ĐỒ án TRẠM TRỘN HOÁ CHẤT PLC s71200

Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp

Ngành công nghiệp hóa chất có sự đa dạng sản phẩm phục vụ cho nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cho phép khai thác hiệu quả tài nguyên quốc gia từ khoáng sản, dầu khí đến các sản phẩm phụ và phế thải Đây là một ngành kinh tế – kỹ thuật chủ lực, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam Trong bối cảnh đổi mới và cải cách kinh tế, sự phát triển của ngành công nghiệp - nông nghiệp đã thúc đẩy nhu cầu về nguyên liệu hóa chất, với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chất hàng năm đạt 15%.

PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP” làm đề tài nghiên cứu của mình.

Hình 1.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp

SVTH: NGUYỄN VIẾT DŨNG, NGUYỄN THÀNH TẤN, NGUYỄN NGỌC THẢO Page 5

Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất

Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa chất, quá trình trộn là rất quan trọng để sản xuất ra sản phẩm chất lượng Việc kết hợp hai hoặc nhiều nguyên liệu cần phải tuân thủ tỉ lệ chính xác và nghiêm ngặt để tránh sai sót Đặc biệt, có những quy trình mà con người không thể trực tiếp tham gia để đảm bảo an toàn lao động, do đó quy trình phải được thực hiện trong một hệ thống khép kín.

Dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp điển hình

Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp.

Dây chuyền sản xuất theo mẻ bao gồm 5 bình chứa và hệ thống bơm luân chuyển dung dịch Mỗi bình chứa được trang bị cảm biến để phát hiện tình trạng đầy và cạn Bình chứa 2 có bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt, trong khi bình chứa 3 được thiết kế với bộ phận khuấy để trộn hai chất lỏng từ bình chứa 1 và 2 Đặc biệt, bình chứa 3 và 4 có dung tích gấp đôi so với bình chứa 1 và 2.

Hoạt động của hệ thống như sau:

- Bình chứa 1 và 2 được cấp đồng thời alkali và polymer bằng các động cơ bơm Bơm

1 và 2 ngừng hoạt động khi cảm biến đầy phát hiện trạng thái đầy của bình chứa.

Bộ phận gia nhiệt của bình chứa 2 làm nóng polymer đến 60°C và tự động ngừng khi cảm biến nhiệt hoạt động Tiếp theo, bơm 3 và 4 sẽ bơm chất lỏng sang bình chứa 3 Khi có chất lỏng trong bình chứa 3, bộ phận khuấy sẽ hoạt động Động cơ bơm 3 sẽ dừng khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 1 cạn.

Động cơ bơm 4 sẽ ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đạt mức đầy hoặc bình chứa 2 cạn kiệt Sau khi động cơ 3 và 4 ngừng hoạt động, động cơ khấy sẽ dừng lại sau khoảng thời gian 90 giây.

- Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4 Động cơ bơm 5 ngừng hoạt động khi bình chứa 4 đầy hoặc bình chứa 3 cạn.

- Chất lỏng được đưa vào bình chứa 4 để cung cấp nguyên liệu cho quá trình làm việc để đảm bảo bình chứa T-304 luôn có nguyên liệu hoạt động.

Mức chất lỏng trong bình chứa 5 được gửi về PLC S7-1200 qua tín hiệu analog, với mức cài đặt trước nhất định PLC S so sánh mức chất lỏng hiện tại với giá trị đã định và sử dụng phương pháp PID để điều khiển đóng mở Van tuyến tính nhằm cân bằng sai lệch khi có sự khác biệt.

- Khi giá trị Setpoint thấp hơn giá trị mức hiện tại, Van xả s được kích hoạt để xả bớt chất lỏng ra ngoài.

- Hệ thống hoạt động tự động lặp lại, bình chứa T304 lúc nào cũng có nguyên liệu để hoạt động.

Van XV303 là loại van điều khiển tuyến tính (van analog) chuyên dụng cho việc kiểm soát nhiệt độ, áp suất và lưu lượng trong các hệ thống ống dẫn Sản phẩm này thường được ứng dụng trong các quy trình như sấy cám, sấy trấu, sấy giấy và sấy dừa Van điều khiển tuyến tính XV303 nổi bật với khả năng hoạt động ổn định, chính xác và có độ bền cao, đáp ứng tốt nhu cầu trong ngành công nghiệp.

Lý do chọn Đề Tài

Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đang trở thành một lĩnh vực quan trọng, góp phần vào sự công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Tự động hóa đã giúp cải thiện hiệu suất và năng suất trong nhiều ngành nghề khác nhau Hiện nay, thiết bị PLC (Programmable Logic Controller) là một trong những công cụ tự động hóa phổ biến nhất.

Trong các lĩnh vực như dầu mỏ, hóa chất và công nghiệp thực phẩm, việc điều khiển mức chiếm một vai trò quan trọng, đặc biệt khi pha chế theo tỷ lệ nhất định Độ chính xác trong điều khiển là rất cần thiết, vì thiết bị ngày càng hiện đại và nhỏ gọn, yêu cầu quy trình sản xuất phải chính xác cao Một sai sót nhỏ có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm Do đó, nhiều phương pháp điều khiển chính xác đã được nghiên cứu và phát triển, bao gồm điều khiển mờ, điều khiển thích nghi và điều khiển PID Trong việc điều khiển mức chất lỏng, thuật toán điều khiển PID được coi là phù hợp nhất.

Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID là một trong những phương pháp phổ biến cho các ứng dụng như điều khiển mức, lưu lượng, vận tốc và vị trí Việc áp dụng giải thuật này giúp giảm thiểu sai số trong kết quả điều khiển, mang lại độ chính xác cao Với hơn 80% thị phần trong các giải thuật điều khiển, PID đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh và ổn định, cũng như việc kiểm soát chính xác các quá trình.

PLC S7-1200 hiện nay được trang bị chức năng truyền thông và giám sát qua mạng, giúp việc kết nối và mở rộng khả năng giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn Điều này dần dần thay thế cho các dòng PLC S7-200 và S7-300.

LỰA CHỌN THIẾT BỊ PLC S7 – 1200

Giới thiệu tổng quan về PLC

PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân đầu vào hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thời và sự kiện đếm PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch rơ le, hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và đầu ra, đảm bảo rằng khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra cũng sẽ thay đổi tương ứng.

PLC programming languages include Ladder and State Logic Numerous manufacturers produce PLCs, such as Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, and Omron.

Khi sự kiện được kích hoạt, thiết bị điều khiển bên ngoài, hay còn gọi là thiết bị vật lý, sẽ bật ON hoặc OFF Bộ điều khiển lập trình s sẽ liên tục lặp lại chương trình do người dùng thiết lập, chờ tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu đầu ra tại các thời điểm đã được lập trình Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển sử dụng dây kết nối (bộ điều khiển bằng Relay), bộ PLC đã được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại.

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

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

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

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.

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

- Giá cả có thể cạnh tranh được.

2.1.2 Cấu trúc chung của PLC :

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm

( CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra(I/O).

Hệ thống điều khiển lập trình bao gồm khối điều khiển trung tâm (CPU), được cấu thành từ ba phần chính: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp.

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

Hoạt động của một PLC :

Hoạt động cơ bản của PLC rất đơn giản Hệ thống cổng vào/ra (Input/Output hay còn gọi là Module xuất/nhập) được sử dụng để truyền tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến, công tắc và tín hiệu từ động cơ vào CPU.

Sau khi nhận tín hiệu từ ngõ vào, CPU xử lý và gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị được điều khiển Trong suốt quá trình hoạt động, CPU liên tục đọc hoặc quét dữ liệu và trạng thái của thiết bị ngoại vi qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình đã lưu trong bộ nhớ.

Một bộ đếm chương trình s nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành.

Chương trình ở dạng STL (StatemenList – Dạng lệnh liệt kê) s được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình.

Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU s gửi hoặc cập nhật(Update) tới các thiết bị, được thực hiện thông qua module xuất.

Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và cập nhập tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét.

Khi PLC thực hiện chương trình, quá trình cập nhật tín hiệu ngõ vào không dẫn đến việc truy xuất tức thời ra ngõ ra Thay vào đó, việc cập nhật tín hiệu ngõ ra diễn ra qua hai bước: đầu tiên, vi xử lý thực hiện các bước logic tương ứng đã được lập trình, chuyển đổi trạng thái ON/OFF Tuy nhiên, vào thời điểm này, tín hiệu ngõ ra vẫn chưa được phát ra từ module out.

Khi kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic của các tiếp điểm cần được hoàn thành để cập nhật tín hiệu ở ngõ ra, từ đó điều khiển các thiết bị liên quan Thời gian thực hiện một vòng quét đơn thường rất ngắn, dao động từ 1ms.

Chu kỳ quét của 100ms có thể thay đổi tùy thuộc vào độ dài của chương trình và mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi như màn hình hiển thị.

Vi xử lý chỉ có thể nhận tín hiệu ở ngõ vào khi tín hiệu này tác động trong thời gian dài hơn một chu kỳ quét; nếu không, vi xử lý sẽ coi như không có tín hiệu Trong thực tế sản xuất, các hệ thống chấp hành thường là hệ thống cơ khí, và với tốc độ quét như vậy, chúng có thể đáp ứng các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắc phục thời gian quét dài và giảm ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế đã phát triển hệ thống PLC cập nhật tức thời, thường được áp dụng cho các PLC lớn với số lượng I/O nhiều, cho phép truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.

Giới thiệu PLC S7-1200

Năm 2009, siemens đã ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 và

S7-300 ; So với s7-200 và S7-300 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa, nhờ vào thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ Những đặc điểm này giúp tạo ra các giải pháp tối ưu cho các ứng dụng sử dụng S7-1200.

1200 bao gồm một bộ vi xử lý (microprocessor), một nguồn cung cấp được kích hoạt sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP:

+ Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

+ Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn ethernet mở.

+ Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.

+ Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet.

+ TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.

- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

+ 6 bộ đếm tốc độ cao dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm

100kHz và 3 bộ đếm 30kHz.

Bài viết đề cập đến việc sử dụng 2 ngõ PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ bước hoặc bộ tải servo Ngoài ra, nó cũng nói về ngõ ra điều rộng xung P M, có khả năng điều khiển tốc độ động cơ, vị trí van hoặc điều khiển nhiệt độ.

16 bộ điều khiển PID được trang bị tính năng tự động xác định thông số điều khiển, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển Bên cạnh đó, bạn có thể mở rộng kết nối thông qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232.

Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL Nó được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens, mang đến giải pháp lập trình hiệu quả cho các ứng dụng tự động hóa.

Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

Các thành phần của PLC S7-1200

- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.

- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển modum trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm.

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bổ sung 4 cổng Ethernet

- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24VDC

1 Bộ phận kết nối nguồn.

2 Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được(phía sau các nắp che) Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.

3 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.

4 Bộ phận kết nối PROFINET(phía trên của CPU).

Các kiểu CPU đa dạng mang đến nhiều tính năng và dung lượng, giúp người dùng phát triển các giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau Đặc biệt, S7-1200 cung cấp khả năng mở rộng với nhiều module tín hiệu và bảng tín hiệu, nâng cao dung lượng hệ thống.

CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.

Bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng mở rộng khả năng I/O cho CPU, cho phép thêm nhiều SB với các kiểu I/O số hoặc tương tự, kết nối trực tiếp vào phía trước của CPU.

Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước

SB với 4 I/O kiểu số( ngõ vào 2 xDC và ngõ ra 2 x DC)

+ SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự 1 Các LED trạng thái trên SB 2 Bộ phận kết nối nối dây người dùng có thể tháo ra.

Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông(CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông RS232 và RS485:

+ CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

+ Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU( hay về phía bên trái của một CM khác)

Phần mềm điều khiển và lập trình

Phần mềm TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) được sử dụng để điều khiển và lập trình cho PLC S7-1200, tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho hệ thống tự động hóa và truyền động điện TIA Portal cho phép lập trình các bộ điều khiển Simatic thông qua Simatic Step7 V13, đồng thời cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính với Simatic WinCC V13, từ đó nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc.

Hình 2.5: Giao diện làm việc của TIA Portal

TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, đảm bảo sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Tất cả các thiết bị và mạng truyền thông có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ, mang lại sự tiện lợi cho người dùng Các khái niệm như thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chuẩn đoán lỗi và các tính năng online là những điểm mạnh quan trọng khi sử dụng cơ sở dữ liệu TIA Portal.

TIA Portal mang đến một hệ thống kỹ thuật thông minh và trực quan hơn, với giao diện dễ nhìn và tính năng kéo-thả thuận tiện cho lập trình Hai phần mềm chính trong TIA Portal bao gồm Simatic Step 7 và Simatic WinCC.

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển vòng hở và vòng kín, mang lại mức độ tự động hóa cao nhất với chi phí tối ưu.

S7-1200 là một giải pháp mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng tự động hóa, từ việc thay thế các mạch rơ-le và contactor đơn giản đến điều khiển các hệ thống phức tạp Các ứng dụng phổ biến bao gồm đóng gói bao bì, trạm trộn xi măng, quạt thông gió, hệ thống bôi trơn tập trung, máy gia công gỗ, và điều khiển cửa tự động Ngoài ra, S7-1200 cũng được sử dụng trong các hệ thống như năng thủy lực, băng tải, công nghiệp thực phẩm, phòng thí nghiệm, và các ứng dụng điều biến Nó còn hỗ trợ giám sát và bảo vệ hệ thống điều khiển, điều khiển hệ thống ánh sáng, bơm, phòng cháy, an ninh, và điều hòa nhiệt độ.

Ngoài ra, S7-1200 có các ứng dụng mới như :

- Điều khiển từ xa thông qua mạng Pro inet, Internet, Modbus, qua hệ thông mạng không dây.

- PLC kết nối với PLC thông qua Internet và mạng nội bộ Có thể truyền thông thông qua mạng Ethernet công nghiệp nhưng khoảng cách tối đa là 100m.

Điều khiển truy cập từ xa vào S7-1200 qua Internet và web server cho phép người dùng truy cập PLC thông qua trình duyệt web Để thực hiện kết nối này, PLC cần được cấu hình với một địa chỉ IP tĩnh.

S7-1200 cung cấp giải pháp điều khiển từ xa qua mạng Ethernet, Pro inet và hệ thống mạng không dây Nó hỗ trợ giao tiếp với inCC để xuất dữ liệu Excel, truyền thông mạng Pro ibus với PLC và biến tần Siemens, cũng như truyền thông Pro inet giữa các PLC Hơn nữa, S7-1200 có khả năng mở rộng tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra (SM) và 3 module truyền thông, mang lại sự linh hoạt cho hệ thống.

PLC S7-1200 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, thực hiện hiệu quả các nhiệm vụ tương tự như các PLC khác Với khả năng tích hợp PROFINET và hỗ trợ truyền thông Ethernet dựa trên TCP/IP, S7-1200 mang lại năng suất cao và hiệu quả tối ưu trong quá trình vận hành.

Mô-đun 1200 sở hữu khả năng kết nối mạnh mẽ và linh hoạt với nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm máy tính cá nhân (PC), HMI và các PLC khác Nó cho phép điều khiển PLC từ xa thông qua các mạng truyền thông và mạng không dây được cải thiện, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý hệ thống.

Thông qua Internet hoặc mạng cục bộ, người dùng có thể điều khiển và giám sát S7-1200 từ xa Với tính năng webserver, việc kết nối với S7-1200 trở nên dễ dàng qua các trang web và thiết bị di động, mang lại sự thuận lợi cho việc điều khiển, giám sát và vận hành hệ thống từ xa.

S7-1200 có thể làm việc ở những môi trường làm việc nguy hiểm độc hại cho con người,những môi trường khắc nghiệt như nhà máy luyện thép

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng

3.1.1 Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng

Hình 3.1: Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng

Qi Lưu lượng nước chảy vào Bình Qimax

Lưu lượng nước chảy vào Bình max Qo

Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình

Ho Mức nước trong bình ban đầu h mức nước ứng với lượng nước chảy vào bình

Hmax Mức nước cao nhất trong bình

A Tiết diện bình a Tiết diện đường ống dẫn nước ra khỏi bình

V Thể tích nước trong bình g Gia tốc trọng trường (9.8 ) p Vị trí góc mở của van lưu lượng, thay đổi từ 0 tới 1

3.1.2 Sơ đồ mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng

Hình 3.2: Sơ đồ khối mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng

Biểu đồ chức năng

Biểu đồ chức năng là công cụ cơ bản để thiết kế chương trình điều khiển tuần tự, mô tả hệ thống xử lý tuần tự theo chuẩn IEC 848 Phương pháp này đã trở thành ngôn ngữ lập trình chuẩn IEC 61131-3, được giới thiệu vào năm 1993 Trong chương này, phương pháp lập trình theo biểu đồ chức năng được trình bày như một dạng đơn giản của ngôn ngữ lập trình SFC trong chuẩn IEC 61131-3.

• Biểu đồ chức năng gồm

• Các bước lập trình tuần tự.

• Điều kiện chuyển tiếp để chuyển sang bước tiếp theo.

• Các thao tác trong các bước.

• Từ sơ đồ mô hình điều khiển mức, ta có biểu đồ chức năng:

Hình 3.3: Biểu đồ chức năng

Chương trình điều khiển

• Chương trình được thiết kế theo kiểu lập trình điều khiển tuần tự, nhịp sau reset nhịp trước.

• Chương trình PID được đặt ở khối cycle interrupt (OB30), 300ms kiểm tra sai lệch một lần.

• Setpoint: giá trị đặt ban đầu.

• Input: ngõ vào đã qua xử lý

• Input_PER: ngõ vào Analog

• Output: ngõ ra Analog từ -100 đến 100%

• Output_PER: ngõ ra Analog từ -100 đến 100%.

• Output_PWM: ngõ ra PWM.

Mode: các Mode lựa chọn chế độ hoạt động của PID

• Mode = 0: Inactive Không hoạt động

• Mode = 1: Pretuning Điều chỉnh tự do

• Mode = 2: Fine tuning Tinh chỉnh

• Mode = 3: Automatic mode Chế độ tự động

• Mode = 4: Manual mode Chế độ bằng tay

Khi xảy ra lỗi, bít Erro/bit s lên 1 Do vậy khi bit này khác 0, ta phải reset PID và nạp cho bít Mode giá trị là 3.

Bảng cài đặt thông số PID:

Hình 3.5: Bảng cài đặt thông số PID

• Ở đây ta chỉ cần quan tâm các thông số sau:

Loại bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển, có nhiều dạng như điện áp, nhiệt độ, và áp suất Trong trường hợp này, với mức chất lỏng, cần chọn chiều dài (Length) với đơn vị là cm.

• Input/Output parameters: chọn dạng tín hiệu cho ngõ vào, ngõ ra

• Process value limit: phạm vi điều khiển của dải tín hiệu từ 0-100 cm

• PID parameters: nhập thông số PID

Hình 3.6: Bảng nhập thông số PID

Bảng 1: Định nghĩa các biến vào ra sử dụng trong bài

STT Tên biến Bảng tag Kiểu dữ liệu Địa chỉ Trạng thái

1 START Default tag table Bool %I0.0 False

2 STOP Default tag table Bool %I0.1 False

3 MANUAL Default tag table Bool %M2.1 False

4 AUTO Default tag table Bool %M2.0 False

5 T1F Default tag table Bool %I0.4 False

7 TEAMP Default tag table Bool %I0.6 False

8 T304_ENABL Default tag table Bool %M4.0 False

9 T1E Default tag table Bool %I1.0 False

14 RUN Default tag table Bool %M0.0 False

15 S1 Default tag table Bool %M0.1 False

31 RESET Default tag table Bool %I1.5 False

32 BOM 1 Default tag table Bool %M5.0 False

38 GIA NHIET Default tag table Bool %M5.6 False

39 KHUAY Default tag table Bool %M5.7 False

40 PUMP 1 Default tag table Bool %Q0.0 False

46 GIA_NHIET Default tag table Bool %Q0.6 False

47 KHUAY Default tag table Bool %Q0.7 False

48 XV303 Default tag table Bool %M6.0 False

49 LT304_MEAS Default tag table Word %IW96 False

50 T304_INCH Default tag table Real %MD108 False

52 PUMP_1 Default tag table Bool %M2.2 False

58 G_NHIET _PB Default tag table Bool %M3.0 False

59 KHUAY_PB Default tag table Bool %M3.1 False

60 START_PB Default tag table Bool %M3.2 False

61 STOP_PB Default tag table Bool %M3.3 False

62 RESET_PB Default tag table Bool %M3.4 False

63 VAN XV303 Default tag table Bool %M3.5 False

64 XV303_PB Default tag table Bool %I2.7 False

65 T304_EN Default tag table Bool %I0.7 False

66 Van tuyen tinh Default tag table Int %QW112 False

67 Tag_4 Default tag table Bool %M60.0 False

71 AnalogInput Default tag table DWord %MD120 False

72 AnalogOutput Default tag table DWord %MD124 False

73 Tag_6 Default tag table Real %MD140 False

77 SETPOINT Default tag table Real %MD160 False

78 MANUAL PID Default tag table Bool %M4.2 False

GIAO DIỆN WINCC

Giới thiệu về giao diện giám sát HMI

Trong ngành công nghiệp giám sát, việc theo dõi một hệ thống hoặc công việc cụ thể giúp xác định trạng thái hoạt động và phát hiện sự cố Quá trình giám sát có thể được thực hiện cả trực tiếp và gián tiếp.

Giám sát trực tiếp là quá trình mà người vận hành theo dõi các hoạt động và trạng thái làm việc của hệ thống Công việc này yêu cầu sự tỉnh táo và tập trung, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất lớn, nơi cần nhiều người tham gia Điều này không chỉ tốn thời gian mà còn dễ dẫn đến sai sót do khó khăn trong việc tổng hợp thông tin.

Giám sát gián tiếp là phương pháp quan sát hệ thống sản xuất thông qua các thiết bị ngoại vi kết nối dữ liệu liên tục Dữ liệu được xử lý và so sánh, sau đó thông báo cho người vận hành qua âm thanh hoặc hình ảnh trên các màn hình hiển thị như máy tính và màn hình lập trình Phương pháp này cho phép người vận hành theo dõi tổng quát hệ thống sản xuất từ xa, tiết kiệm thời gian quan sát, nhanh chóng tổng hợp thông tin, giảm thiểu nhân lực và hạn chế sai sót trong quá trình giám sát.

Giao diện giám sát HMI của Siemens cho phép người vận hành điều khiển toàn bộ hệ thống từ bàn điều khiển một cách dễ dàng Dữ liệu hệ thống luôn được cập nhật liên tục trên màn hình, mang đến sự tiện lợi và hiệu quả trong quá trình giám sát.

Đầu tiên, hãy bật chế độ Simulation để đồng bộ hóa dữ liệu biến tag với Main Sau đó, khởi chạy chương trình mô phỏng như thường lệ để kiểm tra trạng thái mô phỏng của các biến.

Mở màn hình làm việc giao diện HMI kiểm tra lỗi thiết kế có bị sai sót.

Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sót khi thiết kế HMI.

Khi hộp thoại thông báo "Compiling completed (errors: 0; warning: 0)" xuất hiện, có nghĩa là quá trình kiểm tra và biên dịch đã hoàn tất mà không có lỗi Lúc này, bạn có thể tiến hành chạy mô phỏng để truy cập vào màn hình giao diện điều khiển Win CC.

Sau khi khởi chạy hoàn tất, giao diện điều khiển giám sát hệ thống sẽ xuất hiện, cho phép người vận hành chọn chế độ và theo dõi quá trình làm việc của hệ thống Người vận hành cũng có khả năng can thiệp vào từng giai đoạn sản xuất khi cần thiết.

Giới thiệu về wincc Prossional

4.2.1 Tổng quan về Win CC:

Phần mềm WinCC của Siemens là công cụ chuyên dụng để thiết kế giao diện điều khiển HMI (Giao diện Người-Máy) và hỗ trợ xử lý, lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA (Giám sát và Thu thập Dữ liệu), đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa.

WInCC, viết tắt của Windows Control Center, là một phần mềm cung cấp công cụ để thiết lập giao diện điều khiển trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000.

WinCC là một sản phẩm thuộc dòng SCADA, được thiết kế để phục vụ cho việc vận hành và giám sát Nó cung cấp các chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển, đặc biệt trên hệ điều hành XP và Vista 32bit (không bao gồm SP1).

WinCC kết hợp kinh nghiệm của Siemens, một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa quá trình, với năng lực vượt trội của Microsoft, công ty tiên phong trong phát triển phần mềm cho máy tính Hệ thống này không chỉ linh hoạt mà còn phù hợp cho việc xây dựng các hệ thống quy mô lớn và nhỏ khác nhau.

WinCC có khả năng tích hợp linh hoạt với các ứng dụng quy mô toàn công ty, đặc biệt là với các hệ thống cấp cao như MES (Hệ thống thực thi sản xuất).

Hệ thống quản lý sản xuất và ERP (Enterprise Resource Planning) của Siemens, winCC, có khả năng hoạt động trên quy mô toàn cầu nhờ vào mạng lưới hỗ trợ rộng khắp Tại Việt Nam, hệ thống này đã được tài trợ để đưa vào chương trình đào tạo chính thức, giúp nâng cao năng lực cho người sử dụng.

Tùy theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khác nhau của

WinCC như là một trong các lựa chọn của sản phẩm Các gói cơ bản của winCC chia làm hai loại như sau:

Gói WinCC Runtime (RT) bao gồm các chức năng ứng dụng cần thiết để vận hành các ứng dụng WinCC, bao gồm việc hiển thị, điều khiển, thông báo trạng thái và giá trị điều khiển, cũng như thực hiện các báo cáo.

WinCC Complete Package (Viết tắt là RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (con iguration licence) và bản quyền để chạy ứng dụng (Runtime).

Các gói này có nhiều phiên bản khác nhau tùy thuộc vào số lượng Powertag mà chúng hỗ trợ, bao gồm 128, 256, 1024 và 65536 Powertag Powertag là các tham số làm việc mà bộ điều khiển theo dõi thông qua việc kết nối với quá trình và thiết bị mà nó giám sát Nếu người dùng muốn nâng cấp từ phiên bản có số Powertag nhỏ hơn lên phiên bản lớn hơn, họ có thể mua các gói nâng cấp chuyên dụng gọi là inCC Powerpacks.

WinCC không chỉ cung cấp các gói phần mềm cơ bản mà còn có các mô đun nâng cao (WinCC Options) và mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on) dành cho các ứng dụng cấp cao hơn Các WinCC Option được phát triển bởi Siemens Automation and Drive (A&D).

Add-on là những sản phẩm được phát triển bởi các bộ phận của Siemens hoặc các đối tác của Siemens, nhằm mở rộng chức năng và tùy chỉnh cho từng loại ứng dụng.

4.2.2 Chức năng phổ biến của Win CC

Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện Người và Máy – HMI và mạng Scada, inCC sử dụng các chức năng phổ biến sau:

Nhà thiết kế đồ họa có khả năng thực hiện các chức năng mô phỏng dễ dàng thông qua các đối tượng đồ họa trong chương trình WinCC, Windows, I/O và các thuộc tính động.

Alarm Logging là quá trình hiển thị thông báo và cảnh báo trong hệ thống vận hành Nó nhận thông tin từ các quá trình, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ dữ liệu Ngoài ra, Alarm Logging còn hỗ trợ trong việc phát hiện nguyên nhân của các lỗi xảy ra.

Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi.

Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện.

User Achivers cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu từ ứng dụng và trao đổi với các thiết bị khác Trong WinCC, người dùng có thể soạn thảo, lưu trữ và sử dụng các công thức và ứng dụng trong hệ thống WinCC cũng tích hợp với Visual C++ và Visual Basic, tạo ra một hệ thống tinh vi phù hợp với từng hệ thống tự động hóa chuyên biệt.

WinCC cho phép tạo giao diện Người và Máy (HMI) thông qua việc giao tiếp giữa con người và các thiết bị, hệ thống tự động hóa bằng hình ảnh, số liệu và sơ đồ Giao diện này giúp người dùng vận hành và theo dõi từ xa, đồng thời cung cấp khả năng cảnh báo và báo động khi xảy ra sự cố.

WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người Máy thực sự cần thiết cho các hệ thống tự động hóa cao và hiện đại.

Thiết kế giao diện

Để thiết kế phím nhấn, bạn vào mục Toolbox, chọn mục Element và nhấp vào biểu tượng button Sau đó, đổi tên thành STOP và gán các thuộc tính như Press, Release cùng địa chỉ cho các nút nhấn Lặp lại quy trình này cho tất cả các nút nhấn cần thiết.

Hình 5.2: Tạo và gán thuộc tính cho nút STOP

To design the engine, navigate to the Toolbox, select Graphics, and access the W INCC Graphics Folder under Automation Equipment, specifically for Pumps with 256 colors Choose the PUMP1 engine and assign effects and addresses within the Animations section.

Hình 5.3: Tạo và gán thuộc tính cho động cơ Pump 1

Các cảm biến làm tương tự.

Các ống dẫn, Bồn chứa tương tự vào mục Toolbox, phần Graphics, WINCC Graphics

Folder, Automation Equipment, Pipe hoặc Tank, 256 colors.

Các giá trị Setpoint, Present value vào mục Toolbox, mục Element, chọn I/O ield và gán các thuộc tính, địa chỉ.

Hình 5.4: Tạo và gán thuộc tính cho I/O ield

V biểu đồ, vào mục Toolbox, mục Control chọn Trendview, sau đó vào mục Trend gán các địa chỉ cho các mục cần hiển thị.

Hình 5.5: Tạo và gán thuộc tính cho Biểu đồ.

MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

Mô phỏng ở chế độ tự động

Kéo gạt “Mode” để vào chế độ “Auto” khởi chạy hệ thống thông qua tích cực phím

Start, bơm 1 và bơm 2 đồng thời hoạt động :

Hình 5.1: Bơm 1 và 2 đang chạy

Bơm 1 và bơm 2 bơm đến khi nào nhận được tín hiệu bình 1 và bình 2 đã đầy thì ngừng bơm thông qua việc tích cực cảm biến báo đầy T1F( báo đầy bình 1) và T2F( báo đầy bình

2), nếu bình 1 đầy trước (T1F tích cực) mà bình 2 chưa đầy thì bơm 1 ngắt, bơm 2 vẫn tiếp tục hoạt động cho tới khi bình 2 đầy và ngược lại :

Hình 5.2: Bình 1 đầy mà bình 2 chưa đầy.

Khi cả bình 1 và bình 2 đã đầy, bơm 1 và bơm 2 dừng hoạt động, hệ thống thực hiện bước gia nhiệt :

Hình 5.3: Hệ thống gia nhiệt hoạt động

Gia nhiệt đến 60° và khi hệ thống báo nhiệt độ tích cực, bơm 3 và bơm 4 sẽ cấp hóa chất vào bình 3, trong khi động cơ khuấy hoạt động Nếu bình 1 cạn, bơm 3 sẽ ngừng hoạt động nhưng bơm 4 vẫn tiếp tục; và ngược lại Khi nhận tín hiệu đầy từ bình 3 hoặc tín hiệu cạn từ cả hai bình, cả hai bơm sẽ ngắt và chuyển sang bước tiếp theo.

Hình 5.4: Gia đủ nhiệt, bơm 3 bơm 4 hoạt động.

Hình 5.5: Khi bơm 3, 4 ngừng bơm, khuấy hoạt động 90s.

Hình 5.6: Bơm 5 hoạt động đẩy sản phẩm vào bình chứa 4 Khi mà bình 3 cạn hoặc bình 4 đầy thì Bơm 5 dừng.

Khi chất lỏng đạt đến bình chứa 4, T4E sẽ kích hoạt van tuyến tính XV303 mở ra Góc mở van được điều chỉnh để đạt giá trị mức chất lỏng cài đặt, đồng thời cảm biến mức sẽ báo về giá trị hiện tại Hệ thống sẽ tính toán và xử lý sai số, điều chỉnh góc mở van để duy trì mức chất lỏng mong muốn Chất lỏng sẽ tiếp tục được rót vào bồn cho đến khi đạt đủ mức, lúc này van tuyến tính sẽ tự động đóng lại.

Hình 5.7: Van tuyến tính đang mở

Hình 5.8: Bộ PID đang hoạt động khi có hóa chất

Hình 5.9: Bộ PID đang hoạt động khi đủ mức hóa chất

Khi cảm biến T4E phát hiện nhiên liệu đã hết, hệ thống sẽ tự động reset và quay trở lại bước 1, tiếp tục quá trình sản xuất và cung cấp hóa chất, đảm bảo hoàn thành chu trình khép kín.

Dải đo của cảm biến đo mức LT304, ngõ ra 4-20mA được hiệu chỉnh về mức hiển thị số từ (0-

100 cm) tương đương với dải đo (5530-27648) của Siemens Hệ thống cung cấp chỉ hoạt động khi có sự cho phép của T304_ENABLE.

Mô phỏng ở chế độ tay

Khi cần can thiệp vào hoạt động của hệ thống, hãy chuyển sang chế độ bằng tay để điều khiển trực tiếp các đầu ra nhằm đưa hệ thống về trạng thái cân bằng Trước khi thực hiện chuyển đổi chế độ, nên reset các đầu ra để giảm thiểu khả năng phát sinh lỗi trong hệ thống.

Các nút ở chế độ “ MAN ” đã liệt kê trong Panel điều khiển bằng tay , chuyển gạt

“AUTO ” sang chế độ MAN là có thể can thiệp vào từng giai đoạn của hệ thống

Các điều khiển khác tương tự như điều khiển bơm 1 Hệ thống bên cung cấp hóa chất là hệ thống khép kín không can thiệp bằng tay được.

Hình 5.10: Mô phỏng ở chế độ tay khi nhấn

Kết luận

Kết quả cụ thể về lý thuyết

- Tìm hiểu về PLC Simatic S7-1200: cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ.

- Tìm hiểu về phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình PLC S7-1200.

- Sử dụng phần mềm MATLAP, tìm thông số PID theo phương pháp Zigler Nichol cho hệ kín gồm bình mức và van tuyến tính.

SVTH: NGUYỄN VIẾT DŨNG, NGUYỄN THÀNH TẤN, NGUYỄN NGỌC THẢO

Kết quả cụ thể về thực nghiệm

- Mô phỏng MATLAP tính được thông số PID cho van tuyến tính.

- Thiết kế được chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ LAD, cài đặt thông số PID cho PLC.

- Thiết kế được giao diện HMI giám sát hệ thống điều khiển mức chất lỏng.

- Mô phỏng chương trình đạt kết quả tốt

Đề tài này sẽ là cơ sở cho việc ứng dụng điều khiển mức sử dụng các van thông qua hệ thống điều khiển PID qua PLC, nhằm nâng cao hiệu quả trong phòng thí nghiệm của trường Cao đẳng Nghề Ninh Thuận trong tương lai.

- Chương trình tự dò tìm thông số PID cho hệ thống điều khiển mức chất lỏng.

Tiêu đề	Đồ Án Trạm Trộn Hóa Chất PLC S71200
Tác giả	Nguyễn Văn A, Nguyễn Văn B, Nguyễn Văn C, Nguyễn Viết Dũng, Nguyễn Thành Tấn, Nguyễn Ngọc Thảo
Người hướng dẫn	Th.S Lê Thị Hồng Lam
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Chuyên ngành	Điện - Điện Tử
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	41
Dung lượng	4,41 MB