Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 1 lời nói đầu 1. Đặt vấn đề Nớc ta hiện nay đang trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nớc để từng bớc bắt kịp sự phát triển các nớc trong khu vực và trên thế giới. Công nghiệp sản xuất hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế. Việc ứng dụng tự động hóa là sự lựa chọn tất yếu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm có chất lợng cao, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trờng. Ngày nay, công nghệ điện tử và tin học ngày càng phát triển, đã góp phần nâng cao năng suất lao động một cách đáng kể. Đặc biệt là các bộ điều khiển chơng trình đợc tích hợp cao đã đáp ứng hầu hết các yêu cầu đề ra của nền sản xuất hiện đại với tốc độ sản xuất nhanh, chất lợng sản phẩm cao, ít phế phẩm, giá thành sản xuất hạ PLC là một bộ điều khiển chơng trình nh thế, nó đợc dùng để thay thế các thiết bị điều khiển cổ điển có tốc độ chậm và kém chính xác. Ngày nay PLC đợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp cũng nh nông nghiệp. Tuy nhiên trình độ phát triển và ứng dụng của nớc ta vẫn còn hạn chế do nhiều nguyên nhân kinh tế, đội ngũ cán bộ kỹ thuật giỏi còn ít trong lĩnh vực tự động hóa. Trong lĩnh vực nông nghiệp với sự phát triển vợt bậc về công nghệ giống cây trồng, vật nuôi đã tạo ra rất nhiều sản phẩm nông nghiệp dẫn đến nhu cầu ứng dụng kỹ thuật cao vào thâm canh trồng trọt và chăn nuôi. Hơn nữa là nhu cầu ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ vào dây chuyền chế biến lơng thực, thực phẩm từ sản phẩm nông nghiệp. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên và đợc sự phân công của bộ môn Điện Kỹ Thuật, sau thời gian thực tập tìm hiểu dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc ở công ty thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao tỉnh Ninh Bình, tôi đã thực hiện đề tài: ứng dụng PLC điều khiển mô hình khâu tinh lọc nớc dứa sau khi trích ép. Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 2 2. Nội dung đề tài Do thời gian và trình độ còn hạn chế cùng những lý do khách quan nên đề tài chỉ nghiên cứu những vấn đề sau: + Tìm hiểu về PLC phần cứng và phần mềm + Tìm hiểu dây chuyền hoạt động sản xuất nớc dứa cô đặc + Xây dựng mô hình điều khiển + Thiết lập lu đồ bài toán điều khiển mô hình + Viết chơng trình trên SIMATIC S7 200 + Thực hiện ghép nối mô hình với PLC 3. Mục đích đề tài Tên đề tài là ứng dụng PLC điều khiển mô hình khâu tinh lọc nớc dứa sau khi trích ép. Vậy nên mục đích của đề tài là tìm hiểu quy trình sản xuất nớc dứa cô đặc, tìm hiểu các thiết bị tự động hóa có trong dây chuyền. Trên cơ sở đó vận dụng lý thuyết đã học về PLC vào thực tế để xây dựng một mô hình điều khiển mô phỏng khâu tinh lọc nớc dứa trong dây chuyền sản xuất thực. 4. Phơng pháp nghiên cứu Từ yêu cầu đặt ra khi tiến hành làm đề tài, chúng tôi đa ra phơng pháp nghiên cứu nh sau: - Nghiên cứu các mô hình sản xuất đã có sẵn trong thực tiễn. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính tại Bộ môn Điện kỹ thuật Khoa Cơ Điện Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội. - Thành lập chơng trình điều khiển. + Dụng cụ, thiết bị thực hành: - Máy tính cá nhân PC ( Personal Computer ). Bộ mô phỏng, hệ thống cáp và dây nối thiết bị. - Bộ điều khiển S7 200 với khối vi xử lý CPU224. Chơng 1. nghiên cứu phơng pháp điều khiển và lập trình bằng plc Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 3 1.1. Những cơ sở để lựa chọn PLC trong hệ thống điều khiển tự động 1.1.1.Vai trò của plc PLC là thiết bị điều khiển logic lập trình đợc, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. PLC nh một máy tính nhng đợc thiết kế chuyên dụng cho điều khiển tự động các quá trình công nghệ. Trong một hệ thống tự động PLC đợc coi nh bộ não, nó xử lý toàn bộ hoạt động của hệ thống. Với một chơng trình nạp vào bộ nhớ theo yêu cầu bài toán, PLC sẽ điều khiển giám sát, ổn định các trạng thái của hệ thống, thông qua tín hiệu đợc truyền về từ đầu vào. Sau đó đợc xử lý theo chơng trình điều khiển nạp vào để đa ra quyết định điều khiển đến đầu ra theo yêu cầu bài toán. PLC có thể đợc sử dụng để điều khiển các thao tác đơn giản nh đóng ngắt các tiếp điểm lặp đi lặp lại, tạo thời gian trễ, tạo tín hiệu tơng tự Các PLC có thể đợc nối mạng với nhau để thực hiện các ứng dụng điều khiển phức tạp trong hệ thống tự động hóa. Các PLC sẽ đợc kết nối với máy tính chủ, thông tin đợc lu và xử lý bởi máy chủ rồi đa quyết định điều khiển tới các trạm PLC trung gian, từ đó các PLC trung gian điều khiển trực tiếp các thiết bị chấp hành. PLC đầu tiên xuất hiện vào năm 1969. Ngày nay chúng đợc sử dụng rộng rãi từ các thiết bị nhỏ độc lập sử dụng khoảng 20 đầu vào/ra digital, đến các hệ thống nối ghép theo module sử dụng rất nhiều đầu vào/ra, xử lý các tín hiệu digital hoặc analog. Ngoài ra, chúng còn thực hiện các chế độ điều khiển tỷ lệ - tích phân - đạo hàm (PID). Các phơng pháp lập trình truyền thống nh lập trình danh sách lệnh, hình thang hay lập trình khối hệ thống đang đợc ngày một hoàn thiện, dễ hiểu và đạt trình độ cao hơn. 1.1.2. u điểm của PLC trong việc điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 4 Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần thay thế các hệ thống điều khiển bằng rơle và contactor thông thờng, bởi nó có những u điểm vợt trội sau: + Linh kiện lắp ráp hệ thống là rất ít, dây dẫn kết nối giảm rất nhiều so với hệ thống điều khiển cổ điển nên hệ thống nhỏ gọn. + Công suất tiêu thụ nhỏ + Sự thay đổi cấu trúc hệ thống điều khiển rất dễ dàng đây chính là u điểm lớn nhất của PLC. Nhiệm vụ điều khiển có thể đợc thay thế rất dễ dàng bằng cách thay đổi chơng trình điều khiển nạp vào bộ nhớ của PLC thông qua phần mềm viết trên máy tính hay máy lập trình. + Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh. Nhờ công nghệ tích hợp bán dẫn và vi xử lý nên tốc độ hoạt động của PLC trong hệ thống điều khiển tự động đợc nâng lên rất nhiều so với hệ điều khiển cổ điển bằng dây dẫn. + Độ bền và độ tin cậy vận hành cao + Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. Nếu ở hệ thống rơle hay contactor khi số tiếp điểm tăng thì kéo theo rất nhiều dây dẫn và chi phí lắp ráp tăng, khó khăn trong công tác bảo trì, độ chính xác kém. Còn hệ thống lắp bằng PLC thì hoàn toàn có lợi về mọi mặt trên. + Dễ lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và có thể lập trình trên máy tính hay máy lập trình PG thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó. + Có các module rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết một cách rất dễ dàng và linh hoạt. Từ sự đánh giá trên ta nhận thấy PLC đã thể hiện rõ u điểm vợt trội của nó trong việc điều khiển tự động so với các thiêt bị điều khiển khác. 1.1.3. Giá trị kinh tế của PLC Khi sử dụng một phơng án thiết kế nói chung và trong điều khiển tự động nói riêng thì ngoài yếu tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến tính kinh tế của phơng án đó để xem phơng án đó có khả thi hay không?. Nếu phơng án đó khả thi cả hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế đều phải đảm bảo. Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 5 Dới đây là đồ thị so sánh đã đợc các nhà phân phối chế tạo thống kê giữa hệ thống điều khiển bằng rơle và contactor với hệ thống điều khiển bằng PLC. Hình1.1. So sánh kinh tế giữa hệ Rơle và PLC Từ đồ thị trên có thể nhận thấy rằng: về mặt kinh tế, việc sử dụng hệ PLC kinh tế hơn hệ rơle do tổng chi phí của một hệ PLC thấp hơn tổng chi phí cho một hệ rơle. 1.2. Khái quát chung về PLC 1.2.1. Bộ điều khiển logic khả trình(PLC) là gì ? PLC là bộ điều khiển logic theo chơng trình bao gồm: bộ xử lý trung tâm gọi là CPU, chứa chơng trình ứng dụng và các module giao diện nhập xuất. Khi có tín hiệu nhập vào CPU sẽ xử lý tín hiệu và gửi tín hiệu đến các thiết bị xuất. Bộ nhớ của PLC chứa các lệnh, thực hiện các chức năng nh phép tính logic, lập chuỗi, định thời gian, đếm và thuật toán điều khiển các quá trình. Chơng trình Tổng giá trị hệ Rơle Tổng giá trị của PLC Logic mạch cứng hệ rơle Phần cứng PLC Phần cứng hệ rơle - cuộn từ Lập trình PLC Giá tiền Số lợng đầu vào/ra Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 6 Tín hiệu ngõ vào Tín hiệu ngõ ra Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị logic khả trình 1.2.2. Cấu trúc phần cứng 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. a. Bộ xử lý, còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chơng trình đợc lu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. b. Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modul giao diện nhập xuất. c. Thiết bị lập trình đợc sử dụng để nhập chơng trình cần thiết vào bộ nhớ của bộ xử lý. d. Bộ nhớ là nơi lu chơng trình đợc sử dụng cho các hoạt động điều PLC Thiết bị l ập trình Bộ nh ớ Bộ xử lý Nguồn côn g suấ t Giao diện xuất Giao diện nhập H ình 1.3. Hệ thống PLC Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 7 khiển, dới sự kiểm tra của bộ vi xử lý. e. Các phần nhập và xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị ra. 1.2.3. Cơ cấu chung của hệ thống PLC Có hai kiểu cơ cấu thông dụng đối với các hệ thống PLC: kiểu hộp đơn, và kiểu modul nối ghép. Kiểu hộp đơn thờng đợc sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình cỡ nhỏ (hình vẽ 1.3 a). Kiểu modul gồm các modul riêng cho bộ nguồn, bộ xử lý (hình vẽ 1.3 b). Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao diện 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. Ưu điểm chính khi sử dụng máy tính là chơng trình có thể đợc lu H ình 1.4 a.Kiểu hộp đơn b. Kiểu môdul nối ghép ổ cắm cáp từ thiết bị giao tiếp lập trình Các ngõ vào Các ngõ ra Các modul nhập Các modul xuất Bộ xử lý Nối kết đến thiết bị giao tiế p l ập trình Bộ nguồn a b Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 8 trên đĩa cứng hoặc đĩa mềm và dễ dàng thực hiện các bản sao, nhợc điểm là việc lập trình thờng khó thực hiện. Các thiết bị giao tiếp lập trình cầm tay thờng có bộ nhớ đủ để lu giữ chơng trình trong khi vận chuyển từ vị trí này đến vị trí khác. 1.3. Tìm hiểu về cách lập trình bằng PLC S7 - 200 (CPU 224) 1.3.1. Cấu hình cứng của CPU 224 S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens (CHLB Đức), có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. PLC S7 - 200 có nhiều loại khác nhau gọi theo bộ xử lý CPU đợc sử dụng nh CPU 212, CPU 214 đến CPU 224, CPU 226 có tính năng và phát triển ngày càng hoàn thiện. Loại PLC tôi sử dụng trong đề tài là loại CPU 224, vì vậy tôi xin trình bày cấu trúc của CPU 224. * Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224: - Bộ nhớ chơng trình : 8KB - Bộ nhớ dữ liệu: 5 KB - Ngôn ngữ chơng trình : LAD, FBD, STL - Bảo vệ chơng trình : 3 mức password bảo vệ - 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao(30 kHz), bộ đếm A/B(tối đa 20 kHz), có thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và lùi. H ình 1. 5 . P L C S7 - 200 với khối vi xử lý 224 Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI 9 - 256 bộ Timer chia làm 3 loại có độ phân giải khác nhau: 4 bộ Timer 1ms, 16 bộ Timer 10 ms, 236 Timer 100 ms. - Số đầu vào/ra: có 14 đầu vào số, 10 đầu ra số - Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào tơng tự, 7 đầu ra tơng tự với 7 modul mở rộng tơng tự và số. - 2 bộ điều chỉnh tơng tự - 2 đầu phát xung tốc độ cao, tần số 20 kHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc PWM. Việc kết hợp đầu ra số tốc độ cao và bộ đếm tốc độ cao có thể sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển có phản hồi tốc độ. - Tốc độ xử lý logic 0.37 s - Các chế độ ngắt và xử lý ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo sờn lên hoặc sờn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao, và ngắt truyền xung. * Mô tả các đèn báo trên CPU - SP(đèn đỏ ): Đèn đỏ báo hiệu hệ thống bị hỏng. - RUN(đèn xanh): Đèn xanh chỉ định PLC làm việc và chơng trình đợc nạp vào máy. - STOP(đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng, dừng chơng trình đang thực hiện lại. - Ix.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng vào Ix.x. Đèn này báo tín hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. - Qx.x(đèn xanh): Đèn này báo hiệu trạng thái tức thời của cổng ra Qx.x, trạng thái tín hiệu đầu ra theo giá trị logic của cổng. * Cổng truyền thông S7 200 sử dụng cổng RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho máy lập trình (kiểu PPI) là 9600 baud. Tốc độ cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 đến 38400 baud. S7 200 khi ghép nối với máy lập trình PG702 hoặc các máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI , cáp đó kèm theo máy lập trình. . khẩu Đồng Giao tỉnh Ninh Bình, tôi đã thực hiện đề tài: ứng dụng PLC điều khiển mô hình khâu tinh lọc nớc dứa sau khi trích ép. Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46 Khoa Cơ Điện Trờng. nối mô hình với PLC 3. Mục đích đề tài Tên đề tài là ứng dụng PLC điều khiển mô hình khâu tinh lọc nớc dứa sau khi trích ép. Vậy nên mục đích của đề tài là tìm hiểu quy trình sản xuất nớc. vận dụng lý thuyết đã học về PLC vào thực tế để xây dựng một mô hình điều khiển mô phỏng khâu tinh lọc nớc dứa trong dây chuyền sản xuất thực. 4. Phơng pháp nghiên cứu Từ yêu cầu đặt ra khi