Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ pH sử dụng phần mềm TIAPortal và bộ điều khiển PLC S71200 (Sử dụng khối hàm FC)

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : HỆ THỐNG SCADA, DCS VÀMẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Họ và tên HS-SV : Đinh Phùng Hiếu Vũ Thị Lành Trần Văn Tất Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ pH sử dụng

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : HỆ THỐNG SCADA, DCS VÀ

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Họ và tên HS-SV : Đinh Phùng Hiếu

Vũ Thị Lành Trần Văn Tất

Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ pH sử dụng phần mềm TIA-Portal và

bộ điều khiển PLC S7-1200 (Sử dụng khối hàm FC)

PHẦN THUYẾT MINH

Chương 1- Tìm hiểu các cảm biến đo độ pH

Chương 2- Giới thiệu tổng quan về phần mềm TIA-Portal và bộ điều khiển

PLC S7-1200

Chương 3- Lập trình cho bộ điều khiển và thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống

Chương 4- Kết quả mô phỏng

Ngày giao đề : 31/08/2017 Ngày hoàn thành : 15/11/2017

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hoàng Quốc Xuyên

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH

1 Khái niệm

pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dungdịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó Trong các hệ dung dịch nước, hoạt

độ của ion hiđrô được quyết định bởi hằng số điện ly của nước (Kw) = 1,008

× 10−14 ở 25 °C) và tương tác với các ion khác có trong dung dịch Do hằng

số điện ly này nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7 Các dung dịch nước

có giá trị pH nhỏ hơn 7 được coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm

1.1 Đơn vị đo

Mặc dù không có đơn vị đo, nhưng nó không phải là thang đo ngẫu nhiên Số đo sinh ra từ định nghĩa dựa trên độ hoạt động của các ion Hidro trong dung dịch

xỉ bằng nồng độ của ion H+

Log10 biểu thị lôgarit cơ số 10, và pH vì thế được định nghĩa là thang đo lôgarít của tính axít Ví dụ, dung dịch có pH=8,2 sẽ có độ hoạt động [H+] (nồng độ) là 10−8.2 mol/L, hay khoảng 6,31 × 10−9 mol/L; một dung dịch có hoạt độ của [H+] là 4,5 × 10−4 mol/L sẽ có giá trị pH là −log10(4,5 × 10−4), hay khoảng 3,35

Trong dung dịch nước ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (STP), giá trị pH bằng 7 chỉ ra tính trung hòa (tức nước tinh khiết) do nước phân ly một cách

tự nhiên thành các ion H+ và OH− với nồng độ tương đương 1×10−7mol/L Một giá trị pH thấp hơn (ví dụ pH = 3) chỉ ra rằng độ axít đã tăng lên, và một giá trị pH cao hơn (ví dụ pH = 11) chỉ ra rằng độ kiềm đã tăng lên

pH trung hòa không chính xác bằng 7; nó chỉ ngầm ý là nồng độ các ion

H+ là chính xác bằng 1×10−7 mol/L Tuy nhiên, các giá trị là đủ gần để pH trung hòa là 7,00 tới ba chữ số đáng kể nhất, nó là đủ gần để người ta coi nó

chính xác bằng 7 Trong các dung dịch không chứa nước hay ở các điều kiệnkhông tiêu chuẩn, thì giá trị pH trung hòa thậm chí có thể không gần với 7 Thay vì thế, nó liên quan với hằng số điện ly cho dung môicụ thể đang được

sử dụng

Phần lớn các chất có pH nằm trong khoảng từ 0 đến 14, mặc dù các chất cực axít hay cực kiềm có thể có pH < 0 hay pH > 14

1.2.Đo lường

pH có thể được đo:

- Bằng cách bổ sung chất chỉ thị pH vào trong dung dịch đang nghiên cứu Màu của chất chỉ thị sẽ thay đổi phụ thuộc vào pH của dung dịch Trong việc sử dụng các chất chỉ thị thì việc xác định định tính có thể thực hiện với các chất chỉ thị phổ biến có khoảng đổi màu rộng trên một khoảng

pH lớn và việc xác định định lượng có thể thực hiện bằng cách sử dụng các chất chỉ thị có sự thay đổi màu mạnh trên một khoảng pH nhỏ Màu sắc của các chất chỉ thị pH có thể được chia làm 14 thang bậc thông dụng Các phép

đo cực kỳ chính xác có thể thực hiện trên một khoảng pH rộng bằng sử dụngcác chất chỉ thị có nhiều trạng thái cân bằng (ví dụ HI) chung với các

phương pháp quang phổ để xác định sự phổ biến tương đối của mỗi thành phần phụ thuộc pH đã tạo ra màu của dung dịch

