THIẾT kế mô HÌNH hệ THỐNG điều KHIỂN và GIÁM sát mức CHẤT LỎNG TRONG bể CHỨA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPĐẠI HỌC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPĐẠI HỌC

Tên đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trongbể chứa.

Sinh viên thực hiện: Dương Văn ĐứcTrần Thanh ViệnMã SV: 1711505510101

1711505510127Lớp: 17TDH1

Trong thời đại công nghệ 4.0 ngày càng phát triển, với chủ trương công nghiệphoá, hiện đại hoá đất nước, ngành Kĩ thuật Điều khiển và Tự động hoá là ngành khoahọc phát triển cực kì mạnh mẽ ở hầu như các mọi lĩnh vực trong đời sống sản xuất vàsinh hoạt Tự động hoá giúp cho con người chúng ta đỡ vất vả và tiết kiệm được nguồnnhân lực cũng như chi phí sản xuất và năng suất, hiệu quả được cải thiện rõ.

Bài toán điều khiển mức là một vấn đề cần giải quyết trong các lĩnh vực về dầumỏ, hoá chất, công nghiệp thực phẩm,… khi thực hiện pha trộn cần độ chính sát Khicác thiết bị ngày càng hiện đại và tối ưu cần đòi hỏi được độ chính sát và tin cậy càngcao Một số sai sót sẽ ảnh hưởng đến sản phẩm và chất lượng đầu ra

Hiện nay, PLC là thiết bị được ứng dụng và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam cũngnhư trên thế giới PLC S7 – 1200 có thêm chức năng truyền thông và giám sát quamạng nên việc kết nối và mở rộng chức năng giám sát từ xa dễ dàng hơn so với cácđời cũ như PLC S7 – 200, PLC S7 – 300,… Do các tính năng vượt trội và thuận lợicủa PLC S7 – 1200 nên chúng em sẽ chọn đề tài “Thiết kế mô hình hệ thống điềukhiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa”.

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phan Thị Thanh Vân

Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Mã SV: 1711505510101 Trần Thanh Viện Mã SV: 1711505510127

3 Nội dung chính của đồ án:

Chương 1: Tổng quan về bài toán điều khiển mức.

Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200 và phần mềm lập trình TIA Portal.Chương 3: Giới thiệu về phần mềm WinCC.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa.

4 Các sản phẩm dự kiến

5 Ngày giao đồ án: 22/01/2021 6 Ngày nộp đồ án: 03/05/2021

Đà Nẵng, ngày 22 tháng 01 năm 2021

ThS Phan Thị Thanh Vân

Lời nói đầu tiên cho chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầycô trong khoa Điện, đặc biệt quý thầy cô bộ môn Tự động hóa đã giảng dạy và truyềnđạt những kiến thức chuyên ngành cho chúng em để thực hiện đề tài trong thời gianhọc tập vừa qua.

Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người đã hướng dẫn chúngem, cô ThS Phan Thị Thanh Vân đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình chúng em từ nhữngvấn đề cơ bản, đưa ra những giải pháp kĩ thuật và cách giải quyết các vấn đề nảy sinhkhi làm thực nghiệm giúp cho chúng em dễ dàng tiếp thu kiến thức để thực hiện đề tàimột cách hiệu quả nhất Cô đã cho chúng em những lời khuyên hữu ích, không nhữngáp dụng trong quá trình làm đề tài mà còn áp dụng trong thực tế Cảm ơn cô đã tạo chochúng em những điều kiện thuận lợi để chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài đúngthời gian

Mặc dù chúng em đã cố gắng, nỗ lực thực hiện nhưng do kiến thức cũng như khảnăng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránhkhỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được những góp ý, chỉ dẫn từ quý thầy cô vàcác bạn sinh viên.

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm chúng em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của nhóm Các kếtquả và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép bất kì từ nguồn khácvà các hình thức khác Việc chúng em tham khảo từ các nguồn tài liệu, tư liệu đã đượcthực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu, tư liệu tham khảo đúng quy định.

Sinh viên thực hiện

Dương Văn Đức Trần Thanh Viện

Chương 1: Tổng quan về bài toán điều khiển mức 2

1.1 Giới thiệu bài toán điều khiển mức 2

1.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng 2

1.3 Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng 2

1.3.1 Cảm biến tiệm cận điện dung 3

1.3.2 Cảm biến siêu âm 5

1.3.3 Cảm biến mức phao điện từ 7

1.3.4 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất 9

1.4 Vai trò của bài toán điều khiển mức chất lỏng trong thực tế 10

Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200 12

2.1 Tổng quan về PLC 12

2.1.1 Định nghĩa PLC 12

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC 12

2.1.3 Module vào/ra của PLC được phân loại 12

Chương 3: Giới thiệu về phần mềm TIA Portal 27

3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal 27

3.1.1 Các bước thiết kế một chương trình 27

3.1.2 Giao diện chính phần mềm SIMATIC TIA Portal 27

3.1.3 Tạo một Project mới và giao diện soạn thảo chương trình chính 28

3.1.4 Các thanh công cụ thường dùng 29

3.1.5 Các phần tử tập lệnh thường dùng 29

3.1.6 Nạp chương trình cho PLC 30

3.1.7 Giao tiếp giữa máy tính và PLC 31

3.2 Giới thiệu về WinCC 32

3.2.1 Các chức năng WinCC 32

3.2.2 Giao diện làm việc WinCC 33

3.2.3 Kết nối WinCC 34

3.3 Thiết lập dự án WinCC cơ bản 34

3.3.1 Tạo project cho dự án 34

3.3.2 Thêm thiết bị cho Project 35

3.3.3 Kết nối giữa PLC và PC systems 37

3.3.5 HMI Tag 39

3.3.6 Hiệu chỉnh giao diện và các đối tượng trong giao diện 41

3.4 Hiển thị các giá trị của quá trình 42

3.5 Cấu hình thông báo 43

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa 44

4.1 Yêu cầu công nghệ của hệ thống 44

4.2 Sơ đồ khối của hệ thống 45

4.3 Lựa chọn thiết bị trong hệ thống 45

4.3.1 Khối nguồn 45

4.3.2 Khối đầu vào 46

4.3.3 Khối điều khiển 50

4.3.4 Khối cách li 50

4.3.5 Khối chấp hành 51

4.4 Sơ đồ tổng quan toàn hệ thống 53

4.5 Sơ đồ nối dây điều khiển của PLC 54

4.6 Sơ đồ đấu dây của tủ điện 56

4.7 Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7 – 1200 57

4.8 Xây dựng giao diện điều khiển trên WinCC 64

4.8.1 Các đối tượng đồ họa trong project 64

4.8.2 Giao diện tổng quan màn hình WinCC 67

Bảng 2.1 Các đặc điểm cơ bản của S7-1200 19

Bảng 2.2 Thông số các Module 23

Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào đầu ra 54

Hình 1.1 Cảm biến điện dung đo on/off 3

Hình 1.2 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏng 4

Hình 1.3 Cảm biến siêu âm đo mức 6

Hình 1.4 Vùng mù của cảm biến siêu âm 7

Hình 1.5 Cảm biến dạng phao đo on/off 8

Hình 1.6 Cảm biến dạng phao tuyến tính 8

Hình 1.7 Đo mức nước bằng cảm biến áp suất 10

Hình 2.1 Sơ đồ các loại mạch điện đầu ra PLC 13

Hình 2.2 Cấu trúc bộ nhớ PLC 14

Hình 2.3 Vòng quét CPU PLC 14

Hình 2.4 Ngôn ngữ lập trình Ladder Logic (LAD) 15

Hình 2.5 Ngôn ngữ lập trình Statement List (STL) 15

Hình 2.6 Ngôn ngữ lập trình Function Block (FBD) 16

Hình 2.7 Tổ chức chương trình PLC 16

Hình 2.8 PLC S7-1200 18

Hình 2.9 Hình dạng bên ngoài của PLC 21

Hình 2.10 Cấu trúc bên trong PLC 22

Hình 2.11 Các module mở rộng 23

Hình 3.2 Vùng soạn thảo chương trình 28

Hình 3.3 Nạp chương trình cho PLC 31

Hình 3.4 Kết nối máy tính và PLC 31

Hình 3.5 Giao diện WinCC 33

Hình 3.6 Màn hình khi kết nối WinCC và PLC 34

Hình 3.7 Tạo mới một Project 35

Hình 3.8 Thêm thiết bị PLC cho Project 35

Hình 3.9 Tạo WinCC cho Project 36

Hình 3.10 Thêm module truyền thông 36

Hình 3.11 Kết nối PLC và PC systems 37

Hình 3.12 Kết nối Profibus 37

Hình 3.13 Giao diện của WinCC 38

Hình 3.14 Hiệu chỉnh giao diện và các đối tượng 41

Hình 4.1 Các nguồn điện sử dụng 46

Hình 4.2 Cảm biến siêu âm HC-SR04 và Arduino Nano 46

Hình 4.3 Cảm biến mức nước dạng phao loại On/Off 48

Hình 4.9 Relay trung gian 51

Hình 4.10 Động cơ bơm nước 51

Hình 4.11 Van điện từ 52

Hình 4.12 Sơ đồ tổng quan hệ thống 53

Hình 4.13 Hình vẽ thiết kế tủ điện 55

Hình 4.15 Các đèn báo trong WinCC 64

Hình 4.16 Các nút điều khiển trong WinCC 65

Hình 4.17 Giao diện hoàn chỉnh của mô hình trong WinCC 67

Hình 4.18 Mô hình thực tế 69

MỞ ĐẦU

Để giải quyết vấn đề điều khiển mức, nhóm chúng em sẽ nghiên cứu, tìm hiểu vàxây dựng mô hình điều khiển và giám sát mức chất lỏng Cụ thể nhóm chúng em tìmhiểu các linh kiện, phụ kiện, thiết bị cần để xây dựng được đồ án như: thiết bị điềukhiển PLC, ở đây chúng em sử dụng PLC S7 – 1200; thiết bị chấp hành gồm có van,động cơ; ngoài ra còn có nút nhấn để điều khiển, đèn báo… Chúng em tìm hiểu phầnmềm lập trình TIA PORTAL để lập trình cho PLC S7 – 1200 Nghiên cứu việc sửdụng phần mềm WinCC trong điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong mô hìnhtrên giao diện WinCC Cuối cùng, chúng em được củng cố và vận dụng được nhữngkiến thức đã học tập để áp dụng vào mô hình thực tế, được học hỏi thêm nhiều điềumới và có ích trong đồ án này.

Chương 1: Tổng quan về bài toán điều khiển mức

1.1 Giới thiệu bài toán điều khiển mức

Tự động hoá là ngành công nghệ mà lao động con người trong thời đại hiện nayđang hướng tới nhằm giảm bớt sức chân tay trong các hoạt động sản xuất của côngnghiệp và cũng là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệpsản xuất Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lí thuyết điều khiển tối ưu, côngnghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện điện tử và các lĩnh vực khoa họckĩ thuật khác trong những năm gần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điềukhiển lập trình PLC.

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều côngti, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát vàđiều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sátmức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm,xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người Côngnghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lí nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước,nhà máy thuỷ điện, hệ thông làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, cácbề nước, tháp nước tự động,…

1.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng

Phương pháp đo mức là một cách làm để đo lường mức chất lỏng một cách đơngiản và hiệu quả nhất Nguyên lí đo mức dưới đây chúng ta coi chất lưu cần đo trongbình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến Trong thực tế, có nhiều phương pháp khácnhau được áp dụng để đo các mức chất lỏng trong từng điều kiện khác nhau Tùythuộc vào yêu cầu thực tế của bài toán và tính chất vật lí và hóa học của chất lỏng cầnđo để lựa chọn phương pháp đo và các thiết bị đo phù hợp Hiện nay các thiết bị cảmbiến cũng sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đời sống Mỗi loại đều có cách thức đoriêng và thế mạnh riêng về từng ứng dụng khác nhau.

1.3 Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng

Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận… các đại lượng vật lí, biến đổicác tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện, tín hiệu từ cảm biến sẽ được chuyểntiếp thường xuyên về hệ thống điều khiển, kiểu đo có thể là liên tục hoặc điểm Dướiđây là một số loại cảm biến được dùng phổ biến trong điều khiển mức chất lỏng vàcông nghiệp.

1.3.1 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung là loại cảm biến kết cấu dạng que điện cực dài, đượccắm trực tiếp vào chất lỏng cần đo Để đo mức, báo mức chất lỏng, ta có 2 cách đochính:

 Đo on/off: hay còn gọi là báo đầy, báo cạn chất lỏng ở 2 mức cụ thể Thôngthường, loại cảm biến này được dùng để điều khiển bơm (khi bể đầy thì tắt bơm, khibể cạn thì mở bơm).

 Đo liên tục: là kiểu giám sát dung tích chất lỏng bên trong bồn chứa Loại nàydùng để đo trong bồn chứa hiện tại có bao nhiêu lít nước, mức nước đang ở chiều caobao nhiêu.

Hình 1.1 Cảm biến điện dung đo on/off

Hình 1.2 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏngNguyên lí hoạt động:

Cảm biến báo mức nước bằng điện dung sẽ hoạt động thông qua cơ chế phát ratần số Cụ thể thì tần số được phát ra ổn định trong suốt quá trình làm việc của cảmbiến Khi các loại vật liệu cần đo như chất lỏng hay chất rắn chạm vào đầu dò của cảmbiến với một lượng vừa đủ có thể làm thay đổi tần số phát ra Lúc này tùy vào phươngthức đo lường của cảm biến là liên tục hay báo đầy báo cạn mà bộ phận xử lý sẽ cho ratín hiệu tương ứng.

Cảm biến điện dung đo mức liên tục thì mực vật chất dâng cao đến đâu cảm biếnsẽ cho ra tín hiệu đến đó, vì dòng này thường được tiếp xúc hoàn toàn và xuyên suốtvới vật chất trong thùng chứa Còn các dòng báo đầy báo cạn sẽ có kích thước ngắnhơn chuyên báo mức tại một vị trí nhất định và chỉ báo khi có mức vật liệu chạm vàođầu dò của chúng.

Ưu điểm:

 Độ chính xác cao, dễ lắp đặt. Chịu được nhiệt độ và áp suất cao.

 Lắp đặt đơn giản, chỉ cần thiết kế ren và gắn vào thành bồn chứa. Dùng được trong nhiều môi trường: xăng, dầu, chất rắn, nước,…

 Điện dung có loại dây cáp nối dài đo tối đa 40m với độ chính xác khá cao. Thông số kỹ thuật:

 Nguồn cấp: 6 - 30V DC. Chuẩn bảo vệ: IP68.

 Loại cable sử dụng: PVC 2x0,34 mm2. Tín hiệu output: PNP, NAMUR.

 Nhiệt độ môi trường hoạt động: -25°C – +105°C. Nhiệt độ phần chân ren chịu được: -25°C – +105°C. Áp suất tối đa chịu được: 5 MPa (50 bar).

 Có phiên bản Xi và NT dành cho môi trường nhiệt độ và áp suất cao Max nhiệtđộ 150 độ C.

 Xuất xứ: được sản xuất trực tiếp tại Cộng hòa Séc.

Tín hiệu đầu ra: Đối với loại cảm biến đo mức liên tục, tín hiệu output thường là 20mA, 0-10V hoặc ModBUS RTU Còn đối với loại cảm biến đo mức on/off thì tínhiệu output là dạng PNP hoặc NAMUR.

4-1.3.2 Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là cảm biến đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc Loại cảmbiến này rất an toàn để đo trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, chẳng hạnnhư đo mức xăng, dầu…

Tuy nhiên, không phải vì phương pháp đo mức này là không tiếp xúc mà nó giảmđộ chính xác Loại cảm biến này có độ chính xác rất cao khi sai số chỉ là 0,15% trêntoàn dải đo.

Hình 1.3 Cảm biến siêu âm đo mức

Nguyên lí hoạt động của dòng cảm biến này là khi gắn trên nắp bồn chứa, bộphận phát sóng siêu âm sẽ phát 1 chùm sóng xuống bề mặt chất lỏng Chùm sóng nàysau khi gặp bề mặt chất lỏng sẽ phản xạ lại cảm biến Lúc này cảm biến sẽ đóng vai tròlà bộ thu sóng.

Sau khi sóng siêu âm đã được thu lại, bộ phận xử lý trong cảm biến sẽ tính toánđược khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng dựa trên vận tốc của sóng siêu âmvà thời gian sóng phản xạ lại.

Lấy chiều cao bồn chứa trừ đi khoảng cách này, cảm biến sẽ tính ra được chiềucao mức chất lỏng trong bồn.

 Có thể thay đổi được khoảng cách dễ dàng bằng cách chỉnh trực tiếp trên mànhình.

Hình 1.4 Vùng mù của cảm biến siêu âm 

1.3.3 Cảm biến mức phao điện từ

Phao cảm biến mức nước hay còn gọi là phao điện, phao báo mực nước là thiết bịcảm biến mức nước được thiết kế dạng phao giúp đo chính xác lưu lượng nước cótrong bể chứa, bồn chứa, hồ chứa truyền kết quả đo về bộ phận điều khiển nhằm đảmbảo cho máy bơm nước không bị cháy mỗi khi chạy không tải, hoặc tác dụng giúpchống tràn Tín hiệu của loại này là on/off hoặc 4-20mA Cấu tạo phần thân của cảmbiến được làm từ nhiều chất liệu khác nhau như inox, PVC, PP,…

Hình 1.5 Cảm biến dạng phao đo on/off

Hình 1.6 Cảm biến dạng phao tuyến tínhNguyên lí hoạt động:

 Với dạng on/off nguyên tắc hoạc động là: Khi dung môi ở mức thấp thì phao cạn(on) sẽ báo cho rơle đóng công tắc bật motor bơm hoạt động, cho đến khi dung môitrong bồn lên mức cao (hay đầy) thì phao báo đầy (off) sẽ rơle ngắt công tắc tắt motorbơm ngưng hoạt động.

 Với dạng tuyến tính thì cảm biến mức theo sự thay đổi mức điện trở, và mức thayđổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng Nghĩa là tại vị trímực nước thấp nhất thì cảm biến cho ra mức tín hiệu là 4mA, và 20mA tại vị trí nướccao nhất Và thường chúng ta dựa vào 2 mức tín hiệu này để kích rơle đóng hoặc ngắtmotor bơm dung môi, nước…để báo đầy báo cạn cho ứng dụng.

Mực nước tác động hoặc không tác động lên phao sẽ ảnh hưởng tới trạng tháiđóng hoặc mở của phao Tín hiệu điện sẽ được gửi về bộ giám sát, điều khiển hoặctrực tiếp về động cơ để cảnh báo hoặc kiểm soát mực nước.

 Công nghệ cũ, lạc hậu, lỗi thời.

 Không dùng cho ứng dụng cần độ chính xác cao được. Khó bảo trì, nếu hư hỏng hoặc sai số thì chỉ có thay mới.

 Thiếu độ nhạy, hay độ nhạy không cao do sử dụng cơ cấu cơ là chủ yếu. Độ bền kém, khi sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Tùy theo từng trường hợp, môi trường, nhiệt độ khác nhau mà chúng ta sẽ chọnlựa loại cảm biến mực nước phù hợp nhất Ngoài ra, ưu điểm của cảm biến này là cóthể hoạt động tốt trong các phạm vi nhỏ hẹp và có thể chịu được nhiệt độ cao.

1.3.4 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất

Đây là phương pháp khá ít người biết bởi nó liên quan đến 1 ứng dụng khác củacảm biến áp suất Cụ thể, phương pháp này dựa trên mối liên quan giữa áp suất vàchiều cao của cột nước:

1 bar = 10,21m nước

Dựa trên mối liên quan này, ta sẽ tính được chiều cao của mức nước trong bồnchứa. 

Hình 1.7 Đo mức nước bằng cảm biến áp suất

Cách hoạt động của phương pháp này khá đơn giản: ta chỉ cần gắn 1 cảm biến ápsuất ở phía dưới của bồn chứa và đo áp suất tại vị trí này Từ tín hiệu áp suất, ta sẽ tínhra được chiều cao của cột nước.

Ưu điểm: Đơn giản, dễ sử dụng, có thể chọn nhiều dải đo áp suất khác nhau.Nhược điểm:

 Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến áp suất.

 Khi dùng phương pháp này, ta phải dùng thêm 1 thiết bị để đọc tín hiệu và quyđổi tín hiệu áp suất Việc này làm tăng khá nhiều chi phí đầu tư.

Đòi hỏi môi trường đo phải là trong bồn kín, nhiệt độ trong bồn không cao, nếucao phải dùng ống siphon giảm nhiệt cho cảm biến áp suất.

1.4 Vai trò của bài toán điều khiển mức chất lỏng trong thực tế

Bài toán điều khiển mức được ứng dụng có thể đo mức của các loại vật liệu như:chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly, Trong đó yêu cầu về điều khiển mức chấtlỏng ứng dụng nhiều trong thực tế:

Sản xuất nông nghiệp: kiểm soát mức nước cho thủy điện, hệ thống cấp thoátnước phục vụ trồng cây, điều khiển mực nước trong các bể, hồ nuôi trồng thủy hải sản,các công ty chế biến thủy hải sản.

Trong công nghiệp: sản xuất rượu bia, các loại chất lỏng đóng chai, xác địnhmức chất lỏng trong các bình chứa, bồn, tháp trong công nghiệp dệt may, xử lý nướcthải, phát điện, nồi hơi.

Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200

2.1 Tổng quan về PLC

2.1.1 Định nghĩa PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển có khả năng lậptrình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua mộtngôn ngữ lập trình nào đó Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trìnhtự, sự kiện PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái I/O, 1 vòng quét PLCgọi là scan PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế vốn dĩ rất cồng kềnh vàphức tạp.

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC

 CPU: thực hiện chương trình và chứa dữ liệu cho điều khiển các quá trình tựđộng.

 Nguồn cấp điện (Power supply).

 Các đầu vào/ra hệ thống (Inputs/Outputs). Các cổng truyền thông (Communications Port). Các đèn trạng thái (Status light).

2.1.3 Module vào/ra của PLC được phân loại

 Số (Logical/Discrete Signals).

 Tương tự (Continuous/Analog Signals).PLC Input:

- Tín hiệu ra từ các loại cảm biến: số và tương tự.

- Khóa chuyển mạch (Switch): đóng mở cơ khí Tín hiệu logic.- Potentiometer: đo vị trí góc dùng điện trở Tín hiệu liên tục.

PLC Output:

- Relay: DC và AC Thời gian đáp ứng >= 10ms Ứng dụng khi yêu cầu dùng lớnhoặc điện trở tải rất nhỏ.

- Solid state:o Transistor: DC.

o Triac: AC Thời gian đáp ứng < 1ms.

Hình 2.1 Sơ đồ các loại mạch điện đầu ra PLC

2.1.4 Bộ nhớ PLC

Vùng chứa chương trình ứng dụng: chia thành 3 miền.

 OB1 (Organisation Block): chứa chương trình tổ chức, chương trình chính. Subroutine: chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có biến hình thứcđể trao đổi dữ liệu Chương trình được thực hiện khi có lệnh gọi trong OB1.

 Interrupt: được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì 1khối dữ liệu nào khác Chương trình này sẽ được thực hiện khi sự kiện ngắt xảy ra.

 Vùng chứa tham số của hệ điều hành: I, Q, M, T, C Vùng chứa các khối dữ liệu. DB (Data Block): miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối.

 L (Local Data Block): miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình ứngdụng tổ chức và sử dụng cho các biến tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thứcvới những khối chương trình gọi nó.

Hình 2.2 Cấu trúc bộ nhớ PLC

2.1.5 Chu kỳ quét và thời gian quét PLC

Hình 2.3 Vòng quét CPU PLC1 - Đọc các đầu vào (Reading the inputs).

2 - Thực hiện chương trình (Executing the program).

3 - Thực hiện các yêu cầu truyền thông (Processing any communications requests).4 - Thức hiện tự chuẩn đoán (Executing the CPU self-test diagnostics).

5 - Truyền dữ liệu ra (Writing to the outputs).

Bộ đệm I/O (I, Q) không liên quan đến các cổng I/O analog Các lệnh truy nhậpđến cổng tương tự phải truy nhập trực tiếp từ cổng I/O vật lí:

 Các thanh ghi vào/ra ảo.

 Lấy mẫu tất cả các đầu vào và cố định các giá trị đó. Cho phép xử lí nhanh hơn.

 Bộ đệm ảo có tính linh hoạt (truy nhập theo các bit, byte, word, double word). Thời gian vòng quét không cố định (Scan time).

 Scan time quyết định tính thời gian thực của chương trình.

 Các chương trình ngắt không phụ thuộc vào Scan time Chương trình ngắt phảigọn nhẹ để nâng cao tính thời gian thực cho hệ thống.

2.1.6 Ngôn ngữ lập trình PLC

 Ladder Logic (LAD): là phương pháp lập trình hình thang, thích hợp trong ngànhđiện công nghiệp.

Hình 2.4 Ngôn ngữ lập trình Ladder Logic (LAD)

 Statement List (STL): là phương pháp lập trình theo dạng dòng lệnh giống nhưngôn ngữ Assembly, thích hợp cho ngành máy tính.

Hình 2.5 Ngôn ngữ lập trình Statement List (STL)

 Function Block (FBD): là phương pháp lập trình theo sơ đồ khối, thích hợp chongành điện tử số.

Hình 2.6 Ngôn ngữ lập trình Function Block (FBD)

 Gọn nhẹ, dễ dành tích hợp vào các hệ thống. Chi phí lắp đặt thấp, giá thành phù hợp.

 Người sử dụng không cần có kiến thức sâu về mạch điện tử như vi điều khiểnvẫn có thể khai thác dễ dàng.

 Được thiết kế để làm việc trong môi trường công nghiệp nên có khả năng chốngnhiễu, chịu ẩm, hóa học, Điện áp làm việc và ghép nối tương thích với chuẩn côngnghiệp.

 Được thiết kế để có thể kết nối với nhau tạo thành mạng công nghiệp hoặc kếtnối với Internet dễ dàng.

 Phần mềm lập trình có giao diện và ngôn ngữ đồ họa dễ nhớ, dễ học.

 Có các phần mềm giao diện giám sát trên máy tính được thiết kế chuyên nghiệpgiao tiếp truyền thông hoàn toàn ẩn với người sử dụng.

 PLC thường được đặt ở trung tâm điều khiển, tùy thuộc vào quy mô dự án.

 Trong hệ SCADA, đặc biệt là DCS thường dùng các Module thu thập dữ liệu từxa (hay đặt ở cấp trường để thu thập các tín hiệu I/O và điều khiển).

 Ngày nay công nghiệp phát triển đòi hỏi các bộ PLC không ngừng nâng cấp vàtruyền thông giữa các bộ điều khiển, từ bộ điều khiển xuống cấp trường, từ cấp trênxuống PLC, được đặt lên hàng đầu Các chuẩn truyền thông công nghiệp từ đó ngàycàng rộng rãi và xuất hiện nhiều chuẩn mới ưu việt.

Các hãng sản xuất PLC thông dụng ở thị trường Việt Nam: Siemens, Mitsubishi,Delta, Keyence,

2.2 Giới thiệu về PLC S7-1200

 S7 - 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵncác đầu vào/ra (DI/DO) Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cảCPU và chương trình điều khiển.

 S7 - 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặcRS232.

 Phần mềm dùng lập trình cho S7 - 1200 là Step 7 Basic, hỗ trợ ba ngôn ngữ lậptrình là FBD, LAD, SCL Phần mềm này được tích hợp sẵn trong TIA Portal củaSiemens.

Vậy để làm một dự án với S7 - 1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đãbao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

2.2.1 Phân loại PLC S7 - 1200

Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị Các loại PLC thôngdụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C.

Thông thường S7-200 được phân ra làm 2 loại chính:

 Loại cấp điện 220VAC:

- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC).- Ngõ ra: Relay.

- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiềucấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…).

- Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng khôngnhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…

Bảng 2.1 Các đặc điểm cơ bản của S7-1200

Đặc trưng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214CKích thước (mm) 90 x 100 x 70 90 x 100 x 70 110 x 100 x 75Bộ nhớ người dùng:

 bộ nhớ làm việc bộ nhớ tải bộ nhớ sự kiện

25 Kbytes1 Mbytes2 Kbytes

25 Kbytes1 Mbytes

2 Kbytes

50 Kbytes2 Mbytes

2 Kbytes

Phân vùngInputs(I)/Outputs(O) digital I/O

14I/10O2ITốc độ xử lý ảnh 1024 bytes

(inputs) and 1024bytes (outputs)

1024 bytes(inputs) and 1024

bytes (outputs)

1024 bytes(inputs) and 1024

bytes (outputs)

3 (left-sideexpansion)Bộ đếm tốc độ cao

 trạng thái đơn

 trang thái đôi

33 – 100 kHz

3 – 80 kHz

43 – 100 kHz

1 – 30 kHz3 – 80 kHz1 – 20 kHz

63 – 100 kHz

3 – 30 kHz3 – 80 kHz3 – 20 kHz

Thẻ nhớ Thẻ nhớ Simatic(tùy chọn)

Thẻ nhớ Simatic(tùy chọn)

Thẻ nhớ Simatic(tùy chọn)Thời gian lưu trữ khi

1 cổng giao tiếpEthernetTốc độ thực thi phép

toán số thực

2.2.2 Hình dạng bên ngoài

Hình 2.9 Hình dạng bên ngoài của PLC

1 - Chế độ hoạt động của các ngõ I/O; 2 - Chế độ hoạt động của PLC3 - Cổng kết nối; 4 - Khe cắm thẻ nhớ; 5 - Nơi gắn dây nối.

Các đèn báo trên CPU:

 STOP/RUN (cam/xanh): CPU ngừng/đang thực hiện chương trình đã nạp vào bộnhớ.

 ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảyra lỗi.

 MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào haykhông.

 LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công. Rx/Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền. 

2.2.3 Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộxử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập.

Hình 2.10 Cấu trúc bên trong PLC

 Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịchcác tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưutrong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến cácthiết bị xuất.

 Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiếtcho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.

 Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiểndưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

 Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ cácthiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từcác công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởiđộng động cơ, các van solenoid,…

 Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trìnhhay bằng máy vi tính.

2.2.4 Đấu dây

Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC:

 Nguồn cung cấp cho PLC là 100 – 230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện ápcó thể thay đổi trong khoảng từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ là 20A.

 Nguồn cung cấp là 24VDC Điện áp có thể thay đổi trong khoảng 20.4V - 28.8V.Ở 28.8V dòng điện tiêu thụ là 12A.

Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC Các ngõ ra củaPLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC Ngõ vào ở mức 1 khi công tắcđóng hay điện áp => 15VDC Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1” xuống“0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được.

Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC Tùy theo yêu cầuthực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó.

2.2.5 Module mở rộng

Hình 2.11 Các module mở rộng

Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tínhiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng Ngoài ra bạn cũng có thể cài đặt thêm 3module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông.

Bảng 2.2 Thông số các Module

Module Ngõ vào Ngõ ra Ngõ vào / raModule tín hiệu (SM)

 Digital 8 x DC 8 x DC8 x Relay

8 x DC / 8x DC16 x DC / 8 x Relay

 Analog

16 x DC4 x Analog

16 x DC16 x Relay2 x Analog

16 x DC / 16 x DC16 x DC / 16 x Relay4 x Analog/2 x AnalogBoard tín hiệu (SB)

 Digital

 Analog

1 x Analog

-2 x DC / -2 x DC-

Module giao tiếp (CM): RS485, RS232.

2.2.6 Phương pháp lập trình điều khiển

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình,cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình Chương trình địnhnghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính.

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điềukhiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài Qua đó, ta thấy được ưu điểmcủa phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng Dođó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rấtmềm dẻo…

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau: Xác địnhyêu cầu, thiết kế giải thuật, soạn thảo chương trình, nạp chương trình vào bộ nhớ, chạythử và kiểm tra

Xác định yêu cầuThiết kế giải thuậtSoạn thảo chương trìnhNạp chương trình vào bộ nhớ

Chạy thử và kiểm tra

2.2.7 Ngôn ngữ lập trình (LAD)

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các kýhiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logic nằm ngang Logic điều khiểnđược biểu diễn bằng hai công tắc thường hở, một công tắc thường đóng và một ngõ rarelay logic. 

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sựkết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có logicđiều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder là lập tàiliệu về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạchladder một cách nhanh chóng và chính xác.

Các quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

 Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được nối kết vớiđường này.

 Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển. Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang đượcđọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độhoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiềulần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét.

 Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất mộtngõ ra.

 Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắcthường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng đượctrình bày ở trạng thái đóng.

 Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một rơle đóngmột hoặc nhiều thiết bị.

 Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhàsản xuất quy định.

2.2.8 Phần mềm lập trình cho S7-1200

Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) là phần mềm cung cấp mộtmôi trường thân thiện với người dùng, từ lập trình hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điềuchỉnh logic cần thiết đến ứng dụng điều khiển.

TIA Portal cung cấp công cụ cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trongproject, ví dụ như: PLCs và thiết bị HMI TIA Portal cung cấp hai ngôn ngữ lập trình(LAD và FBD), thích hợp và hiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trong ứngdụng Ngoài ra TIA Portal còn cung cấp bộ công cụ tạo và cấu hình thiết bị HMI.

TIA Portal cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến và cung cấp 2 chế độ hiểnthị khác nhau: a project-oriented view và a task-oriented set of portals.

2.3 Kết luận chương

Với những ưu điểm mạnh của PLC, nhóm chúng em sẽ sử dụng PLC S7-1200 đểđiều khiển cho mô hình của nhóm Sử dụng phần mềm TIA Portal để lập trình với giaodiện gần gũi và dễ nhớ, ngôn ngữ LAD theo dạng hình thang dễ học PLC có sẵn cổngAnalog Input thích hợp đọc tín hiệu từ cảm biến.