Luận văn Thiết kế điều khiển giám sát cho dây truyền chiết rót, đóng nắp chai sử dụng Simatic S7 - 300 và WinCC

 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 LỜI CẢM ƠN 
 Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em đã nhận 
được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lòng 
kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám 
hiệu trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM và các thầy cô trong Khoa Điện đã dạy 
bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện 
luận văn. 
 Em xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thành Phúc đã luôn quan tâm và nhiệt 
tình hướng dẫn trong suốt quá trình em làm luận văn. 
 Xin chân thành cảm ơn những người thân đã giúp đỡ động viên trong quá trình 
học tập và thực hiện khóa luận. Đồng cảm ơn thư viện trường Đại Học Công Nghiệp 
TP.HCM đã cung cấp cho em tài liệu những kiến thức cơ bản về S7-300 và WinCC. 
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! 
 TP.HCM, tháng 6 năm 2017 
 Sinh viên thực hiện 
 Nguyễn Trọng Trung 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 1 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 TÓM TẮT 
 Trong khóa luận này sẽ đề cập đến thiết kế giao diện để điều khiển, giám sát và 
thu thập dữ liệu từ xa cho mô hình trộn, chiết rót và đóng nắp chai. Giao diện được 
thiết kế trên phần mềm WinCC của hãng Siemens với thiết kế đẹp mắt và đầy đủ các 
tính năng cần thiết cho người vận hành cũng như người giám sát hệ thống. Khóa luận 
cũng hướng dẫn cụ thể các bước để các bạn khóa sau có thể tham khảo lập trình trên 
WinCC một cách dễ dàng. Một số đoạn chương trình lập trình theo ngôn ngữ Visual 
C++ cơ bản kết hợp với ngôn ngữ lập trình Visual Basic hiển thị thông tin tính toán 
biểu thức. Với các chức năng cần thiết, phân quyền người dùng trong WinCC, thiết kế 
giao diện từ thư viện, tạo nút nhấn, hiển thị tín hiệu Analog Input hoặc Output, hiển thị 
cửa sổ làm việc nhỏ trên cửa sổ lớn, chuyển đổi giữa các file ảnh khác nhau, tạo cảnh 
báo Alarm hoặc xuất dữ liệu ra Excel 
 Mô hình được điều khiển thông qua PLC S7-300 của Siemens đây cũng là loại 
PLC cao cấp của Siemens sử dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp tự động vừa và 
lớn với yêu cầu ổn định và chất lượng cao. Mô hình điều khiển thiết kế đơn giản với 3 
bồn thực hiện cấp nguyên liệu và trộn nhiên liệu, trong mô hình này sử dụng cảm biến 
siêu âm để xác định mực nước trong bồn trộn và thu thập dữ liệu đưa về WinCC. Các 
cảm biến khác bao gồm cảm biến quang để xác định vị trí chai, cảm biến từ xác định 
vị trí xi lanh, cảm biến điện dung xác định mực nước trong chai và hệ thống khí nén 
cũng được sử dụng. 
 Băng tải có thể điều chỉnh tốc độ bằng tay tuy nhiên các bạn khóa sau có thể nâng 
cấp điều khiển tốc độ động cơ băng tải bằng Analog Ouput để phát triển đề tài. Do 
nhiều khó khăn và kinh phí không cho phép nên mô hình chưa được hoàn thiện như 
mong muốn. Hi vọng quý bạn đọc có thể tìm hiểu khóa luận này để có thể phục vụ cho 
nhu cầu cần thiết của mình trong học tập hay trong quá trình đi làm tại các nhà máy có 
sử dụng SCADA 
 Từ khóa tìm kiếm : 
“Trộn; Chiết rót; Đóng nắp chai; S7-300; WinCC” 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 2 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 LỜI MỞ ĐẦU 
 Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với 
sự phát triển của một quốc gia. Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật, thì tự động 
hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc. Ở các nước này máy móc hầu như đã 
thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay 
vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát 
trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính. Việc điều khiển qua màn hình HMI là 
vô cùng cần thiết, giúp người vận hành có cái nhìn trực quan, tổng quát quá trình hoạt 
động của toàn bộ dây chuyền sản xuất. 
 Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows Control Centre), nó 
giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông qua máy tính mà không 
phải trực tiếp xuống nơi sản xuất để quan sát. Những điều trên chứng tỏ tầm quan 
trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự điều khiển động hóa. Việt Nam là 
nước đang phát triển thì như cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan 
trọng đối với phát triển kinh tế cũng như như cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất 
nước. 
 Là sinh viên theo học chuyên ngành “Điện Công nghiệp” cùng những nhu cầu, 
ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, em muốn được nghiên cứu 
và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm về kiến thức 
thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại 
hóa. Vì những lý do trên em đã chọn đề tài: “ Thiết kế điều khiển giám sát cho dây 
truyền chiết rót, đóng nắp chai sử dụng Simatic S7-300 và WinCC”. 
 Khóa luận nhằm nắm vững kiến thức về lập trình với S7-300, mô phỏng quá trình 
hoạt động của một hệ thống với WinCC.Nghiên cứu đề tài nhằm tích lũy kinh nghiệm, 
học hỏi thêm kiến thức và phát huy tính sáng tạo, giải quyết vấn đề.Theo phương châm 
học đi đôi với hành thì việc tạo ra một hệ thống mô phỏng dùng S7-300 và WinCC là 
một yêu cầu cần thiết , đáp ứng được nhu cầu đặt ra. 
 Đề tài sử dụng S7-300 và WinCC trong tự động hóa thì rất rộng lớn, hầu hết các 
nhà máy, xí nghiệp ứng dụng WinCC trong việc điều khiển, giám sát tất cả các khâu. 
Nhưng trong đề tài này ta hạn chế là chỉ mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ 
thống nhỏ, chưa thể hoàn toàn theo sát với thực tế. Vì vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần 
được quan tâm giải quyết trong tương lai. 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 3 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 
 Sinh viên Nguyễn Trọng Trung có khả năng làm việc độc lập, mạnh dạn chọn 
công nghệ mới để học và làm luận văn. Em Trung đã hoàn thành tốt luận văn của 
mình, kết hợp với các sinh viên khác trong nhóm để thi công mô hình. Bên cạnh đó em 
có khả năng tóm tắt vấn đề tốt, viết luận văn rõ ràng, làm việc nghiêm túc. 
 Sau khi bảo vệ cũng như sau khi nhận được nhận xét từ hội đồng, giáo viên phản 
biên, sinh viên thực hiện cần chỉnh sửa luận văn. Mong rằng đây là tài liệu tốt cho các 
thế hệ sau và những người quan tâm đến lĩnh vực của luận văn. 
Điểm GVHD: 10 
 TP.HCM ngày 3 tháng 6 Năm 2017 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 4 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 ........................................................................................................................................... 
 TP.HCM tháng 6 Năm 2017 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 5 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 MỤC LỤC 
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ ........................... 13 
 1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 13 
 1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................. 14 
 1.3. Ƣu điểm và thiếu xót khi thực hiện đề tài. ...................................................... 14 
 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ....................................................... 14 
 1.5. Phạm vi áp dụng: .............................................................................................. 15 
 1.6. Các chức năng chính của hệ thống .................................................................. 15 
 1.7. Các thiết bị chính trong mô hình ..................................................................... 15 
 1.7.1 Bộ nguồn ....................................................................................................... 15 
 1.7.2. Các thiết bị đóng ngắt và thiết bị bảo vệ .................................................. 15 
 1.7.3 Các loại cảm biến và cách đấu nối ............................................................. 17 
 1.7.4 Các loại động cơ điện ................................................................................... 23 
 1.7.5 Piston khí nén ............................................................................................... 24 
 1.7.6 Van từ ............................................................................................................ 25 
 1.7.7 Van khi nén . ................................................................................................ 25 
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 ................................................ 26 
 2.1. Giới Thiệu Chung .............................................................................................. 26 
 2.1.1. Các modul PLC S7-300 .............................................................................. 27 
 2.1.2 Modul CPU .................................................................................................. 28 
 2.1.3 Modul mở rộng ........................................................................................... 29 
 2.2. Ngôn ngữ lập trình: ........................................................................................... 31 
 2.3 Tập Lệnh S7-300 ................................................................................................ 32 
 2.3.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm: ......................................................................... 32 
 2.3.2 Lệnh về timer : ............................................................................................. 34 
 2.3.3 Bộ đếmCounter: ........................................................................................... 36 
 2.3.4 Lệnh so sánh: ................................................................................................ 37 
 2.3.5. Các lệnh về số học: ...................................................................................... 39 
 2.3.6 Lệnh Di chuyển : .......................................................................................... 40 
 2.3.7 Lệnh RESET nhiều bit FC 82: ................................................................... 40 
 2.4.Tín hiệu Analog và cách xử lý trong PLC S7 300 ........................................... 41 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 6 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 2.4.1.Tín hiệu Analog Input ................................................................................. 41 
 2.4.2 Cách xử lý tín hiệu Analog trong PLC S7 300 .......................................... 42 
 2.5. Giới thiệu về CPU 313C và S7 -1500 ............................................................... 47 
 2.5.1. CPU 313C .................................................................................................... 47 
 2.5.2. Tìm hiểu khái quát về S7 1500................................................................... 50 
CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ WINCC .............................................................. 51 
 3.1 Khái niệm. ........................................................................................................... 51 
 3.2.Cách sử dụng phần mềm WinCC ..................................................................... 53 
 3.2.1. Các bƣớc tạo một dự án trên WinCC: ...................................................... 53 
 3.2.2.Các thành phần chính của cửa sổ dự án . .................................................. 53 
 3.3 Các kiểu dữ liệu .................................................................................................. 55 
CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO 
DÂY CHUYỀN TRỘN, CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI .............................. 58 
 4.1. Tổng quan về mô hình trộn, chiết rót và đóng nắp chai. .............................. 58 
 4.1.1. Tổng quan về kết cấu cơ khí ...................................................................... 58 
 4.1.2. Mô hình thực tế. .......................................................................................... 58 
 4.1.3. Liệt kê các thiết bị của dây chuyền. .......................................................... 60 
 4.1.4. Hệ thống ngõ vào ra (I/O PLC) ................................................................. 60 
 4.1.5. Sơ đồ kết nối I/O PLC ................................................................................ 65 
 4.1.6. Nguyên lý hoạt động của dây chuyền. ...................................................... 66 
 4.1.7. Phân công vào ra và lập bảng đồ tài nguyên ............................................ 71 
 4.1.8 Viết chƣơng trình PLC ................................................................................ 71 
 4.2. Thiết kế giao diện SCADA điều khiển và giám sát. ....................................... 75 
 4.2.1 Giới thiệu về giao diện thiết kế SCADA .................................................... 75 
 4.2.2 Hệ thống trộn, chiết rót và đóng nắp chai: ................................................ 79 
 4.2.3 Yêu cầu công nghệ: ...................................................................................... 80 
 4.3. Thiết kế mô phỏng trên WinCC: ..................................................................... 80 
 4.3.1 Tạo giao diện làm việc mới ......................................................................... 80 
 4.3.2 Tạo biến ........................................................................................................ 85 
 4.3.2 Tạo ảnh: ........................................................................................................ 91 
 4.3.3 Thiết lập các thuộc tính hình ảnh ............................................................... 93 
 4.3.4. Tạo nút nhấn thoát chƣơng trình: ............................................................ 96 
 4.3.5 Tạo nút nhấn đăng nhập và đăng xuất: ..................................................... 97 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 7 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 4.3.6 Thiết lập tài khoản quản trị:....................................................................... 98 
 4.3.7. Tạo màn hình điều khiển nhỏ trên màn hình chính. ............................. 100 
 4.4. Lâp trình C-Scrip, VB-Scrip và tạo chuyển động thẳng trong WinCC .... 106 
 4.4.1. Lập trình C-Scrip chuyển động thẳng .................................................... 107 
 4.4.2. Lâp trình VB-Scrip trong WinCC .......................................................... 109 
CHƢƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............... 112 
 5.1 Tổng kết ............................................................................................................. 112 
 5.2 Hạn chế của đề tài: ........................................................................................... 112 
 5.3 Hƣớng phát triển: ............................................................................................ 112 
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 113 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 130 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 8 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
 DANH MỤC HÌNH 
Hình 1.1 CB bảo vệ ....................................................................................................... 16 
Hình 1.2 Rơ le ............................................................................................................... 16 
Hình 1.3 Nút nhấn ........................................................................................................ 17 
Hình 1.4 Cảm biến siêu âm .......................................................................................... 18 
Hình 1.5 Cảm biến điện dung ...................................................................................... 19 
Hình 1.6 Cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện dung ................................................... 19 
Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây 24 VDC với PLC .................................. 20 
Hình 1.8 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây 24 VDC với PLC .................................. 22 
Hình 1.9 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 2 dây 24 VDC với PLC .................................. 23 
Hình 1.10 Động cơ 1 pha ............................................................................................. 23 
Hình 1.11 Động cơ 24 VDC ........................................................................................ 24 
Hình 1.12 Xi lanh khí nén dẫn hướng ........................................................................ 24 
Hình 1.13 Van từ .......................................................................................................... 25 
Hình 1.14 Van điện từ 5/2 ............................................................................................ 25 
Hình 2.1 Cấu hình của một trạm PLC S7-300 ............................................................ 28 
Hình 2.2 Sự khác nhau các khối bề ngoài của CPU S7-300 ..................................... 28 
Hình 2.3 Ảnh thực tế các loại modul mở rộng của S7-300 ........................................ 30 
Hình 2.4 Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC ........................................................... 31 
Hình 2.5 Tạo khối Function trong S7 300 .................................................................. 43 
Hình 2.6 Giao diện lập tình khối Function ................................................................. 44 
Hình 2.7 Tạo biến ngõ vào hàm Scale ......................................................................... 44 
Hình 2.8 Tạo biến ngõ ra hàm Scale ........................................................................... 45 
Hình 2.9 Tạo biến tạm để tính toán tạo hàm Scale .................................................... 45 
Hình 2.10 Công thức tính toán hàm scale .................................................................. 47 
Hình 2.11 Hàm Scale tính toán tín hiệu Analog ........................................................ 50 
Hình 2.12 CPU 313 C ................................................................................................... 51 
Hình 3.1 Giao diện làm việc của WinCC .................................................................... 53 
Hình 3.2 Các kiểu dữ liệu trong WinCC ..................................................................... 56 
Hình 4.1 Kết cấu cơ khí dây chuyền trộn, chiết rót và đóng nắp chai ....................... 58 
Hình4.2 Mô hình thực tế dây chuyền trộn, chiết rót và đóng nắp ............................. 59 
Hình 4.3 Cấu hình PLC s7 300 CPU 313C ................................................................. 64 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 9 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 
Hình 4.4 Sơ đồ kết nối I/O PLC S7 300 CPU 313C theo kiểu sink ............................ 65 
Hình 4.5 Khâu trộn nhiên liệu ..................................................................................... 66 
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................... 70 
Hình 4.7 Tạo trang làm việc mới trong SIMATIC S7 300 ......................................... 72 
Hình 4.8 Chọn cấu hình trong SIMATIC S7 300 ....................................................... 72 
Hình 4.9 Chọn cấu hình trong SIMATIC S7 300 ....................................................... 73 
Hinh 4.10 Khối OB1 trong SIMATIC S7 300 ............................................................. 73 
Hinh 4.11 Giao diện lập trình PLC ............................................................................. 74 
Hình 4.12 PLC-SIM ..................................................................................................... 74 
Hình 4.13 Graphics chính trong WinCC ..................................................................... 75 
Hình 4.14 Graphics chính trong WinCC ..................................................................... 76 
Hình 4.15 Graphics Giao diện điều khiển chính trong WinCC ................................. 76 
Hình 4.16 Graphics Giao diện điều khiển màn hình nhỏ trong WinCC ................... 77 
Hình 4.17 Graphics Giao diện cảnh báo ALARM trong WinCC ............................... 77 
Hình 4.18 Graphics Giao diện Màn hình chính Login Lout trong WinC ................ 78 
Hình 4.19 Graphics bảng điều khiển chính trong WinCC ......................................... 78 
Hình 4.20 Graphics bảng điều khiển chính Login Lout trong WinCC .................... 79 
Hình 4.21 Tạo giao diện làm việc mới trong WinCC................................................. 81 
Hình 4.22 Tạo giao diện làm việc mới trong WinCC................................................. 82 
Hình 4.23 WinCC Explorer.......................................................................................... 83 
Hình 4.24 Chọn Driver cho WinCC với S7 300 .......................................................... 84 
Hình 4.25 Chọn Driver cho WinCC với S7 300 .......................................................... 84 
Hình 4.26 Tag nội trong WinCC.................................................................................. 84 
Hình 4.27 Tag Ngoại trong WinCC ............................................................................. 86 
Hình 4.28 Hộp thoại tạo tag trong WinCC ................................................................. 86 
Hình 4.29 Hộp thoại chọn địa chỉ tag trong WinCC .................................................. 87 
Hình 4.30 Giao diện các tag trong WinCC ................................................................. 88 
Hình 4.31 Tag Group Control ...................................................................................... 88 
Hình 4.33 Tag Group Demsanpham ........................................................................... 89 
Hình 4.34 Tag Group Tank_Level ............................................................................... 90 
Hình 4.35 Tag Group Manual_Val ............................................................................. 90 
Hình 4.36 Giao diện tạo ảnh mới ................................................................................ 91 
SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 10