ĐẠI HỌC SPKT HỒ CHÍ MINH
Bộ mơn Điều khiển và Tự động hóa
----------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động

Giáo viên hướng dẫn: Thái Hữu Nguyên
Sinh viên thực hiện :
Lớp:

: DHTDHCK13B

HCM, 6/2021


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triền của nền kinh tế là tốc độ gia tăng
không ngừng về các loại phương tiện giao thông. Sự phát triển nhanh chóng của các
phương tiện truyền thơng đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thơng xảy ra rất thường
xuyên. Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông thông suốt và sử dụng đèn
điều khiển giao thông ở những ngã tư, những nơi giao nhau của các làn đường là một giải
pháp.
Để viết chương trình điều khiển đèn giao thơng ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ
khác nhau. Nhưng với những ưu điểm vượt trội của PLC s7-1200 nên tôi đã chọn hệ
thống điều khiển có thể lập trình được PLC với ngơn ngữ lập trình của S7-1200 để viết
chương trình giao thơng .
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và những ham muốn hiểu biết về lĩnh vực này nên
đề tài “ Thiết kế kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tự động’ khá phù hợp với bản
thân em cũng như nhu cầu thực tại. Hi vọng thơng qua đồ án này chúng ta có thể hiểu
biết về các -thiết bị tự động hoá , các giải pháp tự động tích hợp tồn điện thơng qua PLC

S1200 và quan trọng nhất là những ứng dụng của PLC trong cuộc sống ( Điều khiển đèn
giao thông, tự động hoá mọi lĩnh vực của ngành sản xuất… )
Đồ án bao gồm 5 phần chính :
Chương I : Phân tích đặc điểm công nghệ
Chương II : Giới thiệu thiết bị PLC S7-1200 và phần mềm TIA
Chương III : Thiết kế chương trình điều khiển
Chương IV : Thiết kế giao diện
Chương V : Mô phỏng kiếm chứng


CHƯƠNG I : ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ
1.1 Cấu tạo và ngun tắc hoạt động của đèn giao thơng

Mơ hình đèn giao thông ở ngã tư
Cấu tạo
Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chính được
lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư. Mỗi một cột đèn gồm 6 đèn đó
là 3 đèn chính gồm : đèn xanh, đèn đỏ và đèn vàng. Ngồi ra cịn 2 đèn nữa đó là đèn
xanh đèn đỏ cho người đi bộ
Ngồi ra, mỗi một hệ thống đèn có một hộp điều khiển từ đó sẽ phát ra tín hiệu điều
khiển đèn. Tín hiệu điều khiển của đèn từ CPU thơng qua các cổng ra rồi đến các rơle, rồi
qua hệ thống dây nối đến các đèn.
Nguyên tắc hoạt động
Cơ chế hoạt động của đèn giao thông rất đơn giản : Khi đèn đỏ làn đường 1 ( đ1) bật sáng
thì lúc đó đèn xanh làn đường 2 sáng ( x2) trong 5s cuối cùng của đèn (x2) thì (v2) sáng
cùng lúc với (đ1) xong 5s thì (đ2) và x(1) sáng.


1.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán



CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU THIẾT BỊ PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM TIA
2.1 Giới thiệu PLC
2.1.1 Khái niệm PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình
được. Cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn
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 tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC
hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi
sự kiện được kích hoạt thật sự,nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi
là thiết bị vật lý.Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình đó
“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 dùng dây nối (bộ điều khiển
bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thoả mãn những yêu cầu sau:
• Lập trình dễ dàng,ngơn ngự lập trình dễ học.
• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được nhựng chương trình phức tạp.
• Hồn tồn tin cậy trong mơi trường công nghiệp.


• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như:máy tính,nối mạng,các
Modul mở rộng.
Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay, dây nối và các
logic thời gian. Tuy nhiên, bên cạnh đó việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính
dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả... Chính điều này đã gây
ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh
chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … Sau đó

là các chức năng làm tốn trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ
PLC
Có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều
khiển hoặc xử lý hệ thống.Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định
bởi một chương trình. Chương trình được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,PLC sẽ thực hiện
việc điều khiển dựa vào chương trình này.Như vậy muốn thay đổi chức năng của quy
trình cơng nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay
đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự
can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay các Relay.
2.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC
a. Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần là:
Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong(có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài
EPROM)
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc kết nối PLC.
Các Modul vào/ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm theo một đơn vị lập trình bằng tay
hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng
chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là xách tay, RAM
thường là loại CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn
sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đồi với PLC lớn thường được lập trình
máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết đọc và kiểm tr chương trình.Các đơn vị lập trình nối
với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458 …


b. Nguyên lý hoạt động của PLC
+ Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương
trình được chứa trong bộ nhớ,sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng

hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực
thi. Và toàn bộ các bộ phận thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được
giữ trong bộ nhớ.
+ Hệ thống bus
Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu
song song:
Address Bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các Modul khác nhau.
Data Bus: bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: bus điều khiển dùng để truyền các các tín hiệu định thì và điều khiển
đồng bộ trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Modul vào ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền
8 bít của 1 byte một cách đồng thời hoặc song song.
Nếu một Modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, Modul đầu ra
tương ứng sẽ nhận được địa dữ liệu từ địa chỉ Data Bus. Control Bus sẽ chuyển các tín
hiệu vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các bus tương ứng trong một thời gian hạn
chế.
Hệ thống bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên
cạnh đó, CPU được cấp một xung Clock có tần số từ 1 -:- 8 MHZ. Xung này quyết định
tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
+ Bộ nhớ
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
Làm bộ đệm trạng thái trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong
bộ nhớ đều được đánh số, nhựng số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ.


Địa chỉ của tường ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi

xử lý. Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo.
Với một địa chỉ mới, nội dung của địa chỉ ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá
trình này được gọi là quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả
năng chứa từ 2000-:-16000 dòng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ
RAM, EPROM đều được sử dụng.
RAM(Random Access Memory) có thể nạp chương trình thay đổi hay xố bỏ nội
dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn ni bị mất. Để tránh
những tình trạng này các PLC được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp ngăng
lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi
tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng
tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn.
EPROM(Electricall Programmble Read Only Memory) bộ nhớ mà người sử dụng
bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được. Nội dung của EPROM
không bị mất khi mất nguồn ni, nó được gắn sắn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp
và chữa hệ điều hành sắn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng
thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên PG(progammer) có sắn chố ghi và xố EPROM.
Mơi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm được sử dụng trong máy
lập trình. Đĩa cứng hoặc địa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu trữ
những chương trình lớn trong một thời gian dài.
+ Kích thước bộ nhớ:
• Các PLC loại nhỏ có thể chứa 300-:-1000 dịng lệnh tuỳ vào cơng nghệ chế tạo.
• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K-:-16K, có khả năng chứa từ 2000-:16000 dịng lệnh.
Ngồi ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
+ Các ngỏ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các Modul (các đầu vào của
PLC)các cơ cấu chấp hành được nối với các Modul ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24DVC
hoặc 100/240VAC.



Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O
được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC điều náy làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập
xuất trở nên dệ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện đóng hay
ngắt ở mạch đầu ra.
2.2 Khái niệm chung về PLC S7-1200
PLC S7-1200 là một dòng sản phẩm của Siemens được sản xuất năm 2009, ra đời
với mục đích thay thế cho thế hệ trước là PLC S7-200.
S7- 1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng
hỗ các yêu cầu về điều khiển tự động. sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt
và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo cho việc
điều khiển ứng dụng đa dạng khác nhau.

Các thành phần của PLC S7-1200:


3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống
như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.



2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển modum trực tiếp trên CPU làm giảm
chi phí sản phẩm.



13 module tín hiệu số và tương 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 24VD.


2.3 Giới thiệu về phần mềm TIA
TIA Portal – cái tên rất quen thuộc trong lĩnh vực tự động hóa. Đúng như tên gọi TIA
Portal: Total Intergrated Automation Portal, là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần
mềm cấu hình, lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI, Inverter
của Siemens.

Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng dụng
điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu của khách
hàng trên toàn thế giới. Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của
Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẽ cùng một cơ sở dữ
liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính tồn vẹn cho ứng dụng. Ví dụ, tất cả
các thiết bị và mạng truyền thơng bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ.
Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đốn
lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng
chung cơ sở dữ liệu TIA Portal.
Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều
được lập trình, cấu hình trên TIA portal. Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong
việc thiết lập truyền thơng giữa các thiết bị này. Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính

năng “kéo và thả’ một biến của trong chương trình điều khiển PLC vào một màn hình của
chương trình HMI. Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC
– HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm.
Phần mềm mới Simatic Step 7 V11, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1200,
S7-300, S7-400 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC. Simatic Step 7 V15 được
chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Simatic Step 7


V11 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang
chương trình mới trên TIA Portal.
Phần mềm mới Simatic WinCC V11, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để
cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám
sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA).
CHƯƠNG III : THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Thiết kế mạch và giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình
Network 1 : Mở / tắt hệ thống + tín hiệu hoạt động

Network 2 : Khi hệ thống hoạt động thì bộ thời gian thực hoạt động

Network 3 :Khi hệ thống hoạt động thì từ 5h sáng đến 22h tối( sử dụng bộ so sánh ) chu
kỳ sẽ hoạt động
Nếu nằm ngồi 5h – 22h thì chu kỳ ban ngày sẽ đóng và Network 4 hoạt động


Network 4 : Khi chu kỳ ban ngày đóng dẫn tới đèn vàng 1 và đèn vàng 2 hoạt động

Network 5 : Khi chu kỳ hoạt động bộ timer ( tổng 3 đèn 50s ) và bộ chia hoạt động


Network 6 : Từ 0- 20s thì đèn xanh 1 hoạt động , 20-25s đèn vàng 1 hoạt động


Network 7 : Từ 25s – 45s đèn xanh 2 hoạt động - từ 45s – 50s vàng 2 hoạt động

Network 8 :Khi đèn xanh 2 và vàng 2 hoạt động thì đèn đỏ 1 hoạt động


Network 9 : Khi đèn xanh 1 và vàng 1 hoạt động thì đỏ 2 hoạt động

Network 10 : Gán các trung với gian với output


Network 11 : Gán các trung với gian với output

e
Network 12 : Vì khi chế độ ban đêm hoạt động thì bộ đếm dây của vàng vẫn hoạt động
nên em làm thêm 1 network để ngắt bộ đếm khi ban đêm .

Network 13: Bộ đếm của đèn xanh 1 ( em sử dụng bộ trừ -20 đến 0 )


Network 14 : Bộ đếm của đèn vàng 1 ( có ngắt bộ đếm )

Network 15 : Bộ đếm của đèn đỏ 1

Network 16 : Bộ đếm của xanh 2

Network 17 : Bộ đếm của vàng 2 ( có ngắt bộ đếm )


Network 18: Bộ đếm của đỏ 2


CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ GIAO DIỆN
4.1 Giới thiệu phần mềm Wincc :
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng để giám
sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Nói rỏ hơn, WinCC là chương
trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface)
trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính
là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Với WinCC, người dùng có
thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen
braddly, Omron,.. thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của
PLC.
Với WinCC, ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau cho để giải quyết công
việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mơ nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất
– MES (Manufacturing Excution System). WinCC có thể mơ phỏng bằng hình ảnh các sự
kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện. Để đáp ứng yêu cầu công
nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị,
thơng báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số cơng thức,.. và là một trong
những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay.


4.2 Giao diện đèn giao thông trên Wincc

Nút ON : gán với M5.1 + fuction Setbit
Nút OFF : gán với M5.2 + fuction Setbit
Đèn tín hiệu : gán Q0.6
Đèn đỏ 1 : gán Q0.2
Đèn vàng 1 : gán Q0.1
Đèn xanh 1 : gán Q0.0
Đèn đỏ 2 : gán Q0.5
Đèn vàng 2 : gán Q0.4

Đèn xanh 2 : gán Q0.3
2 Bộ đếm : gán vào TIMER 1 TIMER 2


CHƯƠNG V : MƠ PHỎNG KIẾM CHỨNG
5.1 Mơ phỏng trên WinCC
* Chế độ ban ngày
Nhấn nút ON chu kỳ ban ngày hoạt động

Khi hệ thống ở chế độ bạn đêm ( từ 23h tối đến 5h sáng ) là lúc đó đèn tồn vàng và nhờ
vào Network 12 thì bộ đếm đèn vàng đã hoàn toàn ngắt


file
/>