TỔNG QUAN
Lời giới thiệu
Ngành kỹ thuật lạnh hiện nay đang phát triển mạnh mẽ và trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế biến và bảo quản thực phẩm, hóa chất, sản xuất rượu bia, tự động hóa, dầu mỏ, xây dựng, chế tạo vật liệu, thiết kế máy móc, y học và thể thao, kỹ thuật lạnh đã có lịch sử hàng trăm năm và tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng của mình.
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại đã thúc đẩy sự kết hợp giữa các ngành nghề, trong đó kỹ thuật lạnh và tự động hóa thiết bị là một ví dụ điển hình Các thiết bị tự động hóa ngày càng hoàn thiện, giúp thay thế nhanh chóng việc vận hành bằng tay Hệ thống lạnh nhỏ và trung thường được tự động hóa hoàn toàn, hoạt động liên tục mà không cần sự can thiệp của con người Đối với các hệ thống lớn, có trung tâm điều khiển tự động để điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ Nhờ đó, hệ thống lạnh vận hành an toàn, tiết kiệm và hiệu quả tối ưu mà không cần sự tham gia thường xuyên của con người.
Từ nhu cầu thực tiễn, bên cạnh sự mong muốn học hỏi và tìm hiểu về PLC, ở phần
Nhóm chúng tôi thực hiện đề tài “Điều khiển, giám sát hệ thống trữ đông bằng máy tính sử dụng PLC S7-1200” nhằm nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp Đây là một chủ đề thú vị và quan trọng, đặc biệt trong việc áp dụng PLC vào tự động hóa các hệ thống lạnh.
Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu PLC S7-1200 và phần mềm Tia Portal V15 ứng dụng vào hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt - Điện Lạnh
- Thiết kế chương trình điều khiển, chế tạo tủ điện điều khiển hệ thống trữ đông
• Yêu cầu thiết kế hệ thống trữ đông:
- Có bảo vệ pha, bảo vệ quá tải, có đèn báo (trên tủ điện và màn hình điều khiển)
- Chỉ chạy auto (điều khiển trực tiếp trên tủ điện hoặc máy tính)
- Van điện từ hoạt động cùng lúc máy nén, điều khiển bằng relay trung gian
Bảo vệ máy nén với áp suất cao và áp suất thấp là rất quan trọng, vì tất cả các sự cố sẽ được báo về cụm sự cố Hệ thống có chức năng reset và đèn báo riêng cho từng loại sự cố, giúp người dùng dễ dàng nhận biết và xử lý kịp thời.
- Máy nén, quạt dàn ngưng, quạt dàn lạnh chạy trực tiếp
- Xả băng dàn lạnh bằng nước (Sử dụng bơm xả băng)
- Các thông số vận hành (áp suất thấp, áp suất cao, nhiệt độ kho lạnh) hiển thị trực tiếp trên màn hình máy tính
- Dùng tín hiệu áp suất để giảm tải cho máy nén Piston.
Mục tiêu nghiên cứu
- Nắm vững các vấn đề của PLC S7-1200: chương trình điều khiển, các tập lệnh, cấu hình phần cứng,
- Tủ điện có thể điều khiển được hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt - Điện Lạnh
- Hiểu rõ nguyên lý làm việc, vận hành hệ thống và các thiết bị trong hệ thống trữ đông.
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào PLC S7-1200, hệ thống trữ đông và phần mềm Tia Portal V15, cùng với các cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất Bài viết cũng đề cập đến phương pháp truyền dữ liệu và chương trình điều khiển cho hệ thống lạnh.
Nội dung nghiên cứu
Tiến hành thực hiện đề tài và nghiên cứu các nội dung cụ thể sau đây:
- Tìm hiểu tổng quan về PLC Siemen
- Giới thiệu về PLC SIMATIC S7-1200
- Giới thiệu và làm việc với phần mềm Tia Portal V15
- Tìm hiểu nguyên lý làm việc, vận hành hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt - Điện Lạnh
- Thiết kế chương trình ứng dụng điều khiển hệ thống lạnh trữ đông
- Mô phỏng hoạt động hệ thống trữ đông trên WinCC
- Thiết kế, chế tạo tủ điện điều khiển hệ thống trữ đông
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PLC
Lịch sử hình thành và phát triển PLC
Vào năm 1968, các kỹ sư của Công ty General Motors đã phát triển bộ điều khiển lập trình đầu tiên với các tiêu chí như dễ lập trình, dễ thay đổi chương trình, dễ bảo trì và sửa chữa, cùng với cấu trúc module mở rộng và độ tin cậy cao trong môi trường sản xuất Tuy nhiên, sản phẩm này vẫn gặp khó khăn trong việc sử dụng do thiết kế còn cồng kềnh.
Vào những năm 1970, công nghệ phần mềm phát triển mạnh mẽ với sự bổ sung các lệnh định thì, xử lý toán học, đếm sự kiện và xử lý dữ liệu cho bộ lập trình điều khiển PLC, nâng cao khả năng từ những lệnh Logic đơn giản Đến thập niên 80, General Motors đã nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp tự động hoá, cho ra đời PLC kích thước nhỏ gọn, cho phép lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân, thay vì sử dụng thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc lập trình thủ công.
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của vi mạch điện tử và công nghệ thông tin, PLC đã được cải tiến với nhiều chức năng nâng cao như truyền thông, kết nối internet, webserver, PID và điều khiển servo Bên cạnh đó, thiết kế của PLC cũng ngày càng nhỏ gọn và tiện lợi hơn.
Với các nâng cấp như mở rộng bộ nhớ lưu trữ và tăng tốc độ xử lý chương trình, cấu hình phần cứng của PLC đã được cải thiện đáng kể Bên cạnh đó, nhiều module với chức năng cao cấp cũng được phát triển, giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc lập trình nhờ sự tiến bộ của kỹ thuật phần mềm.
Khái niệm tổng quát về PLC
PLC, hay Bộ điều khiển logic lập trình được, là thiết bị cho phép lập trình các thuật toán điều khiển logic Nó nhận các tín hiệu từ ngõ vào và thực hiện các hoạt động qua ngõ ra PLC hoạt động bằng cách quét các trạng thái của ngõ vào và ngõ ra; khi có sự thay đổi từ ngõ vào, ngõ ra sẽ được điều chỉnh tương ứng theo logic của chương trình đã lập trình.
Ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến hiện nay bao gồm Ladder và Step Ladder, tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình riêng biệt Một số hãng sản xuất PLC nổi tiếng hiện nay là Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT và Delta.
Cấu tạo và phân loại PLC
Hệ thống PLC có các bộ phận chính sau:
- Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM
- Bộ xử lý trung tâm CPU
- Module input/output Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu mở rộng I/O có thể lắp module I/O
Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:
- Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình
Cổng truyền thông trong PLC thường bao gồm Modbus RTU, và tùy thuộc vào hãng cũng như dòng sản phẩm, PLC có thể hỗ trợ thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen và EtherCAT.
Ưu điểm và nhược điểm của PLC
- Thay đổi chương trình theo ý muốn một cách dễ dàng
- Thực hiện được các thức toán khó và chính xác
- Tối ưu mạch điện và bảo quản, sửa chữa dễ dàng
- Cấu trúc PLC dạng module, thay thế dễ dàng ,đầu vào/ra và chức năng khác được mở rộng
- Chống nhiễu tốt, làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
- Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao hơn so với chi phí mạch relay thông thường
Hiện nay, có hai loại phần mềm lập trình: một loại cho phép người dùng sử dụng miễn phí và một loại yêu cầu mua bản quyền Chi phí để mua phần mềm lập trình sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất.
- Để thiết bị PLC đáp ứng tốt trong điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC
TỔNG QUAN VỀ PLC SIMATIC S7-1200
Giới thiệu
Năm 2009, Siemens đã giới thiệu sản phẩm S7-1200, thay thế cho dòng S7-200 S7-1200 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với phiên bản trước, nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng trong công nghiệp.
S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic lập trình PLC, có khả năng kiểm soát nhiều ứng dụng khác nhau Với thiết kế nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp, S7-1200 tích hợp một tập lệnh mạnh mẽ, trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều dự án tự động hóa.
Cấu trúc phần cứng
PLC S7-1200 có các thành phần cơ bản sau:
- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
- Giảm chi phí sản phẩm, tối ưu việc đấu nối bằng cách làm 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào ra trực tiếp trên CPU
- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)
- Để giao tiếp thông qua kết nối PTP dùng 2 module giao tiếp RS232/RS485
- 4 cổng Ethernet được bổ sung
Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điệp áp 24 VDC
Hình 3.1: Cấu tạo bộ điều khiển Siemens CPU S7-1200
1) Power connector (bộ kết nối nguồn)
2) Memory card slot under top door (khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên)
3) Removable user wirring con-nectors (các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được)
4) Status LEDs for the on-board I/O (các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp)
5) PROFINET connector (bộ phận kết nối PROFINET phía trên của CPU) Để người dùng tạo ra những giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau thì các module CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng về tính năng, dung lượng bộ nhớ và tốc độ xử lý lệnh
PLC S7-1200 có 5 dòng chính là CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C
VÀ CPU 1217C Ứng với các dòng CPU khác nhau thì ta có bộ nhớ làm việc khác nhau tương ứng 50KB, 75KB, 100KB, 125KB, 150KB
Hình 3.2: Đặc tính kỹ thuật của CPU S7-1200 Siemens
Các Module trong PLC S7-1200
Ngoài 3 module giao tiếp nhờ vào các giao tiếp truyền thông thì bộ PLC S7-1200 cung cấp cho người dùng tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và một mạch tín hiệu cho bộ vi xử lý
Hình 3.3: Module mở rộng của PLC S7-1200
3.3.1 Các bảng tín hiệu (Sign board)
Bảng tín hiệu (Sign board) cho phép người dùng mở rộng I/O cho CPU, với tùy chọn lựa chọn giữa kiểu số và kiểu tương tự (Analog) Bảng tín hiệu được kết nối ở phía trước của CPU, mang lại sự linh hoạt trong việc nâng cao khả năng kết nối.
Hình 3.4: Bảng tín hiệu (Sign board)
1) Các LED trạng thái trên SB
2) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Người dùng có thể mở rộng chức năng của CPU bằng cách sử dụng các module tín hiệu, cho phép xử lý tín hiệu từ bên ngoài Các module này được kết nối ở phía bên phải của CPU.
1) Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
2) Bộ phận kết nối đường dẫn
3) Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra
Dòng PLC S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng khác có thể bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông RS232 và RS485
- 1 CPU cóp thể kết nối tối đa 3 module truyền thông
- Mỗi CM có thể kết nói vào phía bên trái của CPU hoặc bên trái của CM khác
1) Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
2) Các cổng kết nối tuyền thông
Các chế độ hoạt động của CPU
Có 3 chế độ hoạt động của CPU: chế độ STOP, chế độ STARTUP, chế độ Run Trên mặt trước của CPU có các LED trạng thái biểu thị chế độ hiện thời của sự vận hành trên CPU
- Ta có thể tải xuống đề án khi CPU không thực thi chương trình nào trong chế độ STOP
Trong chế độ STARTUP, các khối tổ chức (OB) sẽ được thực thi một lần nếu có Lưu ý rằng các sự kiện ngắt sẽ không được xử lý cho đến khi chuyển sang pha khởi động của chế độ RUN.
Trong chế độ RUN, chu kỳ quét được thực hiện lặp lại, cho phép các sự kiện ngắt xảy ra và được xử lý tại bất kỳ thời điểm nào trong pha chu kỳ chương trình Tuy nhiên, trong chế độ này, không thể tải xuống một đề án nào khác.
Analog module của PLC S7-1200
Trong các công trình công nghiệp hiện đại, việc điều khiển tự động hóa thường xuyên tiếp xúc và xử lý tín hiệu analog, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lý tự động Tín hiệu analog từ các cảm biến thường có hai dạng: Điện áp (Voltage) hoặc Dòng điện (Current) Trước đây, việc xử lý chính xác các tín hiệu này rất phức tạp, nhưng hiện nay đã trở nên dễ dàng hơn nhờ vào PLC Siemens S7-1200 và phần mềm lập trình Tia Portal V15.
CPU S7-1200 được trang bị hai đầu vào ra analog, cho phép nhận và xử lý tín hiệu dạng Voltage Để mở rộng khả năng xử lý tín hiệu và thực hiện nhiều chức năng hơn, người dùng có thể lắp thêm module analog.
Với các tín hiệu analog trả về từ các con cảm biến có thể có 2, 3 hoặc 4 dây, ta cần lưu ý việc đấu dây sao cho phù hợp
Hình 3.7: Sơ đồ đấu nối tín hiệu analog.
Lưu trữ dữ liệu các vùng nhớ và ghi lại địa chỉ
CPU cung cấp một số các tùy chọn dành cho việc lưu trữ dữ liệu trong suốt sự thực thi chương trình người dùng:
Bộ nhớ toàn cục (global memory) trong CPU bao gồm nhiều vùng nhớ chuyên dụng, như ngõ vào (I), ngõ ra (Q) và bộ nhớ bit (M) Tất cả các khối mã có thể truy cập vào bộ nhớ này mà không gặp phải bất kỳ hạn chế nào.
Khối dữ liệu (DB) cho phép người dùng lưu trữ thông tin cho các khối mã trong chương trình Dữ liệu này sẽ được giữ nguyên ngay cả khi quá trình thực thi của khối mã liên quan kết thúc.
Bộ nhớ tạm thời (temp memory) là một phần quan trọng trong quá trình thực thi mã, khi hệ điều hành của CPU phân bổ bộ nhớ cục bộ (L) cho một khối mã được gọi Sau khi khối mã hoàn thành việc thực thi, CPU sẽ tái phân bổ bộ nhớ này cho các khối mã khác, đảm bảo hiệu quả trong việc quản lý tài nguyên hệ thống.
Mỗi vị trí bộ nhớ được xác định bằng một địa chỉ duy nhất, cho phép chương trình người dùng truy xuất thông tin từ các vị trí này một cách hiệu quả.
Bảng 3.1: Lưu các địa chỉ truy xuất thông tin trong bộ nhớ
Vùng nhớ Miêu tả Ép buộc Lưu giữ
I (Ngõ vào ảnh tiến trình)
I_:P (Ngõ vào vật lý) Được sao chép từ các ngõ vào vật lý tại điểm bắt đầu của chu trình quét Không Không
Việc đọc ngay lập tức của các điểm ngõ vào trên CPU, SB và SM
Q (Ngõ vào ảnh tiến trình)
Q_:P (Ngõ vào vật lý) Được sao chép đến các ngõ ra vật lý tại điểm bắt đầu của chu trình quét
Việc ghi ngay lập tức đến các điểm ngõ ra vật lý trên CPU, SB và SM
M (Bộ nhớ bit) Bộ nhớ dữ liệu và điều khiển Không Có
Dữ liệu tạm thời cho một khối, một bộ phận của khối đó
DB (Khối dữ liệu) Bộ nhớ dữ liệu và còn là bộ nhớ thông số dành cho các FB
Các ngôn ngữ lập trình
Ngôn ngữ lập trình PLC là phương tiện giúp con người giao tiếp với PLC, cho phép thực hiện các ý tưởng điều khiển hệ thống theo yêu cầu của từng kỹ thuật viên.
Có nhiều ngôn ngữ lập trình PLC như LAD, FBD, ST/STL, SFC, IL, C/C++, nhưng FBD (Function Block Diagram) và LAD (Ladder Diagram) là hai ngôn ngữ phổ biến và dễ tiếp cận nhất Cả hai ngôn ngữ này đều được tích hợp trong phần mềm TIA Portal V15.
PROFINET
Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET là kết nối trực tiếp và kết nối mạng
- Thiết bị lập trình được kết nối đến CPU S7-1200
Hình 3.8: Kết nối trực tiếp thiết bị lập trình đến CPU S7-1200
- HMI được kết nối đến CPU S7-1200
Hình 3.9: Kết nối trực tiếp HMI đến CPU S7-1200
- Một CPU S7-1200 được kết nối đến một CPU S7-1200 khác
Hình 3.10: Kết nối trực tiếp CPU S7-1200 đến CPU S7-1200
- Có nhiều hơn hai thiết bị được kết nối với nhau, bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi mạch Ethernet CSM1277 (1)
Hình 3.11: Kết nối mạng giữa nhiều thiết bị với nhau
Cổng PROFINET trên CPU hỗ trợ các kết nối truyền thông sau:
- Đối với truyền thông HMI đến CPU có 3 kết nối
- Đối với truyền thông thiết bị lập trình đến CPU có 1 kết nối
- Đối với truyền thông chương trình S7-1200 bằng cách sử dụng các khối T có 8 kết nối ( khối T: TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN, TRCV)
- Đối với một CPU S7-1200 thụ động giao tiếp với một CPU S7 tích cực có 3 kết nối
GIỚI THIỆU VÀ LÀM VIỆC VỚI PHẦN MỀM TIA PORTAL V15
Giới thiệu phần mềm Tia Portal V15
Phần mềm STEP 7 đã được phát triển để hỗ trợ lập trình cho dòng Simatic S7-300/400 Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phần mềm này đã được cải tiến và hoàn thiện hơn thông qua Tia Portal, nhằm hỗ trợ tốt hơn cho các dòng sản phẩm mới như S7-300, S7-400, S7-1200 và S7-1500.
TIA Portal, or Totally Integrated Automation Portal, is a comprehensive programming platform that supports a wide range of PLC models It is suitable for various applications, from small to medium-sized projects using S7-1200 and S7-300, to larger projects with higher demands utilizing S7-1500 and S7-400.
Phần mềm Tia Portal V15 nổi bật với khả năng tích hợp hệ thống tự động hóa nhanh chóng, rút ngắn thời gian lập trình và tiết kiệm chi phí nhờ sử dụng một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ Nó cho phép người dùng truy cập và số hóa toàn bộ quy trình tự động hóa, từ lập kế hoạch đến lập trình hệ thống, đồng thời minh bạch thông tin trong sản xuất Với các công cụ mô phỏng có sẵn, Tia Portal giúp giảm thiểu thời gian xây dựng hệ thống dự án Hơn nữa, phần mềm này hỗ trợ làm việc nhóm linh hoạt, cho phép mọi người cùng triển khai dự án từ bất kỳ đâu.
Bên cạnh đó còn có một số tính năng nổi bật khác của Tia Portal như:
Việc chuyển đổi và tái sử dụng các dự án trước đây cùng với thư viện quản lý sẽ giúp tiết kiệm đáng kể thời gian lập trình cho những dự án tương tự trong tương lai.
Hệ thống cung cấp khả năng quản lý thông tin dữ liệu một cách minh bạch và liên tục, giúp người dùng đưa ra quyết định chính xác và nhanh chóng.
Giao tiếp mở giúp kết nối dễ dàng với các hệ thống IT, hỗ trợ tích hợp hiệu quả nhiều phần mềm như PLM (quản lý vòng đời sản phẩm), MES (quản lý sản xuất) và ERP (hoạch định tài nguyên doanh nghiệp).
Tia Portal là nền tảng quan trọng trong việc lập trình và cấu hình tích hợp thiết bị cũng như hệ thống Các kỹ sư hàng đầu của ESTEC đã áp dụng Tia Portal để tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu suất hệ thống.
15 xây dựng nên các giải pháp tự động hóa các hệ thống như lập trình PLC, thiết kế giao diện giám sát SMI, HMI, SCADA
Tia Portal V15 cung cấp cho người dùng khả năng lập trình mạnh mẽ cùng với khả năng kết nối truyền thông và giao tiếp mở Nó đi kèm với một môi trường thân thiện, trực quan, dễ tìm hiểu và dễ sử dụng.
Hình 4.1: Step 7 & Tia Portal phần mềm lập trình PLC
Cấu hình cài đặt Tia Portal V15
Phiên bản Tia Portal V15, ra mắt vào cuối năm 2017 bởi Siemens, là một trong những phiên bản mới nhất hiện nay Phiên bản này hỗ trợ đầy đủ các ngôn ngữ lập trình như LAD, FBD, SCL, STL và GRAPH, mang lại sự linh hoạt cho kỹ sư lập trình trong việc lựa chọn và sử dụng.
Phần mềm Tia Portal V15 yêu cầu cấu hình máy tính mạnh mẽ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Siemens khuyến nghị cấu hình tối thiểu để chạy phần mềm Tia Portal V15 là máy tính có 8GB RAM và chip từ core i5 trở lên Phần mềm này tương thích với hai hệ điều hành là Windows 7 và Windows 10, tuy nhiên, đối với phiên bản Home của Windows 7/10, người dùng chỉ có thể sử dụng một số tính năng hạn chế.
Bản Step7 Basic cho PLC S7-1200 và PLC SIM có 16 phiên bản, với các tính năng bổ sung yêu cầu cài đặt trên Windows Pro trở lên để đầy đủ Từ phiên bản Tia Portal V15 trở đi, Step7 và WinCC được tích hợp thành một bộ duy nhất.
Làm việc với phần mềm Tia Portal V15
4.3.1 Giới thiệu về giao diện Tia Portal V15
Sau khi khởi động phần mềm, người dùng sẽ thấy giao diện làm việc đầu tiên với ba phần chính hiển thị trong khung.
1) Các tác vụ khởi động cơ bản
2) Tạo project mới, mở project có sẵn và cài đặt thiết bị
3) Bản lựa chọn và cấu hình thông tin ban đầu
4) Bật khung hiển thị project
Hình 4.2: Khung hiển thị ban đầu của Tia Portal V15
Khi nhấp chọn mục Project View trên khung số 4 của Portal View sẽ dẫn đến phần hiển thị sâu hơn về thiết bị và lập trình:
2) Thanh cuộn các thẻ Tag, thiết bị và cấu hình tùy chỉnh Project
3) Khu vực làm việc (bàn làm việc chính)
6) Quay lại phần hiển thị ban đầu – Portal View
7) Chuyển đổi tác vụ đang thực hiện
Hình 4.3: Góc nhìn Project View của Tia Portal V15
• Ưu điểm về giao diện:
Giao diện của phần mềm được thiết kế một cách tối ưu và thân thiện với người với những ưu điểm nổi bật như sau:
Người dùng có thể dễ dàng thêm các khối instruction vào đoạn chương trình của mình bằng cách kéo thả biểu tượng của instruction Khi đoạn mạch xuất hiện chấm xanh, điều này cho thấy quá trình thêm instruction đã thành công.
Để thêm các tùy chọn instruction vào chương trình, bạn cần truy cập vào mục thẻ nhiệm vụ, chọn “Basic instruction” và kéo thả các mục hoặc lệnh cần thiết vào vị trí mong muốn.
Người dùng có thể dễ dàng thêm các mục instruction thường dùng vào danh sách Favorites bằng cách kéo thả, giúp thao tác nhanh chóng và thuận tiện hơn.
Hình 4.6: Kéo thả instruction vào Favorites
• Thay đổi các chế độ hoạt động của CPU:
Hiện nay, các loại CPU không có công tắc vật lý để điều khiển việc khởi động hay dừng hoạt động Tuy nhiên, phần mềm Tia Portal đã hỗ trợ người dùng trong việc bật tắt CPU một cách nhanh chóng thông qua các nút “Start CPU” và “Stop CPU” trên thanh công cụ.
Người điều khiển có thể điều chỉnh chế độ hoạt động của CPU thông qua bảng điều khiển CPU, tuy nhiên cần phải kết nối online thành công với CPU để thực hiện điều này Việc điều chỉnh chế độ CPU là cần thiết cho các đồ án lập trình trên nền tảng online.
Trên màn hình, mục Online Tool trong khung thẻ nhiệm vụ cho phép người dùng điều chỉnh chế độ hoạt động của CPU với hai tùy chọn Run/Stop CPU Ngoài ra, khung này còn cung cấp tính năng MREs (Memory Reset) để khởi tạo lại toàn bộ bộ nhớ cho CPU.
Hình 4.8: Tùy chỉnh CPU Online
• Cách lưu trữ và tạo một thư viện lưu trữ dự án:
Tia Portal cung cấp một môi trường làm việc thuận tiện, giúp người dùng tiết kiệm thời gian bằng cách giảm thiểu việc lặp lại các bước không cần thiết Mục thư viện toàn cầu và dự án cho phép người dùng dễ dàng truy cập các dự án trước đó, từ đó tinh chỉnh thông tin và cấu hình để phù hợp với dự án hiện tại mà không cần tạo mới từ đầu.
Hình 4.9: Thư viện dự án trên Tia Portal
Lập trình viên có thể tự tạo một thư viện cá nhân với các dự án của mình, giúp dễ dàng sử dụng cho những dự án sau này.
• Cách thay đổi nhanh phiên bản của instruction:
Trên phần mềm Tia Portal V15, người dùng có thể nhanh chóng tùy chỉnh phiên bản cho mỗi instruction bằng cách nhấp chuột phải và chọn phiên bản mong muốn, giúp dễ dàng lựa chọn giữa nhiều phiên bản cập nhật với các tính năng khác nhau.
Hình 4.10: Chọn phiên bản cho instruction
Làm việc với một trạm PLC trên Tia Portal
4.4.1 Cách thiết lập địa chỉ IP cho một module CPU
CPU được tạo ra nhưng chưa được cấu hình địa chỉ IP, vì vậy người dùng cần gán địa chỉ IP cho CPU một cách thủ công trong quá trình cấu hình thiết bị.
IP TOOL được sinh ra để có thể thiết lập hoặc thay đổi địa chỉ IP của CPU PLC S7-
1200 bằng 1 trong hai cách sau đây:
Nếu CPU chưa được gán địa chỉ IP ban đầu, IP TOOL sẽ thiết lập và gán cho CPU một địa chỉ IP khởi tạo để sử dụng cho việc cấu hình thiết bị sau này.
Nếu CPU đã có địa chỉ IP ban đầu nhưng cần thay đổi, công cụ IP TOOL sẽ giúp sửa đổi cấu hình phần cứng (HW config) của CPU PLC S7-1200.
4.4.2 Tải chương trình đã thiết lập xuống cho CPU
Tải chương trình đã được soạn thảo trên màn hình làm việc xuống CPU bằng cách nhấp vào biểu tượng download trên thanh công cụ như hình dưới đây
Hình 4.11: Nút nhấn Download chương trình xuống PLC
Tiếp tục lựa chọn cấu hình Type of PG/PC interface và PG/PC interface như hình dưới sau đó nhấn chọn Load
Hình 4.12: Thiết lập cấu hình để Download chương trình
Sau đó chọn Start all và nhấn Finish như hình dưới đây
Hình 4.13: Nhấn Finish để hoàn tất việc tải chương trình.
Giám sát việc thực hiện chương trình trên phần mềm Tia Portal
Trong quá trình thực hiện chương trình trên PLC ta có thể giám sát mọi quá trình đó trên màn hình soạn thảo bằng 2 cách:
Cách 1: Thông qua việc kích chọn vào mục Monitor trên thanh công cụ như hình
Hình 4.14: Nhấp chọn biểu tượng Monitor trên thanh công cụ
Cách 2: Nhấn vào Go online như hình bên dưới
Hình 4.15: Nhấn vào biểu tượng Go online trên thanh công cụ
Sau đó chọn Monitor để màn hình soạn thảo hiển thị như sau
Hình 4.16: Hoàn tất quá trình thực hiện giám sát chương trình
Kỹ thuật lập trình
PLC hoạt động theo chu trình lặp, với mỗi chu trình được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào vùng bộ đệm ảo I, sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình Trong mỗi vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh kết thúc của khối OB1.
Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo
Q tới các cổng ra số Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi
Bộ đệm I và Q không liên quan đến cổng vào/ra tương tự, do đó, các lệnh truy cập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý mà không cần thông qua bộ đệm.
Các tập lệnh cơ bản trong lập trình PLC bằng phần mềm Tia Portal V15
Phần mềm Tia Portal V15 cung cấp nhiều lệnh quan trọng từ cơ bản đến nâng cao với các biểu tượng dễ nhận biết, giúp người dùng sử dụng thuận tiện Trong khuôn khổ đồ án, việc sử dụng các lệnh ở mức cơ bản là đủ, và qua thực hành, người dùng cần nắm vững các lệnh cơ bản sau đây.
4.7.1 Bit logic (tập lệnh về các tiếp điểm):
1) Tiếp điểm thường hở: tiếp điểm thường hở sẽ đóng lại nếu các bit trạng thái có địa chỉ được khai báo là I, Q, M, L hoặc D có giá trị bằng 1
Hình 4.17: Tiếp điểm thường mở
2) Tiếp điểm thường đóng: tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi các bit trạng thái có địa chỉ khai báo là I, Q, M, L hoặc D có giá trị bằng 0
Hình 4.18: Tiếp điểm thường đóng
3) Lệnh OUT (cuộn dây ngõ ra): Giá trị của bit có địa chỉ là Q, M, L hoặc D sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại Chỉ được sử dụng một lệnh OUT cho một địa chỉ
4) Lệnh OUT đảo: Giá trị của bit có địa chỉ Q, M, L hoặc D sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại
5) Lệnh NOT: Lệnh này dùng để đảo trạng thái ngõ vào / ra
6) Lệnh SET: Giá trị của bit có địa chỉ là Q, M, L, hoặc D sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh bằng 1, sau đó khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit vẫn giữ nguyên trạng thái
7) Lệnh RESET: Giá trị của bit có địa chỉ là Q, M, L, hoặc D sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh bằng 1, sau đó khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit vẫn giữ nguyên trạng thái
8) Lệnh SET_BF (lệnh set nhièu bit): Giá trị của các bit có địa chỉ là Q, M, L hoặc D, đầu tiên là OUT sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1, khi đầu vào của lệnh này bằng 0 thì các bit vẫn giữ nguyên trạng thái, trong đó số bit là hằng số
4.7.2 Sử dụng bộ timer Để tạo ra một chương trình với sự trễ định thời người lập trình có thể sự dụng lệnh Timer Số lượng của timer được sử dụng sẽ phụ thuộc vào người dùng và khối lượng vùng nhớ CPU Mỗi timer tiêu tốn hết 16 byte IEC_Timer dữ liệu kiểu DB Phần mềm sẽ tự động tạo ra một khối DB mỗi khi tạo một Timer Kích thước và tầm của kiểu dữ liệu Time là hết 32 bit, cách lưu trữ như là dữ liệu Dint: T#-14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_647ms hay là -2.147.483.648ms dến 2.147.483.647ms
1) Timer trễ không nhớ - TON
Khi tín hiệu đầu vào IN là True, Timer TON bắt đầu đếm thời gian và lưu giá trị vào ET Khi ET đạt giá trị PT, đầu ra Q của Timer TON sẽ là True Ngược lại, khi IN là False, đầu ra Q sẽ trở về False và ET sẽ được đặt lại về 0ms.
2) Timer trễ sườn xuống – TOF
Khi tín hiệu đầu vào IN là True, đầu ra Q sẽ là True Khi tín hiệu IN chuyển từ True sang False, Timer TOF sẽ được kích hoạt và giá trị thời gian sẽ được lưu vào ET Khi giá trị ET đạt bằng PT, đầu ra Q của khối TOF sẽ trở thành False.
IN bằng True thì đầu ra Q trả về giá trị True và giá trị ET trả về bằng 0ms
Khi tín hiệu ở đầu IN là True, đầu ra Q của timer TP sẽ trở thành True trong khoảng thời gian đã được thiết lập trước đó, và thời gian hoạt động của timer TP sẽ được ghi lại trong ET.
Khi giá trị ET bằng giá trị PT, đầu ra Q của khối timer PT sẽ là False, bất kể tín hiệu đầu vào IN là True hay False Nếu tín hiệu đầu vào IN là False, giá trị ET sẽ trở về 0ms.
4) Timer trễ sườn lên có nhớ - Timer TONR
Khi tín hiệu đầu vào IN là True, Timer TONR bắt đầu đếm thời gian và lưu giá trị tại ET Khi tín hiệu IN trở thành False, Timer TONR sẽ giữ lại giá trị ET Nếu tín hiệu IN lại là True, Timer TONR sẽ tiếp tục đếm thời gian dựa trên giá trị ET từ lần kích hoạt trước đó.
Khi giá trị ET bằng giá trị PT, đầu ra Q của khối Timer TONR sẽ là True Nếu tín hiệu đầu vào IN là False, đầu ra Q vẫn giữ nguyên giá trị True và giá trị ET cũng không thay đổi.
Khi kích hoạt tính hiệu tại chân R thì đầu ra Q bằng False và giá trị tại ET bằng 0ms
Bộ đếm (counter) là lệnh dùng để đếm các sự kiện bên trong và bên ngoài PLC Mỗi bộ đếm sử dụng cấu trúc lưu trữ khối dữ liệu kiểu DB để lưu trữ dữ liệu riêng Khi tạo bộ đếm, phần mềm sẽ tự động tạo khối DB tương ứng.
Giá trị đếm của Counter phụ thuộc vào kiểu dữ liệu được chọn Nếu chọn số nguyên không dấu, Counter có thể đếm từ 0 đến giới hạn tối đa Ngược lại, nếu chọn số nguyên có dấu, Counter có thể đếm từ âm giới hạn đến dương giới hạn.
Khi ngõ vào CU của khối CTU chuyển từ 0 lên 1, giá trị tại ngõ CV của bộ đếm sẽ tăng thêm 1 Nếu giá trị tại CV đạt lớn hơn hoặc bằng giá trị PV, ngõ ra Q của bộ đếm CTU sẽ được kích hoạt Trong trường hợp trạng thái R = Reset, bộ đếm CV sẽ được đặt lại về 0.
Hình 4.29: Bộ Counter đếm lên CTU
Khi tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ 0 lên 1 thì giá trị ngõ ra CV của bộ đếm giảm xuống
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRỮ ĐÔNG TẠI XƯỞNG NHIỆT-NHIỆT LẠNH
Sơ đồ hệ thống lạnh trữ đông
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt - Điện Lạnh
Nguyên lý điều khiển sự hoạt động
5.2.1 Tự động hóa cho máy nén:
Trong hệ thống lạnh công nghiệp, máy nén đóng vai trò như trái tim, vì vậy việc đảm bảo sự vận hành ổn định và an toàn của máy nén là rất quan trọng Công việc tự động hóa phải thường xuyên kiểm tra các thông số như áp suất hút p0, áp suất đầu đẩy pk, hiệu áp suất dầu ∆P, nhiệt độ đầu đẩy, nhiệt độ thân máy nén, nhiệt độ dầu và chế độ làm mát để đưa ra phương án vận hành phù hợp.
Để tự động giảm tải máy nén khi khởi động, việc đấu nối sao – tam giác là cần thiết, đặc biệt với các máy nén có công suất từ 3HP trở lên sử dụng động cơ 3 pha Cần chú ý đến giá trị dòng điện khởi động để không vượt quá mức cho phép, bởi nếu chọn phương án khởi động không phù hợp, dòng điện khởi động sẽ tăng cao, dẫn đến quá tải đường dây và quá nhiệt dây quấn động cơ, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của máy nén.
Trong phương án khởi động sao – tam giác, máy nén được cấp điện và đấu theo hình sao (Y) trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 giây Sau đó, động cơ máy nén sẽ chuyển sang đấu theo hình tam giác (∆) Phương pháp này giúp giảm dòng khởi động, mang lại hiệu quả cho quá trình khởi động động cơ.
- Các phương án tự động bảo vệ máy nén:
Khi áp suất nén (Pk) vượt quá mức cho phép, dòng điện làm việc của máy nén sẽ tăng, dẫn đến hiệu suất hệ thống giảm sút và tiềm ẩn nhiều nguy cơ cho thiết bị cũng như an toàn của máy nén Để kiểm soát áp suất Pk trong giới hạn an toàn, hệ thống sử dụng cảm biến áp suất để thu thập tín hiệu áp suất cao, có thể lắp đặt tại thiết bị ngưng tụ, bình chứa cao áp hoặc các khoan đẩy của máy nén Tín hiệu áp suất cao sẽ được truyền về PLC để xử lý; nếu áp suất vượt quá giá trị cài đặt trên PLC, hệ thống sẽ tự động thực hiện lệnh dừng máy nén.
Bảo vệ áp suất thấp P0 là thiết bị quan trọng trong hệ thống làm lạnh, giúp duy trì áp suất hút trong khoảng an toàn Khi xảy ra sự cố như tắc nghẽn đường ống, thiếu môi chất lạnh hoặc rò rỉ, áp suất hút có thể giảm quá thấp, ảnh hưởng đến năng suất lạnh, khả năng bôi trơn và làm mát của máy nén Để kiểm soát áp suất hút, cảm biến áp suất thấp được lắp đặt trên đường hút hoặc khoan hút máy nén, gửi tín hiệu về PLC Nếu tín hiệu áp suất thấp hơn giá trị cài đặt, PLC sẽ thực hiện lệnh dừng máy nén để bảo vệ hệ thống.
Bảo vệ áp suất dầu là thiết bị quan trọng cho máy nén có hệ thống bôi trơn cưỡng bức bằng bơm dầu Hiệu áp suất dầu, chứ không phải áp suất dầu đơn thuần, là thông số then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả bôi trơn của máy nén và toàn bộ hệ thống.
- Hiệu áp suất dầu được tính bằng công thức: ∆P = Poil - Po
Áp suất đầu đẩy bơm dầu (Poil) và áp suất cácte (Po) là hai yếu tố quan trọng trong hoạt động của máy nén Khi máy nén hoạt động mà không có áp suất dầu, điều này cho thấy hệ thống bơm dầu có thể gặp sự cố hoặc thiếu dầu trong cácte, dẫn đến việc quá trình bôi trơn không được đảm bảo, gây hao mòn hoặc hư hỏng các chi tiết Để bảo vệ máy nén khỏi những hư hỏng, cảm biến được sử dụng để đo tín hiệu áp suất đầu đẩy bơm dầu và áp suất cácte, sau đó gửi dữ liệu về PLC để xử lý và đưa ra các lệnh bảo vệ cần thiết.
5.2.2 Các phương án tự động hóa thiết bị ngưng tụ:
Trong hệ thống lạnh, thiết bị ngưng tụ đóng vai trò quan trọng, vì vậy việc tự động hóa và vận hành hợp lý thiết bị này không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống mà còn giúp tiết kiệm chi phí.
Trong quá trình vận hành, áp suất và nhiệt độ ngưng tụ cao có thể giảm khả năng làm lạnh và tăng điện năng tiêu thụ, dẫn đến hiệu suất làm lạnh kém và quá tải cho máy nén Ngược lại, áp suất ngưng tụ quá thấp cũng ảnh hưởng đến việc cấp lỏng cho thiết bị bay hơi, làm giảm năng suất lạnh.
Trong đồ án này, hệ thống trữ đông sử dụng dàn ngưng làm mát bằng không khí và cảm biến áp suất Pk để theo dõi áp suất ngưng tụ Cảm biến này gửi tín hiệu về PLC để duy trì áp suất trong khoảng giá trị cho phép Nếu áp suất vượt quá mức cho phép, hệ thống sẽ tự động dừng để bảo vệ máy nén, như đã được trình bày trong phần bảo vệ áp suất cao của máy nén.
5.2.3 Các phương án tự động hóa thiết bị bay hơi
Việc tự động hóa cấp lỏng và xả băng ở dàn bay hơi là rất quan trọng, đặc biệt khi sử dụng môi chất lạnh NH3 và freon Cấp lỏng từ phía trên khi sử dụng freon là cần thiết do dầu bôi trơn hòa tan trong môi chất, nhưng ở nhiệt độ thấp, mức hòa tan bị hạn chế Trong thiết bị bay hơi, dầu có khối lượng riêng nặng hơn môi chất, nên khi cấp lỏng từ trên, dầu cần được đẩy ra khỏi dàn lạnh Do đó, cần lắp đặt bẩy dầu để đưa dầu về cácte máy nén Trong đồ án này, hệ thống trữ đông sử dụng môi chất R22, vì vậy phương án cấp lỏng từ phía trên được lựa chọn.
Cấp dịch tự động cho dàn bay hơi thông qua van tiết lưu nhiệt là một quá trình quan trọng trong hệ thống làm lạnh Khi tải nhiệt trong phòng tăng, môi chất lạnh tại dàn lạnh giảm, dẫn đến độ quá nhiệt hút tăng Bầu cảm biến nhiệt sẽ cảm nhận sự thay đổi này và gửi tín hiệu áp suất đến van tiết lưu nhiệt, khiến cửa van mở rộng để cấp nhiều lỏng vào dàn bay hơi hơn Khi môi chất lạnh được cấp nhiều hơn, độ quá nhiệt hút sẽ giảm, làm áp suất trong bầu cảm biến nhiệt cũng giảm theo, dẫn đến việc cửa van đóng bớt lại và lượng môi chất lạnh lỏng vào dàn bay hơi cũng giảm.
Tự động hóa trong việc bảo vệ dàn bay hơi là giải pháp hiệu quả, trong đó lắp thêm van điện từ trước van tiết lưu Nhờ vào lập trình PLC, khi máy nén hoạt động, van điện từ sẽ tự động mở để đảm bảo môi chất tuần hoàn trong hệ thống Ngược lại, khi máy nén ngừng hoạt động, van điện từ sẽ đóng lại, ngăn chặn việc cấp lỏng vào dàn bay hơi, từ đó tránh hiện tượng lỏng tràn Việc lập trình PLC đảm bảo sự đồng bộ giữa máy nén và van điện từ, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
5.2.4 Các phương án tự động hóa quá trình xả băng
Trong đồ án này, việc xả băng được thực hiện bằng bơm nước xả băng với chu kỳ 8 tiếng một lần Mỗi lần xả băng kéo dài 30 phút, sau đó cần chờ thêm 5 phút để dàn bay hơi khô ráo trước khi khởi động lại chu trình.
Hệ thống xả băng tự động được lập trình để hoạt động theo chu kỳ 8 tiếng, đảm bảo dàn bay hơi hoạt động bình thường Quá trình này bắt đầu bằng việc dừng dàn bay hơi, dàn ngưng tụ, cụm van điện từ và máy nén, sau đó cấp điện cho bơm nước xả băng trong 30 phút để làm tan băng Sau khi xả băng, hệ thống sẽ chờ khô trong khoảng 5 phút trước khi khởi động lại dàn bay hơi, dàn ngưng tụ và máy nén, với van điện từ được khởi động sau 5 giây để đảm bảo an toàn PLC được thiết lập để thực hiện quy trình này một cách tự động và chính xác Trong trường hợp dàn bay hơi đóng băng trước chu kỳ 8 tiếng, hệ thống vẫn có khả năng xả băng để duy trì hiệu suất hoạt động.
Vận hành hệ thống
Hệ thống trữ đông thông thường có quy trình vận hành phức tạp, nhưng nhờ vào khả năng lập trình điều khiển tự động hóa của PLC S7-1200, mọi thứ trở nên đơn giản hơn Tất cả các quy trình được thực hiện tự động, với khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, giúp đưa ra các phương án xử lý cho những tình huống mà hệ thống có thể gặp phải Việc lập trình trên máy tính và sử dụng máy tính để điều khiển không chỉ giúp giảm bớt công sức mà còn tiết kiệm thời gian đáng kể.
Hình 5.2: Sơ đồ trình tự vận hành hệ thống
THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRỮ ĐÔNG TRÊN S7-1200
Thiết kế tủ điện điều khiển
Dựa trên nguyên lý hoạt động và sơ đồ mạch điện của hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt - Điện Lạnh, thiết kế tủ điện điều khiển đã được phát triển nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự hoạt động ổn định của hệ thống.
- Bản vẽ thiết kế bên ngoài của tủ điện
Hình 6.1: Bản vẽ thiết bị bên ngoài tủ
- Bản vẽ thiết kế bên trong tủ điện
Hình 6.2: Bản vẽ thiết bị bên trong tủ
Giới thiệu các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống
Bảng 6.1: Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
STT Tên thiết bị Số lượng
1 PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY 1
14 Rơ le bảo vệ quá tải 4
Chương trình PLC S7-1200 điều khiển hệ thống trữ đông
Phần mềm Tia Portal V15 được sử dụng để lập trình tất cả các câu lệnh điều khiển thiết bị Các dòng lệnh này sẽ trực tiếp quản lý thiết bị ngõ ra bằng cách nhận tín hiệu từ thiết bị ngõ vào và xử lý chúng một cách hiệu quả.
Các thiết bị ngõ vào và ngõ ra của hệ thống trữ đông tại xưởng nhiệt:
Các thiết bị ngõ vào bao gồm công tắc, nút nhấn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, và các hệ thống bảo vệ như bảo vệ pha, bảo vệ áp suất cao, bảo vệ áp suất thấp, bảo vệ hiệu áp suất dầu, và bảo vệ quá tải (ORL).
Các thiết bị ngõ ra bao gồm: contactor điều khiển máy nén và van điện từ, contactor điều khiển quạt dàn ngưng, contactor điều khiển quạt dàn bay hơi, bơm nước giải nhiệt, còi báo sự cố, đèn báo sự cố và đèn báo hoạt động của hệ thống.
Do giới hạn về khuôn khổ đồ án và thiết bị, số lượng thiết bị đầu vào và đầu ra chỉ có 7 chân I và 6 chân Q Các thiết bị khác sẽ được mô phỏng thông qua WinCC.
Bảng 6.2: Khai báo ngõ vào cho PLC
Tên thiết bị Địa chỉ
Tiếp điểm bảo vệ pha (BVF) I0.0
ORL 2 (thiết bị ngưng tụ) I0.2
ORL 3 (thiết bị bay hơi) I0.4
Nút nhấn xả băng cưởng bức I0.6
Bảng 6.3: Khai báo ngõ ra cho PLC
Tên thiết bị Địa chỉ
Contactor điều khiển máy nén Q0.0
Contactor điều khiển thiết bị ngưng tụ Q0.1 Contactor điều khiển thiết bị bay hơi Q0.2
Contactor điều khiển bơm xả băng Q0.4 Đèn báo cần xả băng cưởng bức Q0.5
6.3.1 Các khối chương trình chính: Để thuận tiện cho việc lập trình và giám sát việc lập trình, nhóm chúng em tạo ra các mục Function nhỏ là nơi chứa các dòng lệnh lập trình riêng biệt và được đưa và mạch chính (Main) để cấp nguồn điều khiển Có 3 khối Function chính là FC_ AUTOMATION, FC_OUTPUT_PLC, FC_SIMULATION Còn về phần lấy tín hiệu cảm biến, do trong đồ án chỉ sử dụng hai con cảm biến áp suất cao và cảm biến áp suất thấp nên chỉ cần 2 khối Funtion trong mục Analog là: Analog_ Áp suất cao và Analog_ Áp suất thấp Thêm vào đó là một khối Data Block để chứa các giá trị phục vụ cho việc setting các thông số
Hình 6.3: Cây thư mục của các khối chương trình chính trong mạch
Bên trong khối Main (mạch chính) chứa các Network dùng để cấp nguồn cho các khối Function hoạt động
Hình 6.4: Các Network bên trong khối Main
Là nơi chứa các dòng lệnh để điều khiển hệ thống có thể hoạt động một cách tự động
Hình 6.5: Các dòng lệnh bên trong khối FC_ AUTOMATION
Có tất cả là 14 Network thể hiện các đoạn mạch lần lượt như sau:
Hình 6.6: Đoạn mạch Báo lỗi pha
Trong đó: Chân I0.0 nối với tiếp điểm chân 5-6 của Bảo vệ pha
Hình 6.7: Đoạn mạch cấp nguồn hoạt động
Trong đó: Chân I0.3 nối với cặp chân thường mở của nút dừ khẩn cấp
M0.4 là ô nhớ cấp nguồn cho toàn hệ thống
Hoạt động dàn bay hơi:
Hình 6.8: Đoạn mạch hoạt động dàn bay hơi
Trong đó: Chân I0.4 sẽ nối với cập chân thường đóng của ORL bảo vệ quá tải cho thiết bị bay hơi
Hoạt động dàn ngưng tụ:
Hình 6.9: Đoạn mạch hoạt động dàn ngưng tụ
Hoạt động của máy nén:
Hình 6.10: Đoạn mạch hoạt động của máy nén
Giảm tải cho máy nén:
Hình 6.11: Đoạn mạch giảm tải cho máy nén
Mô phỏng sự cố áp suất dầu:
Hình 6.12: Đoạn mạch mô phỏng sự cố áp suất dầu
Báo sự cố và điều khiển đầu ra khi áp suất thấp:
Hình 6.13: Đoạn mạch báo sự cố và điều khiển đầu ra khi bị sự cố áp suất thấp
Báo sự cố và điều khiển đầu ra khi áp suất cao:
Hình 6.14: Đoạn mạch báo sự cố và điều khiển đầu ra khi bị sự cố áp suất cao
Thời gian xả băng tự động 8h/lần:
Hình 6.15: Đoạn mạch thể hiện thời gian xả băng tự động 8h/lần
Hoạt động của cụm xả băng:
Hình 6.16: Đoạn mạch hoạt động cụm xả băng
Hình 6.17: Đoạn mạch thể hiện thời gian xả băng
Thời gian chờ ráo nước:
Hình 6.18: Đoạn mạch thể hiện thời gian chờ ráo nước
Hình 6.19: Đoạn mạch báo sự cố tổng
Là nơi chứa các dòng lệnh điều khiển các thiết bị đầu ra, có tất cả là 7 Network
Hình 6.20: Các Network trong khối FC_OUTPUT_PLC Điều khiển đầu ra nguồn:
Hình 6.21: Đoạn mạch điều khiển đầu ra nguồn
55 Điều khiển đầu ra dàn bay hơi:
Hình 6.22: Đoạn mạch điều khiển đầu ra dàn bay hơi Điều khiển đầu ra dàn ngưng tụ:
Hình 6.23: Đoạn mạch điều khiển đầu ra dàn ngưng tụ
56 Điều khiển đầu ra máy nén:
Hình 6.24: Đoạn mạch điều khiển đầu ra máy nén Điều khiển đầu ra sự cố áp suất dầu:
Hình 6.25: Đoạn mạch điều khiển đầu ra sự cố áp suất dầu
57 Điều khiển đầu ra xả băng:
Hình 6.26: Đoạn mạch điều khiển đầu ra xả băng Điều khiển đầu ra sự cố tổng:
Hình 6.27: Đoạn mạch điều khiển đầu ra sự cố tổng
Là nới chứa các dòng lệnh xử lý tín hiệu analog từ cảm biến đưa về và các dòng lệnh phục vụ việc mô phỏng trên Wincc
Hình 6.28: Các Network trong khối FC_SIMULATION
Xử lý analog áp suất thấp + Setup + Hiển thị:
Hình 6.29: Đoạn mạch xử lý analog áp suất thấp
Xử lý analog áp suất cao + Setup + Hiển thị:
Hình 6.30: Đoạn mạch xử lý analog áp suất cao
Nơi lưu trử các giá trị từ các cảm biến trả về
Hình 6.31: Các giá trị bên trong khối DB
6.3.7 Khối Analog_ Áp suất cao và khối Analog_ Áp suất cao
Là hai Network chuyển đổi tín hiệu trả về từ cảm biến áp suất sang tín hiệu mà PLC có thể xử lý được
Hình 6.32: Đoạn mạch khối Analog_Áp suất cao
Hình 6.33: Đoạn mạch khối Analog_Áp suất thấp
6.3.8 Các khối PLC Tags quan trọng
Hình 6.34: Các tag table đã được tạo
Hình 6.35: Các Tag Input đã được khởi tạo
Hình 6.36: Các Tag Output đã được khởi tạo
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG TRỮ ĐÔNG TRÊN WINCC
WINCC là gì?
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm tích hợp trong Tia Portal V15 của Siemens, được sử dụng để giám sát, điều khiển, thu thập và lưu trữ dữ liệu trong quá trình sản xuất Người dùng có thể thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) cho hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) với chức năng giám sát và điều khiển Trong dự án này, nhóm đã chọn phiên bản WinCC Runtime Advanced để thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống trữ đông tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh trên màn hình máy tính SIMATIC WinCC Runtime Advanced được cấu hình thông qua phần mềm SIMATIC WinCC Advanced hoặc SIMATIC WinCC Professional, và nhóm đã lựa chọn phiên bản cấu hình Advanced.
SIMATIC WinCC Runtime Advanced là giải pháp trực quan hóa hiệu suất cao cho các tác vụ tự động hóa, phục vụ cho nhiều lĩnh vực như sản xuất, quy trình và tòa nhà Nó tương thích với các thiết bị như SIMATIC Rack PC, Box PC, Panel PC và bộ điều khiển ET200SP, giúp mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa.
WinCC cho phép mô phỏng trực quan các sự kiện trong hệ thống điều khiển vận hành thông qua chuỗi sự kiện hình ảnh Để đáp ứng nhu cầu vận hành hệ thống ngày càng phức tạp, WinCC cung cấp nhiều chức năng hữu ích như hiển thị, ghi báo cáo, thông báo và xử lý thông tin đo lường cùng các tham số công thức.
Các chức năng chính của WinCC Runtime Advanced
Chương trình WinCC cho phép dễ dàng mô phỏng hoạt động của hệ thống thông qua các đối tượng đồ họa trên Windows, I/O và các thuộc tính động (Dynamic).
Hệ thống cung cấp thông báo và cảnh báo cho người vận hành khi xảy ra sự cố, đồng thời nhận thông tin từ các quá trình ở PLC Nó hiển thị, hồi đáp và lưu trữ dữ liệu, giúp phát hiện nguyên nhân gây ra lỗi một cách hiệu quả.
Thu thập lưu trữ và tri xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau trong khi các quá trình đang thực thi
Tạo ra các thông bào và kết quả, các dữ liệu này lưu dưới dạng nhật ký sự kiện
User Achivers cho phép lưu trữ dữ liệu từ chương trình và tương tác với các thiết bị khác WinCC Runtime Advanced có khả năng kết hợp với Visual C++ và Visual Basic để tạo ra một hệ thống tin vi, phù hợp với việc tự động hóa các hệ thống chuyên biệt.
WinCC thật sự cần thiết cho người lập trình trong việc mô phỏng giám sát và điều khiển các hệ thống tự động hóa hiện đại ngày nay.
Cách tạo một giao diện giám sát và điều khiển bằng WinCC Runtime Advance
Sau khi hoàn thiện chương trình điều khiển cho hệ thống, bước tiếp theo là mô phỏng một màn hình giám sát và điều khiển sử dụng WinCC dựa trên chương trình đã tạo.
Bước 1: Từ màn hình làm việc chọn Add new device
Hình 7.1: Chọn mục Add new device
Bước 2: Ở khung cửa sổ Add new device, chọn vào mục PC Systems → chọn mục SIMATIC HMI application → chọn WinCC RT Advanced → nhấn OK
Hình 7.2: Chọn và lấy ra chương trình WinCC Runtime Advanced
Bước 3: Ở mục SIMATIC PC station → chọn Communications modules → chọn PROFINET/Ethernet → chọn IE general để thêm card mạng cho máy tính
Hình 7.3: Chọn và lấy ra cổng Ethernet cho PC
Bước 4: Ở mục Device và networks kéo thả từ chấm xanh của khối PLC sang chấm xanh của khối CP IE để kết nối PLC và card mạng của PC,
Hình 7.4: Kết nối khối PLC và PC thông qua cổng Ethernet
Bước 5: Chọn mục connections tiến hành kết nối giữ PLC và WinCC RT Adv bằng cách kéo thả chuột
Hình 7.5: Kết nối PLC và chương trình WinCC Runtime Addvanced
7.3.2 Tạo một màn hình mô phỏng Ở khung tùy chỉnh Project chọn PC-System_1 [SIMATIC PC station] → chọn HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced] → chọn Screens → chọn Add new Screen để thêm một màn hình mô phỏng
Để tạo một màn hình mô phỏng WinCC, các bước quan trọng bao gồm việc sử dụng khung thẻ nhiệm vụ để hiển thị các khối và lệnh cần thiết cho việc vẽ mô phỏng hệ thống.
Mục Basic: được dùng để tạo nên các khung, khối, hoặc có thể chèn chữ và hình ảnh
Hình 7.7: Mục các đối tượng cơ bản
Mục Elements (yếu tố) được sử dụng để tạo ra các nút nhấn, thanh đo, thanh kéo, đồng hồ và có thể chèn hình ảnh mô tả hệ thống thực tế.
Hình 7.8: Mục Elements trong Wincc
Mục Control: được dùng để thể hiện các biểu đồ cũng nhưng kiểm soát và giám sát các thông số của quá trình vận hành hệ thống
Hình 7.9: Mục Control trong WinCC
7.3.3 Tag, nhóm Tag và cách gán Tag cho một đối tượng mô phỏng
Tags trong WinCC được sử dụng để biểu thị các giá trị thực tế, chẳng hạn như thời gian của timer trong chương trình PLC Để hiển thị thời gian đếm của timer, người dùng cần tạo một khung hiển thị trên màn hình và gán tag cho đối tượng đó, cụ thể là tag ở chân ET của khối Timer.
Các Tag ngoài trong quá trình là vị trí bộ nhớ bên trong PLC hoặc thiết bị tương tự, ví dụ như áp suất hệ thống được cảm biến đo và lưu trữ trong bộ nhớ của PLC Thông qua kết nối, giá trị áp suất sẽ được truyền vào WinCC để thực hiện mô phỏng hiển thị.
Các Tag nội (internal tag) trong WinCC là các vị trí bộ nhớ có chức năng tương tự như PLC, cho phép thực hiện các phép tính và thay đổi dữ liệu ngay trong môi trường WinCC.
Tất cả các Tag và nhóm Tag được sắp xếp theo một cấu trúc nhất định để thuận tiện trong việc quản lý và tăng tính rõ ràng
Ví dụ tạo một nút nhấn và gán Tag cho nút nhấn hoạt động
Bước 1: Ở mục Elements kéo thả biểu tượng BUTTON vào trong màn hình
Hình 7.10: Tạo một nút nhấn cơ bản từ mục Elements
Bước 2: Tùy chỉnh giao diện hiển thị của nút nhấn ở mục Properties
Hình 7.11: Tùy chỉnh hiển thị của nút nhấn khi chạy mô phỏng
Bước 3: Set up và gán Tag cho nút nhấn ở mục Events
Hình 7.12: Set trạng thái và gán tag cho nút nhấn hoạt động
7.3.4 Chạy màn hình mô phỏng WinCC để giám sát và điều khiển
Lưu ý trước khi chạy màn hình mô phỏng WinCC ta cần thực hiện việc tải chương trình về PLC sau đó mới thực hiện mô phỏng
Sau khi tải chương trình xuống PLC ta thực hiện các bước sau để chạy mô phỏng WinCC:
Bước 1: Thực hiện Compile trước khi chạy mô phỏng, chọn vào biểu tượng Compile trên thanh công cụ như hình dưới đây
Hình 7.13: Compile màn hình mô phỏng trước khi khởi chạy Runtime
Bước 2: Chạy mô phỏng WinCC bằng cách ấn vào biểu tượng Start runtime on the PC
Hình 7.14: Khởi chạy mô phỏng Runtime trong WinCC
Bước 3: Thực hiện việc điều khiển trên màn hình mô phỏng WinCC
Hình 7.15: Màn hình mô phỏng điều khiển và hiển thị.
Mô phỏng hoạt động của hệ trữ đông tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh trên máy tính bằng WinCC Runtime Advanced trên Tia Portal V15
Nhóm chúng em đã thiết kế giao diện mô phỏng Wincc từ các khối chương trình PLC đã được thiết lập, nhằm giám sát và điều khiển hệ thống trên màn hình máy tính Để tối ưu hóa việc vận hành và giám sát, chúng em đã chọn phương án vẽ mô phỏng trên 2 màn hình và chạy Runtime đồng thời cả hai màn hình, giúp thể hiện đầy đủ các nội dung cần thiết.
Screen 1: Thể hiện sơ đồ nguyên lý cũng như là bảng điện điều khiển hệ thống trữ đông của xưởng Cho phép hiển thị các trạng thái hoạt động của hệ thống, thể hiện các thông số hoạt động, trực tiếp bật tắt và vận hành hệ thống ở bản điện điều khiển
Hình 7.16: Giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC
Screen 2: Hiển thị và cho phép cài đặt các thông số ban đầu cho hệ thống, hiển thị các thông số hoạt động của hệ thống, cho phép mô phỏng các sự cố từ việc điều chỉnh các tính hiệu trả về từ các con cảm biến
Hình 7.17: Giao diện SETUP thông số ban đầu và giám sát thông số hoạt động của hệ thống
