Đồ án Thiết kế hệ thống đèn giao thông tại ngã tư bằng plc-S7 200

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị điều khiển logic lập trình được, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul có các modul mở rộng.Thành phấn cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU212 hoặc CPU214. 1) Cấu trúc của CPU212 gồm: l 512 từ đơn (Word) để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ ghi/đọc được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng này gọi là vùng nhớ Non-volatile. l 512 từ đơn để lưu dữ liệu trong đó có 100 thuộc vùng nhớ ghi/đọc thuộc miền Non-volatile. l 8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic và có thể ghép nối thêm 2 modul để mở rộng thêm các cổng logic vào ra . l Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. l 64 bộ tạo thời gian trễ, trong đó có 2 timer có độ phân giải 1ms, 6 timer có độ phân giải 10ms, 54 timer có độ phân giải 100ms. l 64 bộ đếm được chia làm 2 loại, một loại chỉ đếm lên (CTU), một loại vừa đếm lên vừa đếm xuống (CTUD). l 386 bit nhớ đặc biệt dùng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặc chế độ làm việc. l Có các chế độ ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn xung, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz). Dữ liệu không bị mất trong khoảng thời gian 50 giờ kể từ khi PLC bị mất điện. 2) Cấu trúc của CPU214 gồm: l 2018 từ đơn (word) để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ đọc/ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng nhớ này gọi là vùng nhớ Non-volatile. l 2018 từ đơn để lưu dữ liệu, trong đó có 512 từ nhớ đầu đọc/ghi thuộc miền Non-volatile. l 14 cổng vào logic và 10 cổng ra logic, và có thể ghép nối thêm 7 modul để mở rộng số cổng vào ra. l Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra. l 128 bộ tạo thời gian trễ, trong đó có 4 Timer có độ phân giải 1 ms,16 Timer có độ phân giải 10 ms và 108 Timer có độ phân giải là 100 ms. l 128 bộ đếm (Counter) chia làm 2 loại, một loại chỉ đếm tiến (CTU) và một loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi (CTUD) l 688 bit nhớ đặc biệt dùng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ làm việc. l Có các chế độ ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn xung, ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz) và (7kHz). l 2 bộ phát xung cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM. l 2 bộ điều chỉnh tương tự. Dữ liệu không bị mất trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất điện. 3) Mô tả các đèn báo trên PLC S7-200: l Đèn đỏ SF: đèn sáng khi PLC đang làm việc báo hiệu hệ thống bị hỏng hóc. l Đèn xanh RUN: đèn xanh sáng chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc. l Đèn vàng STOP: đèn sáng thông báo PLC đang ở trạng thái dừng. Dừng tất cả chương trình đang thực hiện. l Đèn xanh Ix.x : đèn sáng báo hiệu trạng thái của tín hiệu của cổng vào đang ở mức logic 1 ngược lại là mức logic 0. l Đèn xanh Qx.x : đèn sáng báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng ra đang ở mức logic 1, ngược lại là mức logic 0. 4) Cổng truyền thông: l Chân 1: nối đất. l Chân 2: nối nguồn 24VDC. lChân 3: truyền và nhận dữ liệu. l Chân 4: không sử dụng. l Chân 5: đất l Chân 6: nối nguồn 5VDC l Chân 7: nối nguồn 24VDC. l Chân 8: Truyền và nhận dữ liệu. l Chân 9: không sử dụng. 5) Các ưu điểm của PLC so với mạch điện đấu dây thuần tuý: lKích cỡ nhỏ. lThay đổi thiết kế dễ dàng và nhanh khi có yêu cầu về kỹ thuật,qui trình công nghệ. l Có chức năng chẩn đoán lỗi và ghi đè. lCác ứng dụng của S7-200 có thể dẫn chứng bằng tài liệu. lCác ứng dụng được phân bố nhân bản nhanh chóng và thuận tiện. S7-200 có thể điều khiển hoàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá.Với cấu trúc nhỏ gọn,có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh Simatic mạnh của S7-200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động hoá vừa và nhỏ. Ngoài ra S7-200 còn có các ưu điểm sau đây : - Cài đặt, vận hành đơn giản. - Các CPU có thể sử dụng trong mạng,trong hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn lẻ. - Có khả năng tích hợp trên qui mô lớn. - Ứng dụng cho các điều khiển đơn giản và phức tạp. - Truyền thông mạnh. Mô hình PLC Mô hình kết nối PLC và máy tính CHƯƠNG HAI: CẤU TRÚC BỘ NHỚ 1) Phân chia bộ nhớ: Bộ nhớ của S7- 200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn cung cấp. Bộ nhớ có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần các bit nhớ đặc biệt. l 4 vùng nhớ gồm: -Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình .Vùng này thuộc kiểu non-volatile. - Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khoá, địa chỉ trạm…Nó thuộc kiểu non-volatile. - Vùng dữ liệu: là miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn và từ kép. Được dùng để lưu trữ các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng , các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ. Vùng dữ liệu được chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các chức năng khác nhau. * V Variable memory * I Input image register * O Output image register * M Internal memory bits * SM Special memory bits V0 ……………….. V1023 7 6 5 4 3 2 1 0 CPU212 Miền V(đọc/ghi) I0.x(x=0:7) ……………….. I7.x(x=0:7) Vùng đệm cổng vào I(đọc/ghi) Q0.x(x=0:7) ……………….. Q7.x(x=0:7) M0.x(x=0:7) ……………….. M15.x(x=0:7) Vùng đệm cổng ra Q(đọc/ghi) Vùng nhớ nội M(đọc/ghi) V0 ……………….. V4095 7 6 5 4 3 2 1 0 CPU214 I0.x(x=0:7) ……………….. I7.x(x=0:7) Q0.x(x=0:7) ……………….. Q7.x(x=0:7) M0.x(x=0:7) ……………….. M31.x(x=0:7) SM0.x(x=0:7) ……………….. SM.x(x=0:7) Vùng nhớ đặc biệt SM(chỉ đọc) SM30.x(x=0:7) ……………….. SM45.x(x=0:7) Vùng nhớ đặc biệt (đọc/ghi) SM0.x(x=0:7) ……………….. SM.x(x=0:7) SM30.x(x=0:7) ……………….. SM85.x(x=0:7) - Vùng đối tượng: được sử dụng để lưu trữ cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC). - Vùng đối tượng cũng được phân ra thành nhiều vùng nhỏ. 15 ……. ……. 0 CPU212 T0(word) : T63 bit T0 T63 Timer (đọc/ghi) C0(word) : C63 C0 C63 AW0(word) : AW30 Bộ đếm (đọc/ghi) Bộ đệm cổng vào tương tự(chỉ đọc) 15 ……. ……. 0 CPU214 T0(word) : T127 bit T0 T127 C0(word) : C127 C0 C127 AW0(word) : AW30 AQW0(word) : . AQW30 Bộ đệm cổng ra tương tự (chỉ ghi) AQW0(word) : AQW30 2) Thực hiện chương trình trong PLC S7- 200: PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi chu trình được gọi là một vòng quét (scan). Mỗi vòng quét bắt đầu từ giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong vòng quét chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung từ bộ đệm ảo tới các cổng ra. 1.Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo 4.Chuyển dữ liệu từ bộ 2.Thực hiện đệm ảo ra ngoại vi Chương trình 3.Truyền thông nội bộ và kiểm lỗi l Trong quá trình thực hiện chương trình nếu gặp lệnh vào ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ dừng tất cả mọi công việc đang thực hiện, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào ra. l Các chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét. 3) Cấu trúc chưong trình trong PLC S7-200: Các chương trình trong PLC S7-200 có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt. l Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình MEND. l Chương trình con là một bộ phận của chương trình chính và được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính. l Chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình chính. Nếu cần sử dụng thì chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính. Thực hiện trong một vòng quét. vòng quét. vòng quét. Main program . . MEND SBR 0 Chương trình con thứ nhất . . RET Thực hiện khi chương trình chính gọi. SBR n Chương trình con thứ n . . RET INT 0 Chương trình xử lý ngắt thứ 1 . . RET Thực hiện khi có tín hiệu ngắt INT n Chương trình xử lý ngắt thứ n. . . RET 4) Ngôn ngữ lập trình của S7-200: 4.1/ Phương pháp lập trình: Các lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của Simens nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản: l Phương pháp hình thang (Lader Logic viết tắt LAD). l Phương pháp liệt kê (Statement List viết tắt STL). 4.1.1/ Định nghĩa về LAD: LAD là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ. Các thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau: l Tiếp điểm mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó có thể là: Tiếp điểm thường mở Tiếp điểm thường kín l Hộp: biểu tượng cho nhiều hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy qua nó. Các hàm được biểu diễn bằng hộp: Timer, Counter và các hàm toán học. l Cuộn dây , mô tả rơle và được mắc theo chiều dòng điện cung cấp. 4.1.2/ Định nghĩa về STL: Phương pháp liệt kê là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh .Mọi câu lệnh trong chương trình, kể cả những lệnh hình thức biến điều một chức năng của PLC. CHƯƠNG III: YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA ĐỀ TÀI 1) Tổng quan về đề tài. Ngày nay cùng với sự phát triển của kinh tế thì việc đô thị hoá diễn ra ngày càng nhanh làm cho lượng phương tiện lưu thông đặc biệt là trên đường phố cũng tăng theo.Do đó vấn đề đảm bảo giao thông trong các đô thị đặc biệt là tại các nút ngã tư ngã năm...diễn ra thông suốt là rất quan trọng. Để việc lưu thông được thuận lợi thì chúng ta có thể nhờ đến sự giúp đỡ của lực lượng cảnh sát giao thông và các lực lượng khác.Tuy vậy với số lượng ngày càng tăng của các phương tiện tham gia giao thông thì kéo theo số lượng cảnh sát giao thông cũng tăng theo, điều này sẽ gây khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các thành tựu trong nền khoa học kỹ thuật đã từng bước ứng dụng vào các lĩnh vực trong đời sống xã hội không những góp phần giảm nhẹ sức lao động của con người mà còn giảm cả chi phí đầu tư, một trong những ứng dụng đó là hệ thống điều khiển đèn giao thông tại các nút lưu thông trên đường phố. Hệ thống điều khiển đèn giao thông là hệ thống đèn tín hiệu hướng dẫn các phương tiện và con người tham gia giao thông trên đường. Việc điều khiển sự hoạt động của đèn giao thông cũng đã có rất nhiều cách thức như: dùng các tiếp điểm và rơ le thời gian, dùng các mạch vi điều khiển, dùng bộ PLC (Programmable Logic Controller)...Trong đó sử dụng bộ PLC trong việc điều khiển có nhiều ưu điểm : l Làm việc chắc chắn, liên tục và có tuổi thọ cao. l Có thể làm việc trong những môi trường công nghiệp mà vẫn đảm bảo độ ổn định. l Thao tác vận hành thiết bị rất đơn giản. 2) Giới thiệu công nghệ của đề tài: Yêu cầu về công nghệ bao gồm : l Hai hệ thống đèn giao thông đặt ở hai tuyến giao thông ngã tư. Tuyến 1 : gồm xanh_1, do_1, vang_1, xanh_di_bo_1, do_di_bo_1 . Tuyến 2 : gồm xanh_2, do_2, vang_2, xanh_di_bo_2, do_di_bo_2. l Bộ điều khiển : Bộ điều khiển khả lập trình PLC ( PLC S7-200 CPU 214 ). Hệ thống nút nhấn điều khiển. ( Control Panel). MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG NGÃ TƯ HỆ thỐng nút nhẤn ĐIỀU KHIỂN l Yêu cầu điều khiển hệ thống đèn giao thông : Quá trình điều khiển đèn giao thông chia làm 2 chế độ: - Chế độ điều khiển bằng tay : Khi có một yêu cầu đặc biệt về điều khiển lưu thông trên đường và các qui luật thời gian đã cài đặt cho các đèn không đáp ứng kịp thời được thì người điều khiển giao thông sẽ trực tiếp thao tác bằng tay thông qua nút nhấn với giản đồ thời gian như sau: Giản đồ thời gian chế độ điều khiển bằng tay - Chế độ điều khiển tự động : Khi các phương tiện giao thông lưu thông bình thường, hệ thống đèn giao thông được vận hành theo chế độ này với thời gian sáng của các đèn đã được cài đặt sẵn trong bộ điều khiển PLC theo giản đồ thời gian sau: Giản đồ thời gian chế độ điều khiển chế độ tự động: Các thời gian : a (s) và b (s) là các thời gian đặt. Thời gian hoạt động cho các đèn : Đối với mùa hè : từ 4h đến 12h, và từ 13h đến 24h. Đối với mùa đông : từ 5h đến 12h, và từ 13h đến 24h Đèn đỏ : 30s ( thời gian sáng trong mỗi chu kỳ ). Đèn xanh : 27s ( thời gian sáng trong mỗi chu kỳ ). Đèn vàng : 3s ( thời gian sáng trong mỗi chu kỳ ). Thời gian đèn vàng nhấp nháy : Đối với mùa hè : 0h đến 4h và từ 12h đến13h. Đối với mùa đông: 0h đến 5h và từ 12h đến 13h. CHƯƠNG IV PHÂN CÔNG VÀO RA CHO PLC VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Bảng phân công đầu vào ra: Symbol Address Comment start I0.0 Nút nhấn khởi động stops I0.1 Nút nhấn dừng manual I0.2 Nút nhấn chế độ đèn bằng tay automatic_he I0.3 Nút nhấn chế độ đèn tự động mùa hè automatic_dong I0.4 Nút nhấn chế độ đèn tự động mùa đông nhanh1_manual I0.5 Nút nhấn đèn nhánh 1 bằng tay nhanh2_manual I0.6 Nút nhấn đèn nhánh 2 bằng tay do_1 Q0.0 Đèn đỏ 1 vang_1 Q0.1 Đèn vàng 1 xanh_1 Q0.2 Đèn xanh 1 do_2 Q0.3 Đèn đỏ 2 vang_2 Q0.4 Đèn vàng 2 xanh_2 Q0.5 Đèn xanh 2 do_di_bo_1 Q0.6 Đèn đỏ đi bộ 1 xanh_di_bo_1 Q0.7 Đèn xanh đi bộ 1 do_di_bo_2 Q1.0 Đèn đỏ đi bộ 2 xanh_di_bo_2 Q1.1 Đèn xanh đi bộ 2 m00 M0.0 Biến trung gian duy trì chính m01 M0.1 Biến trung gian chế độ bằng tay m02 M0.2 Biến trung gian chế độ tự động mùa hè m03 M0.3 Biến trung gian chế độ tự động mùa đông v01 V0.1 Biến trung gian nhánh 1 chế độ bằng tay v02 V0.2 Biến trung gian nhánh 2 chế độ bằng tay v11 V1.1 Biến trung gian v12 V1.2 Biến trung gian v13 V1.3 Biến trung gian v14 V1.4 Biến trung gian v101 V10.1 BTGCĐTĐ 0h đến 4h , 12h đến 13h v102 V10.2 BTGCĐTĐ 4h đến 12h , 13h đến 24h v103 V10.3 BTGCĐTĐ 0h đến 5h , 12h đến 13h v104 V10.4 BTGCĐTĐ 5h đến 12h , 13h đến 24h LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN : Dừng CHẾ ĐỘ BẰNG TAY CHẾ ĐỘ TỰ ĐỘNG