Nguồn pin có thể được sử dụng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các dữ liệu có trong bộ nhớ.. 5./ Cấu trúc vùng nhớ: Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì
YÊU CẦU ĐỀ TÀI
Thiết kế và thi công mô hình chiết nước giải khát tự động được điều khiển bằng
PLC Siemens S7-200 với các yêu cầu cụ thể như sau:
Thiết kế và thi công mô hình
Lập trình cảnh báo sự cố
SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN VÀ HƯỚNG THỰC HIỆN MÔ HÌNH
1./Sơ lược về nguyên tắc điều khiển mô hình chiết nước giải khát tự động:
- Cấp nguồn cho PLC và hệ thống hoạt động
- Nhấn Start: hệ thống bắt đầu hoạt động Khi có đủ số lượng chai qui định nằm sát nhau, thì Hai Bơm hoạt động (chiết nước vào chai)
Sau khi quá trình bơm ngừng, các chai đã được chiết nước tiếp tục di chuyển về phía khu đóng nắp Khu đóng nắp được thiết kế sao cho chai di chuyển ngang qua và nắp được đặt lên trên miệng chai một cách tự động.
- Khi đã có nắp ở trên, chai chạy tiếp về phía Đóng nắp Cảm biến ở vị trí đóng nắp phát hiện có vật thì Van đóng nắp sẽ hoạt động
- Các chai đã hoàn thành được để vào Khay chứa chai bởi cơ cấu cản
- Qui trình tiếp tục thực hiện cho đến khi nhấn Pause hoặc Stopp.
GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH…
CẢM BIẾN QUANG
- Ta sử dụng 3 cảm biến quang tại các vị trí:
* Bơm: phát hiện chai trước khi bơm
* Đóng nắp: phát hiện có chai sẽ đóng nắp
* Khay: đếm số lượng chai đã hoàn thành
Gồm 2 dây nguồn và 1 dây tín hiệu Điện áp ngõ vào: 12-24VDC Điện áp ngõ ra: 12VDC hoặc 0VDC (tùy ta chọn Light hay Dark) Dòng định mức: 20mA
Khoảng cách tầm nhìn: 20cm
ĐỘNG CƠ
Mô hình sử dụng các động cơ:
Hai động cơ được sử dụng để bơm nước vào chai thông qua vòi bơm
Hai động cơ có thông số như sau:
Max Capacity: 14 l/m Max Head : 2.6 m Volt : 24 VDC Amps : 0.49A Output : 5W
Trong mô hình ta sử dụng 4 động cơ 24VDC
1 động cơ điều khiển cơ cấu cản chai tại vị trí bơm
1 động cơ điều khiển sử dụng để đóng nắp
1 động cơ được dùng để gạt các chai đã hoàn thành vào Khay
GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ TẬP LỆNH
PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, còn được gọi là bộ điều khiển lập trình, là một thiết bị thuộc họ máy tính được thiết kế để kiểm soát và tự động hóa các quy trình trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại Với khả năng lập trình linh hoạt, PLC cho phép điều khiển các cảm biến và cơ cấu chấp hành, từ đó tối ưu hóa hiệu suất, độ tin cậy và tính mở rộng của hệ thống tự động hóa trong sản xuất và các ngành công nghiệp khác.
Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron,
Mitsubishi, Hitachi, Festo, Alan Bradley, Schneider,…v.v…
Ngoài ra, PLC đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng mới như cổng mở rộng AI (Analog Input) và DI (Digital Input) Đồng thời, PLC còn bổ sung các thiết bị hiển thị và bộ nhớ Cartridge vào hệ thống, mở rộng khả năng lưu trữ và trình diễn dữ liệu.
Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy
Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp
Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển
PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, dự báo lỗi
Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém
Bộ nguồn cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối vào
CPU: Thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quá trình
Các ngõ vào/ra gồm ngõ vào số và ngõ ra số; ngõ vào được dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào hệ thống (cảm biến, công tắc), còn ngõ ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình vận hành.
Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor) : dùng để nối
CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thông giữa các trạm trong mạng
Các loại module chức năng (FM: Function Module) ví dụ các module điều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ
GIỚI THIỆU S7 – 200 VÀ TẬP LỆNH
S7 – 200 bao gồm cả đơn vị xử lý trung tâm CPU, nguồn và I/O rời rạc trong cùng thiết bị
Ngoài những thành phần kể trên, S7-200 có thể mắc thêm các module mở rộng khác để mở rộng cấu trúc và chức năng điều khiển
Các module mở rộng có thể có:
- Module vào/ra rời rạc (EM 223) hay tương tự (EM235)
- Các module truyền thông và một số module chức năng đặc biệt khác
The EM277 module enables the S7-200 PLC to connect to a Profibus DP network as a slave device The CP243-2 (Communication Processor) module enables the S7-200 to communicate with an AS-I network (Actuator–Sensor Interface).
1./ Mô tả các đèn báo trên S7-200:
- SF (đèn đỏ) : Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc
- RUN (đèn xanh) : Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy
- STOP (đèn vàng) : Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không thực hiện chương trình hiện có
- Ix.x (đèn xanh) : chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng tương ứng mức logic là 1
- Qx.x (đèn xanh) : chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng tương ứng mức logic là 1
2./ Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC:
RUN cho phép PLC thực hiện chương trình được lưu trong bộ nhớ và điều khiển chu trình tự động của hệ thống Với PLC S7-200, PLC sẽ rời chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP khi phát sinh sự cố trong máy hoặc khi chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN Tính năng này giúp đảm bảo an toàn vận hành và cho phép nhận diện, xử lý sự cố nhanh chóng.
RUN Nên quan sát trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo
Chế độ STOP của PLC buộc dừng mọi công việc đang thực thi và chuyển PLC sang trạng thái STOP; ở trạng thái này PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hiện có hoặc nạp chương trình mới.
- TERM: cho phép máy lập trình tự quyết định một trong chế độ làm việc cho
- TERM: cho phép máy lập trình tự quyết định một trong chế độ làm việc cho
Thiết bị nguồn 24VDC dùng để chuyển đổi từ nguồn điện xoay chiều (AC) sang nguồn 1 chiều (DC) 24V cho PLC hoạt động ổn định Ngoài ra, bộ nguồn còn có thể cấp năng lượng cho các cảm biến và phần tử chấp hành được nối với PLC Ngõ ra: 24VDC, 2A và phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa cần cấp nguồn cho PLC và các thiết bị đi kèm.
- Ký hiệu các cực cho nguồn 24V:
Pin và nguồn nuôi bộ nhớ là hai thành phần quan trọng giúp ghi và nạp chương trình mới, đồng thời mở rộng thời gian lưu giữ dữ liệu trong bộ nhớ Nguồn nuôi bộ nhớ cho phép quá trình ghi chương trình và nạp chương trình mới diễn ra liên tục, trong khi nguồn pin có thể kéo dài thời gian lưu giữ dữ liệu có trong bộ nhớ ngay cả khi nguồn cấp chính bị gián đoạn Khi dung lượng tụ lưu cạn kiệt, nguồn pin được tự động chuyển sang trạng thái tích cực để dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất đi.
Máy S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS-485 với phích nối 9 chân để ghép nối dễ dàng với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Cổng RS-485 đảm bảo giao tiếp nối tiếp ổn định và thuận tiện cho quá trình cấu hình, lập trình và trao đổi dữ liệu giữa S7-200 và các thiết bị PLC trong mạng công nghiệp Nhờ phích nối 9 chân, việc kết nối trở nên nhanh chóng và bền chặt, phù hợp cho triển khai hệ thống PLC mở rộng.
Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud
- Ghép S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485
Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn
Bộ nhớ của S7-200 có tính linh động cao, cho phép đọc và ghi trên toàn vùng nhớ; riêng các bit nhớ đặc biệt được ký hiệu SM (Special Memory) chỉ có thể được đọc và không thể ghi.
- Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình
- Vùng tham số: là miền lưu giữa các tham số như từ khoá, địa chỉ trạm
Vùng dữ liệu là khu vực lưu trữ quan trọng trong chương trình, được dùng để cất giữ dữ liệu của quá trình xử lý, bao gồm kết quả của các phép tính, các hằng số được định nghĩa trong mã nguồn và các bộ đệm truyền thông Việc sắp xếp và quản lý vùng dữ liệu giúp truy cập nhanh các giá trị tính toán và thông tin cần thiết, tối ưu hóa hiệu suất xử lý và đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu trong suốt quá trình chạy chương trình.
- Vùng đối tượng: timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng
Vùng dữ liệu là miền nhớ động có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hoặc từng từ kép (double word) và được sử dụng làm nơi lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, việc lập bảng, các hàm dịch chuyển và xoay vòng thanh ghi, cũng như cho con trỏ địa chỉ.
Vùng dữ liệu được chia thành các miền nhớ nhỏ, mỗi miền đảm nhiệm một công dụng riêng biệt trong hệ thống Các miền này được ký hiệu bằng chữ cái đầu của tên tiếng Anh để thể hiện chức năng đặc trưng của từng khu vực Việc phân chia và ký hiệu như vậy giúp tối ưu hóa quản lý và truy cập dữ liệu cũng như nâng cao hiệu suất hệ thống nhớ.
- Vùng dữ liệu có các vùng nhớ sau: o I : Input : Ngõ vào rời rạc o Q : Output : Ngõ ra rời rạc o M : Internal Memory : Vùng nhớ nội o SM: Special Memory : Vùng nhớ đặc biệt o V : Variable Memory : Vùng nhớ biến
- Vùng đối tượng được sử dụng để lưu trữ dữ liệu 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, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự, và các thanh ghi
- Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó
In the S7-200 CPU226 PLC, the object memory is divided into several regions: C – Counter and Counter Bits, the memory area for counter operations; T – Timer Currents and Timer Bits, the memory area for timers; HC – High-Speed Counter, the area for fast counting; AI – Analog Input, the area for analog input signals; AQ – Analog Output, the area for analog output signals; AC – Accumulator, the register area; and L – Local Variable Memory, the area for local variables For the CPU226 model, the sizes of these memory regions are defined.
C 0 – C 255 LB0 – LB63 AIW0 – AIW62 AQW0 – AQW62
6./ Truy cập vào vùng nhớ
PLC S7-200 truy cập đến các vùng nhớ trên với các loại dữ liệu sau:
- BOOL là biến logic truy cập đến từng bit Có giá trị là 0, 1
- BYTE là biến truy cập đến từng byte có 8 bit Giá trị của Unsigned Byte là từ
0->255 Giá trị của Signed Byte là từ –128 đến 127
- WORD (Integer) là truy cập đến từng word (2 byte, 16 bit) Giá trị của
Unsigned Integer (WORD) là từ 0 đến 65535 Giá trị của Signed Integer (INT) là từ -32768 đến 32767
- DWORD truy cập đến từng 2 word (32 bit) của vùng nhớ Giá trị của Unsigned
Double Integer (DWORD) là từ 0-4294967295 Giá trị của Signed Double Word
- REAL truy cập đến ô nhớ với dạng số thực Số thực được chứa trong vùng nhớ
32bit có giá trị từ +1.175495e-38 – 3.402823e+38, -1.175495e-38 – (-
Ngoài ra S7-200 còn có một số vùng nhớ dữ liệu đặc biệt như sau:
6.1/ Truy cập địa chỉ trực tiếp:
- Truy cập đến địa chỉ bit: Tên miền (+) địa chỉ byte (+) (+) địa chỉ bit
Ví dụ:I4.3 chỉ tới bit thứ 3 của byte thứ 4 trong vùng nhớ đệm ngõ vào I
- Truy nhập theo byte: tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền
Ví dụ: VB150 chỉ byte 150 thuộc miền V
- Truy cập theo từ: tên miền (+) W (+) địa chỉ của byte cao trong miền
Ví dụ: VW 150 chỉ từ đơn gồm 2 byte là VB150 và VB151 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte cao trong từ
- Truy nhập theo từ kép (double word): tên miền (+) D (+) địa chỉ của byte cao trong miền
VD 150 mô tả một từ kép gồm 4 byte là VB150, VB151, VB152 và VB153 thuộc miền V Trong cấu trúc này, VB150 là byte cao của word cao trong từ kép, VB151 là byte thấp của word cao, VB152 là byte cao của word thấp và VB153 là byte thấp của word thấp trong từ kép.
Địa chỉ của ngõ vào tương tự (Analog Input) trên S7-200 cho biết nơi lưu trữ dữ liệu tín hiệu từ cảm biến analog sau khi được chuyển đổi sang giá trị số 16 bit Quá trình chuyển đổi từ tín hiệu analog sang số cho phép dữ liệu được đọc và xử lý dễ dàng trong PLC, đồng thời nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống Dữ liệu 16 bit từ ngõ vào analog được truy cập thông qua một mã địa chỉ vùng nhớ tương ứng, giúp đọc giá trị cảm biến một cách nhất quán và hiệu quả Việc nắm rõ địa chỉ và phạm vi lưu trữ của ngõ vào analog trên S7-200 góp phần tối ưu hóa truyền thông, điều khiển và tích hợp cảm biến vào hệ thống tự động.
TỔNG QUAN MÔ HÌNH
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Các từ viết tắt trong chương trình:
BƠM_1, BƠM_2: hai động cơ bơm
CẢN_1: cản tại vị trí bơm ĐÓNG_NẮP: khâu đóng nắp
CẢN_2: cản tại vị trí đóng nắp
CB_BƠM: cảm biến phát hiện chai tại vị trí bơm
CB_NẮP: cảm biến phát hiện chai tại vị trí đóng nắp
SẢN_PHẨM: cảm biến đếm số lượng chai đã hoàn thành
Cấp nguồn cho hệ thống và CPU226
Trạng thái ban đầu của các cơ cấu trong mô hình trước khi nhấn START:
- HAI BƠM: chưa hoạt động
Trong hệ thống điều khiển, Cản_1 ở trạng thái thuận (cản chai lại) và khi quá trình bơm chai kết thúc thì Cản_1 chuyển sang trạng thái nghịch để hai chai tiếp theo được bơm đi tiếp và đồng thời ngăn các chai phía sau đi vào khu vực bơm.
- KHÂU BỎ NẮP: đã có nắp để sẵn phía trên, khi chai đi ngang qua, nắp sẽ được bỏ lên trên chai
- ĐÓNG_NẮP: ở trạng thái lên (khi có chai sẽ hạ xuống đóng nắp)
- CẢN_2: ở trạng thái mở ( cho chai vào vị trí đóng nắp), khi chai đã được đóng nắp thì Cản_2 sẽ gạt chai đã hoàn thành vào Khay
Nhấn START: thì BTR bắt đầu hoạt động
Sau khi BTR hoạt động được một thời gian thì CB_BƠM đếm được 2 chai, lúc đó BTR tạm dừng để BƠM_1 và BƠM_2 hoạt động
Khi 2 bơm ngừng thì CẢN_1 chuyển sang trạng thái nghịch, cho 2 chai đã được bơm đi tiếp về phía trước, đồng thời cản các chai chưa được bơm lại Sau khi 2 chai đã được bơm chạy qua thì Cản_1 chuyển lại trạng thái thuận, cho các chai tiến về vị trí bơm
Và khi CB_BƠM đếm được 2 chai thì quy trình lại hoạt động như trên
Hai chai được bơm đẩy tiếp về phía trước và gặp khâu bỏ nắp Khâu bỏ nắp được thiết kế sao cho khi chai đi ngang qua, nắp tự động được đặt lên cổ chai, đảm bảo quá trình đóng nắp diễn ra nhanh và chính xác.
Khi chai đã có nắp phía trên, máy tiếp tục chạy về phía trước Cảm biến CB_NẮP phát hiện sự có mặt của chai và ĐÓNG_NẮP sẽ được kích hoạt để dập nắp xuống sát chai.
Khi khâu đóng nắp hoạt động xong thì CẢN_2 gạt chai đã hoàn thành vào Khay
Quy trình tiếp tục hoạt động như trên
SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN
Vì hạn chế thời gian của luận án tốt nghiệp, quá trình nghiên cứu và thi công mô hình chỉ có thể dừng ở mức hiện tại Do đó, vẫn còn một số điểm yếu chưa được cải tiến và cần tiếp tục phát triển thêm trong các nghiên cứu sau Những giới hạn này cho thấy tiềm năng tối ưu hóa thêm về hiệu suất, độ chính xác và tính khả thi của mô hình khi có điều kiện tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm trong tương lai.
Chiết chai bằng cách sử dụng Timer và động cơ bơm có nhược điểm lớn nhất là không đảm bảo lượng nước chiết ra mỗi chai chính xác Lượng nước được bơm ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng bơm không đồng đều giữa các chu kỳ, thời gian đóng mở van và chu trình bơm không chuẩn, áp suất, nhiệt độ và độ nhớt của sản phẩm, cũng như sự mòn của động cơ theo thời gian Vì vậy, mỗi chai có thể nhận được thể tích nước khác nhau, dẫn đến sai số và thiếu đồng nhất trong quá trình chiết chai.
Trong điều kiện thực tế, em sẽ chọn giải pháp sử dụng Valve Solenoid kết hợp với cảm biến mức đo áp suất bình chiết hoặc cảm biến lưu lượng để đo tốc độ dòng chảy, nhằm điều khiển van tự động và tối ưu hóa quá trình chiết Sự kết hợp này cho phép theo dõi các thông số quan trọng và điều chỉnh lưu lượng chiết một cách chính xác, giảm thiểu sai lệch và nâng cao chất lượng sản phẩm Hệ thống tích hợp như vậy dễ dàng mở rộng và tối ưu hóa cho các dòng sản phẩm khác nhau, đồng thời mang lại sự ổn định và thuận tiện cho vận hành và bảo trì.
Áp dụng PID và biến tần để điều khiển máy bơm nước nhằm duy trì áp lực trong bình chiết ở mức cố định, từ đó Valve Solenoid đóng mở theo thời gian cố định và lượng nước chiết ra mỗi chai đạt độ chính xác cao Việc kiểm soát áp lực ổn định giúp giảm biến động lưu lượng, tối ưu hóa quy trình chiết và tăng hiệu quả sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm.