Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng định lượng điều khiển giám sát qua wincc s7 1200 đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Sinh viên thực : Bùi Mạnh Quân Ngày sinh : 12/08/2000 Lớp : DC.TĐH9.10 Ngành : CNKT Điều khiển tự động hóa Khoa : Điện- Điện Tử Khóa : Mã sinh viên : 187510303035 Bắc Ninh ,năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á Bùi Mạnh Quân ĐỀ TÀI: : Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Bắc Ninh ,Tháng 12 – 2022 TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200 Sinh viên thực hiện: Bùi Mạnh Quân-187510303035- DC.TĐH9.10 Tóm tắt nội dung: Chương 1: Tổng quan chung hệ thống cân định lượng Chương 2: Thiết kế phần cứng cho hệ thống Chương 3: Thiết kế phần mềm cho hệ thống Chương 4: Kết đạt phương hướng phát triển Kết luận cho đồ án NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Bùi Mạnh Quân-187510303035- DC.TĐH9.10 Chuyên ngành:Điều Khiển tự động hóa Tên đề tài đồ án: Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200 Đề tài thuộc diện: (nếu có) ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Bộ nguồn Loadcell kg, Adruino, HX711 PLC S7-1200 1211C DC/DC/DC Xy lanh khí nén, van điện từ, băng tải Nội dung: Đề tài gồm 03 sinh viên thực a Nội dung đề tài Chương 1: Tổng quan hệ thống cân định lượng Chương 2: Thiết kế phần cứng cho hệ thống Chương 3: Thiết kế phần điều khiển cho hệ thống Chương 4: Kết luận phương hướng phát triển b Nội dung sinh viên thực hiện: Khảo sát hệ thống cân định lượng Thiết kế lắp đặt mơ hình hệ thống Lập trình phần mềm cho hệ thống Các vẽ, đồ thị (ghi rõ loại kích thước vẽ): Bản vẽ sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch lực, giản đồ thời gian Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 30 / 06 /2022 Ngày hoàn thành đồ án: 30 / 09 /2022 Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Khoa Tự Động Hóa Người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quang Hùng PGS.TS Nguyễn Quang Hùng LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài: : Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200 tiến hành cách minh bạch, công khai Mọi thứ dựa cố gắng nỗ lực thân với giúp đỡ không nhỏ từ đơn vị… Các số liệu kết nghiên cứu đưa đồ án trung thực không chép hay sử dụng kết đề tài nghiên cứu tương tự Nếu phát có chép kết nghiên cứu đề đề tài khác thân tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm , ngày tháng năm Sinh viên thực Bùi Mạnh Quân LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Quang Hùng khoa Điện-Điện tử trường Đại Học Công Nghệ Đơng Á người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại Học Cơng Nghệ Đơng Á nói chung, thầy mơn kĩ thuật nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế học viên, đồ án tránh thiếu sót Em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức mình, phục vụ tốt cơng tác thực tế sau , ngày tháng năm Sinh viên thực Bùi Mạnh Quân MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG HỆ THỐNG CÂN BẰNG ĐỊNH LƯỢNG 1.1 Thực trạng hệ thống cân định lượng cơng nghiệp .1 1.1.1 Hệ thống đóng gói cân định lượng tự động 1.1.2 Hệ thống cân trọng tải phương tiện .2 1.1.3 Trong nhà máy sản xuất xi măng 1.1.4 Kết luận 1.2 Mục tiêu đồ án .5 1.3 Cơ sở lý thuyết hệ thống cân định lượng 1.3.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống cân định lượng 1.3.2 Cấu trúc chung hệ thống cân định lượng .6 1.3.3 Các biến đầu vào hệ thống 1.3.4 Bộ điều khiển hệ thống 1.3.5 Cơ cấu chấp hành 13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG 19 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .19 2.2 PLC S7-1200 CPU 1211C 20 2.3 Khối chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu 21 2.3.1 Loadcell .21 2.3.2 Module chuyển đổi ADC 24 bit - HX711 23 2.4 Mạch ADRUINO UNO R3 24 2.5 Màn hình hiển thị LCD .26 2.6 Động servo Tower Pro MG90S .26 2.7 Cảm biến quang 27 2.8 Nút nhấn đèn báo 29 2.8.1 Nút nhấn nhả 29 2.8.2 Đèn báo trạng thái .30 2.9 Các động thiết bị sử dụng hệ thống 31 2.9.1 Van điện từ ZGUA 4V110 06 .31 2.9.2 Xi lanh khí nén CDJ 2D16 45B 32 2.9.3 Động giảm tốc 33 2.9.4 Băng tải 33 2.9.5 Aptomat EKM-63S C25 34 2.9.6 Relay trung gian 35 2.9.7 Nguồn tổ ong .36 2.9.8 Module Relay 37 2.10 Sơ đồ mạch lực 38 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển .39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO HỆ THỐNG 40 3.1 Sử dụng phần mềm TIA Portal V16 40 3.2 Chương trình xử lý tín hiệu loadcell servo gạt sản phẩm 45 3.3 Giản đồ thời gian 51 3.4 Các tập lệnh sử dụng chương trình 52 3.5 Danh sách biến ngõ vào 56 3.6 Chương trình Code điều khiển PLC 56 3.7 Thiết kế giao diện giám sát WinCC S7 1200 .62 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 4.1 Kết đạt 63 4.2 Phương hướng phát triển đề tài 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy đóng gói cân định lượng tự động Hình 1.2: Hệ thống cân tải trọng tơ Hình 1.3: Cân băng định lượng sản xuất xi măng Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc chung hệ thống cân định lượng Hình 1.5: Cảm biến lực Hình 1.6: Cảm biến tiệm cận Hình 1.7: PLC số chức công nghiệp Hình 1.8: Dịng Siemens LOGO 10 Hình 1.9: Dịng Siemens S7-200 11 Hình 1.10: Dòng Siemens S7-300 S7-400 11 Hình 1.11: Dịng Siemens S7-1500 11 Hình 1.12: Dịng Siemens S7-1200 12 Hình 1.13: Cấu tạo xy lanh khí nén 14 Hình 1.14: Xy lanh tác động đơn 15 Hình 1.15: Xi lanh tác động kép 15 Hình 1.16: Xy lanh dạnh bánh quay 16 Hình 1.17: Động servo AC đồng động servo AC cảm ứng 17 Hình 1.18: Động Servo DC 18 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 19 Hình 2.2: PLC CPU 1211C DC/DC/DC 21 Hình 2.3: Cấu tạo loadcell 22 Hình 2.4: Loadcell 1kg 23 Hình 2.5: Modul chuyển đổi ADC 24 bit – HX711 23 Hình 2.6: Arduino Uno R3 24 Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối Loadcell, Hx711 Adruino 25 Hình 2.8: Sơ đồ chân LCD 26 Hình 2.9: Động servo Tower Pro MG90S 26 3.4 Các tập lệnh sử dụng chương trình Tiếp điểm thường hở Kí hiệu Khai báo Kiểu liệu IN Bool Miêu tả Công tắc thường đóng sử dụng vùng nhớ I, Q, M, L, D Để đọc ngõ vào sử dụng cấu trúc “:P” để sử dụng ngõ vào vật lý thay biến q trình Tiếp điểm thường đóng Kí hiệu Khai báo Kiểu liệu Miêu tả IN Bool Cơng tắc thường mở sử dụng vùng nhớ I, Q, M, L, D Để đọc ngõ vào sử dụng cấu trúc “:P” để sử dụng ngõ vào vật lý thay biến q trình Lệnh OUT Kí hiệu Khai báo Kiểu liệu Miêu tả Trạng thái ngõ kết xử lý phép toán logic sử dụng vùng nhớ I, Q, M, L, D OUT Bool Để đọc ngõ sử dụng cấu trúc “:P” để sử dụng ngõ vào vật lý thay biến trình 52 Lệnh nhận biết cạnh xung Kí hiệu Khai báo IN IN/OUT Kiểu liệu Miêu tả Bool Nhận biết xung cạnh lên tín hiệu đầu vào Bool Nhận biết xung cạnh lên tín hiệu đầu P TRIG (LAD/FBD): dịng tín hiệu ngõ Q trạng thái logic “TRUE” độ dương (từ OFF sang ON) phát trạng thái ngõ vào CLK (FBD) hay dịng tín hiệu CLK (LAD) Trong ngôn ngữ LAD, lệnh P TRIG khơng thể định vị vị trí khởi đầu hay kết thúc mạch Trong ngôn ngữ FBD, lệnh P TRIG định vị vị trí nào, ngoại trừ vị trí cuối nhánh Các lệnh ngưỡng sử dụng bit nhớ (M BIT) để lưu trữ trạng thái kề trước tín hiệu ngõ vào giám sát Một ngưỡng phát cách so sánh trạng thái tín hiệu ngõ vào với trạng thái bit nhớ Nếu trạng thái cho biết thay đổi tín hiệu theo hướng cần quan tâm sau ngưỡng thuật lại việc ghi giá trị ngõ “TRUE” Nếu không, ngõ ghi “FALSE” Lưu ý: Các lệnh ngưỡng đánh giá giá trị ngõ vào bit nhớ lần chúng thực thi, kể lần thực thi Ta phải tính đến trạng thái ban đầu ngõ vào bit nhớ thiết kế chương trình phép hay để tránh phát ngưỡng lần quét Do bit nhớ phải trì từ lần thực thi đến lần thực thi tiếp theo, ta nên dùng bit cho lệnh ngưỡng, không nên dùng bit vị trí khác chương trình Ngồi ta cịn nên tránh nhớ tạm thời nhớ mà bị tác động đến hàm hệ thống khác, ví dụ cập nhật I/O Chỉ sử dụng nhớ M, nhớ DB tổng thể hay nhớ Static (trong DB mẫu) cho việc gán vùng nhớ M_BIT 53 Bộ định trễ cạnh lên khơng nhớ - TON Kí hiệu: Khi ngõ vào IN tác động trì trạng thái cho phép TON hoạt động tới giá trị ET > PT ngõ Q đổi trạng thái lên mức Khi ngõ vào IN chuyển trạng thái từ Timer TON kết thúc hoạt động Tham số Khai báo Kiểu liệu Vùng nhớ Miêu tả IN IN Bool I, Q, M, L, D Cho phép định hoạt động PT IN Time I, Q, M, L, D số Giá trị đặt trước cho định Q OUT Bool I, Q, M, L, D Ngõ định ET OUT Time I, Q, M, L, D Giá trị hành định 54 Lệnh MOVE Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ OUT mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN Kí hiệu: Tham số Khai báo Kiểu liệu Vùng nhớ Miêu tả EN IN Bool I, Q, M, L, D Ngõ vào kích hoạt thực lệnh IN IN Int, Dint, Real, Word, DWord, Time… I, Q, M, L, D số Nguồn giá trị đến ENQ OUT Bool I, Q, M, L, D Ngõ chuyển đổi OUT1 OUT Int, Dint, Real, Word, DWord, Time… I, Q, M, L, D số Nơi giá trị chuyển đến 55 3.5 Danh sách biến ngõ vào 3.6 Chương trình Code điều khiển PLC Chương trình chính: 56 57 Chế độ Auto: 58 59 Chế độ Manual: 60 Output Q: 61 3.7 Thiết kế giao diện giám sát WinCC S7 1200 Hình 3.2: Giao diện giám sát Win CC cho hệ thống 62 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết đạt Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu tích cực đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cân định lượng”, nhóm em hồn thành đạt số kế chính, là: - Nắm quy trình cơng nghệ hệ thống cân định lượng cơng nghiệp - Tìm hiểu ngun lý hoạt động cách lựa chọn thiết bị điện phù hợp với yêu cầu Trên sở xây dựng mơ hình cân băng định lượng bao gồm: Hệ thống băng tải trang thiết bị cần thiết như: Bộ điều khiển PLC S7-1200, cảm biến lực loadcell, cảm biến tiệm cận, động giảm tốc - Xây dựng thuật tốn lập trình chương trình điều khiển cho PLC thiết kế giao diện chương trình điều khiển WinCC - Thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống sau: Hình 4.1: Mơ hình hồn thành 63 4.2 Phương hướng phát triển đề tài - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu tác động để nâng cao chất lượng hệ thống nhanh độ xác cao - Tích hợp hệ thống cân định lượng với hệ thống điều khiển trình cơng nghiệp - Phát triển thêm hệ thống giám sát WedSever ứng dụng thiết bị di động 64 KẾT LUẬN Hệ thống cân định lượng” đề tài nghiên cứu đòi hỏi cần nhiều thời gian nghiên cứu ứng dụng thực tiễn vào dây chuyền sản xuất dây chuyền sản xuất khác lại có loại sản phẩm yêu cầu cân định lượng sản phẩm khác Như em trình bày trên, yêu cầu hệ thống cân định lượng dây chuyền sản xuất khác Sau thời gian nghiên cứu thiết kế hệ thống cân định lượng Ngồi việc xây dựng mơ hình thực tế em hiểu thêm kiến thức thiết bị điện như: cấu tạo, đặc điểm kỹ thuật, nguyên lí hoạt động thiết bị PLC, cảm biến khối lượng Loacell, cảm biến quang, Relay… Qua hiểu cách điều khiển, lập trình kết nối thiết bị Tuy nhiên, giới hạn thời gian trình độ nên làm đồ án tốt nghiệp lần em không tránh khỏi hạn chế Em mong góp ý thầy bạn để xây dựng hoàn chỉnh tương lại Hệ thống cân định lượng có nhiều tính hơn, điều khiển tối ưu ứng dụng vào thực tiễn dây chuyền sản xuất 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://siemens-vietnam.vn/ [2] https://hoctudonghoa.vn/ [3] https://www.alldatasheet.com/ [4] https://www.arduino.cc/ [5] Sách tham khảo: “Tự dộng hóa PLC S7 1200 với TIA Portal” nhà xuất Khoa học kĩ thuật – Tác giả Trần Văn Hiếu [6] Sách tham khảo: “Thiết kế hệ thống HMI/SCADA với TIA Portal” nhà xuất Khoa học kĩ thuật – Tác giả Trần Văn Hiếu 66