- Bằng cách sử dụng máy đo pH cùng với các điện cực có chọn lựa pH (điện cực thủy tinh pH, điện cực hiđrô, điện cực quinhiđrôn và nhiều loại khác)

2 Cảm biến đo độ pH

Các cảm biến pH (đầu dò pH) thường được làm bằng thủy tinh Nó gồm

1 ống thủy tinh, bên trong có 1 ống thủy tinh khác và có các điện cực Trên vách của ống thủy tinh có một lỗ nhỏ với một chất xốp sao cho các ion có thể qua được nhưng các chất bên trong cảm biến không bị thoát ra ngoài

Điện thế này có nội trở nguồn rất lớn Do đó mạch khuếch đại hoặc đo lường nó phải là mạch có tổng trở vào rất cao Thường người ta dùng các OpAmp JFet hoặc MosFET.

Do điện thế này sẽ thay đổi chút ít theo nhiệt độ, nên trong cảm biến pH thường có đặt thêm một cảm biến nhiệt độ để đo lường và bù trừ Cảm biến nhiệt độ thường là loại Pt 100 hoặc Pt 1000 Hệ số nhiệt là -0,033pH / độ C Cảm biến này có giá trị là 100 ohm (1000 ohm đối với Pt 1000) ở 0 độ C Trị số này sẽ tăng cứ mỗi độ C là 0,385 Ohm (3,85 ohm đối với Pt 1000) chomỗi độ C

Các đầu dò pH này thường có kết nối dạng chuẩn BNC để kết nối với các module chuyển đổi giá trị đo được sang dạng analog

Hình 2: Module chuyển đổi tín hiệu

Chức năng các chân:

-TO - Ngõ ra nhiệt độ-DO - Ngõ ra 3v3 ( từ giới hạn đo pH ở POT2)-PO - Ngõ ra tín hiệu analog pH

-Gnd - GND của tín hiệu analog pH-Gnd - GND của module

-VC - Ngõ vào điện áp cho module (5V DC)-POT1 - Hiệu chỉnh gía trị Analog đọc được (POT nằm gần cổng kết nối BNC)

- POT2 - Thiết lập giới hạn đo pH

3 Lựa chọn cảm biến

Với các thông tin thu thập được và yêu cầu đề tài, nhóm em quyết định lựa chọn bộ cảm biến đo độ pH S675TC của hãng Sensorex, đây là loại cảm biến được tích hợp đầu đo pH và bộ chuyển đổi thành một sản phẩm với các thông số kĩ thuật như sau:

 Nguồn cấp: 5VDC

 Khoảng đo pH: 0-14

 Độ chính xác: 0.1 pH (25oC)

 Thời gian đáp ứng: < 5s

 Thời gian ổn định: < 1phút

 Chức năng bù trừ nhiệt độ ATC

 Chức năng custom geometry giúp dễ dàng thay thế đầu điện cực

 Đầu ra dạng điện áp 4 – 20 mA

Hình 3: Cấu tạo đầu đo pH của S675TC

Hình 4: Cấu tạo tổng thể của S675TC

Hình 5: Hình ảnh thực tế của S675TC

4 Ứng dụng

Cảm biến đo pH được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống như:

 Đo và kiểm tra chất lượng nước

 Ứng dụng cho nuôi trồng thủy sản

 Quan trắc trong các nhà máy xử lý nước

các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra

sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-

Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell

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 Modul mở rộng

-Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối vàcác 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 PLC trong 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 quátrình 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 cầnmột sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơle

1.2 Cấu trúc của PLC

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử

lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit : CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0)

Hình 6: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp Hình 1.2 mô tả ba phần cấu thành một PLC

Hình 7: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

Hình 8: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển lập trình

2 PLC S7 – 1200

2.1 Khái niệm và giới thiệu chung

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 dùng để thay thế dần cho SIMATIC S7-200 SIMATIC S7-1200 có những tính năng nổi trội như sau:

SIMATIC S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa, phù hợp với các ứng dụng tự động hóa

ở quy mô vừa và nhỏ Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với

- Có thể tận dụng các thiết bị cũ để tiết kiệm chi phí.

- Có tính năng thời gian thực hết sức mạnh mẽ Dễ dàng cho việc ứng dụng thời gian thực cho hệ thống

- S7-1200 bao gồm một bộ vi xử lý (microprocessor), một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- S7-1200 tích hợp sẵn cổng truyền thông PROFINET:

+ Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC.+ Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

+Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

+Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

+Hỗ trợ 16 kết nối ethernet

+TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

+ 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

+2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)

+Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ

+16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality)

2.2 Cấu tạo của CPU

3 Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

4 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

5 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau

2.3 Module mở rộng PLC S7-1200

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông

số và quy định của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CP)

- Signal board (SB)

- Signal Module (SM)

2.4 Giao tiếp

S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)

Giao tiếp PROFINET với:

Hình 10: Các kết nối của PLC S7-1200

3 Phần mềm TIA – PORTAL

3.1 Giới thiệu chung

Phần mềm dùng để điều khiển và lập trình cho Simatic S7-1200 là TIA Portal TIA Portal (The Totally Integrated Automation Portal) là phần mềm cơ

sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và

truyền động điện Phần mềm tích hợp các sản phẩm SIMATIC khác nhau trong một phần mềm ứng dụng ví dụ Simatic Step 7 V11 để lập trình các bộ điều khiểnSimatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trênmáy tính, giúp tăng năng suất và hiệu quả làm việc

Hình 11: Phần mềm TIA Portal

TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẽ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên

sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết

bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ.Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩnđoán lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi

sử dụng chung cơ sở dữ liệu TIA Portal

TIA Portal cung cấp một hệ thống kĩ thuật mới thông minh và trực quan hơn, với các giao diện trực quan, dễ nhìn, tính năng “kéo- thả” đơn giản, thuận tiện cho việc lập trình

Hai phần mềm quan trọng nhất trong TIA Portal là Simatic Step 7 và Simatic WinCC (phiên bản mới nhất dành cho S7-1200 là TIA Portal v13)

3.2 Làm việc với phần mềm Tia Portal

3.2.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic-tích hợp lập trình PLC và HMI

Step 7 basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo

Một hệ thống kỹ thuật mới

Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa.

Lợi ích với người dùng:

-Trực quan : dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động

-Hiệu quả : tốc độ về kỹ thuật

-Chức năng bảo vệ : Kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi mới trong tương lai

3.2.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP

-Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP-Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau

3.2.3 Cách tạo một Project

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal

Hình 12:Biểu tượng TIA Portal V14

Bước 2 : Click chuột vào Create new project để tạo dự án.

Hình 13: Ấn Create new project để tạo mới

Bước 3 : Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create

Hình 14: Nhập tên và Create

Bước 4 : Chọn configure a device

Hình 15: Chọn Configure a device

Bước 5 : Chọn add new device

Hình 16: Chọn Add new device

Bước 6 : Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Hình 17: Chọn CPU và Add

Bước 7 : Project mới được hiện ra

3.2.4 TAG của PLC / TAG local

*Tag của PLC

-Phạm vi ứng dụng : giá trị Tag có thể được sử dụng mọi khối chức năng trong PLC

-Ứng dụng : binary I/O, Bits of memory

-Định nghĩa vùng : Bảng tag của PLC

-Miêu tả : Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép

*Tag Local

-Phạm vi ứng dụng : giá trị chỉ được ứng dụng trong khối được khai báo, mô

tả tương tự có thể được sử dụng trong các khối khác nhau cho các mục đích khácnhau

-Ứng dụng : tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời

-Định nghĩa vùng : khối giao diện

-Miêu tả : Tag được đại diện bằng dấu #

Sử dụng Tag trong hoạt động

Hình 18: Tag của PLC

-Layout : bảng tag PLC chứa các định nghĩa của các Tag và các hằng số có giá trị trong CPU Một bảng tag của PLC được tự động tạo ra cho mỗi CPU được sử dụng trong project.

-Colum : mô tả biểu tượng có thể nhấp vào để di chuyển vào hệ thống hoặc có thể kéo nhả như một lệnh chương trình

-Name : chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU

-Data type : kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag

-Address : địa chỉ của tag

-Retain : khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại

-Comment : comment miêu tả của tag

Nhóm tag : tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table

Ngoài ra còn có một số chức năng sau:

-Lỗi tag

-Giám sát tag của plc

-Hiện / ẩn biểu tượng

-Đổi tên tag : Rename tag

-Đổi tên địa chỉ tag : Rewire tag

-Copy tag từ thư viện Global

3.3 Làm việc với một trạm PLC

3.3.1 Quy định địa chỉ IP cho module CPU

IP TOOL có thể thay đổi IP address của PLC S7-1200 bằng 1 trong 2 cách Phương pháp thích hợp được tự động xác định bởi trạng thái của địa chỉ IP đó:-Gán một địa chỉ IP ban đầu : Nếu PLC S7-1200 không có địa chỉ IP, IP TOOL

sử dụng các chức năng thiết lập chính để cấp phát một địa chỉ IP ban đầu cho PLC S7-1200

-Thay đổi địa chỉ IP : nếu địa chỉ IP đã tồn tại, công cụ IP TOOL sẽ sửa đổi cấu hình phần cứng (HW config) của PLC S7-1200

3.3.2 Đổ chương trình xuống CPU

Đổ từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình

Hình 19: Download chương trình xuống PLC