Đồ án: Thiết kế & Thi công hệ thống lưu kho tự động S7-1200

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & thi công hệ thống lưu kho tự động với S7-1200. Tìm hiểu quy trình, giải pháp & ứng dụng thực tế. Tải tài liệu tham khảo!

• Tác giả: Nguyễn Hùng Quốc
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Quang Thiện
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Lƣu Kho Tự Động Sử Dụng S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• Nhận Xét Của Người Hướng Dẫn
• Nhận Xét Của Người Phản Biện
• TÓM TẮT
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀI
• 1.1. Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa
• 1.2. Vấn đề đặt ra
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp Nghiên cứu
• 1.6. Kế hoạch nghiên cứu
• 1.7. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG HÓA
• 2.1. Giới thiệu về PLC S7-1200
• 2.1.1. Tổng quan về nguồn gốc PLC
• 2.1.2. Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay
• 2.1.3. Giới thiệu Siemens PLC S7-1200
• 2.1.4. Chế độ bảo mật của PLC S7-1200
• 2.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC
• 2.2.1. Cấu hình phần cứng
• 2.2.2. Thiết bị lập trình
• 2.2.3. Giao diện vào/ra
• 2.2.4. Cấu tạo chung của PLC
• 2.2.5. Khái niệm chung
• 2.3. Các phương pháp lập trình
• 2.3.1. Một số ký hiệu chung
• 2.3.2. Phương pháp hình thang Ladder Logic
• 2.3.3. Phương pháp liệt kê lệnh STL Statement List
• 2.4. Các rơle thời gian
• 2.5. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC
• 3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế phần cứng của hệ thống
• 3.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.1.2. Mô tả công nghệ của hệ thống
• 3.2. Mạch động lực và điều khiển
• 3.2.1. Mạch động lực
• 3.2.2. Mạch điều khiển
• 3.3. Thi công mô hình
• 3.3.1. Mô hình đã làm
• 3.3.2. Khái quát về các thiết bị của mô hình
• 3.3.2.1. PLC S7-1200 CPU 1214C DCDCDC
• 3.3.2.2. Rơle trung gian
• 3.3.2.3. Cảm biến quang
• 3.3.2.4. Nguồn tổ ong
• 4. CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG
• 4.1. Phần mềm TIA Portal
• 4.1.1. Giới thiệu phần mềm
• 4.1.2. Lập trình trong TIA Portal
• 4.2. Phân công đầu vào đầu ra
• 4.3. Lưu đồ thuật toán của hệ thống
• 4.4. Chương trình điều khiển
• 4.5. Cách thiết lập địa chỉ IP
• 4.6. Thiết kế giao diện wincc
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Khám phá hệ thống lưu kho tự động S7 1200 Xu thế tất yếu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 và quá trình hội nhập kinh tế quốc tế, việc hiện đại hóa quy trình sản xuất và logistics là yêu cầu cấp thiết đối với các doanh nghiệp Việt Nam. Các hệ thống điều khiển tự động đang dần thay thế sức lao động thủ công, và một trong những lĩnh vực chứng kiến sự chuyển đổi mạnh mẽ nhất chính là quản lý kho bãi. Hệ thống lưu kho tự động S7-1200 nổi lên như một giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp giải quyết các bài toán tồn đọng của kho hàng truyền thống. Thay vì phụ thuộc vào con người, hệ thống này sử dụng PLC S7-1200 làm bộ não trung tâm để điều phối toàn bộ hoạt động nhập, xuất và quản lý hàng hóa một cách chính xác và hiệu quả. Việc thiết kế và thi công một hệ thống như vậy không chỉ nhằm mục đích tối ưu hóa vận hành, giảm chi phí nhân công mà còn là bước đi chiến lược, nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp. Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200" được nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (2022) chính là minh chứng cho tiềm năng ứng dụng to lớn của công nghệ này. Hệ thống này cho phép tự động hóa hoàn toàn việc sắp xếp sản phẩm vào các ô chứa, theo dõi tồn kho theo thời gian thực và xuất hàng theo yêu cầu một cách nhanh chóng. Sự kết hợp giữa cơ khí chính xác, cảm biến thông minh và bộ điều khiển logic lập trình mạnh mẽ tạo ra một kho lưu trữ thông minh, linh hoạt và có khả năng hoạt động liên tục 24/7, giảm thiểu sai sót do con người gây ra và đảm bảo an toàn lao động.

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của tự động hóa kho hàng

Sự phát triển của nền kinh tế và sản xuất đa dạng đã đặt ra yêu cầu ngày càng cao về hiệu quả trong khâu logistics và lưu trữ. Các kho hàng truyền thống, vận hành chủ yếu dựa vào sức người, đang bộc lộ nhiều nhược điểm như tốc độ xử lý chậm, dễ xảy ra sai sót, chi phí nhân công cao và rủi ro tai nạn lao động. Theo nghiên cứu, tự động hóa kho hàng là giải pháp không thể thiếu để khắc phục những hạn chế này. Một hệ thống tự động giúp quy trình nhập và xuất hàng hóa diễn ra nhanh chóng, chuẩn xác, không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Điều này không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận hành mà còn nâng cao đáng kể năng suất lao động. Đặc biệt, trong các ngành sản xuất có sản lượng lớn và yêu cầu truy xuất nguồn gốc nghiêm ngặt, việc áp dụng công nghệ tự động là yếu tố sống còn.

1.2. Lợi ích vượt trội của mô hình kho lưu trữ thông minh

Mô hình kho lưu trữ thông minh mang lại những lợi ích vượt trội so với phương pháp truyền thống. Thứ nhất, nó tối ưu hóa không gian lưu trữ, cho phép chứa được nhiều hàng hóa hơn trên cùng một diện tích. Thứ hai, hệ thống giúp phân loại và quản lý hàng hóa đa dạng một cách khoa học, dễ dàng truy xuất khi cần. Thứ ba, việc quản lý tồn kho được cập nhật theo thời gian thực, cung cấp dữ liệu chính xác cho việc lập kế hoạch sản xuất và kinh doanh. Các doanh nghiệp lớn như Amazon hay Vinamilk đã chứng minh hiệu quả khi áp dụng công nghệ này, giúp tăng doanh thu và giảm chi phí vận hành đáng kể. Một hệ thống lưu kho tự động còn giúp bảo quản hàng hóa tốt hơn, tránh hư hỏng do xếp chồng và giảm thiểu tối đa các lỗi xử lý thủ công.

II. Thách thức của kho bãi truyền thống và giải pháp tự động

Các kho hàng truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng cản trở sự phát triển của doanh nghiệp. Vấn đề lớn nhất là sự phụ thuộc quá mức vào lao động thủ công. Việc bốc xếp, phân loại và kiểm đếm hàng hóa bằng tay không chỉ tốn thời gian, chi phí mà còn tiềm ẩn nguy cơ sai sót cao, dẫn đến thất thoát tài sản và giảm uy tín với khách hàng. Hơn nữa, môi trường làm việc trong kho thường tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động liên quan đến việc sử dụng xe nâng hoặc khiêng vác vật nặng. Việc quản lý hàng tồn kho trên giấy tờ hoặc các file excel đơn giản cũng không còn phù hợp, gây khó khăn trong việc truy xuất dữ liệu và ra quyết định. Để giải quyết triệt để những vấn đề này, việc ứng dụng một hệ thống lưu kho tự động là giải pháp tối ưu. Công nghệ này giúp chuyển hóa toàn bộ quy trình từ thủ công sang máy móc, được điều khiển bởi một hệ thống thông minh. Giải pháp thiết kế và thi công hệ thống dựa trên PLC S7-1200 cho phép tạo ra một quy trình vận hành khép kín, chính xác và an toàn. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là "đáp ứng nhu cầu sắp xếp sản phẩm, hàng hóa một cách tự động giúp tiết kiệm thời gian và chi phí" (Nguồn: Đồ án tốt nghiệp ĐH Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, 2022).

2.1. Hạn chế của việc quản lý và vận hành kho hàng thủ công

Vận hành kho hàng thủ công tồn tại nhiều hạn chế cố hữu. Việc sắp xếp hàng hóa không đồng nhất, thường xếp chồng lên nhau, dẫn đến khó khăn trong việc tìm kiếm và nguy cơ làm hỏng sản phẩm. Quy trình xuất nhập kho chậm chạp, đòi hỏi nhiều nhân công tham gia vào cùng một thời điểm. Việc kiểm kê kho định kỳ tốn nhiều công sức và thường cho ra số liệu không chính xác tuyệt đối do lỗi của con người. Hơn nữa, khả năng mở rộng của kho thủ công rất hạn chế và tốn kém, không đáp ứng kịp tốc độ tăng trưởng của doanh nghiệp. Những yếu-tố này làm tăng chi phí vận hành và giảm khả năng cạnh tranh trên thị trường.

