Cảnh báo mức nước dùng s7200 + em 235

Lời nói đầu: Trong thực tế yêu cầu về đo mức chất lỏng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực: - Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảm bảo lượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản - Công nghiệp sản xuất rượu, bia - Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí - Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện - Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm. - Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựa chọn các loại cảm biến khác nhau. Có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí, chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, ….Phổ biến là hai loại cảm biến siêu âm, cảm biến áp suất: Các cảm biến này biến các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tín hiệu điện được đưa về các bộ điều khiển, các bộ điều khiển này tính toán và đưa ra được chiều cao mức nước trong thực tế. Để đọc được tín hiệu Analog do cảm biến trả về ta có hai phương pháp khác nhau đó là dùng vi điều khiển và dùng PLC. Bản chất của vi điều khiển và PLC là như nhau vì nó cùng là bộ xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích và sử lí dữ liệu thu được. Trong điều kiện công nghiệp thì PLC tỏ ra có ưu thế hơn nhờ vào độ bề cao, chịu được điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao và dễ lập trình điều khiển. Vì vậy trong đồ án môn học này chúng em sẽ nghiên cứu ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể sử dụng cảm biến alalog là module mở rộng ADC của PLC. CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Mục đích Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau: - Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng - Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài - Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo mức nước và loại được sử dụng - Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển. *) Phương pháp nghiên cứu: Do đặc thù của đồ án nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽ gặp nhiều khó khăn. Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu và kiến thức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học để hoàn thiện phần lý thuyết của đồ án, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phần mềm mô phỏng trên máy tính. 1.2. Phương pháp đo. Ngày nay trên thị trường có tới trên 20 loại cảm biến đo mức khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng. Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án. 1.2.1. Cảm biến siêu âm Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra từ bộ biến năng áp điện, đến bề mặt của một vật liệu cần đo. Bộ truyền âm đo thời gian từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi. Thành công của phép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo. Những yếu tố như bụi, hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt; những chất tạo bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo những thông tin không mong muốn ở tín hiệu phản hồi. Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu âm, rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3). Chỉ có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt chất cần đo nhằm tạo ra những tín hiệu phản hồi về cảm biến. Điều này giải thích tại sao chất lượng không khí giữa bề mặt chất lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề mặt chất lỏng (hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặt cảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu sẽ góp phần vào sai số của phép đo. Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp cho những đối tượng với những yêu cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể biết trước. Khi lắp đặt chúng ta không được quên rằng bộ phát siêu âm chỉ có hiệu quả khi cảm biến đón nhận được tín hiệu phản hồi. 1.2.2. Rada dẫn sóng (GWR) Rada dẫn sóng là phép đo tiếp xúc sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao tần từ bộ biến âm đến vật cần đo. GWR hoạt động dựa trên nguyên lý bộ phản xạ miền thời gian (TDR). Với TDR, một xung sóng điện từ năng lượng thấp được dẫn dọc đầu dò. Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo, năng lượng xung sẽ được phản xạ về đầu dò và mạch đo sau đó phần xử lý tín hiện sẽ xử lý và tính toán mức chất lỏng hoặc dòng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung nhận về. Cảm biến có thể xuất tín hiệu ra là mức chất lỏng đã được phân tích thông qua hiển hiện tương tự; hoặc số. Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép đo độc lập với những tính chất lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc. Thêm vào đó, GWR hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng và môi trường rắn. GWR phù hợp với nhiều ứng dụng đo mức khác nhau. 1.2.3. Cảm biến áp suất. Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời trong ống phân phối và báo về ECU với độ chính xác thích hợp và tốc độ đủ nhanh. Cảm biến áp suất được đặt ở dưới đáy của bình. Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp suất ống thông qua một đầu mở và phần cuối được bịt kín bởi một màng cảm biến. Thành phần chính của cảm biến là một thiết bị bán dẫn được gắn trên màng cảm biến, dùng để chuyển áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu do cảm biến tạo ra được đưa vào một mạch khuyếch đại tín hiệu và đưa đến ECU. Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc: Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị. Sự biến dạng là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây ra sự thay đổi điện thế của mạch cầu điện trở. Điện áp thay đổi được khuyếch đại bởi mạch khuyếch đại và thay đổi trong khoảng từ 5mA đến 40mA. Sự thay đổi này sẽ được đọc bởi module mở rộng của PLC để trả ra giá trị digital, tùy theo độ phân giải được chọn mà giá trị digital trả ra có thể thay đổi. Từ giá trị digital đọc được ta có thể tính được giá trị áp suất đáy bình. Áp dụng công thức với P = áp suất đo được, ρ = khối lượng riêng, g = gia tốc trọng lực, h = chiều cao của cột chất lỏng ta có thể tính ngược lại được chiều cao của cột chất lỏng. Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ thống hoạt động đúng. Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suấ ống phải có sai số nhỏ trong quá trình đo. Trong dải hoạt động của động cơ, độ chính xác khi đo đạt khoảng 2%. Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn ECU. Với mục đích nghiên cứu module mở rộng Alalog cuả PLC, nhóm chọn cảm biến áp suất làm nhiệm vụ đọc giá trị mức nước. 1.3. Tìm hiểu chung về PLC 1.3.1. Giới thiệu chung về PLC PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau : - Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học . - Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa. - Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp . - Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp . - Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các mô Modul mở rộng. - Giá cả có thể cạnh tranh được. Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian .Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp . Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn. Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình . Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC . Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay . Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển logic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá. Có thể liệt kế các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm: - Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây. - Tính mềm dẻo cao trong hệ thống. - Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm. - Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra Onboard Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra: C ng ổ ng t và ắ c m tđ ốế caođ ộ + Kh i vi ố x lý ử trung tâm H+ ệ u hànhđi ề mB đ ộ ế vào-ra B nh đ ộ ị ith ờ B ộ đ m ế Bit c ơ C ng ổ vào ra Onboard Qu n lý ghép ả n i ố Bus c a PLC ủ Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC 1.3.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC a. Cấu trúc Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ). Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC . Các Modul vào /ra. Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, … Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối. Cũng có một số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựa chọn cấu hình PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ứng dụng. Một bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong bộ PLC bao giờ cũng có các khối sau: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra. Thông thường các tín hiệu xuất nhập đầu ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở dạng liên tục (Analog).  Mô đun nguồn: (Moudule) Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC hoạt động. Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp 24V một chiều. Tuy nhiên cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều.  Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module): Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ  Mô đun nhập: (Input Module) Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoài dạng tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự. Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút ấn điều khiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các quy trình công nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu điện áp từ các căn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho một lò nào đó hoặc tín hiệu từ máy phát tốc, cảm biến. Mô đun xuất (Output Module): Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng không kém module nhập. Nó có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sử dụng có thể kết nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp. Đối với những ứng dụng nhỏ thì cần 16 ngõ ra. Những ứng dụng lớn hơn có thể dùng tới 26 hoặc 256 ngõ ra. Cũng giống như Module nhập thì các ngõ ra của Module xuất là các tiếp điểm của rơle, khả năng chịu tải lớn 220V/1A. Nếu muốn khống chế phụ tải công suất lớn thì thông qua các thiết bị trung gian như: CTT. Aptomat. Triac… b. Nguyên lý hoạt động của PLC [...]... S7-200 hỗ trợ hai môdule đọc tín hiệu analog là EM2 31 và EM2 35 1.6.1 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG EM2 35 EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong) 1.6.2 Các thành phần của module analog EM2 35 Thành phần 4 đầu vào tương A+ , A- , RA B+ , B- , RB tự được kí hiệu bởi C+ , C- , RC các chữ cái D+ , D- , RD A,B,C,D 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO)... các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau :  Các đèn báo: Có 3 loại đèn báo hoạt động RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động STOP :đèn vàng báo hiệu PLC SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố Có 2 loại đèn chỉ thị : Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra -  Đặc điểm ngỏ vào Mức logic 1 : 24VDC/7mA Mức logic 0 : đến 5VDC/1MA Đáp ứng thời gian : 0.2ms Cách... phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ Hệ thống bus Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường 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 điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC Trong PLC các... dụng RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng... (đọc/ghi): I.O - I.15 Vùng Q (Output image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte Q (đọc/ghi): Q.O- Q.15 Vùng M (Internal memory bits): là vùng nhớ gồm có 32 byte M (đọc/ghi): M.O -M.31 Vùng V (Variable memory): Là vùng nhớ gồm có 10240 byte V (đọc/ghi): V.O - V.10239 Vùng SM: (Special memory): Là vùng nhớ gồm: 194 byte của CPU chia làm 2 phần: SM0 – SM29 chỉ đọc và SM30 – SM194 đọc/ghi SM200-SM549 đọc/ghi... ms Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều dài chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1÷ 10 µs 1.4 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN 1.4.1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG S7-200 PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens Cấu trúc S7-200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-200 gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module... số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ Analog output Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự Chẳng hạn như điều khiển... thấp và tuổi thọ lớn EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ... dạng dữ liệu a/ Dữ liệu đầu vào: - Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…) - Định dạng: + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA): MSB LSB 15 14 3 2 1 0 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng) ÷ thành giá trị số từ 0 32000 ± ± + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,): MSB LSB 15 4 3 2 1 0 Dữ liệu 12 bit 0 0... -32000 32000 b/ Dữ liệu đầu ra: - Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…) - Định dạng dữ liệu + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA): MSB LSB 15 14 4 3 2 1 0 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 0 0 ÷ Modul Analog output của S7-200 chuyển đổi con số 0 32000 thành tín hiệu ÷ điện áp đầu ra 0 10V + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ module Analog output của S7-200 không hỗ trợ MSB 15 Dữ . PLC S72 00 của SIEMEN 1.4.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG S7- 200 PLC S7- 200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7- 200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau .S7- 200. tính 1.4.2. CẤU TRÚC BỘ NHỚ S7- 200. Bộ điều khiển lập trình S7- 200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7- 200 có tính năng động. ). S7 200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau :  Các đèn báo: Có 3 loại đèn báo hoạt động - RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động - STOP :đèn vàng –báo hiệu PLC - SF (system