

• Chương 1: Giới thiệu PLC S7-1200: Trình bày tổng quan về bộ điều khiển lập trình (Programmable Logic Controller), phân tích sự phát triển từ hệ thống điều khiển relay dây nối sang hệ thống lập trình số. Chương này phân tích chi tiết phần cứng dòng SIMATIC S7-1200, bao gồm các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C; cấu trúc nguồn cấp (DC/DC/DC hoặc DC/DC/Rly); các khối chức năng tích hợp (6 bộ đếm tốc độ cao HSC, 2 ngõ ra PTO 100kHz, ngõ ra điều chế độ rộng xung PWM, 16 bộ điều khiển PID autotuning); module mở rộng Signal Board (SB), Signal Module (SM), module truyền thông RS232/RS485, module nguồn PM 1207, module mạng CSM1277; cùng cấu trúc bus (Address, Data, Control bus), chu kỳ quét và cơ chế phân vùng bộ nhớ (RAM, EPROM, EEPROM).
• Chương 2: Giới thiệu phần mềm TIA Portal V11: Hướng dẫn quy trình kết nối CPU qua giao thức TCP/IP/Profinet, các bước thiết lập cấu hình địa chỉ IP máy tính và PLC, thiết lập mật khẩu bảo vệ CPU, quản lý bảng biến (PLC Tags) qua phương pháp gán trực tiếp hoặc kéo - thả. Đồng thời, chương này giới thiệu kiến trúc khối chương trình, phân biệt chức năng của Khối tổ chức (Organization Blocks - OB như Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB, Process Alarm OB) và Khối hàm (Functions - FC).
• Chương 3: Tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200: Giới thiệu hệ thống lệnh lập trình điều khiển logic gồm các nhóm: tiếp điểm và cuộn coil, lệnh đảo bit NOT, lệnh Set/Reset đơn bit và nhiều bit (SET_BF, RESET_BF), mạch chốt SR/RS; lệnh phát hiện sườn xung cạnh lên (P) và cạnh xuống (N), P_TRIG, N_TRIG; hệ thống khối định thời chuẩn IEC_Timer (TP, TON, TOF, TONR); hệ thống bộ đếm (CTU, CTD, CTUD); các lệnh so sánh dữ liệu (CMP); nhóm lệnh tính toán số học (ADD, SUB, MUL, DIV kèm cờ báo trạng thái ENO/NaN), lệnh đảo dấu (NEG), tăng/giảm (INC/DEC), lấy trị tuyệt đối (ABS); các lệnh sao chép và chuyển đổi kiểu dữ liệu (MOVE, MOVE_BLK, CONV); nhóm lệnh logic thao tác trên Word (AND, OR, XOR); cùng hai lệnh chuẩn hóa và tỷ lệ hóa tín hiệu Analog (NORM_X, SCALE_X).
• Chương 4: Lập trình PLC và lưu đồ GRAFCET: Khái quát các phương pháp lập trình đồ họa chuẩn hóa trong công nghiệp gồm ngôn ngữ hình thang Ladder Logic (LAD) và sơ đồ khối chức năng Flowchart Block Diagram (FBD), kết hợp phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tuần tự bằng lưu đồ thuật giải GRAFCET.
• Chương 6: Một số ứng dụng đơn giản: Trình bày các bài toán thực hành cơ bản: mạch mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc, mạch đảo chiều quay trực tiếp có bảo vệ liên động, mạch khởi động sao - tam giác (Y-Δ), các mạch định thời trễ thời gian đóng ngắt tải và hệ thống điều khiển chu kỳ đèn giao thông (Xanh 20s, Vàng 3s, Đỏ 10s).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Nội dung giáo trình hình thành các nền tảng lý thuyết và nguyên lý cốt lõi:

1. Nguyên lý chu kỳ quét (Scan Cycle) và xử lý thời gian thực: CPU thực hiện lặp tuần tự các giai đoạn đọc trạng thái đầu vào vật lý, thi hành lệnh chương trình từ bộ nhớ và cập nhật dữ liệu ra ngoại vi dưới sự kiểm soát của xung clock hệ thống (tần số hoạt động từ 1.8 MHz).
2. Mô hình phân vùng bộ nhớ và định dạng dữ liệu công nghiệp: Phân loại chức năng giữa bộ nhớ hệ thống RAM (sử dụng pin/tụ dự phòng), EPROM (chứa firmware/hệ điều hành gốc) và EEPROM; quản lý hệ thống biến nhớ trạng thái (I, Q, M, D, L) và các định dạng dữ liệu từ Boolean (1-bit), Byte, Word, DWord, số nguyên (SInt, Int, DInt, USInt, UInt, UDInt), số thực (Real, LReal) đến dữ liệu thời gian chuẩn (TIME 32-bit).
3. Kiến trúc khối chương trình chuẩn hóa: Cơ chế phân chia luồng điều khiển giữa hệ thống điều hành và người dùng thông qua các khối OB (xử lý chu kỳ, ngắt thời gian, ngắt báo động, chẩn đoán lỗi) kết hợp các khối mã không lưu trạng thái FC nhằm tái sử dụng mã nguồn.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical Skills): Đấu nối phần cứng CPU PLC S7-1200 (như sơ đồ CPU 1214C DC/DC/DC), ghép nối các board tín hiệu mở rộng SB, module tương tự SM, kết nối module truyền thông nối tiếp RS232/RS485, thiết lập cấu hình mạng công nghiệp Ethernet/Profinet qua switch CSM1277 và module nguồn PM 1207.
• Kỹ năng phân tích (Analytical Skills): Phân tích bảng địa chỉ vào/ra, xây dựng lưu đồ thuật giải GRAFCET cho quy trình công nghệ, tính toán thông số định thời của Timer, tỷ lệ chuyển đổi dữ liệu bộ đếm Counter và cờ báo lỗi toán học (kiểm soát lỗi chia cho 0, kết quả tràn số, giá trị không phải số NaN qua cờ ENO).
• Kỹ năng thực hành (Practical Competencies): Khởi tạo bảng tag, lập trình hoàn chỉnh các mạch điều khiển truyền động động cơ công nghiệp, cấu hình khối hàm đọc và chuyển đổi tín hiệu cảm biến analog qua NORM_X/SCALE_X, thiết lập chu kỳ xung thời gian thực bằng biến nhớ hệ thống Clock memory byte (như M10.x).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

                    QUY TRÌNH TIẾP CẬN SƯ PHẠM CỦA GIÁO TRÌNH

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận sư phạm đi từ cấu trúc kỹ thuật nền tảng đến vận dụng thực hành. Mô hình bài giảng tích hợp song song giữa lý thuyết phần cứng và thao tác trên phần mềm công nghiệp.

Về phương pháp thực hành và tình huống ứng dụng (Case studies):

• Tài liệu đưa ra các case study kinh điển trong điều khiển truyền động điện: bài toán mở máy động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc, bài toán đảo chiều quay có khóa chéo liên động nút nhấn và tiếp điểm bảo vệ, bài toán đổi nối sao - tam giác nhằm giảm dòng khởi động, bài toán trễ thời gian đóng ngắt tiếp điểm và bài toán tổ chức chu kỳ đèn giao thông.
• Mỗi tình huống đều cung cấp đầy đủ: danh mục thiết bị khí cụ (Áptomát, nút ấn ON/OFF, Rơle nhiệt, Contactor), bảng phân công địa chỉ cổng I/O, sơ đồ nối dây phần cứng tới CPU PLC và sơ đồ thang LAD tương ứng.

Hướng dẫn tự học và đánh giá:

• Người học được hướng dẫn từng bước thiết lập cấu hình mạng trên máy tính (Start $\rightarrow$ Settings $\rightarrow$ Network Connections $\rightarrow$ TCP/IP Properties $\rightarrow$ Gán IP tĩnh), cấu hình phần cứng thiết bị trên giao diện TIA Portal V11 và quản trị biến qua PLC Tags.
• Phương pháp đánh giá kết quả học tập dựa trên khả năng giải thích sơ đồ nguyên lý đấu nối dây, mức độ chính xác khi lập bảng phân bổ địa chỉ I/O, khả năng viết mã chương trình đáp ứng đúng biểu đồ thời gian và thao tác kiểm tra lỗi trực tuyến (chẩn đoán trạng thái đèn báo Run/Stop, Error, Maint trên CPU).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Dòng PLC SIMATIC S7-1200 và phần mềm TIA Portal được trình bày trong giáo trình thể hiện nhiều bước tiến kỹ thuật so với các hệ thống điều khiển thế hệ trước:

Hạng mục so sánh	Hệ thống điều khiển Relay / PLC cũ	Hệ thống SIMATIC S7-1200 & TIA Portal
Phương thức thay đổi logic	Đi lại dây nối vật lý phức tạp, tốn thời gian	Nạp lại chương trình vào bộ nhớ RAM/EEPROM qua phần mềm
Giao diện truyền thông	Cáp nạp chuyên dụng qua cổng RS232/PPI	Tích hợp cổng Profinet (Ethernet) chuẩn RJ45 trên CPU
Môi trường lập trình	Phần mềm rời rạc cho PLC và màn hình HMI	Nền tảng TIA Portal đồng nhất (Step 7 Basic, WinCC Basic)
Quản lý biến và dữ liệu	Quản lý thuần túy theo địa chỉ ô nhớ tuyệt đối	Quản lý theo Tags, hỗ trợ thao tác kéo - thả trực quan
Khả năng mở rộng phần cứng	Bắt buộc lắp module mở rộng sang bên cạnh	Tích hợp Signal Board trực tiếp lên mặt trước CPU
Chức năng điều khiển cao cấp	Cần lắp thêm các card chức năng chuyên dụng	Tích hợp sẵn HSC, PTO 100kHz, PWM và 16 bộ PID Autotuning

Việc tích hợp sẵn 6 bộ đếm xung tốc độ cao HSC (High Speed Counter) và 2 ngõ ra phát xung PTO (Pulse Train Output) 100kHz trên dòng CPU 1214C cho phép điều khiển trực tiếp động cơ bước (Stepper) hoặc động cơ servo mà không cần card chuyên dụng. Tính năng tự chỉnh định thông số (Autotuning) trong 16 bộ PID tích hợp hỗ trợ giải quyết các bài toán điều khiển nhiệt độ và điều khiển van biến thiên trong quy trình công nghệ. Khả năng mở rộng tới 8 module tín hiệu (SM) trên CPU 1214C và 2 module trên CPU 1212C, kết hợp module chuyển mạch CSM1277 và nguồn PM 1207 mang lại tính linh hoạt cao trong thiết kế tủ bảng điện công nghiệp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong đào tạo và nghiên cứu:

• Sinh viên đại học và cao đẳng: Phù hợp cho sinh viên từ năm thứ ba thuộc các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Cơ điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Tin học công nghiệp đang theo học các học phần Điều khiển lập trình, Tự động hóa quá trình công nghệ.
• Điều kiện tiên quyết: Người học cần nắm vững kiến thức về Mạch điện, Khí cụ điện - Đo lường, Lý thuyết kỹ thuật số (đại số logic Boolean, các mạch chốt flipflop, cổng logic), và nguyên lý truyền động điện cơ bản.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm đề cương bài giảng chi tiết, tài liệu hướng dẫn thực hành tại phòng thí nghiệm tự động hóa, xây dựng ngân hàng bài tập thiết kế hệ thống điều khiển tuần tự và lập trình điều khiển động cơ.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên nhà máy: Sử dụng làm tài liệu tra cứu nhanh về cấu hình phần cứng S7-1200, cú pháp tập lệnh chuẩn TIA Portal, quy cách đấu nối sơ đồ I/O và phương pháp chẩn đoán sự cố phần cứng phục vụ bảo trì hệ thống.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu phù hợp cho sinh viên đại học, cao đẳng các ngành kỹ thuật Điện, Tự động hóa, Cơ điện tử và kỹ sư kỹ thuật mới tiếp cận dòng điều khiển lập trình SIMATIC S7-1200 của Siemens.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần có kiến thức cơ sở về mạch điện, khí cụ đóng cắt bảo vệ (Áptomát, Contactor, Rơle nhiệt), logic nhị phân, cổng logic số và các khái niệm cơ bản về động cơ điện xoay chiều 3 pha.

3. Điểm khác biệt căn bản giữa S7-1200 và các dòng PLC thế hệ cũ là gì?

S7-1200 tích hợp sẵn cổng mạng Profinet, phần cứng hỗ trợ Signal Board gắn trực tiếp trên CPU, lập trình trên nền tảng TIA Portal đồng nhất theo cơ chế quản lý Tags và tích hợp sẵn các tập lệnh điều khiển chuyển động (PTO, PWM, HSC, PID Autotuning).

4. Làm thế nào để tự học và thực hành hiệu quả theo giáo trình?

Người học nên kết hợp việc đọc hiểu lý thuyết phần cứng, cài đặt phần mềm TIA Portal V11 (hoặc các phiên bản cao hơn), thực hành từng nhóm lệnh cơ bản và mô phỏng/thực nghiệm các bài toán điều khiển truyền động động cơ được trình bày trong Chương 6.

5. Cần các công cụ và tài liệu bổ trợ nào khi học giáo trình?

Cần chuẩn bị máy tính cài đặt phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic/Professional), tài liệu hướng dẫn phần cứng System Manual SIMATIC S7-1200 của Siemens và mô hình thực hành CPU S7-1200 (hoặc phần mềm mô phỏng PLCSIM).

---

Kết luận

Giáo trình "Giới thiệu về PLC S7-1200: Tính năng và ứng dụng" cung cấp hệ thống kiến thức hoàn chỉnh và chuẩn xác về bộ điều khiển lập trình SIMATIC S7-1200, từ kiến trúc phần cứng, nguyên lý bus, quản trị bộ nhớ, môi trường TIA Portal V11 đến tập lệnh logic và các giải pháp điều khiển truyền động công nghiệp. Lộ trình tiếp cận được định hình rõ ràng: làm chủ phần cứng $\rightarrow$ nắm vững cú pháp tập lệnh $\rightarrow$ xây dựng thuật giải GRAFCET $\rightarrow$ triển khai mạch điều khiển thực tế. Đây là tài liệu phục vụ đắc lực cho công tác đào tạo học thuật và nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PLC S7-1200 1. Tổng quan về PLC S7-1200 PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thong qua một ngôn ngữ lập trình. người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm.

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau: +Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học +Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa +Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được 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 Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian. Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả….

Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình. Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của Page |2 PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng cửa quy trình công nghệ.

Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay. Các dòng sản phẩm của SIEMENS Page |3 1. Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200 1.

Signal boards Signal Board Kết nối hệ thống dây dẫn 1. Signal modules Trạng thái đèn LED của I / O module tín hiệu Bus kết nối Kết nối hệ thống dây 1. Các mođun truyền thông Trạng thái đèn LED cho các module giao tiếp Truyền thông kết nối 1. Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200.Thiết kế dạng Module.

Page |4 + Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối. + Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn. Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags. + Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng.

+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S2 1200: + S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng. + Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là DC/DC/DC hay DC/DC/Rly + Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware. + Chẩn đoán lỗi online/offline.

+ Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực 2. Các chức năng nổi bật của CPU 1214C + Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường. + Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo. + Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ, valve, nhiệt độ.

+ Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning) Page |5 1.2 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC 1.Board tín hiệu của S7-1200 + Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng tín hiệu ít Gồm các board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (0-10VDC, 0-20mA) Page |6 1. Modules mở rộng tín hiệu vào/ra Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh hoạt trong sử dụng S7-1200. Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển.2 Module Analog + SM – tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog (cho CPU 1212C tối đa của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8) Page |7 1.Module truyền thông + Giao tiếp với RS 232/RS 485 1.Thẻ nhớ + SIMATIC thẻ nhớ 2MB hoặc 24MB cho các chương trình lưu trữ dữ liệu và thay thế CPU đơn giản để bảo trì Module nguồn + Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số: Input: 120/230V AC 50/60Hz, 1.5A Switch + Module CSM1277 có 4 cổng cẳm RJ45, tốc độ 10/100Mb/s Page |8 1.5 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 1.Cấu trúc Tất cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên trong, một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các module I/O.

Bên cạnh đó, một số PLC hoàn chỉnh còn đi kèm theo một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trinh dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị sách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sang sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm tra chương trình.

Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458….2 Nguyên lý hoạt động của PLC CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoat động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ 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 tới các module khác nhau +Data bus:bus dùng để truyền dữ liệu Page |9 +Control bus:bus điều khiển dung để truyen các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.

Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1, 8 Mhz. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống. Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động:
Run/stop: đèn xanh/đèn vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng hoạt động
Error: đèn báo lỗi
Maint: đèn báo khi ta buộc (Force) địa chỉ nào đó lên 1 Có 2 loại đèn chỉ thị: • Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra. Bộ nhớ PLC 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, gọi các Relay. Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo.

Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc. Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng +RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho P a g e | 10 RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình.

Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao +EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành. Nếu người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM +EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn 1.

Hệ thống và bộ nhớ đồng hồ P a g e | 11 Biến nhớ tạo xung clock M10. 5Hz P a g e | 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V11 2.