Quá trình hình thành phương pháp ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng chuẩn hóa được phần cứng p4 pot

Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 31 Trớc kia bộ PLC giá rất đắt 99USD với ít đầu vào/ra (I/O), khả năng hoạt động bị hạn chế và qui trình lập trình rất phức tạp. Vì những lý do đó mà nó chỉ đợc dùng cho những máy và thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và luận chứng. Ngày nay, với những tiến bộ vợt bậc của điện tử và tin học đã đem lại hiệu năng cao, tối thiểu hoá kích thớc và chức năng xử lý quá trình nhiều hơn nh các chức năng điều khiển chuyển động PID Analog, chúng đã mở ra thị trờng mới cho PLC. Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên PC (Personal Computer) đợc mở rộng với các tính năng thực. Thị trờng cho bộ điều khiển logic khả trình (PLC) trên toàn thế giới đang phát triển mạnh mẽ do các khu vực kinh tế tăng trởng nhanh và sự mở rộng ứng dụng ra ngoài lĩnh vực sản xuất. Thuật ngữ PLC hiện nay không chỉ nằm gọn trong tính năng lập trình và điều khiển Logic. Các tính năng truyền thông, bộ nhớ dung lợng lớn, và các CPU tốc độ cao đã làm cho PLC trở thành phần tử TĐH thông dụng đáp ứng tất cả các ứng dụng thị trờng PLC đang đợc mở rộng trên mọi lĩnh vực. 3.1.3. u điểm của việc sử dụng PLC trong tự động hóa Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính Logic với tốc độ cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ ms/vòng) rất nhanh so với thời gian vòng quét của một hệ DCS (Distributed Computer System). Ban đầu PLC chỉ quản lý đợc các đầu vào/ra số. Qua quá trình phát triển, ngày nay PLC đã đợc bổ sung thêm nhiều chức năng. * Khả năng quản lý đầu vào/ra Analog: Tuy có khả năng quản lý đợc đầu vào/ra Analog nhng số lợng quản lý đợc khá hạn chế, thuật toán xử lý trên các biến Analog kém, làm thời gian vòng quét tăng lên rất nhiều. * Khả năng truyền thông: Nhiều PLC hiện nay hỗ trợ giao thức truyền thông công nghiệp, chẳng hạn nh: PROFIBUS, AS - I, DeviceNet. Các đặc điểm này giúp cho PLC có thể nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn nh DCS (Distributed Computer System), hoặc cũng có thể kết nối với máy tính có phần mềm HMI tạo thành hệ PLC/HMI (Hypermedia Manufacturing Integrated) điều khiển giám sát và thu thập số liệu. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 32 * Chuẩn bị vào tác động nhanh: Thiết kế module cho phép thích nghi đơn giản với bất kỳ mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ kiện đã đợc lắp ghép thì bộ PLC vào t thế sẵn sàng làm việc ngay. * Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: Các linh kiện điện tử và bán dẫn có tuổi thọ dài hơn so với các thiết bị cơ. Độ tin cậy của PLC ngày càng cao và tuổi thọ ngày càng tăng do đợc thiết kế và tăng bền để chịu đợc rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn. Việc bảo dỡng định kỳ thờng là cần thiết đối với điều khiển rơle nhng với PLC thì điều này đợc loại bỏ. * Dễ dàng thay đổi chơng trình: Những thay đổi cần thiết cả khi bắt đầu khởi động hoặc những lúc tiếp theo đều có thể thực hiện dễ dàng mà không cần bất kỳ thao tác nào ở phần cứng. Chơng trình đợc đa vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình, thiết bị này không kết nối cố định với PLC và có thể chuyển từ thiết bị điều khiển này đến thiết bị điều khiển khác mà không làm xáo trộn các hoạt động. PLC có thể vận hành mà không cần kết nối với thiết bị lập trình sau khi chơng trình đợc tải vào bộ nhớ của PLC. * Đánh giá nhu cầu sử dụng: Nếu biết chính xác số đầu vào và đầu ra thì có thể xác định kích cỡ yêu cầu bộ nhớ (độ dài chơng trình) tối đa là bao nhiêu. Từ đó có thể dễ dàng, nhanh chóng lựa chọn loại PLC phù hợp. Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy tính. Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng. Các thiết bị để bàn có thể có bộ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và màn hình hiển thị. Các máy tính cá nhân đợc lập cấu hình nh các trạm làm việc phát triển chơng trình. * Khả năng tái tạo: Bộ điều khiển logic khả trình PLC đợc a dùng hơn các bộ điều khiển khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các hệ thống đã làm việc ổn định mà còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà ngời ta có thể thay đổi cải tiến trong quá trình vận hành. * Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với điều khiển rơle tơng ứng, kích thớc nhỏ cũng có nghĩa là tiết kiệm không gian tủ Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 33 và đặc biệt là tiết kiệm năng lợng tiêu thụ, giảm thiểu đáng kể yêu cầu về làm mát, nhất là trong điều kiện khí hậu của Việt Nam hiện nay. * Sự cải biến thuận tiện: Các PLC có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các qui tắc đang sử dụng, ngời vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, không cần nối lại dây. Nếu chỉ muốn thay đổi một bộ phận nhỏ trong dãy chức năng, có thể đợc cải tạo một cách đơn giản bằng cách sao chép cải biến thêm những phần mới. So với kỹ thuật điều khiển bằng rơle ở đây có thể giảm phần lớn tổng thời gian lắp ráp. Nhờ đó, hệ thống rất linh hoạt, hiệu quả. So với hệ thống điều khiển logic thông thờng (dạng kinh điển) thì hệ thống dùng PLC có những chỉ tiêu u việt. 3.1.4. Khả năng và những ứng dụng của bộ điều khiển logic khả trình PLC Sự phát triển nhanh chóng của các loại PLC đã đem đến sức mạnh và sự tiện dụng cho ngời dùng. Nó đã trở thành phần tử tự động không thể thiếu đợc trong tự động hoá với những chức năng và ứng dụng rộng rãi. * Thu thập tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (từ các cảm biến) từ đó xử lí các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ. * Thực hiện liên kết, ghép nối và đóng mạch phù hợp qua các chuẩn truyền thông. Trong các nhà máy công nghiệp, hệ thống TĐH đóng vai trò hết sức quan trọng. Với tính năng nổi bật của mình bộ điều khiển lập trình PLC đợc ứng dụng rất phổ biến. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 34 Bảng 3.1: Chức năng của PLC trong một số kiểu điều khiển Kiểu điều khiển Chức năng Điều khiển chuyên gia giám sát -Thay thế điều khiển kiểu Rơle - Thời gian đếm - Thay cho các Panel điêu khiển mạch in - Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình Điều khiển dãy - Thực hiện các phép toán số học - Cung cấp thông tin (Bus truyền thông) - Điều khiển động cơ chấp hành - Điều khiển động cơ bớc Điều khiển mềm dẻo - Điều hành quá trình và báo động - Phát hiện lỗi và điều hành - Ghép nối máy tính (RS232/RS485) - Ghép nối máy in - Mạch TĐH xí nghiệp Dới đây chúng tôi đa ra một số ứng dụng cơ bản: * Hệ thống điều khiển tự động trộn bê tông: Sử dụng phần mềm điều khiển Simatic S7 - 200 và phần mềm WinCC, quản lý toàn bộ các quá trình thi công, sản xuất và giao hàng tiết kiệm nguyên liệu, chi phí đầu t. Hệ thống cân định lợng của trạm trộn đảm bảo chính xác cao đã giải quyết triệt để các sai lệch động nhờ ứng dụng các thuật toán bù khối lợng. Thực tế sản xuất cho thấy, sai số sau bù lệch là 16Kg/11,95 tấn bê tông tơi, một kết quả vợt quá sự mong đợi. Hệ thống trộn bê tông tự động đã đợc các chuyên gia Nhật Bản và Cu Ba đánh giá cao, cho phép áp dụng ngay vào các dự án lớn của thành phố Hà Nội. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 35 * Mô hình đóng mở cửa tự động: Cửa tự động sẽ mở khi có ngời đến gần và kéo dài trong khoảng thời gian xác định, trớc khi đóng. Các tín hiệu vào hệ thống điều khiển xuất phát từ các bộ cảm biến dùng để phát hiện có ngời đến gần từ bên ngoài và sự đến gần của ngời từ bên trong. Các bộ cảm biến này là các linh kiện bán dẫn cảm biến nhiệt cung cấp tín hiệu điện áp khi bức xạ hồng ngoại tác động lên chúng. Ngoài ra, còn có các tín hiệu nhập đi vào thiết bị điều khiển này có thể phát ra từ công tắc giới hạn để cho biết thời điểm cửa mở hoàn toàn và thiết bị định giờ để duy trì cửa mở trong thời gian yêu cầu. Tín hiệu ra của thiết bị điều khiển có thể dẫn đến các van điều khiển, van khí nén vận hành bằng Solenoid sử dụng chuyển động của các pittông trong xi lanh để mở và đóng cửa. Mô hình này đã đợc ứng dụng vào toà nhà văn phòng Chính phủ và đã đợc những ý kiến phản hồi đáng khích lệ. 3.1.5. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển lập trình PLC Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập xuất và thiết bị lập trình. Thiết bị lập trình Bộ nhớ Bộ xử lí Giao diện xuất Giao diện nh ập Nguồn công suất Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống PLC Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 36 1. Đơn vị xử lý trung tâm CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chơng trình đợc chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chơng trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy đợc phát tới các thiết liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đều phụ thuộc vào chơng trình điều khiển đợc giữ trong bộ nhớ. 2. Hệ thống Bus Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đờng tín hiệu song song: Address bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu. Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC. Trong PLC các số liệu đợc trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus, Address Bus và Data Bus gồm 8 đờng, ở cùng thời gian cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Nếu một module đầu vào nhận đợc địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tơng ứng sẽ nhận đợc dữ liệu Data Bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC. Các địa chỉ và số liệu đợc chuyền lên các Bus tơng ứng trong một thời gian hạn chế. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạnh đó, CPU đợc cung cấp một xung Clock có tần số từ 1ữ8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yêu cầu về định thời, đồng hồ hệ thống. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 37 3. Bộ nhớ Là nơi lu dữ chơng trình cho các hoạt động điều khiển, dới sự kiểm tra của bộ vi xử lý. Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ: - Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) cung cấp dung lợng lu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định đợc CPU sử dụng. - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho chơng trình của ngời dùng. đây là nơi lu trữ thông tin theo trạng thái của thiết bị nhập/xuất, các giá trị của đồng hồ thời gian chuẩn, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào và ngõ ra, cùng với trạng thái các ngõ vào và ngõ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu đợc cài đặt trớc, và một phần khác dành để lu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn - Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình đợc (EPROM) là các ROM có thể lập trình, sau đó trơng trình này đợc thờng trú trong ROM. Ngời dùng có thể thay đổi chơng trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả các PLC đều có một lợng RAM để lu chơng trình do ngời dùng cài đặt và dữ liệu chơng trình. Tuy nhiên, để tránh mất mát chơng trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi đợc cài đặt vào RAM, chơng trình có thể đợc tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thờng là các module có khoá với PLC, do đó chơng trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có bộ đệm tạm thời, lu trữ các kênh nhập/xuất. 4. Bộ nguồn Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (5 V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong module giao diện nhập/xuất. Nguồn cung cấp cho PLC đợc cấp từ nguồn 220V~ hoặc 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz) hoặc 24 DCV. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 38 5. Thiết bị nhập/xuất Thiết bị nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin tới thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến Các thiết bị xuất có thể đến cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van Solenoid Các thiết bị nhập/xuất có thể đợc phân loại theo kiểu tín hiệu cung cấp, rời rạc Digital hoặc Analog. Các thiết bị cung cấp tín hiệu rời rạc hoặc Digital là các thiết bị có tín hiệu on hoặc off. Các thiết bị Analog cung cấp các tín hiệu có độ lớn tỷ lệ với giá trị của biến đang đợc giám sát. 6. Thiết bị lập trình Đợc sử dụng để nhập chơng trình cần thiết vào bộ nhớ của bộ xử lý. Chơng trình đợc viết trên thiết bị này, sau đó đợc chuyển đến bộ nhớ của PLC. 3.1.6. Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PLC Việc lập trình cho PLC đã ngày càng trở nên phổ biến ở Việt Nam hiện nay nhờ sự phổ cập PLC cho rất nhiều ứng dụng. Ngời lập trình có thể lập trình trên máy tính và viết ra các chơng trình theo yêu cầu cụ thể rồi nạp vào PLC để điều khiển 1 hệ thống nào đó. Quy trình thực hiện là : - Nghiên cứu yêu cầu điều khiển. - Phân định đầu vào và đầu ra. - Viết chơng trình điều khiển. - Nạp chơng trình vào bộ nhớ PLC. - Cho PLC chạy thử để điều khiển đối tợng. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 39 1. Nghiên cứu yêu cầu điều khiển của thiết bị Điều đầu tiên chúng ta phải quyết định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng tao muốn điều khiển. Mục đích chủ yếu của bộ điều khiển đợc lập trình hoá là để điều khiển 1 hệ thống bên ngoài. Hệ thống đợc điều khiển này có thể là 1 thiết bị, máy móc, hoặc quá trình xử lý và thờng đợc gọi là hệ thống điều khiển. Báo cáo tốt nghiệp tô kim hùng tự động 46 Trờng đhnni hà nội khoa cơ điện 40 2. Phân định những đầu vào và những đầu ra Tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra bên ngoài đợc nối với những bộ điều khiển PLC phải đợc xác định. Những thiết bị đầu vào là những chủng loại chuyển mạch, thiết bị cảm ứng những thiết bị đầu ra là những thiết bị từ tính, những van điện từ, động cơ và đèn chỉ báo Sau việc nhận dạng những chủng loại thiết bị đầu vào và đầu ra đó, phân công những số lợng phù hợp với số đầu vào (Input) và đầu ra (Output) nối dây thực tế sẽ kế tiếp theo số lợng của bộ điều khiên PLC. Sự phân định số lợng những đầu vào và những đầu ra phải đợc đa ra ngoài trớc việc nối đầu dây theo sơ đồ ladder bởi vì số lệnh là giá trị chính xác của những tiếp điểm trong sơ đồ ladder. 3. Viết chơng trình điều khiển Tiếp theo, viết chơng trình dới dạng sơ đồ ladder thông qua thứ tự thao tác hệ thống điều khiển nh đã xác định, theo từng bớc 1. Từ sơ đồ ladder có thể dịch sang các dạng khác để tiên theo dõi chơng trình. 4. Nạp chơng trình vào bộ nhớ Từ chơng trình đã viết và các đầu vào/ra xác định. Ta truy nhập chơng trình trong bộ nhớ hoặc bàn phím lập trình hoặc bằng máy vi tính với sự trợ giúp của công cụ phần mềm lập trình. Sau khi hoàn chỉnh phần lập trình, ta kiểm tra bất kỳ lỗi mã hoá nào bằng công cụ là chức năng chuẩn đoán mà nếu có thể đợc thì mô phỏng toàn bộ thao tác để thấy rằng nó đợc nh mong muốn. 5. Chạy thử các chơng trình điều khiển Để đảm bảo cấu trúc chơng trình và các tham số đã cài đặt là chính xác trớc khi đa vào hệ điều khiển, ta cần chạy thử chơng trình điều khiển. Nếu có lỗi hoặc cha hợp lý thì sửa khi chạy chơng trình điều khiển, tốt nhất ta nên ghép nối với đối tợng và hoàn chỉnh chơng trình điều khiển. . PLC trong một số kiểu điều khiển Kiểu điều khiển Chức năng Điều khiển chuyên gia giám sát -Thay thế điều khiển kiểu Rơle - Thời gian đếm - Thay cho các Panel điêu khiển mạch in - Điều khiển. làm cho PLC trở thành phần tử TĐH thông dụng đáp ứng tất cả các ứng dụng thị trờng PLC đang đợc mở rộng trên mọi lĩnh vực. 3.1.3. u điểm của vi c sử dụng PLC trong tự động hóa Ưu điểm của. trờng mới cho PLC. Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên PC (Personal Computer) đợc mở rộng với các tính năng thực. Thị trờng cho bộ điều khiển logic khả trình (PLC) trên toàn