đồ án phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S71500

Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tính năng ưu việt mà nó có được. Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương pháp cũ, nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình dựa trên những tập lênh logic cơ bản. Để tìm hiểu rõ hơn về PLC nhóm chúng em xin chọn đề tài “ Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC và giám sát bằng wincc ”.

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài thực tập chuyên ngành, em đã nhận được nhiều

sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em

xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS.Lê Thị Thu Phương đã tận tình hướng dẫn,

chỉ bảo em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài thực tập chuyên ngành Em cũngxin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ thông tin vàTruyền thông Thái Nguyên nói chung, các thầy cô trong khoa Công nghệ tự động hóanói riêng đã dạy cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyênngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trongsuốt quá trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đãluôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập vàhoàn thành đề tài thực tập chuyên ngành

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM HIỆN NAY 7

1.1 Các loại băng tải sử dụng hiện nay 7

1.1.1 Giới thiệu chung 7

1.1.2 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay 9

1.1.3 Các loại băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay 10

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ WINCC 13

2.1 Tổng quan về PLC 13

2.1.1 Khái niệm về PLC 13

2.1.2 Giới thiệu về PLC 13

2.1.3 Lợi ích của việc sử dụng PLC 14

2.1.4 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC 16

2.1.5 Cấu trúc của PLC 18

2.1.6 Giới thiệu tổng quan về bộ lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1500 22

2.2 Phần mềm Tia Portal và Wincc 25

2.2.1 Những tập lệnh cơ bản của TIA Portal/Win 25

2.1.2 Giới thiệu phần mền giao diện người máy wincc (Siemens) 37

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 39

3.1 Sơ đồ khối 39

3.1.1 Chức năng các khối 39

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 39

3.2 Tổng quan thiết bị 40

3.2.1 Cảm biến 40

3.2.2 Động cơ điện 1 chiều 45

3.3 Lưu đồ thuật toán 48

3.3.1 Các hàm sử dụng 49

3.4 Chương trình điều khiển 51

3.5 Giao diện mô phỏng trên WinCC 53

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Băng tải thực tế 8

Hình 1.2: Cấu tạo chung băng chuyền 9

Hình 1.3: Băng tải thực tế 10

Hình 2.1: Các loại PLC siemens 13

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 18

Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát của CPU 19

Hình 2.4: PLC S7-1500 22

Hình 2.5: Truyền thông Profinet 24

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 39

Hình 3.2: Cảm biến quang E3F3 40

Hình 3.3: Kích thước cảm biến 41

Hình 3.4: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 43

Hình 3.5: Đấu dây cảm biến E18-D80NK 44

Hình 3.6: Mô tả nguyên lý động của cảm biến IR 44

Hình 3.7: Động cơ DC 45

Hình 3.8: Kích thước dọc, ngang máy điện một chiều 46

Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán 48

Hình 3.9: Giao diện trên WinCC 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Danh sách các loại băng tải 9

Bảng 2.1: Định độ phân giải lệnh TON: 28

Bảng 2.2: Định độ phân giải lệnh TONR: 30

Bảng 3.1: Sơ đồ đấu nối dây cảm biến E3F3 41

Bảng 3.2 Các thông số định mức, đặc tính kỹ thuật của cảm biến 42

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với chúng ta Nóđược ra đời từ rất sớm, nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của conngười Và đặc biệt trong sản xuất, công nghệ tự động rất phát triển và nó đã giải quyếtđược rất nhiều vấn đề mà một người bình thường khó có thể làm được Ngày càngnhiều các thiết bị tiên tiến đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự chính xác củacác hệ thống sản xuất ngày một cao hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất về số lượng, chấtlượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội Vì vậy điều khiển tự động đã trở thành mộtngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tựđộng vào lao động sản xuất, đời sống sinh hoạt của con người

Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tính năng ưuviệt mà nó có được Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương pháp cũ, nhờ khảnăng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình dựa trên những tập

lênh logic cơ bản Để tìm hiểu rõ hơn về PLC nhóm chúng em xin chọn đề tài “ Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC và giám sát bằng wincc ”.

Trong quá trình thực hiện đề tài em đã cố gắng tìm hiểu và học hỏi Nhưng dokhả năng còn hạn chế nên có những sai xót mong nhận được sự thông cảm và góp ý từ

quý thầy cô để có thể hoàn thiện đề tài của mình.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

HIỆN NAY.

Phân loại sản phẩm là một yêu cầu cấp thiết trong công nghiệp nhằm thay thếcho con người đặc biệt là phân loại sản phẩm theo nhiều tiêu chí khác nhau Đã cónhiều mô hình có thể phân loại các sản phẩm theo các tiêu chí đơn giản như phân loạitheo từ tính, theo màu sắc, hoặc theo khối lượng Thiết kế và ứng dụng PLC(Programmable logic control) để điều khiển mô hình băng tải phân loại sản phẩm theochiều cao là nội dung chính của bài viết Mô hình bao gồm khối cơ khí và khối điềukhiển Để làm được công việc phức tạp này cần sử dụng một hệ thống ba băng tải kếthợp với hai cảm biến quang khác nhau Bộ xử lý tín hiệu điều khiển của dây chuyênphân loại này sử dụng PLC S7- 1500 thuộc họ PLC phổ biến của Siemens với nhiềutính năng ưu việt và giá thành rất tốt Mặc dù là mô hình đơn giản nhưng nó có thể chophép người học giải quyết được một số nội dung về điều khiển tự động Đây là mộttrong những giải pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng đào tạo

Hiện nay, phân loại sản phẩm là một công đoạn được sử dụng rất nhiều trongthực tế sản xuất Khi dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tínhlặp lại nên người thao tác khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Mặt khác,

có những yêu cầu phân loại dựa trên các yêu cầu kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó

có thể nhận ra Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất và chất lượng sản phẩm Vìvậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời đã dần đáp ứng đượcnhu cầu cấp bách này

Băng tải là loại thiết bị thường được sử dụng để vận chuyển các loại vật liệutheo phương ngang và phương nghiêng Do băng tải có ưu điểm cấu tạo đơn giản, bềnchắc và có khả năng vận chuyển đa dạng nên trong các dây chuyên sản xuất, các thiết

bị này được sử dụng rộng rãi để vận chuyển nhiều dạng sản phẩm khác nhau

1.1 Các loại băng tải sử dụng hiện nay.

1.1.1 Giới thiệu chung.

Băng tải thường được sử dụng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rờitheo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bịnày được sử dụng rộng rãi như những phương tiện vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trongcác xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạmthủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu

Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạthoặc 1 số sản phẩm khác Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm,hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữacác công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm khôngdùng được.

Hình 1.1: Băng tải thực tế

1.1.1.1 Ưu điểm của băng tải

Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướngnằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng

Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng

dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyểnkhác không lớn lắm

Cấu tạo chung của băng tải

Hình 1.2: Cấu tạo chung băng chuyền.

1 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2 Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3 Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4 Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tốlàm việc

1.1.2 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay

Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thểlựa chọn một số loại băng tải sau:

Băng tải dây đai < 50 kg Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc

vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp Băng tải lá 25 ÷ 125 kg Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị

phôi và trong lắp ráp Băng tải thanh

đẩy

50 ÷ 250 kg Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên

khoảng cách >50m

Băng tải con lăn 30 ÷ 500 kg Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên

công với khoảng cách <50m

Bảng 1.1: Danh sách các loại băng tải.

Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vậnchuyển.Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giáthành khá đắt

- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn năng suất của băng tải loạinày có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s Chiều dài của băng tải làkhông hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN.

- Băng tải xoắn vít : có 2 kiểu cấu tạo :

+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phôivụn Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm

+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắnphải, 1 có chiều xoắn trái Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thựchiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động

Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng ximăng

1.1.3 Các loại băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay.

Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trongthực tế hiện nay Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặplại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Chưa kể đến

có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thểnhận ra Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sảnxuất Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự pháttriển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Hình 1.3: Băng tải thực tế

Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tựđộng có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chiphí cho các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam Vì vậy hiệnnay đa số các hệ thống phân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệthống có yêu cầu phân loại phức tạp, còn một lượng rất lớn các doanh nghiệp Việt

Nam vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc Bên cạnh các băng chuyền

để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thốngphân loại sản phẩm Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhàsản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc,Phân loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sảnphẩm theo hình ảnh v.v Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiềuthuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toánnày có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại vềkích thước và màu sắc, về nước uống (như bia, nước ngọt) cần phân loại theo chiềucao, khối lượng, phân loại xe theo chiều dài, khối lượng, phân loại gạch granite theohình ảnh v.v

Phân loại sản phẩm to nhỏ sử dụng cảm biến quang: sản phẩm chạy trên băngchuyền ngang qua cảm biến quang thứ 1 nhưng chưa kích cảm biến thứ 2 thì đượcphân loại vật thấp nhất, khi sản phẩm qua 2 cảm biến đồng thời thì được phân loại vậtcao nhất

Phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc của sản phẩm: sử dụng những cảm biếnphân loại màu sắc sẽ được đặt trên băng chuyền, khi sản phẩm đi ngang qua nếu cảmbiến nào nhận biết được sản phẩm thuộc màu nào sẽ được cửa phân loại tự động mở đểsản phẩm đó đựợc phân loại đúng Phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố là

tỷ lệ phản chiếu của một màu chính (ví dụ như đỏ, xanh lá cây hoặc xanh trời) đượcphản xạ bởi các màu khác nhau theo các thuộc tính màu của đối tượng Bằng cách sửdụng công nghệ lọc phân cực đa lớp gọi là FAO (góc quang tự do), cảm biến E3MCphát ra màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh sáng trên một trục quang học đơn E3MC sẽthu ánh sáng phản chiếu của các đối tượng thông qua các cảm biến nhận và xử lý tỷ lệcác màu xanh lá cây, đỏ, xanh lam của ánh sáng để phân biệt màu sắc của vật cần cảmnhận

Phân loại sản phẩm dùng webcam: sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khichạy qua và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc Nếu giống thì cho sản phẩm đi qua, cònnếu không thì loại sản phẩm đó

Nhận thấy thực tiễn đó, nay trong luận văn này, em sẽ làm một mô hình rất nhỏnhưng có chức năng gần như tương tự ngoài thực tế Đó là: tạo ra một dây chuyền

băng tải để vận chuyển sản phẩm, dán nhã và phân loại sản phẩm theo kích thước đãđược đặt trước.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ WINCC 2.1 Tổng quan về PLC

2.1.1 Khái niệm về PLC.

PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller Theo hiệp hộiquốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bịcác chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phépđiều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong bộnhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là một máytính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình

2.1.2 Giới thiệu về PLC.

Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dâychuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp nào… Người ta thường thực hiện kết nốicác linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơle, timer, contactor…) lại với nhau tuỳ theo mức

độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài toán côngnghệ đặt ra

Hình 2.1: Các loại PLC siemens

Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếutrong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì mộtthiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậylượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quytrình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hưhỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt

Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực để tìm

ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiệnđại đó là tự động hoá quá trình sản xuất làm giảm sức lao động, giúp người lao độngkhông phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại ….mà năng suất lao động lại

tăng cao gấp nhiều lần Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn để điềukhiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự độngcao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượnglàm việc ổn định linh hoạt …

Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable LogicControl) ra đời đầu tiên năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên hệ thốngnày còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vậnhành hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phụcnhững nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giảiquyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:

* Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển

* Có khả năng mở rộng các modul vào ra khi cần thiết

* Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình

* Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanhnhư với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển…

* Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khácnữa

Hiện nay trên thế giới đang song hành có nhiều hãng PLC khác nhau cùng pháttriển như hãng Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen,…và có nhiều hãng khác nữanhưng chúng đều có chung một nguyên lý cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt với từngmặt mạnh riêng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nên dùng hãng PLCnào cho thích hợp với mình mà thôi

2.1.3 Lợi ích của việc sử dụng PLC.

Cùng với sự phất triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng đượccác tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước củaPLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứngdụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phứctạp trong điều khiển hệ thống Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cầnlắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõvào/ra ), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốnkém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển ( đối với hệ thống điều khiển

relay ) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC đểlưu truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.

Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảngkhông gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều nàycàng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắpđặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác Cuối cùng là người sử dụng

có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính(một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống

và báo cho người sử dụng, điều này làm cho việc sử dụng dễ dàng hơn

Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệđiều khiển là:

- Điều khiển chuyên gia giám sát:

+ Thay thế cho điều khiển rơ le

+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in

+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình

+ Có các khối điều khiển thông dụng ( thời gian, bộ đếm)

- Điều khiển dãy:

+ Các phép toán số học

+ Cung cấp thông tin

+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất )

+ Điều khiển PID

+ Điều khiển động cơ chấp hành

+ Điều khiển động cơ bước

- Điều khiển mềm dẻo:

+ Điều hành quá trình báo động

+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình

+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS242)

+ Ghép nối với máy in

+ Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp

+ Mạng cục bộ

+ Mạng mở rộng

* Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC :

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuấttrong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơngiản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnhvực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất Cáclĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống dẫn

- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đông, quá trìnhlắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại

- Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ boat, quá trìnhcáng, quá trình gia nhiệt

- Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, do cắt giấy

- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm trasản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây ) cân đong, đónggói, hòa trộn

- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm trachất lượng

- Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin )các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ)

2.1.4 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC.

2.1.4.1 Ưu điểm của PLC

Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:PLC dễ dàng tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình

Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đếnbên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thựchiện và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện

có thể nhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây Như thế,người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chutrình

Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cảphần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng vàphần mềm dễ dàng hơn

Các tín hiệu đầu ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu đượccấp từ bộ điều khiển bằng rơle

Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng: phần mềm đƣợc hiểu là không cần nhữngngười sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơle tiếp điểm và không tiếp điểm

Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điềukhiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó

Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến khiến thức chuyênmôn về PLC Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tạinơi làm việc

Việc tạo ra PLC không những dễ cho việc chuyển đổi các tác động bên ngoàithành các tác động bên trong (tức chương trình), mà chương trình tác động nối tiếp bêntrong còn trở thành một phần mềm có dạng tương ứng song song với các tác động bênngoài Việc chuyển đổi ngược lại này là sự khác biệt lớn so với máy tính

Thực hiện nối trực tiếp : PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới bộ xử lý(CPU) nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụngoài và CPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mứclogic và chuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng

cụ ngoài có thể làm việc được

Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều choviệc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơle, thì ở PLC những công việc đóđơn giản được thực hiện bởi chương trình và các chương trình đó được lưu giữ ở băngcatssete hay đĩa CDROM, sau đó thì chỉ việc sao trở lại

Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn được đem ra sửdụng rộng dãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơle trước đây

Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tincậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm

2.1.4.2 Nhược điểm của PLC.

Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngônngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá

Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sửdụng bằng phương pháp rơle

2.1.5 Cấu trúc của PLC.

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớngoài EPROM )

Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

Các Module vào /ra

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM đểchứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình làđơn vị xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chươngtrình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đốivới các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc vàkiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,RS458, …

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và

hệ thống nguồn cung cấp

Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

Đơn vị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới cácthiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vàochương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tínhiệu song song :

+Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau + Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu

+Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểukhiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào rathông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm chophép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu

ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data

bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt độngcủa PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gianhạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1 8 MHZ Xung nàyquyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của

hệ thống

Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi cácRelay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ

vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trìnhnày được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này cókhả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớnhư RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất

Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấpnăng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng

để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờkhả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người

sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung củaEPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sảnxuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ

thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi

và xóa EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng đểlưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Kích thước bộ nhớ :

- Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo -Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000

÷16000 dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM

Các ngõ vào ra I/O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối với các module vào (các đầu vàocủa PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra củaPLC)

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiệu xử lý là12/24VDC hoặc 100/240VAC

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/

O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt độngnhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

2.1.6 Giới thiệu tổng quan về bộ lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1500

 Các CPU và module s7_1500 được lắp trên đường rail riêng của nó với các

độ dài khác nhau Một loạt các thành phần tiêu chuẩn như thiết bị đầu cuối bổ sung,thiết bị ngắt mạch nhỏ hoặc các rơ le nhỏ có thể bị hỏng nếu đường ray DIN khôngthích hợp

 Đường dây tin cậy và thân thiện:

 Các tín hiệu I / O được kết nối nhờ front connertor 40 chân Việc mã hoá cơhọc giữa mô đun tín hiệu và đầu nối front connector giúp ngăn cản sự phá hủy thiết bị

do vô tình chèn sai

 Việc kết nối dây cho front connector thì đơn giản, dễ dàng thay đổi vị trí

 Các front connectors có sẵn các phiên bản với các đầu nối kiểu vít hoặc cácđầu nối đẩy Cả hai phiên bản đều cho phép kết nối dây có mặt cắt ngang cốt từ 0.25mm2 đến 1.5 mm2 (AWG 24 đến AWG 16)

 Ngoài ra, hệ thống dây thông qua TOP Connect cũng có sẵn cho các mô-đuntín hiệu số Nó cho phép kết nối nhanh chóng và rõ ràng với cảm biến và thiết bịtruyền động từ trường cũng như các dây đơn giản trong tủ điều khiển

 Đối với các mô đun tương tự, màn chắn có thể được lắp trực trực tiếp trên

mô đun; một bộ kết nối lá chắn có thể được cài đặt để module này kết nối với CPU

 Mô đun tín hiệu và môđun truyền thông có thể được chèn vào bất kỳ cáchnào mà không có hạn chế Hệ thống sẽ tự cấu hình

 Cấu hình tối đa bao gồm CPU với 31 môđun (30 môđun + 1 nguồn điện).Truyền thông mạnh mẽ:

 PROFINET IO (công tắc 2 cổng) làm giao tiếp tiêu chuẩn;

 Từ CPU 1515-2 PN, một hoặc nhiều giao tiếp PROFINET được tích hợp bổsung, ví dụ: để tách mạng, kết nối thêm các thiết bị PROFINET hoặc để truyền thôngtốc độ cao như một I-Device

 OPC UA Data Access Server làm tùy chọn runtime để kết nối dễ dàng vớiSIMATIC S7-1500 trong các thiết bị / hệ thống của bên thứ ba

 Có thể mở rộng với các mô-đun truyền thông cho các hệ thống bus và kết nốiđiểm-điểm

Công nghệ tích hợp

 Điều khiển chuyển động được tích hợp mà không cần thêm các module bổsung:

 Các khối chuẩn hóa (PLCopen) cho kết nối tín hiệu tương tự và PROFIdrive

 Chức năng điều khiển chuyển động hỗ trợ điều khiển tốc độ, trục định vị,hoạt động đồng bộ tương đối (đồng bộ hóa mà không có đặc tả vị trí đồng bộ), cũngnhư các bộ mã hoá bên ngoài, cam và đầu dò

 Các chức năng điều khiển chuyển động mở rộng như hoạt động đồng bộtuyệt đối (đồng bộ với đặc điểm kỹ thuật của vị trí đồng bộ) và camera cũng được tíchhợp trong CPU công nghệ

 Chức năng dò tìm toàn diện cho tất cả các tags CPU để chẩn đoán theo thờigian thực và phát hiện lỗi lẻ tẻ nhằm vận hành có hiệu quả và tối ưu hóa nhanh chóngcủa thiết bị lái và điều khiển

 Các chức năng kiểm soát tối đa

2.1.6.2 PLC S7-1500 có giao tiếp truyền thông

 Giao tiếp PROFINET IO IRT (công tắc 2 cổng), được tích hợp trong CPU;Xác định thời gian đáp ứng và thực hiện cho những thiết bị cần độ chính xác cao

 Các module truyền thông để kết nối với các hệ thống bus PROFIBUS vàEthernet công nghiệp.

 Môđun truyền thông cho các kết nối điểm-điểm

Hình 2.5 Truyền thông Profinet

Từ CPU 1515, tất cả các CPU đều có một hoặc nhiều giao diện PROFINET tíchhợp bổ sung với địa chỉ IP riêng, ví dụ: để chia mạng Từ CPU 1516-3 PN / DP, cácnút PROFIBUS có thể được kết nối thông qua giao diện PROFIBUS tích hợp CácCPU không có giao diện PROFIBUS tích hợp có thể dễ dàng mở rộng thông quaPROFIBUS CM

Quy trình truyền thông qua PROFINET IO SIMATIC S7-1500 kết nối với hệthống bus PROFINET IO thông qua giao tiếp PROFINET và cho phép cấu hình tựđộng I / O phân tán thông qua PROFINET IO được xử lý giống như một I / O tậptrung từ quan điểm của người dùng (cùng một cấu hình, địa chỉ, và lập trình)

 Khái niệm quyền với bốn mức uỷ quyền khác nhau:

 Các quyền truy cập khác nhau có thể được gán cho các nhóm người sử dụngkhác nhau Mức bảo vệ cấp độ 4 làm cho nó có thể hạn chế giao tiếp với các thiết bịHMI.

 Bảo vệ thao tác cải tiến: Việc chuyển đổi dữ liệu kỹ thuật được thay đổihoặc trái phép được phát hiện bởi bộ điều khiển

2.2 Phần mềm Tia Portal và Wincc

2.2.1 Những tập lệnh cơ bản của TIA Portal/Win

*Lệnh Nhập/ Xuất giá trị cho tiếp điểm:

Lệnh nhập :

Tiếp điểm thường mở sẽđược đóng nếu giá trị bit

Tiếp điểm thường đóng

sẽ được mở khi giá trị bit

= 1 và ngược lại

Tiếp điểm thường mở sẽđược đóng tức thời trongmột chu kỳ máy khi giátrị bit = 1 bit: ITiếp điểm thường đóng

sẽ được mở tức thời trongmột chu kỳ máy khi giátrị bit=1

Lệnh xuất :

Cuộn dây đầu ra ở trạngthái kích thích khi códòng điều khiển đi qua

bit : I,Q,M,SM,T,C,V

Cuộn dây đầu ra đượckích thích tức thời khi códòng điều khiển đi qua

bit : Q

*Lệnh ghi / xoá giá trị cho tiếp điểm:

Lệnh dùng để đóng và ngắt các tiếp điểm gián đoạn đã được thiết kế

Trong dạng LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hoặc ngắt các cuộn dây đầu

ra Khi dòng điều khiển tới các cuộn dây thì các cuộn dây đóng hoặc mở các tiếpđiểm( hoặc một dãy các tiếp điểm)

Đóng một mảng gồm N cáctiếp điểm kể từ bit đặt trước bit : I, Q, M, SM, T,

C, V

N : IB, QB, MB,SMB, VB, AC, Hằng

số

Ngắt một mảng gồm N cáctiếp điểm kể từ bit đặt trước

Nếu bit đặt trước lại chỉ vàoTimer hoặc Counter thì lệnh

sẽ xoá bit đầu ra của Timerhoặc Counter đó

Ngắt tức thời một mảng gồm

N các tiếp điểm kể từ bit đặttrước

* Lệnh tiếp điểm đặc biệt:

Tiếp điểm đảo trạng thái củadòng cung cấp Nếu dòngcung cấp có tiếp điểm đảo thì

Không có

Tiếp điểm chuyển đổi âm chophép dòng cung cấp thôngmạch trong một vòng quét khisườn xung điều khiển chuyển

từ 1 xuống 0

Không có

Tiếp điểm sử dụng bit bộ nhớđặc biệt tạo dạng sóng vuôngtuần hoàn với chu kỳ là 1s( 0.5s có xung, 0.5s không cóxung )

Không có

* Lệnh điều khiển Timer:

Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điềukhiển vẫn thường được gọi là khâu trễ Có ba kiểu Timer của S7-200 phân biệt vớinhau ở phản ứng của nó đối với trạng thái tín hiệu đầu vào ( TON, TOF và TONR)

Nếu giá trị đếm tức thời T-word nhỏ hơn giá trị đặt trước PT , T-bit có giá trịlogic là 0.

Nếu giá trị đếm tức thời word lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước PT, bit có giá trị logic 1

T-Khi đầu vào IN ở mức logic 0, giá trị đếm tức thời T-word sẽ bị Reset xoá về 0

Bảng 2.1: Định độ phân giải lệnh TON:

Các toán hạng :

TON : lệnh đếm thời gian tác động

đóng trể không nhớ

Txxx: Khai báo xxx kiểu TON định độ

phân giải có giá trị tra theo bảng

IN : đầu vào cho phép lệnh đếm thời

gian hoạt động

PT : Giá trị đặt trước