Đồ án: Giám sát và điều khiển hệ thống dây chuyền tự động sản xuất xi măng

Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển dùng WinCC và thiết lập hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng sử dụng PLC S7 – 200.

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sự bùng nổ và phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật tronglĩnh vực điều khiển tự động trong những thập kỷ gần đây đã góp phần khôngnhỏ vào việc làm thay đổi cục diện nền kinh tế cũng như quốc phòng của cácquốc gia trên thế giới Với sự ra đời hệ thống tự động hóa đã làm thay đổi sâusắc toàn bộ hoạt động sản xuất của con người, trong đó có sự ra đời của PLCS7-200

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sảnphẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế, các công ty, xí nghiệp sản xuấtthường sử dụng PLC để điều khiển dây chuyền tự động Dây chuyền sản xuất

tự động dùng PLC không những giảm sức lao động của công nhân mà còn giúpsản xuất đạt hiệu quả cao, đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội PLC với kíchthước nhỏ gọn, độ chính xác cao, tác động nhanh, dễ dàng thay đổi thuật toán

và đặc biệt là có thể trao đổi thông tin với máy tính đã góp phần không nhỏtrong các hệ thống tự động của các nhà máy lớn

Là sinh viên nghành Kỹ thuật, việc nghiên cứu về hệ thống tự động hóadùng PLC giúp tôi tiếp cận học hỏi và nắm bắt những công nghệ tiên tiến, cóthể nâng cao hiểu biết hơn trong lĩnh vực cơ khí, tự động hóa cũng như nângcao kiến thức về điện tử cũng như kiến thức chuyên môn, phục vụ cho quátrình giảng dạy ở các trường THPT sau này

Đó là lý do tôi chọn đề tài “Giám sát và điều khiển hệ thống dây chuyền

tự động sản xuất xi măng”.

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển dùngWinCC và thiết lập hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng sử dụngPLC S7-200

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu về hệ thống điều khiển tự động

- Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển

- Tìm hiểu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 và ngôn ngữ lập trình cho PLC

- Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển dùng WinCC

- Lập trình hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng sử dụng PLC S7-200

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tôi đã sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu qua sách, internet…

- Phương pháp thực nghiệm: Tìm hiểu dây chuyền sản xuất xi măng thực tế,lập trình PLC S7-200 để điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng, sử dụngphần mềm WinCC để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống

5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ dừng ở mứcnghiên cứu lập trình PLC S7-200, phần mềm giám sát WinCC 6.0 và lập trình hệthống dây chuyền sản xuất xi măng đơn giản

6 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

PLC S7-200 đã được sử dụng nhiều trong các nhà máy xí nghiệp, với độbền và tính ổn định cao Hiện nay, rất nhiều trường Đại học đã đưa PLC vàogiảng dạy ở các bậc học nhưng đối với sinh viên trường Sư phạm Huế nóichung và sinh viên nghành SPKT nói riêng thì đây là đề tài hoàn toàn mới.Việc nghiên cứu về PLC giúp đặt nền móng cho việc nghiên cứu những vấn

đề khác rộng hơn trong tương lai

Do thời gian và kiến thức có hạn nên tôi chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu,lập trình và giám sát hệ thống trên máy tính

7 ĐỊA ĐIỂM LÀM KHÓA LUẬN

- Tại trường ĐHSP Huế

8 THỜI GIAN LÀM KHÓA LUẬN

B PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển thường được hiểu là một tập hợp sắp xếp trật tự cácphần tử vật lý theo một thể, để nó có thể điều chỉnh, định hướng và thực thitác vụ cho riêng bản thân nó hoặc cho các hệ thống khác

1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển gồm:

- Mục tiêu điều khiển (input)

- Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển

- Kết quả hay đối tượng ra (output)

là các đáp ứng thực sự từ hệ thống điều khiển, có thể giống hay không giốngđáp ứng được xác định bởi tín hiệu vào.

1.2 ĐỊNH NGHĨA SCADA

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống

điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗtrợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điềukhiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệSCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện

người – máy (HMI – Human Machine Interface).

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọngkhông chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cầngiao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấpđiều khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận

hành (OP – Operator Panel), màn hình (TP – Touch Panel), Multi Panel …

chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG SCADA

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

- SCADA độc lập

- SCADA nối mạng

- SCADA không có khả năng đồ hoạ

- SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:

Hệ thống SCADA mờ (Blind): Nó không có bộ phận giám sát nên khá

đơn giản dung để thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do vậy hệ thống nàykhá rẻ

Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống

SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình củamáy khai báo trước mà hệ thống có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt độngcủa hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệthống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lýkịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất

cả máy móc

Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ

liệu với một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máymóc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ

liệu với nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệnày có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyềnsản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý,phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản

lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt độngcủa các thiết bị ở xa

1.4 NHỮNG CHUẨN ĐÁNH GIÁ MỘT HỆ SCADA

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phảiphân tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng

hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hìnhgiao diện

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truycập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấuchấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng

hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và

sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).

Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nềnWindows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giáthành tổng thể của hệ thống

1.5 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ SCADA

Cấu trúc chung của hệ SCADA được minh hoạ trong hình vẽ sau:

HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

I/O (Input/Output): vào/ra

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ SCADA.

Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hànhđóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn

hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Cácthiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-

điểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu thu được từ cảm

biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự Khi xử lý trong máytính, chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/racủa máy tính

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển

đổi và các cơ cấu chấp hành

Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết

bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với

các phần mềm điều khiển tương ứng

Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện

người-máy HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành,

bus trường, bus hệ thống

Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.

1.6 MÔ HÌNH PHÂN CẤP CHỨC NĂNG

1.6.1 Mô hình phân cấp

Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chứcnăng như hình vẽ minh hoạ dưới đây:

Qu¶n lý c«ng ty

§iÒu khiÓn gi¸m s¸t

§iÒu hµnh s¶n xuÊt

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống giám sát và điều

QUẢN LÝ

Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựachọn thiết bị Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể

mà ta có mô hình phân cấp chức năng

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường,

dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số cácthiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thựchiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thôngminh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thôngtin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ

các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định vàtruyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành Máy tính đảm nhận việc theodõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/đóng van,điều chỉnh cần gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lýthông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường

(Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt

trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật

Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình

kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao táctheo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ratrong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấpnhư điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Việcthực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏiphương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường

Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệthống điều khiển và giám sát Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lýcông ty và Điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng chocấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp Gần đây,

do nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cả ở các cấp điều hành sản xuất và quản lýcông ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiếttrong mô hình chức năng trở nên cần thiết Cũng vì thế, ranh giới giữa cấpđiều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập haicấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành.

1.6.2 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệmthành nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điềukhiển riêng lên những đối tượng trong hệ thống Các đối tượng máy mócthường lắp đặt trong địa phương của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấpdưới đồng thời cũng có một đặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giámsát-điều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sát-điều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn đoán và bảo dưỡng của cáccấp khác thấp hơn Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấpSCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay Những nguyên tắc chính sau:Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tựđộng hoá bằng một hệ SCADA của cấp ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dướithấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại

rõ máy móc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các sốliệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấptrên theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập

dữ liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa

ra các lệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng củamình, qua hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có liên quan để thựchiện Để giải quyết những bài toán điều khiển phân tích riêng này của mình thìSCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần

SCADA cung cấp để giải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành

và cho hệ SCADA

Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:

Thứ nhất là thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sảnxuất và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử vềsản xuất, sự kiện thao tác, báo động …)

Thứ hai là dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển,giám sát hệ sản xuất

Thứ ba là hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang mànhình, trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…).Thứ tư là điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết

bị, tăng giảm nấc phân áp …)

Thứ năm là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài

(đọc viết số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu

cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)

Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tựđộng hoá việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất côngnghiệp Tuỳ theo yêu cầu cụ thể cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xâydựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá như: thu thậpgiám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điềuchỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộphận phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA Cụ thể là phần

đo, giám sát từ xa cần bảo đảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn đủ những số liệucần cho quản lý kỹ thuật Phần điều khiển thao tác xa phải đảm bảo được việckiểm tra đóng cắt an toàn, đúng đắn Phần truyền tin xa phải quy định rõ các

nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường, đặc biệt là thủ tục truyền với các SCADAcấp trên.

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liên kết với các hệthống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệuchuẩn như Oracle, Access, Microsoft SQL

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200

Bộ điều khiển lập trình PLC được sáng tạo ra nhờ ý tưởng ban đầu củanhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor của Mỹ vào năm 1968 Ở Việt Nam bộđiều khiển PLC xuất hiện đầu tiên vào khoảng năm 1990 trong một số nhàmáy sản xuất xi măng Ở chương này tôi sẽ giới thiệu khái quát PLC S7-200

về nguồn nuôi, cấu trúc, ngôn ngữ lập trình cũng như các chế độ làm việc.2.1 MỞ ĐẦU

2.1.1 Giới thiệu về PLC

Ở hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất trong công nghiệp trướcđây, các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo trên cơ sở các rơle và cácmạch điện tử logic kết nối với nhau theo nguyên lý làm việc của hệ thống.Đối với các hệ thống làm việc đơn giản và có tính độc lập thì việc sửdụng các phần tử logic có sẵn liên kết cứng với nhau rất có ưu điểm về giáthành Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phức tạp, nhiều chức năng thìviệc cấu trúc theo kiểu liên kết cứng có nhiều nhược điểm như:

- Hệ thống cồng kềnh, đấu nối phức tạp dẫn tới độ tin cậy kém

- Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống hoặc sửa chữa các hưhỏng sẽ rất khó khăn và mất nhiều thời gian nếu hệ thống là phức tạp, sốlượng rơle là lớn

Sự phát triển của máy tính điện tử, sự phát triển của tin học cùng với sựphát triển của kỹ thuật điều khiển tự động, dựa trên cơ sở tin học gắn liền vớihàng loạt những phát minh liên tiếp như mạch tích hợp điện tử - IC - năm

1959, bộ vi xử lý - năm 1974 những phát minh đó đã đóng góp một vai tròquan trọng và quyết định trong việc phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính vàcác ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật như PLC, CNC

Thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời cho phép khắc phục được rấtnhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây và việc sửdụng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hóa

PLC (Programmable Logic Controler) là thiết bị điều khiển lập trìnhđược (hay còn gọi là khả trình), cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toánđiều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, PLC thực chất là một máy tính,

nhưng điểm khác ở đây là nó được thiết kế chuyên cho lĩnh vực điều khiển vàlàm việc được trong điều kiện phức tạp với sự thay đổi của nh iệt độ, độ ẩm,hay nói một cách khác nó là một máy tính chuyên dụng.

Đặc điểm của PLC:

- Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt độ, độ ẩm và tiếng ồn

- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và sữa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, cácmodel mở rộng

- Giá cả có thể cạnh tranh được

PLC SIEMENS thế hệ S7-200 là loại PLC nhỏ (Micro PLC) có thể điềukhiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hóa (Hình 1.1) Vớicấu trúc nhỏ gọn, có khả năng mở rộng, giá rẽ và một tập lệnh mạnh, PLC S7-

200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động loại nhỏ Thêm vào đó

là sự phong phú về chủng loại, kích cỡ cũng như các thông số về điện (điện áp

AC, DC, dòng…) càng cho phép người sử dụng cơ động hơn trong giải quyếtcác vấn đề tự động của mình

- Nguồn nuôi: điện áp một chiều 24V, điện áp xoay chiều 220V, 110V

- Đầu vào 24VDC: sink & source

- Đầu ra 24VDC hoặc Rơle

- Các bộ xử lý trung tâm (CPU) khác nhau: 210, 212, 215, 216, 221, 222, 224

Hình 2.1 PLC S7-200 [2].

2.1.2 So sánh các CPU thông dụng nhất

Bảng 2.1 So sánh các thông số CPU

Đặc trưng kỹ thuật CPU 215 CPU 216 CPU 222 CPU 224

Thời gian thực hiên 1024

Số đầu vào/ra tương tự

Hình 2.2 Cáp truyền thông

S7-200 CPU là có thể hoạt động độc lập bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộnguồn nuôi và một số đầu vào ra dùng để thực thi chương trình và lưu trữ giữliệu trong toàn bộ quá trình điều khiển

Các đầu vào đọc tín hiệu từ các hiết bị cảm biến, các đầu ra điều khiển cácthiết bị chấp hành Cổng truyền thông cho phép kết nối PLC với các thiết bị lậptrình hoặc thiết bị khác Các đèn hiệu trên CPU thông báo trạng thái của CPU

Hình 2.3 S7-200 CPU

2.2 CẤU TẠO CHUNG CỦA PLC

Kết cấu của PLC thường có 2 kiểu cơ bản là: kiểu modul hóa và kiểu hộp đơn.Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đóphần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng nhưchủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kếkhông bị cứng hóa về cấu hình, chúng được chia nhỏ thành các modul (hình2.4), tối thiểu phải có modul CPU, các modul còn lại là các modul nhậntruyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modul có chức năng chuyêndụng như modul mờ, modul PID chúng được gọi là các modul mở rộng, việc

sử dụng các modul nào là tùy thuộc vào công việc cụ thể

Hình 2.4 Cấu trúc PLC kiểu modul

Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dướidạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn ( hình 2.5), bộ xử lý, bộ nhớ và cácgiao diện vào/ra onboard được tích hợp trong một modul, kiểu hộp đơn vẫn cókhả năng ghép nối được với các modul ngoài để mở rộng khả năng của PLC

Hình 2.5.Cấu trúc PLC kiểu hộp đơn

2.3 ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PLC

2.3.1 Ưu điểm

Hiện nay với sự phát triển của công nghệ điện tử đã cho phép chế tạo các hệ

xử lý tiên tiến, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điều khiển logic lập trình đãcho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kếtcứng trước đây Có thể liệt ra một số ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:

- Giảm bớt được việc nối dây khi kiến tạo hệ thống, giá trị logic của nhiệm

vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây

- Tính mềm dẻo cao, trong hệ thống dùng PLC các phần tử điều khiển đã

được mô tả sẵn, mối liên kết giữa các phần tử được mô tả bằng chương trình,

do vậy khi cần sự thay đổi trong cấu trúc điều khiển thì chỉ cần thay đổichương trình trong hệ thống

- Không gian lắp đặt nhỏ hơn, PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với hệđiều khiển rơle tương đương

- Dải chức năng rộng

- Tốc độ làm việc cao

- Công suất tiêu thụ giảm

- Lắp đặt đơn giản

- Hệ thống được mở rộng theo khối

- Về giá trị kinh tế: khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến

số lượng đầu ra và đầu vào, số lượng đầu vào/ra mà quá ít thì hệ rơle tỏ rakinh tế hơn, những khi số lượng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC sẽ kinh tế hơn

Hình 2.7 PLC sử dụng nguồn xoay chiều

[a] Công tắc nguồn cho CPU, toàn bộ mạch vào và ra của PLC

[b] Thiết bị chống quá dòng cho CPU, các mạch vào và ra Có thể sử dụngcầu chì riêng cho từng phần (CPU, mạch vào, mạch ra), để bảo vệ tốt hơn.[c] Bảo vệ quá dòng cho mạch vào không cần thiết nếu các đầu vào sửdụng nguồn 24VDC do PLC cung cấp Nguồn này (gọi là nguồn cảm biến), đãđược thiết kế chống ngắn mạch

[d] Nối đầu đất mát của PLC vào điểm nối đầu đất gần nhất để chốngnhiểu Tất cả các đầu đấu mát trong một hệ thống nên được đấu nối vào cùngmột điểm Tốt nhất nên sử dụng dây 14AWG hay dây 1.5mm

[e] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể sử dụngcho các mạch đầu vào

[f] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể được sửdụng cho các mạch đầu vào mở rộng

[g] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể được sử dụngnuôi các module mở rộng (Nguồn cảm biến này được thiết kế chống ngắn mạch).[h] Đầu M nối đất của nguồn cảm biến 24VDC dùng để chống nhiễu

2.4.3 PLC sử dụng nguồn một chiều

Hình 2.8 PLC sử dụng nguồn một chiều

[a] Công tắc nguồn cho CPU, toàn bộ mạch vào và ra của PLC

[b] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho CPU

[c] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho mạch vào

[d] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho mạch ra

[e] Cần đảm bảo nguồn một chiều có đủ độ “cứng” cần thiết nhất là trongtrường hợp tải thay đổi (đóng ngắt đầu ra) Nếu cần phải đấu thêm tụ điện ngoài.[f] Trong đa số các trường hợp, nối đất đầu âm của tất cả các nguồn24VDC là một trong những cách chống nhiễu tốt nhất

[g] Điện trở cho phép dòng điện rò chạy qua để chống hiện tượng tíchđiện tĩnh Tụ điện chống các nhiễu hải bậc cao

[h] Nối đầu đất mát của PLC vào điểm nối đất gần nhất để chống nhiễu,Tất cả các đầu đấu mát trong một hệ thống nên được đấu vào cùng một điểm.Tốt nhất nên sử dụng dây 14 A WG hay dây 1.5mm

Chỉ sử dụng nguồn cung cấp 24VDC có cách điện tốt với lưới điện xoaychiều cũng như các nguồn điện khác

2.4.4 Một số cách đấu nhằm bảo vệ tốt cho đầu ra của PLC

Bảo vệ có đầu ra 24V một chiều (Transistors):

Hình 2.9 Bảo vệ đầu ra

Hình 2.10 Bảo vệ đầu ra

Bảo vệ rơle đóng ngắt dòng điện một chiều:

Hình 2.11 Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều

Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều:

Hình 2.12 Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều

2.5 CƠ BẢN TRONG LẬP TRÌNH PLC S7-200

2.5.1 Tổng quát

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống sử dụng PLC S7-200, người thiết kếnhất thiết phải làm quen với những đặc trưng cơ bản nhất của CPU sắp dùng.Thứ hai là phải tuân thủ các nguyên tắc của đơn vị vận hành cũng như các điềukiện thực tế Sau đây là một số khuyến cáo cho người thiết kế với S7-200

- Phân chia hệ thống thành những thành phần nhỏ nhất có mức độ độclập nhất định Tiến hành thiết kế từng phần nhỏ một

- Xác định số đầu vào ra đối với mỗi thành phần độc lập, cách thức hoạt động,trạng thái đầu ra, mô tả vận hành và cách giao tiếp với các thành phần khác

- Thiết kế bộ phận an toàn (bộ phận điện cơ hoạt động độc lập với PLC):Thống kê những bộ phận chấp hành có thể gây mất an toàn trong các trườnghợp, các trường hợp mất điện rồi có điện lại, CPU bị treo hay bị lỗi

- Thiết kế giao diện vận hành: vị trí, cách lắp đặt các nút bấm, đènhiệu… bố trí hợp lý trên hệ thống và kế nối hợp lý với PLC

- Hoàn thành bản vẽ thiết kế: phân bố cơ học của các chi tiết, sơ đồ đấu nối điện

- Đặt tên cho các đầu vào ra cũng như các địa chỉ trung gian và tạo thành bảng

Mô hình phương thức hoạt động của một chương trình trên PLC khá đơngiản: CPU đọc trạng thái các đầu vào, chương trình xử lý, cập nhật trạng tháicác đầu vào và thuật toán logic định sẵn, CPU xuất dữ liệu theo chương trình

đã lập sẵn

Ví dụ:

Hình 2.13 Nhập chương trình cho CPU 2.5.2 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-200

PLC có nhiều ngôn ngữ lập trình, ở đây ta nghiên cứu ngôn ngữ LadderLogic (LAD)

Đây là ngôn ngữ được sử dụng phổ biến trong lập trình cho PLC, chươngtrình này rất giống với sơ đồ điện, nó thường được chia thành nhiều phần nhỏ,rất dễ hiểu và tương đối độc lập gọi là “rung” hay “network”

Thành phần cơ bản trong chương trình LAD gồm các tiếp điểm(contacts) đại diện các đầu vào như nút bấm, tiếp điểm, điều kiện… Các cuộndây (coils) đại diện các đầu ra như đèn, van, cuộn hút… và các hộp (box) đặctrưng cho các phép tính, các bộ định thời, bộ đếm

Những lý do chính để LAD được sử dụng phổ biến là ngôn ngữ dễ hiểu,

dễ sử dụng và tập lệnh dễ dàng chuyển sang dạng STL

- Chương trình chính bao gồm các lệnh điều khiển ứng dụng và chúngđược thực hiện một cách liên tục, cứ mỗi vòng quét một lần.

- Các chương trình con chỉ được thực hiện khi chương trình chính gọi đến

- Các chương trình con xử lý ngắt được sử dụng khi xảy ra sự kiện gắn

2.7 VÒNG QUÉT

Chương trình trong PLC giống kiểu chương trình kiểu dòng lệnh, ở đócác lệnh được thự thi một cách tuần tự và trong PLC thì chương trình đượcthực hiện một cách tuần hoàn Cú một chương trình được thực hiện ta gọi đó

là vòng quét (SCAN)

Hình 2.16 Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC

Các công đoạn chính của vòng quét:

Đầu tiên là cập nhật đầu vào Đầu mỗi vòng quét, CPU đọc trạng thái các đầu vào vật lý (các đầu vào rời rạc hiện hữu thực tế trên PLC) và ghi vào

“vũng ảnh các đầu vào” Đây là một vùng nhớ, mỗi bit trong vùng này là

“ảnh” của đầu vào “ảnh” được cập nhật trạng thái từ đầu vào vật lý tương ứngchính ở trong công đoạn này Về sau trong vòng quét, chương trình hiểu các giá trị đầu vào là các giá trị ảnh này, trừ những lệnh truy cập giá trị “tức

khắc” Lưu ý, các đầu vào tương tụ (anolog) chỉ được cập nhật như thế nếu bộlọc (filter) tương ứng hoạt động Trong trường hợp ngược lại, chương trình sẽ đọc trực tiếp từ đầu và tương tự vật lý mỗi khi truy cập

Tiếp theo là thực hiện chương trình Đây là thời gian CPU thực thi cáclệnh trong chương trình chính một cách tuần tự từ đầu đến cuối Chương trình

xử lý ngắt được thực hiện không liên quan đến vòng quét mà bất cứ lúc nàoxảy ra sự kiện liên quan Chỉ những lệnh vào ra “tức khắc” mới truy cập đếncác đầu vào vật lý

Thực hiện các yêu cầu truyền thông là công đoạn CPU xử lý các thôngtin nhận được trên cổng truyền thông.

CPU tự kiểm tra, trong công đoạn nàyCPU tự kiễm tra các thông số của

nó, bộ nhớ chương trình (trong chế độ RUN) và trạng thái module nếu có.Cuối cùng là ghi các đầu ra CPU ghi các giá trị “vùng ảnh các đầu ra” racác đầu ra vật lý Vùng ảnh này được cập nhật theo chương trình trong quátrình thực hiện chương trình Khi CPU chuyển từ chế độ RUN sang chế độSTOP, các đầu ra có thể có giá trị như trong “bảng ra” hay giữ nguyên giá trị.Thông thường mặc định là các đầu ra trở về “0” Riêng các đầu ra tương tựgiữ nguyên giá trị được cập nhật sau cùng

Nếu có sử dụng ngắt, các chương trình xử lý ngắt được lưu như một phầncủa chương trình trong bộ nhớ Tuy nhiên chúng không được thực hiẹn như mộtphần của vòng quét bình thường chúng được thực hiện khi sự kiện tương ứngxáy ra, bất kỳ lúc nào trong vòng quét, theo nguyên tắc ngắt đến trước được xử lýtrước, tất nhiên có tính đến độ ưu tiên của các loại khác nhau

Như đã nêu ở trên, trong quá trình thực hiện, chương trình truy cập đếncác đầu vào và đầu ra thông qua vùng ảnh của chúng Vùng ảnh các đầu vàođược cập nhật từ các đầu vào vật lý một lần trong một vòng quét Nguyên tắcnày đảm bảo sự đồng bộ cũng như tính ổn đinh, cân bằng cho hệ thống, quátrình thực hiện chương trình nhanh hơn; khả năng linh động cho phép truynhập các đầu vào ra chung như tập hợp các bit, byte hay từ đơn, từ kép

Các lệnh vào ra trực tiếp (tức khắc) cho phép khai thác trạng thái các đầuvào vật lý cũng như xuất ra các đầu ra vật lý ngay thời điểm thực hiện lệnh,không phụ thuộc vào vòng quét Lệnh đọc đầu vào trực tiếp không ảnh hưởng

gì đến vùng ảnh các đầu vào Bit ảnh đầu ra được cập nhật đồng thời với lệnhxuất trực tiếp ra đầu ra đó

CPU coi các lệnh đối với các đầu vào ra tương tự như các lệnh vào ratrực tiếp, trừ trường hợp ngoại lệ đầu vào tương tự có bộ lọc hoạt động.

Trong quá trình thực hiện chương trình nếu gặp lệnh vào ra ngay lập tứcthì hệ thống sẽ dừng tất cảmọi công việc đang thực hiện, ngay cảchương trìnhxửlý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào ra

Các chương trình xửlý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuấthiện tín hiệu báo ngắt và có thểxảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.2.8 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG

S7-200 PLC có 02 chế độ hoạt động: RUN và STOP

Trong chế độ STOP, CPU không thực hiện chương trình

Chế độ RUN, CPU thực hiện chương trình

Chế độ hoạt động của CPU được báo hiệu bởi đèn LED phía trước CPU.Chúng ta có thể chuyển đổi chế độ hoạt động của PLC bằng một trongcác cách sau:

Bật công tắc phía trước mặt CPU Công tắc này có 03 vị trí: RUN, STOPđại diện cho 02 chế độ, vị trí thứ ba TERM không thay đổi chế độ nhưng chophép có thể chuyển đổi từ phần mềm lập trình Khi mới bật nguồn, CPU tựđộng vào chế độ RUN nếu công tắc ở vị trí RUN, ngoài ra CPU tự động vàochế độ STOP

Dùng phần mềm STEP 7 – Micro/Win 32 với công tắc nói trên ở vị tríRUN hay TERM

Chuyển sang STOP khi chương trình đang chạy băng lệnh STOP Lệnh nàycho phép ngừng thực hiện chương trình theo ý định lô gic của người lập trình.2.9 MẬT KHẨU

Tất cả các CPU đời S7-200 đều có khả năng bảo vệ và hạn chế truy nhậpbằng mật khẩu Có 03 mức hạn chế, trong đó người sử dụng sẽ được toànquyền nếu có mật khẩu, nếu không có, người sử dụng sẽ bị hạn chế quyền tùytheo mức được đặt mật khẩu như trong bảng dưới đây:

Ta có thể thấy thực tế chỉ có 02 mức bảo vệ, mức 1 chính là mức khônghạn chế gì (không có mật khẩu)

Nếu quên mật khẩu, chỉ có cách xóa bộ nhớ của CPU và nạp lại chươngtrình Lúc bị xóa bộ nhớ, CPU chuyển về chế độ STOP, cấu hình mặc địnhnhư khi mới xuất xưởng trừ địa chỉ CPU, tốc độ truyền thông và đồng hồ thờigian thực Cần chú ý điền kiện an toàn khi PLC ở trong hệ thống vì tất cả cácđầu ra sẽ chuyển về “0” Để xóa, chọn thực đơn PLC > CLEAR… Nếu

chương trình có mật khẩu, một hộp thoại sẽ hiện ra hỏi, ta phải gõ vào mật

khẩu xóa (clearplc) Động tác này không xóa chương trình trong “Cartridge”.

Vì chương trình được lưu cùng với mật khẩu nên ta cũng phải nạp lại chươngtrình cho cartridge để xóa mật khẩu cũ

2.10 GỠ RỐI

Tài liệu không đi sâu vào vấn đề này, chỉ nêu tên một số phương tiện

có sẵn trong môi trường lập trình để giúp người lập trình gỡ rối chươngtrình (debug)

Chạy chương trình trong một số vòng quét nhất định Chọn thực đơn

Debug > Multiple Scans và chọn số lượng vòng quét muốn thực hiện.

2.11 THÔNG BÁO VÀ XỬ LÝ LỖI

Phần này chỉ dành cho lập trình viên có kinh nghiệm Thông thường lỗiđược chia thành 02 loại chính: nghiêm trọng và không nghiêm trọng (fatalerrors & non-fatal errors) Lỗi nghiêm trọng gây ngừng chương trình và taphải tiến hành “Reset” (bằng một trong 03 cách: tắt rồi bật nguồn, chuyển

này có thể được thông báo trên đèn LED phía trước CPU Lỗi không nghiêmtrọng bao gồm lỗi lúc chạy chương trình (run-time errors), lỗi lúc biên dịch(program-compile errors) và lỗi do chương trình thực hiện Lỗi không nghiêmtrọng không gây ngừng chương trình, trừ khi được lập trình với lệnh STOP.Lỗi do chương rình thực hiện là lỗi gây nên bởi lôgic của người lậptrình Ta có thể xử lí các lỗi còn lại với sự trợ giúp của phương tiện lập

trình (chọn thực đơn PLC > Information) và tra mã lỗi trong phụ lục kèm

theo (B Errrors Codes).

CHƯƠNG 3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO PLC S7-200

PLC thường được lập trình bằng một ngôn ngữ mô phỏng giống như sơ

đồ điện gọi là Ladder Diagram Mỗi phần tử của sơ đồ là một lệnh(Instruction) Các lệnh phức tạp thường có một mã lệnh (Code) riêng

PLC có nhiều ngôn ngữ lập trình như FBD, STL hay LAD Tuy Nhiên ởchương này ta chỉ nghiên cứu những lệnh cơ bản trong ngôn ngữ LadderLogic (LAD) được sử dụng trong lập trình từ tài liệu tham khảo…

3.1 CÁC LỆNH LOGIC VỚI BIT

- Công tắc thường mở sẽ đóng: Tương đương với một tiếp điểm thườngđóng (Normally Closed - NC) trong sơ đồ điện Khi bit đi kèm là 0 (OFF),tiếp điểm sẽ đóng và các phần tử (lệnh) đi sau tiếp điểm sẽ được hoạt động (cóđiện) và ngược lại khi bit đi kèm là 1 (ON), tiếp điểm sẽ mở và các phần tử đisau tiếp điểm sẽkhông được hoạt động (không có điện chạy qua tiếp điểm)

a Công tắc thường mở b Công tắc thường đóng