Kèm code PLC - WinCC và file Word - Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường áp suất sử dụng TIA và điều khiển bằng PLC s71200 Sử dụng khối hàm FB

Kèm code PLC và file word Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường áp suất sử dụng TIA và điều khiển bằng PLC s71200 Sử dụng khối hàm FB. Chi tiết code PLC và mô phỏng WinCC. Chương trình viết chi tiết sử dụng khối hàm FB để đọc giá trị áp suất theo mô phỏng thực tế lên WinCC.

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

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

NỘI DUNG

Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường áp suất sử dụng phần mềm TIA-Portal

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

PHẦN THUYẾT MINH

Chương 1- Tìm hiểu các cảm biến đo áp suất

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

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Mục lục

CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT 3

A Khái niệm 3

B Cảm biến áp suất dựa trên phần tử biến dạng 4

C Ứng dụng 9

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA- PORTAL VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 12

2.1 Giới thiệu về PLC 12

2.2 PLC S7-1200 14

2.3 Phần mềm TIA Portal 17

2.4 Giới thiệu về hệ SCADA 31

CHƯƠNG 3 : LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 34

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34

CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT

A Khái niệm

Trong vật lý học,áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý

thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất :

p = F/A

1 Đơn vị đo của áp suất

Trong hệ SI: N/m2 hay còn gọi là Pa: 1Pa=1N/m2

Đơn vị ngoài hệ của SI là bar, atmotphe, milimét thuỷ ngân (mmHg),

2 Phương pháp đo áp suất

- Áp suất tuyệt đối: được đo so với chân không tuyệt đối, hoàn toàn bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khí quyển Phương pháp đo này được sử dụng chủ yếu để nghiên cứu hoặc thiết kế, nhưng có một số ứng dụng mà giá trị đọc tuyệt đối lại có ích khi đặt trong điều kiện cụ thể của quá trình Bởi vì trên thực tế khó có thể hút một chân không tuyệt đối bên trong vỏ cảm biến, các cảm biến thường điều chỉnh giá trị đọc của thiết bị đo bằng cách sử dụng hệ

số sửa cố định hoặc các đơn vị phức tạp hơn sử dụng một áp suất khí áp đã được đo

- Áp suất vi sai: là áp suất trong một khu vực hoặc một đường ống khi được so với áp suất khác

- Giá trị đọc là sự chênh lệch giữa hai áp suất và không tính đến áp suất của hai bên so với áp suất của khí quyển hoặc chân không

- Áp suất calip: là một dạng của áp suất vi sai, là áp suất ở một khu vực hoặc đường ống so với áp suất khí quyển Loại này được áp dụng phổ biến nhất

 Áp kế chất lỏng

- Áp kế chữ U

Cấu tạo : Gồm 1 ống thủy tinh hình chữ u Bên trong chứa chất lỏng (

Nguyên lý hoạt động:

Do đó sự khác biệt áp suất giữa áp suất áp dụng Pa tham khảo áp suất Pb trong một ống áp kế U

Làm chênh lệch mực chât lỏng giũa hai ống từ đó tính đươc áp suất cần đo

Dải làm việc từ:100pa đến 1000000pa

 Áp kế bình

Cấu taọ: gồm một bình thủy tinh như hình vẽ chứa chất lỏng Áp suất trong

bình thường là 1 bar

Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự chênh lệch áp suất giữa trong bình và ngoài

bình làm cho mực chất lỏng thay đổi từ đó tính đươc áp suất

B Cảm biến áp suất dựa trên phần tử biến dạng

Công thức tính biến thiên góc ở tâm y

- R: bán kính cong

- h: bề dày thành ống

- v: hệ số poission

- Y: mô đun Young

- a,b: các bán trục của chia tiết ôvan

A,B: các hệ số phụ thuôc vào hình dáng và tiết diện ngang của ống

ho :chiêù dày của thành ống

n: số nếp nhăn làm việc

: góc bịt kín

A,B :các hệ số phụ thuộc R

Rn và Rt bán kính ngoài và trong của xi phông

r: bán kính cong của nếp uốn

Lưc tác dụng lên đáy tính theo công thức

*)Màng nếp uốn đặc tuyến phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ võng lớn

- Biến đổi sử dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu điện

- Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo

 Bộ chuyển đổi kiểu áp điện

+Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ

 Bộ chuyển đổi kiểu điện cảm

+Làm việc theo nguyên tắc cảm ứng

+Việc nối nam châm phụ tuộc vào vị trí của lõi

+Khi lõi sắt thay đổi vị trí điện thế thay đổi

+Độ chính xác 0.5%FS

+Phạm vi làm việc từ 0 tới 10,000psi

 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung

a)Cấu tạo

Gồm 1 màng kim loại đặt giữa hai cực của tụ điện

b)Nguyên lý:

Dịch chuyển giữa hai tấm tụ điện phẳng sẽ làm

thay đổi điện dung Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng

lọc

c)Phạm vi làm viêc

Phạm vi làm việc rộng (áp suất chân không tới 10,000psi)

Đo được áp suất vì sai thấp(0.25mm H2O)

Thời gian đáp ứng nhanh

Độ chính xác 0.01%FSvà hiệu ứng nhiệt độ là 0.25%

C Ứng dụng

1 Kiểm tra sự hút:

+Giám sát áp suất cho quá trình gắp và thả phôi

+Kiểm tra sự hút các chai trong quá trình đóng gói

+Kiểm tra quá trình hút phôi vào vòng hình O

+Kiểm tra sự hút trong quá trình đặt chip

+Kiểm tra sự hút trong quá trình dán nhãn

2 Điều khiển áp suất nguồn:

Điều khiển áp suất trong máy hàn vết

Giám sát áp suất khí trong máy nén

3 Kiểm tra định vị:

Sử dụng để kiểm tra xem đối tượng như phôi có trên bàn máy hay không

Ưu điểm là không sợ ảnh hưởng của bụi,hơi nước hay va chạm trong quá trình gia công

Xác nhận chi tiết có nằm trên máy hàn vết hay không

Nhận biết sự hiện diện/thiếu thành phần động cơ

Môt số loại cảm biến thường gặp

Có 3 loại cảm biến áp suất sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

1 Pressure transmitter: được dùng nhiều trong các hệ thống có điều khiển PLC

Loại Smart: dùng HART thay đổi range P vào

Các hãng sản xuất nổi tiếng là: Rosemount, ABB, Siemens, Endress & Haus, Honey Well,

Yokogawa,

Giá của loại smart ít nhất là 500 USD tùy loại như của hãng SX nào, nơi SX (nếu USA, EU, G7 thì

đắt vì có các đặc tính kĩ thuật cao hơn các nơi khác), môi trường sử dụng,

2 Pressure transducer: được dùng nhiều trong các hệ thống rời như máy nén

khí, máy phát điện,

Input: Pressure

Output: voltage 0-5 V hoặc 1-5V,

3.Presssure switch : Được dùng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA-

PORTAL VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 2.1 Giới thiệu về PLC

2.1.1 Khái niệm

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch rơ le trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét 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 và các 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 quá trình 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 cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơle

2.1.2 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)

Hình2.1.2a: 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 2.1.2b: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

Hình 2.1.2c: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển lập trình

2.2 PLC S7-1200

2.2.1 khái niệm 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 SIMATIC S7-1200

- Hết sức đơn giản trong cài đặt, lập trình và vận hành Có thể sử dụng cho các nhiệm vụ điều khiển đơn giản và phức tạp

- Đa ứng dụng, có thể sử dụng như là một hệ thống đơn lẻ hoặc trong một mạng với hệ thống phân phối

- 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)

2.2.2 Cấu tạo của CPU

1 Bộ phận kết nối nguồn

2 Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

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

2.2.3 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)

2.2.4 Giao tiếp

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

Giao tiếp PROFINET với:

2.3.1 giới thiệu chung

Phần mềm dùng để điều khiển và lập trình cho Simatic S7-1200 là TIA

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 khiển Simatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính, giúp tăng năng suất và hiệu quả làm việc

Hình 2.3.1: 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, 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

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)

2.3.2 Làm việc với phần mềm Tia Portal

2.3.2.1 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

2.3.2.2 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

2.3.2.3 Cách tạo một Project

Bước 1: từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V11

Hình 2.3.2.3a: biểu tượng của phần mềm TIA PORTAL

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

Hình 2.3.2.3b: màn hình chính của phần mềm TIA PORTAL

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

Hình 2.3.2.3c: Tạo dự án mới trên phần mềm TIA PORTAL

Bước 4 : Chọn configure a device

Hình 2.3.2.3d: Chọn configure a device

Bước 5 : Chọn add new device

Hình 2.3.2.3e: Chọn add new device

Bước 6 : Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

*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 khác nhau

-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 2.3.2.4a: bảng định địa chỉ

-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