Đồ án thiết kế và thi công bộ thực hành PLC S7-1200 - ĐH Duy Tân

Tài liệu thiết kế và thi công bộ thực hành PLC S7-1200 đồ án tốt nghiệp Đà Nẵng 2022. Hướng dẫn chi tiết sơ đồ đấu nối, lập trình và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Dũng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Phạm Công Đức
• Trường học: Đại học Duy Tân
• Chuyên ngành: Điện tự động
• Đề tài: Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế và thi công bộ thực hành PLC S7 1200

Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC S7-1200 là nhiệm vụ quan trọng trong đào tạo kỹ thuật tự động hóa. Hệ thống tích hợp bộ điều khiển lập trình Siemens S7-1200 cùng các thiết bị ngoại vi hiện đại. Thiết bị phục vụ việc nghiên cứu nguyên lý vận hành, lập trình điều khiển và giám sát quy trình công nghiệp. Bộ thực hành cung cấp giải pháp trực quan cho sinh viên kỹ thuật tiếp cận công nghệ tự động hóa tiêu chuẩn. Cấu trúc phần cứng gồm khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm, module mở rộng, giao diện người máy HMI và hệ thống truyền thông mạng. Việc ứng dụng dòng PLC S7-1200 mang lại hiệu suất xử lý cao, độ ổn định vượt trội và khả năng mở rộng linh hoạt. Mô hình cho phép triển khai nhiều bài toán thực tế như điều khiển động cơ, giám sát nhiệt độ và điều khiển hệ thống đèn giao thông. Đây là nền tảng cốt lõi giúp chuẩn hóa kiến thức lý thuyết thành kỹ năng thực hành chuyên sâu. Thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp hiện đại, hỗ trợ chuyển giao công nghệ hiệu quả.

1.1. Vai trò của PLC S7 1200 trong giáo dục kỹ thuật

PLC S7-1200 đóng vai trò trung tâm trong chương trình đào tạo kỹ thuật điều khiển tự động. Thiết bị giúp người học làm quen với môi trường lập trình TIA Portal chuyên nghiệp. Cấu trúc phần cứng module hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích mạch điện và ghép nối tín hiệu I/O. Thiết bị hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ lập trình như LAD, FBD và SCL theo tiêu chuẩn quốc tế. Sinh viên dễ dàng tiếp cận các thuật toán logic, bộ đếm xung tốc độ cao và các khối hàm xử lý tín hiệu analog. Nền tảng này thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết giảng đường và yêu cầu tuyển dụng thực tế tại nhà máy.

1.2. Xu hướng tích hợp SCADA và IoT trong bộ thực hành

Xu hướng hiện đại hóa giáo dục đòi hỏi bộ thực hành tích hợp hệ thống SCADA và giải pháp IIoT. Việc kết nối PLC S7-1200 với màn hình HMI WECON hoặc màn hình Siemens tạo giao diện trực quan sinh động. Dữ liệu vận hành được thu thập theo thời gian thực và hiển thị trên bảng điều khiển đồ họa. Các thiết bị IoT gateway như V-BOX cho phép giám sát từ xa qua nền tảng điện toán đám mây. Người học có cơ hội tiếp cận công nghệ thu thập dữ liệu phân tán và bảo trì dự đoán. Sự kết hợp này nâng cao tính ứng dụng và đón đầu xu thế công nghiệp 4.0.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật của bộ thực hành PLC S7 1200

Quá trình thiết kế mô hình đào tạo kỹ thuật đặt ra nhiều thách thức về an toàn và độ tin cậy. Phân tích kỹ thuật giúp xác định rõ các yêu cầu về điện áp, cách ly tín hiệu và khả năng chịu tải. Mạch điều khiển phải hoạt động ổn định trong môi trường thí nghiệm có tần suất thao tác liên tục. Thiết bị cần bảo vệ chống ngắn mạch, quá dòng và quá nhiệt hiệu quả. Yêu cầu bố trí linh kiện đòi hỏi tính khoa học, thẩm mỹ và thuận tiện cho việc đấu nối dây. Các cọc cắm thí nghiệm phải đảm bảo độ bền cơ học cao sau nhiều chu kỳ sử dụng. Ngoài ra, tính tương thích truyền thông giữa PLC S7-1200 và các thiết bị ngoại vi như biến tần, cảm biến nhiệt độ PT100 cần được tính toán chính xác. Sự sai lệch trong thiết kế phần cứng có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị đắt tiền. Do đó, việc xây dựng sơ đồ nguyên lý chi tiết và kiểm tra an toàn điện là bước bắt buộc.

2.1. Thách thức trong thiết kế mạch nguồn và an toàn điện

Hệ thống thực hành sử dụng nguồn điện lưới xoay chiều kết hợp nguồn một chiều 24VDC công nghiệp. Bộ nguồn tổ ong cần cấp dòng ổn định cho PLC, HMI, cảm biến và rơ-le trung gian. Nguy cơ ngắn mạch do thao tác nhầm lẫn của người học là rất cao. Thiết kế bắt buộc phải tích hợp aptomat chống giật, cầu chì bảo vệ từng nhánh và diode chống ngược cực. Vỏ tủ mô hình phải nối đất an toàn nhằm triệt tiêu điện áp rò rỉ. Việc lựa chọn dây dẫn đạt tiết diện tiêu chuẩn và đầu cốt bấm chắc chắn giảm thiểu nguy cơ phát nhiệt gây cháy nổ.

2.2. Vấn đề tương thích giao thức truyền thông công nghiệp

Giao tiếp mạng giữa các thiết bị tự động hóa đòi hỏi sự đồng bộ chặt chẽ về cấu hình địa chỉ IP và giao thức. PLC S7-1200 hỗ trợ giao thức Profinet, Modbus TCP/IP và Modbus RTU. Thách thức lớn nằm ở việc cấu hình truyền thông dữ liệu ổn định giữa PLC Siemens và thiết bị hãng thứ ba như HMI WECON. Băng thông mạng qua switch công nghiệp phải được tối ưu để tránh hiện tượng trễ gói tin. Việc lập trình đồng bộ hóa thanh ghi giữa máy chủ server và máy trạm client đòi hỏi kỹ năng chuyên sâu về cấu trúc dữ liệu mạng.

III. Phương pháp thi công và kiểm thử bộ thực hành PLC S7 1200

Quy trình thi công bộ thực hành tuân thủ các bước kỹ thuật chuẩn từ lắp ráp cơ khí đến lập trình phần mềm. Bàn thực hành được gia công từ khung nhôm định hình kết hợp mặt panel phíp cách điện cao cấp. Các thiết bị như PLC S7-1200, nguồn xung, rơ-le, rơ-le nhiệt và biến tần được gắn chắc chắn trên thanh ray nhôm tiêu chuẩn. Mọi đường dây tín hiệu đều được đi gọn gàng trong máng cáp nhựa và đánh số thứ tự rõ ràng. Quá trình kiểm thử chia làm hai giai đoạn kiểm tra nguội và kiểm tra nóng. Kiểm tra nguội nhằm rà soát tính thông mạch, kiểm tra chạm chập và kiểm tra độ cách ly trước khi cấp nguồn. Giai đoạn kiểm tra nóng tiến hành đo điện áp ngõ ra, kiểm tra trạng thái đèn LED chỉ báo và nạp chương trình điều khiển. Phần mềm TIA Portal được sử dụng để lập trình logic, hiệu chỉnh thông số PID và cấu hình mạng Profinet. Mô hình cho phép thực hiện trơn tru các bài thí nghiệm đa dạng.

3.1. Kỹ thuật lắp ráp phần cứng và đi dây bảng điều khiển

Việc bố trí linh kiện trên mặt panel tuân theo nguyên tắc phân chia khu vực chức năng rõ ràng. Khối nguồn và thiết bị đóng cắt được đặt ở vị trí thuận tiện thao tác. Khối xử lý trung tâm PLC S7-1200 đặt ở vị trí trung tâm nhằm tối ưu chiều dài dây nối. Các cọc đấu dây bắp chuối 4mm được phân màu đỏ đen cho nguồn DC và màu vàng xanh cho tín hiệu I/O. Đầu dây cáp đều được bấm đầu cốt kim và đánh số tem nhiệt tương ứng với sơ đồ nguyên lý. Thiết kế này giúp người học dễ dàng quan sát, bảo trì và thao tác cắm nối linh hoạt.

3.2. Lập trình điều khiển và cấu hình giám sát giao diện HMI

Chương trình điều khiển được xây dựng hoàn chỉnh trên phần mềm Siemens TIA Portal V16. Các khối hàm Organization Block (OB), Function Block (FB) và Data Block (DB) được tổ chức khoa học. Ứng dụng điều khiển nhiệt độ sử dụng thuật toán PID tự chỉnh định kết hợp module đọc cảm biến nhiệt. Giao diện giám sát trên HMI WECON hoặc WinCC thiết kế nút bấm, đồng hồ hiển thị số và đồ thị nhiệt độ trực quan. Kỹ thuật viên kiểm tra phản hồi tín hiệu bằng cách kích hoạt từng ngõ vào vật lý và theo dõi trạng thái thay đổi trên màn hình điều khiển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ thực hành PLC S7 1200 đa năng

Bộ thực hành PLC S7-1200 hoàn thiện mở ra khả năng ứng dụng đa dạng trong giảng dạy và nghiên cứu thực nghiệm. Hệ thống phục vụ hiệu quả các học phần kỹ thuật điều khiển lập trình, tự động hóa quá trình sản xuất và mạng truyền thông công nghiệp. Người học có thể triển khai bài toán điều khiển đảo chiều và thay đổi tốc độ động cơ ba pha không đồng bộ. Mô hình đèn giao thông ngã tư kết hợp chế độ tự động và thủ công giúp rèn luyện tư duy lập trình logic tuần tự. Ứng dụng điều khiển và giám sát nhiệt độ buồng sấy chứng minh năng lực xử lý tín hiệu tương tự và thuật toán điều khiển phản hồi vòng kín. Bên cạnh đó, tính năng truyền thông Modbus TCP giữa hai bộ PLC mở rộng kiến thức về hệ thống điều khiển phân tán. Mô hình đạt độ tin cậy cao, hỗ trợ đắc lực công tác chuyển giao công nghệ và đào tạo kỹ sư chuyên nghiệp.

4.1. Triển khai các bài thực hành tự động hóa tiêu biểu

Bộ thiết bị hỗ trợ chuỗi bài tập thực hành từ cơ bản đến nâng cao theo chương trình đào tạo chuẩn. Bài thực hành điều khiển đèn giao thông rèn luyện kỹ năng sử dụng timer, counter và xử lý giao diện điều khiển. Bài tập điều khiển động cơ qua khởi động từ cung cấp kinh nghiệm thực tế về khóa liên động an toàn. Bài thực hành xử lý tín hiệu analog với cảm biến nhiệt độ giúp nắm vững kỹ thuật khuếch đại, chuẩn hóa và bù sai số tín hiệu. Cấu trúc mở của bàn thí nghiệm khuyến khích người học tự xây dựng các dự án điều khiển sáng tạo.

4.2. Hiệu quả kinh tế và giá trị giáo dục của mô hình

Việc tự thiết kế và chế tạo bộ thực hành giúp tiết kiệm đáng kể chi phí so với việc nhập khẩu thiết bị đồng bộ từ nước ngoài. Mô hình có tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng thay thế linh kiện và nâng cấp module khi có nhu cầu. Về mặt sư phạm, thiết bị mang lại trải nghiệm thực học thực nghiệp, nâng cao kỹ năng xử lý sự cố thực tế cho sinh viên. Mô hình là giải pháp thiết thực nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực ngành tự động hóa phục vụ phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG. [1] Mô hình thực hành PLC được nhiều trường đại học/cao đẳng trong nước cũng như nước ngoài áp dụng nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức và ứng dụng của PLC trong thực tế. Phần lớn những thiết bị/mô hình thực tập PLC thường được phân chia thành những module rời phù hợp cho một mục đích học tập hoặc nghiên cứu cụ thể Những mô hình lớn,tích hợp nhiều chức năng/mục đích đào tạo thì thông thường phải được thiết kế và chế tạo theo dạng đặt hàng cho công ty.

Đã có nhiều công ty trong nước và nước ngoài chuyên sản xuất mô hình thực hành/thực hành chào bán có thể phục vụ cho việc dạy và học môn PLC. Tuy nhiên, những mô hình/thiết bị này thường có giá thành tương đối cao và không tiệm cận với chương trình đào tạo của nhà trường đồng thời việc bảo trì, nâng cấp gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy, mục tiêu cơ bản của nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực tập phục vụ cho môn “Thực tập PLC” để đáp phục vụ cho việc giảng dạy và học tập nhằm từng bước nâng cao hiệu quả và chất lượng đào tạo.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 1200.1 Giới thiệu chung. Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp nào … Người ta thường thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơle, timer, contactor …) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài toán công nghiệp đặt ra.

Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lương lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt. Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt. Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programble Logic Controller) ra đời đầu tiên năm 1968 (Công ty General Moto – Mỹ). Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng SVTH: Nguyễn Tuấn Dũng Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC 4 GVHD: Th.S Nguyễn Phạm Công Đức khắc phục những nhược điểm còn tại tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giải quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:  Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.

 Có khả năng mở rộng các modul vào ra khi cần thiết.  Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình.  Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển.  Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa.

Hiện nay trên thế giới đang song hành có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển như hãng Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen, … và có nhiều hãng khác nữa nhưng chúng đều có chung một nguyên lý cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt với từng mặt mạnh riêng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nên dùng hãng PLC nào cho thích hợp với mình mà thôi. Để đi vào chi tiết sau đây xin giới thiệu loại PLC S7 – 1200 của hãng Siemen đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay [1]. Để thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC cũng phải có chức năng như là một chiếc máy tính nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và có các cổng vào/ra để còn trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài. Ngoài ra để thực hiện các bài toán điều khiển số thù PLC còn có các bộ Timer, Counter và các hàm chuyên dụng khác nữa.

Đã tạo thành một bộ điều khiển rất linh hoạt [1].2 Các module của PLC S7 – 1200. Trong quá trình các ứng dụng thực tế thì với mỗi bài toán điều khiển đặt ra là hoàn toàn khác nhau bởi vậy việc lựa chọn chủng loại các thiết bị phần cứng là cũng khác nhau, sao cho phù hợp với yêu cầu mà không gây lãng phí tiền của. Vì vậy việc lựa chọn các CPU và các thiết bị vào ra là không giống nhau. Bởi vậy PLC đã được chia nhỏ ra thành cá module riêng lẻ để cho PLC không bị cứng hóa về cấu hình.

Số các module được sử dụng nhiều hay ít là tùy thuộc từng yêu cầu của bài toán đặt ra những tối thiểu phải có module nguồn nuôi, module CPU còn các module còn lại là các module truyền nhận tín hiệu với môi trường bên ngoài, ngoài ra còn có các module có chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển mờ, điều khiển động cơ bước, các module phục vụ cho các chức năng truyền thông … Tất cả các module kể trên được gắn trên một thanh Rack. SVTH: Nguyễn Tuấn Dũng Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC 5 GVHD: Th.S Nguyễn Phạm Công Đức Hình 1.1: Các module PLC S7 – 1200 Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485), … Và có thể còn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là các cổng vào ra Onboard.2: PLC S7 – 1200 - 1214C DC/DC/DC. PLC có các thông số như sau:  Power supply (Nguồn nuôi) 24VDC  Digital Inputs (Ngõ vào) 14 DI DC  Digital outputs (Ngõ ra) 10 DO DC  Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) 2 AI  Program language (Ngôn ngữ lập trình) Ladder / STL  RTC (thời gian thực) Tích hợp sẵn  Communication (truyền thông) RS485 qua cáp PC/PPI  Communication Expansion (truyền thông mở rộng) Modbus, Profibus, Devicenet.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA PORTAL V17 Siemens giới thiệu TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện.

SVTH: Nguyễn Tuấn Dũng Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC 6 GVHD: Th.S Nguyễn Phạm Công Đức Hình 1.3: Giao diện khởi động phần mềm TIA portal V17 Hình 1.4: Cấu hình S7 -1200 Ban Tự động hóa Công nghiệp của Siemens vừa giới thiệu phần mềm tự động hóa đầu tiên trong công nghiệp sử dụng chung một môi trường, một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, gọi là Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal). Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ. Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa. Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens.

SVTH: Nguyễn Tuấn Dũng Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC 7 GVHD: Th.S Nguyễn Phạm Công Đức Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal. Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này. Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả’ một biến của trong chương trình điều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI. Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm [2].1 Giới thiệu các hàm được dùng trong hệ thống: Các lệnh vào ra.

LAD Mô Tả Toán Hạng Tiếp điểm thường mở n: I, Q, M, L, D, T, C được đóng nếu n=1 Tiếp điểm thường đóng n: I, Q, M, L, D, T, C sẽ mở khi n=1 Bảng 1.1: Các biến on/off LAD Mô tả Toán hạng Cuộn dây đầu ra được kích thích khi được cấp n: I, Q, M, L, D, T, C dòng điều khiển Bảng 1.2: Đầu ra điều khiển. Các lệnh so sánh. Có thể dùng lệnh so sánh để so sánh các cặp giá trị số sau: nếu kết quả so sánh là TRUE thì ngõ ra của phép toán là “1” ngược lại ngõ ra của phép toán là “0”. Sự so sánh ở ngõ ra và ngõ vào tương ứng với các loại sau: CMP == Equal CMP <> Not equal CMP >= Greater or equal CMP <= Less or equal CMP > Greater than CMP < Less than IN Range Value within range Bảng 1.3: Một số hàm so sánh.

SVTH: Nguyễn Tuấn Dũng Thiết kế và thi công bộ thực hành PLC 8 GVHD: Th.S Nguyễn Phạm Công Đức == : IN1 bằng IN2 > : IN1 lớn hơn IN2 < : IN1 nhở hơn IN2 > = : IN1 lớn hơn hoặc bằng IN2 < = : IN1 nhỏ hơn hoặc bằng IN2.2 Phần mềm V-NET assets WECON Technology là một công ty công nghệ cao của Trung Quốc. WECON phát triển, sản xuất, hỗ trợ và cung cấp giao diện người – máy (HMI), bộ điều khiển lập trình (PLC), bảng điều khiển công nghiệp (IPC) và V-BOX cho IoT công nghiệp. Các sản phẩm WECON được sử dụng rộng rãi trong các máy móc thiết bị, luyện kim, hóa chất, dầu mỏ, và các ngành công nghiệp khác. WECON đã đạt được sự phát triển đáng kể trong các sản phẩm giao diện người-máy (HMI), nghiên cứu và phát triển các sản phẩm bộ điều khiển lập trình (PLC).

Các sản phẩm của WECON chính thức có mặt trên thị trường vào tháng 6 năm 2012.