Ứng dụng rất quan trọngcủa ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống vớinhững thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thậtcao... X
Trang 1Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị vớicác đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là nhữngyếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngàycàng cao hơn.
Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự độnghóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khácnhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày.Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọngcủa ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống vớinhững thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thậtcao
Trang 2Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một
mạch ứng dụng của PLC, điều khiển hệ thống phân phối liệu.
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáotrong khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 2-K10 đặc biệt là giảng viên
Nguyễn Thu Hà - giảng viên khoa điện trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án mônhọc này Mong cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn saunày
Em xin chân thành cảm ơn !
Chương I : Cơ sở lý thuyết
Giả sử: Ban đầu các Silo chưa có nguyên liệu
Khi nhấn Start V1va V3 mở xả nguyên liệu vào silo2 và silo3
- Sau khi nguyên liệu được đổ đầy Silo, cảm biến báo đầy nguyên liệu
S4,S5 tác động làm đóng van V1,V3 ngừng cung cấp nguyên liệucho Silo2 và Silo 3 Đồng thời mở van V2,V4 cung cấp nguyên liệucho Silo 1
- Sau khi xả hết nguyên liệu ở Silo 2 và Silo 3 cảm biến báo cạn S2 và
S3 tác động, đóng V2 và V4 Đồng thời động cơ khuấy bắt đầu hoạtđộng trong khoảng thời gian cài đặt trước
- Sau khi động cơ khuấy,khuấy xong mở V5 xả nguyên liệu cho xe
- Sau khi xả hết nguyên liệu ở Silo 1 cảm biến báo cạn S1 tác động
,đóng V5 Quá trình thực hiện lại từ đầu
Ấn nút STOP để dừng hệ thống
Trang 31.2.Tìm hiểu về PLC S7-300
1.2.1.Khái quát về PLC S7-300
PLC S7 – 300: Loại trung bình, thích hợp cho những ứng dụng vừa phải.Định nghĩa: Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logiccontroller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đóbằng mạch số
Ưu điểm:
- Nhỏ gọn.
- Dễ thay đổi thuật toán.
- Dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC
khác hoặc với máy tính)
Trang 4 Vùng chứa chương trình ứng dụng: được chia làm 3 miền:
- OB (Organization block): Miền chứa chương trình tổ chức.
- FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm
có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó
- FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành
hàm, có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trìnhnào khác
Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng
- I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số.
- Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số.
- M: Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này
để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M),byte (MB), bit (M), byte (MB), từ (MW) hay (MW) hay từ kép (MD)
- T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) (Timer) bao gồm việc lưu
giữ giá trị thời gian đặt trước (PV: Preset value), (PV: Preset value),giá trị đếm thời gian tức thời (CV: Current value) (CV: Current value)
- C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter), (Counter), bao gồm việc lưu
giữ giá trị đặt trước, giá trị đếm tức thời, giá trị logic đầu ra của bộđếm
- PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự.
- PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự.
Vùng chứa các khối dữ liệu Được chia thành 2 loại:
- DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối.
Kính thước và số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp vớitừng bài toán điều khiển
- L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương
trình OB, FC, FB OB, FC, FB tổ chức, sử dụng cho các biến nháp tứcthời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chươngtrình đã gọi nó Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bịxóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB
1.2.2.Các modul mở rộng
Được chia thành 5 loại chính sau:
- Nguồn nuôi (PS: Power Supply): Cung cấp nguồn cho CPU và các module khác
- SM (Signal Module): Module tín hiệu vào ra, bao gồm:
+ DI: Digital Input
+ DO: Digital Output
+ DI/DO: Digital In/Output
Trang 5+ AI: Analog Input
+ AO: Analog Output
+ AI/AO: Analog In/Output
- IM (Interface Module): Module ghép nối
- FM (Function Module): Module điều khiển riêng: điều khiển Servo,
- Module nguồn PS (3 loại: 2A, 3A, 5A)
- Module ghép nối IM (Intefare Module): Hệ thu thập dữ liệu
và truyền số liệu
- Module tín hiệu SM (Signal Module):
+ Vào số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh.
+ Ra số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh.
+ Vào, ra số: 8 kênh vào 8 kênh ra, 16 kênh vào 16 kênh ra.
+ Vào tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh.
+ Ra tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh.
+ Vào, ra tương tự: 2 kênh vào 2 kênh ra, 4 kênh vào 4 kênh ra.
- Module hàm FM (Function Module).
+ Đếm tốc độ cao.
+ Truyền thông CP 340, CP340-1, CP341.
- Module điều khiển CP (Control Module):
+ Module điều khiển PID.
+ Module điều khiển Fuzzy.
+ Module điều khiển rô bot.
Trang 6+ Module điều khiển động cơ bước.
Trong PLC có những bộ phận được gán địa chỉ đơn như bộ thời gian (T),
bộ đếm (C) chỉ cần một chữ cái đó kèm theo một số là đủ, ví dụ: T1, C32 Các địa chỉ đầu vào và đầu ra cùng với các module chức năng có cách gán địachỉ giống nhau Địa chỉ phụ thuộc vào vị trí gá của module trên Panen Chỗ gámodule trên panen gọi là khe (Slot), các khe đều có đánh số, khe số 1 là kheđầu tiên của và cứ thế tiếp tục
Khi gá module số vào, ra lên một khe nào lập tức nó được mạng địa chỉbyte của khe đó, mỗi khe có 4 byte địa chỉ
Trên mỗi module thì mỗi đầu vào, ra là một kênh, các kênh đều có địachỉ bit là 0 đến 7
Địa chỉ của mỗi đầu vào, ra là số ghép của địa chỉ byte và địa chỉ kênh,địa chỉ byte đứng trước, địa chỉ kênh đứng sau, giữa hai số có dấu chấm Khimodule gá trên khe thì địa chỉ được tính từ byte đầu của khe, các đầu vào và
ra của một khe có cùng địa chỉ
Địa chỉ khe và kênh trên module số
Ví dụ: Module 2 đầu vào, 2 đầu ra số gá vào khe số 5 rãnh 0 có địa chỉ làI4.0, I4.1 và Q4.0, Q4.1
Module số có thể được gá trên bất kỳ khe nào trên panen của PLC
Địa chỉ vào ra trên module tương tự Trong PLC S7-300 người ta dùng 16bit (một word) cho một kênh Một khe có 8 kênh với địa chỉ đầu tiên làPIW256 hoặc PQW256 (byte 256 và 257) cho đến PIW766 hoặc PQW766.Module tương tự có thể được gá vào bất kỳ khe nào trên panen của PLC,các khe trống bao giờ cũng có trạng thái tín hiệu “0”
Ví dụ: Một module tương tự 2 vào, 1 ra gá vào khe số 6 rãnh 0 có địa chỉ
là PIW288, PIW290, PQW288
1.3.Tìm hiểu về HMI (Wincc của simen)
1.3.1 Giới thiệu phần mềm Wincc.
Trang 7Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa.
WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiểnchạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm đểthiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển
WinCC là một hệ thống HMI (Human Machine Interface: tức là giao diện giữa người và máy) cho phép các hoạt động và chấp hành của các quy trình chạy trong máy Truyền thông giữa WinCC và máy diễn ra thông một hệ thống
tự động
WinCC được dùng để hiện thị quá trình và cấu hình một giao diện đồ hoạ người dùng Bạn sẽ sử dụng giao diện người dùng để hoạt động và quan sát quátrình WinCC cung cấp các khả năng sau:
- WinCC cho phép bạn quan sát quá trình Quá trình này được hiển thị
đồ hoạ trên màn hình Màn hình hiển thị được cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quá trình thay đổi
- WinCC cho phép bạn vận hành quy trình Ví dụ, bạn có thể chỉ ra một
điểm đặt từ giao diện người dùng hoặc bạn có thể mở một van
- WinCC cho phép bạn giám sát quá trình Một cảnh báo sẽ báo hiệu
một cách tự động trong sự kiện của một trạng thái quá trình nghiêm trọng Nếu một giá trị được định nghĩa trước bị vượt quá, một thông báo sẽ xuất hiện trên màn hình
Trang 8- WinCC cho phép bạn lưu trữ quá trình Khi làm việc với WinCC,
những giá trị quá trình có thể hoặc được in ra hoặc được lưu trữ theo kiểu điện tử Điều này tạo điều kiện cho thu thập thông tin của quy trình và cho phép truy cập tiếp theo đến dữ liệu sản sinh ra trong quá khứ
WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất Nhờ sự cộng tác chặt chẽgiữa Siemens và Microsoff, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu
Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA
- Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức
năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập
Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp
- WinCC là một mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử
dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giámsát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server)
Có thể phát triển tùy theo từng lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ
- Một loạt các mô đun phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng
dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần
Máy tính (Computer): Quản lý tất cả các trạm (WorkStation) và trạm chủ (Server) nằm trong Project
Quản lý tag (Tag Managerment): Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ Logic, các tag (biến) quá trình (Tag process), tag (biến) trung gian trong PLC (Tag Internal) và nhóm các nhóm tag (Tag Groups)
Loại dữ liệu (Data Types): Chứa các loại dữ liệu được gán cho các Tag và các kênh khác nhau
Các trình soạn thảo Editor: Các trình soạn thảo được liệt kê trong vùng này dùng để soạn thảo và điều khiển một dự án hoàn chỉnh, chức năng các
bộ soạn thảo cho như bảng sau:
Trang 9Tất cả các Modul này đều thuộc hệ thống WinCC nhưng nếu không cầnthiết thì không nhất thiết phải cài đặt hết.
Tag (Biến) Tags WinCC là phần tử trung tâm để truy nhập các giá trị quátrình Trong một dự án, chúng nhận một tên và một kiểu dữ liệu duy nhất Kếtnối logic sẽ được gán với WinCC Kết nối này xác định rằng kênh nào sẽchuyển giao giá trị quá trình cho các biến
Các biến được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu toàn dự án Khi một chế độ củaWinCC khởi động, tất cả các biến trong một dự án được nạp và cấu trúc Run –time tương ứng được thiết lập Mỗi biến được lưu trữ trong quản lí dữ liệutheo một kiểu dữ liệu chuẩn
WinCC làm việc với 3 loại Tag:
- Tag nội (Internal Tag): Là Tag không được kết nối với quá trình
dùng để quản lý dữ liệu bên trong 1 project
- Tag quá trình (Process Tag): Là Tag được dùng để trao đổi dữ liệu
giữa WinCC và quá trình tự động Thuộc tính của Tag phụ thuộcvào driver sử dụng
- Tag hệ thống (System Tag): Bắt đầu với ký tự , dùng để quản lý
Project, không thể xóa hay chỉnh sửa System Tag
WinCC quản lý các tag này theo 2 kiểu:
- Kiểu nhóm (Tag group)
- Kiểu cấu trúc (Structure Type)
Trang 10Nhóm biến chứa tất cả các biến có kết nối logic lẫn nhau Các kiểu dữliệu biến phải gán một trong các kiểu dữ liệu sau cho mỗi biến được định cấuhình Việc gán kiểu dữ liệu cho biến được thực hiện trong khi tạo một biếnmới Kiểu dữ liệu của một biến độc lập với kiểu biến (biến nội hay biến quátrình) Trong WinCC, một kiểu dữ liệu nào đó cũng đều có thể được chuyểnđổi thành kiểu khác bằng cách điều chỉnh lại dạng Các kiểu dữ liệu (dataTypes) có trong WinCC:
- Binary Tag: kiểu nhị phân.
- Signed 8 – Bit Value: kiểu 8 bit có dấu.
- Unsigned 8 – Bit Value: kiểu 8 bit không dấu.
- Signed 16 – Bit Value: kiểu 16 bit có dấu.
- Unsigned 16 – Bit Value: kiểu 16 bit không dấu.
- Signed 32 – Bit Value: kiểu 32 bit có dấu.
- Unsigned 32 – Bit Value: kiểu 32 bit không dấu.
- Floating Point Number 32 bit IEEE 754: kiểu số thực 32 bit theo
tiêu chuẩn IEEE 754
- Floating Point Number 64 bit IEEE 754: kiểu số thực 64 bit theo
tiêu chuẩn IEEE 754
- Text Tag 8 bit character set: kiểu ký tự 8 bit.
- Text Tag 16 bit character set: kiểu ký tự 16 bit.
1.3.2 Những ưu điểm của Wincc.
WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tựđộng hóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việcphát trỉên phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các
hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợpvới những ứng dụng có quy mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệthống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lýviệc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng
có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens
có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemens được tài trợđưa vào hệ đào tạo chính thức
Trang 11Chương II : Thiết kế hệ thống.
1 Lựa chọn thiết bị
PLC.
Trang 12Hình 2.1.1: PLC S7-300 với CPU 314 IFM
Trong nội dung của đề tài này nhóm chúng em chọn PLC S7-300 củasimen với CPU 314 IFM, gồm 20 đầu vào số,16 đầu ra số, 4 ngõ vào tương tựtích hợp sẵn PIW128, PIW130, PIW132, PIW134 1 ngõ ra tương tự tích hợpsắn
Động cơ điện.
Hình 2.1.2: Động cơ không đồng bộ ba pha
Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ 3 pha có
Trang 13- Tốc độ định mức của động cơ: 1350vòng/phút
Van điện từ
Hình 2.1.3: Van điện từ.
Căn cứ vào nội dung của đề tài nhóm chúng em chọn và sử dụng loại
van đó là van điện từ
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Van điện từ - Solenoid Valve
- Van điện từ có nhiều loại, cấu tạo cũng khác biệt nhau Van điện từ
là van hoạt động điện cơ Van được điều khiển bởi dòng điện thôngqua tác dụng của lực điện từ Đối với loại van 2 cửa, cửa ra và cửavào sẽ được đóng mở thay phiên nhau (nghĩa là cửa vào đóng thìcửa ra mở và ngược lại)
Cảm biến: Gồm 3 loại cảm biến.
Cảm biến đo mức: Lựa chọn cảm biến tiệm cận.
Trang 14Hình 2.1.4: Cảm biến tiệm cận Omron.
- Nguyên tắc hoạt động: Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự
thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể pháthiện tất cả vật
- Mặc dù khá đa dạng về chủng loại, song cơ bản thì van điện từ hoạt
động theo một nguyên lý chung
- Là có 1 cuộn điện, trong đó có 1 lõi săt và 1 lò so nén vào lõi sắt
đó, lõi sắt đó lại tỳ vào đầu 1 gioăng cao su Như vậy, bình thườngkhông có điện thì lò so ép vào lõi sắt, để đóng van Khi có dòngđiện vào, cuộn dây sinh từ trường hút lõi sắt ra, từ trường này đủmạnh thắng được lò so, khi đó van mở ra (Loại Van điện từ thườngđóng – NC)
Cảm biến thu phát độc lập: Lựa chọn cảm biến hồng ngoại thu phát độc lập.
Hình 2.1.5: Cảm biến thu phát độc lập.
- Nguyên tắc hoạt động: Có 2 đầu 1 đầu phát tín hiệu và 1 đầu thu
tín hiệu, khi có vật cảm ở giữa hai đầu tín hiệu thu – phát, cảmbiến sẽ tác động Dùng để phát hiện vật cảm (oto)
Cảm biến khối lượng
Trang 15Hình 2.1.6: Cảm biến khối lượng.
- Nguyên tắc hoạt động: Khi đặt một vật đủ nặng (vd: 5 tấn) lên trên
cảm biến, cảm biến sẽ tác động
Khởi động từ
Khởi động từ là một loại khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng– ngắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có lắp thểm rơle nhiệt) các động cơkhông đồng bộ ba pha rôto lồng sóc Khởi động từ có một Contactor gọi làkhởi động từ đơn thường để đóng – ngắt động cơ điện Khởi động từ có haiContactor là khởi động từ kép dùng để thay đổi chiều quay của động cơ gọi làkhởi động từ đảo chiều Muốn bảo vệ ngắn mạch phải lắp thêm cầu chì
Hình 2.1.7:Khởi động từ.
Khi cung cấp điện áp cho cuộn dây bằng nhấn nút khởi động M, cuộnhây Contactor có điện hút lõi thép di động và mạch từ khép kín lại: Làm đóng
Trang 16các tiếp điể chính để khởi động động cơ và đóng tiếp điểm phụ thường hở đểduy trì mạch điều khiển khi buông tay khỏi nút nhấn khởi động Khi nhấn nútdừng D, khởi động từ bị ngắt điện, dưới tác dụng của lò xo nén làm phần lõi
di động trở về vị trí ban đầu; các tiếp điểm trở về trạng thái thường hở Động
cơ dừng hoạt động Khi có sự cố quá tải động cơ, Rơle nhiệt sẽ thao tác làmngắt mạch điện cuộn dây, do đó cũng ngắt khởi động từ và dừng động cơ điện
2.2.Xây dựng sơ đồ khối
Thuật toán điều khiển hệ thống
Thuật toán khởi động và dừng hệ thống
MAIN
Khởi động và dừng hệ
thống
Điều khiển hệ thốngphân phối liệu
END