GIỚI THIỆU BÁO CÁO Vấn đề giám sát và cung cấp khí được được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau như: điều khiển các lò đốt, điều hoà không khí cho các toà nhà ,… Sử dụng SCA
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU BÁO CÁO
Vấn đề giám sát và cung cấp khí được được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau như: điều khiển các lò đốt, điều hoà không khí cho các toà nhà ,… Sử dụng SCADA vào hệ thống HVAC giúp việc giám sát và điều khiển quá trình vận hành ổn định và có độ chính xác cao Kết hợp với phương pháp PID có thể bảo đảm các tiêu chí về kỹ thuật và kinh tế của nhà sản xuất yêu cầu
Do sự phát triển của các bộ điều khiển thông minh và ngày càng phổ biến trong đời sống sản xuất Chúng em quyết định chọn và phát triển đề tài này dựa trên những kiến thức được học trong lớp, ngoài lớp Cộng thêm sự hướng dẫn tận tình của thầy Tuấn chúng em đã hoàn thành bài báo cáo và mô tả chi tiết ở các chương tiếp theo.
HỆ THỐNG HVAC
HVAC là viết tắt của cụm từ Heating, Ventilating, and Air Conditioning (Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khí) gọi chung là Hệ thống điều hòa không khí
Ngày nay, HVAC được ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như ứng dụng trong hệ thống điều hoà không khí và thông gió tại các toà nhà cao tầng, trung tâm thương mại,….các ngành công nghiệp nặng như nhà máy điện, máy bay, tàu vũ trụ, … Các hệ thống này ngày một ứng dụng nhiều Việt Nam điển hình là các toà nhà công cộng và các nhà máy của Nhật Bản
HỆ THỐNG SƯỞI (HEATING) Được dùng để tạo ra nhiệt (độ ẩm) trong các toà nhà hay trung tâm thương mại, thông thường điều này được thực hiện bởi một hệ thống sưởi trung tâm
Cấu tạo chung của hệ thống sưởi gồm có:
2 Lò sưởi hay bơm nhiệt: Dùng để đun nóng nước, hơi nước hoặc có thể là không khí tại vị trí trung tâm như: phòng lò trong một ngôi nhà, một phòng cơ khí trong một toà nhà lớn Phần hơi nóng có thể được chuyển bằng cách đối lưu, dẫn nhiệt hoặc là bức xạ
HỆ THỐNG THÔNG GIÓ (VENTILATION)
Nhiệm vụ của hệ thống này sẽ là thay đổi hoặc là thay thế luồng không khí trong không gian bất kỳ nhằm kiểm soát nhiệt độ hoặc là loại bỏ bất kỳ sự kết hợp giữa độ ẩm, mùi, khói, nhiệt, bụi, hay là vi khuẩn bên trong không khí hoặc là CO2 và bổ sung Oxy
Trong nhiều trường hợp, thông gió cũng bao gồm cả việc thực hiện trao đổi luồng không khí với bên ngoài cũng như lưu thông luồng không khí trong toà nhà
Hệ thống thông gió được xem là một trong những yếu tố rất quan trọng nhằm duy trì chất lượng của không khí bên trong mỗi khu vực trong các toà nhà
Hiện nay, có 2 phương pháp thông gió chính đó là thông gió bắt buộc (quạt thông gió) và thông gió tự nhiên ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ (AIR CONDITIONING)
Nhiệm vụ: Cung cấp luồng không khí theo yêu cầu cài đặt từ trước và độ ẩm cho toàn bộ hoặc là một phần của toà nhà Thông thường, những toà nhà có lắp đặt điều hoà không khí thường có cửa kín, việc mở cửa sổ sẽ làm giảm hiệu quả làm lạnh từ hệ thống điều hoà Điều hoà không khí và làm lạnh thường được tạo ra bằng các loại bỏ nhiệt từ bên trong hệ thống Nhiệt độ của không khí có thể được loại bỏ bằng bức xạ, đối lưu hoặc truyền dẫn qua một thiết bị làm lạnh Một vài phương tiện giúp truyền dẫn lạnh như nước, không khí, nước đá, hoá chất hay gọi chung là chất làm lạnh Những chất làm lạnh này được dùng trong hệ thống bơm nhiệt, mà trong đó, máy nén được sử dụng để điều khiển chu trình làm mát bằng nhiệt động lực học, hoặc trong một hệ thống làm lạnh bằng việc sử dụng máy bơm để vận chuyển một chất làm lạnh (thường là nước hoặc là một hỗn hợp glycol)
CHU TRÌNH CỦA HỆ THỐNG HVAC
Supply Air: Cung cấp không khí, ở đây bao gồm là không khí lạnh và không khí nóng
Return Air: Mang không khí qua về
Exhaust Air: Thải luồng không khí không sạch ra bên ngoài, thường là thải trong các phòng vệ sinh
Dấu hiệu hệ thống HVAC
Dấu hiệu dễ nhận thấy nhất khi có hệ thống HVAC đó là các ống dẫn chạy khắp toà nhà Hiện nay, ống dẫn phục vụ cho HVAC thường có 3 hình thái khác nhau đó là Vuông (Rect), Tròn (Round) và Oval
Tuy nhiên, để dễ dàng cho việc chế tạo và thi công thì người ta thường sử dụng hai loại ống là hình vuông và hình tròn
Thành phần hệ thống HVAC
Các thành phần cơ bản trong một hệ thống HVAC trung tâm phổ biến là:
Fan (s) để lưu thông không khí (SA) và trả lại không khí (RA)
Đường ống cung cấp khí trong đó là luồng không khí từ quạt cung cấp cho không gian điều hòa
Thiết bị khí như các đầu vào cung cấp không khí và cửa hút không khí trở lại
Quay lại đường dẫn khí hoặc ống dẫn trong đó không khí đổ về từ các không gian có điều kiện để buồng khí hỗn hợp
Không khí bên ngoài (OA) thiết bị
Buồng khí hỗn hợp để nhận khí trong phòng và trộn nó với không khí bên ngoài
Phần bộ lọc (s) để loại bỏ các hạt bụi bẩn từ không khí hỗn hợp
Trao đổi nhiệt (s) như cuộn dây nước nóng (s), cuộn dây hơi (s), chất làm lạnh bay hơi (s), hoặc cuộn nước lạnh (s) để thêm nhiệt hoặc loại bỏ nhiệt từ không khí lưu thông
Thiết bị sưởi ấm phụ như lò khí đốt tự nhiên (s) hoặc yếu tố nhiệt điện (s)
Nén khí (s) để nén hơi lạnh và bơm chất làm lạnh xung quanh hệ thống
Ngưng (s) để loại bỏ nhiệt từ hơi lạnh và ngưng tụ nó vào một chất lỏng
Quạt (s) để lưu thông không khí bên ngoài qua làm mát bằng gió (s)
Bơm (s) để lưu thông nước qua bình ngưng làm mát bằng nước (s); máy bơm nước ngưng tụ (CWP); và cung cấp nước ngưng tụ (CWS) và ngược lại (CWR)
Bơm (s) để lưu thông nước nóng từ nồi hơi (s) thông qua các cuộn dây nước nóng (s) và quay trở lại hoặc lưu thông nước lạnh từ các máy làm lạnh (s) thông qua các cuộn dây nước lạnh (s) và làm lạnh (s)
Đối với hệ thống trung tâm, nước hoặc nồi hơi (s) như là một nguồn sưởi ấm trung tâm
Đối với hệ thống trung tâm, máy làm lạnh nước (s) như là một nguồn làm mát trung tâm
Đối với hệ thống trung tâm, tháp giải nhiệt (s) với bình ngưng làm mát bằng nước (s)
Điều khiển để bắt đầu, dừng lại, hoặc điều chỉnh dòng chảy của không khí, nước, hơi nước, chất làm lạnh và điện.
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 hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA 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 trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ
Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn
Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống
1.3.2 P HÂN 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): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính đơn giản nên giá thành thấp
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 của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp 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 máy móc 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 Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản 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 động của các thiết bị ở xa
1.3.3 C ÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU
( Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC ( Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
Giao diện người - máy HMI ( Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống
1.3.4 C Ơ CHẾ THU THẬP DỮ LIỆU
Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các
RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ
Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse)
Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA thể hiện chỉ dưới dạng số gọi là trường Dữ liệu (data field) Dữ liệu dạng số này được hình thành từ các dạng tín hiệu logic (on/off), tín hiệu analog dòng/áp, tín hiệu xung tốc độ cao,
Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI ( Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị
PHƯƠNG PHÁP PID
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, những phương pháp điều khiển thông thường không đủ khả năng đáp ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe hơn của những ứng dụng Người ta bắt đầu áp dụng nhiều giải thuật điều khiển khác nhau như giải thuật PID, Fuzzy logic (điều khiển mờ), mạng noron,… và đã thu được những kết quả khả quan Thuật toán PID được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ cơ, nhiệt, lưu chất đến điện PID kết hợp ba thuật toán tỷ lệ, vi phân, tích phân, là bộ điều khiển không có sai lệch, khâu I bù và giảm các giao động để loại bỏ sai số dịch chuyển, và giảm thời gian trễ nhờ khâu
1.4.1 L Ý THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Lý thuyết điều khiển tự động có thể chia làm 3 loại theo lịch sử phát triển của nó, bao gồm: điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại và điều khiển thông minh Điều khiển kinh điển
Lý thuyết điều khiển kinh điển mô tả hệ thống trong miền tần số và mặt phẳng s Lý thuyết này chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù cũng có một số mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào- một ngõ ra, rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ ra và các hệ thống biến đổi theo thời gian
Các phương pháp phân tích và thiết kế trong lý thuyết điều khiển kinh điển gồm có phương pháp Nyquist, phương pháp Bode và phương pháp quỹ đạo nghiệm số Theo phương pháp Nyquist và Bode, cần mô tả hệ thống dưới dạng đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và pha) Trong phương pháp quỹ đạo nghiệm số, hệ thống cần được mô tả theo hàm truyền Hàm truyền cũng có thể tính được từ đáp ứng tần số Việc mô tả chính sác đặc tính động học bên trong hệ thống là không cần thiết với các phương pháp thiết kế kinh điển, chỉ có quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra là quan trọng
Các khâu hiệu chỉnh đơn giản như hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID), hiệu chỉnh sớm trễ pha…thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển kinh điển Ảnh hưởng của những khâu hiệu chỉnh này đến biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode và quỹ đạo nghiệm số có thể được thấy dễ dàng, nhờ đó có thể chọn lựa được khâu hiệu chỉnh thích hợp Điều khiển hiện đại
Kỹ thuật thiết kế hệ thống hiện đại dựa trên miền thời gian Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dể dàng áp dụng cho hệ thống biến đổi theo thời gian
Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp phân bố cực, bộ điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững,
Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số Điều này cho phép thực thi các bộ điều khiển có đặc tính động học phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết điều khiển kinh điển Điều khiển thông minh Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại gọi chung là điều khiển thông thường, có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng Trong khi đó, thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán học Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng noron nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng, bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng đến mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế khá lớn
Khuyết điểm của điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia Nhờ kết hợp logic mờ với mạng noron nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số hệ thống điều khiển có thể thay đổi thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, nhờ đó khắc phục được những nhược điểm thử sai Hiện nay, các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các kỹ thuật điều khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng rất tốt
Các bộ điều khiển số ngày nay rất thông dụng trong hệ thống điều khiển công nghiệp Những đặc trưng nỗi bật của vi xử lý như tự hiệu chỉnh, điều khiển đa biến và hệ chuyên gia cùng khả năng giao tiếp bus và mạng cục bộ đưa đến việc nó được sử dụng ngày càng nhiều trong các bộ điều khiển số Bộ điều khiển số dùng trong hệ thống điều khiển vòng kín gồm các chế độ điều khiển tỉ lệ P, điều khiển tích phân tỉ lệ PI, vi phân tỉ lệ PD, vi tích phân tỉ lệ PID Đối với hệ thống dự trữ độ ổn định lớn, ta chỉ cần tăng hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỉ lệ P
Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị và hằng số thời gian tích phân T1 được chọn khác 0
Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá trình điều chỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân TD còn được gọi là điều khiển vượt trước
Bộ điều khiển PID là một phần tử không thể thiếu trong các quá trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ,… Ngay cả khi lý thuyết điều khiển hiện đại được sử dụng, thì sự kết hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ Đối với những hệ thống thay đổi theo thời gian, những thông số của bộ điều khiển PID phải được hiệu chỉnh thường xuyên cho phù hợp với những thay đổi không biết trước của hệ thống cũng như môi trường ngoài Đáp ứng được điều đó thì mới có thể đáp ứng được những yêu cầu làm việc của hệ thống Nếu như ta tự động hóa được việc thay đổi những thông số này, bộ điều khiển PID sẽ là bộ điều khiển bền vững với mọi thay đổi của hệ thống cũng như tác động của môi trường bên ngoài
1.4.3 C ÁC KHÂU TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID bao gồm các khâu tỉ lệ, vi phân và tích phân tạo thành các bộ điều khiển tỉ lệ P, bộ điều khiển vi phân tỉ lệ PD, bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI và bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID
Bộ điều khiển tỉ lệ P
Bộ điều khiển loại này tạo tín hiệu ra điều khiển u(t) tỉ lệ với độ sai lệch e(t) Càng gia tăng độ tỉ lệ thì sai số tạo ra càng nhỏ, điều này không có nghĩa là độ tỉ lệ (độ lợi) càng cao thì càng tốt, bởi vì khi độ lợi càng lớn thì khuynh hướng dao động của biến điều khiển càng tăng Do đó, cần có một sự dung hòa sao cho độ lợi lớn mà không tạo nên sự dao động
GIỚI THIỆU PLC S7-1200 VÀ CÁC MODULE ANALOG
GIỚI THIỆU CHUNG
PLC được viết tắt từ Programmable Logic Control (thiết bị điều khiển logic khả trình), là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số
PLC là một bộ tích hợp, có tính năng như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý (CPU), có một hệ điều hành, có bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và có các cổng vào ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển, có thể nối mạng giữa các PLC với nhau cũng như giao tiếp với máy tính để thực hiện các chức năng điều khiển Ngoài ra PLC còn có chứa các khối chức năng đặt biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer),…, và nhiều khối hàm chuyên dụng khác
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable Controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General moto – Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình bằng tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này, các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm hệ thống vận hành với những thuật toán hỗ trợ,
“vận hành với các dữ liệu cập nhật” Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính, nên việc tạo giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn
Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt hơn với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn
Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam,… ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “ thông minh” còn gọi là các siêu PLC cho tương lai
2.1.1 ƯU ĐIỂM CỦA PLC SO VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC
PLC với hệ thống điều khiển bằng Rờle
Cân nhắc lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng Rờle do các nguyên nhân sau:
- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động
- Có độ tin cậy cao
- Khoảng không lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích
- Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao
- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi dễ dàng
- Thay đổi trình tự điều khiển một cách thường xuyên
- Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất
- Đặt trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (rơle, contactor,…) Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với việc mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình trên máy tính và nạp vào bộ PLC
PLC với máy tính cá nhân Đối với một máy tính cá nhân (PC), người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau:
Không như một máy tính, PLC được thiết kế đặt biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể lắp đặt ở một nơi có độ nhiễu điện cao, vùng có từ trường mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ môi trường cao,… Điều quan trọng thứ hai đó là một PLC được thiết kế với phần cứng và phần mềm sao cho dễ lắp đặt (đối với phần cứng), đồng thời về chương trình cũng phải dể dàng để người sử dụng thao tác lập trình một cách nhanh chóng, thuận lợi
Máy tính không có các cổng giao tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công nghiệp
Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải dạng hình thang, máy tính ngoài việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các phần mềm khác làm chậm đi quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển
Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dể dàng kết nối với các hệ thống khác, cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ của máy tính làm bộ nhớ của PLC
Hiện nay PLC đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong nghành tự động hóa và các lĩnh vực truyền động điện, cũng như một số ngành dân dụng khác Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở thông thường cho đến các ứng dụng trong các lĩnh vực phức tạp đòi hỏi sự chính sác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất như: Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất tích hợp (CIM), Hệ thống điều khiển quá trình (PCS) và rất nhiều các dây chuyển sản suất tự động khác
Phần mềm lập trình: STEP 7 V11 SP2 hoặc co hơn Điện áp cung cấp: 24 V DC Điện áp giới hạn thấp nhất: 20.4 V Điện áp giới han cao nhất: 28.8 V
Dòng tiêu thụ tối đa: 15 A ở điện áp 24 V DC
Giá trị điện áp vào (DC): 24 V
Với tín hiệu “0”: 5 V DC với dòng 1 mA
Với tín hiệu “1”: 15 V DV với dòng 2.5 mA
Khả năng bật tắt của ngõ ra:
Khi có điện trở tải, tối đa: 0.5 A
Với điện trở đèn tối đa: 5 W
Giá trị dòng điện ngõ ra
Với tín hiệu “0” dòng điện rò tối đa: 0.1 mA
Giá trị điện áp ngõ ra
Với tín hiệu “0” tối đa: 0.1 V với điện trở tải 10 kOhm
Với tín hiệu “1” tối thiểu: 20 V Độ trễ ngõ ra với điện trở tải:
Dãi đo áp: 0 – 10 V Điện trở ngõ vào (0 đến 10 V) ≥
Bộ nhớ chương trình và dữ liệu: 75 KB
CPU 1212C AC/DC/Rly
Phần mềm lập trình: STEP 7 V14 hoặc co hơn Điện áp cung cấp: 120 – 230 V AC Điện áp giới hạn thấp nhất: 85 V Điện áp giới han cao nhất: 264 V
Dòng tiêu thụ tối đa:
Giá trị điện áp vào (DC): 24 V
Với tín hiệu “0”: 5 V DC với dòng 1 mA
Với tín hiệu “1”: 15 V DV với dòng 2.5 mA
Khả năng bật tắt của ngõ ra:
Khi có điện trở tải, tối đa: 2 A
Với điện trở đèn tối đa: 30 W với DC, 200 W với AC Độ trễ ngõ ra với điện trở tải:
Bộ nhớ chương trình và dữ liệu: 75 KB
Module analog
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 24 V DC
Dòng điện tiêu thụ: 60 mA
Nguyên tắc đo: chênh lệch tín hiệu
Ngõ vào tương tự: 4; chênh lệch dòng điện hoặc điện áp Điện áp ngõ vào: ±10 V ±5 V ±2.5 V Điện trở ngõ vào (điện áp) : ≥9 MOhm
Dòng điện ngõ vào: 0 – 20 mA Điện trở ngõ vào (dòng điện): ≥ 250 ohms
Số ngõ ra tương tự: 2; dòng điện hoặc điện áp
Dãi điện áp ra: -10 đến 10 V
Dãi dòng điện ra: 0 đến 20 mA
Với điện áp ra nhỏ nhất: 1000 Ohm
Với dòng điện ra lớn nhất: 600 Ohm
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 24 V DC
Dòng điện tiêu thụ: 45 mA
Nguyên tắc đo: chênh lệch tín hiệu
Số ngõ ra tương tự: 4; dòng điện hoặc điện áp
Dãi điện áp ra: -10 đến 10 V
Dãi dòng điện ra: 0 đến 20 mA
Với điện áp ra nhỏ nhất: 1000 Ohm
Với dòng điện ra lớn nhất: 600 Ohm
TRUYỀN THÔNG
Profinet
PROFINET là một ngành công nghiệp tiêu chuẩn kỹ thuật cho giao tiếp dữ liệu qua Ethernet công nghiệp , được thiết kế để thu thập dữ liệu từ và kiểm soát, thiết bị trong hệ thống công nghiệp , với một sức mạnh đặc biệt trong việc cung cấp dữ liệu dưới chế về thời gian eo hẹp (trên thứ tự từ 1ms trở xuống) [1] Tiêu chuẩn này được duy trì và hỗ trợ bởi Profibus & Profinet International, một tổ chức bảo trợ có trụ sở tại Karlsruhe, Đức
3.1.2 N HỮNG ƯU ĐIỂM KHI SỬ DỤNG MẠNG P ROFINET
PROFINET đáp ứng nhu cầu xử lý của Khách Hàng
PROFINET giúp người dùng truy cập các thông tin có giá trị cộng thêm của thiết bị đa biến Chẳng hạn, thông tin về lưu lượng, tỷ trọng, nhiệt độ, thiết lập của bộ đếm tổng, và chẩn đoán đều có thể được truyền tải qua một sợi cáp Ngoài ra, có thể tiết kiệm 40% nhờ giảm thời gian vận hành thử Thời gian nhận dạng vòng lặp, tích hợp thiết bị và tinh chỉnh vòng lặp của quy trình cũng có thể được giảm khoảng 25%
Những lợi ích chính nhờ sử dụng mạng Ethernet công nghiệp là gì?
Tăng cường tối đa hiệu quả kỹ thuật, chẳng hạn, giảm chi phí tích hợp hệ thống Giảm thiểu thời gian vận hành thử, chẳng hạn, bằng cách cấu hình tất cả các thiết bị trực tiếp từ hệ thống
Đối với nhân viên vận hành và bảo dưỡng:
Tăng hiệu suất vận hành, chẳng hạn, bằng cách cung cấp dữ liệu đầy đủ hơn theo thời gian thực
Cải tiến quy trình bảo dưỡng, chẳng hạn, bằng cách truy cập trực tiếp vào hệ thống chẩn đoán thiết bị
Tất cả thiết bị PROFINET của Endress+Hauser đều được PI chứng nhận để đảm bảo khả năng tương tác
Trình điều khiển thiết bị (GSD) được lưu trực tiếp trong thiết bị
Các mô-đun định sẵn và thông tin cấu trúc đều có sẵn trong hệ thống điều khiển với văn bản rõ ràng
Nhận diện thiết bị tức thời dưới dạng nút mạng
Web server tích hợp dùng để chẩn đoán và truy cập từ xa
Hỗ trợ dự báo bảo dưỡng bằng cách chuyển tài khoản dữ liệu chẩn đoán tin cậy đến NAMUR NE 107
Các bản ghi khởi động cho cấu hình tự động khi trao đổi thiết bị
3.1.4 ỨNG DỤNG MẠNG PROFINET ĐỂ KẾT NỐI CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VỚI PC VÀ MÀN HÌNH HIỂN THỊ HMI
CPU có thể giao tiếp với những CPU khác, với những bộ lập trình, với công cụ HMI và với những thiết bị không phải của hãng siemen sử dụng chuẩn giao thức truyền thông TCP
Cổng Profinet trên CPU 1211C, 1212C, 1214C không có thiết bị Ethernet Switching Một kết nối giữa thiết bị lập trình hoặc HMI và CPU không đòi hỏi thiết bị Ethernet Switching Nhưng, một mạng lưới với nhiều hơn 2 CPU hoặc thiết bị HMI thì cần phải có 1 bộ Ethernet Switch
Sử dụng Network view để tạo kết nối mạng giữa 2 thiết bị trong dự án Sau khi tạo kết nối mạng, sử dụng thẻ “Properties”để cấu hình thông mạng
Chọn “ network view” để hiện thị các thiết bị được kết nối
Chọn cổng kết nối trên 1 thiết bị và kéo đường nối sang cổng kết nối của thiết bị thứ 2
Thả chuột để tạo kết nối mạng giữa 2 PLC
Sử dụng “Devices & net – works” của mạng lưới để cấu hình kết nối
Local/Partner Có thể nhấn vào nút
Connection” để truy cập vào “Properties”
Nhãn “General” cung cấp một vài đặc tính:
CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG BÁO CÁO
Acti 9 - IK60N 2P A9K27210 C 10A (CB 2pha)
Công dụng: đóng cắt và bảo vệ mạch điện
Thông số kỹ thuật Điện áp địng mức: 440 V
Tần số hoạt động: 50 - 60 Hz
Dòng cắt thực tế: 6000 A Độ bền cơ học: 20000 lần bật tắt Độ bền điện: 10000 lần bật tắt
Omron S82K – 03024 POWER SUPPLY (bộ chuyển đổi AC/DC)
Chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều để cung cấp nguồn cho các bộ điều khiển, module analog và các cảm biến…
Công suất bộ nguồn: 30 W Điện áp ngõ vào: 100 – 240 VAC Điện áp ngõ ra: 24 VDC
Schneider HVAC ATV212HU55N4 (biến tần)
Biến đổi tần số của dòng điện xoay chiều
Nút bấm và màn hình hiển thị
Stt LED/Key Công dụng
1 RUN LED Phát sang khi lệnh run được thực thi
2 PRG LED Phát sáng khi chế độ lập trình được kích hoạt
3 MON LED Mon LED sáng khi ở chế độ giám sát
4 Unit Hiện thị 4 số bằng LED 7 đoạn
5 UNIT LED LED % sáng khi giá trị hiện thị là số theo phần trăm
LED Hz hiện sáng khi giá trị hiện thị là tần số
6 UP/DOWN keys Dựa theo chế độ làm việc bạn có thể sử dụng những mũi tên để:
Chuyển đổi giữa các mục trong menu Thay đổi giá trị
Thay đổi tóc độ khi UP/DOWN LED sáng
7 UP/DOWN LED Sáng khi mũi tên đang điều khiển tốc độ
8 Loc/Rem LED Sáng khi kích hoạt chế đô Local
9 MODE Nhấn để chọn cách chế độ hoạt động
Chế độ run ( mặc định khi được cấp điện ) Chế độ giám sát
Có thể được dùng để quay về danh mục menu trước đó
10 Loc/Rem Chuyển đổi giữa chế độ Local và Remote
11 ENT Bấm để hiển thị, giá trị thông số hay để lưu giá trị thay đổi
12 RUN LED Sáng khi nút run được kích hoạt để sẵn sàng sử dụng
13 RUN Bấm nút này khi RUN LED sáng
Dwyer model: 616KD-05 range: 0-15 (cảm biến áp suất)
Công dụng: Đo chênh lệch áp suất
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 16 – 35 VDC hoặc 20 – 28 VAC
Tầm đo: 0 – 15 IN WC Áp suất giới hạn: MAX.2 PSIG/13.8 kPA
Tín hiệu ngõ ra: 4 – 20 mA
Kích thước: a Sơ đồ kết nối:
Dwyer 311 LCD (cũng là cảm biến áp suất)
Công dụng: Đo áp suất có màn hình hiển thị LCD
Thông số kỹ thuật Điện áp cung cấp: 2 dây, 10 – 35 VDC
3 dây, 17 – 36 VDC Tầm đo: 1”, 2”, 5” w.c (25, 50, 100 Pa) Áp suất giới hạn: MAX 1 psi (6,89 kPa) khi đang hoạt động;
Hiện thị: Màn hình LCD
Tín hiệu ngõ ra: 2 dây, 4 - 20 mA
Sơ đồ đấu nối cảm biến 2 dây
Sơ đồ đấu nối cảm biến 3 dây
Van điện điều khiển Belimo NMQB24 – MFT (valve xoay)
Công dụng: điều chỉnh độ mở của van dẫn khí trong hệ thống HVAC
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 24 VAC ± 20% 50/60 Hz
Giới hạn điều khiển: 2 – 10 VDC, 4 – 20 mA
Màn hình HIM (KTP700 Basic)
Màn hình cảm ứng hiện thị các thông số của cảm biến và điều khiển hệ thống
Màu hiện thị: 65536 màu Độ phân giải: 800 x 480 Điện áp cung cấp: 24 VDC
WINCC
GIỚI THIỆU WINCC
WinCC viết tắt của Windows Control Centrer, là một phần mềm của hãng Siemens dùng dể giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp,WinCC là một chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kể các giao diện Người và máy-HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập dữ liệu,giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Những thành phần có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào
WinCC cung cấp các module chức năng thường dùng trong công nghiệp như: Hiển thị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an toàn(bảo mật) của nó đảm bảo tính hữu dụng cao
Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác nhau như Misubishi, Siemens v.v thông qua cổng com với chuẩn RS-
232 của máy tính với chuẩn RS-485 của PLC
WinCC 7.0 chạy trên hệ điều hành Microsoft Window XP, Windows 2000
Do có tính chất mở và thường xuyên được cập nhật, phát triển nên WinCC tương thích với nhiều phần mềm chuẩn tạo nên giao diện người và máy đáp ứng nhu cầu sản xuất Nếu bạn là những nhà phát triển hệ thống, có thể ứng dụng WinCC để phát triển ứng dụng của mình qua giao diện mở của WinCC Chương trình tích hợp nhiều ứng dụng, tận dụng dịch vụ của hệ điều hành làm cơ sở mở rộng hệ thống Với WinCC, ta có thể sử dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc, từ việc xây dựng hệ thống có quy mô nhỏ và vừa khác nhau Cho tới việc xây dựng hệ thống có quy mô lớn
Tùy theo khả năng của người thiết kế cũng như các phần cứng hỗ trợ khác mà WinCC đã và đang được phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ứng dụng phổ biến nhất của WinCC là: Tự động hóa quá trình và giảm sát quy trình sản xuất Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để diều khiển và thu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồ họa, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, các bảng ghi báo cáo,v.v…đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện người máy(HMI), sử dụng phổ cập nhất hiện nay nhờ vào hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt tại nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam.
KẾT NỐI WINCC VÀ S7-1200
Giao diện Wincc sau khi khởi động
Tạo kết nối giữa Wincc và s7-1200
Gán địa chỉ của PLC vào các hình trong Graphics Designer.
CHƯƠNG TRÌNH PLC S7-1200
Mô tả hệ thống
Dùng khối put/get truyền nhận dữ liệu giữa 2 PLC S7 – 1200
Hệ thống cung cấp khí được làm việc ở hai chế độ
Có thể chủ động chuyển đổi giữa chế độ master và slave
Sử dụng màn hình HMI:
Điều khiển tốc độ quạt, góc quay van, cài giá trị áp suất đặt cho khâu PID
Hiện thị góc quay, giá trị áp suất của 4 cảm biến, tốc độ quạt
Có thể điều khiển từ xa, không thể chủ động chuyển đổi giữa chế độ master và slave (hạn chế việc tín hiệu không mong muốn)
Sử dụng giao diện wincc
Điều khiển tốc độ quạt, góc quay van, cài giá trị áp suất đặt cho khâu PID
Hiển thị góc quay, giá trị áp suất của 4 cảm biến, tốc độ quạt
Van điện tử và quạt có 2 chế độ hoạt động: điều khiển bằng tay hoặc điều khiển bằng PID
Ở chế độ bằng tay ta tự điều khiển tốc độ quạt và góc mở của van điện từ để được áp suất mong muốn ở các đường ống
Ở chế độ PID ta cài đặt giá trị áp suất đặt và thông số các khâu tỉ lệ và tích phân trong bộ điều khiển PID Bộ điều khiển sẽ xuất ra góc quay cũng như tốc độ quạt sao cho giá trị áp suất ở các đường ống sát với giá trị đặt
6.2 M ỘT SỐ ĐOẠN CHƯƠNG TRÌNH ĐC VIẾT BẰNG NGÔN NGỮ LADDER TRONG PHẦN MỀM TIAPORTAL V 14
Network 1: Khối get nhận dữ liệu từ PLC 2 thông qua địa chỉ nhận master là MD20.0 và truyền dữ liệu từ PLC 2 thông qua địa chỉ MD10.0
Network 2: Khối put truyền dữ liệu từ PLC 1 thông qua địa chỉ truyền master M700.0 và nhận dữ liệu từ PLC 2 thông qua địa chỉ M699.0
Một số hình minh họa :
Một số đoạn chương trình được viết bằng ngôn ngữ ladder trong phần mềm TIA PORTAL v14
Qua hơn ba tháng thực hiện nghiên cứu đề tài, bài báo cáo đã được hoàn thành, gồm có 7 chương được trình bày cụ thể, các vấn đề chính được trình bày tập trung ở các chương 2, 3, 4, 5 và 6 Trong chương 2 và 4 là nghiên về phần cứng của bài báo cáo bao gồm giới thiệu đề tài và các thiết bị dùng trong đề tài
BÁO CÁO KẾT QUẢ
TÓM TẮT
Qua hơn ba tháng thực hiện nghiên cứu đề tài, bài báo cáo đã được hoàn thành, gồm có 7 chương được trình bày cụ thể, các vấn đề chính được trình bày tập trung ở các chương 2, 3, 4, 5 và 6 Trong chương 2 và 4 là nghiên về phần cứng của bài báo cáo bao gồm giới thiệu đề tài và các thiết bị dùng trong đề tài.