tự động hóa quá trình công nghệ điều khiển, giám sát mức chất lỏng

trong quá trình học môn “Tự động hóa quá trình công nghệ” và các môn liên quan, nhóm chúng em được giao đề tài: : “Điều khiển, giám sát mức chất lỏng”CHƯƠNG 1:YẾU CẦU CÔNG NGHỆ31.1PHÂN TÍCH BÀI TOÁN31.2MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG41.3LỰA CHỌN THIẾT BỊ41.3.1Giới thiệu phần mền TIA Portal.41.3.2Khởi tạo TIA61.3.3Giới thiệu chung về PLC161.3.3.1Tổng quan về plc.161.3.3.2Giới thiệu về S71200221.3.4Giới thiệu thiết bị đo.271.3.4.1Phân loại cảm biến mức.271.3.5Lựa chọn thiết bị361.4SƠ ĐỒ KHỐI, SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ401.4.1Sơ đồ khối401.4.2Sơ đồ nguyên lý mạch lực40CHƯƠNG 2:SƠ ĐỒ GHÉP NỐI HỆ THỐNG VỚI PLC412.1BẢNG ĐỊNH ĐỊA CHỈ.412.2SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY422.3CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN PLC432.4TRƯƠNG TRINH GIÁM SÁT44KÉT LUẬN46

MỤC LỤ

CHƯƠNG 1:YẾU CẦU CÔNG NGHỆ 3

1.1 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 3

1.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 4

1.3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 4

1.3.1 Giới thiệu phần mền TIA Portal 4

1.3.2 Khởi tạo TIA 6

1.3.3 Giới thiệu chung về PLC 16

1.3.3.1 Tổng quan về plc 16

1.3.3.2 Giới thiệu về S7-1200 22

1.3.4 Giới thiệu thiết bị đo 27

1.3.4.1 Phân loại cảm biến mức 27

1.3.5 Lựa chọn thiết bị 36

1.4 SƠ ĐỒ KHỐI, SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 40

1.4.1 Sơ đồ khối 40

1.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch lực 40

CHƯƠNG 2:SƠ ĐỒ GHÉP NỐI HỆ THỐNG VỚI PLC 41

2.1 BẢNG ĐỊNH ĐỊA CHỈ 41

2.2 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 42

2.3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN PLC 43

2.4 TRƯƠNG TRINH GIÁM SÁT 44

KÉT LUẬN 46

1

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư quá trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý hóa chất ( hóa chất ở dạng lỏng), nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí Vì vậy trong phạm vi bài tập lớn chúng em xin

đề cập đến việc giám sát mưc chất lỏng

Trong kì này, trong quá trình học môn “Tự động hóa quá trình công nghệ” và các môn liên quan, nhóm chúng em được giao đề tài: : “Điều khiển, giám sát mức chất lỏng” Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo

hướng dẫn “Nghiêm Xuân Thước” cùng các thầy cô trong bộ môn “Tự động hóa” đã

giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài đúng thời hạn Nhưng do thời gian và lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này chúng em không tránh được sự thiếu sót Chúng

em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG 1: YẾU CẦU CÔNG NGHỆ 1.1 Phân tích bài toán

Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư quá trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý hóa chất ( hóa chất ở dạng lỏng), nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí

Thiết bị đo mức đơn giản và cổ nhất là một loại bình trong suốt Là phương pháp đothủ công truyền thống và nó có nhiều hạn chế: vật liệu của thiết bị có thể bị ăn mòn, chịu sự tác động của môi trường; con người phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đó,

có thể xảy ra tình trạng cháy, nổ dễ bị rò rỉ chất lỏng qua nắp, và cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn Do có quá nhiều hạn chế, nên thiết bị này nhanh chóng bị các thiết bị công nghệ tiê tiến hơn thay thế

Một thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, đó là thước đo kiểu phao Một chiếc phao đơn giản được thả nổi trên bề mặt chất lưu Chiếc phao này chịu sự tác động từ lực của chất lưu và không khí phía trên làm nó nổi trên bề mặt và dao động theo mức chất lưu Bên cạnh đó, một thiết bị khác cũng được sử dụng rộng rãi để xác định mức chất lưu đó là đầu đo thủy tĩnh

Đây là những thiết bị đo mức đơn giản, đã quen thuộc với người sử dụng Nhưng khi xuất hiện những nguyên tắc và ứng dụng đo mức trở nên phức tạp hơn, thì đây là lúc ngành công nghiệp đo mức chuyển mình với sự ra đời của những công nghê mới

sử dụng máy tính để tính toán

Khi công nghệ đo mức gắn với công nghệ máy tính thì dữ liệu từ cảm biến truyền

về hệ thống điều khiển và giám sát phải ở dạng máy có thể đọc được Trong đó, nhữngdạng tín hiệu đầu ra hữu dụng là dạng tín hiệu ở dạng điện mạch vòng ( current loops),điện áp tương tự ( analog voltages), và tín hiệu số ( digital signals) Tín hiệu điện áp tương tự là dạng tín hiệu dễ thiết lập và giải mã, tuy nhiên nó lại dễ bị ảnh hưởng bởi tiến gồn và yếu tố ngoại vi khác

Tín hiệu điện mạch vòng 4-20mA là dạng tín hiệu thông dụng ngày nay Dạng tín

3

hiệu này có thể truyền ở khoảng cách xa mà ít bị suy hao Dạng tín hiệu số được mã hóa dưới dạng nghi thức bất kỳ ( như Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus and RS 232) là dạng tín hiệu khỏe nhất tuy nhiên đối với những công nghệ

cũ như RS-232 thì tín hiệu số chỉ có thể được truyền ở khoảng cách nhất định

Còn đối với công nghệ không dây mới thì tín hiệu dưới dạng số có thể truyền được

ở khoảng cách xa hơn nhiều mà hầu như không ảnh hưởng gì đến chất lượng tín hiệu truyền

Theo yêu cầu bài toán chúng ta sẻ sử dung phương pháp giám sát mức chát lỏng bàng cảm biến mưc với đầu ra tín hiệu từ 4 – 20mA thưc hiện giám sát và điều khiển trên TIA

1.2 Mô tả hoạt động của hệ thống

Khi hệ thông giám sát mưc chất lỏng chưa hoạt đông thì đèn stop sáng Khi nhấn start hệ thống bắt đầu làm việc đèn Start báo sáng khi nó cảm biến sẻ đo và báo độ caocủa mưc nước trong bồn chứa về PLC Khi đó nếu mực nước trong binh thấp hơn yêu cầu PLC sẽ phát tín hiệu điều khiển bất bơm bơm nươc Khi mức nước đây PLC sẽ ngắn tín hiệu điều khiển dừng bơm nước

1.3.1 Giới thiệu phần mền TIA Portal.

Siemens giới thiệu TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal )– phần mềm

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

Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị

trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 V11 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính.

Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng dụng điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu của kháchhàng trên toàn thế giới Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens lại với nhau, 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 mộtcửa sổ Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán 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

Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả’ một biến của trong chương trình điều khiển PLC vào một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nốigiữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm

5

Phần mềm mới Simatic Step 7 V11, tích hợp trên TIA Portal, để lập trình cho

S7-1200, S7-300, S7-400 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC Simatic Step 7 V11 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng Simatic Step 7 V11 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sửdụng sang chương trình mới trên TIA Portal

Phần mềm mới Simatic WinCC V11, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA)

1.3.2 Khởi tạo TIA

Bước 1: Mở phần mềm TIA Portal V13 SP1 như hình bên dưới

Giao diện loading

Bước 2: Chọn tạo project hay mở file sẵn có

7

Bước 3: Chọn tạo Project và điền thông tin

Bước 4: Nhấn tạo project và chờ loading

Giao diện hiện ra như hình bên dưới

Bước 5: Chọn Add device

9

Bước 6: chọn đúng thông tin CPU và ckick Add

Bước 7: Giao diện lập trình hiện ra

Bên phải CPU dùng để add tối đa 8 module I/O, bên trái CPU có thể Add tối đa 3 module truyền thông RS232, RS485

Bước 8: Tích vào biểu tượng cổng mạng để xem và sửa IP của PLC

11

Bước 9: Check lại thông tin CPU

Bước 10: Lập trình một network start/stop động cơ đơn giản

Công cụ Unspeccifield CPU 1200

Đây là công cụ rất hay của TIA Portal, dùng để phát hiện ra CPU và IP của PLC để kếtnối tự động Trong trường hợp bạn không biết CPU S7-1200 là loại CPU nào, phiên bản mấy, IP bao nhiêu thì công cụ này rất hữu ích

Để sử dụng công cụ bạn cũng thực hiện các bước tạo Project giống như các bước phía trên từ Bước 1 đến Bước 4

Bước 5: Chọn Unspeccifield CPU 1200

Xem thông tin như hình bên dưới:

13

Bước 6: Sau khi chọn OK thì màn hình detect hiện ra:

Bước 7: Chọn detect, màn hình quét PLC hiện ra

Chọn Start Search để tìm kiếm PLC

Bước 8: PLC được tìm thấy như hình bên dưới.

15

1.3.3 Giới thiệu chung về PLC

- Dễ dàng sửa chữa thay thế

- ổn định trong môi trường công nghiệp

- Giá cả cạnh tranh

Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) (hình1.1) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển sốthông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằngmạch số

Tương đương một mạch số

Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điềukhiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môitrường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình

điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình(khối OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét.

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải cótính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điềuhành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giaotiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.Bên cạnh đó, nhằm phuvj vụ bài toán điều khiển số PLC còn cần phải có thêmcác khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer) vànhững khối hàm chuyên dụng

17

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC.

b) Phân loại.

PLC được phân loại theo 2 cách:

- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi,

- Giao diện không thân thiện với người sử dụng.

- Tốc độ tính toán không cao

- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít

3 PLC

- Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao

- Giao diện không thân thiện với người sử dụng

- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít

- Môi trường làm việc khắc nghiệt

d) Các lĩnh vực ứng dụng PLC.

PLC được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy công nghiệp, thiết bị y tế, ôtô (xe hơi, cần cẩu)

Các ƣu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC.

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

- Nhiều chức năng điều khiển

- Tốc độ cao

19

- Công suất tiêu thụ nhỏ.

- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào / rachức năng

- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới

- Giá thành không cao

Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và

sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức antoàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động Đồng thời cho phép nâng cao tính thị

trường của sản phẩm

e) Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình.

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ cácđối tượng sử dụng khác nhau PLC S7-300 có 5 ngôn ngữ lập trình cơ bản Đó là: Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic)

Đây là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement list)

Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trìnhđược ghép gởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm mộthàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh” + “toán hạng”.

- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram)

Đây cũng là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số

Ngôn ngữ GRAPH

Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ hoạ Cấu trúc chương trình rõ ràng,chương trình ngắn gọn Thích hợp cho người trong ngành cơ khí vốn quen vớigiản đồ Grafcet của khí nén

21

- gôn ngữ High GRAPH.

 Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

 Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

 PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

 Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

- Một PLC gồm có những phần cơ bản sau:

 Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộngđược kết nối vào

động các tác vụ hoặc quá trình.

- Vùng nhớ

 Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự Các ngõvào dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ radùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình

 Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng đểnối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thônggiữa các trạm trong mạng

 Các loại module chức năng (FM: Function Module): Ví dụ các moduleđiều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…

 Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều

khiển được nhanh chóng, đơn giản

 S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp nhữnggiải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

 S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

– 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau

– 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

– Bổ sung 4 cổng Ethernet

– Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC

 Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớchương trình khác nhau…

23

 S7-1200 có 3 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và 1214C

Hình1.1:CPU của PLC S7-1200

 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)

 Các đặc tính của module mở rộng như sau:

 Giao tiếp

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

 Giao tiếp PROFINET với:

Hình 1.2: Các kết nối của PLC S7-1200

 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)

+ Thiết kế linh hoạt:

Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển

Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU