Tìm hiểu điều khiển thời gian thực trong s7 1200( 1. Tìm hiểu cơ ở lý thuyết 2. Phân tích đối tượng điều khiển 3. Phân tích các chỉ tiêu,chất lượng của hệ thống 4. Lựa chọn phương án điều khiển 5. Lựa chọn thiết bị điều khiển cơ cấu chấp hành 6. Sơ đồ nguyên lý 7. Xây dựng thuật toán điều khiển 8. Viết chương trình 9. Lắp đặt và thử nghiệm hoặc mô phỏng 10. Nhận xét kết quả )
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Nhóm số 3Lớp /khóa:
Đề tài : Tìm hiểu điều khiển thời gian thực trong s7 1200
1 Tìm hiểu cơ ở lý thuyết
2 Phân tích đối tượng điều khiển
3 Phân tích các chỉ tiêu,chất lượng của hệ thống
4 Lựa chọn phương án điều khiển
5 Lựa chọn thiết bị điều khiển cơ cấu chấp hành
Trang 2BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Lời mở đầu
Ước mơ lớn nhất của người kỹ sư thiết kế là nắm trong tay một công cụ điều khiển mạnh, đa năng và mềm dẻo Theo đà phát triển của công nghệ điện tử, các chip vi xử lý, vi điều khiển, bộ logic có thể lập trình, máy tính PC lần lượt ra đời đã đáp ứng được ước mơ đó Và chúng nhanh chóng là những giải pháp được lựa chọn để tự động hóa quá trình sản xuất
Trong nhiều nghành công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công luyện kim, chế biến thực phẩm…Bộ logic có thể lập trình
(Promamable Logic Controller ) là một thiết bị không thể thiếu trong dây truyền sản xuất Nắm bắt được tầm quan trọng
đó,nên chúng em đã tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu
Dù đã cố gắng hết sức nhưng có thể không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ quí thầy cô
Ngày 15 tháng 06 năm
2017Nhóm sinh viên thực
hiệnNhóm 3
Trang 3I Tìm hiểu về PLC S7-1200
1 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết
Hinh 1.1 Hình dạng bên ngoai của S7 – 1200 và các
module mở rộng
PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết
hợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các
bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ nguồn với sự kếthợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu để mở rộng I/O
và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộđiều khiển Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thểđược gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảngđiều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt
Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8, 16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay
và analog Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-
1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ
Trang 4BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chương trìnhngười sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB vớigiới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều
chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-1200 cũng có một cổng giao tiếp
Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC
2 Phân loại
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó
trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C,
CPU 1212C, CPU 1214C Thông thường S7-200
được phân ra làm 2 loại chính:
Loại cấp điện 220VAC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(từ 15VDC – 30VDC)
- Ngõ ra: Relay
- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay Do đó cóthể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau( cóthể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)
- Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nênthời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biếnđiệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…
Loại cấp điện áp 24VDC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ15VDC – 30VDC)
- Ngõ ra: transistor
- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor Do đó
có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung,Output tốc độ cao…
Trang 5- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ratransistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duynhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứngdụng có cấp điện áp khác nhau Trong trường hợpnày, phải thông qua một Relay 24VDC đệm.
4 outputs
8 inputs / 6 outputs
2 inputs
14 inputs / 10 outputs
Trang 6BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
nhánh mạch điện logic.nằm ngang Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder là lập tài liệu về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác
Các qui ước của ngôn ngữ lập trình LAD:
Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được nối kết với đường này
Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển
Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang được đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét.Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra
Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng được trình bày ở trạng thái đóng
Trang 7Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một rơle đóng một hoặc nhiều thiết bị.
- Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của
chúng, kí hiệu tùy theo nhà sản xuất qui định
b, Ngôn ngữ lập trình FDB
hình 1.3 Ngôn ngữ lập trình FDBPhương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểm dùng các cổng logic (thường dùng theo ký tự của EU)
Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp được thay thế bằng cổng AND, các tiếp điểm ghép song song được thay thế bằng cổng OR, các tiếp điểm thường đóng thì có cổng NOT Phương pháp này thích hợp cho người dùng sử dụng kiến thức
về điện tử mà đặc biệt là mạch số
II Đối tượng điều khiển
Trong bài này đối tượng chúng ta cần điều khiển là đèn chiếu sáng công cộng khi có tín hiệu từ đầu ra sử dụng thời gian thực từ PLC S7-1200 thì các đèn được bật lên để chiếu sáng Đối với các hệ thống sử dụng đèn chiếu sáng điều khiển bởi PLC S7-1200 thường được sử dụng nhiều trong các khu công nghiệp hơn vì độ tin cậy tránh các nhiễu và nhu cầu đặc thù của mỗi khu công nghiệp
Cấu tạo chung của đèn chiếu sáng:
Trang 8BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Hình 1.4 Đèn chiếu sáng cao áp công cộng
1 Đầu dây điện vào đèn
2 Tấm đế lắp linh kiện điện có thể tháo rời
8 Tấm phản quang mạ nhôm bằng phương pháp hóa hơi
9 Vỏ đèn có 2 ngăn (linh kiện điện và quang học)
10 Nắp bảo vệ ngăn điện
Tấm phản quang
Các loại đèn chiếu sáng công cộng thường có tấm phản
quang để phân bố lại ánh sáng
của nguồn sáng bằng cách ứng dụng định luật phản xạ đều Nhiệm vụ của nó là điều khiển ánh sáng phát ra phù hợp với mục đích sử dụng
Tấm phản quang có thể được làm bằng gương hoặc được mạ màu trắng (mạ nhôm hoặc bạc), mục đích chính là tăng hệ số phản xạ đềur Hệ số này có thể từ 0,85 (đối với gương) đến 0,93 (tráng bạc) Trong thực tế, tấm phản quang thường mạ bằng nhôm tinh chất theo phương pháp bay hơi, vừa giảm được giá thành so với mạ bạc mà vẫn đảm bảo hệ số r khá cao Theoquy định trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN5828-1994 đối với đèn đường phố thì hệ số phản quang ban đầu phải0,8
Chất lượng tấm phản quang được đánh giá qua độ dày và độ đồng nhất của lớp mạ phản
quang Đặc điểm của nó là rất dễ bị phá huỷ nên khi lau chùi phải dùng thổi bằng không khí khô áp suất nhỏ hay dùng cồn lau nhẹ Theo quy định, khi sử dụng đèn tiết kiệm năng lượng thì
hệ số phản xạ phải có độ suy giảm <10% so với ban đầu sau
6000 giờ sử dụng
Trang 9Hình dáng tấm phản quang phụ thuộc vào yêu cầu phân bố ánh sáng Thông thường tấm
phản quang có dạng paraboloit tròn xoay và nguồn sáng đặt ở tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ song song nhau Một số bộđèn có tấm phản quang dạng elipxoit tròn xoay có nguồn sáng đặt ở một tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ hội tụ về tiêu điểm thứ 2 để tạo thành nguồn sáng điểm Ngoài ra còn có loại tấm phản quang hai múi, gồm hai nửa paraboloit tròn xoay ghéplại, sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất của bộ đèn so với loại một múi
Hình 1.5 Tấm phản quang
Bộ điện chiếu sáng :
Trong các bộ đèn chiếu sáng công cộng, và Tăngpo , Tụ Kích
thường được lắp đặt trong ngăn riêng gọi là ngăn linh kiện điện Ngăn này không yêu cầu độ kín cao như ngăn quang học nhưng yêu cầu phải dễ tháo lắp để sửa chữa, thay thế linh kiện khi cần thiết
Chức năng:
Ballast ( Tangpho) : Điều chỉnh dòng cho phù phợp với bóng đèntheo từng công suất( Thường dùng 150W, 250W , 400W … )Kích : Mồi bóng đèn cho đến khi tim đèn nóng lên đủ để phá sáng
Tụ: Bù hệ số công suất tổn hao trên Ballast cho lưới, thông
thường tổn hao trên ballast là 0.35, mắc thêm tụ bù là 0.85
Bóng : Không sáng liền mà sáng từ từ, chuyển dần từ ánh sáng trắng sang ánh sáng vàng
Với cấu tạo và cơ chế hoạt động như vậy đèn cao áp mang lại nhiều lợi ích cho khách hàng sử dụng thông qua việc tiết kiệm điện
Kính bảo vệ :
Kính bảo vệ bộ đèn là nắp chụp bảo vệ bộ phận quang học
nhưng yêu cầu phải đảm bảo cho ánh sáng truyền qua được Sở
dĩ phải bảo vệ bộ phận quang học vì bộ phận này cócác thành phần rất quan trọng của bộ đèn như tấm phản quang và nguồn sáng được chế tạo chính xác cao, rất tinh xảo và dễ bị tác động của môi trường (nhất là tấm phản quang được mạ bằng nhôm
Trang 10BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
tinh chất) làm chất lượng của bộ đèn giảm xuống Để bảo vệ các
bộ phận này người ta phải dùng kính bảo vệ, tuy nhiên phải đảmbảo truyền ánh sáng tốt nhất nên thường làm bằng
thủy tinh, bằng nhựa hoặc vật liệu composit trong suốt hoặc trong mờ Khi chọn vật liệu cũng như chiều dày kính bảo vệ phảitính toán để giảm sự phản xạ ở biên giữa không khí và kính Theo TCVN5828-1994 và 13/2008/QĐ-BCT thì kính bảo vệ phải
có hệ số truyền
qua ban đầu 0,85 Về mặt cấu tạo, kính bảo vệ có thể
dạng phẳng hoặc dạng rãnh khía (rãnh khía làm cho
hiệu suất bộ đèn cao hơn)
Ngoài ra kính bảo vệ còn có chức năng chống nổ vì
chế độ làm việc của đèn là phóng điện hồ quang với
nhiệt độ cao Khi ống phóng điện0bị nổ các mảnh vỡ
của nó văng ra có nhiệt độ cỡ 1000 C có thể nguy hiểm
cho người đi đường, huỷ hoại tài sản, thậm chí hoả hoạn Kính bảo vệ phải có độ chịu va đập và không gian đủ để giữ lại các mảnh vỡ này
Kính bảo vệ răng khía
Khi thiết kế chiếu sáng chọn bộ đèn cần phải chú ý đến đặc tính cũng như vật liệu chế tạo
kính đèn Vì nó là môi trường truyền ánh sáng nên có thể có mộtlượng tia tử ngoại xuyên qua, ngoài ra nó lại chịu tác động trực tiếp của môi trường (mà trong đô thị thì môi trường thường ô nhiễm) nên nó rất nhanh bị lão hoá hoặc bị mờ đi Theo quy định, khi sử dụng đèn tiết kiệm năng lượng thì hệ số truyền qua phải có độ suy giảm < 5% so với ban đầu sau 6000 giờ sử dụng
- Loại đui gài (còn gọi là đui ngạnh trê) : không có ren xoáy
nhưng có 2 tai đối xứng nhau để gài vào lỗ đui đèn nằm trên bộ đèn Loại này thường thấy trong loại đèn dây tóc dùng trong dândụng Ký hiệu đui gài có 2 loại là B15 và B22 tùy vào đường kínhđui đèn
- Đui xoáy: hình trụ có ren xoáy Ký Đui xoáy E
Đui gài B hiệu có 3 loại: E14, E27 và E40 tùy vào đường kính đui đèn Chữ E viết tắt của Edison là tên nhà phát minh ra bóng đèn điện đầu tiên
Trong các bộ đèn chiếu sáng công cộng chỉ dùng 2 loại đui đèn trên Tuy nhiên trong dân dụng và công nghiệp còn có rất nhiều kiểu đui đèn khác nhau như : đui đèn kiểu cắm, đui 1 chân, đui 2
Trang 11chân, đui kiểu ren,
III Phương pháp điều khiển
Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình
Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính
Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung
bộ nhớ điều khiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bênngoài Qua đó, ta thấy được ưu điểm của phương pháp điềukhiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng Do
đó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vựcđiều khiển vì nó rất mềm dẻo…
Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:
Hình 1.6 Phương pháp lập trình điều khiển
Trang 12BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
IV Thiết bị điều khiển ,thiết bị vào và cơ cấu làm việc
A,Để phù hợp với những yêu cầu của bài , ta sẽ chọn và sử dụngPLC S7-1200
(5) Nơi gắn dây nối
CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra ,có khả năng mở rộng ra 2 module tín hiệu (SM),1 mạch tín hiệu (SB),và 3 module giao tiếp
Các đèn báo của CPU 1212C:
(stop/run) có màu (cam /xanh) :có chức năng ngừng /thực hiện trương trình đã nạp vào bộ nhớ
Error (màu đỏ): màu đỏ báo hiệu việc chạy chương trình đã
Trang 13 Qx.x (đèn xanh) : đèn xanh báo hiệu trạng thái ở ngõ ra của cổng Qx.x
B, cấu trúc bên trong
Cũng giống như các PLC có cùng họ khác ,PLC S7-1200 cũng có
4 bộ phận chính :
Bộ vi xử lý: còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) ,chứa
bộ vi xử lý ,biên tập các tín hiệu nhập và thực hiện biên tậpchương trình được lưu ở bộ nhớ của PLC.Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu đến các thiết bị ở đầu ra
Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát cua bộ vi sử lý
Bộ nguồn là nơi có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp 1 chiều +24V cần thiết cho bộ vi xử lý và các
module giao tiếp nhập và xuất hoạt động
Bộ giao tiếp xuất/nhập: Các thành phần nhập và xuất(input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết
bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển.Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,…Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi độngđộng cơ, các van solenoid,…
Hình 1.8 sơ đồ bên trong của PLC (CPU 1212C)
C, Đấu dây
Ở đây ta chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:
Trang 14BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC
cho PLC và các thông số điện áp được thể hiện trong hình:
Hình 1.9 Sơ đồ đấu dây S7-1200Nguồn cung cấp cho PLC là 100 – 230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện áp có thể thay đổi trong khoảng từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ là 20A
Nguồn cung cấp là 24VDC Điện áp có thể thay đổi trong khoảng20.4V - 28.8V Ở 28.8V dòng điện tiêu thụ là 12A
Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC Các ngõ ra của PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC Ngõ vào ở mức 1 khi công tắc đóng hay điện áp
Trang 15=>15VDC Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1”
xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được
Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC Tùy theo yêu cầu thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó
D, Moodul mở rộng
Hình 1.10 Dạng các môđun
Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng
và 1 mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng Ngoài ra bạn cũng có thể cài đặt thêm 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông
(SB)