Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ trong lò với giải đo 0 – 400 °C ( có điều khiển và cảnh báo)và 0 – 800 °C (cảnh báo )

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1Phân tích hệ thống và mô tả công nghệ Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ trong lò với giải đo 0 – 400 °C ( có điều khiển và cảnh báo)và 0 – 800 °C (cảnh báo ). Hệ thống được thiết kế có thể điều khiển tại chỗ, đồng thời có thể điều khiển và giám sát trên máy tính thông qua giao diện Wincc . Nhiệt độ trong lò được kiểm soát thông qua việc đóng mở van cấp nhiên liệu M ( van M ). Van mở cấp nhiệt cho hệ thống , van đóng ngừng cấp nhiệt cho hệ thống. Hệ thống đo nhiệt độ là 2 cảm biến nhiệt công nghiệp , cảm biến nhiệt T1 đặt ở lò đốt , cảm biến nhiệt T2 đặt ở ống thoát nhiệt.Cảm biến T1 : điểm đo 1 đặt tại lò đốt ( điều khiển và cảnh báo ) có dải đo 0 400 C. Điểm làm việc 310°C .Cảm biến T2 : điểm đo 2 đặt tại ống thoát nhiệt (cảnh báo ) có dải đo 0 800 C.Nguyên lý hoạt động :Ấn nút START để khởi động hệ thống , đèn RUN sáng báo hệ thống đang hoạt động, van M mở ra cấp nhiên liệu vào buồng đốt . Đồng thời 2 cảm biến nhiệt độ T1 và T2 sẽ đo nhiệt độ trong lò , tín hiệu nhiêt sẽ được khuếch đại và chuẩn hóa và đưa vào môdul mở rộng , truyền tín hiệu về hệ thống máy tính thông qua trạm điều khiển cục. Khi nhận được tín hiệu nhiệt độ đã được xử lý, máy tính sẽ xử lý số liệu và đưa tín hiệu điều khiển thông qua phần mềm điều khiển và giám sát .+ Đối với cảm biến T1 :Khi cảm biến T1 đo nhiệt độ < 280 C : Đèn báo LA1 sáng , cảnh báo nhiệt độ thấp.Khi cảm biến T1 đo nhiệt độ >340 C : Đèn báo HA1 sáng , cảnh báo nhiệt độ cao, đồng thời đóng van M .+ Đối với cảm biến T2 :Khi cảm biến T2 đo nhiệt độ >700 C : Đèn báo HA2 sáng , cảnh báo nhiệt độ cao.Ấn nút STOP dừng hệ thống , đồng thời đèn RUN tắt .

Mục lục

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.2 Phương pháp đo 4

1.2.1 phương pháp đo tiếp xúc 4

1.2.1.1 Cặp nhiệt điện trở( Thermocouples ) - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV) - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C 4

1.2.1.2 Nhiệt điện trở Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… -Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi - Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế 5

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp - Thường dùngtrong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất… 5

- Tầm đo: -200-700D.C 5

1.2.1.3 Nhiệt kế bán dẫn - Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn - Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ - Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền - Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử - Tầm đo:-50-150D.C 5

Lưu ý khi sử dụng: - Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến - Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác - Loại này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh 1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc 1.2.2.1 Bức xạ nhiệt kế ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ) - Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học - Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt - Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo - Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền - Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung - Tầm đo: 100-1800D.C 6

1.3 Tìm hiểu về loại PLC 7

1.3.1 Khái quát về PLC 7

1.3.1.1 Khái niệm 7

1.3.1.4 Khái quát về PLC S7 200 12

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phân tích hệ thống và mô tả công nghệ

Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ trong lò với giải đo [

0 – 400 ]°C ( có điều khiển và cảnh báo)và [ 0 – 800 ]°C (cảnh báo )

Hệ thống được thiết kế có thể điều khiển tại chỗ, đồng thời có thể điềukhiển và giám sát trên máy tính thông qua giao diện Wincc

Nhiệt độ trong lò được kiểm soát thông qua việc đóng mở van cấp nhiênliệu M ( van M ) Van mở cấp nhiệt cho hệ thống , van đóng ngừng cấp nhiệtcho hệ thống Hệ thống đo nhiệt độ là 2 cảm biến nhiệt công nghiệp , cảmbiến nhiệt T1 đặt ở lò đốt , cảm biến nhiệt T2 đặt ở ống thoát nhiệt

- Cảm biến T1 : điểm đo 1 đặt tại lò đốt ( điều khiển và cảnh báo ) có dải

đo [ 0 - 400 C] Điểm làm việc 310°C

- Cảm biến T2 : điểm đo 2 đặt tại ống thoát nhiệt (cảnh báo ) có dải đo [ 0 - 800 C]

+ Đối với cảm biến T1 :Khi cảm biến T1 đo nhiệt độ < 280 C : Đèn báo LA1 sáng ,cảnh báo nhiệt độ thấp

Khi cảm biến T1 đo nhiệt độ >340 C : Đèn báo HA1 sáng , cảnhbáo nhiệt độ cao, đồng thời đóng van M

+ Đối với cảm biến T2 :Khi cảm biến T2 đo nhiệt độ >700 C : Đèn báo HA2 sáng , cảnh

báo nhiệt độ cao

- Ấn nút STOP dừng hệ thống , đồng thời đèn RUN tắt

1.2 Phương pháp đo.

Với đại lượng nhiêt chúng ta có các phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc:

1.2.1 phương pháp đo tiếp xúc

1.2.1.1 Cặp nhiệt điện trở( Thermocouples ).

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự

chênhlệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động

V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển )

Lưu ý khi sử dụng:

- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ) Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi

trường đo ) Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú

ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

1.2.1.2 Nhiệt điện trở

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiềudài dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

- Thường dùngtrong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

- Tầm đo: -200-700D.C

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

1.2.1.3 Nhiệt kế bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử

lý đơn giản

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo

vệ các mạch điện tử

- Tầm đo:-50-150D.C.

Nhiệt kế bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn

Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức

độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại

cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý dơn giản và rẻ tiền……

Ta dễ dàng bắt gặp các loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt

độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện

áp chuẩn có trong mạch

Cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt độ dạng Diode

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”

Lưu ý khi sử dụng:

- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thểlàm hỏng cảm biến

- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác

- Loại này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa

chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc

1.2.2.1 Bức xạ nhiệt kế ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

- Tầm đo: 100-1800D.C

- Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)

- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

Lưu ý khi sử dụng:

- Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường )

Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào

và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :

+ Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dễ học

+ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp + Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính , nối mạng,các môi Modul mở rộng

+ Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLCtrong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ ,

ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay

mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sựcan thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay Relay

1.3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

a Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ) Một bộ vi

xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra.Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn

vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

b Nguyên lý hoạt động

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :

Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu

Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

c Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp : Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ

vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này cókhả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô,

có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớnEPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụngkhông muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó

có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn

Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul ( các đầu vào của PLC ) , các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của

PLC) Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiệu xử lý

là 12/24VDC hoặc 100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, cáchiển thị trạng thái của các kênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC , điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra

1.3.1.3 Cách phân loại PLC phổ biến hiện nay:

c.Theo số lượng các đầu vào/ra

Ta có thể phân PLC thành bốn loại sau:

– Micro PLC là loại PLC có ít hơn 32 kênh vào/ra

– PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra

– PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra

– PLC có đến trên 1024 kênh vào/ra

Các micro-PLC

Thường có ít hơn 32 đầu vào/ra.

Với cấu tạo bên trong tương đối đơn giản, toàn bộ các bộ phận được tích hợp trên một bảng mạch có kích thước nhỏ gọn

PLC loại nhỏ

Có thể có đến 256 đầu vào/ra Dòng PLC này có tất cả 34 kênh vào/ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên module CPU, còn lại 3 module vào/ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi module

Nhà sản xuất Siemens có các dòng PLC nhỏ như S5-90U, S5-100U, S7-200,

có số lượng đầu vào/ra ít hơn 256

Các dòng này thường có số lượng kênh vào/ra rất lớn

Chiếc PLC S7-400 của Siemens là PLC mạnh nhất hiện nay

1.3.1.4 Khái quát về PLC S7 200

PLC, (viết tắt của programable logic controller)là thiết bị điều khiển

logic lập trình được, hay thiếtbị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lậptrình Như vậy vớichương trình điều khiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể

dễ dàngthay đổi thuật toán điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài ( PLC khác hoặc máy tính ).S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức ), có cấu trúc kiểumodule và có các module mở rộng Các module này được sử dụng với những mục đích khác nhau.Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộnhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu (Catridge ).Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ ) và 22X ( loại mới ), trong đó họ 21X không còn sảnxuất nữa Họ 21X có các đời sau: 210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau:

221, 222, 224,224XP, 226, 226XM

1.3.1.5 Cấu trúc phần cứng của S7-200

a cấu trúc bên ngoài:

- Các đầu vào/ra số:

+ Đầu vào (Ix.x ): kết nối với nút bấm, công tắc, sensor…với điện áp vào tiêu chuẩn 24VDC

+ Đầu ra (Qx.x): kết nối với thiết bị điều khiển với các điện áp

24VDC/220VAC ( tùy theo loạiCPU )

+ Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU )

- Port truyền thông:

+ Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biến tần…

+ Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng

+ STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF.

+ TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa,ngoài ra còn đượcdùng để download chương trình người dùng

- Vít chỉnh tương tự:

Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được

270 độ để thay đổi giátrị của vùng nhớ biến trong chương trình

b Cấu trúc phần cứng:

Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:

- Module nguồn

- Module đầu vào

- Module đầu ra

- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

- Module bộ nhớ

- Module quản lý phối ghép vào ra

Mô hình tổng quát của một PLC

- Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit):

CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng của PLC MỗiPLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.CPU thường được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử

Bộ nhớ

Khối ngõ ra

+ Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ đơn thuần xử lýON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài.

+ Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, vănbản, phép toán, đolường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy nhiên thời gian xử lýđược cải thiện nhanh hơn

- Bộ nhớ:

Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần xử lý trongchương trình của PLC.Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điềukhiển vớicác kích cỡ khác nhau Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trênmodule CPU

Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

- Khối vào/ra:

Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC) với mạch côngsuất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC).Khối ngõvào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu chuẩn

- Khối quản lý ghép nối:

Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vậnhành, mạng truyền thông công nghiệp

c Ngôn ngữ lập trình.

Có 3 dạng ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:

- Phương pháp hình thang ( Ladder Logic ) viết tắt là LAD

- Phương pháp liệt kê lệnh ( Statemnt List ) viết tắt là STL

- Phương pháp theo dạng dữ liệu hình khối( Data Block) viết tắt làDB.Nếu chương trình dược viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo

ra một chương trình theo kiểu STL tương ứng Nhưng ngược lại không phải một chương trình nào được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển được sangLAD

Ở trong đồ án em sử dụng phương pháp hình thang(LAD)

LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle.Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logicnhư sau

Tiếp điểm: Là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm của rơ le, các tiếp điểm đó có thể là thường mở hoặc thường đóng

Cuộn dây (coil): Là biểu tượng mô tả các rơ le được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơ le

Hộp (box): Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp làcác bộ thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học

Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi

từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải Đường nguồn bên trái làdây nóng, cấp (đường nguồn bên phải thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEP7-Mcro/Dos hoặcMicro/Win)

1.3.2 Các module, đối tượng mở rộng

a Khái niệm về module analog.

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông quaviệc xử lý các tín hiệu số.

tự Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc

độ biến tần 0-50Hz

d Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo

chuẩn trong công nghiệp.

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áphoặc dòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là cáctín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vìvậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này vềtín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đohay cảm biến

Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input vàtín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của côngnghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện

- Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, ±5V…

- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ±10mA.

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng vềchuẩn công nghiệp

Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộcảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn làthiết bịđo và chuyển đổi đo ( bộ transducer)

e các module mở rộng

- Module đầu vào ra tương tự : EM235, có 4AI và 1AO 12bit (có tích

hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong)

- Module đầu vào số: EM221, có nhiều loại bao gồm 8/16 đầu vào và điện áp

1.3.3 Tìm hiều về HMI

1.3.3.1 Giới thiệu về WICC

WinCC là một trong những phầm mềm cho phép giao tiếp giữa người

và máy (IHMI-Integrated Human Machine Interface) Với WinCC, ta có thểlập trình xử lý một cách dễ dàng và cho phép ta quan sát trực quan tất cả cáckhía cạnh của hệ thống xử lý

WinCC cung cấp 3 giải pháp chính cho cấu hình:

Giao diện WinCC cung cấp các module hàm thích hợp với công nghiệp

về graphic display (màn hình đồ hoạ), messages (những thông báo), archives(văn thư lưu trữ) và reports (những báo cáo) Giao diện điều khiển mạnh, tínhcập nhật hình ảnh nhanh chóng và những hàm lưu trữ tin cậy, đảm bảo tínhsẵng sàng cao Trong dòng các sản phẩm thiết kế các giao diện phục vụ vậnhành giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với nhữngchức năng hữu hiệu cho việc điều khiển

1.3.4.1 Cách sử dụng WINCC

a Tạo mới một Project:

- Từ Window chọn Start à Simatic à Window Control Center Cửa sổ

WinCC Explorer hiện ra

- Chọn File à New hoặc click vào biểu tượng New để tạo mới Project.

Hộp thoại WinCC Explorer xuất hiện với bốn lựa chọn:

+ Single_User Project: Project đơn một người dùng.

+ Multi_User Project: Project nhiều người dùng hay cùng một Project

mà nhiều máy tính khác nhau sử dụng Các máy tính này phải có quyền ưutiên ngang nhau (đều ở cấp độ Server)

+ Muti_Client Project: nhiều người sử dụng (ở cấp độ Client) cóthể truy

cập cùng một cơ sở dữ liệu của một project (ở cấp độ Server)

+Open an Existing project: mở một project đã có sẵn.

Hình 1: Lựa chọn kiểu Project cần tạo

- Tuỳ theo ứng dụng mà bạn có thể có lựa chọn khác nhau Ơ đây ta chọnSingle-User Project và click chọn OK

- Tiếp theo sẽ gặp hộp thoại Creat a new project, ta được yêu cầu nhập tênproject và đường dẫn nơi lưu trữ project Project vừa tạo có tên với phần mở

rộng “.mcp” (master control program).

- Nên nhớ lần sau khi mở WinCC thì project được tạo sau cùng sẽ được

mở một cách mặc định

b Tạo Driver kết nối giữa WinCC và PLC:

- Để tạo một Driver từ Navigation Window của WinCC Explorer ta

right_click vào Tag Management chọn Add New Driver…

Hình 2: Cách tạo kênh Driver kết nối

- Cửa sổ Add new driver hiện lên, ta chọn loại Driver tương thích Vớiviệc giao tiếp họ PLC SIMATIC S7 300/400 chọn kênh “SIMATIC S7protocol Suite.CHN”.

- Sau khi chọn kênh Driver xong, double_click vào kênh Driver vừa tạo vàtuỳ theo cấu hình mạng đang sử dụng ta chọn loại giao tiếp tương thích Giả

sử mạng PROFIBUS chẳng hạn, ta right_click vào và chọn “New DriverConnection…”

Hình 3: Cách tạo Driver kết nối vào mạng tương thích

Hình 4: Khai báo các thông số kết nối

c.Tạo Tag group:

Tag group dùng để nhóm các tag thành từng nhóm tag tốt hơn

* Cách tạo một tag group:

- Right_click vào Driver Connection vừa tạo và chọn “New Group…”

Hình 5: Tạo một Tag Group mới

- Trong cửa sổ Properties of tag group ta đặt tên cho tuỳ ý cho nhóm tag group cần tạo, và click chọn OK

-d Tạo tag:

- Right_click vào tag group vừa tạo và chọn “New Tag…”

Hình 6: Tạo một Tag mới

e Tạo picture:

- Từ Navigation Window của WinCC Explorer, right_click vào Graphics Designer và chọn New Picture.

Hình 7: Tạo một Picture

CHƯƠNG II : THIẾT KỀ HỆ THỐNG

Từ yêu cầu đề tài: Ứng dụng PLC đo,điều khiển và cảnh báo nhiệt độ

lò vớiđiểm đo T1 có giải đo [ 0 - 400] độ C, điểm làm việc là 310 độ C và vớiđiểm đo T2 [ 0 - 800] độ C Xây dựng hệ thống theo các bước sau

2.1Xây dựng sơ đồ khối

- Khối điều khiển: đây là thiết bị nhận tín hiệu , xử lý điề khiển

Đó chính là PLC S7- 200 CPU 224 với Modul Analog 235

- Khối cảm biến: là cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại k

chuyên để đo nhiệt độ trong lò với dải đo lên tới (-270 , 1250 )

- Khối khuếch đại: trong đề tài này chúng em dung bộ khuếch đại không đảo OA, vì tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu điện áp, sau khi xem xét thì thấy tín hiệu nhỏ nên dung bộ khuếch đại đó cho dễ dàng trong việc tính toán

- Đối tượng cần đo, điều khiển: là lò nhiệt có nhiệt độ từ

0 – 400°C và 0 – 800°C , khi nhận thấy giá trị vượt ngưỡng cho phép thì có tín hiệu cảnh báo và thông qua khối giao tiếp người điều khiển cóthể đóng/mở van nhiên liệu để thay đổi nhiệt độ trong lò

- Khối giao tiếp: đó chính là máy tính, thông qua máy tính người

ta có thể dễ dàng biết được nhiệt độ trong lò là bao nhiêu và có thể điều khiển

lò dễ dàng…