ĐỀ tài THIẾT kế hệ THỐNG GIA CÔNG, lắp ráp và PHÂN LOẠI THEO màu sắc

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1.1 Khái niệm và phân loại các kiểu dây chuyền phân loại sản phẩm 1.1.1 Khái niệ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC

TIỂU LUẬN TRANG BỊ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HOÁ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIA CÔNG, LẮP RÁP VÀ PHÂN LOẠI THEO MÀU SẮC

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN DUY PHƯƠNG Sinh viên thực hiện: Phan Đức Minh Luân

Mã sinh viên : 5851031021 Lớp: Tự Động Hoá K58

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 7 năm 2021

đã cùng với những tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu

cho em trong suốt quá trình học Và đặc biệt, trong môn học Trang Bị Điện-Tự Động

Hoá này thầy Nguyễn Duy Phương đã tận tình giảng dạy, truyền đạt thêm cho em

những kiến thức hay về môn học này Em xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tâm hướng dẫn trong suốt quá trình học tập Bước đầu đi vào thực tế, kiến thức của chúng em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy để kiến thức của em được hoàn thiện hơn

Em xin gửi đến thầy lời chúc tốt đẹp nhất trong cuộc sống Kính chúc quý thầy dồi

Em xin trân trọng cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2021

Sinh viên thực hiện Phan Đức Minh Luân

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 ii

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 2

1.1 Khái niệm và phân loại các kiểu dây chuyền phân loại sản phẩm 2

1.1.1 Khái niệm dây chuyền phân loại sản phẩm 2

1.1.2 Phân loại các kiểu dây chuyền phân loại sản phẩm 2

1.2 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao 3

1.2.1 Giới thiệu chung 3

1.2.2 Cấu tạo dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao 3

1.2.3 Các bộ phận trong dây chuyền 4

CHƯƠNG 2TỔNG QUAN VỀ PLC 9

2.1 Giới thiệu chung 9

2.1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành 9

2.1.2 Phân loại 9

2.1.3 Phạm vi ứng dụng 9

2.1.4 Ưu – Nhược điểm của PLC 10

2.2 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC 10

2.2.1 Cấu tạo cơ bản của PLC 10

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 12

2.2.3 Cấu trúc chương trình 13

2.3 Vai trò của PLC 13

2.3.1 Các thiết bị nhập xuất dùng trong PLC 13

2.3.2 Ưu điểm của PLC 14

2.3.3 Đặc điểm bộ điều khiển khả trình 15

2.3.4 Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC 16

2.3.5 Ứng dụng của PLC 18

CHƯƠNG 3TÌM HIỂU VỀ SCADA VÀ FACTORY IO 19

3.1 Tổng quan về SCADA 19

Mục lục

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 iii

3.1.1 Định nghĩa 19

3.1.2 Chức năng và vai trò 19

3.1.3 Các ứng dụng vào thực tế và so sánh lợi thế với hệ cũ 20

3.1.4 Kết cấu của một hệ SCADA 21

3.1.5 Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA 23

3.1.6 Xử lý dữ liệu 24

3.2 Tổng quan về Factory IO 24

3.2.1 Giới thiệu 24

3.2.2 Một số hình ảnh từ trang chủ Factory IO 25

3.2.3 Kết nối Factory IO với bộ điều khiển PLC 26

CHƯƠNG 4THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN FACTOY IO 28

4.1 Thiết kế phần mềm 28

4.2 Thiết kế giao diện SCADA 29

4.3 Thiết kế mô phỏng trên Factory IO 30

4.4 Code truyền thông giữa PLC và Factory IO 34

4.5 Chương trình điều khiển phân loại sản phẩm 36

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 iv

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình đơn giản của dây chuyền phân loại sản phẩm 3

Hình 1.2 Cấu tạo 1 động cơ bước 4

Hình 1.3 Các loại băng tải 5

Hình 1.4 Các loại con lăn 5

Hình 1.5 Các loại rơle 6

Hình 1.6 Rơle nhiệt 7

Hình 1.7 Cảm biến quang thu phát rời 7

Hình 1.8 Cảm biến quang thu phát chung 8

Hình 2.1 Các khối cơ bản của PLC 10

Hình 2.2 Các khối chức năng đặt biệt của PLC 11

Hình 2.3 Sơ đồ ghép nối hệ điều khiển PLC của Siemens 12

Hình 2.4 Quá trình hoạt động của 1 vòng quét 12

Hình 2.5 Các thiết bị kết nối với ngõ vào PLC, các thiết bị xuất 14

Hình 2.6 Các thiết bị kết nối ngõ ra PLC 14

Hình 2.7 Lưu đồ xây dựng chương trình của PLC 17

Hình 2.8 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp 18

Hình 3.1 Kết cấu hệ thống SCADA cơ bản 21

Hình 3.2 Kiến trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA 22

Hình 3.3 Thiết bị điều khiển RTU 23

Hình 3.4 Hơn 20 hoạt cảnh có sẵn trong phần mềm 25

Hình 3.5 Thư viện các bộ phận công nghiệp đa dạng 25

Hình 3.6 Digital & analog I/O 26

Hình 3.7 Kết nối PLC với Factory IO 26

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán xây dựng chương trình PLC 28

Hình 4.2 Giao diện SCADA thiết kế giám sát và thao tác 30

Hình 4.3 Giao diện mô phỏng thiết kế đề tài 30

Hình 4.4 Giai đoạn cấp phôi 31

Hình 4.5 Giai đoạn gia công sản phẩm 31

Danh mục hình vẽ

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 v

Hình 4.6 Giai đoạn phân loại sản phẩm 32

Hình 4.7 Giai đoạn phân loại màu sắc phôi 32

Hình 4.8 Giai đoạn lắp ráp sản phẩm vào thùng 32

Hình 4.9 Giai đoạn lắp ráp 33

Hình 4.10 Giai đoạn sắp xếp sản phẩm 33

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 1

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ số hóa, các dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong sản xuất Các doanh nghiệp sản xuất luôn tự cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc của mình để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất, giá cả cạnh tranh nhất Đó chính là cơ sở để nâng cao vị thế cạnh tranh, giúp doanh nghiệp đứng vững trên thị trường khốc liệt Sau khi nghiên cứu về vấn đề này chúng em

quyết định Xây dựng và mô phỏng một hệ thống gia công, lắp ráp và phân loại dựa

theo màu sắc, nhằm đáp ứng nhu cầu cùa khách hàng cũng như của doanh nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “ Thiết Kế Hệ Thống Gia Công, Lắp Ráp Và Phân Loại Theo Màu Sắc” là tìm hiểu rõ hơn về PLC, về SCADA cũng như là về nguyên lý phân loại sản phẩm theo màu sắc Làm quen với phần mềm Factory IO để mô phỏng đề tài này

3 Kết cấu báo cáo đề tài

Mở đầu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC

CHƯƠNG III: TÌM HIỂU VỀ SCADA VÀ FACTORY IO

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN FACTOY IO

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1.1 Khái niệm và phân loại các kiểu dây chuyền phân loại sản phẩm

1.1.1 Khái niệm dây chuyền phân loại sản phẩm

• Dây chuyền là một hình thức tổ chức sản xuất trong đó các bộ phận, thiết

bị được thực hiện kế tiếp nhau theo một trình tự đặt trước

• Dây chuyền phân loại sản phẩm là dây chuyền mà trong đó sản phẩm sẽ được phân ra theo từng loại riêng tùy theo yêu cầu (phân theo kích thước, khối lượng hay màu sắc…)

1.1.2 Phân loại các kiểu dây chuyền phân loại sản phẩm

Tùy theo yêu cầu sản xuất trong thực tế mà người ta phân ra các hình thức phân loại sản phẩm như sau:

• Phân loại theo kích thước (cao thấp, dài-ngắn)

• Phân loại theo khối lượng sản phẩm

• Phân loại theo màu sắc của sản phẩm

• Phân loại theo hình ảnh sản phẩm

• Phân loại theo mã vạch của sản phẩm

Trong bất cứ hình thức phân loại nào thì đều phải sử dụng PLC Sau đây ta sẽ tìm hiểu sơ qua về từng kiểu phân loại đó:

• Phân loại theo kích thước: kiểu phân loại này sử dụng các cảm biến quang hay hồng ngoại… để phát hiện và so sánh kích thước của sản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng chai, lọ…Ưu điểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí cho cảm biến là khá thấp, lắp đặt đơn giản

và dễ vận hành

• Phân loại theo khối lượng sản phẩm: kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu hay chưa…Cách hoạt động cũng giống như kiểu phân loại theo kích thước Và ta có thể thấy hình thức phân loại này ở các nhà máy sản xuất ximang, phân bón hay nói chung là các nhà máy sản xuất sản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khối lượng chính xác

• Phân loại theo màu sắc của sản phẩm: sử dụng các cảm biến màu ( mỗi cảm biến sẽ nhận biết 1 màu riêng biệt như: xanh, đỏ, vàng…) Cách thức hoạt động cũng giống như 2 hình thức phân loại trên.Ứng dụng của phân loại theo màu sắc chủ yếu trong công nghiệp vải lụa, sản xuất màu…

• Phân loại theo hình ảnh sản phẩm: điều khác biệt trong hình thức phân loại này đó là không sử dụng cảm biến mà người ta dùng camera để chụp ảnh của sản phẩm cần phân loại, sau đó đưa ảnh đó so sánh với ảnh gốc chuẩn xem sản

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 3

để phân loại gạch granit

• Phân loại theo mã vạch của sản phẩm: đây là kiểu phân loại khá hiện đại,

sử dụng tới máy đọc mã vạch.Nó chủ yếu được sử dụng với các sản phẩm là linh kiện máy…

1.2 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao

1.2.1 Giới thiệu chung

Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao là kiểu phân loại theo kích thước của sản phẩm, mà cụ thể ở đây là căn cứ theo chiều cao của sản phẩm mà phân ra các loại sản phẩm khác nhau ( loại sản phẩm cao, thấp hay trung bình…)

Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng nhiều trong việc phân loại các sản phẩm đóng chai, lọ… như: bia, rượu, nước đóng chai Và đây là công đoạn cuối trong dây chuyền sản xuất, có chức năng phân loại sản phẩm và đưa vào các thùng chứa tương ứng

1.2.2 Cấu tạo dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao

Hình 1.1 Mô hình đơn giản của dây chuyền phân loại sản phẩm

Có thể thấy cấu tạo cơ bản của dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao gồm những bộ phận chính sau:

1) Hệ thống giá đỡ hay bộ khung

2) Băng tải

3) Con lăn

4) Hệ thống động lực (gồm động cơ, role, cơ cấu bánh răng và dây đai truyền động…)

5) Hệ thống điều khiển (với nút ấn, bảng mạch, PLC…)

Ngoài ra còn có các bộ phận, thiết bị khác như: các cảm biến, hệ thống tay đẩy (hoặc cơ cấu kẹp sản phẩm…)

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm

1.2.3 Các bộ phận trong dây chuyền

• Động cơ kéo băng tải

Động cơ kéo băng tải là động cơ bước (Step motor), vì băng tải cần di chuyển với tốc độ chậm vừa phải, hơn nữa động cơ kéo đòi hỏi phải khỏe, lực kéo đều… Vì thế

mà động cơ bước là sự lựa chọn phù hợp nhất Tùy theo mức độ nặng, nhẹ của tải và băng chuyền mà lựa chọn công suất động cơ cho phù hợp

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với

đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các

vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động

cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hình 1.2 Cấu tạo 1 động cơ bước

Trong đó:

1) Motor

2) Bảng mạch

3) Dây màu đỏ nối với cực (+)

4) Dây tín hiệu (màu vàng hoặc trắng)

5) Dây nối đất ( màu đen)

6) Bộ điều chỉnh điện áp

7) Trục đầu ra hay cơ

8) Đĩa quay để gắn với bộ phận bên ngoài

9) Vỏ động cơ

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 5

10) Chip điều khiển

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

• Băng tải

Băng tải là bộ phận được lắp trên bộ khung của dây chuyền, được căng bởi các tang và tỳ lên con lăn phía 2 đầu Nó có nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm Do đặc điểm làm việc nên đòi hỏi băng tải cần phải căng , độ bám giữa băng tải và con lăn đủ lớn

để băng tải hoạt động ổn định với 1 tốc độ không đổi Hiện nay trên thị trường có khá nhiều loại băng tải khác nhau như: băng tải loại PVC, loại PU, Băng tải Inox hay băng tải chịu nhiệt cao

Hình 1.3 Các loại băng tải

• Con lăn

Con lăn là 1 bộ phận được gắn ở 2 đầu khung dây chuyền, đồng thời nó cũng là

bộ phận chịu lực tỳ của băng tải Nó có nhiệm vụ nhận lực kéo của động cơ thông qua

cơ cấu bánh răng và dây đai truyền động mà kéo cho băng tải chuyển động theo Băng tải có chuyển động đều hay không phụ thuộc rất nhiều vào con lăn Chính vì vậy mà con lăn cần phải hoạt động ổn định, đồng trục và có độ bám với băng tải đủ lớn để có thể kéo băng tải chuyển động

Hình 1.4 Các loại con lăn

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm

• Rơle

Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực

Hình 1.5 Các loại rơle

Sau đây ta đi tìm hiểu khái quát về Rơle nhiệt – loại rơle được sử dụng trong bài nghiên cứu này:

❖ Rơle nhiệt

Rơle nhiệt là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi

bị quá tải, thường dùng kèm với khởi động từ, công tắc tơ Dùng ở điện áp xoay chiều đến 500 V, tần số 50Hz, loại mới Iđm đến 150A điện áp một chiều tới 440V Rơle nhiệt không tác động tức thời theo trị dòng điện vì có quán tính nhiệt lớn phải cần thời gian để phát nóng Thời gian làm việc từ khoảng vài giây [s] đến vài phút, nên không dùng để bảo vệ ngắn mạch được Muốn bảo vệ ngắn mạch thường dùng kèm cầu chảy

Nguyên lý :

Dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện, ngày nay sử dụng phổ biến rơle nhiệt có phiến kim loại kép, nguyên lí làm việc dựa trên sự khác nhau về giãn nở dài của hai kim loại khi bị đốt nóng Phần tử cơ bản rơle nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ hai tấm kim loại, một tấm hệ số giãn nở bé (thường dùng invar có 36% Ni, 64% Fe) một tấm hệ số giãn nở lớn (thường là đồng thau hay thép crôm - niken, như đồng thau giãn nở gấp 20 lần invar) Hai phiến ghép lại với nhau thành một tấm bằng

phương pháp cán nóng hoặc hàn Khi đốt nóng do dòng I phiến kim loại kép uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, có thể dùng trực tiếp cho dòng điện qua hoặc dây điện trở bao quanh Để độ uốn cong lớn yêu cầu phiến kim loại phải có chiều dài lớn và mỏng Nếu cần lực đẩy mạnh thì chế tạo tấm phiến rộng, dày và ngắn

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 7

• Cảm biến quang

Cảm biến quang là cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc phát và thu tín hiệu ánh sáng

Có 2 dạng cảm biến quang:

+Cảm biến quang dạng thu và phát rời:

Là cảm biến gồm hai bộ phát và thu được tách rời ra riêng biệt Các thiết bị chuyển mạch quang điện vận hành theo kiểu truyền phát, vật thể cần phát hiện sẽ chắn chùm ánh sáng (thường là bức xạ hồng ngoại) không cho chúng chiếu tới thiết bị dò

Hình 1.7 Cảm biến quang thu phát rời

+Cảm biến quang dạng thu và phát chung: Là cảm biến gồm hai phần phát và thu được gộp chung thành một khối Các thiết bị chuyển mạch quang điện vận hành theo kiểu phản xạ, vật thể cần phát hiện sẽ phản chiếu chùm ánh sáng lên thiế bị dò

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm

Hình 1.8 Cảm biến quang thu phát chung

Trong cả hai loại trên, cực phát xạ thông thường là Diode phát quang (LED) Thiết bị dò bức xạ có thể là Transistor quang, thường là hai Transistor được gọi là cặp Darlington Cặp Darlington làm tăng độ nhạy của thiết bị Tuỳ theo mạch được sử dung đầu ra có thể được chế tạo để chuyển mạch đến mức thấp khi ánh sáng đến

E3Z-Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PLC 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành

Bộ điều khiển khả trình PLC (Progammable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện các thuật toán đó bằng các mạch số Do có chương trình điều khiển bên trong nên PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh

PLC được hình thành từ nhóm các kĩ sư hãng General Motor năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế 1 bộ điều khiển với các tính năng sau:

• Lập trình đơn giản, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

• Dễ dàng sửa chữa và thay thế

• Có độ ổn định cao trong môi trường công nghiệp

Sau đó, PLC ngày càng được hoàn thiện hơn và ngày nay trở thành 1 thiết bị điều khiển không thể thiếu trong hầu hết các nghành công nghiệp sản xuất nông nghiệp, thiết

bị y tế hay các nghành công nghệ khác…

2.1.2 Phân loại

PLC được phân loại theo 1 trong 2 cách sau:

• Phân loại theo hãng sản xuất: Siemen, Omron, Mitshubishi, Alenbratlay…

• Phân loại theo phiên bản: PLC của Siemen có các phiên bản S7-200, S7- 300, S7-400 hay S7-1200; PLC của Mitshubishi có các dòng FX, FX-0 hay FX-ON…

2.1.3 Phạm vi ứng dụng

PLC được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều nghành, nhiều lĩnh vực khác nhau như:

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

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

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

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

• Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây ) cân đong, đóng gói, hòa trộn

• Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng

Chương 2: Tổng quan về PLC

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

2.1.4 Ưu – Nhược điểm của PLC

• Ưu điểm:

- Công suất tiêu thụ nhỏ, tốc độ xử lý cao

• Nhược điểm:

2.2 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC

2.2.1 Cấu tạo cơ bản của PLC

Trong hệ thống điều khiển sử dụng PLC điển hình thì có 3 khối chính:

Hình 2.1 Các khối cơ bản của PLC

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 11

Trong đó, đầu vào là các công tắc, cảm biến, chuyển mạch… và đầu ra thường

là role, contactor hay đèn báo…

Quan trọng nhất là khối xử lý trung tâm CPU Nó điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: xử lý vào – ra và các truyền thông với bên ngoài… Bên cạnh đó,

bộ nhớ của PLC cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong cấu tạo của PLC Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau, tùy theo điều kiện và mục đích sử dụng mà ta lựa chọn cho phù hợp:

• Bộ nhớ ROM: đây là bộ nhớ không thay đổi được Bộ nhớ này chỉ nạp được 1 lần nên hiện nay nó ít được sử dụng hơn các loại khác

• Bộ nhớ RAM: đây là bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các

chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu Dữ liệu trên RAM sẽ mất khi mất điện, do vậy cần có Pin nuôi riêng

• Bộ nhớ EPROM: cũng giống như ROM , nguồn nuôi không cần Pin Tuy nhiên có thể xóa nội dung trong nó bằng cách chiếu tia cực tím và nạp lại bằng máy nạp

• Bộ nhớ EEPROM: kết hợp giữa bộ nhó kiểu RAM và EPROM, nó có thể nạp

và xóa bằng tín hiệu điện, tuy nhiên số lần xóa-nạp bị hạn chế

Trên thực tế, để đáp ứng tốt các bài toán điều khiển số thì PLC có thêm các khối chức năng đặc biệt như: Bộ đếm (Counter), Bộ định thời (Timer) hay các khối hàm chuyên dụng (so sánh, phép tính số học…)

Hình 2.2 Các khối chức năng đặt biệt của PLC

Chương 2: Tổng quan về PLC

Và để có thể hoạt động được, PLC cần sự trợ giúp của máy tính và 1 số phụ kiện khác Sơ đồ ghép nối như trong hình vẽ sau:

Hình 2.3 Sơ đồ ghép nối hệ điều khiển PLC của Siemens

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

PLC thực hiện các công việc của mình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp còn được gọi là 1 vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu abwngf việc chuyển dữ liệu từ đầu vào đến miền nhớ I, sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng của khối OB1 Sau khi thực hiện xong giai đoạn này, dữ liệu sẽ được chuyển từ miền nhớ Q ra các đầu ra số Vòng quét sẽ kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông ( nếu có ) và kiểm tra trạng thái của CPU

Hình 2.4 Quá trình hoạt động của 1 vòng quét

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 13

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện xong 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time) Thời gian vòng quét không cố định mà phụ thuộc vào số lệnh phải thực hiện trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó Như vậy, thời gian trễ để nhận tín hiệu, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển PLC Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao

2.2.3 Cấu trúc chương trình

Có thể lập trình cho PLC dưới 2 dạng khác nhau:

• Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình nằm trong 1 khối của bộ nhớ Loại này phù hợp với những bài toán nhỏ, đơn giản và khối được chọn luôn luôn là khối OB1

• Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia làm nhiều phần nhỏ và mỗi phần thực thi 1 nhiệm vụ riêng biệt Các phần nhỏ này nằm trong các khối riêng biệt trong PLC Hình thức lập trình này áp dụng khi bài toán phức tạp, yêu cầu đa chức năng

2.3 Vai trò của PLC

Trong một hệ thống tự động, nói chung PLC dược ví như là con tim của hệ thống điều khiển Với chương trình ứng dụng điều khiển ( được lưu trữ trong bộ nhớ PLC ) trong việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tín hiệu phản hồi của thiết bị đầu vào Sau đó sẽ dựa vào sự hợp lý của chương trình để xác định tiến trình hoạt động được thực hiện ở những thiết bị xuất cần thiết PLC có thể được sử dụng điều khiển những nhiệm vụ đơn giản có tính lặp đi lặp lại hoặc một vài nhiệm vụ có thể được liên kết cùng nhau với thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác qua một loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển của một quá trình phức tạp

2.3.1 Các thiết bị nhập xuất dùng trong PLC

… Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các modul nhập

Chương 2: Tổng quan về PLC

Hình 2.5 Các thiết bị kết nối với ngõ vào PLC, các thiết bị xuất

Trong một hệ thống tự động hóa, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị

tê liệt hòan toàn Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ, cuộn dây nam châm, relay, chuông báo,…

Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hóa và vì thế nó ảnh hưởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống Tuy nhiên, các thiết bị xuất khác như đèn pilot, còi và các báo động chỉ cho biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào, các thiết bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC

Hình 2.6 Các thiết bị kết nối ngõ ra PLC

2.3.2 Ưu điểm của PLC

Như đã đề cập ở phần lịch sử hình thành PLC, đó là sự bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, đặc biệt vào những năm 1960 & 1970, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rờ-le cơ điện Những rờ-le này được lắp đặt cố định bên trong bảng điều khiển Trong một vài trường hợp, bảng điều khiển là quá rộng chiếm không gian

Mọi kết nối ở ngõ rờ-le phải được thực hiện đi dây điện thường không hoàn hảo,

nó phải mất nhiều thời gian vì những rắc rối hệ thống và đây là vấn đề rất tốn thời gian đối với nhà sử dụng Hơn nữa, các rờ-le bị hạn chế về tiếp điểm Nếu khi có yêu cầu hiệu chỉnh hay cải tiến thì máy móc phải ngừng hoạt động, không gian lắp đặt bị giới hạn và nối dây phải được làm dấu để phù hợp những thay đổi Bảng điều khiển chỉ có thể được sử dụng cho quá trình riêng biệt nào đó không đòi hỏi thay đổi

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 15

ngay thành hệ thống mới Trong quá trình bảo trì, các kỹ thuật viên điện phải được huấn luyện tốt và giỏi trong công việc giải quyết những sự cố của hệ thống điều khiển Nói tóm lại, bảng điều khiển rờ-le cổ điển là rất kém linh hoạt và không thể thay thế được

Những bất lợi của bảng điều khiển cổ điển

• Công suất tiêu thụ lớn

Bảng điều khiển khả trình và những thuận lợi của nó

Với sự xuất hiện của bộ điều khiển khả lập trình, những quan điểm và thiết kế điều khiển tiến bộ to lớn Có nhiều lợi ích trong việc sử dụng bộ điều khiển lập trình Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp

Lợi ích khi sử dụng hệ thống khả lập trình:

3 Chứ năng tự chuẩn đoán của PLC cho phép sửa chữa dễ dàng và nhanh chóng nhờ tính năng giám sát giữa người và máy (HMI)

càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống

phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console

lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó

thiết bị điều khiển, giám sát và truyền thông tạo ra một mạng sản xuất toàn cầu: giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA)

2.3.3 Đặc điểm bộ điều khiển khả trình

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình, hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động

Chương 2: Tổng quan về PLC

Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình ( PLC- Programmable Logic Controller ) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng ro-le và thiết bị cồng kềnh và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình các lệnh logic cơ bản

Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm,v.v , làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở đầu vào được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình kích tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng

Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở đầu ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở đầu vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơle trung gian

Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điếu khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng còn có

ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thống ”, và chúng có các

đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

2.3.4 Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

Để thiết kế 1 chương trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bước:

Tất cả các thiết bị xuất, nhập bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển

lập trình

Thiết bị nhập là những contact, cảm biến Thiết bị xuất là những cuộn dây,

valve điện từ, motor, bộ hiển thị

Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất nhập cần thiết, ta định vị các thiết bị vào ra tương ứng cho từng ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 17

Khi viết chương trình theo sơ đồ hình bậc thang (ladder ) phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệ thống

Bây giờ chúng ta có thể cung cấp nguồn cho bộ điều khiển có lập trình thông qua cổng I/O Sau đó nạp chương trình vào bộ nhớ thông qua bộ console lập trình hay máy tính có chứa phần mềm lập trình hình thang Sau khi nạp xong, kiểm tra lại bằng hàm chuẩn đoán Nếu được hãy mô phỏng toàn bộ hoạt động của hệ thống để chắc chắn rằng chương trình đã hoạt động tốt

Trước khi nhấn nút Start, phải chắc chắn rằng các dây dẫn nối các ngõ vào, ra đến các thiết bị nhập, xuất đã được nối đúng theo chỉ định Lúc đó PLC mới bắt đầu hoạt động thực sự

Trong khi chạy chương trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ Console sẽ báo lỗi,

ta phải sửa lại cho đến khi chương trình hoạt động an toàn Sau đây là lưu đồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển:

Hình 2.7 Lưu đồ xây dựng chương trình của PLC

Hình 2.8 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 19

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ SCADA VÀ FACTORY IO 3.1 Tổng quan về SCADA

3.1.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết

kế để thực hiện các chức năng sau:

• Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

• Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

vụ sau:

• Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuấtvà

tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sửsản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động )

• Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thậpđược

liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, vềthao tác hệ)

theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điềukhiển cho một đối tượng công nghiệp Và ta nhận thấy rằng

xu thế tự độnghoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADAlà một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất Vaitrò của nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từđó có thể đưa ra các quyết định đúng đắng về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàngtrong công tác điều khiển và ra quyết định Việc làm này sẽ giảm đáng kể việcchi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành điều này góp phần đáng kể trong việcgiảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh

Chương 3: Tìm hiểu về SCADA và FACTORY IO

3.1.3 Các ứng dụng vào thực tế và so sánh lợi thế với hệ cũ

Các hệ thống SCADA được dùng cho hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máynước sạch, trạm xử lý nước sạch, hàng hải

Hệ thống SCADA của ngành điện Việt nam hiện nay được chia thành ba cấp:cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam và cấp tỉnh Khi hệ thống trở thành phức tạphơn, có thể

sẽ có cấp huyện Trung tâm điều độ quốc gia theo dõi và điều khiển các nhà máy phát điện, các đường dây/trạm 500kV và các đườngdây/trạm 220kV lớn Ba trung tâm điều

độ miền theo dõi và điều khiển cácđường dây/trạm 220kV và các đường dây/trạm 110kV lớn trong khu vực mình

Các trung tâm điều độ cấp tỉnh theo dõi và điều khiển hệ thống phânphối điện trong khu vực của mình.Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngàycàng đi theo xu thế này.Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau:

• Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều

• Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn Do đó chúng rấtcồngkềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việclắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng Tuy nhiên công việcnày sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC

• Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cận với công nghệ PLC hơn và do đó khảnăngthiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn

• Mua thiết bị dễ dàng hơn

• Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị

• Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê,phân tích hệ thống rất dễ dàng

• Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trongtương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càngphát triển mạnh

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 21

Hình 3.1 Kết cấu hệ thống SCADA cơ bản

3.1.4 Kết cấu của một hệ SCADA

Nói một cách đơn giản, hệ thống SCADA có ba phần: Các PC ở phòng điềukhiển trung tâm, các RTU(remote terminal unit) hay PLC(programable logiccontroller) ở các trạm xa và thiết bị thông tin để kết nối hai phần trên với nhau

Kết cấu phần mềm của phần PC ở phòng điều khiển trung tâm được thể hiện trong bảng Hình 3.1 Chúng ta sẽ thấy các chức năng của các PC của hệ thống SCADA tương tự như phần HMI của hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từphòng điều khiển trung tâm, thu thập dữ liệu, quản lý các số liệu, quản lý báođộng, báo cáo.Các hệ thống SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX Các hệthống mới hơn chạy trên nền của Windows, Linux

Chương 3: Tìm hiểu về SCADA và FACTORY IO

Hình 3.2 Kiến trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA

❖ SCADA server:

SCADA Sever chính là máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server đó có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển.Vì vậy trên các máy Server thường được dùng để cài đặt các phần mềm phát triển (development), thiết lập cấu hình truyền thông để kết nối với thiết bị hiện trường

❖ SCADA Client:

SCADA Client gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server bằng mạng Ethernet Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy (Human Machine Interface) kết nối với dữ liệu của máy Server để hiển thị hoặc điều khiển Tức là các máy Client này sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ

controller gián tiếp thông qua máy Server Mối quan hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiếtlập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp được sử dụng trong

hệ SCADA

Phan Đức Minh Luân – Tự Động Hoá K58 23

❖ PLC – RTU:

Hình 3.3 Thiết bị điều khiển RTU

RTU được định nghĩa là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu và báo động, báo cáo về SCADA Server, và thi hành các lệnh của SCADA Server Theo truyền thống, hệ thống SCADA thường sử dụng các thiết bị RTU Nhưng ngày nay, với sự phát triển của PLC, các nhà tích hợp hệ thống thích dùng PLC thay vì RTU cho việc thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA

Các RTU và các PLC được nối với các I/O tại các trạm Các đầu vào, qua RTU hay PLC cho các thiết bị SCADA ở phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái của hệ thống tại hiện trường Thiết bị SCADA có thể điều khiển bằng cách thao tác đầu ra, cũng như qua các RTU hay PLC

Như vậy, RTU và PLC là thiết bị được trực tiếp nối với I/O và trung tâm điều khiển tín hiệu

3.1.5 Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA

❖ Phần cứng:

Tuỳ thuộc vào từng hãng chế tạo, các hệ SCADA sẽ mang một số đặc điểm khác nhau, tuy nhiên nói chung phần cứng của hệ SCADA sẽ gồm những phần sau:

diện đồ hoạ được thiết kế sẵn

- Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Controller)

điều khiển

❖ Phần mềm: