Đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải cho mỏ than Cao Sơn

Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành kinh tế trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành khai thác than đá đã có một bước tiến vượt bậc trên con đường phát triển của mình. Cùng song song với sự phát triển đó là sự phát triển không ngừng của hệ thống điều khiển tự động để có thể giám sát được qui trình khai thác than một cách an toàn và tiện lợi. Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số: CNC, PLC… Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, và đáp ứng được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất. Sau thời gian học tập, em được giao đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải cho mỏ than Cao Sơn” . Trong quá trình làm đồ án, bản thân em đã cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu để đạt được kết quả tốt nhất, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của giáo viên hướng dẫn Ts. Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ, chỉ dẫn và chia sẻ kinh nghiệm để em hoàn thành được đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 10/6/1015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Việt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trưởng bộ môn : TS Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn : TS Đỗ Mạnh Cường Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đình Việt - 20115834 Lớp : CN ĐK&TĐH 2 - K56

Hà nội, 6-2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đình Việt Số hiệu sinh viên: 20115834

Khóa: K56 Khoa/Viện: Viện Điện Ngành: ĐK & TĐH

1 Đầu đề thiết kế:

Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải cho mỏ than CaoSơn

2 Các số liệu ban đầu:

+ Tìm hiểu chung về mỏ than Cao Sơn và các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống băng tải + Nghiên cứu các yêu cầu về trang bị và điều khiển của hệ thống băng tải

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

+ Lựa chọn và tính toán giải pháp và cấu hình cho hệ thống điều khiển

+ Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

5 Họ tên cán bộ hướng dẫn:

T.s Đỗ Mạnh Cường

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 9/3/2015

7 Ngày hoàn thành đồ án: 15/6/2015

Ngày tháng năm 2015

Trưởng bộ môn

( Ký, ghi rõ họ, tên) Cán bộ hướng dẫn( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày … tháng … năm 2015

(Ký, ghi rõ họ, tên) (Ký, ghi rõ họ, tên)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Tên đề tài do em tự thiết kế dưới sự hướngdẫn của thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Việt

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành kinh tế trong thời kỳ đổimới, công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành khai thác than đá đã có một bước tiến vượt bậc trên con đường phát triển của mình Cùng song song với sự phát triển đó là

sự phát triển không ngừng của hệ thống điều khiển tự động để có thể giám sát được qui trình khai thác than một cách an toàn và tiện lợi Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số: CNC, PLC… Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, và đáp ứng được yêu cầu kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất

Sau thời gian học tập, em được giao đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải cho mỏ than Cao Sơn” Trong quá trình làm đồ

án, bản thân em đã cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu để đạt được kết quả tốt nhất, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô để đồ án của

em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của giáo viên hướng dẫn

Ts Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ, chỉ dẫn và chia sẻ kinh nghiệm để em hoàn thành được

Chương 1 : Tổng quan

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Mỏ than Cao Sơn là mỏ than lớn trong vùng than Cẩm Phả Việc phát triển của mỏ không chỉ có ý nghĩa trong nội bộ mà nó còn có ý nghĩa rất lớn cho vùng, tỉnh và đất nước Như ta đã biết, công việc khai thác than và công việc xử lý đất đá thải trong công nghệ khai thác than đá luôn đi liền với nhau Để có thể vận chuyển một khối lượng lớn than và đất đá thì hệ thống băng tải là tối quan trọng

Nước ta hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, vì thế tự động hóa sản xuất đóng vai trò rất quan trọng Tự động hóa giúp tăng năng suất, tăng độ chính xác, an toàn và do đó tăng hiệu quả của quá trình sản xuất Nhận biết được điều đó nên việc đầu tư nghiên cứu về tự động hóa trong hệ thống băng tải luôn được đặt ra và giải quyết Để có thể thực hiện tự động hóa trong hệ thống băng tải, bên cạnh các máy móc cơkhí hay điện, các dây chuyền sản xuất…v.v, cũng cần thiết phải có các bộ điều khiển để điều khiển chúng Và PLC là một trong các giải pháp để điều khiển và đáp ứng yêu cầu

đó một cách hoàn hảo nhất

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nhận biết được tầm quan trọng của PLC trong hệ thống băng tải, đề tài của chúng em

là: “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải cho mỏ than Cao Sơn”

Mục tiêu của đề tài:

 Hiểu về các yêu cầu công nghệ đối với một hệ thống băng tải

 Tìm hiểu về PLC AC800M của ABB

 Nghiên cứu các phần mềm: Compact Control Builder, Soft Controller, Plant Explorer để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống băng tải

 Nghiên cứu và tham gia lắp ráp phần cứng của tủ điều khiển PLC ABB AC800M : các Module, bộ Controler, truyền thông…

1.3 Giới hạn và hạn chế của đề tài

Hệ thống băng tải của mỏ than Cao Sơn rất dài, được chia làm nhiều băng tải với độ dài khác nhau, với điều kiện thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên chúng em đã cố

Chương 1 : Tổng quan

gắng nghiên cứu thiết kế điều khiển giám sát cho 2 băng tải, các băng tải còn lại tuy chưađược đề cập nhưng ngoài khác về độ dài thì các yêu cầu công nghệ điều khiển cũng tương tự như 2 băng tải trên

Để thiết kế được phần cứng thực tế mô phỏng cần một khoảng thời gian dài và kinh phí cũng lớn, nên đề tài của chúng em chỉ dừng lại ở việc lập trình và mô phỏng băng tải trên giao diện HMI Mong các thầy cô châm trước cho sự thiếu sót này

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Chương 2 NGHIÊN CỨU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC THIẾT BỊ HIỆN TRƯỜNG CỦA HỆ

THỐNG BĂNG TẢI

2.1 Giới thiệu về hệ thống băng tải Cao Sơn

Tổng quan về mỏ than Cao Sơn:

 Giới thiệu mỏ than Cao Sơn:

+ Vị trí địa lý:

Mỏ than Cao Sơn được đánh giá là mỏ than lộ thiên có trữ lượng khai thác lớn nhất cả nước

Có diện tích khai thác 10km2 , độ cao 420m so với mặt nước biển

Gồm có 2 khu vực: Cao Sơn và Khe Chàm 3

Đường sắt: Chở than đến công ty than Cửa Ông

Đường ô tô chở than đến các điểm

+ Đơn vị khai thác: Công ty cổ phần than Cao Sơn

Tiền thân là Xí nghiệp xây dựng mỏ than Cao Sơn, thành lập năm 1974 và đi vào sản xuất năm 1977 Sau 40 năm, từ núi cao này, công ty đã khai thác được 54,17 triệu tấn than; bốc xúc vận chuyển trên 450 triệu m3 đất đá và đạt nhiều thành tựu quan trọng khác

 Qui trình công nghệ sản xuất của công ty:

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ khai thác than

+ Khoan nổ mìn để phá vỡ lớp đất đá: Dùng máy khoan thành hố, đặt thuốc nổ và mìn nổlàm tung lớp đất đá bên ngoài vỉa than

+ Bốc xúc đất đá: Dùng máy xúc để bốc xúc đất đá thải hoặc than nguyên khai lên ô tô vận tải cỡ lớn

+ Xúc than: dùng các loại máy xúc than khai thác ở vỉa và than tận thu ở các trụ vỉa chính

+Sàng than: sử dụng hệ thống sàng rung, sàng xoắn tương đối hiện đại bao gồm 3 hệ thống đặt ở 3 khu vực với nhiện vụ của khâu sàng là phân loại theo các chủng loại than khác nhau phù hợp với nhu cầu tiêu thụ

+ Bốc rót than: gồm rót than qua máng ga để kéo đi tiêu thụ tại than Cửa Ông và rót than tại Cảng giao cho các nơi tiêu thụ, khách hàng khác như các hộ giấy, nhiệt điện, đạm, xi măng…

Bảng 2.1 Thống kê số lượng than và đá thải của quá trình khai thác than

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.2 : Sơ đồ tổng quan về hệ thống băng tải Cao Sơn

2.2 Các thiết bị chính của hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển Compact HMI 800 cung cấp giải pháp điều khiển mở rộng cho nhà máy, bao gồm các thành phần cơ bản sau:

2.2.1 Hệ thống điều khiển Compact HMI 800

Hệ thống điều khiển Compact HMI 800 là một tập hợp các giao thức, phần mềm điều khiển của ABB Các chức năng chính bao gồm:

- Giám sát tất cả các thiết bị trong dây chuyền

- Điều khiển các thiết bị truyền động (biến tần, máy cắt trung thế )

- Cảnh báo cho người vận hành về các điều kiện bất thường trong hệ thống

- Cung cấp giao diện vận hành

- Giám sát tiêu thụ năng lượng

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.3 : Máy tính được cài đặt phần mềm HMI

2.2.2 Các máy chủ

Máy chủ lưu toàn bộ thông tin của hệ thống, sử dụng các máy tính công nghiệp Máy chủ được thiết kế với ổ cứng có dự phòng, bảo đảm khôi phục dữ liệu vận hànhcủa nhà máy trong trường hợp sự cố máy tính

Toàn bộ thông tin về lịch sử vận hành của nhà máy được lưu trong máy Server, giúp trích xuất ra các báo cáo vận hành chi tiết

2.2.3 Các máy tính vận hành

Cung cấp giao diện người dùng, giúp người vận hành giám sát và điều khiển nhà máy Phòng vận hành chính ở trạm phân phối số 3 Người vận hành có thể bao quát giám sát và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà máy thông qua màn hình điều khiển

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.4 : Giao diện HMI

2.2.4 Kết nối mạng TCP/IP và đường truyền Profibus

Các máy tính, máy chủ, máy in… được kết nối thông qua mạng Ethernet có dự phòng bảo đảm hệ thống liên tục hoạt động khi có sự cố ở 1 mạng Các thiết bị điều khiểnđược kết nối với bộ điều khiển quá trình AC800M thông qua mạng profibus có dự phòng

Để kết nối các phòng điều khiển, các thiết bị ở cách xa nhau (trên 100m), dùng các bộ chuyển đổi thành tín hiệu quang để tránh suy hao trên đường truyền

Hình 2.5: Cấu hình kết nối

2.2.5 Bộ điều khiển quá trình AC800M

Bộ điều khiển quá trình AC800M là trái tim của hệ thống điều khiển, kết nối và giao tiếp với toàn bộ các thiết bị trong nhà máy, chứa các lệnh điều khiển, các logic vận hành và an toàn cho toàn bộ các thiết bị mà nó giám sát Bộ điều khiển AC800M có thiết

kế dự phòng (redundant) bảo đảm vận hành liên tục của nhà máy

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.6: Bộ AC800M và các module truyền thông

2.2.6.Tủ thu thập dữ liệu vào ra I/O

Tủ IO chứa các module vào ra số và tương tự, kết nối bằng cáp điện đến các thiết bị hiện trường như công tắc giật dây, công tắc lệch băng, các còi đèn…

Do số lượng các điểm vào ra chạy dọc theo chiều dài các tuyến băng tải, nên sẽ có nhiều tủ đấu dây phân tán bố trí gần các điểm vào ra để gom các tín hiệu vào ra thành cụm nhằm tiết kiệm dây cáp điện nối đến tủ vào ra trong trạm điện và tránh suy hao tín hiệu điện trên đường truyền

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.7 : Tủ thu thập tín hiệu I/O

2.2.7.Tủ trung thế và tủ biến tần

Vị trí đặt: Nhà điều khiển- Trạm dẫn động băng tải

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Tủ điều khiển, điều khiển biến tần thay đổi tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ.Toàn bộ hệ thống điều khiển, bảo bệ, thông tin tín hiệu đều được đấu liên động qua tủ, vìvậy người vận hành chỉ thao tác tại các công tắc trên tủ để vận hành băng tải

Trên mặt tủ có các đồng hồ đo, hệ thống đèn báo để nhận biết khi vận hành hoặc có

sự cố thiết bị Sử dụng các thiết bị đóng cắt, bảo vệ và truyền động vượt trội của ABB,các tủ trung thế đóng cắt cung cấp điện cho toàn bộ nhà máy, các biến tần điều khiển cácđộng cơ điện để kéo các băng tải Toàn bộ các tủ điện và biến tần được kết nối với hệthống điều khiển, giúp người vận hành theo dõi trạng thái, đóng cắt các tủ điện, điềukhiển các băng tải…

2.2.8.Kết nối tới các hệ thống điều khiển độc lập khác

Bao gồm máy nghiền đá, máy rải đá, các kết nối này giúp người vận hành giám sát

và điều khiển các hệ thống trên từ trạm vận hành trung tâm Các hệ thống trên cũng có thể được điều khiển tại chỗ, hệ thống OCS giám sát và đưa ra các cảnh báo an toàn phù hợp

Phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của các hệ thống đó, kết nối tới hệ thống OCS có thể dùng giao thức Profibus, Modbus… hoặc dùng các tín hiệu vào ra số và tương tự

2.2.9.Hệ thống camera giám sát

Hệ thống camera kết nối tất cả các camera giám sát trên cùng mạng TCP/IP, giúp giám sát an toàn các cửa đổ liệu, các máy nghiền, máy rải, nơi có các thiết bị nguy hiểm hoạt động Các máy tính giám sát của hệ thống camera đặt cùng với máy tính vận hành trong phòng điều khiển giúp người vận hành dễ dàng điều khiển thiết bị, cảnh báo cho công nhân, dừng thiết bị khi có sự cố…

2.3 Các thiết bị hiện trường

Để đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị, toàn bộ các tuyến băng tải, các thiết

bị có thể gây nguy hiểm cần phải được giám sát bằng các thiết bị an toàn phù hợp Dưới đây là một số thiết bị hiện trường cơ bản của hệ thống:

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Hình 2.8 : Các thiết bị và cảm biến trên một băng tải

2.3.1.Công tắc chống lệch băng (DS: Drift Switch)

Hình 2.9 : Công tắc chống lệch băng

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

Bố trí dọc 2 bên băng tải, công tắc chống lệch băng cảnh báo và dừng động

cơ khi băng bị lệch khỏi con lăn Tối thiểu 4 công tắc lệch băng cần được bố trí ở 2đầu băng tải cạnh lô cuốn băng, và tùy theo chiều dài, độ rộng băng tải cần bố trí các công tắc lệch băng bổ sung dọc theo băng tải

Nguyên lý hoạt động: ở trạng thái bình thường dây băng tải không chạm vàocần tác động của cảm biến Khi băng tải chạy lệch sẽ va vào cần tác động của cảmbiến làm kín mạch điều khiển, nếu cần tác động lệch đến 19o thì đèn trên tủ điềukhiển sẽ sáng báo hiệu băng chạy lệch, nếu lệch lớn hơn 35o thì sẽ tự động dừngbăng tải Thông báo bằng tiếng nói và đèn sẽ báo trên tủ PLC loại sự cố vừa xảy racho người vận hành biết

2.3.2 Cảm biến chống đứt băng / băng tải không làm việc (SS: Speed Switch)

Gắn ở tang trống bị động của băng tải, cảm biến này xác định tang trống bị động có chuyển động không khi động cơ đang quay Khi băng tải bị đứt, hay không thể chuyển động, hệ thống điều khiển sẽ dừng động cơ

2.3.3 Cảm biến chống tắc liệu

Được gắn ở phễu đổ liệu, cảm biến chống tắc liệu cảnh báo và dừng động

cơ khi liệu bị tắc dồn ứ thành đống ở phểu

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

2.3.4 Cảm biến căng băng

Cơ cấu căng băng dùng trọng lực hoặc cơ cấu thủy lực để làm căng băng, bảo đảm độ

ma sát ở 2 đầu tang trống kéo băng Sau một thời gian làm việc, băng bị trùng, hoặc do kẹt băng bị căng quá mức, cảm biến báo vị trí sẽ tác động để cảnh báo vận hành và dừng băng

2.3.5 Công tắc giật dây (RS: Rope Swtich)

Hình 2.10 : Công tắc giật dâyCông tắc giật dây bố trí dọc băng tải, được nối với nhau bằng dây chạy dọc chiều dài băng Khi phát hiện sự cố gây nguy hiểm, người vận hành tại hiện trường sẽ giật dây báo hiệu để hệ thống điều khiển dừng động cơ băng tải

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

2.3.6 Còi đèn cảnh báo (Warning Horn and Light)

Hình 2.11 : Còi đèn cảnh báo Còi đèn được bố trí ở nơi dễ nhìn thấy để gây chú ý cảnh báo cho người vận hành ở hiện trường trước khi băng tải hay các thiết bị nguy hiểm bắt đầu chạy

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

2.3.7 Cảnh báo nhiệt độ động cơ và nhiệt độ hộp số (TS01, TS02 Temperature Swtich)

Hình 2.12 : Cảnh báo nhiệt độ Cảm biến này gắn bên trong cuộn dây và ổ bi của động cơ, hộp số, khi động cơ và hộp số chạy quá tải trong thời gian dài sẽ gây phát nóng, hệ thống điều khiển sẽ dừng động cơ để bảo đảm an toàn cho thiết bị

2.3.8 Cảm biến chống rách băng

Trong quá trình băng tải chạy, nếu có các thanh kim loại dài, hoặc các tảng đá sắc nhọn mài trên mặt băng có thể làm băng bị rách dọc Cảm biến chống rách băng gồm lưới kim loại bên dưới mặt băng ở điểm đổ liệu vào băng gắn với công tắc báo vị trí Khi băng rách, đất đá rơi theo khe rách xuống lưới sẽ tác động vào công tắc báo vị trí và dừng băng để sửa chữa

Chương 2: Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống điều khiển và các thiết bị hiện trường

2.3.9 Đèn cảnh báo điều khiển xe tải

Ở phễu đổ liệu chính, các xe tải đổ liệu xếp thứ tự vào đổ liệu lên phễu Người điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm thông qua hệ thống đèn báo sẽ điều khiển các xe đổ liệu theo yêu cầu Việc điều khiển có thể được lập trình tự động hoặc điều khiển bằng tay

Hình 2.14: Đèn cảnh báo điều khiển xe vào đổ liệu

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIAO DIỆN VẬN HÀNH DÙNG PLC

3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển logic lập trình PLC

3.1.1 Sự ra đời của bộ điều khiển PLC:

- Từ thế kỉ trước, sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động có thể được kể đến quacác phát minh thành tựu:

• Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959

• Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965

• Bộ vi xử lý - năm 1974

• Dữ liệu chương trình - điều khiển

• Kỹ thuật lưu giữ

- Những phát minh này đã đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC, CNC, lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân biệt

Vào khoảng năm 1968, nhóm các kỹ sư hãng General Motors đã đưa ra các yêu cầu

kỹ thuật đầu tiên cho thiết bị điều khiển lo gic khả lập trình Mục đích đầu tiên là thay thếcho các tủ điều khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thế các rơ le do hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều bịđiều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển Các yêu cầu kỹthuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của

nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất Với thiết bị điều khiển khả lập trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC

Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le Các thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơ le Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả cácngành công nghiệp sản xuất khác

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Ngày nay, PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lý hoạt động, các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thìchúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất PLC khác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành Khi được bật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Rocwell, Fanuc, ABB… là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

sử dụng công nghệ tự động hóa

3.1.2 Các khái niệm cơ bản của PLC

- Các thành phần của một PLC thường có các modul phần cứng sau:

 Modul nguồn cung cấp

 Modul bộ vi xử lý trung tâm CPU

 Modul bộ nhớ chương trình và dữ liệu

 Modul giao diện vào và ra

 Modul phục vụ truyền thông

Hình 3.1 : Các thành phần cơ bản của một PLC

a) Nguồn cung cấp

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi

xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện trong các module còn lại (thường là

24V)

b) Bộ xử lý

Bộ xử lý hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý Bộ

xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra

Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên

các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được

kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả

ra đầu ra Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan)

Hình 3.2 : Thời gian quét

c) Thiết bị lập trình

Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là

• Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tươngứng

• Máy tính có cài đặt phần mềm là công cụ lý tưởng nhất

d) Bộ nhớ chương trình và dữ liệu

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là một phần mềmđiều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer, Counter được chứatrong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể chọn các bộ nhớ khácnhau:

 Bộ nhớ ROM: la loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác

 Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trìnhứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất điện Tuy nhiên,điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin

 Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xóa bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp

 Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM va EPROM, loại này có thể xóa

và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn

Bộ nhớ được thiết kế thành dạng modul để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau Muốn rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên modul CPU

e) Giao diện vào/ra

 Vào:

Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khả năng củaPLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến cũng như bằng các thiết bị nhậpbằng tay

Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút ấn, bàn phím và chuyển mạch Mặtkhác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng , PLC phải nhận cáctín hiệu từ các cảm biến Ví dụ: tiếp điểm hành trình, cảm biến quang điện, tín hiệu đưavào PLC có thể là tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog), các tín hiệu nàyđược giao tiếp với PLC thông qua các modul nhận tín hiệu vào khác nhau DI

(Digital Input) hoặc AI (Analog Input),

Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5v, 24v, 110v, 220v Các PLC cơ nhỏ thường chỉ nhập tín hiệu 24v

 Ra:

Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giao tiếp được vớithiết bị ngoài, các thiết bị ngoài thông dụng như: môtơ, van, rơle, đèn báo, chuông

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

điện, cũng giống như thiết bị vào, các thiết bị ngoài được nối đến các cổng ra của

modul ra (output) Các modul ra này có thể là DO (Digital Output) hoặc AO (ra tươngtự)

Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24v, 100mA; 110v, 1A một chiều; thậm chí 240v, 1A xoay chiều tuỳ loại PLC Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các module ra thích hợp

f) Module phối ghép và Module chức năng

Dùng để phối ghép bộ PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành và mạng truyền thông công nghiệp

Một số giao thức truyền thông phổ biến hiện nay: MPI, PROFIBUS DP, PTP (point to point)…

Ví dụ như hãng ABB có thể kết nối qua các chuẩn truyền thông chung hiện có như: Modbus, Profibus, Ethernet, Can Open

3.1.3 Các ngôn ngữ lập trình

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đốitượng sử dụng khác nhau Có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, nhưng có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản thường được sử dụng Đó là:

 Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic)

Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic

 Ngôn ngữ “Liệt kê lệnh” , ký hiệu là STL ( Statement list)

Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình đượcghép gởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh” + “toán hạng”

 Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD ( Function Block Diagram)

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Đây cũng là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người đã quen với mạch điều khiển số

3.1.4 Ưu điểm của PLC

Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệ

thống công nghiệp Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quả hơn PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau:

-Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tinh tiêu chuẩn hay tủ

điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các máy tính

thông thường

-Giá thành thấp : Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó có khả năng

thay thế hàng trăm rơ le

- Khả năng thich ứng với moi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ các vật

liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu.Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này

- Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có thể

giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếpnhờ các mô đun vào ra I/O

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ thang, tương

tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanh chòng và

dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình, bằngthẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng

3.1.5 Các ứng dụng của PLC trong công nghiệp

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

- Hệ thống nâng vận chuyển

- Dây chuyền đóng gói

- Các robot lắp giáp sản phẩm

- Điều khiển bơm

- Dây chuyền xử lý hóa học

- Công nghệ sản xuất giấy

- Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh

- Sản xuất xi măng

- Công nghệ chế biến thực phẩm

- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

- Dây chuyền lắp ráp Tivi

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông

- Quản lý tự động bãi đậu xe

- Hệ thống báo động

- Dây chuyền máy công nghiệp

- Điều khiển thang máy

- Dây chuyền sản xuất xe ôtô

- Sản xuất vi mạch

- Kiểm tra quá trình sản xuất

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

3.2 Giới thiệu về CPU AC800M của hãng ABB

Hình 3.3 : Khả năng ghép nối

3.2.1 Giới thiệu chung về CPU AC 800M

CPU AC 800M có thể được hiểu như một cấu trúc phần cứng mà ở đó các đơn vị phần cứng (hardware units) riêng lẻ được nối với nhau phụ thuộc vào cấu trúc của các phần tử và hệ điều hành được chọn có thể lập trình để thực hiện nhiều chức năng khácnhau Một khi cấu trúc phần cứng được xác định thì nó trở thành một AC 800M Controller

Những phần tử tạo nên một CPU AC 800M Controller:

 Các Processor unit (PM851/PM856/PM860/PM861/PM864/PM865)

 Các giao tiếp truyền thông cho các phương thức khác nhau(CI851/CI852/CI853/CI854/CI854A/CI855/CI856/CI857/CI858/CI80)

 Đơn vị kết nối CEX-Bus (BC810)

 Các đơn vị cung cấp các mức năng lượng khác nhau.(SD821/SD822/SD831/SS822/SS823)

 Nguồn dự phòng (SB831)

Một khi có thêm phần mềm điều khiển (Control Software) thì AC 800M

Controller sẽ hoạt động hoặc như một bộ chu trình điều khiển đứng một mình, hoặc như một Controller thực hiện những nhiệm vụ điều khiển tại một mạng điều hành bao gồm nhiều Controller nối với nhau, các trạm vận hành (Operator Station) và các

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Server Các hệ thống vào/ra có thể được nối với AC 800M Controller, trực tiếp với (S800I/O) hoặc qua PROFIBUS DP hoặc bus trường FOUNDATION Fieldbus AC 800M Controller thì được cấp phát không có Control Software Để tạo ra Controller

và Control Software thì trước hết cần thiết phải tải phần sụn (Filmware) và tạo ra những ứng dụng đặc biệt làm công cụ thiết kế Control Builder M AC 800M

Controller là sự tổ hợp nhiều phần tử (unit) được gắn trên các thanh ray nằm ngang (DIN-rail)

Các đặc điểm chính của AC 800M Controller:

 Sự kết nối của 192 tín hiệu I/O qua Electrical ModuleBus là sẵn có

 Sự kết nối của 1344 tín hiệu I/O qua Optical ModuleBus là sẵn có

 Sự kết nối của S100 I/O là sẵn có

 Cho phép kết nối một số lượng I/O qua PROFIBUS DP-V0 và PROFIBUSDP-V1

 Sự kết nối tới FOUNDATION Fieldbus High Speed Ethernet (FF HSE)

 Cho phép kết nối các nghi thức giao tiếp truyền thông của một số lượng lớn cáccổng RS-232C truyền thông nối tiếp

 Sự kết nối đến các mạng MasterBus 300

 Sự kết nối đến INSUM qua Gateway (Ethernet/LON)

 Sự kết nối đến ABB Drives là sẵn sàng qua DriveBus và ModuleBus

 Nguồn pin dự phòng được gắn sẵn trong bộ nhớ

 Dự phòng CPU (PM861/PM864/PM865)

Bộ điều khiển AC 800M được thiết kế để tạo ra những ứng dụng mang lại hiệu quả cao, bảo dưỡng thuận lợi cho những giải pháp ứng dụng từ các bộ điều khiển khả trình (PLC) cỡ nhỏ đến những ứng dụng để điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System), tổ hợp các điều khiển phân tán DCS và những ứng dụng điều khiển các hệ thống có tính toàn vẹn cao (High Integrity system)

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

System and user mem

CEX-bus controller

ModuleBus controller

CompactFlash

Logic

RCT CPU

Communication controller

Ethernet

CN1

+5V DC +3.3V DC

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Hình 3.6: Cấu tạo bên ngoài của một đơn vị bộ vi xử lý ( PM861)

Hình 3.7: Giản đồ khối chức năng của PM856/PM860

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Giản đồ khối chức năng như hình vẽ Bảng mạch CPU bao gồm bộ vi xử lý

(microprocessor) và bộ nhớ RAM, các Controller gắn liền với tất cả các giao tiếp truyền thông, đồng hồ thời gian thực (real-time clock), các LED chỉ báo, nút ấn INIT và một CompactFlash giao tiếp

Chức năng chính của board cấp nguồn là phát không liên tục, các nguồn có điện áp +5V

và +3.3V để cấp cho CPU và các phần tử I/O Bảng mạch còn bao bao hàm cách ly quang RS-232C truyền/nhận cho Server port, cùng với nguồn pin dự phòng cho bộ nhớ/đồng hồ thời gian thực (RTC) Board giới hạn đươc bố trí trong tấm cơ sở TP830 ( TP830 Baseplate),

là nơi xảy ra phần lớn các kết nối bên ngoài Board thì được nối đất đến thanh ray DIN (DIN-rail) xuyên qua vỏ bọc kim loại

Nguồn 24V DC đưa đến TP830 Baseplate, năng lượng của tất cả các unit trên Bus và MuduleBus điện

Trong cấu trúc CPU đơn, nó có thể được nối tới một khối S800 I/O trực tiếp tới ổ cắm ModuleBus điện được gắn sẵn ở vị trí trên cạnh bên phải TP830 Baseplate

Bảng 3.1 : Sự hoạt động của của một đơn vị xử lý PM8xx thông qua trạng thái của các

LED chỉ báo

- Trạng thái bình thường – OFF

- Restart (INT) tạm thời sáng F(ault)

- Cũng có thể được hoạt động bằng chương trình phần mềm

- Trạng thái bình thường – ON

- Restart (INIT) tạm thời bị tắt R(un) Khi khởi động lại nhấnnút ấn (INIT) (3 giây hoặc hơn) cho đến khi có ánh sáng R(un)

- Trạng thái bình thường – ON

- Khi nào sáng, chỉ báo bộ biến đổi CPU DC/DC đang phát điện áp một chiều +5V và +3.3V

- Không điều khiển bằng phần mềm

B(battery)

Xanh

- Trạng thái bình thường – ON

- Sáng khi điều kiện nguồn pin bên trong hoặc bên ngoài thõamãn

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

- LED thì được điều khiển bằng một phần mềm kiểm tra điện

áp nguồn pin – BATTOR (1)

Tx Vàng - Truyền dữ liệu (2) qua CN1+CN2 và COM3+COM4

Rx Vàng - Nhận dữ liệu (2) qua CN1+CN2 và COM4+COM4

Hợp lý cho PM861 / PM864 / PM865 PRIM

(primary)

Vàng

- Sáng trong cấu trúc đơn hoặc cấu trúc dự phòng

- Chỉ báo Primary CPU trong cấu trúc dự phòng

(2) Chỉ duy nhất CN1 cho PM851 Không kết nối tới CN2

Bảng 3.2: Các đầu nối của PM8xx/TP830

- Kiểm tra đầu vào nguồn dự phòng

- Kiểm tra đầu vào nguồn dự phòng

B+

B-Sự kết nối nguồn pin bên ngoài

- Dương nguồn ( pin)

-Âm nguồn (pin)

Tx

Rx

Sự kết nối ModuleBusCổng truyền dữ liệu (Optical)Cổng nhận dữ liệu (Optical)MODULEBUS Cung cấp sự mở rộng của I/O

CEX-BUS Cung cấp sự mở rộng các cổng truyền thông trên bảng mạch

Đầu nối liên

kết RCU

Cung cấp thông tin và truyền dữ liệu giữa CPU chính và dự phòng trong cấu trúc dự phòng

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

Bảng 3.3 : Các thông số chi tiết của các bộ vi xử lý

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

3.2.3 Các module I/O

S800 I / O là một hệ thống module phân phối và giao tiếp với

bộ điều khiển qua PROFIBUS-DP / DPV1 hoặc trực tiếp (thông qua Modulebus)

Hệ thống S800 I / O được gắn kết trên DIN rail ,bao gồm Fieldbus Truyền thôngGiao diện, Modulebus Modems, S800 I / O module và Module Temination Units

(MTU)

Phụ thuộc vào yêu cầu lắp ráp (ngang hoặc dọc) và vào nhu cầu chấm dứt lĩnh vực (cung cấp năng lượng, kết hợp, vv) có rất nhiều của MTU để lựa chọn

S800 I / O kết nối với PROFIBUS- DP / DPV1:

• Dòng Giao diện truyền thông CI801 hoặc CI840 là I / O trạm chủ

• Tối đa 24 I / O module mỗi I / O trạm

• 1 tấm cơ sở I / O cluster có thể chứa lên đến 12 I / O module (kết nối qua Electrical

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

• Thêm 1-7 cụm I / O với lên đến 12 I / O module cho mỗi cụm (kết nối qua

Modulebus quang, sử dụng Modulebus Modems)

Hình 3.8: Sự kết nối bên trong của AC 800M với S800 I/O trong cấu hình CPU đơn

Hình 3.8 là những ví dụ về các cách khác nhau để nối các S800 I/O Có thể nhận thấy một nhóm các phần tử nằm ở bên phải (số lượng phần tử tối đa là 12) được nối tới ModuleBus điện của một AC 800M Controller Tuy nhiên, một nhóm bảy ở bên kia ( tối

đa có 12 phần tử) có thể được thêm vào ModuleBus quang Như vậy, nối các phần tử (sử dụng Modulebus) đến một AC 800M Controller đặt cùng một bộ xử lý thì bị hạn chế với một nhóm (Cluster) ModuleBus điện và một nhóm ModuleBus quang Bên trái hình vẽ làmột phần của PROFIBUS DP, nó cho phép tăng số lượng các phần tử nối vào mỗi AC

Chương 3: Thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển, giao diện vận hành dùng PLC

800M Controller Ở đây phần được giới thiệu có một phần tử FCI (kiểu CI830) nối đến mạng PROFIBUS DP Sử dụng những phần tử FCI cho phép ta chọn lọc các phần tử từ vài họ I/O

Bảng 3.4 : Thông số của S800L I/O modules