BÀI TẬP LỚN PLC ứng dụng plc s7200 điều khiển hệ thống khí nén theo giản đồ

BÀI TẬP LỚN PLC ứng dụng plc s7200 điều khiển hệ thống khí nén theo giản đồTổng quan về plc, giới thiệu thiết bị chính, thiết kế lựa chọn mạch lực,I.GIỚI THIỆU PLC S7200, SỬ DỤNG CHO CÁC ỨNG DỤNG VỪA VÀ NHỎ...Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7200,Van đảo chiều 53 có vị trí không,Cảm biến gắn trên xilanh,Máy nén khí.....

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính _17

I GIỚI THIỆU PLC S7-200, SỬ DỤNG CHO CÁC ỨNG DỤNG VỪA VÀ NHỎ _17

3 Viết chương trình cho PLC _25

4 Sơ đồ đấu dây 28

5 Chạy thử trên mô hình _28

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển _29

Ch ương 1: Tổng quan về hệ thống PLC & khí nén ng 1: T ng quan v h th ng PLC & khí nén ổng quan về hệ thống PLC & khí nén ề hệ thống PLC & khí nén ệ thống PLC & khí nén ống PLC & khí nén

I Tổng quan về hệ PLC

Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm soát, xử lý và dừng mộtquá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã đạt được xác định nhằm đạt kếtquả tốt nhất ở sản phẩm đầu ra thì được gọi là Hệ thống điều khiển

Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:

1 Sơ lược về lịch sử của PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp,

tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điềukhiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống

điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điềukhiển lập trình PLC.

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhàthiết kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuậtnhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khókhăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bướccải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Để đơn giản hóa việc lập trình,

hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiênđược ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lậptrình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giảnnhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ Qua quátrình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho

hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệthống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng:

 Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trìnhPLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về địnhthì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thờigian thực

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻthành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độcủa hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chếtạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLCđược mở rộng hơn

2 Phân loại PLC

a) Theo hãng sản xuất

Các nhãn hiệu như Siemens, Ormon, Misubishi, Alenbratlay…

b) Theo version

 PLC Siemens có các họ như S7-200, S7-300, S7-400,…

PLC S7-200 của hãng Siemens

PLC S7-300 của Siemens

PLC S7-400 của SiemensMisubishi có các họ như Alpha, Fx, Fx0, Fx0N,Fx1N,Fx2N

 PLC loại ALPHA

Đây là loại PLC có kích thước thật nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng với

số lượng I/O nhỏ hơn 30 cổng Dòng ALPHA có màn hình LCD và các phím nhấn cho phép thao tác, lập trình, sửa đổi… chương trình được tích hợp bên trong bộ đếm tốc độ cao và bộ ngắt (role trung gian), cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp…

 PLC loại FX0S

Đây là loại PLC có kích thước siêu nhỏ, phù hợp với các ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30, giảm chi phí lao động và kích cỡ panel điều khiển Với việc sử dụng bộ nhớ chương trình bằng EEPROM cho phép dữ liệu chương trình được lưu lại trong bộ nhớ trong trường hợp mất nguồn đột xuất, giảm thiểu thời gian bảo hành sản phẩm Dòng FX0 được tích hợp sẵn bên trong bộ đếm tốc độ cao và các bộ tạo ngắt, cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp.

Nhược điểm của dòng FX0 là không có khả năng mở rộng số lượng I/O, không có

khả năng nối mạng, thời gian thực hiện chương trình lâu

 PLC loại FX0N

FX0N PLC sử dụng cho các máy điều khiển độc lập hay các hệ thống nhỏ với số lượng I/O có thể quản lý nằm trong miền 10-128 I/O FX0N thực chất là bước đệm trung gian giữa FX0S với FX PLC FX0N có đầy đủ các đặc trưng cơbản của dòng FX0S, đồng thời còn có khả năng mở rộng tham gia nối mạng

 PLC loại FX1N

PLC FX1N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lượng đầu vào ra trong khoảng 14-60 I/O Tuy nhiên khi sử dụng các module vào ra mở rộng lên tới 128 I/O

 Bộ nhớ chương rình 8000 kstep

 Chu kỳ lệnh 0.55us/lệnh

6 bộ đếm tốc độ cao(60KHz), hai bộ phát xung đầu ra với tần số điều khiển tối

đa là 100KHz

 Nguốn cung cấp:12-24VDC, 120-240VAC

Nhìn chung, dòng FX1N PLC thích hợp cho các ứng dụng dùng trong công nghiệp chế biến gỗ, trong các hệ thống điều khiển cửa, hệ thống máy nâng, thang máy, sản xuất xe hơi, hệ thống điều hòa không khí trong các nhà kính, hệ thống xử lý nước thải, hệ thống điều khiển máy dệt,…

 PLC loại FN2N

Đây là loại PLC có tính năng tương đối mạnh, FX2N trang bị tất cả các tính năng dòng FX1N.Tốc độ xử lý tăng cường với thời gian thực hiện 0.08us/lệnh.Điều khiển số lượng đầu ra từ 16-128I/O

Trong trường hợp cần thiết có thể mở rộng lên tới 256 I/O

Bộ nhớ 8kstep, trong trường hợp cần điều khiển các quà trình phức tạp, có thể

mở rộng bộ nhớ lên tới 16kstep

Những tính năng vượt trội cùng với khả năng truyền thông, nối mạng nói chung của dòng FX1N đã đưa FX2N lên vị trí hàng đầu trong dòng FX, có thể đáp ứng tốt các đòi hỏi khắt khe nhất đối với các ứng dụng điều khiển dây chuyền sản xuất, xử lý nước thái, các ứng dụng hệ thống xử lý môi trường, điềukhiển các máy dệt và trong các ứng dụng dây chuyền đóng lắp ráp tàu biển….

PLC Q series của hãng Mitsubishi

 Theo số lượng các đầu vào/ra

Ta có thể phân PLC thành bốn loại sau:

 Micro PLC là loại có dưới 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 Ở hình vẽ bên là ví dụ về PLC họ

T100MD-1616 do hãng Triangle Research International sản xuất Cấu tạo tương đối đơn

giản và toàn bộ các bộ phận được tích hợp trên một bảng mạch có kích thước nhỏ gọn Micro-PLC có cấu tạo gồm tất cả các bộ phận như bộ xử lý tín hiệu,

bộ nguồn, các kênh vào/ra trong một khối Các micro – PLC có ưu điểm hơn các PLC nhỏ là giá thành rẻ, dễ lắp đặt

Một loại micro PLC khác là DL05 của hãng Koyo, loại này có 32 kênh vào/ra

Micro PLC họ DL05 của hãng Koyo

 PLC loại nhỏ

Có thể có đến 256 đầu vào/ra Hình dưới là PLC của hãng OMRON loại 10C Loại PLC này có 34 kênh vào/ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên mô đun CPU, còn lại 3 mô đun vào/ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi mô đun

ZEN-PLC loại ZEN-10C của Omron

Hãng Siemens có các loại PLC nhỏ như S5-90U,S5-100U,S7-200, có số lượng kênh vào/ra nhỏ hơn 256

PLC S5-100U của Siemens

3 Cấu trúc của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ

trong bộ nhớ của PLC Điều này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa

là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau :

 Mô đun nguồn

 Mô đun xử lý tín hiệu

 Mô đun vào

 Các thành phần cơ bản của một PLC

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo

chương trình trong bộ nhớ Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng.

 Hoạt động của một PLC

Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ,thực hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện cáctính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC Các PLC thế hệ cuối chophép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc

độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ.v.v

Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình Chu kỳ này được gọi

là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển Chu kỳ quét được minh họa ở hìnhsau :

Chu kỳ quét của PLCKhi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nhưcông tấc, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời váo một mảng nhớ Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảngnhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25mili giây Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của PLC.

II Giới thiệu tổng quan về hệ thống khí nén

1 Những đặc điểm cơ bản

Hệ thống khí nén gồm nhiều thiết bị nhưng quan trọng nhất là máy nén

khí và bình tích áp, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến đặc biệt ở những lĩnh vực cần đảm baỏ vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại Ví dụ như lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, các khâu phân loại, đóng gói sản phâm thuộc dây chuyền sản xuất tự động, trong công nghiệp gia công cơ khí, trong công nghiệp khai khoáng,

a) Các dạng truyền động sử dụng khí nén

- Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm

- Truyền động quay : trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rấtcao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác Ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện

b) Ưu nhược điểm của hệ thống khí nén

Ưu điểm

- Do không khí có khả năng chịu nén nên có thể nén và trích chứa trong bình

hành, người ta thường xây dựng trạm khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc

- Có khả năng truyền tảu đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ

- Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại cho môi trường

- Tốc độ truyền động cao, linh hoạt

- Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác

- Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả

Nhược điểm

- Công suất chuyển động không lớn

- Do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn nên khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động có xu hướng thay đổi Vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực hiện

- Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn

2 Cấu trúc của hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị :

- Trạm nguồn : Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý khí nén ( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô )

- Khối điều khiểm : các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành

- Khối các thiết bị chấp hành : Xi lanh, động cơ khí nén, giác hút

Dựa vào năng lượng của tín hiệu điều khiển, người ta chia ra hai dạng hệ thống khí nén :

- Hệ thống điều khiển bằng khí nén trong đó tín hiệu điều khiển bằng khí nén và

do đó kéo theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén ( Hình 1)

Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén

- Hệ thống điều khiển điện - khí nén các phần tử điều khiển hoạt động bằng tín hiệu điện hoặc kết hợp tín hiệu điện - khí nén (Hình 2)

Hệ thống điện - khí nén

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

I GIỚI THIỆU PLC S7-200, SỬ DỤNG CHO CÁC ỨNG DỤNG VỪA VÀ NHỎ

1 PLC s7- 200

S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng Các module này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau

- S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý một số lượng đầu vào/ra tương đối ít

- Có từ 6 đầu vào/ 4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào/ 16 đầu ra số (CPU226)

Có thể mở rộng các đầu vào/ra số bằng các module mở rộng

- Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC Đầu vào sử dụng mức điện áp

24VDC, thích hợp với các cảm biến

- Có 2 kiểu ngõ ra là Relay và Transitor cấp dòng

- Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép tham giavào mạng Profibus như một Slave thông minh

- Có cổng truyền thông nối tiếp RS485 vơi đầu nối 9 chân Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 bauds, theo kiểu tự do là 300 – 38.400 bauds

- Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay thanh ghi, timer cho phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng

- Ngôn ngữ lập trình: LAD, STL, FBD

4 Các module mở rộng

PLC S7-200 có thể mở rộng ngõ vào/ra bằng cách ghép nối thêm các module

mở rộng về phía bên phải của CPU Bảng dưới trình bày các module có thể mở rộng của PLC S7-200 Với các CPU khác nhau các thành phần mở rộng được sẽ khác nhau

Danh sách các module mở rộng của PLC S7-200

Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7-200

II Van đảo chiều 5/3 có vị trí không

 Chức năng: Van đảo chiều dùng để đóng, mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều các chuyển động của

cơ cấu chấp hành

III Cảm biến gắn trên xilanh

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: khi có từ trường ngoài tác động vào tiếp điểm nó

sẽ đóng lại, đèn led sẽ sáng trên điện trở hạn chế dòng

IV Máy nén khí

Máy nén khí là các máy móc (hệ thống cơ học) có chức năng làm tăng áp suất của

ngành công nghiệp như in ấn, bao bì, thực phẩm, dệt, gỗ,… Máy nén khí là một

“mắt xích” quan trọng trong các hệ thống công nghiệp sử dụng khí ở áp suất cao đểvận hành các máy móc khác…

9- Gioăng TTI làm kín cổ và cần.10- Gioăng Oring làm kín phụ giữa cổ và ống

11- Gioăng GHK gạt bụi

12- Cổ xi lanh

Chương 3: Thiết kế lựa chọn

Q0.0=A+

Q0.2=B+

Q0.1=A-

Q0.3=B-2 Thiết kế thuật toán điều khiển (giản đồ thời gian)1

3. Viết chương trình cho PLC

a) Hàm logic

F(V0.0)=(I0.0+V0.0) I0.7

F(V0.1)=(V0.0 * I0.1+V0.1) V 0.2 * v0.3

4. Sơ đồ đấu dây

5. Chạy thử trên mô hình

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Qua quá trình nghiên cứu trên mạng internet, hướng dẫn của thầy giáo bộ môn Em đã hoàn thành bài tập lớn

Đề tài này giúp cho em phần nào hiểu được cách thức hoạt động của các thiết bị khí nén đồng thời ứng dụng PLC vào điều khiển chúng Cùng sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén sử dụng trong trong phòng thí nghiệm, máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy xây dựng, máy ép phun, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện