Bài tập lớn điều khiển và giám sát nhiệt độ lò sử dụng plc s7 300 và wincc

LỜI NĨI ĐẦU Hiện sản phẩm cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Đặc biệt thành tựu khoa học kỹ thuật lại phát triển mạnh mẽ áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vực công nghiệp Nước ta thời kỳ độ lên chủ nghĩa xã hội vây việc áp dụng thành tựu khoa học giới mục tiêu cơng nhiệp hóa đại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa xã hội Là sinh viên nghành điện tử, sau năm tháng học tập trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Chúng em nhận thức ngành điện tử qua trọng thiếu cho môt lĩnh vực nào, quốc gia Khi đươc giao tập lớn, xác định công việc quan trọng để nhằm đánh giá toàn kiến thức mà tiếp thu, với đề tài “Điều khiển giám sát nhiệt độ lò” Đây đề tài phổ biến sản phẩm nghành điện Trong trình làm việc, với trình độ non trẻ kiến thức kinh nghiệm thực tiễn nên chúng em tránh sai sót Do chúng em mong muốn bảo thêm thầy đóng góp bạn bè để chúng em hoàn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn ! pg CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích Trong khn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển cảnh báo nhiệt độ cần giải vấn đề sau: - Tìm hiểu chung PLC loại PLC sử dụng - Tìm hiểu module mở rộng cho PLC sử dụng đề tài - Tìm hiểu loại cảm biến Alalog dùng để đo nhiệt độ loại sử dụng - Xây dựng thuật tốn điều khiển chương trình điều khiển * Phương pháp nghiên cứu: Do đặc thù tập lớn nên việc hoàn thành sản phẩm chạy thực tế gặp nhiều khó khăn Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa tài liệu kiến thức mạng kết hợp với kiến thức học mơn học để hồn thiện phần lý thuyết tập lớn, kết hợp mô phần dựa phần mềm mô máy tính 1.2 Phương pháp đo Ngày thị trường có nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa nhiều nguyên lý đo khác nhau; tìm loại cảm biến phù hợp với điều kiện yêu cầu điều không dễ dàng Trong khuôn khổ đồ án chúng em giới thiệu sơ lược số loại cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến chọn đồ án 1.2.1 Đo nhiệt độ trực tiếp a Cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện chế tạo dựa hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, chuyển nhiệt trực tiếp thành điện ngược lại, số kết nối hai vật dẫn điện khác Kết nối thường gọi cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ hai bên kết nối sinh hiệu điện hai bên kết nối ngược lại Bằng cách đo tính tốn hiệu điện người ta tính nhiệt độ vật cần đo b Nhiệt điện trở kim loại Điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ: pg Trong đó: l : chiều dài dây dẫn [m] A : tiết diện dây dẫn [m2] Ρ : điện trở suất [Ωm] Như điện trở dây dẫn kim loại thay đổi nhiệt độ thay đổi, thay đổi gần tuyến tính, người ta dung mạch điện để đo thay đổi điện trở này, từ tính thay đổi tương ứng nhiệt độ vật cần đo 1.2.2 Đo nhiệt độ gián tiếp a Nhiệt kế hồng ngoại Nhiệt kế hồng ngọai (IRT) gồm có thành phần: - Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom lượng phát từ bia (target) - Cảm biến có tác dụng chuyển đổi lượng sang tín hiệu điện - Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo thiết bị hồng ngọai với số xạ vật thể đo - Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo thay đổi nhiệt độ phía bên thiết bị không bị truyền đến ngõ Bộ phận nhiệt kế hồng ngoại cảm biến nhiệt điện Với cảm biến lượng xạ hồng ngoại hấp thụ chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu điện hiển thị hình tinh thể lỏng theo tỉ lệ qui đổi đổi tính hiệu Analog để truyền thiết bị điều khiển (PLC, vi điều khiển…) Trong đề tài chúng em chọn nghiên cứu cặp nhiệt điện để đo trực tiếp nhiệt độ lị sấy 1.3 Tìm hiểu chung PLC 1.3.1 Giới thiệu chung PLC PLC viết tắt Programmable Logic Controlle, 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 pg 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 sự, 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 dể dàng , ngơn ngữ lập trình dể học - Gọn nhẹ, dể 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 : 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 cơng nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm , định thời , ghi dịch … sau chức làm toán máy lớn … Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều Trong PLC, phần cứng CPU chương trình đơn vị cho trình điều khiển xử lý hệ thống Chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực viêc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức qui trình cơng nghệ , ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dể dàng mà không cần can thiệp vật lý so với dây nối hay Relay Hiện với phát triển ngành công nghiệp điện tử cho phép chế tạo hệ vi xử lý liên tiếp, dựa sở vi xử lý, điêu khiển logic có khả nẳng lập trình (PLC) đời, cho phép khắc phục nhiều nhược điểm hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC trở nên phổ biến cơng nghiệp tự động hố Có thể liệt kê ưu điểm việc sử dụng PLC gồm: - Giảm bớt việc đấu nối dây thiết kế hệ thống, giá trị logic nhiệm vụ điều khiển thực chương trình thay cho việc đấu nối dây - Tính mềm dẻo cao hệ thống - Bộ nhớ: Cổng ngắt đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm - Hệ điều hành Bộ đếm vào – Bộ định thời Bộ đếm Bit Cổng vào Onboard Quản lý ghép nối Bus PLC - Bộ nhớ vào ra: pg + Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điề u hành Bộ đế m vào-ra Cổng vào Onboard Cổng ngắ t đế m tố c độ cao Bộ đị nh thời Bộ đế m Bit Bus PLC Quả n lý ghép nối Nguyên lý chung cấu trúc PLC 1.3.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động PLC a Cấu trúc Tất PLC có thành phần : Một nhớ chương trình RAM bên ( mở rộng thêm số nhớ EPROM ) Một vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra Bên cạnh đó, PLC hồn chỉnh cịn kèm thêm mơt đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trình dạng hồn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị xách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phịng, chương trình pg kiểm tra sẳn sàng sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, … Đối với PLC cỡ nhỏ phận thường kết hợp thành khối Cũng có số hãng thiết kế PLC thành mô đun để người sử dụng lựa chọn cấu hình PLC cho phù hợp mà tốn nhất, đồng thời đáp ứng yêu cầu ứng dụng Một PLC có nhiều mơ đun thành phần phần cứng PLC có khối sau: Sơ đồ cấu trúc phần cứng lập trình PLC Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có khối là: Khối nguồn, khối vi xử lý – nhớ, khối đầu vào, khối đầu Thơng thường tín hiệu xuất nhập đầu dạng số (1- 0), cịn tín hiệu dạng liên tục ta cần gắn khối xuất nhập dạng liên tục (Analog) * Mô đun nguồn: (Moudule) Là khối chức dùng để cung cấp nguồn ổn định điện áp cho PLC hoạt động Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp 24V chiều Tuy nhiên có PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều * Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module): Bao gồm vi xử lý nhớ * Mô đun nhập: (Input Module) pg Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận thơng tin điều khiển bên ngồi dạng tín hiệu Logic tín hiệu tương tự Các tín hiệu Lơgic từ nút ấn điều khiển cơng tắc hành trình, tín hiệu báo động, tín hiệu quy trình cơng nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào PLC tín hiệu điện áp từ nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho lị tín hiệu từ máy phát tốc, cảm biến * Mô đun xuất (Output Module): Trong PLC Module xuất quan trọng khơng module nhập Nó có 16 ngõ mà Module xuất, người sử dụng kết nối nhiều module lại với để số ngõ phù hợp Đối với ứng dụng nhỏ cần 16 ngõ Những ứng dụng lớn dùng tới 26 256 ngõ Cũng giống Module nhập ngõ Module xuất tiếp điểm rơle, khả chịu tải lớn 220V/1A Nếu muốn khống chế phụ tải cơng suất lớn thơng qua thiết bị trung gian như: CTT Aptomat Triac… b Nguyên lý hoạt động PLC Chuyể n liệ u từ đầ u Q tới cổ ng Truyề n thông kiể m tra nhớ Chuyể n liệ u từ đầ u cổ ng vào tới đầ u vào I Thực hiệ n chươ ng trình Chu vịng qt CPU PLC Trong trình thực chương trình CPU làm việc với bảng ảnh Tiếp theo việc qt chương trình truyền thơng nội tự kiểm tra lỗi Vòng quét kết thúc giai đoạn chuyển liệu từ đệm ảo ngoại vi Những trường hợp cần thiết phải cập nhật module trình thực chương trình Các PLC đại có sẵn lệnh để thực điều Tập lệnh PLC chứa lệnh trực tiếp đặc biệt, lệnh tạm thời dừng hoạt động bình thường chương trình để cập nhật module ra, sau quay lại thực chương trình Thời gian cần thiết để PLC thực vòng quét gọi thời gian vòng 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 pg thực nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh chương trình thực hiện, vào khối lượng liệu truyền thơng vịng qt Một vịng qt chiếm thời gian quét ngắn chương trình điều khiển thực nhanh Nguyên lý hoạt động dựa phận sau : 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 Nếu môt modul đầu vào nhận địa Address Bus , chuyển tất trạnh thái đầu vào vào Data Bus Nếu địa byte đầu xuất Address Bus, modul đầu tương ứng nhận liệu từ Data bus Control Bus chuyển tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động PLC Các địa số liệu chuyển lên Bus tương ứng thời gian hạn chế Hê 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 118 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 pg 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 Với địa , 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 ÷ 16000 dịng 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 nuôi 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 không 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 khơng muốn mở rộng nhớ dùng thêm EPROM gắn bên PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi xóa EPROM Mơi trường ghi liệu thứ ba đĩa cứng hoạc đĩa mềm, sử dụng máy lập trình Đĩa cứng hoăc 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 ÷1000 dịng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả chứa từ 2000 ÷16000 dịng lệnh Ngồi cho phép gắn thêm nhớ mở rộng RAM, EPROM Các ngỏ 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 hiêu xử lý 12/24VDC 100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có địa chỉ, hiển thị trạng thái kênh I/O cung cấp bỡi đèn LED PLC, điều làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng đơn giản pg Bộ xử lý đọc xác định trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực việc đóng hay ngắt mạch đầu 1.3.3 Các hoạt động bên PLC a Xử lý chương trình Khi chương trình nạp vào nhớ PLC , lệnh vùng địa riêng lẻ nhớ PLC có đếm địa bên vi xử lý, chương trình bên nhớ vi xử lý thực cách lệnh một, từ đầu cuối chương trình Mỗi lần thực chương trình từ đầu đến cuối gọi chu Thời gian thực chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý PLC độ lớn chương trình Một chu lỳ thực bao gồm ba giai đoạn nối tiếp : • Đầu tiên, xử lý đọc trạng thái tất đầu vào Phần chương trình phục vụ cơng việc có sẵn PLC gọi hệ điều hành • Tiếp theo, xử lý đọc xử lý lệnh chương trình Trong ghi đọc xử lý lệnh, vi xử lý đọc tín hiệu đầu vào, thực phép tốn logic kết sau xác định trạng thái đầu • Cuối cùng, vi xử lý gán trạng thái cho đầu modul đầu b Xử lý xuất nhập Gồm hai phương pháp khác dùng cho việc xử lý I / O PLC : * Cập nhật liên tục Điều đòi hỏi CPU quét lệnh ngỏ vào (mà chúng xuất chương trình ), khoảng thời gian Delay xây dựng bên để chắn có tín hiệu hợp lý đọc vào nhớ vi xử lý Các lệnh ngỏ lấy trực tiếp tới thiết bị Theo hoạt động logic chương trình , lệnh OUT thực ngỏ cài lại vào đơn vị I / O, nên chúng giữ trạng thái lần cập nhật * Chụp ảnh trình xuất nhập Hầu hết PLC loại lơn có vài trăm I / O, CPU xử lý lệnh thời điểm Trong suốt trình thực thi, trạng thái ngõ nhập phải xét đến riêng lẻ nhằm dị tìm tác động chương trình Do yêu cầu relay 3ms cho ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên dài tăng theo số ngõ vào Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, ngõ I / O cập nhật tới vùng đặc biệt chương trình Ở đây, vùng RAM đặc biệt dùng đệm lưu trạng thái logic điều khiển đơn vị I / O Mỗi ngõ vào có pg 10