Đồ án 2 thiết kế hệ thống điều khiển – tự đông lập trình cho hệ thống tay máy sử dụng ngôn ngữ plc thiết kế giao diện điều khiển sử dụng phần mềm wincc

Vì vậy điềukhiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tự động và lao động sản xuất , đời sống sinh hoạt củacon người.. Công

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA: ĐIỆN

ĐỒ ÁN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐÔNG

 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

 Nam Định, ngày tháng năm

LỜI NÓI ĐẦU

  Ngày nay hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với chúng ta

 Nó được ra đời từ rất sớm,nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người Và đặc biệt trong sản xuất , công nghệ tự động rất phát triển và nó

đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà một người bình thường khó có thể làmđược Ngày càng nhiều các thiết bị tiên tiến đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoànhảo, sự chính xác của các hệ thống sản xuất ngày một cao hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất về số lượng, chất lượng,thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội Vì vậy điềukhiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tự động và lao động sản xuất , đời sống sinh hoạt củacon người

 Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tínhnăng ưu việt mà nó có được Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương  pháp cũ , nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lậptrình dựa trên những tập lệnh logic cơ bản Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình củathầy TRẦN NGỌC SƠN  em đã hoàn thành xong đồ án của mình Tuy nhiên dothời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ

án này Vì vậy em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá , góp ý của thầy cô giáo, cùng các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn Qua đồ án này đã giúp em hiểuthêm được rất nhiều kiến thức về bộ môn này cũng như hiểu thêm được kiến thứcchuyên ngành tự động hóa của mình

Mục Lục

Yêu cầu : 4

CHƯƠNG 1: TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BÀI TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP HÀM TÁC ĐỘNG 5

1.1 Xây dựng các hàm điều khiển cho các đối tượng chấp hành theo phương pháp hàm tác động 5

1.2 Xây dựng mạch động lực, mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC 14

CHƯƠNG 2 : LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG TAY MÁY SỬ DỤNG NGÔN NGỮ PLC 17

2.1 Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC 17

2.1.1Cấu hình phần cứng cho PLC trên TIA Portal  17

2.1.2 Chương trình điều khiển 19

2.1.3 Lập trình chương trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ 20

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM WINCC 32

3.1 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát 33

3.1.1 Khởi tạo một hệ thống SCADA với WinCC Advanced  33

3.1.2 Thiết kế giao diện hệ thống SCADA cho bài toán công nghệ 35

3.1.2.1 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát  35

3.1.2.2 Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả chương trình điều khiển và giao diện giám sát điều khiển 38

Tài liệu tham khảo 46

Website tham khảo: 46

 DANH MỤC HÌNH ẢNH 

Hình 1 Sơ đồ công nghệ 5

Hình 2 Sơ đồ mạch động lực 11

Hình 3 Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng role 12

Hình 4 Sơ đồ mạch động lực 15

Hình 5 Mạch điều khiển sử dụng PLC kết nối thiết bị ngoại vi 16

Hình 6 Mở TIA Portal vào tạo projects 18

Hình 7 Chọn PLC trên phần mềm TIA 19

Hình 8 Chọn PLC trên phần mềm TIA 19

Hình 9 Khai báo các biến tín hiệu ngõ vào vật lý 20

Hình 10 Khai báo các biến tín hiệu ngõ ra vật lý 20

Hình 11 Khai báo các biến nhớ nội M trong PLC phục vụ chương trình điều khiển 21

Hình 12 Tạo chương trình con Auto 22

Hình 13 Tạo chương trình con Manual 25

Hình 14 Tạo chương trình con Simulation 27

Hình 15 Tạo chương trình con Ouput 30

Hình 16 Chương trình chính 32

Hình 17 Chọn version của WinCC RT Advanced 34

Hình 18 Chọn card máy tính truyền thông giao tiếp với PLC 35

Hình 19 Kết nối truyền thông giao tiếp giữa WinCC RT Advance với PLC 35

Hình 20 Bảng điều khiển 37

Hình 21 Giao diện hệ thống điều khiển và giám sát 38

Hình 22 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi xuống ( chế độ Auto ) 42

Hình 23 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi lên ( chế độ Auto ) 43

Hình 24 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi sang phải ( chế độ Auto ) 43

Hình 25 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi xuống lần hai ( chế độ Auto ) 43

Hình 26 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi lên lần hai ( chế độ Auto ) 44

Hình 27 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi sang trái( chế độ Auto ) 44

Hình 28 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi xuống ( chế độ Manu ) 45

Hình 29 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi lên ( chế độ Manu ) 45

Hình 30 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi sang phải ( chế độ Manu ) 46

Hình 31 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi xuống lần 2( chế độ Manu ) 46

Hình 32 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi lên lần 2( chế độ Manu ) 47

Hình 33 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái đi sang trái( chế độ Manu ) 47

Đề số 2: Cho hệ thống tay máy công nghiệp sau:

Tay máy có nhiệm vụ vận chuyển các chi tiết cần gia công từ vị trí A sang vị trí

B

Yêu cầu :

1 Hãy tổng hợp mạch điều khiển cho công nghệ trên theo phương phápHàm tác động

2 Lập trình cho hệ thống tay máy sử dụng ngôn ngữ PLC

3 Thiết kế giao diện điều khiển sử dụng phần mềm WinCC

dẫn

CHƯƠNG 1: TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BÀI TOÁN

và sang phảiCông tắc hành trình B Tín hiệu báo đi lên lần thứ nhất

Công tắc hành trình C Tín hiệu báo đi xuống lần thứ hai

và sang tráiCông tắc hành trình D Tín hiệu báo đi lên lần thứ hai

 b) Tín hiệu raTín hiệu raTín hiệu X Điều khiển động cơ một quay theo

chiều đi xuống ( quay thuận )Tín hiệu L Điều khiển động cơ một quay theo

chiều đi lên ( quay nghịch )Tín hiệu P Điều khiển động cơ hai quay theo

chiều sang phải ( quay thuận )Tín hiệu T Điều khiển động cơ hai quay theo

chiều sang trái ( quay nghịch ) Bước 2: Xác định chu kỳ hoạt động của các phần tử 

F= +(A–L) +X +(B –X) + L +(A –L) +P +(C –P)+X +(D –X) +L +(C –L) +T +(A –T)…

 Bước 3: Xác định hàm điều khiển của các phần tử

Hàm điều khiển của các phần tử sẽ được tính theo công thức sau :

a) Phần từ X

Theo sơ đồ công nghệ ta thấy phần tử X sẽ có 2chu kỳ hoạt động :

 Vậy hàm tác động tổng của phần tử L là :

f  (  P )= f  1  (  P )=  A L C 

d) Phần tử T  Theo sơ đồ công nghệ ta thấy phần tử T có 1 chu kỳ hoạt động:

 a) Phần tử X

  Kiểm tra hàm đóng : Do A , C là tín hiệu tạo xung nên hàm đóng đổi giá trị trong giai đoạn đóng Sau khi thiết bị dời khỏi vị trí A, C thìA,C=0 dẫn đến hàm đóng = 0 Vì thế ta phải sử dụng biến trung gian , trong trườnghợp này ta hiệu chỉnh bằng cách tự duy trì đầu ra cho X

Kiểm tra hàm cắt : Hàm không đổi giá trị trong giai đoạn đóngcủa chúng nên hàm cắt thỏa mãn yêu cầu

Vậy hàm điều khiển của X sau khi hiệu chỉnh là :

f '  (  X  )=(  A +  X  ) L B +( C  +  X  ) P D

Rút gọn ta được :

f '  (  X  )=(  A + C  +  X  ) ¿

 b) Phân tử L

Kiểm tra hàm đóng : Do B, D là tín hiệu tạo xung nên hàm đóngđổi giá trị trong giai đoạn đóng Sau khi thiết bị dời khỏi vị trí B, D thì B,D=0 dẫnđến hàm đóng = 0 Vì thế ta phải sử dụng biến trung gian , trong trường hợp này tahiệu chỉnh bằng cách tự duy trì đầu ra cho L

Kiểm tra hàm cắt : Hàm không đổi giá trị trong giai đoạn đóng củachúng nên hàm cắt thỏa mãn yêu cầu

Vậy hàm điều khiển của L sau khi hiệu chỉnh là :

Kiểm tra hàm cắt : Hàm không đổi giá trị trong giai đoạn đóng củachúng nên hàm cắt thỏa mãn yêu cầu

  Vậy hàm điều khiển của P sau khi hiệu chỉnh là :

  f '  (  P )=(  A +  P ) L C  

d) Phần tử T

Kiểm tra hàm đóng : Do C là tín hiệu tạo xung nên hàm đóng đổigiá trị trong giai đoạn đóng Sau khi thiết bị dời khỏi vị trí C thì C = 0 dẫn đến hàmđóng = 0 Vì thế ta phải sử dụng biến trung gian , trong trường hợp này ta hiệuchỉnh bằng cách tự duy trì đầu ra cho T

Kiểm tra hàm cắt : Hàm không đổi giá trị trong giai đoạn đóng củachúng nên hàm cắt thỏa mãn yêu cầu

Vậy hàm điều khiển của T sau khi hiệu chỉnh là :

  f '  ( T  )=( C  + T  ) L A

Từ đó, ta thu được các hàm điều khiển là :

  f '  (  X  )=(  A + C  +  X  ) ¿

  f '  (  L )=( B +  D +  L ) X A C  

  f '  (  P )=(  A +  P ) L C  

  f '  ( T  )=( C  + T  ) L A

 Xác định biến trung gian

 Tại vị trí A có khả năng xảy ra 2 trường hợp :

  Vậy hàm tác động của biến trung gian M1 được xác định như sau :

sử khi gặp C lần thứ nhất thì M2 chưa xuất hiện, khi gặp C lần thứ hai thì M2 đã

xuất hiện, có nghĩa là M2 xuất hiện khi bắt đầu gặp D (sau khi gặp C lần thứ nhất)

 Hình 2 Sơ đồ mạch động lựcCác thiết bị sử dụng trong mạch động lực:

 ATM: Aptomat

 F1, F2: cầu chì

 L, X, T, P: Các tiếp điểm động lực của contactor 

 RLN1, RLN2: Role nhiệt

 M3, M4: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

 Mạch điều khiển sử dụng role

 Hình 3 Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng role

Thuyết minh mạch điều khiển:

 Khi nhấn nút khởi động M , cuộn hút role trung gian ( M0 ) có điện đóngtiếp điểm M0 duy trì cấp nguồn cho mạch điều khiển

 Lúc này nếu hệ thống đang ở trạng thái lý tưởng ( sẵn sàng chờ hoạt động )thì CTHT A được tác động => cuộn hút role X có điện đóng tiếp điểm X củamạch động lực cấp nguồn cho động cơ 1 quay theo chiều đi xuống Khi hệthống đang ở trạng thái đi xuống lần thứ nhất , tác động vào CTHT B ngắtđiện cho cuộn hút X tay gắp kẹp sản phẩm, sau 3s => cuộn hút role L cóđiện => động cơ 1 đảo chiều, quay theo chiều đi lên Đồng thời cuộn hút roleM1 có điện đóng tiếp điểm M1 và khi hệ thống đang ở trạng thái đi lên lầnthứ nhất, tác động vào CTHT A lần thứ 2 thì cuộn hút P có điện => động cơ 

2 hoạt động quay theo chiều sang phải và động cơ 1 dừng hoạt động Khi hệthống ở trạng thái sang phải , tác động vào CTHT C => cuộn hút X có điện,ngắt cuộn hút M1 => động cơ 1 hoạt động quay theo chiều đi xuống Hệthống đi xuống lần thứ 2 => tác động vào CTHT D, ngắt điện cho cuộn hút

X, tay kẹp sản phẩm nhả, sau 3s => cuộn hút role L có điện => động cơ 1đảo chiều, quay theo chiều đi lên Đồng thời cuộn hút role M2 có điện đóngtiếp điểm M2 và khi hệ thống đang ở trạng thái đi lên lần thứ 2 , tác độngvào CTHT C lần thứ 2 thì cuộn hút T có điện => động cơ 2 hoạt động quaytheo chiều sang trái và động cơ 1 dừng hoạt động.Khi hệ thống ở trạng tháisang trái , tác động vào CTHT A thì hệ thống sẽ chyển trạng thái đi xuống

và lặp lại chu kỳ hoạt động

 Chu kỳ trên được lặp đi lặp lại khi ta ấn nút Stop => cuộn hút M0 mất điện

=> tiếp điểm M0 mở ra => ngắt nguồn khỏi mạch điều khiển

Khi động cơ gặp phải sự cố quá tải => role nhiệt ở mạch động lực tác động

mở tiếp điểm role nhiệt ở mạch điều khiển ( RLN1, RLN2 ) => ngắt nguồnkhỏi mạch điều khiển => động cơ dừng hoạt động

1.2 Xây dựng mạch động lực, mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiểnlập trình PLC

 M1, M2: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC

 Hình 5 Mạch điều khiển sử dụng PLC kết nối thiết bị ngoại viCác thiết bị sử dụng trong mạch động lực

Tên thiếtbị

Hìnhảnhthực tế

Sốlượng Hình ảnh minh họa trên

phần mềm

Động cơ KĐB 3 pha

Hình ảnhthực tế

Sốlượng Hình ảnh minhhọaPLC S7 1200

CPU 1214CAC/DC/Rly

1

SIEMENS SIMATIC S7-1200

 Nguồn xoaychiều 1 pha

Cuộn hútcontactor 

2.1.1Cấu hình phần cứng cho PLC trên TIA Portal 

Sau khi đã chọn được PLC phù hợp ta tiến hành viết chương trình điều khiểncho sơ đồ công nghệ đề ra

Đầu tiên, để tạo một dự án làm việc mới ta vào Creat new projects

 Hình 6 Mở TIA Portal vào tạo projects

  Bước tiếp theo ta đi cấu hình thiết bị trên phần mềm ở mục Configure adevice -> Add new device -> Controllers -> SIMATIC S7-1200 Sau đó chọn đến

CPU mà ta đã chọn như ở trên : CPU : 1214C DC/DC/RLY 0XB0

6ES7214-1AG40- Hình 7 Chọn PLC trên phần mềm TIACấu hình địa chỉ IP và các ngõ vào ra cho PLC :

 Hình 8 Chọn PLC trên phần mềm TIA2.1.2 Chương trình điều khiển

 Khai báo biến cho bài toán

Khai báo tín hiệu ngõ vào vật lý :

 Hình 9 Khai báo các biến tín hiệu ngõ vào vật lýKhai báo ngõ ra vật lý

 Hình 10 Khai báo các biến tín hiệu ngõ ra vật lý  Khai báo các biến M để phục vụ cho việc lập trình cũng như điều khiển giám sáttrên HMI

 Hình 11 Khai báo các biến nhớ nội M trong PLC phục vụ chương trình điều khiển

2.1.3 Lập trình chương trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ

Đối với một chương trình điều khiển cho một hệ thống ta cần quan tâm đếncác chế độ làm việc của hệ thống:

 Chế độ tự động (Auto): Hệ thống làm việc một cách tự động

 Chế độ vận hành bằng tay, hay nói cách khác là vận hành thủ công (Manual): Hệ thống làm việc một cách thụ động, dưới sự tác động của người vậnhành Chế độ này phục vụ cho việc sửa chữa

 Mô phỏng (Simulation): Phục vụ cho việc mô phỏng khi không có thiết bịthực (có thể có hoặc không)

Do đó, ở đây ta cần tạo các chương trình con để dễ dàng quản lý chương trìnhđiều khiển bằng cách vào mục Program Block  -> Add new block

Chương trình điều khiển hệ thống :

Chế độ độ tự động (Auto)

 Tạo chương trình con Auto : Chương trình con điều khiển hệ thống làmviệc ở chế độ tự động

 Hình 12 Tạo chương trình con Auto

 Lập trình cho hệ thống hoạt động ở chế độ Auto :

Chế độ vận hành bằng tay ( Manual ) :

 Tạo chương trình con Manual: Chương trình điều khiển hệ thống làmviệc ở chế độ bằng tay

 Hình 13 Tạo chương trình con Manual 

 Lập trình cho hệ thống hoạt động ở chế độ Manual :

Chế độ mô phỏng (Simulation)

 Tạo chương trình con Simulation : Mô phỏng quá trình làm việc của

hệ thống