Ứng dụng PLC S7200 của Siemens điều khiển hệ thống đóng mở của tự động cho một văn phòng làm việc.

Mô tả: Điều khiển tự động đóng mở của tự động cho một văn phòng, có khả năng giám sát được thời gian làm việc của các nhân viên trong văn phòng, có khả năng đóng cắt các thiết bị cần thiết khi có và không có người. NỘI DUNG Chương 1: Tìm hiểu về đóng mở của tự động . Chương 2: Tìm hiểu về PLC S7200 . Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động đóng mở cửa tự động(gồm cả mạch lực và mạch điều khiển) Chương 4: Viết lưu đồ thuật toán và chương trình mô phỏng trờn phần mềm Step7 microwin

Đề tài: ứng dụng PLC S7-200 của Siemens điều khiển hệ thống đóng mở của tự

I) Giới thiệu chung về Cửa tự động (Automatic door)

Xó hội ngay càng hiện đại, nhu cầu đa dạng và đũi hỏi về sự tiện nghi của cuộc sốngkhụng ngừng được nõng lờn, các tào nhà văn phũng cao ốc hiện đại tiện nghi ngày càng nhiều việc ứng dụng khoa học cụng nghệ vào quá trỡnh quản lý điều hành là rất cần thiết cho việc giảm thiểu nhõn sự tiết kiệm thời gian ,tiền bạc.Đứng trước yờu cầu đó các cụng ty và các hóng sản xuất đó tạo ra những bộ cửa có tớnh tự động hóa cao đáp ứng nhu cầu đi lại của con người.Ngày nay, cửa trượt đang dần trở thành khuynh hướng thiết kế của thời đại mới bởi các ưu điểm vượt trội của nó như khả năng sử dụng với mật độ lưu thụng cao, tốc độ đóng mở nhanh và tớnh an toàn, tiết kiệm diện tớch Hiện nay cửa trượt tự động cũn vươn lờn một tầm cao mới với các kỹ thuật hiện đại như khả năng vận hành bằng điều khiển từ xa hay mắt điện tử thụng minh

II )Cỏc đặc tớnh vượt trội của cửa trượt tự động:

Bằng việc kết hợp chức năng của các bộ phận, người sử dụng có thể thực hiện được

thờm nhiều chức năng khác.Với kỹ thuật lần đầu tiờn được áp dụng là thờm cơ năng vào bộ phận điều khiển, cửa trượt tự động có thể thực hiện thờm các chức năng mới như hoạt động liờn thụng nhiều cửa, hiển thị nhắc nhở chuụng cửa, điều chỉnh ngữ õm

và điều khiển trung ương

- Với bộ điều khiển kết hợp với bộ tắt mở gắn ngoài, có thể mở rộng cửa từ 20-90%, tiết kiệm năng lượng tối đa

5/Tính an toàn :

Cửa sẽ tự động khởi động lại khi gặp vật cản, sensor vật cản sẽ linh hoạt hơn và phạm vi điều chỉnh sẽ được mở rộng, Dễ mở khi mất điện

III)Một số hệ thống cửa tự động

1 Hệ cửa

tự động trượt thẳng 02 hoặc

03, 04 cánh:

Nguyên lý vận hành hệ quan sát (Sensor) lối đi - Cảnh báo khu vách cố định

Có thể yêu cầu trang bị hệ tự nhận dạng người đi xe lăn (tàn tật)

Hệ cửa trượt 02 cánh

Hệ cửa trượt 04 cánh

2 Hệ cửa tự động trượt theo dạng vòm cong 02 hoặc 04 cánh:

Cửa trượt dạng vòm cong

3 Hệ cửa tự động mở quay 02, 03 hoặc 04 cánh:

IV)Cấu tạo

1/ Đặc điểm chung

Là hệ thống cửa trượt tự động cao cấp có thể đáp ứng được các yêu cầu cao về cấu hình cũng như kích cỡ theo yêu cầu của khách hàng, dòng sản phẩm này bao gồm nhiều chủng loại.Hệ thống bao gồm :

Khung bao

- Bằng nhôm định hình

- Được thiết kế lắp đặt treo tường hoặc trần nhà

- Kích thước : a x b mm ( cao x sâu )

- Ray trượt bằng plastic gia cường, chống ồn

Nắp hộp khung bao

- Bằng nhôm định hình

- Được thiết kế liên kết với khung bao để mở một cách dễ dàng và êm ái, có dây cáp

an toàn bằng thép chống rơi và giá đỡ khi mở nắp ( option )

Bộ phận vận hành cửa trượt bao gồm : moto ,bộ phận điều khiển (PLC) , Mắt cảm

biến hồng ngoại,hộp kỹ thuật,dây codoa

2/Mo tơ: (DC Brushless Motor )đây là loại mô tơ điện một chiều không sử dụng chổi

than cho phép cửa hoạt động với tần suất cao mà không bị nóng Với moment xoắn lớncộng với hệ thống gá được chế tạo đặc biệt giúp cho sự vận hành của cửa hết sức nhẹnhàng không bị rung Tải trọng tối đa cho 02 cánh cửa lên tới 250 kg hoặc 150 kg cho cửa 1 cánh

3/ Bộ điều khiển ( MICOM Controller) Sử dụng PLC, lập trình hệ thống cho phép đảm

bảo nhiều chức năng đóng - mở, có thể kết hợp với các thiết bị khác như đầu đọc thẻ,khoá điện, sensor an toàn đảm bảo độ an toàn và an ninh cao Trong khi cửa đang mởhoặc đóng, nếu gặp chướng ngại vật cửa sẽ dừng lại đổi chiều và sau đó sẽ từ từ đónglại hoặc mở ra Nếu sau 3 lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên ở vị trí mở và sẽ hoạtđộng trở lại khi có tín hiệu từ mắt thần (sensor)

4/Mắt cảm biến hồng ngoại : ( SENSOR) :

Toàn bộ Hệ cửa tự động đều sử dụng mắt cảm biến (sensor)HORTON (Made in

Japan) và mắt cảm biến hồng ngoại (sensor) của Thụy Điển, Bỉ, cho phép cửa có tầm

quét xa, nhạy và liên tục

5/Hộp kỹ thuật(Rail base):

Được chế tạo từ hợp kim nhôm với độ cứng cao giúp cho khung cửa chắc khoẻ vàđặc biệt không bị mài mòn trong quá trình sử dụng

Bộ điều khiển trung tâm và ray, tai treo

V/ Các phụ kiện ( Tùy chọn kèm theo )

1/Khoá cơ điện

- Bảo đảm cánh cửa được khoá ở vị trí đóng

- Trọn bộ với board điều khiển và đầu nối gắn với board xử lý E

100

- Được kích hoạt bằng nút mở từ phía trong và thiết kế kết nối thiết

bị mở từ phía ngoài

- Sự vận hành tiêu chuẩn : mở cửa với chế độ 1 chiều ban đêm,

trường hợp đặc biệt có thể lập trình mở với chế độ tự động

( automatic)

2/Giám sát khoá

- Thiết bị từ tính kiểm soát chính xác sự hoạt động của khoá và thẩm

tra tình trạng khoá cánh cửa

- Trong trường hợp khoá hoạt động không bình thường, một tín hiệu

báo lỗi thể hiện trên bàn phím ( có thể kết nối với đèn nháy hoặc còi

báo )

3/Bình điện và mạch sạc

- Trường hợp cúp điện, bình điện bảo đảm sự hoạt động của cửa liên tục trong 30 phút

- Được cung cấp với mạch kiểm soát tình trạng và sạc bình

- Đèn LED báo tình trạng : sạc đầy, đang sạc

- Đèn LED báo nguồn điện chính : ON – OFF

- Được thiết kế cho hoạt động

• Chae dùng mở một lần

• Chae dùng đóng một lần

• Sử dụng liên tục ( với lựa chọn đóng hoặc mở lần cuối cùng )

4/Tia an toàn ( photocell )

- Bao gồm bộ phát & bộ nhận và dây cáp ( 5m )

a/Sự ra đời của bộ điều khiển PLC:

- Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng.Đến năm 1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với

độ chính xác tới 6 con số thập phân

- Năm 1808, Joseph M.Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự động thực hiệncác mẫu hàng phức tap

- Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới

- Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC Máy có: 18.000 đèn điện tử chân không,

500.000 mối hàn thủ công, Chiếm diện tích 1613 ft2, Công suất tiêu thụ điện 174 kW,

6000 nút bấm, Khoảng vài trăm phích cắm

Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi xhỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư hỏng đã xuất hiện Việc sữa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất đến cả tuần Chỉ tới khi áp dụng kỹ thuật bán dẫn vào năm 1948, đưa vào sản xuất công nghiệp một thờigian sau thì những máy tính điện tử lập trình lại mới được sản xuất và thương mại hoá

Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật điều khiển tự động

-Mạch tiích hợp điịen 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

Đến cuối thập kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy tínhchứ không điều khiển đơn lẻ từng máy

b/Khái niệm:PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller Theo

hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ ( NEMA- National Electrical ManufacturesAssociation) thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic,tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máymóc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theochương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện

một dãy quá trình.

2/ Các ưu nhược điểm khi dùng PLC

a/Ưu điểm

Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:

- PLC dễ dang tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình

- Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Chương trình tácđộng đến bên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện

và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây Như thế người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình Ngườilập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn

- Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ

bộ điều khiển bằng rơle

- Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng: phần mềm được hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơle tiếp điểm và không tiếp điểm.Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó.Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến khiến thức chuyên môn về PLC Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc.Việc tạo ra PLC không những dễ cho việc chuyển đổi các tác động bên ngoài thành các tác động bên trong (tức chương trình), mà chương trình tác động nối tiếp bên trong còn trở thành một phần mềm có dạng tương ứng song song với các tác động bên ngoài.Việc chuyển đổi ngược lại này là sự khác biệt lớn so với máy tính

-Thực hiện nối trực tiếp : PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới bộ xử lý (CPU) nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụ ngoài

và CPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic vàchuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài có thể làm việc được

- Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều cho việc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơle, thì ở PLC những công việc đó đơn giản được thực hiện bởi chương trình và các chương trình đó được lưu giữ ở băng catssetehay đĩa CDROM, sau đó thì chỉ việc sao trở lại

- Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn được đem ra sử dụng rộngdãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơle trước đây,

- Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy

cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm.

Bộ nguồn:

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấpDC (5V) cần thiết cho

bộ xử lý và các mạch điện có trong các modulegiao diện nhập và xuất

RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi.Một phần của bộ nhớ này,khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào,ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, vv…

Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được ( EPROM ) Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM

Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu

chương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM hương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu.Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất ( I/O).Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256 8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8  8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256 16 = 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit. 8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8

Thiếp bị lập trình.

Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý

Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC

Các phần nhập và xuất.

Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến vv… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid vv…

b/Cấu trúc bên trong

Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý

hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8 MHz Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian

và đồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng các tín hiệu digital Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu digital đượcgọi là Bus Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện Bus có thể là các vệt dây dẫn trên bản mạch in hoặc các dây điện trong cable bẹ CPU sử dụng bus dữ liệu

để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động điều khiển nội

bộ Bus hệ thống được sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập /xuấtCấu trúc của PLC được minh hoạ như sơ đồ sau.(Hình 2.2)

CPU

Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý Nói chung CPU có:

1 Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán

số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR,NOT,EXCLUSIVE- OR

BUS

Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC Thông tin được truyền theodạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, tương tự các trạng thái on/off của tín hiệu nào đó Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó Vì vậy một từ 8 - bit có thể là số nhị phân 00100110 Cả 8- bit này

được truyền thông đồng thời theo dây song song của chúng Hệ thống PLC có 4 loại bus.

1 Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU Bộ xử lý 8- bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8- bit, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8-bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8- bit

2 Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ và các vị trí trong bộ nhớ Như vậy mỗi

từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa chỉ duy nhất Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhất định để CPU cóthể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập Nếubus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8-bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 28 =

256 Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụng là 65536

3 Bus điều khiển: bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển

Ví dụ để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu

và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các hoạt động

4 Bus hệ thống: được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị

nhập/xuất

Bộ nhớ

Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ như: bộ nhớ chỉ để đọc(ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Các loại

bộ nhớ này đã được trình bày ở trên

4.Giới thiệu một số nhóm PLC phổ biến hiện nay trên thế giới:

1 Siemens: có ba nhóm