Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ

153 1K 1
Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Bộ công thơng viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ năm 2007 nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá khả năng lập trình pac cho các hệ thống điều khiển công nghiệp Chủ nhiệm đề tài: Ts . nguyễn thế truyện 6935 04/8/2008 hà nội - 2007 Bộ Công THƯƠng Viện Nc Điện tử, Tin học, Tự động hoá & BO CO KT QU THC HIN TI NCKH & PTCN CP B NM 2007 Tờn ti: NGHIấN CU NG DNG B IU KHIN T NG HO Cể KH NNG LP TRèNH PAC CHO CC H THNG IU KHIN CễNG NGHIP (Mó s: 137.07RD/2007) C quan ch trỡ: Vin NC in t, Tin hc, T ng hoỏ Ch nhim ti: TS. Nguyn Th Truyn C quan phi hp: H Ni - 2007 DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn quan công tác 1. Nguyễn Thế Truyện TS, ĐTVT Viện NC ĐT, TH, TĐH 2. Lê Anh Tuấn ThS, TBĐ-ĐT Viện NC ĐT, TH, TĐH 3. Lai Thị Vân Quyên KS, ĐL-THCN Viện NC ĐT, TH, TĐH 4. Dương Sơn Bài KS, KTM Công ty than Hạ Long 1 MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH 4 MỞ ĐẦU 6 1. GIỚI THIỆU CHUNG 6 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6 2.1 Mục tiêu của đề tài 6 2.2 Nội dung nghiên cứu 6 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PAC 7 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ 7 1.1 Hệ thống tự động hoá trên sở PLC 7 1.2 Hệ thống tự động hoá trên sở PC 8 1.3 Tự động hoá trên sở PAC 9 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ PAC 9 2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9 2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10 3. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PAC 11 3.1. PACs là gì? 11 3.1.1 Năm đặc điểm chính của PAC 12 3.1.2 So sánh PLC với PAC 12 3.1.3. Một số loại PAC của các hãng 13 3.2. Cấu trúc của PAC 16 3.2.1 Cấu trúc của PLC 16 3.2.2 Cấu trúc của PC 16 3.2.3 Cấu trúc của PAC 17 3.3. Các thành phần của PACs 19 3.3.1 NI LabVIEW 19 3.3.2 PXI (PCI eXtension for Instrumentation) 21 3.3.3 COMPACT FIELDPOINT 26 3.3.4 COMPACT RIO 30 3.3.5 COMPACT VISION SYSTEM 36 3.3.6 PC CÔNG NGHIỆP 39 CHƯƠNG II. PHẦN MỀM LABVIEW VÀ ỨNG DỤNG 41 1. So sánh LabVIEW với một số ngôn ngữ lập trình thông dụng khác 42 2. Môi trường làm việc LabVIEW 42 2.1. Thiết bị ảo (VI) 42 2.2. Các bảng chức năngcác toolbar 43 3. Thu thập dữ liệu với LabVIEW 45 4. Phân tích dữ liệu với LabVIEW 46 5. Biểu diễn dữ liệu trên LabVIEW 47 2 6. Một số Module phần mềm hỗ trợ LabVIEW 49 6.1. LabVIEW Datalogging and Supervisory Control 49 6.2. LabVIEW RealTime Module 54 6.3. LabVIEW FPGA 58 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN TRÊN SỞ PAC 60 1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 60 1.1 Mục tiêu chung thiết kế hệ thống 60 1.2 Quan điểm thiết kế hệ thống và chức năng 61 1.3 Mô hình hệ thống đầy đủ 63 1.3.1 Cấu trúc trạm điều khiển trung tâm 65 1.3.2 Cấu trúc trạm điều khiển khu vực 66 1.3.3 Cấu trúc thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 66 1.3.4 Hệ thống ghép nối truyền thông 66 1.4 Mô hình hệ thống điều khiển của đề tài 67 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 68 2.1 Trạm chủ PAC-cFP.MS.01 68 2.2 Thiết kế phần cứng trạm (thiết bị) đầu cuối đo thông số môi trường 76 2.3 Thiết kế phần cứng bộ hiển thị (Displayer) thông số môi trường 82 3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM 84 3.1. Thiết kế giao thức truyền thông 84 3.2. Thiết kế phần mềm trên trạm thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 88 3.3. Thiết kế phần mềm cho bộ hiển thị 90 3.4. Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển khu vực và host PC 91 3.5. Giao diện phần mềm thu thập thông số môi trường dựa trên LabVIEW 92 CHƯƠNG IV. THỬ NGHIỆM 95 1. MỤC TIÊU THỬ NGHIỆM 95 2. THỬ NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 95 2.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 95 2.2 Nội dung thử nghiệm 95 2.3 Tiến hành thử nghiệm 95 2.3.1 Kết nối hệ thống thủ nghiệm trong phòng thí nghiệm 95 2.3.2 Kết quả thử nghiệm mô phỏng tại phòng thí nghiệm 96 2.3.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 97 3. THỬ NGHIỆM THỰC TẾ 97 3.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 97 3.2 Nội dung thử nghiệm 97 3.3 Tiến hành thử nghiệm 98 3.3.1 Kết nối hệ thống thử nghiệm 98 3.3.2 Kết quả thử nghiệm tại thực tế 98 3.3.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm 99 KẾT LUẬN 100 1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 100 3 2. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHẦN PHỤ LỤC 102 4 Danh sách các hình Hình 1. So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá 8 Hình 2. Các bộ điều khiển PAC 11 Hình 3. Một bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controller) 13 Hình 4. Cấu trúc của PLC 16 Hình 5. Cấu trúc của PC 17 Hình 6. Cấu trúc của PAC 17 Hình 7. Cấu trúc phần cứng của PXI 22 Hình 8. Sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI 23 Hình 9. Một bộ điều khiển nhúng PXI 25 Hình 10. Cấu trúc hệ điều khiển Compact FieldPoint 27 Hình 11. Cấu trúc một bộ điều khiển cFP-2020 27 Hình 12. Các modul I/O 29 Hình 13. Các bộ kết nối Cp FieldPoint 29 Hình 14. Một bộ kết nối với rãnh cắm của CpFieldPoint 29 Hình 15. Bộ kết nối ngoài CpFieldPoint 30 Hình 16. Thân máy CpFieldPoint 30 Hình 17. Mô tả truyền thông giữa bộ điều khiển CompactRIO với HMI 33 Hình 18. Cấu trúc số FPGA 33 Hình 19. Mô tả chương trình vào ComPactRIO 34 Hình 20. Sơ đồ cấu trúc phần cứng nhúng của CompactRIO 35 Hình 21. Mô hình mở rộng CompactRIO 36 Hình 22. Khung mở rộng R series cRIO-9151 36 Hình 23. Các loại camera 39 Hình 24. Hệ thống COMPACT VISION 39 Hình 25. Front Panel, Diagram và Icon/Connector 44 Hình 26. Bảng công cụ, hàm và điều khiển 44 Hình 27. Các VI thu thập dữ liệu 46 Hình 28. Các VI phân tích dữ liệu 47 Hình 29. Các VI biểu diễn dữ liệu 48 Hình 30. Các VI dùng để đưa thông tin lên Web 49 Hình 31. Các VI dùng để tạo báo cáo 49 Hình 32. Các VI dùng để lưu dữ liệu vào các file 50 Hình 33. Một ví dụ về LabVIEW FPGA 60 Hình 34. Sơ đồ hệ thống giám sát các thông số môi trường trong khai thác than lộ thiên 64 Hình 35. Trạm chủ PAC-PXI 65 Hình 36. Mô hình hệ thống điều khiển của đề tài 67 Hình 37 Sơ đồ cấu hình của cFP 21xx 70 Hình 38. Sơ đồ chân của DIO 550 71 Hình 39. Sơ đồ chân của cFP CB-1 72 Hình 40. Ghép nối mạng 75 Hình 41. Sơ đồ khối điểm đo 76 Hình 42. Chuyển đổi chuẩn hoá tín hiệu 77 Hình 43. Cấu trúc bộ chuyển đổi A/D của AVR Atmega16 78 Hình 44. Sơ đồ ICLM35 79 Hình 45 Đồ thị đặc tính đầu ra điện áp phụ thuộc độ ẩm của HM 1500 80 5 Hình 46. Sơ đồ chân của Atmega16 80 Hình 47. Led hiển thị 82 Hình 48. Lưu đồ hoạt động thực thi dịch vụ giữa Master và Slave i 87 Hình 49. Lưu đồ thuật toán cho các điểm đo Slave i 89 Hình 50. Lưu đồ thuật toán cho các Displayer 90 Hình 51. Giao diện chính 93 Hình 52. Giao diện log in 93 Hình 53. Giao diện cài đặt các điểm đo 94 Hình 54. Giao diện thông số các điểm đo 94 Hình 55. Mô hình hệ thống thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 96 Hình 56. Mô hình hệ thống thử nghiệm thực tế 98 6 MỞ ĐẦU 1. GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, khoa học công nghệ đang ngày càng phát triển như vũ bão, nhiều dòng sản phẩm điều khiển mới đã lần lượt ra đời nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng khắt khe hơn của những ứng dụng công nghiệp. Ngay từ những năm 1960, bộ điều khiển khả trình PLC đã ra đời đánh dấu một bước phát triển lớn trong việc đo lường, điều khiển. Những hệ thống điều khiển bằng các rơle hành trình cũ kĩ, cồng kềnh trước đó đã được thay thế bằng những bộ PLC nhỏ gọn, và đáng tin cậy hơn. Nhưng những tính năng của bộ PLC chưa thoả mãn được các yêu cầu ứng dụng thực tế nên đòi hỏi phải những bộ điều khiển tiên tiến hơn ra đời. Bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controllers) được ra đời để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao đó. PAC thể coi là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và máy tính PC nên PAC gần như thoả mãn được hững yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp. Để theo kịp xu thế phát triển đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã đầu nghiên cứu về bộ điều khiển PAC từ khá sớm. Đặc biệt từ tháng 01/2007, VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá khả năng lập trình ( PAC: Programmable Automation Controller) cho các hệ thống điều khiển công nghiệp”. Sau đây chúng tôi xin trình bày chi tiết các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài. 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu của đề tài Đây là đề tài tính chất tiếp cận để làm chủ công nghệ mới và tiến tới ứng dụng nên chúng tôi đề ra mục tiêu chính của đề tài như sau. - Nghiên cứu, nắm bắt và làm chủ được bộ điều khiển PAC - Làm chủ và khai thác được phần mềm LabVIEW cho các ứng dụng công nghiệp - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm 01 hệ thống điều khiển trên sở PAC. - Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực tế để kiểm nghiệm thiết bị đã thiết kế, chế tạo. 2.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý làm việc, các tính năng bản của PAC - Nghiên cứu, làm chủ và sử dụng được phần mềm LabVIEW - Thiết kế chế tạo 01 hệ thống điều khiển công nghiệp trên sở PAC - Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống. - Thử nghiệm thực tế hệ thống trên sở PAC trong ngành khai thác than. 7 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PAC 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ Các hệ thống điều khiển tự động ra đời nhằm thực hiện quá trình sản xuất một cách tự động, theo quy trình xác định, không phụ thuộc vào đặc tính chủ quan của người công nhân. Các dây chuyền sản xuất tự động nâng cao được năng suất, chất lượng, tiết kiệm nguyên vật liệu, hạ giá thành sản phẩm…Nói chung, tự động hoá đã nâng cao được chất lượng cuộc sống của người lao động và của toàn xã hội. Tự động hoá đã được hình thành và phát triển từ rất lâu và dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau, song ở phần này chỉ đề cập tới quá trình phát triển của các hệ thống tự động hoá hiện đại dựa trên các công nghệ tiên tiến, cụ thể từ các hệ thống PLC cho đến các hệ thống thế hệ sau. 1.1 Hệ thống tự động hoá trên sở PLC PLC, ra đời vào những năm 1960, đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiểntự động hoá công nghiệp. Ban đầu PLC được đưa ra nhằm thay thế các mạch rơle tuần tự sử dụng trong điều khiển máy móc, trong đó các đầu ra của nó được điều khiển đóng cắt theo chương trình phần mềm. Hiện nay, hầu hết PLC đều được lập trình bằng ngôn ngữ logic hình thang, ngôn ngữ này đã tạo ra tiêu chuẩn IEC-31161-3. Hiện nay, chúng ta thể thấy PLC trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và chúng được ứng dụng khắp nơi. Các hệ thống PLC thế hệ đầu, dựa trên các CPU trượt bit (slice-bit), chỉ khả năng vào/ra số, đến các PLC thế hệ sau đã ứng dụng công nghệ vi xử lý mới, hiện đại hơn nên phạm vi sử dụng của nó cũng đa dạng hơn. Mặt khác các PLC thế hệ sau còn tích hợp được nhiều tính năng hiện đại như: vào/ra tương tự, truyền thông mạng, sử dụng các ngôn ngữ lập trình ở mức cao hơn. Nghiên cứu về các ứng dụng của PLC các chuyên gia của ARC, VDC và PLCS.net đã đưa ra một số nhận xét như sau [5]: v 80% các hệ thống PLC được dùng trong các ứng dụng nhỏ (có từ 1 đến 128 I/O) v 78% các đầu vào ra của PLC là digital I/O v 80% các ứng dụng PLC được giải quyết chỉ với khoảng 20 lệnh logic hình thang Đó là lý do tại sao đến bây giờ vẫn còn một số PLC sử dụng CPU AMD 2901 và một số công ty như Keyence chỉ cho phép lập trình bằng ngôn ngữ hình thang. [...]... phi m bo cung cp ngun cho nhng iu khin phc tp, thu thp d liu v truyn thụng ã Compact RIO l mt h thng thu thp v iu khin cho phộp cu hỡnh da trờn chớp FPGA RIO c thit k cho cỏc ng dng ũi hi nhit mụi trng lm vic cao v tc iu khin ln Cu trỳc ca RIO c xõy dng da trờn mt chớp x lý nhỳng thi gian thc c dựng cho cỏc thut toỏn phc tp v cỏc thao tỏc tớnh toỏn tu ý Chớp x lý ny cú lừi FPGA cho phộp cu hỡnh Nn... database n nhm cho phộp truy cp ti tt c cỏc thụng s v cỏc hm chc nng vỡ PAC c thit k cho cỏc ng dng tiờn tin nh cỏc ng dng a chc nng ũi hi phn mm bc cao ã Cụng c phn mm cho phộp ngi thit k cú th chuyn i cỏc khỏi nim, cỏc ý tng thnh cỏc mó iu khin mt cỏch d dng ã Cu trỳc modul m Vỡ tt c cỏc ng dng cụng nghip ũi hi phi theo nhu cu thc t nờn phn cng phi c cung cp dng cỏc modul nhm to iu kin thun li cho cỏc... li cho vic gii quyt cỏc vn trong thit k cng nh s dng cỏc ng dng chuyờn dng Modul LabVIEW Real-time c s dng trong cỏc ng dng ũi hi tớnh thi gian thc, tin cy cao Vic to cỏc mó chng trỡnh t ng v cỏc chng trỡnh giao din hỡnh nh cho cỏc ng dng cú yờu cu kht khe v thi gian d dng hn rt nhiu khi s dng modul ny Modul LabVIEW PDA c s dng cho cỏc thit b PDA cm tay Cựng vi modul ny, NI a ra cỏc cụng c phc v cho. .. cụng c xõy dng trong modul DSC cho phộp tng hiu qu ca h thng nh t ng thu thp d liu, qun lý y cỏc cnh bỏo, ghi li cỏc s kin Modul bao gm c s d liu mng m bo an ton v cho phộp kt ni OPC Cỏc cụng c dựng cho thit k giao din ngi - mỏy nh hn 4 000 hỡnh nh tinh xo cng c xõy dng trong modul ny Vic thit k h phõn tỏn cha bao gi d dng hn th Modul LabVIEW Vision Development c thit k cho cỏc nh khoa hc, cỏc k s t... bao gm 4 thnh phn chớnh: ã ng dng lừi RIO FPGA cho u vo input, u ra output, truyn thụng v iu khin ã Vũng lp yờu cu cht ch v thi gian cho cỏc iu khin floating-point, x lớ tớn hiu, phõn tớch v a ra nhng quyt nh im im ã Vũng lp u tiờn cho vic thu thp, biu din d liu nhỳng, giao din Web t xa, truyn thụng qua mng Ethernet/song song ã Mỏy tớnh ch trong mng dựng cho cỏc giao din ngi mỏy , thu thp d liu lch s... h thng thu thp d liu cm tay Modul LabVIEW FPGA cho phộp ngi thit k to phn cng I/O nh ý mun bng cỏch lp trỡnh dng s cỏc khi trờn LabVIEW cho chip FPGA gn trờn phn cng I/O (PXI 7831R) Vỡ cỏc khi chng trỡnh chy trờn phn cng nờn cn iu khin trc tip, ngay lp tc tt c cỏc tớn hiu I/O trờn board Cựng vi LabVIEW FPGA, NI a ra cỏc phn cng do ngi dựng t nh ngha cho hng lot cỏc ng dng ũi hi cht ch v thi gian... trỡnh khụng ging nhau So sỏnh v PLC-based Automation v PC-based Automation [3]: S dng Sử dụng K Kh nng m hả năng phần phn mm ềm Khoảng trống PCbased A utom ation PLCbased A utom ation Đ chắc chắnổn định ộ chc chn, n nh Hỡnh 1 So sỏnh min s dng ca hai h thng t ng hoỏ Nhỡn vo hỡnh v ta thy PLC-based Automation c dựng cho cỏc ng dng ũi hi cao v chc chn, n nh cũn PC-based Automation li c dựng nhng ni ũi... nh s v tng t, modul dựng cho cỏc ng dng chuyn ng a kờnh Cu trỳc da trờn PC v cỏc tớnh nng ng b hoỏ tiờn tin l im c bit ca thit b dng modul PXI PXI cú th dựng thc hin nhiu ng dng khỏc nhau Vi hn 1000 sn phm PXI trờn thi trng, ngi thit k cú th tỡm c cho mỡnh phn cng dựng o lng nh ý Vi cu trỳc da trờn PC, PXI cú th kt hp vi 21 cỏc cụng ngh PC mi nht nh l cỏc chớp x lớ tc cao cho cỏc ng dng chuyờn sõu... cỏc modul I/O thụng minh cng cú cỏc ốn Led ch th cho phộp ngi s dng bit c trng thỏi hot ng ca modul Hỡnh 12 Cỏc modul I/O Cỏc b kt ni (connector) Cỏc b kt ni Compact Fieldpoint m bo tc nhanh v an ton cho cỏc tớn hiu t cm bin v cỏc c cu chp hnh gi v Trờn cỏc b kt ni ny cú: - u bt vớt - Thanh kộo, y - Rónh cm cỏp - Cỏc cm bin CJC gn lin - Khi kt ni ng nhit cho cỏc cp nhit Hỡnh di õy mụ t v mt b kt ni vi... chip vi x lý nhỳng thi gian thc dựng cho cỏc thut toỏn phc tp v cỏc tớnh toỏn theo yờu cu Nn Compact RIO tng thớch vi nhiu modul vo ra s hoc tng t ca nhiu hóng khỏc nhau S modul vo ra s hoc tng t lờn ti 8 modul Compact RIO l la chn thớch hp cho cỏc ng dng phc tp ũi hi tc x lý cc cao v mụi trng lm vic khc nghit Cỏc yờu cu hot ng ca CompactRIO: ã Di nhit hot ng cho phộp -40 n 70 C (hay -40 n 158 F) . cập tới quá trình phát triển của các hệ thống tự động hoá hiện đại dựa trên các công nghệ tiên tiến, cụ thể từ các hệ thống PLC cho đến các hệ thống thế hệ sau. 1.1 Hệ thống tự động hoá trên. Bộ công thơng viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ năm 2007 nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ 7 1.1 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PLC 7 1.2 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PC 8 1.3 Tự động hoá trên cơ sở PAC 9 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Ngày đăng: 15/05/2014, 10:35

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • Mo dau

  • Tong quan ve PAC

  • Phan mem LABVIEW va ung dung

    • 1. So sanh Labview voi mot so ngonngu lap trinh thong dung khac. Moi truong lam viec cua Labview

    • 2. Thu thap, phan tich du lieu voi Labview

    • 3. Bieu dien du lieu tren Labview. Mot so Modul phan mem ho tro

  • Thiet ke he thong do luong, dieu khien tren co so PAC

    • 1. Thiet ke mo hinh he thong

    • 2. Thiet ke phan cung

    • 3. Thiet ke phan mem

  • Thu nghiem

  • Ket luan

  • Phu luc

  • Bao cao tom tat

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan