đồ án môn hệ thu thập trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ỨNG DỤNG PLC GIÁM SÁT MỨC NƯỚC

đồ án môn hệ thu thập của trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI (HAUI) ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG PLC S7 1200 CPU 1214 DCDCDC GIÁM SÁT MỨC NƯỚC BẰNG WINCC, tìm hiểu về PLC và lựa chọn các thiết bị liện quan đến đề tài, lập trình và kết nối vói wincc , giám sát mức nước

1.1.2.1 Cấu trúc chung của PLC 26

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC 28

1.1.4 Ưu nhược điểm của PLC 28

2.1.3.1 Khái quát chung 32

2.1.3.2 Động cơ bơm sử dụng trong mô hình 32

2.1.4 Lựa chọn PLC 33

2.1.4.1 Tổng quan về S7 – 1200 33

2.1.4.2 Lựa chọn PLC 34

2.2 Xây dựng giao diện HMI 34

2.3 Thực hiện bài toán điều khiển: 37

2.3.1 Sơ đồ khối: 37

2.3.2 Lưu đồ thuật toán 38

2.3.3 Sơ đồ đấu dây 39

2.3.4 Xây dựng chương trình 40

2.3.4.1 Chương trình chính 40

2.3.4.2 Chương trình con đọc cảm biến (SENSOR) 41

2.3.4.3 Trương trình con chế độ AUTO 42

2.3.4.4 Trương trình con chế độ MANUAL 44

2.3.4.5 Chương trình con đầu ra OUTPUT 46

2.3.5 Bảng địa chỉ 48

2.4 Thực nghiệm: 49

2.4.1 Chế độ chạy MANUAL 49

2.4.2 Điều khiển chế độ AUTO 51

2.5 Trình bày về vai trò của các thiết bị và giao thức truyền thông giữa chúng theo mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống mạng công ty 55

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 58

3.1 Các nội dung đã đạt được trong đề tài 58

3.2 Các hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 58

3.2.1 Hạn chế 58

3.2.2 Cách khắc phục 58

danh mục bảng biể

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật bơm 32

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu trúc PLC 26

Hình 2.1: Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS600-M1-N 31

Hình 2.2: Một số nguồn một chiều phổ biến 32

Hình 2.3: Động cơ KĐB 3 pha trong mô hình 33

Hình 2.4: PLC 1214C DC/DC/DC 34

Hình 2.5: WINCC kết nối với S7-1200 36

Hình 2.6: Sơ đồ khối 37

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Lý thuyết cơ bản về PLC

1.1.1 Điều khiển lập trình là gì?

PLC là viết tắt của Progammable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.

1.1.2 Cấu trúc của PLC

1.1.2.1 Cấu trúc chung của PLC

Hệ thống PLC thường có 5 bộ phận cơ bản : Thiết bị lập trình, bộ vi xử lý, bộ nhớ, giao diện nhập/xuất (I/O), nguồn cung cấp [ CITATION HàB12 \l 1033 ]

Hình 1.1: Cấu trúc PLCBộ xử lý:

Bộ vi xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm(CPU), thực hiện chức năng biên dịch các tín hiệu nhập, và thực hiện chức năng điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các tín hiệu dưới dạng tín hiệu đến các thiết bị nhập xuất.

Nguồn cung cấp:

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC(5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất.

Bộ nhớ:

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý.

Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:

- Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng.

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng.

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, - Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Là các

ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM

Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó

chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O).

Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 2048 bit nếu sử dụng các từ 8 bit, và 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit.[ CITATION HàB12 \l 1033 ]

Thiết bị lập trình:

Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC.

Các thành phần nhập/xuất:

Là nơi bộ vi xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc, nút ấn hoặc từ các bộ cảm biến… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây.

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn dọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vùng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc, sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng đầu ra.

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số, việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với các thiết bị ngoại vi trong giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng vào tới đầu vào I và giai đoạn chuyển dữ liệu từ đầu ra Q tới cổng ra do CPU quản lý Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ

thống sẽ cho dừng mọi công viêc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra.

Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ thời điểm nào trong vòng quét.

1.1.4 Ưu nhược điểm của PLC1.1.4.1 Ưu điểm

Thiết bị điều khiển lập trình PLC có một số ưu điểm:

- Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: Muốn thay đổi chương trình điều khiển thì cần lập trình lại, người lập trình cần trang bị kiến thức lập trình để khắc phục và sửa chữa được chương trình.

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

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ PLC dễ hiểu, dễ đọc - Gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và lắp đặt

- Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp và xóa chương trình từ đơn giản đến phức tạp

- Độ chính xác cao, khả năng xử lý nhanh

- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác như máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển khác.

1.1.4.2 Nhược điểm

- Do chưa được tiêu chuẩn hoá nên có nhiều công ty sản xuất PLC sử dụng nhiều loại ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá.

- Trong các mạch điều khiển quy mô nhỏ thì giá PLC đắt hơn việc sử dụng rơle để điều khiển.

1.1.5 Vai trò và chức của PLC trong đời sống

- Điều khiển và giám sát

HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc thì đó là một HMI Cảm ứng trên lò viba là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI,…

Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn thuần.

Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra Một số có một HMI thô sơ: một hiển thị ASCII đơn hoặc hai dòng ASCII với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ Có rất ít các thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có độ phân giải cao cho quá trình lập trình

Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị dạng cảm ứng Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình thiết kế

Một ưu điểm khác nữa của HMI hiện đại là hiển thị dạng tinh thể lỏng Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT , và do đó có thể Được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn.

Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng

Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy.

CHƯƠNG 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ2.1 Phân tích công nghệ:

2.1.1 Lựa chọn cảm biến đo mức:

Chọn cảm biến siêu âm E4PA-LS600-M1-N của hãng Omron

Hình 2.2: Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS600-M1-N

Các thông số cơ bản của cảm biến siêu âm E4PA-LS600-M1-N:

- Đèn báo chỉ thị trạng thái ngõ ra màu xanh.

- Nhiệt độ hoạt động -10~55°C, đạt độ kín IEC IP65.

- Lắp đặt dơn giản, dễ dàng bảo trì, thiết kế với tuổi thọ cao.

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi 1 xung tín hiệu và đo thời gian nhận được tín hiệu trở vể Sau khi đo được tín hiệu trở về trên cảm biến siêu âm, ta tính được thời gian từ lúc phát đến lúc nhận được tín hiệu Từ thời gian này có thể tính ra được Nếu đo được chính xác thời gian và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu âm trả về kết quả cực kì chính xác Điều này phụ thuộc vào cách viết chương trình không sử dụng các hàm delay.

Lưu ý: sóng siêu âm chỉ bị dội lại khi gặp 1 số loại vật cản, nếu phát sóng siêu âm vào chăn, nệm bạn sẽ không nhận được sóng phản hồi.

2.1.2 Bộ nguồn 1 chiều2.1.2.1 Khái quát chung

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các mạch và thiết bị điện tử hoạt động, năng lượng một chiều của nó được lấy từ nguồn xoay chiều thông qua quá trình biến đổi.

Trên thực tế có nhiều loại nguồn 1 chiều khác nhau, các cấp điện áp khác nhau như: 2,5V, 5V, 12V, 24V,…Ngoài ra các nguồn có một cấp điện áp duy nhất còn có nguồn lại có nhiều ngõ ra tương ứng với nhiều cấp điện áp.

Hình 2.3: Một số nguồn một chiều phổ biến

2.1.3 Động cơ bơm.

2.1.3.1 Khái quát chung

Nguyên lý làm việc của động cơ bơm dựa trên chuyển động quay của động cơ điện, động cơ bơm sử dụng chuyển động quay đó để hút chất lỏng từ đầu vào và đẩy chất lỏng đến đầu ra nhờ áp suất từ chuyển động quay của động cơ điện Ngoài động cơ bơm chất lỏng một chiều còn có loại động cơ bơm 2 chiều.

2.1.3.2 Động cơ bơm sử dụng trong mô hình

Mô hình sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha có thông số kỹ thuật cơ bản như sau:

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật bơm

Tần số 50 Hz

Điện áp 220VAC (Đấu tam giác)

380VAC (Đấu sao)

Cường độ dòng điện 3,5A (Đấu tam giác)

2,0A (Đấu sao)

- 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 mô-đun 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 24 VDC

2.1.4.2 Lựa chọn PLC

Chọn PLC 1214C DC/DC/DC

Hình 2.5: PLC 1214C DC/DC/DC

- CPU 1214C có 3 versions với điện áp nguồn và điện áp điều khiển khác nhau

- Tích hợp nguồn 24 VDC cho encoder hoặc cảm biến Nguồn dòng 300 mA sử dụng cho các loại tải khác.

- Tích hợp 14 ngõ DI 24 VDC, 10 ngõ DO, 2 ngõ AI 0…10V - 2 nguồn xung với tần số lên đến 100kHz

- Tích hợp giao tiếp Ethernet (TCP/IP native, ISO-on-TCP) - 6 counter với 3 counter 100 kHz và 3 counter 30 kHz - Board tín hiệu mở rộng tương tự hoặc số được cắm trên

- Tích hợp điều khiển PID, và đồng hồ thời gian thực

2.2 Xây dựng giao diện HMI

PLC S7-1200 có một cổng PROFINET được tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và giao thức TCP/IP để kết nối với WINCC[CITATION Tốn13 \l 1066 ].

Hình 2.6: WINCC kết nối với S7-1200

2.3 Thực hiện bài toán điều khiển:2.3.1 Sơ đồ khối:

Hình 2.7: Sơ đồ khối

Khối cảm biến: Gồm có cảm biến siêu âm, lấy thông tin mức chất lỏng đưa về PLC.

Khối PLC: là khối đọc tín hiệu tương tự (tín hiệu đã được chuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình đã có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC 1214C DC/DC/DC)

Khối máy tính: là khâu giám sát, là môi trường trao đổi dữ liệu giữa người vận hành và khâu xử lý trung tâm (ở đây ta sử dụng phần mềm WinCC dùng để giám sát).

Khối động cơ gồm động cơ trộn và van.

2.3.2 Lưu đồ thuật toánThuật toán chương trình chính:

Thuật toán chương trình con SENSOR:

2.3.3 Sơ đồ đấu dây

2.3.4 Xây dựng chương trình2.3.4.1 Chương trình chính

2.3.4.2 Chương trình con đọc cảm biến (SENSOR)

2.3.4.3 Trương trình con chế độ AUTO

2.3.4.4 Trương trình con chế độ MANUAL

2.3.4.5 Chương trình con đầu ra OUTPUT

2.3.5 Bảng địa chỉ

2.4 Thực nghiệm:

2.4.1 Chế độ chạy MANUAL

Màn hình khi khởi động win CC, ta nhấn nút START hệ thống bắt đầu hoạt động, lúc này trong bể silo chưa có chất Cảm biến S1, S2 báo cạn Sau đó ta ấn nút MANUAL thì đèn màu xanh báo hệ thống đang vận hành ở chế độ Manual.

Khi đó ta ấn nút V1 hoặc V2 thì van 1 hoặc van 2 sẽ mở cho phép chất đưa vào silo 1 và silo 2.

Ta tiếp tục ấn các nút V3, V4, BT1, BT2 để tiến hành mở van xả van 3 và van 4 các silo , và cho phép băng tải 1 và 2 hoạt động vận chuyển chất đến silo 3.

Cuối cùng ta ấn MIXER để bật động cơ khuấy và V5 để xả silo 3.

2.4.2 Điều khiển chế độ AUTO

Khi ta ấn nút AUTO thì đèn màu đỏ báo hệ thống đang vận hành ở chế độ AUTO, lúc này trong silo 1 và 2 chưa có chất Cảm biến S1, S2 báo cạn (giá trị cảm biến đọc về là 0) nên van 1 và van 2 mở để cho phép chất vào silo 1 và 2.

Sau 1 khoảng thời gian mực chất lỏng trong silo 1 và 2 tăng dần nên , cảm biến S1 và S2 trả về giá trị cũng tăng dần , nhưng van 1 và 2 vẫn tiếp tục mở.

Mực chất lỏng tiếp tục tăng cho đến khi cảm biến S1 và S2 báo đầy ( Ở đây ta cài đặt mức báo đầy là 5000mm) và giá trị cảm biến đọc là 27648, thì van1 và van 2 đóng lại ngăn chất lỏng tiếp tục chảy vào silo , đồng thời tác động băng tải 1 và 2 hoạt động.

Sau khi băng tải 1 và 2 hoạt động được 3 giây để đẩy chất dư thừa trên băng tải thì van 3 và van 4 mở để xả chất lỏng trong silo 1 và 2 xuống băng tải.

Lúc này mực chất lỏng trong silo 1 và 2 bắt đầu giảm , giá trị cảm biến đọc cũng giảm nhưng V3 và V4 , băng tải 1 và băng tải 2 vẫn tiếp tục hoạt động.

Cho đến khi mực chất lỏng trong silo 1 và 2 được xả hết thì cảm biến s1 và s2 báo cạn và đóng V3, V4 và dừng băng tải 1 và băng tải 2, đồng thời động cơ trộn mixer hoạt động.

Ở đây ta cài đặt động cơ trộn hoạt động 5s , sau khi động cơ trộn hoạt động được 5s thì động cơ trộn dừng và đồng thời mở van 5 để xả hỗn hợp đã trộn và kết thúc chu kì, nếu muốn lặp lại chu kì ta tiếp tục ấn nút AUTO.

2.5 Trình bày về vai trò của các thiết bị và giao thứctruyền thông giữa chúng theo mô hình phân cấp chứcnăng trong hệ thống mạng công ty

* Vai trò của các thiết bị trong hệ thống:

- PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC thực hiện xử lý tín hiệu đầu vào từ nhiều nguồn như cảm biến và nút nhấn, sau đó gửi tín hiệu đến các van để kiểm soát quá trình đóng/mở nhiên liệu

- Cảm biến có nhiệm vụ cảm nhận mức chất nhiên liệu trong bồn chứa và truyền thông tin đo được về PLC

- Nút nhấn nhận tín hiệu từ người vận hành và chuyển gửi thông tin đó về PLC

- HMI được trang bị màn hình cảm ứng, cho phép người vận hành tương tác bằng cách chạm vào màn hình để điều khiển các thao tác Ngoài ra, màn hình HMI hiển thị các tín hiệu hoạt động của máy móc và thiết bị

- Băng tải được sử dụng để chuyển động nhiên liệu đến thùng chứa

- Thùng chứa chứa lượng nhiên liệu sau khi đã được phối trộn.