Bài tập dài PLC Điều khiển lò điện trở

Để có thể thực hiện tự động hóa sản xuất, bên cạnh các thiết bị máy móc cơ khí hay điện, các dây chuyềnsản xuất…, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng trong các thiết bị hiệ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở 2

1.1.1 Tổng quan 2

1.1.2 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 2

1.1.3 Cấu tạo của lò điện trở 3

1.2 Tổng quan hệ thống lò điện trở 4

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 5

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN TIA PORTAL 8

2.1 Giới thiệu về tia portal 8

2.1.1 Giao diện chính của Tia Portal V15 8

2.1.2 Tạo Project và cấu hình phần cứng cho PLC 8

2.1.3 Cấu hình cho PC system và kết nối với PLC 10

2.1.4 Lập trình xử lý tín hiệu tương tự trong Tia Portal 11

2.2 Chương trình điều khiển PLC S7-1200 17

2.3 Chương trình mô phỏng trên WinCC RT Professional 22

2.3.1 Thiết kế giao diện WinCC 22

2.3.2 Mô tả quy trình điều khiển giám sát trên màn hình Wincc Runtime 23

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI 28

3.1 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ 28

3.2 MCCB 29

3.3 Contactor 29

3.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu PR4114 30

3.5 Chọn PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC 31

3.5.1 Module xử lý trung tâm CPU 31

3.5.2 Module tín hiệu SM 32

3.5.3 Module nguồn cung cấp Power module 33

3.6 Sơ đồ đấu nối hệ thống 34

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết Việt Nam hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóahiện đại hóa Vì thế tự động hóa đóng vai trò quan trọng, tự động hóa giúp tăng năngsuất, tăng độ chính xác và do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất Để có thể thực hiện

tự động hóa sản xuất, bên cạnh các thiết bị máy móc cơ khí hay điện, các dây chuyềnsản xuất…, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng trong các thiết bị hiệnđại được đưa vào dây chuyền sản xuất tự động, không thể không kể đến biến tần vàPLC

PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được ứng dụng rộng dãi trong côngnghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng.Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiềuthiết bị máy móc khác nhau Nếu muốc thay đổi quy uật hoạt động máy móc thiết bịhay hệ thống ta chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển Các đối tượng mà PLC cóthể điều chỉnh rất đa dụng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt, … đến các hệthống phức tạp như: băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động(ATS), thang máy, dâychuyền sản xuất, vv

Xuất phát từ thực tế đó, trong quá trình học tập môn học Điều khiển lập trìnhPLC tại trường Đại học Điện Lực nhóm chúng em đã thống nhất làm bài tập dài với đề

tài: “Điều khiển lò điện trờ bằng PLC S7-1200”.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở

1.1.1 Tổng quan

Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quátrình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu , các kim loại và các hợpkim khác nhau vv

- Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :

+ Sản xuất thép chất lượng cao.

+ Sản xuất các hợp kimphe – rô.

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.

+ Nung các vật phẩm trước khi cán , rèn dập , kéo sợi

+ Sản xuất đúc và kim loại bột.

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm , lò điện được dùng để sấy , mạ vật

phẩm và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác , lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ

tinh , gốm sứ , các loại vật liệu chịu lửa y.v

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng đượcdùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và

đa dạng: bếp điện, nồi cơn điện, bình nước nước, máy sấy tóc,v.v…

1.1.2 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫnhoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:

2

Q I RT

Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)

I: Dòng điện tính bằng Ampe (A)

R: Điện trở tính bằng Ôm (Ω)

T: Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: - Vật nung: Trường hợpnày gọi là nung trực tiếp - Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệtcho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nunggián tiếp Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơngiản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực

tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làmdây nung, bộ phận phát nhiệt của lò

1.1.3 Cấu tạo của lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm 3 phần chính là vỏ lò, lớp lót và dây nung

 Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trìnhlàm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kínhoàn toàn hoặc tương đối của lò

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn đốivới các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sựlùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò Trong những trường hợp riêng,

lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tảitrọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

 Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt

Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặcbiệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khi người ta đầmbằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm Khối đầm có thể tiếnhành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn Phần cách nhiệt thườngnằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổnthất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còncác phần khác nói chung không yêu cầu Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt,

có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt

 Dây nung

Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt,

do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao

- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

- Điện trở suất phải lớn

- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ

- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi

- Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng

- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn

Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm 2 loại:dây nung kim loại và dây nung phi kim loại Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầuhết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tao bằng hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở suất lớn Còn các kim loại nguyên chấtđược dùng để chế tạo dây nung rất hiếm Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạngtròn và dạng băng Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than

1.2 Tổng quan hệ thống lò điện trở

Hình 1.1: Lò điện trở trong mô phỏng Tia portal

- Hệ thống gồm:

+ 03 dây điện trở cấp nhiệt cho lò điện trở+ 03 contactor để đóng cắt dòng điện vào dây điện trở+ Cảm biến nhiệt độ Pt-100 báo nhiệt độ trong lò điện trở+ 01 Plc S7-1200 1212 dc/dc/dc để điều khiển toàn bộ hệ thống

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Ở chế độ 1: Hệ thống điều khiển theo thời gian, khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng

hệ thống bằng nút Stop

- Khi nhấn start: Contactor K1, K2, K3 đóng cấp dòng điện cho cả 3 dây điện trởtrong vòng 1 giờ Sau đó contactor K3 mở ra, ngắt dòng điện của dây điện trở 3, lòchỉ duy trì cấp nhiệt bởi 2 dây dẫn điện trở của contactor K1 và K2 Sau 30 phút,contactor K2 mở, dây điện trở của contactor k2 bị ngắt điện Sau đó 2 giờcontactor k1 mở, ngắt điện dây điện trở của contactor K1, toàn bộ lò điện trở dừnghoạt động

- Khi nhấn stop: toàn bộ hệ thống dừng hoạt động, tất cả contactor đang hoạt độngđều mở

Lưu đồ thuật toán ở chế độ 1:

Hình 1.2: Lưu đồ thuật toán của hệ thống ở chế độ 1

Giản đồ thời gian:

Hình 1.3: Giản đồ thời giạn ở chế độ 1

Ở chế độ 2: Hệ thống hoạt động theo cảm biến nhiệt độ:

- Khi: 0℃ ≤ T ℃ < 300℃: Đóng contactor K1, K2, K3, đèn làm việc sáng

- Khi: 300℃ ≤ T ℃ < 700℃: Đóng contactor K1, K2 Mở contactor K3, đèn làmviệc sáng

- Khi: 700 ℃ ≤ T ℃ < 1000℃ : Đóng contactor K1 Mở contactor K2, K3, đèn làmviệc sáng.

- Khí: T > 1000℃: Đóng contactor K1, K2, K3, đèn báo quá nhiệt hoạt động

Lưu đồ thuật toán ở chế độ 2:

Hình 1.4: Lưu đồ thuật toán ở chế độ 2

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN TIA PORTAL

2.1 Giới thiệu về tia portal

Vào ngày 21 tháng 6 năm 2011, tại thành phồ Hồ Chí Minh, bộ phận Tự động hóaCông nghiệp thuộc công ty Siemens Việt Nam ra mắt thị trường Việt Nam phần mềm lậptrình đầu tiên trong công nghiệp sử dụng chung một môi trường, một phần mềm duy nhấtcho tất cả các tác vụ trong tự động hóa, với tên gọi Totally Integrated Automation Portal(TIA Portal) Đây là phần mềm lập trình điều khiển trực quan, hiệu quả và xác thực giúpkhách hàng thiết kế toàn bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một giaodiện phần mềm duy nhất, từ đó mang đến cho các nhà tích hợp hệ thống và các doanhnghiệp sản xuất cơ hội nâng cao năng suất và lợi thế cạnh tranh hữu hiệu

2.1.1 Giao diện chính của Tia Portal V15

Hình 2.1: Giao diện Tia Portal V15

2.1.2 Tạo Project và cấu hình phần cứng cho PLC

- Chọn Create new project

- Điền tên project và chọn đường dẫn lưu project trong máy tính

- Sau đó chọn Create

Hình 2.2: Tạo project mới

Tạo devices & network

+ Chọn Add new devices

+ Chọn Controler để cấu hình cho PLC : Chọn CPU 1212C DC/DC/DC

Hình 2.3: Chọn cấu hình phần cứng PLC

2.1.3 Cấu hình cho PC system và kết nối với PLC

Chọn Add new devices  PC systems  SIMATIC HMI application  WinCC RTProfessional

Hình2.4: Cấu hình PC system

- Kết nối WinCC RT Professional với PLC đã chọn

+ Chọn tab Devices & network

+ Chọn Connections và nối 2 cổng Profinet với nhau

Hình 2.5: Kết nối PLC với WinCC RT Professional

Sau đó hoàn tất việc thiết lập cấu hình phần cứng ta phải Download phần cứng để lưunhững thiết lập đó

Hình 2.6: Download phần cứng

2.1.4 Lập trình xử lý tín hiệu tương tự trong Tia Portal

2.1.4.1 Lập trình xử lý tín hiệu ngõ vào tương tự AI trong tia portal

Có rất nhiều cảm biến đọc tín hiệu tương tự trong thực tế như: cảm biến nhiệt, áp suất,siêu âm (đo chiều cao/sâu), cảm biến màu, lưu lượng trả về các tín hiệu tương tự chuẩnnhư:

Tín hiệu dòng điện: 0 - 20 mA, 4 – 20 mA…

Tín hiệu điện áp: ±10V, 0 –10V, ±5V, 0 – 5V

Tín hiệu nhiệt độ trả về với RTD, TC

Tín hiệu cảm biến lực (loadcell) cho cân định lượng…

Khi tín hiệu tương tự trả về từ cảm biến qua mô- đun AI sẽ được bộ ADC chuyểnsang số Interger dưới dạng số hóa (mức) tín hiệu Các giá trị số hoá này (mức) sẽ khóquan sát hơn các giá trị thực tế, và việc xử lý các phép toán của các số hoá (mức) có thểlàm cho người dùng không quen khó xử lý Để đơn giản hóa vấn đề này chúng ta có thể

vẽ biểu đồ biễu diễn cho số hóa trả về và giá trị thực tế như sau:

Khi tín hiệu tương tự trả về từ cảm biến qua mô- đun AI sẽ được bộ ADC chuyểnsang số Interger dưới dạng số hóa (mức) tín hiệu Các giá trị số hoá này (mức) sẽ khóquan sát hơn các giá trị thực tế, và việc xử lý các phép toán của các số hoá (mức) có thểlàm cho người dùng không quen khó xử lý Để đơn giản hóa vấn đề này chúng ta có thể

vẽ biểu đồ biễu diễn cho số hóa trả về và giá trị thực tế như sau:

Hình 2.7: Mối quan hệ giữa các mức tín hiệu và mức giá trị

Những tham số trong biểu diễn quan hệ giữa mức tín hiệu giá trị thực tế đưa vào mô-đun

AI có ý nghĩa như sau:

K1 là mức tín hiệu nhỏ nhất tương ứng với tín hiệu tương tự nhỏ nhất Lo_Lim đưa vàomô-đun AI

K2 là mức tín hiệu lớn nhất tương ứng với tín hiệu tương tự lớn nhất Hi_Lim đưa vào đun AI

mô-Như vậy, giá trị đọc về từ mô-đun AI có tầm giá trị K1 < IN < K2 Với IN là giá trị trả về

từ mô-đun AI Từ đó, chúng ta có thể viết được phương trình đọc và hiển thị giá trị tương

tự một cách trực quan và dễ dàng hơn thông qua công thức sau đây:

trong đó:

IN: Giá trị trả về cho các chân tín hiệu AIW (K1 < IN < K2)

OUT: Giá trị thực tế của tín hiệu tương tự đưa vào mô-đun AI (Lo_Lim < OUT <Hi_Lim) Ngoài ra, người dùng có thế sử dụng để hiển thị theo phần trăm (%) hệ thống,hoặc các đơn vị kỹ thuật của hệ thống (mét nước, nhiệt độ )

Giá trị của [K1, K2] có các khoảng phân giải là: [0, 27648], [-27648, 27648], [0, 32767],[-32768, 32767] tùy theo phần cứng và độ phân giải của mô-đun AI Thông thường vớicác tín hiệu đọc đơn cực thì giá trị của [K1, K2] là [0, 27648]

2.1.4.2 Lập trình xử lý tín hiệu vào dạng dòng/ áp

a) Lệnh NORM_X

Người dùng có thể sử dụng lệnh Normalize để chuyển đối giá trị đầu vào nằm trong giớihạn [Min, Max] với ngõ ra thay đổi tuyến tính trong giới hạn [0.0, 1.0]

Công thức toán học của lệnh NORM_X

Tham số của lệnh NORM_X

số

Khaibáo

Kiểu dữliệu

Vùng nhớ Miêu tả

L

Ngõ vào cho phép hoạt động

ENO Out Bool Q, M, D, L Ngõ ra cho phép hoạt động.MIN In Int, R I, Q, M, D,

LHay hằngsố

Giới hạn dưới của giá trị

VALUE In Int, R I, Q, M, D,

LHay hằngsố

Giá trị đưa vào

MAX In Int, R I, Q, M, D,

L Hay hằngsố

Giới hạn trên của giá trị

OUT Out R Q, M, D, L Kết quả trả về nằm trong giới hạn

[0.0,1.0]

Đồ thị biểu diễn hoạt động của lệnh NORM_X

Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn hoạt động của lênh NORM_X

Lệnh SCALE_X chuyển đổi giá trị ngõ vào VAlUE sang một tầm giá trị mới phù hợp vớiyêu cầu sử dụng Khi lênh SCALE-X được thực hiện thì giá trị VALUE được chuyển đổinằm trong giới hạn [MIN,MAX] và được lưu trữ vào vùng nhớ OUT.

Công thức toán học lênh SCALE_X:

Kiểu dữliệu

Vùng nhớ Miêu tả

EN In Bool I, Q, M, D, L Ngõ vào cho phép hoạt động

ENO Out Bool Q, M, D, L Ngõ ra cho phép hoạt động

Giới hạn trên của giá trị VALUE

OUT Out Int, R Q, M, D, L Kết quả trả về nằm trong giới hạn

Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn hoạt động của lênh SCALE_X

2.1.4.3 Ứng dụng lệnh NORM_X va SCALE_X để đọc tín hiệu Analog

Chúng ta đã thiết lập được công thức xử lý tín hiệu AI như sau

Và dựa theo công thức của lênh NORM_X và SCALE_X thì chúng ta có thể kết hợp 2lệnh kể trên để tạo ra công thức sử lý tín hiệu tương tự cho AI như sau :

Hình 2.10: Mối quan hệ giữa các mức tín hiệu ngõ ra và giá trị thực xuất ra AQ

AQW = [ Value – Lo _ Lim ) / ( Hi _ Lim – Lo _ Lim ) * ( K2 – K1 ) ] + K1

Các hệ số [ Lo _ Lim , Hi _ Lim ] và [ K1 , K2 ] giống như thuật giải xử lý tín hiệu AI Dựa theo công thức của lệnh NORM _ X và SCALE _ X thì chúng ta có thể kết hợp hailệnh trên tạo ra công thức xử lý tín hiệu AQ như sau:

AQW…

Lưu ý: Lệnh Scale _ X sẽ thực hiện chuyển đổi số thực Real sang Int trong giai đoạn này

2.2 Chương trình điều khiển PLC S7-1200

Bảng PLC tags

Tín hiệu thực tế xuất ra AQHi_lim

Lo_lim

Giá trị muốn

Chương trình con Analog_input (FC105): Network1

Chương trình con Analog_output (FC106): Network1

Khối OB1: Chương trình main: Network 1

Network 2:

Chương trình con 1: Chế độ 1 (FC1):

Network 1:

Network 2:

Network 3:

Chương trình con 2: Chế độ 2 (FC2):

Network 1:

Network 2:

Network 3:

Network 4:

Network 5:

Network 6:

2.3 Chương trình mô phỏng trên WinCC RT Professional

2.3.1 Thiết kế giao diện WinCC

Chọn PLC_1 [ CPU 1212C DC/DC/DC] → HMI_RT_1 [WinCC RT Professional] →Screens → add new screen Tạo một màn hình screen và tạo dao diện mô phỏng như hìnhsau: