Đồ án tốt nghiệp ngành điện tự động công nghiệp nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước và kiểm chứng trên matlab simulink

Đồ án tốt nghiệp ngành điện tự động công nghiệp nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước, kiểm chứng trên Matlab Simulink.

• Tác giả: Trần Hồng Nam
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước và kiểm chứng trên Matlab Simulink
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG TY
• 1.1. CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG TY
• 1.2. PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU ĐỒ ÁN
• 1.3. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUÔNG ĐIỆN
• 1.3.1. Cấu tạo
• 1.3.2. Nguyên lý
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
• 2.1. TỔNG QUÁT VỀ PLC S7 - 1200
• 2.2. NHỮNG ĐIỂM NỔI BẬT CỦA SIMATIC S7 – 1200
• 2.3. Phân loại
• 2.4. Các đặc điểm cơ bản của PLC S7-1200
• 2.5. Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200
• 2.6. Modules mở rộng tín hiệu vào/ra
• 2.7. Thẻ nhớ Simatic
• 2.8. Module nguồn
• 2.9. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
• 2.9.1. Cấu trúc
• 2.9.2. Nguyên lý hoạt động của PLC
• 2.10. Đèn tín hiệu PLC
• 2.11. Bộ nhớ PLC
• 2.12. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V12
• 2.12.1. Làm việc với một trạm PLC
• 2.12.2. Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước sử dụng Matlab Simulink. Mục tiêu chính là thiết kế và kiểm chứng một hệ thống điều khiển tự động hiệu quả, đáp ứng nhu cầu thực tế trong các ngành công nghiệp. Điều khiển mờ được lựa chọn do khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn, phù hợp với các hệ thống thủy lực phức tạp. Nghiên cứu này cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của mô phỏng hệ thống trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế.

1.1. Bối cảnh và ý nghĩa

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sai sót. Điều khiển mức chất lỏng là một trong những ứng dụng phổ biến, đặc biệt trong các hệ thống thủy lực. Nghiên cứu này không chỉ giải quyết các thách thức kỹ thuật mà còn mở ra hướng tiếp cận mới trong việc áp dụng thuật toán điều khiển thông minh vào thực tiễn.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu nhằm xây dựng một mô hình hóa hệ thống điều khiển mức nước sử dụng điều khiển mờ, sau đó kiểm chứng hiệu quả thông qua mô phỏng Matlab. Kết quả mong đợi là một hệ thống có độ chính xác cao, ổn định và dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng công nghiệp thực tế.

II. Phương pháp nghiên cứu và công cụ

Nghiên cứu sử dụng Matlab Simulink làm công cụ chính để mô phỏng hệ thống. Điều khiển mờ được triển khai thông qua các bước: thiết kế bộ điều khiển, xây dựng mô hình toán học và kiểm tra hiệu suất. Các thông số hệ thống được tối ưu hóa để đảm bảo độ chính xác và ổn định. Mô hình hóa hệ thống là bước quan trọng, giúp dự đoán và điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế dựa trên các quy tắc mờ và hàm thành viên. Các thông số đầu vào và đầu ra được xác định rõ ràng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Thuật toán điều khiển được tối ưu hóa để giảm thiểu sai số và thời gian đáp ứng.

2.2. Mô phỏng và kiểm chứng

Quá trình mô phỏng Matlab được thực hiện để kiểm tra hiệu suất của hệ thống. Các kịch bản khác nhau được áp dụng để đánh giá độ ổn định và khả năng thích ứng của hệ thống trong các điều kiện thực tế.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển mờ đạt được độ chính xác cao và ổn định trong việc điều khiển mức nước. Mô phỏng Matlab đã chứng minh tính khả thi của hệ thống trong các điều kiện thực tế. Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xử lý nước, sản xuất và năng lượng.

3.1. Đánh giá hiệu suất

Hệ thống đạt được thời gian đáp ứng nhanh và sai số nhỏ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Điều khiển mờ đã chứng minh ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như điều khiển PID trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến.

3.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các nhà máy xử lý nước, hệ thống tưới tiêu tự động và các ứng dụng công nghiệp khác. Hệ thống điều khiển mờ mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, giúp giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện Tự Động Công Nghiệp được thực hiện bởi sinh viên Trần Hồng Nam (Mã sinh viên: 1012102005, Lớp ĐC1401) tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng vào năm 2015, dưới sự hướng dẫn của T.S Nguyễn Trọng Thắng và ThS. Đỗ Thị Hồng Lý. Trên văn bản nhiệm vụ và trang bìa, tên đề tài được ghi nhận là "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước và kiểm chứng trên matlab-Simulink". Tuy nhiên, toàn bộ nội dung nghiên cứu thực tế, khảo sát hiện trường, thuyết minh kỹ thuật và giải pháp triển khai trong văn bản lại tập trung vào đề tài: "Nghiên cứu thiết kế hệ thống chuông tự động trong Công ty TNHH Federal Việt Nam (Khu công nghiệp Tràng Duệ, An Dương, Hải Phòng) ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200".

Bối cảnh thực tiễn của nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu tự động hóa công tác quản lý thời gian lao động trong môi trường sản xuất công nghiệp:

• Tại các nhà máy, phân xưởng trước đây, quy mô sản xuất nhỏ, ít phân khu và số lượng công nhân ít, việc sử dụng tiếng kẻng thủ công để báo giờ nghỉ giữa ca là giải pháp phổ biến.
• Khi các nhà máy hiện đại mở rộng quy mô với diện tích mặt bằng lên đến hàng nghìn mét vuông, số lượng công nhân tăng cao và dây chuyền sản xuất được bố trí chuyên biệt theo từng khu vực, phương pháp báo hiệu bằng kẻng không còn đáp ứng được yêu cầu truyền tải âm thanh đồng bộ.
• Giải pháp sử dụng hệ thống nút bấm chuông điện trung gian tuy khắc phục được nhược điểm về phạm vi lắp đặt nhưng vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác thủ công của nhân viên bảo vệ hoặc người trực ca. Thực tế phát sinh các sự cố như người trực quên bấm giờ, nhìn nhầm đồng hồ, hoặc thời lượng ấn giữ chuông không đồng đều, dẫn đến khó phân biệt giữa tín hiệu vào ca, nghỉ giữa ca và kết thúc ca làm việc.

Mục tiêu và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống được xác định cụ thể như sau:

1. Thiết kế hệ thống tự động phát tín hiệu chuông báo tại các thời điểm vào ca, nghỉ giữa ca và tan ca mà không cần người trực vận hành thường xuyên.
2. Hệ thống có khả năng tự động tính toán và đồng bộ lại thời gian theo thời gian thực.
3. Phân biệt rõ ràng tín hiệu âm thanh thông qua việc lập trình các khoảng thời gian kéo dài tiếng chuông khác nhau giữa lúc bắt đầu ca làm việc và lúc nghỉ giải lao.
4. Hệ thống chuông điện sử dụng đường dây dẫn đồng bộ với cấp điện áp 220V AC.
5. Đảm bảo toàn bộ hệ thống làm việc ổn định, độ tin cậy cao, có khả năng triển khai thực tế tại doanh nghiệp.

Khảo sát phạm vi hoạt động tại Công ty TNHH Federal Việt Nam xác định chế độ làm việc gồm 3 ca/ngày, mỗi ca kéo dài 8 giờ, giữa ca có 30 phút nghỉ giải lao, và thời gian chuẩn bị chuyển giao giữa các ca là 5 phút:

• Ca 1: Bắt đầu từ 06h05 đến 14h00.
• Ca 2: Bắt đầu từ 14h05 đến 22h00.
• Ca 3: Bắt đầu từ 22h05 đến 06h00 sáng ngày hôm sau.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý truyền động điện từ và kỹ thuật điều khiển tự động hóa khả trình:

1. Nguyên lý vận hành của cơ cấu chuông điện tự gián đoạn

Chuông điện công nghiệp được cấu thành từ 5 bộ phận cơ bản: cuộn dây nam châm điện quấn quanh lõi sắt từ, búa gõ, chuông phát âm, miếng sắt từ đàn hồi và chốt kẹp cố định.

• Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn điện 220V AC qua máy biến áp hạ áp, dòng điện đi vào mạch điện tự gián đoạn. Khi mạch kín, nam châm điện sinh từ trường hút miếng sắt gắn đầu búa gõ đập vào chuông tạo âm thanh. Chuyển động hút này đồng thời làm hở tiếp điểm nối tiếp, ngắt dòng điện qua cuộn dây. Mất từ tính, lá thép đàn hồi kéo búa gõ trở về vị trí ban đầu, tiếp điểm đóng lại và chu trình đóng - ngắt liên tục lặp lại để tạo ra chuỗi âm thanh liên hồi.

2. Lý thuyết điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller)

Bộ điều khiển PLC hoạt động dựa trên bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ chương trình và các cổng vào/ra (I/O) vật lý:

• Cấu trúc bộ nhớ: Bao gồm bộ nhớ làm việc (Work memory), bộ nhớ tải (Load memory), bộ nhớ lưu trữ RAM (hỗ trợ pin dự phòng lưu dữ liệu thời gian dài khi mất điện), bộ nhớ ROM/EPROM chứa hệ điều hành cố định và EEPROM cho phép ghi xóa dữ liệu bằng điện.
• Hệ thống Bus nội bộ: Address bus (truyền địa chỉ module), Data bus (truyền tải dữ liệu) và Control bus (truyền tín hiệu điều khiển định thì đồng bộ). Xung clock của CPU cung cấp tần số hoạt động và làm chuẩn thời gian thực cho toàn hệ thống.
• Cơ chế quét vòng (Scan cycle): Chương trình PLC vận hành theo chu trình lặp tuần tự gồm 4 giai đoạn:
  1. Giai đoạn đọc dữ liệu: Sao chép trạng thái từ các cổng vào số vật lý vào vùng đệm ảo đầu vào (Process Image Input - I).
  2. Giai đoạn thực thi: Xử lý tuần tự các dòng lệnh trong khối tổ chức chính (OB1) từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng.
  3. Giai đoạn xuất dữ liệu: Chuyển toàn bộ dữ liệu từ vùng đệm ảo đầu ra (Process Image Output - Q) tới các cổng ra số vật lý.
  4. Giai đoạn truyền thông nội bộ và tự chẩn đoán lỗi hệ thống. (Lưu ý: Các tín hiệu tương tự Analog được CPU truy xuất trực tiếp tại cổng vật lý mà không đi qua vùng đệm ảo I/Q).

3. Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp khảo sát thực tế: Thu thập số liệu về diện tích mặt bằng, phân bố dây chuyền và lịch trình làm việc 3 ca tại Công ty TNHH Federal Việt Nam.
• Phương pháp phân tích - thiết kế hệ thống: Xây dựng thuật toán định thời gian thực, lựa chọn cấu hình phần cứng PLC Siemens Simatic S7-1200 và các module mở rộng.
• Phương pháp lập trình logic: Ứng dụng phần mềm TIA Portal (STEP 7 Basic) để cấu hình trạm PLC, định nghĩa bảng biến (Tags) và lập trình các tập lệnh logic, định thời, đếm và tính toán số học.

---

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

1. Cấu hình phần cứng dòng PLC Siemens Simatic S7-1200

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình Simatic S7-1200 nhờ thiết kế dạng module tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) và hỗ trợ phần mềm đồng bộ TIA Portal.

Đặc tính kỹ thuật	CPU 1211C	CPU 1212C	CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm)	90 × 100 × 75	110 × 100 × 75	110 × 100 × 75
Bộ nhớ làm việc (Work memory)	25 Kbytes	50 Kbytes	50 Kbytes
Bộ nhớ tải (Load memory)	1 Mbytes	2 Mbytes	2 Mbytes
Bộ nhớ sự kiện	2 Kbytes	2 Kbytes	2 Kbytes
Số lượng I/O số (Digital)	6 ngõ vào / 4 ngõ ra	8 ngõ vào / 6 ngõ ra	14 ngõ vào / 10 ngõ ra
Số lượng ngõ vào tương tự (Analog)	2 inputs	2 inputs	2 inputs
Vùng nhớ đệm I/O (Process image)	1024 bytes (In/Out)	1024 bytes (In/Out)	1024 bytes (In/Out)
Khả năng mở rộng Module tín hiệu (SM)	0 module	Tối đa 2 modules	Tối đa 8 modules
Bảng mạch tín hiệu (Signal Board)	1	1	1
Module truyền thông (CM)	Tối đa 3 modules	Tối đa 3 modules	Tối đa 3 modules
Bộ đếm tốc độ cao (HSC)	3 bộ (3-100 kHz)	4 bộ (3-100 kHz, 1-30 kHz)	6 bộ (3-100 kHz, 3-30 kHz)
Thời gian lưu trữ khi mất điện	240 giờ	240 giờ	240 giờ
Tốc độ thực thi toán số thực	18 µs/lệnh	18 µs/lệnh	18 µs/lệnh

Nghiên cứu phân tích rõ hai phân loại ngõ ra phần cứng của PLC S7-1200:

• Loại cấp nguồn 220V AC (Ngõ ra Relay): Ngõ vào kích hoạt ở mức 24V DC (+15V DC đến +30V DC). Ngõ ra Relay cho phép linh hoạt đóng ngắt nhiều cấp điện áp khác nhau (0V, 24V DC, 220V AC), phù hợp trực tiếp cho mạch điều khiển chuông điện công nghiệp.
• Loại cấp nguồn 24V DC (Ngõ ra Transistor): Phù hợp điều chế độ rộng xung và ngõ ra tốc độ cao, chỉ sử dụng điện áp 24V DC cố định; nếu muốn đóng cắt thiết bị 220V AC phải qua relay đệm trung gian.

Các thiết bị mở rộng phụ trợ gồm: Module nguồn PM 1207 (Input: 120/230V AC, 50/60Hz), Switch Module CSM 1277 (4 cổng RJ45, tốc độ 10/100 Mb/s) và thẻ nhớ Simatic (2MB hoặc 24MB).

2. Cấu trúc phần mềm TIA Portal và tổ chức khối lập trình

Môi trường STEP 7 Basic trong TIA Portal quản trị chương trình qua cấu trúc các khối:

• Khối tổ chức OB (Organization Blocks): Giao diện giữa hệ điều hành và chương trình người dùng, bao gồm: Startup OB (khởi động), Cycle OB (quét chu kỳ chính), Timing Error OB (lỗi thời gian), Diagnosis OB (chẩn đoán), Process Alarm OB, Time Interrupt OB (ngắt theo thời gian thực hiện qua lệnh ATTACH/DETACH), và Time Delay Interrupt OB (ngắt trễ qua lệnh SRT_DINT).
• Khối chức năng FC (Functions): Thực thi các thuật toán công nghệ chuyên biệt mà không cần cấp phát vùng nhớ riêng; dữ liệu tạm thời (temp) sẽ bị xóa sau khi hoàn thành khối.
• Khối hàm FB (Function Blocks) & Khối dữ liệu DB (Data Blocks): Khối FB bắt buộc gắn kèm một khối dữ liệu cá thể (Instance DB) để lưu trữ tham số và biến tĩnh (static). Khối dữ liệu chung (Global DB) cho phép mọi khối OB, FC, FB truy cập đọc/ghi.
• Hệ thống biến Tag: Phân tách rõ ràng giữa PLC Tag (biến toàn cục, quản lý trên bảng Tag PLC, ký hiệu "Name") và Local Tag (biến cục bộ trong giao diện khối, ký hiệu #Name).

3. Quy trình thiết lập trạm PLC và tập lệnh điều khiển

Quy trình cấu hình dự án trên TIA Portal gồm 7 bước:

1. Mở phần mềm TIA Portal từ Desktop.
2. Chọn Create new project.
3. Điền tên dự án tại Project name và nhấn Create.
4. Chọn Configure a device.
5. Nhấp chọn Add new device.
6. Lựa chọn mã CPU PLC phù hợp và xác nhận Add.
7. Giao diện Project mới xuất hiện, tiến hành gán địa chỉ IP bằng công cụ IP TOOL qua kết nối TCP/IP Profinet, sau đó biên dịch và nạp (Download/Load) chương trình xuống CPU.

Hệ thống tập lệnh được áp dụng trong điều khiển tự động gồm:

• Tập lệnh tiếp điểm Bit logic: Tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng, lệnh OUT, OUT đảo, lệnh đảo trạng thái logic NOT, lệnh SET/RESET đơn bit và nhiều bit, tiếp điểm phát hiện xung cạnh lên (P) và cạnh xuống (N), mạch chốt RS (ưu tiên Set) và SR (ưu tiên Reset).
• Tập lệnh Timer (Bộ định thời IEC): Định dạng dữ liệu 32 bit DInt (tầm giá trị từ T#-14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_23s_647ms), mỗi khối chiếm 16 byte trong DB:
  • TP (Timer tạo xung): Tạo xung ngõ ra với độ rộng đặt trước PT.
  • TON (Timer trễ không nhớ): Trễ ngõ lên mức 1 khi ngõ vào duy trì đủ thời gian PT.
  • TONR (Timer trễ có nhớ): Cộng dồn thời gian kích hoạt, duy trì giá trị khi mất tín hiệu và chỉ xóa khi kích hoạt chân Reset R.
  • TOF (Timer trễ sườn xuống): Kéo dài thời gian duy trì ngõ ra sau khi tín hiệu vào bị ngắt.
• Tập lệnh Counter (Bộ đếm): Đếm sự kiện qua các khối CTU (đếm lên), CTD (đếm xuống), CTUD (đếm lên/xuống) với các tham số CU, CD, R, LOAD, giá trị đặt PV và giá trị hiện hành CV.
• Tập lệnh So sánh, Toán học và Xử lý dữ liệu:
  • Lệnh so sánh tương quan: =, <>, >, <, >=, <=.
  • Lệnh kiểm tra khoảng: In-range ($MIN \le VAL \le MAX$) và Out-of-range ($MIN > VAL$ hoặc $MAX < VAL$).
  • Lệnh kiểm tra tính hợp lệ số thực: OK và NOT_OK.
  • Lệnh số học: ADD, SUB, MUL, DIV (kèm cờ báo trạng thái ENO = 0 khi xảy ra lỗi tràn bộ nhớ, chia cho 0, kết quả vô định NaN hoặc vô cực INF), MOD (chia lấy dư), NEG (đổi dấu số học), lệnh tăng/giảm đơn vị, ABS (giá trị tuyệt đối), MIN/MAX, LIMIT (giới hạn giá trị trong ngưỡng [MIN, MAX]).
  • Lệnh truyền dữ liệu: MOVE (di chuyển dữ liệu đơn) và MOVE_BLK (sao chép khối mảng tuần tự theo tham số COUNT).

---

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

1. Phần mở đầu và khảo sát thực tế tại doanh nghiệp

• Phân tích vai trò của kỹ thuật tự động hóa và thiết bị điều khiển khả trình PLC trong sản xuất công nghiệp hiện đại.
• Trình bày khảo sát thực tế về việc chuyển dịch từ phương thức báo kẻng thủ công sang chuông điện tự động tại Công ty TNHH Federal Việt Nam (KCN Tràng Duệ, An Dương, Hải Phòng).
• Phân tích các bất cập do yếu tố con người khi vận hành chuông bấm tay (sai lệch thời gian, ngủ quên, nhìn nhầm giờ) và xác lập các mốc thời gian cụ thể cho 3 ca làm việc (mỗi ca 8 giờ, nghỉ giữa ca 30 phút, giãn cách 5 phút).

2. Phần cấu tạo và nguyên lý mạch chuông điện

• Thuyết minh cấu trúc 5 bộ phận cơ bản của chuông điện công nghiệp.
• Phân tích chi tiết nguyên lý đóng - ngắt tự gián đoạn dưới tác động của lực hút điện từ từ cuộn dây nam châm điện, máy biến áp hạ áp 220V và cơ cấu tiếp điểm đàn hồi.

3. Phần tổng quan phần cứng PLC Simatic S7-1200

• Khái quát định nghĩa, ưu điểm vượt trội của PLC so với hệ thống rơ-le đấu nối dây cố định (dễ lập trình, kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy công nghiệp cao, bộ nhớ lớn, kết nối mạng linh hoạt).
• So sánh chi tiết thông số kỹ thuật, cấu trúc bộ nhớ, số lượng I/O và module mở rộng của các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C.
• Phân tích ưu - nhược điểm kỹ thuật giữa hai loại ngõ ra Relay (hỗ trợ nhiều cấp điện áp 0V, 24V, 220V) và Transistor (đóng ngắt tốc độ cao, cố định 24V DC).
• Thuyết minh nguyên lý cấu trúc phần cứng: CPU, hệ thống Address/Data/Control bus, xung clock định thì, các loại bộ nhớ RAM/ROM/EPROM/EEPROM và hệ thống đèn chỉ thị trạng thái (Run/Stop, Error, Maint, đèn logic ngõ vào Ix.x, đèn ngõ ra Qx.x).

4. Phần môi trường lập trình TIA Portal và kỹ thuật lập trình PLC

• Giới thiệu các tính năng của phần mềm SIMATIC STEP 7 Basic trong TIA Portal (tích hợp cấu hình phần cứng, mạng truyền thông, chẩn đoán lỗi và lập trình chung với màn hình HMI).
• Hướng dẫn chi tiết 7 bước thiết lập dự án, cấu hình cổng Ethernet/Profinet, cài đặt địa chỉ IP thông qua công cụ IP TOOL, các thao tác nạp chương trình (Download) và giám sát trạng thái trực tuyến (Monitor).
• Phân tích chu trình quét vòng (Scan cycle) của PLC S7-1200 và cấu trúc các khối lập trình hệ thống: OB (Cycle, Startup, Interrupt), FC, FB và DB (Global/Instance DB).
• Khảo sát chi tiết nguyên lý hoạt động, cú pháp tham số và điều kiện thực thi của toàn bộ tập lệnh: Bit logic, IEC Timer (TP, TON, TONR, TOF), Counter (CTU, CTD, CTUD), các khối hàm so sánh, khối hàm toán học cơ bản và mở rộng, khối lệnh truyền dữ liệu bộ nhớ.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Khảo sát và chuẩn hóa quy trình phân ca làm việc tại nhà máy quy mô lớn (Công ty TNHH Federal Việt Nam), phân chia chi tiết lịch trình 3 ca sản xuất với các mốc thời gian vào ca, nghỉ giữa ca (30 phút) và chuyển giao ca (5 phút).
• Đưa ra giải pháp kỹ thuật thay thế hệ thống bấm chuông thủ công bằng bộ điều khiển lập trình Simatic S7-1200, loại bỏ hoàn toàn sai số do con người gây ra và đảm bảo hệ thống vận hành tự động liên tục.
• Lập bảng so sánh, phân tích kỹ thuật và định lượng chi tiết các dòng CPU S7-1200 (1211C, 1212C, 1214C), giúp xác định phương án cấu hình phần cứng tối ưu cho ứng dụng đóng cắt chuông điện 220V AC thông qua ngõ ra Relay.
• Hệ thống hóa toàn diện cơ chế quét vòng, phân vùng bộ nhớ và hệ thống tập lệnh điều khiển trong môi trường TIA Portal, đóng vai trò làm tài liệu nền tảng cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển tự động hóa bằng PLC.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế ghi nhận từ văn bản

• Sự không đồng nhất giữa tiêu đề và nội dung: Trang bìa và phiếu giao nhiệm vụ đề tài ghi tên "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển mức nước và kiểm chứng trên matlab-Simulink", tuy nhiên toàn bộ phần nội dung trình bày trong văn bản lại thực hiện đề tài xây dựng hệ thống chuông báo tự động bằng PLC S7-1200 tại Công ty TNHH Federal Việt Nam.
• Phạm vi tài liệu: Văn bản cung cấp đầy đủ phần cơ sở lý thuyết, phân tích phần cứng S7-1200, hướng dẫn TIA Portal và khảo sát tập lệnh, nhưng chưa đính kèm sơ đồ đấu nối dây vật lý chi tiết của trạm PLC với hệ thống chuông 220V thực tế và toàn bộ lưu đồ thuật toán/mã chương trình hoàn chỉnh (LAD/FBD) xử lý thời gian thực cho 3 ca làm việc.
• Kiểm chứng điều khiển mờ: Không có dữ liệu, mô hình toán học hay kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển mờ trên MATLAB/Simulink như tiêu đề trên bìa đã nêu.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

• Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên TIA Portal sử dụng khối ngắt thời gian thực (Time Interrupt OB) hoặc hàm đọc đồng hồ thời gian thực (RD_SYS_T / kiểu dữ liệu DTL) để kích hoạt chuông tự động theo lịch 3 ca đã khảo sát.
• Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên màn hình HMI (Simatic Basic Panel) để người vận hành có thể dễ dàng thay đổi thời gian các ca, điều chỉnh thời lượng đổ chuông báo mà không cần kết nối máy tính để nạp lại mã PLC.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ thuật viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện Tự Động Công Nghiệp, Cơ điện tử:

• Cấu hình phần cứng: Cung cấp bảng thông số định lượng rõ ràng về các dòng CPU S7-1200 (1211C, 1212C, 1214C), các module tín hiệu Analog, module truyền thông và module nguồn PM 1207.
• Kỹ thuật lập trình PLC: Cung cấp tài liệu tra cứu chi tiết về cấu trúc khối tổ chức (OB, FC, FB, DB), cơ chế vòng quét CPU và bảng mô tả cú pháp, kiểu dữ liệu, điều kiện báo lỗi của các tập lệnh cơ bản trong môi trường TIA Portal (Bit logic, Timer IEC 16-byte, Counter, So sánh, Toán học số thực, Lệnh chuyển khối dữ liệu).
• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp mô hình bài toán phân chia ca kíp và phương pháp chuyển đổi từ cơ cấu điều khiển thủ công sang tự động hóa trong các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả, chuyên ngành và đơn vị đào tạo của đồ án là gì?
Đồ án được thực hiện bởi sinh viên Trần Hồng Nam (Mã SV: 1012102005, Lớp ĐC1401), ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, hoàn thành vào năm 2015 dưới sự hướng dẫn của T.S Nguyễn Trọng Thắng và ThS. Đỗ Thị Hồng Lý.

2. Thời gian làm việc của 3 ca sản xuất tại Công ty TNHH Federal Việt Nam được quy định cụ thể ra sao?
Theo khảo sát trong đồ án, mỗi ngày chia làm 3 ca (mỗi ca 8 tiếng, nghỉ giữa ca 30 phút, thời gian chuẩn bị ca là 5 phút):

• Ca 1: Từ 06h05 đến 14h00.
• Ca 2: Từ 14h05 đến 22h00.
• Ca 3: Từ 22h05 đến 06h00 sáng hôm sau.

3. Điểm khác biệt cơ bản giữa phiên bản PLC S7-1200 ngõ ra Relay và ngõ ra Transistor là gì?
Phiên bản cấp nguồn 220V AC sử dụng ngõ ra Relay, cho phép đóng ngắt thiết bị ở nhiều cấp điện áp khác nhau (0V, 24V DC, 220V AC), rất thuận tiện cho mạch chuông điện công nghiệp nhưng thời gian đáp ứng chậm hơn. Phiên bản cấp nguồn 24V DC sử dụng ngõ ra Transistor, chỉ hỗ trợ một cấp điện áp duy nhất là 24V DC, đáp ứng tần số cao và hỗ trợ điều chế độ rộng xung.

4. Chu trình quét vòng (Scan cycle) của PLC S7-1200 diễn ra theo trình tự nào?
Vòng quét bắt đầu bằng việc đọc tín hiệu từ các cổng vào số vào vùng đệm ảo đầu vào (I) -> Thực thi toàn bộ chương trình từ lệnh đầu đến lệnh cuối trong khối OB1 -> Chuyển kết quả từ vùng đệm ảo đầu ra (Q) tới các cổng ra số vật lý -> Thực hiện truyền thông nội bộ và tự chẩn đoán lỗi. Tín hiệu tương tự Analog không đi qua bộ đệm mà được CPU truy cập trực tiếp tại cổng vật lý.

5. Các khối Timer trong PLC S7-1200 chiếm dung lượng bộ nhớ bao nhiêu và gồm những loại nào?
Mỗi Timer IEC trong S7-1200 sử dụng 16 byte dữ liệu có cấu trúc trong khối DB, tầm thời gian biểu diễn dưới dạng dữ liệu 32 bit DInt (T#-14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_23s_647ms). Các loại Timer gồm: TP (tạo xung độ rộng cố định), TON (trễ sườn lên không nhớ), TONR (trễ sườn lên có nhớ) và TOF (trễ sườn xuống).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Hồng Nam đã trình bày giải pháp tự động hóa hệ thống chuông báo ca kíp cho nhà máy quy mô lớn (Công ty TNHH Federal Việt Nam) dựa trên bộ điều khiển lập trình Siemens Simatic S7-1200. Mặc dù có sự sai khác về mặt hành chính giữa tiêu đề trên trang bìa và nội dung thực tế bên trong, công trình đã cung cấp đầy đủ cơ sở lý thuyết về mạch chuông điện tự gián đoạn, cấu trúc phần cứng PLC, cơ chế quét vòng và hệ thống tập lệnh toàn diện trên phần mềm TIA Portal. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật và thực tiễn cho sinh viên, kỹ sư ngành Điện Tự Động Công Nghiệp trong việc tiếp cận và triển khai các hệ thống điều khiển tự động hóa cơ sở.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thong tin, ngành kỹ thuật điện tử, ngành tưh động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm. Chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi tring các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích phục vụ đời sống hang ngày cho con người.

Một minh chứng rõ nét chính là sự ra đời của chuông báo tự động và nhiều tiện ích hơn, đa năng hơn. Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay, vẫn luôn đòi hỏi cải tiến hơn nữa công nghệ cùng những tính năng tiện ích cho chuông tự động báo. Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lý thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thong tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện điện từ và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác trong những năm gần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình (PLC). Cũng từ đây đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển.

Ngày nay ai cũng biết rõ rằng công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng trong năng lượng cơ và làm bộ não cho các bộ phận cần tự động hóa và cơ giới hóa. Dó đó điều khiển logic lập trình (PLC) rất cần thiết với các kỹ sư cơ khí và các kỹ sư điện, điện từ, từ đó giúp họ nắm được phạm vi ứng dụng rộng rãi và kiến thức về PLC cũng như cách sử dụng thong thường. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em được giao nhiệm vụ và nghiên cứu với đề tài: “Ứng dụng” Đây là một đề ài không hoàn toàn là mới nhưng nó rất phù hợp với thực tế ở các công ty, nhà máy có thời gian làm việc chia theo ca kíp, càng đi sâu nghiên cứu càng thấy nó hấp dẫn và thấy được vài trò của nó trong việc điều khiển tự động. Xác địng được nhiệm vụ của mình em đã cố gắng hết sức, tập trung tìm hiểu Kết quả thu được chưa nhiều do còn hạn chế về kiến thức, thời gian và kinh nghiệm nhưng nó giúp e có thêm kiến thức để sau khi ra trường có nền tảng tiếp cận được với cong nghệ mới.

Trong qua trình làm đồ án do trình độ hiểu biết của em có hạn, nên nội dung đồ án không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô cũng như mọi người quan tâm đến vấn đề nay. Qua đồ án này cho em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo () người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, giúp đỡ chỉ bảo cho em, cùng toàn thể các thầy cô giáo trong khoa vầ nhà trường đã giúp đỡ và tào điều kiện thuận lợi cho em để hôm nay e hoàn thành đồ án một cách đầy đủ. CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG TY TNHH FEDERAL VIỆT NAM KCN TRÀNG DUỆ, AN DƢƠNG, HP 1.

CHUÔNG TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG TY Trước đây tại các nhà máy, phân xưởng để thuận tiện cho việc thông báo giờ nghỉ giữa các ca cho công nhân người ta sử dụng tiếng kẻng bào hiệu. Tại các nhà máy trước đây quy mô sản xuất nhỏ ít được phân khu số lượng công nhân ít. Vì vậy việc sử dụng kẻng báo ca làm việc khá thích hợp. Nhưng ngày nay tại các nhà máy có quy mô lớn và được chia theo nhiều khu sản xuất thì việc sử dụng tiếng kẻng để báo ca không còn hợp lý là do cá nguyên nhân: Điện tích của nhà máy lớn( thường hàng nghìn m2) Số lượng công nhân rất lớn.

Cách bố trí dây truyền của nhà máy theo từng khu. Từ những nguyên do trên mà ta không thể sử dụng kẻng để báo ca làm việc. Thay vào đó là hệ thống chuông bấm. Hệ thống chuông điện giải quyết được các vấn đề sau: Lắp đặt dễ dàng, hệ thống bao gồm nhiều chuông được bố trí ở nhiều địa điểm cần thiết.

Việc điều khiển rất đơn giản, chỉ cần một người bảo vệ ngồi trong phòng ấn nút điều khiển. Độ tin cậy cao. Nhưng nhược điểm lớn nhất của hệ thống chuông bấm này chính là con người. phải mất một người thường xuyên phải trực ở đó để bấm chuông báo giờ.

Đôi khi người trực ngủ quên hoặc xem nhầm giờ và rất nhiề nguyên nhân khác quan khác ảnh hưởng đến sự sai lệch thời gian cam làm việc khó phân biệt tiếng chuông và đầu ca làm và kết thúc ca làm việc. Đứng trước vấn đề này cần phải thiết kế hệ thống chuông báo tự động tại nhà máy. Hệ thống chuông tự động có ưu điểm: Thuật toán lập trình đơn giản. Độ chính xác, độ tin cậy rất cao.

Không cần có người trực điều khiển, chỉ cần ấn nút khởi động một lần hệ thống sẽ chạy tự động hoàn toàn và lien tục trong nhiều năm lien tiếp. Phân biệt rõ tiếng chuông và ca làm việc, nghỉ giữa ca và kết thúc ca. PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU ĐỒ ÁN 1. Mục đính: - Hệ thống báo chuông tại các thời điểm vào, ra của các ca làm việc.

- Hệ thống có khả năng tính lại giờ. - Thời gian kéo dài chuông vào ca làm việc và nghỉ giải lao là khác nhau. - Hệ thống chuông được dùng đi dây điện đồng bộ 220V. Yêu cầu: - Hệ thống làm việc ổn định.

- Có khả năng đưa mô hình vào ứng dụng trong thực tế. Thời gian các ca làm việc. Trong quá trình đi thăm quan công ty TNHH Federal Việt Nam KCN Tràng Duệ, An Dương , HP thời gian giữa các ca làm việc như sau: Có 3 ca làm việc mỗi ngày, mỗi ca làm việc 8 tiếng đồng hồ, giữa một ca công nhân được nghỉ 30 phút. Riêng thời gian của các ca là 5 phút.

Ta chia làm 3 ca: Ca 1 : 6h5 đến 14h Ca 2 : 14h5 đến 22h Ca 3 : 22h5 đến 6h sáng hôm sau 1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUÔNG ĐIÊN 1. Cấu tạo 10 Chuông điện có cấu tạo gồm các phần chính: 1 Cuộn giây (nam châm điện) 2 Búa gõ 3 Chuông 4 Miếng sắt (tác dụng để nam châm điện hút và kéo búa gõ gõ vào chuông) 5 Chốt kéo 1. Nguyên lý Bộ phận chính trong mọi chuông điện chính là một nam châm điên.

Nam châm điện có cấu tạo chính là một cuộn dây điện quấn quanh một lõi kim loại từ tính như sắt hay thép. Chúng hoạt động trên nguyên lý rất đơn giản như sau: Khi có dòng điện đi qua cuộn dây chúng sẽ tạo ra một từ trường trong lõi kim loại. Cuộn dây sẽ khuếch đại từ trường này và khi đó nam châm điện có thể hút các vật chất bằng sắt thép xung quanh nó giống như một nam châm vĩnh cửu thong thường. Khi chúng ta nhấn công tắc thì dòng điện 220V sẽ được khép kín.

Đầu tiên dòng điện này sẽ đi qua một máy biến áp đơn giản để giảm điện áp xuống khoảng vài vôn để vận hành chuông điện. Tiếp đó dòng điện đã được giảm áp này sẽ đi vào trog hệ thống mạch của chuông điện. Mạch chuông điện là mạch tự gián đoạn. Mạch chuông đơn giản nhất bao gồm các chi tiết cơ bản (theo sơ đồ) sau: mạch điện mắc nối tiếp với một lá sắt qua một điểm.

Một đầu lá sắt gắn với đầu gõ chuông, đầu kia đấu với một lá thép đàn hồi được cố định bởi chốt kẹp. Nam châm điện được gắn vào hai đầu dây dẫn sao cho vị trí của nó có thể hút được lá sắt. Tất cả tạo thành một mạch khép kín. Khi ta ấn vào nút chuông điện, dòng điện đi vào mạch điện sẽ tạo thành một mạch kín, khi đó nam châm điện hoạt động và từ đó gây ra từ tính, hút lá sắt về phía nó đồng thời gây ra tiếng kêu do một đầu lá sắt gõ vào chuông.

Tuy nhiên khi đó, lá sắt sẽ hở ngay tiếp điểm làm mạch điện bị ngắt khiến nam châm điện mất tác dụng và thả lá sắt ra. Lá sắt lại chạm vào tiếp điểm, mạch lại được đóng kín và quy trình này cứ lặp đi lặp lại miễn là chúng ta vẫn ấn vào nút chuông điện. Bằng cách này, các nam châm điện tự tắt mở, gây ra âm thanh không ngừng. Cũng với nguyên tắc này người ta có thể thiết kế ra nhiều loại chuông điện có âm thanh khác nhau như tiếng chuông rè báo hiệu giờ học, tiếng còn cứu hỏa hay tiếng “kính coong” quen thuộc trong gia đình.

TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 2. TỔNG QUÁT VỀ PLC S7 - 1200 PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt sự thật, nó bật ON hay OFF các thiết bị bên ngoài gọi là thiết bị vật lý.

Một bộ điều khiển lập trình sẽ lien 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 tạo bộ điều khiển plc nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học Gọn nhẹ, dễ bảo quản, dễ 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 các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian.