thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mềm wicc

thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mềm wicc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đề tài của nhóm thực hiện là về một nhà kho tự động Nhà kho sẽ gồm cácthiết bị phần cứng phù hợp để giúp cho việc nhập hàng từ bên ngoài vào và xuấthàng từ bên trong ra Trong đồ án chúng em sẽ thực hiện phân biệt độ cao của sảnphẩm để đánh dấu mã hàng của sản phẩm Hệ thống phần cứng sẽ bao gồm các cảmbiến, cơ cấu chấp hành khí nén

Ngoài ra nhóm cũng trang bị thêm một hệ thống HMI hoàn chỉnh để phục vụviệc quản lý kho hàng một cách tốt nhất Các vấn đề xuất nhập sẽ được quản lýhoàn toàn bằng HMI và dữ liệu thu thập từ nhà kho sẽ được ghi nhận, sau đó lưu trữvào các máy tính trạm để phục vụ cho việc theo dõi, quản lý trong thời gian sau.Các giá trị cảm biến, các sự kiện của kho hàng và tổng hợp về hoạt động của khohàng có thể được xem trực tiếp từ HMI

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhóm chọn đề tài về việc quản lý kho bởi vì hoạt động của một kho hàng làmột trong các hoạt động thiết yếu của một hệ thống sản xuất Việc sản xuất ra cácsản phẩm phải được đảm bảo về vấn đề bảo quản và bảo vệ để tránh dẫn đến việcsai sót của sản phẩm hoặc mất mát sản phẩm.Ngày nay,việc sử dụng các hệ thốngSCADA trở nên rất phổ biến và cần thiết trong tất cả các hệ thống tự động.Việcgiám sát và thu thập dữ liệu giúp người quản lý thực hiện công việc dễ dàng hơn và

hệ thông được kiểm soát tốt hơn qua đó tránh khỏi một số sự cố khi hoạt động vàngăn chặn kịp thời các sự cố bất ngờ

Và nhóm thấy được sự thiết yếu cần phải đảm bảo được sự hoạt động ổnđịnh cho một kho hàng để đảm bảo sự trơn chu của cả một dây chuyền sản xuất.Nếu một kho hàng hoạt động tốt thì việc sản xuất sẽ được đảm bảo hơn

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu mà nhóm muốn hướng tới là:

 Hoạt động thực tế của một kho hàng

 Cách sử dụng các cơ cấu chấp hành khí nén

 Cách sử dụng và xử lý tín hiệu từ các cảm biến được sử dụng trong hệ thống

 Hệ thống SCADA của một nhà kho

 Điểu khiển động cơ bước

 Cách cài đặt và sử dụng các phần mềm chuyên dụng cho các HMI và hệ thốngSCADA và các ứng dụng Alarm, để phục vụ việc quản lý và điều hành trongthực tế

4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Đối với phần cứng thì đề tài không thể đáp ứng được sự hoạt động chính xáchoàn toàn như với thực tế do kinh nghiệm của nhóm còn ít và chưa được tiếp xúcnhiều với việc nhập xuất hàng của các nhà kho Nên mô hình sẽ có hạn chế về sốlượng sản phẩm có thể chứa được

Đối với hệ thống SCADA thì nhóm không thực hiện được một hệ thôngSCADA đầy đủ cho nhà kho mà chỉ thực hiện hoạt động xuất nhập kho của hệthống

Phần mềm là một rào cản khá lớn trong việc thực hiện đề tài lần này bởi vìcác phần mềm công nghiệp đòi hỏi các chi phí rất cao và các phần mềm này khôngphục vụ cho việc nghiên cứu của sinh viên nên việc tiếp cận các phần mềm này làmột thử thách lớn với nhóm Nên trong đề tài sẽ có những hạn chế về phiên bản, độbảo mật, sự hoàn chỉnh của HMI

5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài này mà nhóm muốn hướng đến:

 Xây dựng mô hình nhà kho tự động hoạt động tố,độ chính xác cao,có phân loại sản phẩm

 Thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mền wicc

6 DÀN BÀI NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu về hoạt động thực tế của kho hàng dựa vào Internet và kết hợp vớiviệc thực tập tại nhà máy

 Tìm hiểu các mô hình đã thực hiện trước kế thừa và thực hiện cải tiến mô hình

 Nghiên cứu PLC và viết giải thuật, viết chương trình cho PLC để điều khiển môhình

 Nghiên cứu các phần mềm giám sát SCADA, chọn và cài đặt phần mềm

 Nghiên cứu và thực hiện xây dựng, lập trình giám sát hệ thống trên phần mềm

 Nguyên lý và cách sử dụng cảm biến ,động cơ và hệ thống khí nén,PLC S7-1200

và Những kiến thức về lập trình PLC bằng phần mềm TIA PORTAL

 Thiết kế hệ SCADA bằng wincc

8 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung:

 Giới thiệu về các kho hàng thực tế sử dụng và giới thiệu mục đích và hướng

đi của đồ án Từ đó nhóm sẽ bám theo yêu cầu đó để thực hiện một cách thậtsát đảm bảo đúng với nhiệm vụ cần thực hiện

 Giới thiệu về phần cứng, các nguyên lý cũng như các hoạt động của các cơcấu chấp hành, cảm biến và PLC Trong chương cũng có giới thiệu về khínén cũng như các hoạt động phần cứng có liên quan

CHƯƠNG 3: THI CÔNG PHẦN CỨNG

Nội dung:

 Đưa ra các mục tiêu để hoàn thành phần cứng để đạt được các nhiệm vụ củamột kho hàng và hình ảnh về mô hình đã thực hiện theo các mục tiêu đã đềra

 Lựa chọn thiết bị cho mô hình

 Sơ đồ kết nối phần cứng giúp con người vận hành hiểu rõ về cấu trúc củatoàn hệ thống

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

Nội dung:

 Yêu cầu điểu khiển của hệ thống

 Trình bày lưu đồ và giải thuật điểu khiển và chương trình giám sát hệ thốngCHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Nội dung :

 Các kết quả thu được từ phần cứng và phần mền

 Quá trình chạy kiểm tra hệ thống

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Nội dung:

 Tổng kết những kết quả đạt và chưa đạt được trong đề tài Đưa ra hướng pháttriển đề tài sau này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1GIỚI THIỆU VỀ KHO HÀNG

2.1.1Mục đích quản lí kho hàng thực tế

Trong những thập niên gần đây, thế giới chứng kiến sự thay đổi mạnh mẽcủa các nền đại công nghiệp Cùng với đó là một khối lượng lớn các sản phẩm,hàng hóa được tạo ra mỗi ngày, phục vụ nhu cầu con người Nhưng các sản phẩmxuất ra không phải lúc nào cũng được đưa đến nơi tiêu thụ, điều đó đòi hỏi một nơicất giữ hàng hóa tiện ích và đủ lớn Đáp ứng xu thế đó, ngày nay có rất nhiều cácdoanh nghiệp coi việc xây dựng “quản lí kho hàng” là cốt lõi chiến lược trong sựphát triển kinh doanh của doanh nghiệp

Sự ra đời của các kho hàng không chỉ đem lại diện mạo mới cho các công ty,

tổ chức, cá nhân sản xuất hàng hóa Mà nó đem lại sự tiên lợi cho các đối tác kinhdoanh, trong việc xuất nhập khẩu các sản phẩm Mặt khác nó còn tăng năng suấtlaođộng, đảm bảo chất lượng sản phẩm…

2.1.2Giới thiệu một số kho hàng

Dưới đây là một số kho hàng thực tiện được áp dụng trong công nghiệp:

Hình 2.1 Mô hình kho hàng tự động tại Việt Nam

2.1.3Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng

Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng tự động hiện nay hầu hết là cácPLC của các hãng lớn như Siemens, Mitsubishi, Omron, Rockwell, Schneider.Trong đó dường như dòng PLC của Siemens là được sử dụng nhiều nhất bởi vì tínhđơn giản, khả năng hoạt động tốt ở môi trường công nghiệp và dễ bảo trì sữa chửa

Các dòng PLC S7-300, S7-400 được sử dụng nhiều hơn cả và được các nhàkho tin dùng bởi tính tương thích cao với các cảm biến và thiết bị ở nhà kho DòngS7-300 và S7-400 là dòng PLC hiện đang được rất thịnh hành với việc khai tử dòngS7-1200 của Siemens Không chỉ các nhà kho mà tại các nhà máy các loại PLC nàycũng chiếm ưu thế

2.1.4 Các phần mềm giám sát tại các kho hàng

Các phần mềm giám sát tại các kho hàng đa phần là các phần mềm giám sát

và điều khiển của chính hãng của PLC đang sử dụng trong nhà kho Ngoài ra còn cócác phần mềm giám sát của các hãng khác có hỗ trợ loại PLC đang sử dụng

Có thể các phần mềm là do công ty yêu cầu hoặc do công ty thiết kế và thicông tự lựa chọn Việc lựa chọn các phần mềm phụ thuộc rất nhiều vào tính năngcủa phần mềm có phù hợp với nhà kho hay không

Điển hình các phần mềm thường dùng ở nhà kho là WinCC cho các dòng

S7-300, S7-400, S7-200 hoặc Citech cho các dòng PLC của Schneider

2.2 PHƯƠNG ÁN NHÀ KHO NHÓM THỰC HIỆN

Phương án thực hiện mô hình nhà kho mà nhóm thực hiện là muốn đảm bảomột nhà kho có thể hoạt động như một nhà kho dịch vụ hoặc nhà kho tại nhà máy

Nhà kho dịch vụ là các nhà kho dành cho các công ty chỉ chuyên thực hiệnviệc làm kho cho các công ty khác Các công ty này sẽ bảo đảm việc hoạt động khocho các công ty họ hợp tác

Nhà kho tại nhà máy là nhà kho mà các nhà máy tự thành lập và họ tự sửdụng nhân lực của mình để đảm bảo việc hoạt động của kho

Và mô hình nhà kho của nhóm luôn hướng tới việc thực tiễn hóa các quátrình hoạt động của một nhà kho tự động:

Khi xuất kho có thể xuất tất cả hoặc xuất theo (có thể là mã sản phẩm): theo

độ cao Hệ thống gắp bằng xi lanh di chuyển đến vị trí gắp hàng ra băng tải và băngtải đưa sản phẩm ra kho

Và vấn đề giám sát và điều khiển tự động sẽ được đặt lên hàng đầu để giảiquyết kho hàng này Phương án phải đảm bảo thực hiện hoàn chỉnh về phần xuấtnhập và quản lý kho hàng một cách chặt chẽ nhất

Để thực hiện được những ý tưởng của mình thì nhóm cần đến sự hỗ trợ củacác loại phần cứng cũng như phần mềm tự động của các công ty có uy tín

2.2.1Vấn đề về phần cứng

Phần cứng là một phần cốt lõi của nhà kho vì vậy nhóm quyết định chọn cácloại phần cứng của các hãng có uy tín để đảm bảo việc hoạt động chính xác củatoàn nhà kho đang thực hiện

Cảm biến: Cảm biến trong nhà kho là các cảm biến của các hãng sản xuất

lớn có uy tín điển hình là Omron

Cơ cấu chấp hành: là các loại van khí nén và xi lanh của nhà sản xuất

Airtac và động cơ kéo băng tải là động cơ hộp số của Nhật Bản

Hệ thống khí nén: được đảm bảo bởi bình khí nén hoạt động tự động bom

khi áp suất không đảm bảo giúp mô hình nhà kho hoạt động luôn ổn định

PLC: PLC nhóm sử dụng là loại PLC S7-1200 của Siemens Loại PLC này

là PLC có thể hoạt động khá ổn định Nó là tiền thân của PLC S7-200 mà Siemens

đã khai tử Nhóm chọn PLC S7-1200 bởi vì S7-1200 là một PLC mới mà nhómmong muốn được tiếp cận

1.

2.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SCADA

Dưới đây là sơ đồ một hệ thống SCADA:

Hình 2.2Sơ đồ hệ thống SCADA

SCADA hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và

thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ

xa

2.3.1Các thành phần của hệ thống

Cấu trúc một hệ Scada có các thành phần cơ bản sau:

Trạm điều khiển giám sát trung tâm: Là một hay nhiều máy chủ trung tâm

(central host computer server)

Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ

xa RTU (Remota Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành

(cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)

Hệ thống truyền thông: Bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các

thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệucấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ

Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị

hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt độngcủa hệ thống

2.3.2Cơ chế thu thập dữ liệu

Trong hệ Scada, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

2.3.2.1Xử lí dữ liệu

Dữ liệu truyền tải trong hệ Scada có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse) Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu

cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để

hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tạimột thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi

Một ưu điểm lớn của hệ Scada là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệthống xảy ra sự cố Nhìn chung khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trongcác cách xử lí sau:

Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong các hệ Scada có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm

dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ Scada đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này

sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ Scada có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…)

2.4CÁC ĐIỂM MỚI CỦA HMI

2.4.1Alarm

Alarm cũng là một phương thức cảnh báo không thể thiếu trong các hệ thống

tự động hiện đại Việc trang bị Alarm cho hệ thống tự động của nhà máy sẽ giúp người vận hành và người giám sát biết được các thông tin hoạt động của toàn nhà máy gồm các cảnh báo trước về mức điện áp quá thấp hay quá cao, tải nặng hay báođộng báo tải ngừng hoàn toàn hệ thống và các thông báo về việc xuất hàng và nhập hàng, v.v

Hình 2.3 Bốn loại Alarm

Alarm cũng được chia thành nhiều loại và hình thái khác nhau tùy vào cách sử dụngcủa người thiết kế Nhưng cơ bản vẫn có 4 loại Alarm là:

Đồ thị biểu thị mức :

PROFIBUS PA đã được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy trong các lĩnh vựccông nghiệp khác nhau Tuy nhiên, một hệ thống giao tiếp tích hợp như PROFINETthực sự cần thiết để kích hoạt tính năng tích hợp tập trung các thông số quá trìnhcủa nhà máy với các ứng dụng hạ nguồn kết hợp các quá trình riêng lẻ như điền đầy

và đóng gói

Vì lý do này mà PI (PROFIBUS & PROFINET International) thiết lập mộtnhóm làm việc bao gồm các công ty sản xuất (ABB, Emerson, Endress+Hauser,Pepperl+Fuchs, Siemens, Softing, Stahl, và Yokogawa) với nhiệm vụ ban đầu làxác định đặc điểm cụ thể của các các ngành công nghiệp quá trình Ngoài ra, cũng

là để đáp ứng đề xuất của NAMUR (một hiệp hội người sử dụng toàn cầu về côngnghiệp quá trình) Bên cạnh việc mở rộng chu kỳ sản xuất, vận hành nhà máy liêntục, các cơ cấu chấp hành và cảm biến phức hợp một thử thách chính là số lượngcủa các thiết bị (lên đến 100000 tín hiệu I/O) Hơn thế nữa, thời gian sử dụng củacông nghiệp quá trình thường rất dài Chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy các hệ thốngđiều khiển được sử dụng hai mươi năm và ở các nhà máy khác thậm chí còn cũ hơn

Những đặc tính trên luôn là trở ngại trong việc giới thiệu các công nghệ mớitrong thời gian trước Mặc dù vậy, PROFINET vẫn có triển vọng trong lĩnh vực nàyvới các ứng dụng liên quan đến quá trình lĩnh vực công nghiệp quá trình nhờ vàokhả năng linh hoạt của nó Tuy nhiên, để thiết lập PROFINET trên diện rộng cần cónhững yêu cầu đặc biệt phải được thi hành Nỗ lực này tập trung vào bốn khu vựcchính:

Bảo tồn vốn đầu tư

Để bảo tồn vốn đầu tư, việc tích hợp liên tục vào hệ thống fieldbus phải đượcthực hiện Nhiều nhà máy công nghiệp quá trình đã được vận hành trong vài thập kỷ

và đã được lắp đặt một lượng lớn các thiết bị mạng, các bộ điều khiển và hệ thốnggiao tiếp Tiếp tục sử dụng cơ sở lắp đặt này là mục tiêu hướng đến Làm thế nào đểđảm bảo điều này? Bằng phương pháp khái niệm proxy, ba hệ thống truyền thôngtrong một các ngành công nghiệp quá trình – PROFIBUS PA, Hart và FoundationFieldbus – có thể được tích hợp vào một mạng PROFINET cao cấp hơn Proxy đảmnhận trách nhiệm việc thực thi vật lý và các giao thức và đảm bảo việc trao đổi mọiI/O, chẩn đoán và phân phối thông số dữ liệu cũng như cảnh báo với các thiết bịmạng

2.5.1Cấu hình trong vận hành

Những nhà máy hóa chất vận hành liên tục trong hầu hết các trường hợp, khảnăng sẵn sàng của nhà máy luôn được đặt ưu tiên hàng đầu Thật sự không thể

tưởng tượng được mức độ thiệt hại khi phải dừng một cột trước khi thay đổi thông

số hoặc thay thế một thiết bị Trong quá trình vận hành Các thiết bị và mạng phải cókhả năng cấu hình lại và phải có khả năng thêm vào, gỡ bỏ và thay thế các thiết bịhoặc các đơn vị độc lập Nhờ các tính năng tự động phát hiện và dò tìm các kiểumạng (topology), các thiết bị được phát hiện một cách tự động và định vị chính xác.Điều này cho phép phát triển các giải pháp tiện lợi, tin cậy cho việc thay thế cácthiết bị, thay đổi các thông số được bộ điều khiển chỉ định tự động Mọi điều chỉnh

“Cấu hình trong vận hành” (CiR) được thực hiện với PROFINET mà không gây rabất kỳ sự gián đoạn và hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến mạng giao tiếp Điềunày đảm bảo việc sửa chữa, thay đổi hoặc mở rộng nhà máy có thể được tiến hành

mà không cần phải dừng nhà máy cũng như vẫn có thể tiến hành các quá trình sảnxuất

2.5.2Thời gian đồng bộ hóa và thời gian hệ thống

Trong tự động hóa nhà máy điện, một giá trị được đặt ra đặc biệt cao là việctheo dõi đúng các các tín hiệu quá trình độc lập kịp thời Điều này đặc biệt quantrọng khi các khu vực tự động hóa độc lập có vấn đề Sau này, người vận hành nhàmáy muốn chính xác thông tin nào được gửi đi và vào thời điểm nào Sau đó anhcòn có thể thực hiện các phân tích để tìm ra nguyên nhân thực sự gây ra lỗi Độchính xác 1ms rất quan trọng cho mục đích này

Điều này đòi hỏi một thời gian hệ thống để đo lường các giá trị số và tương

tự và cảnh báo các giá trị ở mức chính xác đến mili giây Một điều kiện tiên quyết

để thực hiện điều đó là một sự đồng bộ hóa thời gian chính xác của các linh kiệnliên quan: sử dụng đồng hồ tổng thể hệ thống trung tâm (ví dụ: GPS hoặc DCF77),một tổng thể đặc biệt được lựa chọn cho mục đích truyền tín hiệu đồng hồ tuần hoàn

ở khoảng cách bằng nhau đến mọi điểm truyền dẫn, nên đã đồng bộ hóa chúng.Điều này đảm bảo các thiết bị I/O có thể cung cấp thông tin thời gian thực, các cảnhbáo và các sự kiện quan trọng khác với thời gian hệ thống được dựa vào thời giantiêu chuẩn đã được chuẩn hóa Bằng cách thu nhận các sự kiện tại một thời điểm sosánh, một bản mô tả và phân tích chính xác các lỗi có thể xảy ra Bởi vì không phảicác thiết bị mạng nào cũng có thời gian hệ thống, một hệ thống lại có thể được sửdụng Điều này đã được đảm bảo

2.5.3Khả năng mở rộng dự phòng

xảy ra, kèm theo thông tin trạng thái đường truyền liên quan đến nguyên nhân gây

ra gián đoạn Người dùng có thể quyết định dùng bộ điều khiển dự phòng, mạng dựphòng, thiết bị dự phòng hoặc thiết bị giao tiếp dự phòng Hơn nữa, thời gian phụchồi của hệ thống giao tiếp phải đủ nhanh để tránh làm xáo trộn quá trình Tất cả cácthành phần dự phòng phải có khả năng chẩn đoán để có thể chẩn đoán được các lỗi

và thay thế các thành phần bị lỗi

2.5.4Khái niệm thống nhất

Nhiều người dùng thể hiện mong muốn một hệ thống giao tiếp tích hợp trởthành cấp độ trường PROFINET kích hoạt một đường trực tiếp đến các hệ thốngMES và ERP, trong khi đồng thời tạo điều kiện sử dụng các dịch vụ Internet có cácmục đích như bảo trì từ xa, tích hợp truyền thông không dây hoặc quản lý mạngthông minh PROFINETcó thể nhận ra các cấu trúc mới Sự phân phối các tín hiệulinh hoạt cho phép các tín hiệu được chỉ định đến các bộ điều khiển trong mạngPROFINET mà không cần đi dây lại Điều nay hỗ trợ trong tương lai nhà máy mởrộng, ngay cả khi thêm vào các quá trình liên tục Trong thời gian dài nó cũng giúpcho việc lên kế hoạch các hệ thống tự động hóa dễ dàng hơn vì các dây chuyền độclập vẫn có thể được mở rộng Hiện nay, so với các cấu trúc dựa vào mô hình lớp củakim tự tháp tự động hóa quy ước bằng phẳng hơn và do đó các cấu trúc đem lại hiệuquả kinh tế cao hơn có thể hình dung ra được, đặc biệt là cho các ứng dụng nhỏhơn

2.5.5 Triển vọng

Với việc hoàn thành ứng dụng “PROFINET trong Tự động hóa quá trình”, PI(PROFIBUS & PROFINET International) đã tiến một bước đến khái niệm truyềnthông đồng nhất trong các ngành công nghiệp sản xuất và quá trình Các điều kiệntiên quyết cho việc này chính là phải thực hiện các yêu cầu cụ thể quá trình Phầncòn lại hiện nay chỉ là thực hiện một số công việc liên quan như xem xét các nguyêntắc bảo mật, phối hợp với FDI, phát triển các thông số kiểm tra thiết bị và chứngnhận các thiết bị đạt tiêu chuẩn PROFINET Từ đầu năm 2011 có thế thi hành cácsản phẩm PROFINET trong tự động hóa quá trình, mở ra một triển vọng hoàn toànmới cho các ngành công nghiệp này

Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ ra OUT

Cảm biến quang có những ứng dụng hết sức mạnh mẽ và linh hoạt trong ngành công nghiệp nói riêng và điện tử nói chung

Cảm biến quang gồm các loại:

Hình 2.6Các loại cảm biến quang

 Cảm biến quang thu phát riêng

 Cảm biến quang phản xạ qua gương

 Cảm biến quang thu phát chung

Ưu và nhược điểm của từng loại cảm biến quang

 Cảm biến quang nhìn chung luôn có nhiều ưu điểm hơn so với các loại cảm biến khác (cảm biến từ, cảm biến điện dung….)

 Cảm biến quang không tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên tuổi thọ, độ bền sẽ cao hơn

 Khoảng cách phát hiện vật của cảm biến quang khá xa, việc này giúp cho việc thiết kế cũng như lắp đặt đễ dàng hơn

 Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu hết các loại vật thể, vật chất

2.6.2 Cảm biến quang thu phát riêng

Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng Bộ phát truyềnánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phầnnày thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến

Ưu điểm:

 Khoảng cách phát hiện xa nhất trong các loại cảm biến quang

 Loại này có thể hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt (như bụi, ẩm,

độ nhiễu cao,)

Nhược điểm:

 Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt

 Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt

 Giá thành sản phẩm cao

2.6.3 Cảm biến quang phản xạ qua gương

Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, vàphản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến

sẽ phát tín hiệu ra

Ưu điểm:

 Giá thành thấp hơn loại thu phát

 Lắp đặt dễ hơn loại thu phát

 Chỉnh định dễ dàng

 Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được,

có thể dùng kính lọc phân cực

Nhược điểm:

 Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m)

 Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

 Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ởmột số khoảng cách ngắn nhất định

2.6.4 Cảm biến quang thu phát chung

Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể Vật này sẽ phản xạlại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kíchhoạt tín hiệu ra

Ưu điểm:

 Dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt vì chỉ cần một vị trí

 Do có một thiết bị nên việc đấu dây cho hệ thống dễ dàng hơn

 Ứng dụng: Dụng phổ biến trong việc phát hiện vật thể trong các băng

 Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương

 Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán

2.6.5 Cảm biến siêu âm

2.6.5.1 Giới thiệu chung

Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên 20kHz) Cảmbiến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu

âm Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loạihoặc không phải kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục

Cấu tạo của cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính:

 Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm

 Bộ phận so sánh

 Mạch phát hiện

Dưới đây là sơ đồ biểu diễn nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm:

Hình 2.7Nguyên lý cảm biến siêu âm

Nguyên lý sóng siêu âm của cảm biến: khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộphận so sánh sẽ tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận vàvận tốc âm thanh

Dưới đây là biểu đồ biểu diễn thời gian truyền sóng của cảm biến siêu âm:

Hình 2.8 Thời gian truyền sóng đi của cảm biến

Sóng siêu âm được truyền trong không khi với vận tốc là 343 m/s Nếu mộtcảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo đượckhoảng cách thời gian từ lúc phát đến lúc thu về, thì có thể tín được quãng đường dichuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ gấp 2 lần khoảngcách từ cảm biến tới vật, theo hương phát của sóng siêu âm Hay ta có công thức :

D= V * T / 2D: là khoảng cách từ vật tới cảm biến

V=343 m/s vận tốc sóng siêu âm truyền trong không khí

T: là thời gian lúc phát cảm biến tới khi nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến Trình bày về đặc tính kỹ thuật của cảm biến Cảm biến có 2 loại ngõ ra làPNP/NPN ngõ ra của cảm biến là giá trị Analog 4 – 20mA, với mức điện áp 0 –10V

Hình 2.9 Một số hình ảnh cảm biến siêu âm

-Mạch ngõ ra

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến có thể là tương tự hoặc số,tín hiệu cảm biến tương tựbáo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến tínhiệu từ cảm biến số chứa đựng thông tin khoảnh cách của đối tượng đến cảm biến

Ưu điểm của cảm biến siêu âm:

 Khoảng cách của cảm biến có thể phát hiện được khoảng cách xa

 Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc bề mặt củavật ,hay tính chất phản xạ của ánh sáng của đối tượng

Tín hiệu của cảm biến tiệm cận analog là tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách điều nàyđặc biệt cho các ứng dụng theo dõi mức hoặc xách định khoảng cách ,mức chuyểnđộng của đối tượng

Nhược điểm :

 Cảm biến siêu âm yêu cầu bề mặt của đối tượng có một bề mặt tốithiểu

 Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của song

âm thah tạp âm

 Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lầnphát song đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi ,cho nên kết quả nhận vềchậm hơn cảm biến khác

 Nhiệt độ bề mặt của đối tượng làm ảnh hưởng đến sóng phản hồi

2.6.5.2 Quá trình xử lý tín hiệu analog in/out

Dưới đây là sơ đồ thể hiện quá trình xử lý tín hiệu anlog:

Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang giá trị số được mô tả như hình sau :

Hình 2.11 Chuyển đổi tín hiệu

Trong plc s7-1200 giá trị full scale là 27648, giá trị được chuyển đổi này sẽ được lưu vào địa chỉ %IW64 hoặc %IW66,trường hợp ngõ ra sẽ được lưu vào địa chỉ

Hình 2.12 Cảm biến siêu âm

- Với ngõ ra áp là 0-10v,dòng là 4mA-20mA đối với sử dụng plc 1214c

DC/DC/DC,với ngõ vào analog mặc định của plc là điện áp trong cảm biến này nhóm em sử dụng ngõ ra của cảm biến là điện áp với giá trị là 0-10V

- Khoảng cách tầm đo của cảm biến đọc được thực tế ở ngoài là 4 -40inch dựavào công thức tam suất ta có mối liên hệ

Dưới đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách đo được và điện áp ngõ ra của cảm biến

-Giá trị adc đọc đươc có mối liên hệ với điện áp được biểu thị theo đồ thị

Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cảm biến và giá trị số

2.7 Động cơ

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các loại động cơ thông thường chúng thực chất là một loại động cơ đồng bộdùng để biến đổi các tín hiệu điểu khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp làcác chuyển định góc quay hoặc các chuyển định rotor và có khả năng cố định mộtxung của nó bằng một bước

Hình 2.17 Động cơ bước

Nguyên lý hoạt động chung của động cơ bước :

Khác với động cơ bước thông thường ,rotor của động cơ bước không có cuộn dâykhởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số

Động cơ bước có 3 loại động cơ :

-Động cơ bước nam châm vịnh kiểu

-Động cơ bước có từ trở thay đổi

-Động cơ bước kiểu hỗn hợp

Ở đề tài này chúng em sừ dụng động cơ bước để quay thanh trục vit me để di chuyển cánh tay nâng hạ tải đến vị trí mong muốn:

Hình 2.18 Vitme

N là số vòng quay của động cơ bước.

Từ công thức [1] ta tính được số xung cấp vào động cơ bước theo quãng đường khi chọn chế độ full step như sau:

Trong đó : M là số xung cần tính

500 là số xung cần thiết để động cơ quay 1 vòng

Phương pháp điều khiển: Sử dụng bộ phát xung PTO1 có qua bộ đếm xung HSC1 của PLC S7-1200, được quy định trong PLC là chân Q0.0 ( chân pulse) và chân Q0.1 ( chân direction) để cấp vào chân CW và CCW của bộ điều khiển động

cơ bướcđể điều khiển động cơ

Ví dụ: Để cánh tay nâng hạ tải đi lên 1 quãng đường 100 mm thì ta sẽ tính được

số xung cần cấp cho driver là M = (100/10).500 = 5000 (xung)

Vậy ta sẽ xuất 5000 xung ở ngõ ra Q0.0 và cho ngõ ra Q0.1=1 để cấp vào bộ điều khiển động cơ để động cơ nâng cánh tay đến vị trí mong muốn

Ưu điểm của động cơ bước :

 Momen ở chế độ giữ lớn

 Điểu khiển dễ dàng chính xác động cơ bước có độ chính xác 3-5 phần trăm.của mỗi bước,không tích lũy sai số của bước tiếp theo

 Dễ ràng khởi động , dừng và thay đổi chiều động cơ

 Có cấu tạo đơn giản ,ít tốn kém ,dễ điểu khiển

 Tốc độ quay tỷ lệ với xung đầu vào

 Nhược điểm động cơ bước

 Rất khó để hoạt động tất độ cao

nguy hiểm, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưngtruyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những thiết bịnhư búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh…và nhiều nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹpchặt trong các máy

Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứngdụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp khí nén và điện – điện tử là nhân tốquyết định cho sự phát triển của kĩ thuật điều khiển trong tương lai

2.8.1Khả năng ứng dụng của khí nén

Trong lĩnh vực điều khiển

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đónguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp cácchi tiết nhựa, chất dẻo, hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện

tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao Ngoài ra hệ thống điềukhiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong cácthiết bị vận chuyển, và kiểm tra các thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì

và trong công nghiệp hóa chất

Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển động thẳng trong cácdụng cụ, đò gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy giacông gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô

Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

 Khô và không lẫn bụi bẩn

Các tiêu chuẩn này mới chỉ đáp ứng các yêu cầu chung và được dùng trongcác công việc như làm sạch môi trường, sản phẩm, bơm hơi…

Để một hệ thống khí nén làm việc bền vững, liên tục và tin cậy, nguồn khínén cần phải được tăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tửđiều khiển

Máy nén khí

Việc lựa chọn máy nén khí dựa theo yêu cầu về áp suất làm việc của các cơcấu chấp hành (Xy lanh, động cơ, giác hút…và được lựa chọn theo yêu cầu côngnghệ) và các yêu cầu khác như kích thước, trọng lượng, mức độ gây tiếng ồn củamáy nén khí

Máy nén kiểu Piston

P=250bar

Lưu lượng xấp xỉ 10m3/giây Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích.Piston đi xuống sẽ hút không khí vào qua van hút Đến hành trình piston đi lên, vanhút bị đóng lại, van đẩy được mở để nén không khí vào bình tích áp Mỗi vòng quay

sẽ gồm một kỳ hút và một kỳ nén

Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích

Lưu lượng thể tích Q tỷ lệ thuận với đường kính stator, số cánh và độ rộngcánh gạt, độ lệch tâm và tốc độ quay rotor

Máy nén khí kiểu trục vít

 Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích

 Áp suất lớn, xấp xỉ 10bar

 Lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ quay, chiều dài trục vít

 Làm việc theo nguyên lý động năng, áp suất xấp xỉ 600kPa=6bar

 Lưu lượng cũng tỷ lệ với tốc độ quay, đường kính buồng hút, số cánh và diệntích cánh

 Xylanh tác dụng đơn ( Single acting Cylinder)

 Xylanh tác dụng kép ( Double acting cylinders)

2.9.1Xylanh tác dụng đơn

Dưới đây là hình vẽ biểu diễn nguyên tắc hoạt động của xy lanh

Hình 2.25Hoạt động của xy lanh đơn Nguyên tắc hoạt động:

 Khí nén chỉ được sử dụng để sinh công ở một phía của Piston (nhịp làm việc)

 Piston lùi về bằng lực bật lại của lò xo hay của lực từ bên ngoài (nhịp lùi về)

 Xylanh có một cổng cấp nguồn, một lỗ thoát khí

 Điều khiển hoạt động của xylanh đơn bằng van 3/2

Nguyên lý cấu tạo:

 Xylanh kiểu piston và và ký hiệu trên sơ đồ (Hình 2.25)

 Xylanh kiểu màng

2.9.2 Xylanh tác dụng kép

Dưới đây là hình vẽ biểu diễn nguyên tắc hoạt động của xy lanh kép

Hình 2.26Xy lanh tác dụng kép

 Khí nén được sử dụng để sinh công ở hai phía của Piston

 Xylanh có hai cửa cấp nguồn

 Điều khiển hoạt động của xilanh kép bằng van 4/2, 5/2 hoặc 5/3

Nguyên lý cấu tạo

Xylanh kép có cần piston một phía: Do diện tích của hai mặt Piston khác

nhau nên lực tác dụng trên cần Piston cũng khác nhau lực đẩy lớn hơn lực kéo) Haidạng xylanh kép có cần piston một phía thường gặp

 Xylanh kép không có đệm giảm chấn

 Xylanh kép có đệm giảm chấn, điều chỉnh được

Kiểu truyền động xoay

 Điều khiển bằng van 4/2, 5/2 hay 5/3

2.9.4Xy lanh trượt

Dưới đây là hình chi tiết về kết cấu của xylanh trượt:

Hình 2.28Xy lanh trượt kết nối bằng cơ khí

Xy lanh thông thường có chiều dài di chuyển 500mm có thể có tổng chiềudài chuyển động lên đến 1100mm Xy lanh không trục với cùng chiều dài chuyểnđộng có thểlắp vào những không gian ngắn hơn, xấp 600mm Nó có lợi thế đặc thùkhi cần di chuyển một quãng dài, tiêu chuẩn là 1m hoặc dài hơn tùy theo yêu cầubiệt

Lực tạo bởi xy lanh trượt dạng từ trường có giá trị hạn chế bởi sức hút namchâm không lớn lắm

Để nâng hay di chuyển các tải nặng hơn, loại xi lanh khe cài thường được sửdụng, nhưng nó không hoàn toàn kín, chặt như loại từ trường

Các bề mặt được gắn chính xác và các trục piston dẫn hướng đặt song songđảm bảo sự chuyển động chính xác theo đường thẳng khi lắp vào các máy chuyểnđộng theo vị trí hay các máy truyền tải

Hình 2.29Thiết bị trượt tiêu biểu

Ở vị trí 1, thân xy lanh bị giữ chặt, truc piston có thể di chuyển (b) Ở vị trí 2,trục piston bị giữ lại, thân xy lanh di chuyển được(c) Ở cả hai vị trí, các van đượcnối vào các phần giữ cố định

2.9.5Van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng khí nén bằng cách đóng, mở haychuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng khí nén Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà

có rất nhiều loại van đảo chiều: Van có số vị trí làm việc khác nhau (van 2 vị trí,van 3 vị trí…), ở mỗi van vị trí lại có các kiểu tín hiệu tác động khác nhau: tác độngbằng tay (nút bấm, tay gạt, bàn đạp…), tác động bằng cơ (đầu dò, cử chặn bằng conlăn, lò xo, nút nhấn có rãnh định vị), tác động bằng khí nén …

Hình 2.30Các van đảo chiều

Van được mô tả theo: số cửa, trạng thái, vị trí bình thường của van và cáchkích hoạt van

Trong đó, ký hiệu các cổng vào/ra được biểu diễn bằng các con số, quy ước:

 Số 1 là cổng nguồn (P)

 Số 2 và số 4 là các cổng cấp khí nén đến cơ cấu chấp hành

 Số 3 hoặc 3 và 5 là các cổng xả khí trực tiếp ra ngoài môi trường

 Số 12 là tín hiệu điều khiển mở van để khí nén từ cửa 1  cửa 2

 Tương tự số 14 là tín hiệu điều khiển mở van để khí nén từ cửa 1  cửa 4

 Số 10 có ý nghĩa là tín hiệu khóa đường nguồn 1 (P) dành cho van có một cửa ra

 Số 91 điểm nguồn khí nén mở van phụ trợ

2.10 PLC

PLC viết tắt củaProgramable Logic Controlerlà thiết bị điều khiển logic lập

trình được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toánđiều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Như vậy với chương trình điềukhiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể dễ dàng thay đổi thuật

 Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

 Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

 Nhiều chức năng điều khiển

 Tốc độ cao

 Công suất tiêu thụ nhỏ

 Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

 Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào ra chức năng

 Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới

Chính nhờ ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thốngđiều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự đồng nhấtsản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốnsức lao động, tăng mức an toàn

2.10.1Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Dưới đây là sơ đồ biểu diễn cấu trúc của một PLC:

Hình 2.31Sơ đồ khối PLC