2.2. Phân tích chi phí ẩn và rủi ro trong lưu trữ truyền thống

Ngoài chi phí nhân công rõ ràng, kho bãi truyền thống còn chứa đựng nhiều chi phí ẩn. Đó là chi phí đền bù cho hàng hóa bị hư hỏng, thất lạc; chi phí do giao hàng chậm trễ; và chi phí cơ hội bị mất do không thể đáp ứng nhanh các đơn hàng lớn. Rủi ro tai nạn lao động cũng là một gánh nặng tài chính không nhỏ, liên quan đến chi phí y tế và bồi thường. Việc đầu tư vào một hệ thống lưu kho tự động ban đầu có thể tốn kém, nhưng về lâu dài, nó giúp loại bỏ các chi phí ẩn này, mang lại lợi tức đầu tư (ROI) hấp dẫn thông qua việc tăng hiệu quả và giảm thiểu rủi ro.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng hệ thống lưu kho tự động S7 1200

Nền tảng của một hệ thống lưu kho tự động hiệu quả nằm ở việc thiết kế phần cứng một cách khoa học và hợp lý. Quá trình thiết kế và thi công mô hình này tập trung vào việc lựa chọn và kết nối các thành phần chủ chốt để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác. Trung tâm điều khiển của hệ thống là bộ PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, một thiết bị mạnh mẽ của Siemens, có khả năng xử lý tín hiệu nhanh và cung cấp đủ số lượng đầu vào/ra (I/O) cho các cơ cấu chấp hành và cảm biến. Sơ đồ khối của hệ thống được xây dựng một cách logic, bao gồm khối nguồn, khối điều khiển (PLC), khối chấp hành (động cơ băng tải, động cơ bước cho cánh tay robot) và khối cảm biến (cảm biến quang). Mỗi khối đều có vai trò riêng biệt và được kết nối với nhau thông qua mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực cung cấp nguồn cho các động cơ, trong khi mạch điều khiển truyền tín hiệu từ PLC đến các Driver TB6600 để điều khiển vị trí và chiều quay của động cơ bước, cũng như nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và thiết kế sơ đồ đi dây chính xác là yếu tố quyết định đến độ tin cậy và hiệu suất của toàn bộ hệ thống lưu kho.

3.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm: Khối Nguồn (cung cấp nguồn 24VDC), Khối Điều khiển (PLC S7-1200), Khối Giao tiếp (Máy tính và HMI), Khối Cảm biến, và Khối Cơ cấu chấp hành (Băng tải, Cánh tay robot). Nguyên lý hoạt động được chia thành hai chế độ: Tự động (Auto) và Thủ công (Manual). Ở chế độ Auto, sản phẩm đặt lên băng tải sẽ được cảm biến phát hiện và tự động đưa đến vị trí gắp. Cánh tay robot sẽ gắp sản phẩm và lưu vào ô trống theo thứ tự. Ở chế độ Manual, người vận hành có thể điều khiển trực tiếp thông qua giao diện HMI, chọn ô cụ thể để nhập hoặc xuất hàng, mang lại sự linh hoạt tối đa.

3.2. Lựa chọn thiết bị chủ chốt PLC S7 1200 và cơ cấu chấp hành

Việc lựa chọn thiết bị là bước quan trọng. PLC S7-1200 CPU 1214C được chọn vì có bộ nhớ làm việc 50Kb, 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, hỗ trợ các bộ đếm tốc độ cao phù hợp để điều khiển xung cho động cơ. Đối với cơ cấu chấp hành, hệ thống sử dụng động cơ bước kết hợp với Driver TB6600 để điều khiển chuyển động của cánh tay robot theo các trục. Động cơ bước đảm bảo độ chính xác vị trí cao, trong khi driver TB6600 cung cấp dòng điện và vi bước cần thiết để động cơ hoạt động mượt mà. Cảm biến quang NPN được sử dụng để phát hiện sự có mặt của sản phẩm trên băng tải.

IV. Phương pháp lập trình PLC S7 1200 cho hệ thống lưu kho

Phần hồn của hệ thống lưu kho tự động chính là chương trình điều khiển được nạp vào bộ PLC. Toàn bộ logic hoạt động, từ việc nhận tín hiệu cảm biến đến điều khiển chính xác từng chuyển động của cánh tay robot, đều được quyết định bởi chương trình này. Phần mềm được sử dụng để lập trình cho PLC S7-1200 là TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) của Siemens. Đây là một nền tảng kỹ thuật hợp nhất, cung cấp một môi trường làm việc duy nhất cho việc lập trình PLC, thiết kế giao diện HMI và cấu hình mạng. Quá trình lập trình bắt đầu bằng việc phân tích yêu cầu công nghệ và xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết cho từng chế độ hoạt động (Auto và Manual). Dựa trên lưu đồ, người lập trình sẽ viết chương trình điều khiển, thường sử dụng ngôn ngữ Lập trình bậc thang (LAD), một ngôn ngữ đồ họa trực quan và gần gũi với các kỹ sư điện - tự động hóa. Việc phân công các đầu vào/ra (I/O) một cách hợp lý cũng là một bước quan trọng, đảm bảo tín hiệu từ cảm biến được gán đúng địa chỉ đầu vào và tín hiệu điều khiển từ PLC được xuất ra đúng chân của rơle hay driver.

4.1. Giới thiệu phần mềm TIA Portal và giao diện giám sát HMI

TIA Portal là công cụ mạnh mẽ cho phép các kỹ sư phát triển toàn bộ dự án tự động hóa một cách hiệu quả. Giao diện của phần mềm trực quan, cho phép kéo-thả các khối lệnh, giúp giảm thời gian lập trình. Bên cạnh đó, TIA Portal còn tích hợp công cụ WinCC để thiết kế giao diện giám sát và điều khiển HMI. Giao diện HMI của hệ thống lưu kho cho phép người vận hành theo dõi trạng thái của kho (ô nào còn trống, ô nào có hàng), chọn chế độ hoạt động, và điều khiển bằng tay việc nhập/xuất hàng đến một vị trí cụ thể.

4.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán cho chế độ Auto và Manual

Lưu đồ thuật toán là bản thiết kế logic cho chương trình. Đối với chế độ Auto, thuật toán sẽ bắt đầu khi cảm biến 1 phát hiện vật, kích hoạt băng tải. Khi vật đến cảm biến 2, băng tải dừng, PLC kiểm tra tìm ô trống đầu tiên, sau đó điều khiển các động cơ bước để di chuyển cánh tay đến vị trí đó và thực hiện thao tác gắp-thả. Đối với chế độ Manual, thuật toán sẽ chờ tín hiệu từ HMI. Khi người dùng chọn một ô và nhấn nút nhập/xuất, PLC sẽ tính toán tọa độ và điều khiển cánh tay robot thực hiện lệnh. Việc xây dựng lưu đồ rõ ràng giúp chương trình hoạt động chính xác và dễ dàng gỡ lỗi.

V. Quy trình thi công mô hình lưu kho tự động S7 1200 thực tế

Từ bản vẽ thiết kế đến một mô hình hoạt động là một quá trình đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác. Quá trình thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động S7-1200 bao gồm các công đoạn chính: gia công cơ khí, lắp ráp các thiết bị, đi dây điện và nạp chương trình. Phần khung cơ khí của mô hình được chế tạo để tạo thành một giá chứa hàng gồm 9 ô, cùng với hệ thống băng tải và cơ cấu cánh tay robot di chuyển theo các trục. Cánh tay robot sử dụng cơ cấu vitme-bi để biến chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến, đảm bảo độ chính xác và ổn định. Các thiết bị điện như PLC S7-1200, rơle trung gian, Driver TB6600 và nguồn tổ ong được lắp đặt gọn gàng trong tủ điều khiển. Việc đi dây được thực hiện theo sơ đồ mạch đã thiết kế, đảm bảo an toàn và thẩm mỹ. Sau khi hoàn thiện phần cứng, chương trình điều khiển được viết trên TIA Portal sẽ được nạp vào PLC. Cuối cùng là giai đoạn kiểm tra và hiệu chỉnh, tinh chỉnh các thông số để mô hình hoạt động trơn tru, đúng với yêu cầu thiết kế, đảm bảo "mô hình chạy ổn định và độ chính xác tương đối cao" (Nguồn: Đồ án tốt nghiệp ĐH Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, 2022).

5.1. Mô tả chi tiết mô hình vật lý và các thành phần chính

Mô hình vật lý tổng thể bao gồm một khung kim loại chắc chắn, trên đó gắn một băng tải để đưa sản phẩm vào/ra. Trung tâm của mô hình là kệ chứa hàng 9 ô và một cánh tay robot có khả năng di chuyển theo 2 trục (ngang và dọc) để tiếp cận tất cả các ô. Các thành phần chính được bố trí khoa học: PLC S7-1200 và tủ điện đặt ở vị trí dễ quan sát và thao tác; các động cơ bước và driver được gắn trực tiếp lên cơ cấu cơ khí; cảm biến được lắp đặt tại các vị trí chiến lược trên băng tải để phát hiện sản phẩm.

5.2. Đánh giá kết quả vận hành và độ chính xác của hệ thống

Sau khi hoàn thành, hệ thống được vận hành thử nghiệm ở cả hai chế độ Auto và Manual. Kết quả cho thấy mô hình hoạt động ổn định. Ở chế độ Auto, hệ thống tự động nhận diện và cất giữ sản phẩm vào đúng các ô trống theo thứ tự. Ở chế độ Manual, các lệnh từ HMI được thực thi chính xác. Độ chính xác vị trí của cánh tay robot là yếu tố quan trọng, và nhờ sử dụng động cơ bước cùng cơ cấu truyền động tốt, sai số định vị là rất nhỏ, đáp ứng được yêu cầu của một mô hình lưu kho tự động quy mô nhỏ.

VI. Tương lai và tiềm năng ứng dụng của lưu kho tự động S7 1200

Mô hình lưu kho tự động S7-1200 không chỉ là một đồ án tốt nghiệp mà còn mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Thành công của dự án đã khẳng định ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng kiến thức tự động hóa vào giải quyết các bài toán công nghiệp. Trong tương lai, hệ thống này có thể được phát triển và mở rộng để đáp ứng các yêu cầu phức tạp hơn. Việc tích hợp các công nghệ mới như nhận dạng hình ảnh (Vision), mã vạch/QR code sẽ cho phép hệ thống không chỉ lưu trữ mà còn có thể phân loại sản phẩm một cách thông minh. Hơn nữa, hệ thống có thể được kết nối với các phần mềm quản lý kho (WMS) hoặc hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP) để tạo thành một giải pháp logistics toàn diện, đồng bộ dữ liệu từ sản xuất đến lưu kho và phân phối. Việc nâng cấp cơ cấu cơ khí để tăng tốc độ và tải trọng cũng là một hướng phát triển quan trọng, giúp hệ thống có thể được ứng dụng trong các nhà máy, xí nghiệp quy mô vừa và nhỏ, góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóa kho hàng tại Việt Nam. Đây là một bước tiến quan trọng, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí, nâng cao hiệu quả và sẵn sàng cho kỷ nguyên sản xuất thông minh.

6.1. Tổng kết ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài là một tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên các ngành kỹ thuật, minh họa rõ nét quá trình từ lý thuyết đến thiết kế và thi công một hệ thống tự động hoàn chỉnh. Về mặt thực tiễn, mô hình này chứng minh rằng việc xây dựng một kho lưu trữ thông minh với chi phí hợp lý là hoàn toàn khả thi. Nó có thể được áp dụng trong các phòng thí nghiệm, thư viện để quản lý vật tư, hoặc trong các xưởng sản xuất nhỏ để tự động hóa khâu lưu trữ thành phẩm, bán thành phẩm.

6.2. Hướng phát triển và mở rộng hệ thống trong tương lai

Để nâng cao tính năng, hệ thống có thể được cải tiến theo nhiều hướng. Đầu tiên là mở rộng quy mô kho, tăng số lượng ô chứa. Thứ hai, tích hợp thêm cảm biến nhận dạng sản phẩm (ví dụ: đầu đọc mã vạch) để hệ thống tự động biết được loại hàng hóa đang được xử lý. Thứ ba, phát triển một thuật toán tối ưu hóa đường đi cho cánh tay robot để giảm thời gian truy xuất. Cuối cùng, việc kết nối hệ thống với mạng Internet (IoT) sẽ cho phép giám sát và điều khiển kho hàng từ xa, mang lại sự tiện lợi và khả năng quản lý linh hoạt cho người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic dựa trên cơ sở phát triển của tin học trọng điểm chính là sự phát triển của kỹ thuật máy tính. Kỹ thuật điều khiển logic PLC (Programmable Logic Control) đƣợc phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong những giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu ngƣời sử dụng phải có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao kiến thức. Ngày nay các thiết bị PLC đã phát triển một cách mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao trong đời sống lao động.

Thiết bị điều khiển logic lập trình đƣợc PLC là một dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa vào bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình để lƣu trữ các lệnh và qua đó thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho các phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển các loại máy móc và các quá trình công nghệ. PLC đƣợc thiết kế cho các kỹ sƣ, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, vẫn có thể vận hành một cách hiệu quả. Chúng đƣợc thiết kế có thể cài đặt hoặc thay đổi chƣơng trình một cách linh hoạt. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chƣơng trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản nhất (ngôn ngữ điều khiển).

Thuật ngữ logic đƣợc sử dụng cho việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C sẽ thực hiện một công việc nào đấy. Ngƣời vận hành nhập chƣơng trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chƣơng trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã đƣợc lập trình trƣớc đó. Các PLC cũng tƣơng tự máy tính, nhƣng máy tính đƣợc tối ƣu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị ra màn hình, còn PLC đƣợc chuyên biệt cho các hệ thống điều khiển và môi trƣờng làm việc công nghiệp.

Vì vậy các PLC: Đƣợc thiết kế bền bỉ để chịu đƣợc rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn từ môi trƣờng bên ngoài. Có sẵn các giao diện cho các thiết bị đầu vào và thiết bị đầu ra. Đƣợc lập trình dễ dàng dựa trên các ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch. SVTH: Nguyễn Hùng Quốc Ngƣời hƣớng dẫn: ThS.

Dƣơng Quang Thiện 7 Nguyễn Hồng Quân TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và Thi Công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200 Về cơ bản thì chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống nhƣ chức năng của bộ điều khiển thiết kế dựa trên cơ sở các rơle và công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là: Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến để thực thi các lệnh điều khiển. Liên kết và ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ đã lập trình sẵn từ trƣớc. Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập đƣợc với các thông tin đã đƣợc cài đặt sẵn để tiến hành đƣa ra các lệnh điều khiển hệ thống. Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.

Riêng đối với máy công cụ và ngƣời máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi. Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều đƣợc bộ PLC điều khiển.2 Giới thiệu về PLC S7-1200 2.1 Tổng quan về nguồn gốc PLC Năm 1968, công ty General của Mỹ đã cho ra đời thiết bị điều khiển lập trình đƣợc. Tuy nhiên hệ thống còn khá cồng kềnh và đơn giản, ngƣời vận hành gặp nhiều khó khăn và không đáp ứng đủ yêu cầu sử dụng. Hiện nay có nhiều loại PLC của nhiều hãng sản xuất khác nhau nhƣ: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Schneider, Hitachi, Koyo … trong một hãng lại có nhiều thế hệ khác nhau.

Ngoài ra các hãng còn sản xuất các thiết bị liên quan phục vụ cho quá trình tự động hoá nhƣ các module, cảm biến…[1] 2.2 Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay Siemens có các nhóm: - CPU S7 200:  CPU 21x: 210; 212; 214; 215-2DP; 216.  CPU 22x: 221; 222; 224; 224XP; 226; 226XM SVTH: Nguyễn Hùng Quốc Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Dƣơng Quang Thiện 8 Nguyễn Hồng Quân TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và Thi Công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200 - CPU S7 300: 312IFM; 312C; 313; 313C; 313C-2DP+P; 313C-2DP; 314; 314IFM; 314C-2DP+P; 314C-2DP; 315; 315-2DP; 315E-2DP; 316-2DP; 318-2 - CPU S7 400. - CPU S7 1200: CPU 121xC: 1211C; 1212C; 1214C.1215C Mitsubishi: Họ FX Omron: Họ CMQ Controtechnique: Họ Compact TWD LCAA 10DRP; TWD LCAA 16DRP; TWD LCAA 24DRP.

ABB: Ba nhóm - AC 100M. - AC 800M, đây là loại có 2 module CPU làm việc song song theo chế độ dự phòng nóng.3 Giới thiệu Siemens PLC S7-1200 Hình 2.1 PLC S7-1200 S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Giới thiệu PLC S7 1200, bao gồm : - 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống nhƣ điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng - 2 mạch tƣơng tự và số mở rộng điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm SVTH: Nguyễn Hùng Quốc Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Dƣơng Quang Thiện 9 Nguyễn Hồng Quân TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và Thi Công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200 - 13 module tín hiệu số và tƣơng tự khác nhau - 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bổ sung 4 cổng Ethernet - Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC 2.1 Chế độ bảo mật của PLC S7-1200 Chế độ bảo mật về quyền truy cập và CPU và khối hàm Cấp độ bảo mật Mức độ truy cập Full Access Cho phép toàn quyền truy cập Cho phép HMI truy cập tới PLC và chỉ Read Access đƣợc phép đọc TIA Portal.

Muốn có toàn quyền truy cập phải có password Chỉ có quyền cho phép HMI truy cập HMI Access tới PLC. Muốn toàn quyền truy cập thì phải có password Bảo mật hoàn toàn kể cả với HMI. No Access Muốn nắm đƣợc toàn quyền truy cập phải có password Bảng 2.1 Mức độ bảo mật của PLC  Chế độ Know – how Protection Ở chế độ Know – how protection cho phép ngƣời dùng ngăn chặn những truy cập trái phép vào các khối hàm, khối tổ chức OB, FB, FC, DB. Ngƣời dùng có thể tạo ra những password riêng lẻ để giới hạn quyền truy cập tới các khối hàm.

 Chế độ Copy Protection Thêm một tính năng về bảo mật cho phép ngƣời dùng ẩn (blind) các khối chƣơng trình sử dụng vào thẻ nhớ hoặc CPU. Tính năng này đặc biệt hữu ích cho việc bảo vệ sở hữu trí tuệ của ngƣời lập trình. Chức năng Copy Protection có thể áp dụng cho các khối OB, FB và FC. SVTH: Nguyễn Hùng Quốc Ngƣời hƣớng dẫn: ThS.

Dƣơng Quang Thiện 10 Nguyễn Hồng Quân TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và Thi Công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200 2.3 Các thành phần cơ bản của một bộ PLC 2.1 Cấu hình phần cứng Một bộ PLC thông dụng phải có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra và thiết bị lập trình. Sơ đồ hệ thống nhƣ hình 2.1 Bộ xử lý Bộ xử lý hay còn đƣợc gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chƣơng trình đƣợc lƣu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dƣới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị đầu ra. Nguyên lý làm việc của bộ xử lý là tiến hành theo từng bƣớc tuần tự từ đầu đến cuối, đầu tiên các thông tin lƣu trữ trong bộ nhớ chƣơng trình sẽ đƣợc gọi lên và đƣợc kiểm soát bởi bộ đếm chƣơng trình.

Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và qua đó đƣa các kết quả điều khiển tới đầu ra. Chu kỳ thời gian này đƣợc gọi là thời gian quét (scan). Thời gian một vòng quét còn phải phụ thuộc vào dung lƣợng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Nói chung chu kỳ một vòng quét đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.

Sự thao tác tuần tự của một chƣơng trình sẽ dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chƣơng trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu.2 Nguyên lí của bộ PLC SVTH: Nguyễn Hùng Quốc Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Dƣơng Quang Thiện 11 Nguyễn Hồng Quân TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế và Thi Công hệ thống lưu kho tự động sử dụng S7-1200 Hình 2.3 Vòng quét Để đánh giá đƣợc thời gian trễ của PLC thì ngƣời ta thƣờng đo thời gian quét của một chƣơng trình dài 1K byte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC với nhau. Với nhiều loại PLC thời gian trễ này có thể lên tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ là một nguyên nhân gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn nhƣ lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để có thể bỏ bớt đi những lần gọi ít quan trọng hơn khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận đƣợc.

Nếu các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn để đáp ứng đƣợc mục đích.2 Bộ nguồn Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thƣờng là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thƣờng là 24V).3 Thiết bị lập trình Thiết bị lập trình đƣợc sử dụng để lập trình ra các chƣơng trình điều khiển cần thiết sau đó đƣợc chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, hay cũng có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, hoặc có thể là các phần mềm đƣợc cài đặt trên laptop cá nhân.4 Bộ nhớ Bộ nhớ là nơi để lƣu giữ chƣơng trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển của toàn bộ hệ thống. Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM.