Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển plc s7 200 để điều khiển khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở theo nguyên tắc thời gian không đảo chiều quay

Lời nói đầu Ngày nay, phát triển khoa học kỹ thuật diễn nhanh chóng tồn giới Những thành tựu khoa học kỹ thuật vận dụng thực tế để tạo hàng loạt sản phẩm Một thành tựu khoa học ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển lập trình Tuy phát triển năm gần nhanh chóng thay công nghệ điều khiển lạc hậu, với nhiều đặc điểm ưu việt Trong số phát triển mạnh có khả ứng dụng rộng rãi điều khiển lập trình PLC PLC viết tắt Programmable Logic Controller, thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện PLC dùng để thay mạch rơle thực tế, hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi đầu vào đầu thay đổi theo Hiện giới có nhiều hãng sản xuất điều khiển lập trình như: Siemens, Omron, ABB, Misubishi, Delta, GE fanus, với nhiều ứng dụng như: Điều khiển thiết bị thuỷ lực khí nén, điều khiển thang máy, hệ thống đèn giao thông, khởi động động chiều, Sau kết thúc mơn học Lập trình PLC em giao nhiệm vụ: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PLC S7-200 để điều khiển khởi động động điện chiều qua cấp điện trở theo nguyên tắc thời gian, không đảo chiều quay“ Trong trình làm đồ án gặp nhiều khó khăn hướng dẫn thầy giáo Nguyễn Đắc Nam em hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng thời gian có hạn kiến thức thân cịn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót Em mong đóng góp ý kiến thầỳ, cô bạn bè để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Phú Thọ, ngày , tháng 04, năm 2016 Sinh viên thực Vũ Thanh Bình CHƯƠNG I SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang TỔNG QUAN VỀ PLC 1.1 Khái niệm, phân loại PLC 1.1.1 Khái niệm PLC viết tắt Programmable Logic Controlle, thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định hay kiện đếm Một kiện kích hoạt thật bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục “lặp” chương trình “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình Để khắc phục nhược điểm điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển Relay) người ta chế tạo PLC nhằm thỏa mãn yêu cầu sau :  Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học  Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa  Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp  Hồn tồn tin cậy trog mơi trường cơng nghiệp  Giao tiếp với thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, mơ Modul mở rộng  Giá cạnh tranh Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng Relay dây nối Logic thời gian.Tuy nhiên, bên cạnh việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dể dàng cho PLC mà bảo đảm tốc độ xử lý giá … Chính điều gây quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch … sau chức làm tốn máy lớn … Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều A, Cấu trúc PLC SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang PLC thiết bị cho phép thực thuật toán điều khiển số thơng qua ngơn nhữ lập trình Tồn chương trình điều khiển lưu nhớ nhớ PLC Điều nói PLC giống máy tính, nghĩa có vi xử lý, điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiền, liệu cổng vào để giao tiếp với đối tượng điều khiển…Như thấy cấu trúc PLC gồm thành phần sau : Mơ đun nguồn, Mơ đun xử lý tín hiệu, Mô đun vào, Mô đun ra, Mô đun nhớ, Thiết bị lập trình Sơ đồ PLC biểu diễn hình bên Ngồi mơ đun này, PLC cịn có mô đun phụ trợ mô đun kết nối mạng, mô đun truyền thông, mô đun ghép nối mô đun chức để xử lý tín hiệu mơ đun kết nối với can nhiệt, mô đun điều khiển động bước, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào… Khối ngõ vào Bộ nhớ Đơn vị xử lý trung tâm Bộ nguồn Quản lý ghép nối Khối ngõ Hình 1.1.1: Các thành phần PLC Trạng thái ngõ vào PLC phát lưu vào nhớ đệm,(bộ nhớ PLC gồm loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực lệnh logic trạng thái chúng thơng qua chương trình trạng thái, ngõ cập nhật lưu vào nhớ đệm Sau đó, trạng thái ngõ nhớ đệm dùng để đóng/mở tiếp điểm kích hoạt thiết bị tương ứng Như vậy, hoạt động thiết bị điều khiển hoàn toàn tự động theo SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang chương trình nhớ Chương trình nạp vào PLC thơng qua thiết bị lập trình chun dụng B, Nguyên lý hoạt động PLC  Đơn vị xử lý trung tâm CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực thứ tự lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết để thực thi Và toàn hoạt động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ  Hệ thống bus Hệ thống Bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa dùng để truyền địa đến Modul khác - Data Bus: Bus dùng để truyền liệu - Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền tín hiệu định điểu khiển đồng hoạt động PLC Trong PLC số liệu trao đổi vi xử lý modul vào thông qua Data Bus Address Bus Data Bus gồm đường, thời điểm cho phép truyền bit byte cách đồng thời hay song song Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạch đó, CPU cung cấp xung Clock có tần số từ 18 MHZ Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố định thời, đồng hồ hệ thống  Bộ nhớ PLC thường yêu cầu nhớ trường hợp: Làm định thời cho kênh trạng thái I /O Làm đệm trạng thái chức PLC định thời, đếm, ghi Relay Mỗi lệnh chương trình có vị trí riêng nhớ, tất vị trí nhớ đánh số, số địa nhớ Địa ô nhớ trỏ đến đếm địa bên vi xử lý Bộ vi xử lý giá trị đếm lên trước xử lý lệnh SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang Với địa mới, nội dung ô nhớ tương ứng xuất đấu ra, trình gọi trình đọc Bộ nhớ bên PLC tạo bỡi vi mạch bán dẫn, vi mạch có khả chứa 2000 đến 16000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC nhớ RAM, EPROM sử dụng RAM (Random Access Memory) nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung lúc Nội dung RAM bị nguồn điện ni bị Để tránh tình trạng PLC trang bị pin khơ, có khả cung cấp lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM dùng để khởi tạo kiểm tra chương trình Khuynh hướng dùng CMOSRAM nhờ khả tiêu thụ thấp tuổi thọ lớn EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) nhớ mà người sử dụng bình thường đọc khơng ghi nội dung vào Nội dung EPROM không bị mất nguồn, gắn sẵn máy, nhà sản xuất nạp chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng nhớ dùng thêm EPROM gắn bên PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi xóa EPROM Môi trường ghi liệu thứ ba đĩa cứng đĩa mềm, sử dụng máy lập trình.Đĩa cứng Hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường dùng để lưu chương trình lớn thời gian dài Kích thước nhớ: - Các PLC loại nhỏ chứa từ 300 đến 1000 dịng lệnh tùy vào cơng nghệ chế tạo - Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K đến 16K, có khả chứa từ 2000 đến 16000 dịng lệnh Ngồi cịn cho phép gắn thêm nhớ mở rộng RAM, EPROM  Các ngõ vào I/O Các đường tín hiệu từ cảm biến nối vào modul (các đầu vào PLC), cấu chấp hành nối với modul (các đầu PLC ) Hầu hết PLC có điện áp hoạt động bên 5V, tín hiệu xử lý 12/24VDC 100/240VAC SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang Mỗi đơn vị I/O có địa chỉ, hiển thị trạng thái kênh I/O cung cấp đèn LED PLC, điều làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng đơn giản Bộ xử lý đọc xác định trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực việc đóng hay ngắt mạch đầu  Vịng qt chương trình PLC thực cơng việc theo chu trình lặp Mỗi vịng lặp gọi vòng quét (Scancyle), vòng quét bắt đầu việc chuyển liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, giai đoạn thực chương trình Trong vịng qt, chương trình thực từ lệnh đến lệnh kết thúc khối OB1 Sau giai đoạn thực chương trình giai đoạn chuyển nội dung đệm ảo Q tới cổng số Vòng quét kết thúc giai đoạn xử lý yêu cầu truyền thơng (nếu có) kiểm trạng thái CPU Mỗi vịng qt mơ tả sau: Hình 1.1.2: Chu vịng qt CPU PLC Thời gian cần thiết PLC thực vòng quét gọi thời gian vịng qt (Scan time) Thời gian vịng qt khơng cố định, tức khơng phải vịng qt thực khoảng thời gian Có vịng qt thực lâu, có vịng qt thực nhanh tuỳthuộc vào số lệnh chương trình thực hiện, vào khối lượng liệu truyền thơng Trong vịng qt Như việc đọc liệu từ đối tượngđể xử lý, tính tốn việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có khoảngthời gian trễ thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang vịng qt định tính thời gian thực chương trình điều khiển PLC Thời gian vịng qt ngắn, tính thời gian thực chương trình cao 1.1.2 Phân lọai PLC * Theo hãng sản xuất Các nhãn hiệu như: Siemens, Ormon, Misubishi, Alenbratlay, Delta,… * Theo version - PLC Siemens có họ S7-200, S7-300, S7-400,… - PLC Misubishi có họ Alpha, Fx, Fx0, Fx0N,Fx1N,Fx2N * Theo số lượng đầu vào/ra Ta phân PLC thành bốn loại sau: Micro PLC loại có 32 kênh vào/ra PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra PLC có đến 1024 kênh vào/ra +Các micro-PLC: Thường có 32 đầu vào/ra Ở hình vẽ bên ví dụ PLC họ T100MD1616 hãng Triangle Research International sản xuất Cấu tạo tương đối đơn giản toàn phận tích hợp bảng mạch có kích thước nhỏ gọn Micro-PLC có cấu tạo gồm tất phận xử lý tín hiệu, nguồn, kênh vào/ra khối Các micro – PLC có ưu điểm PLC nhỏ giá thành rẻ, dễ lắp đặt Một loại micro PLC khác DL05 hãng Koyo, loại có 32 kênh vào/ra +PLC loại nhỏ: Có thể có đến 256 đầu vào/ra Hình PLC hãng OMRON loại ZEN10C Loại PLC có 34 kênh vào/ra gồm: kênh vào kênh mô đun CPU, cịn lại mơ đun vào/ra, với kênh vào kênh cho mô đun Hãng Siemens có loại PLC nhỏ S5-90U,S5-100U,S7-200, có số lượng kênh vào/ra nhỏ 256 +Các PLC trung bình: Có thể có đến 1024 đầu vào/ra Loại CJ1M Omron hình bên có 320 kênh vào/ra +Các PLC loại lớn: SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang Hãng Siemens loại series S7-300, S7-400 Các loại có số lượng kênh vào/ra lớn Các kênh đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua dồn kênh tách kênh (demultiplexeur multiplexeur) PLC S7-400 Siemens PLC mạnh 1.2 Ứng dụng, ưu nhược điểm PLC 1.2.1: Ứng dụng PLC Ứng dụng PLC cơng nghiệp  Dây chuyền đóng gói  Các robot lắp giáp sản phẩm  Điều khiển bơm  Dây chuyền xử lý hố học  Cơng nghệ sản xuất giấy  Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh  Sản xuất xi măng  Công nghệ chế biến thực phẩm  Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn  Dây chuyền lắp giáp Tivi  Điều khiển hệ thống đèn giao thông  Quản lý tự động bãi đậu xe  Hệ thống báo động  Dây chuyền may công nghiệp  Điều khiển thang máy  Dây chuyền sản xuất xe ôtô  Sản xuất vi mạch 1.2.2 Đánh giá ưu nhược điểm PLC Trước đây, PLC thường đắt, khả hoạt động bị hạn chế quy trình lập trình phức tạp Vì lý mà PLC dùng nhà máy thiết bị đặc biệt Ngày giảm giá liên tục, kèm theo tăng khả SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang PLC dẫn đến kết ngày áp dụng rộng rãi cho thiết bị máy móc Các PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào 16 kênh đầu thích hợp với máy tiêu chuẩn đơn, trang thiết bị liên hợp Còn PLC với nhiều khả ứng dụng lựa chọn dùng cho nhiệm vụ phức tạp Có thể kể ưu điểm PLC sau: + Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh với chức điều khiển Khi lắp ghép PLC sẵn sàng làm việc Ngồi cịn sử dụng lại cho ứng dụng khác dễ dàng + Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài thiết bị cơđiện Độ tin cậy PLC ngày tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần thiết cịn với mạch rơle cơng tắc tơ việc bảo dưỡng định kỳ cần thiết + Dễ dàng thay đổi chương trình: Những thay đổi chương trình tiến hành đơn giản Để sửa đổi hệ thống điều khiển quy tắc điều khiển sử dụng, người vận hành cần nhập tập lệnh khác, gần khơng cần mắc nối lại dây (tuy nhiên, phải nối lại cần thiết) Nhờ hệ thống linh hoạt hiệu + Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết đầu vào đầu đánh giá kích cỡ yêu cầu nhớ hay độ dài chương trình Do đó, dễ dàng nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với yêu cầu công nghệ đặt + Khả tái tạo: Nếu dùng nhiều PLC với quy cách kỹ thuật giống chi phí lao động giảm thấp nhiều so với điều khiển rơle, giảm phần lớn lao động lắp ráp + Tiết kiệm không gian: PLC địi hỏi khơng gian so với điều khiển rơle tương đương + Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ưu điểm sử dụng thiết bị điều khiển cho nhiều hệ thống điều khiển Người ta thường dung PLC cho trình tự động linh hoạt dễ dàng thuận tiện tính tốn, so sánh giá trị tương quan, thay đổi chương trình thay đổi thông số + Về giá trị kinh tế: Khi xét giá trị kinh tế PLC phải đề cập đến số lượng đầu đầu vào Quan hệ giá thành với số lượng đầu vào/ra: số SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Trang lượng đầu vào/ra q hệ rơle tỏ kinh tế hơn, số lượng đầu vào/ra tăng lên hệ PLC kinh tế hẳn Khi tính đến giá PLC khơng thể không kể đến giá phận phụ khơng thể thiếu thiết bị lập trình, máy in, băng ghi việc đào tạo nhân viên kỹ thuật Nói chung phần mềm để thiết kế lập trình cho mục đích đặc biệt đắt Ngày nhiều hãng chế tạo PLC cung cấp chọn đóng gói phần mềm thử nghiệm, việc thay thế, sửa đổi phần mềm nhu cầu khơng thể tránh khỏi, đó, cần thiết phải có kỹ phần mềm Phân bố giá cho việc lắp đặt PLC thường sau: - 50% cho phần cứng PLC - 10% cho thiết kế khuân khổ chương trình - 20% cho soạn thảo lập trình - 15% cho chạy thử nghiệm - 5% cho tài liệu Việc lắp đặt PLC khoảng 1/2 giá thành đầu tiền, nghĩa cịn chi phí phần cứng So sánh đặc tính kĩ thuật hệ thống điều khiển: Chỉ tiêu so sánh Rơ - le Mạch số Máy tính PLC Giá thành Khá thấp Chức Kích thước vật lý Lớn Thấp Cao Thấp Rất gọn Khá gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh Khả chống Xuất sắc Tốt Khá tốt nhiễu Lắp đặt Mất thời Mất thời Mất nhiều thời gia thiết gian thiết kế gian lập trình kế lắp đặt SV Thực hiện: Vũ Thanh Bình Lớp: TĐ1Đ12 Tốt Lập trình lắp đặt đơn giản Trang 10