Thiết kế hệ thống cân dùng PLC

1.4 GỚI THIỆU NỘI DUNG- Đề tài thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hệ thống cân định lượng là đề tàimang tính ứng dụng trong sản xuất.. - Ngày nay, với tiến bộ của khoa học kỹ thu

LỜI CAM ĐOAN

Hệ thống cân là một hệ thống được áp dụng rất nhiều trong các nhà máy sảnxuất Với những yêu cầu về định lượng sản phẩm một cách chính xác khi được đưavào quá trình sản xuất Từ những yêu cầu thực tế và lòng đam mê nghiên cứu các hệthống cân nên chúng em mạnh dạn chọn đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN DÙNG PLC” này để làmluận văn tốt nghiệp cho mình

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã nỗ lực hết sức, tuy nhiên sẽkhông tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong quyển báo cáonày là những hiểu biết và những thành quả của chúng em đạt được trong suốt quátrình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Ths.Nguyễn Hoàng Dũng

Chúng em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáoluận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trướcnào Nếu không đúng sự thật, chúng em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần Thơ, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

(ký tên và ghi họ tên)

này

Chúng em cũng xin cảm ơn đến những người bạn thân đã không ngại chia sẽ

về kinh nghiệm làm đề tài cũng như hỗ trợ các công việc để giúp nhóm em hoànthành tốt được luận văn này

Nhận xét của Giáo viên hướng dẫn



Cần Thơ, ngày … tháng … Năm Giáo viên hướng dẫn Ths Nguyễn Hoàng Dũng Nhận xét của Giáo viên phản biện 1 

Cần Thơ, ngày … tháng … Năm Giáo viên phản biện 1 Nhận xét của Giáo viên phản biện 2 

Cần Thơ, ngày … tháng … Năm Giáo viên phản biện 2 Mục lục .1

LỜI CAM ĐOAN 1

2

LỜI CẢM ƠN 2

Mục lục 5

Danh mục hình 7

Danh mục bảng 10

Kí hiệu và viết tắt 11

Tóm tắt 12

Abstract 13

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 14

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 14

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG 16

2.1.1 Khối lượng của một vật thể 16

2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật 16

2.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOADCELL) 17

2.2.1 Cấu tạo của một Loadcell 17

2.2.2 Mạch cầu Wheatstone 17

2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài 19

2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI LOADCELL CHUẨN CÔNG NGHIỆP 20

Thông số 21

Giá trị 21

Dãy đầu vào 21

1mV/V, 2mV/V, 3mV/V, 4mV/V, 10mV/V, 20mV/V, 30mV/V, 0-40mV/V 21

Dãy tín hiệu đầu ra 21

0-5V, 0-10V, 1-5V 21

Điện áp nguồn nuôi 21

12 – 24 VDC 21

Điện áp nguồn nuôi loadcell 21

10VDC, 100mA 21

2.4 MODUL MỞ RỘNG ANALOG EM231 21

2.4.1 Cấu tạo 21

2.4.2 Thông số kỹ thuật 22

2.5 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH 25

2.5.1 Khái niệm chung 25

2.5.2 Những đặc điểm của PLC 25

2.5.3 Phân loại PLC S7 200 25

2.5.4 Chức năng hình dạng bên ngoài PLC S7 200 CPU 224 27

2.5.5 Cấu trúc bên trong 27

2.5.6 Đặc điểm ngõ vào ra của PLC S7 200 28

2.5.7 Cáp truyền thông 29

2.5.8 Thực hiện chương trình 29

2.5.9 Phần mềm lặp trình của PLC S7 200 30

2.6 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC 6.0 SP2 36

2.6.1 Các đặc điểm chính của WinCC 36

2.6.2 Các chức năng chính của WinCC 37

CHƯƠNG III: THI CÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 38

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 40

3.1.1 Đấu nối PLC S7-200 CPU224 với Modul Analog EM231 40

3.1.2 Đấu nối Modul Analog EM231 với bộ khuếch đại MKcells, Loadcell với MKcells 41

3.1.3 Động cơ và mạch điều khiển động cơ 42

3.1.4 Thiết kế mô hình cơ khí 44

3.1.5 Cảm biến 51

3.1.6 Van khí nén 53

3.2.2 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống 55

61

3.2.3 Quy ước các ngõ vào ra cho PLC 62

3.2.4 Thiết kế truyền dữ liệu PC – Access 69

3.2.5 Thiết kế giao diện và điều khiển giám sát bằng WinCC 70

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ 78

4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 78

4.1.1 Phần cứng 78

4.1.2 Phần mềm 79

4.2 KIẾN NGHỊ 82

4.2.1 Giới hạn kết quả đề tài 82

4.2.2 Hướng phát triển 82

Phụ lục 83

Tài liệu tham khảo 85

Danh mục hình

Hình 2 6 Loadcell UWE dạng thanh 19

Hình 2 7 Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A 20

Hình 2 15 Vòng quét trong PLC S7 200 30

Hình 2 16 Mô tả lệnh Load 31

Hình 2 17 Mô tả lệnh Load Not 31

Hình 2 18 Mô tả lệnh đấu nối tiếp 31

Hình 2 19 Mô tả lệnh đấu song song 31

Hình 2 20 Mô tả lệnh Set và Reset 32

Hình 2 21 Mô tả lệnh TON 32

Hình 2 22 Mô tả lệnh Timer Off delay 32

Hình 2 23 Mô tả lệnh Timer ON có nhớ 32

Hình 2 24 Lệnh đếm lên được trình bày dưới dạng Ladder 33

Hình 2 25 Lệnh đếm xuống được trình bày dưới dạng Ladder 34

Hình 2 26 Lệnh đếm lên xuống 34

Hình 2 27 Mô tả lệnh gọi chương trình con 34

Hình 2 28 Mô tả lệnh nhảy 35

Hình 2 29 Các bước điều khiển chương trình 36

Hình 3 1 Các bước thiết kế mô hình định lượng 39

Hình 3 2 Sơ đồ điều khiển hệ thống 39

Hình 3 3 Sơ đồ đấu nối PLC, EM 231 và bộ khuếch đại 40

Hình 3 6 Cách đấu dây bộ khuếch đại loadcell 42

Hình 3 7 Mạch nguồn 12 VDC 3A 42

Hình 3 8 Mạch kích động cơ từ ngõ ra PLC 43

Hình 3 9 Hình chiếu đứng của phễu 45

Hình 3 10 Hình chiếu cạnh của phễu 46

Hình 3 11 Hình chiếu bằng của phễu 47

Hình 3 12 Hình chiếu đứng băng tải 47

Hình 3 13 Hình chiếu cạnh băng tải 48

Hình 3 14 Hình chiếu bằng băng tải 49

Hình 3 15 Bản vẽ mô hình cân định lượng 50

Hình 3 16 Cảm biến quang PZ2-41P loại PNP 51

Hình 3 17 Cách đấu dây cảm biến quang PZ2-41P 52

Hình 3 18 Cảm biến quang BYD30-DDT-T loại NPN 52

Hình 3 19 Cách đấu dây cảm biến quang BYD30-DDT-T 53

Hình 3 22 Quan hệ giữa khối lượng và giá trị AD đọc về 54

Hình 3 23 Lưu đồ chương trình cân 57

Hình 3 24 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống cân với tải trọng 2kg 60

Hình 3 25 Màn hình giao diện PC Access 69

Hình 3 26 Các biến đã khai báo hoàn chỉnh 70

Hình 3 27 Cửa sổ làm việc của WinCC 70

Hình 3 28 Cửa sổ liên kết các Tag giữa PC Access với WinCC 71

Hình 3 29 Giao diện đồ họa hệ thống định lượng 71

Hình 3 30 Cửa sổ thiết lập cho Alarm Logging 72

Hình 3 31 Tùy chọn màu cho các Alarm 73

Hình 3 32 Cửa sổ thiết lặp cho các biến trạng thái Tag Logging 73

Hình 3 35 Giao diện tạo bảo mật cho người dùng 75

Hình 3 36 Truy xuất dữ liệu ra Excel 76

Hình 3 37 Thiết lập chế độ hoạt động của chức năng WinCC 77

Hình 4 1 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh của cân 78

Hình 4 2 Giao diện điều khiển hệ thống tự động 79

Hình 4 3 Giao diện Web Navigator 80

Hình 4 4 Truy suất dữ liệu ra Excel 80

Hình 4 5 Biểu đồ thể hiện các biến trạng thái 81

Hình 4 6 Thay đổi các biến trạng thái tag logging 81

Hình 4 7 Theo dõi Alarm logging 82

Danh mục bảng

Bảng 2 1 Thông số Loadcell UWE 20

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật KM02A 21

Bảng 3 1 Linh kiện dùng trong mạch nguồn 12VDC 43

Bảng 3 2 Cách linh kiện dùng trong mạch kích động cơ 43

Bảng 3 3 Thông số cảm biến quang PZ2-41P loại PNP 51

Bảng 3 4 Thông số cảm biến quang BYD50-DDT-T loại NPN 52

Bảng 3 5 Quy ước các ngõ vào ra cho PLC 62

Kí hiệu và viết tắt

- PLC: Progammble Logic Control

- WinCC: Windows Control Center

- HMI: Human Machine Interface

- CPU: Central Processing Unit

- SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

Tóm tắt

Đề tài nêu lên một giải pháp thiết kế hệ thống cân định lượng trực tuyến dùngPLC PLC có nhiệm vụ đọc giá trị trọng lượng ở dạng tương tự từ ngõ ra củaLoadcell sau khi qua bộ khuếch đại Một chương trình được viết sẵn cho PLC đểđọc, thiết lập hệ thống cân, tính toán và giao tiếp với giao diện HMI (được lập trìnhtrên WinCC)

Giao diện HMI sẽ hiển thị trọng lượng cân của mỗi mẻ, tổng số mẻ cân đượctrong ca và các chức năng thiết lặp các thông số ban đầu cho hệ thống cân

Qua thời gian nghiên cứu thiết kế, cân chỉnh và vận hành thực tế Kết quảcủa hệ thống cân này có độ chính xác 6g

Với kết quả này, nhóm chúng em mạnh dạn đề nghị đề tài được nghiên cứu thêm

và đưa vào áp dụng trong sản xuất

±

Topic raised a design solution weighing systems used to quantify PLC online.PLC will read the value in the form of analog weight from the loadcell output afterpassing through the amplifier A written program available to the PLC to read, setweighing systems, computing and communication with HMI interface (programmed

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đồng bằng sông Cửu Long - dựa lúa lớn nhất cả nước, là một khu vực thuầnnông nghiệp rất phong phú về nhiều loại sản phẩm nông nghiệp Trong các nhà máyxay lúa, sau khi thành phẩm là gạo, người ta thường cho vào bao và sau đó đem lênbàn cân để xác định khối lượng Đây là phương pháp cân tĩnh truyền thống từ xưađến nay, phương pháp này gây tốn nhiều thời gian, nhân công, không lưu trữ dữ liệuchính xác khi cân với số lượng lớn, năng suất không cao, chưa áp dụng tiến bộ khoahọc kỹ thuật Bên cạnh đó, một số cơ sở được trang bị thiết bị điều khiển tự độngngoại nhập, có giá thành rất cao, không làm chủ được thiết bị này và các thiết bị nàykhông phù hợp với từng loại sản phẩm nông nghiệp cụ thể Để khắc phục khó khăn

trên, chúng em mạnh dạn đề xuất đề tài “Thiết kế hệ thống cân dùng PLC”.

- Phương pháp điều khiển và giám sát hệ thống thiết bị bằng phần mềm WinCC trêngiao diện HMI sẽ giúp người quản lý và điều khiển công việc hiệu quả hơn, nhanhhơn ít tốn thời gian và chủ động trong công việc

- Tính toán phương pháp cân động để khối lượng thu về một cách chính xác

- Toàn bộ trạng thái hoạt động và số liệu cân thu về được điều khiển và giám sáttrên máy tính thông qua phần mềm ứng dụng WinCC

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

- Theo thiết kế, hệ thống định lượng hai sản phẩm tiêu biểu là đậu và gạo vớikhối lượng là 2kg Tuy nhiên, hệ thống có thể cân nhiều sản phẩm dạng hạt khácnhư lúa, ngô, hạt tiêu, bắp, các loại phân bón dạng hạt,…Giới hạn độ chính xác cho

hệ thống cân là 6g

- Điều khiển và giám sát thiết bị trên máy tính Hiển thị khối lượng nguyên liệu thựctại và tổng khối lượng nguyên liệu, năng suất sẽ được hiển thị trên màn hình Tuynhiên việc tính tiền và in hóa đơn cho khách hàng nằm ngoài phạm vi đề tài Trên

cở sở này, đề tài có thể mở rộng cho các mô hình cân định lượng với công suất lớnhơn, ứng dụng nhiều hơn trong thực tiễn

±

1.4 GỚI THIỆU NỘI DUNG

- Đề tài thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hệ thống cân định lượng là đề tàimang tính ứng dụng trong sản xuất Hệ thống gồm một phễu lớn chứa nguyên liệuban đầu Nguyên liệu có thể được đưa từ băng tải, gàu tải, hoặc dùng sức con người.Sau đó nguyên liệu được đưa vào một phễu nhỏ dùng để định lượng Toàn bộ phễunhỏ được gắn trên đầu một cảm biến trọng lượng (loadcell) Một băng tải dùng đểchuyển thùng chứa tới, khi đến đúng vị trí đã định, cảm biến quang phát hiện, đènbật sáng, nguyên liệu sau khi cân với khối lượng định trước được đổ vào thùng vàbăng tải sẽ chuyển thùng chứa nguyên liệu này ra ngoài Phễu lớn dùng để chứa liệu

và cấp liệu cho phễu cân nhỏ Nếu khi hết liệu tới một mức giới hạn nào đó thì cảmbiến quang phát hiện báo hiệu đèn sáng để đưa liệu mới vào Nguyên liệu được đưavào phễu cân nhỏ gắn trên đầu loadcell Tín hiệu ngõ ra của Loadcell được đưa vềmodul Analog EM231 sau khi được khuếch đại lên nhờ bộ khuếch đại chuẩn côngnghiệp MKcells Tín hiệu này được đưa về PLC S7 200 xử lý và hiển thị trên mànhình HMI (được thiết kế bởi phần mềm WinCC 6.0 SP2)

- Hệ thống sử dụng phương pháp tính toán cân động để lấy khối lượng sản phẩmsao cho chính xác nhất Hệ thống sẽ được giám sát và điều khiển dựa trên phầnmềm WinCC Các miệng phễu được đóng mở thông qua điều khiển các xilanh dùng

để cân thô và chỉnh tinh

- Dựa trên khối lượng cần cân mà hệ thống tự động tính toán ra hai mức cân tươngứng như trên Ban đầu một lượng lớn nguyên liệu sẽ được đổ vào để cân gần với giátrị mong muốn thì van cân thô đóng lại Lúc này van cân tinh sẽ tiết lưu để đóngchậm nhằm đưa một ít nguyên liệu nữa để đủ trọng lượng cần cân thì van này sẽđóng lại Quá trình cân kết thúc

1.5 HƯỚNG GIẢI QUYẾT

• Bước 1:

- Tìm hiểu các mô hình cân động dạng hạt

- Tìm hiểu về loadcell, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Tìm hiểu module analog EM231

- Tìm hiểu PLC S7-200 Siemens và tập lệnh

- Tìm hiểu về PC Access, WinCC 6.0 SP2 các chức năng của WinCC

- Tìm hiểu về phần mềm và ngôn ngữ lập trình Step7 Microwin

- Thiết kế cơ khí, khí nén, mạch điện và xây dựng mô hình thực tế

- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu trên WinCC

- Viết chương trình điều khiển cho PLC

• Bước 2:Thiết kế cơ khí và lắp đặt cảm biến, van khí nén

• Bước 3: Kết nối PLC với bộ phận cơ khí của cân.

• Bước 4: Lập trình cho hệ thống cân, thiết lập thông số ban đầu cân 2 mức (thô

và tinh), giao tiếp với giao diện HMI

• Bước 5: Hiển thị kết quả cân trên giao diện HMI.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG

2.1.1 Khối lượng của một vật thể

- Khối lượng là thước đo về lượng nhiều hay ít hay mức độ đậm đặc (loãng hay đặc)của vật chất chứa trong vật thể Khối lượng được hiểu phổ thông nhất là sức nặngcủa vật trên mặt đất

Khối lượng của vật có thểđược tính từ tích phân toàn bộ

thể tích của vật với là khối lượng riêng (Nguồn: wekipedia.org)

Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lượng là kilogam (kg)

- Trọng lượng là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sứchút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lượng P = m.g ; g là giatốc trọng trường 9,8 m/s2 là một số cố định ở từng khu vực

- Các phương pháp đo khối lượng là dựa vào quan hệ này Có rất nhiều phươngpháp xác định khối lượng của vật, từ cổ điển đến hiện đại Tuy nhiên điều sai số làđiều khó tránh khỏi đối với các thiết bị cân khối lượng có cấu tạo đơn giản, thiết bịcân điện tử sẽ khắc phục được nhược điểm này Sau đây là một vài cách thức xácđịnh khối lượng của một vật

2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật

- Cân bằng đòn cân: một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân Các quả cânđược hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia chođến khi cân bằng Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng của các quả cân đặtlên

Hình 2 1 Cân bằng đòn cân

- Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịchchuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra Khối lượng chưabiết đặt trên bàn cân trên lò xo đã được hiệu chỉnh Lò xo di động cho đến khi lựcđàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết.Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối lượng chưa biết Ở các cân đồng hồchỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh

∫

= dV

≈

- Ngày nay, với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì các thiết bị cân điện tử ra đời đểxác định khối lượng của một vật từ rất nhỏ đến khối lượng tương đối lớn như: cânphân tích, cân vàng, cân xe tải, và đang được dùng rất phổ biến trong đời sống, sảnxuất.

- Để có được những bàn cân điện tử với độ chính xác cao thì các loại cảm biếntrọng lượng (cảm biến lực) được sử dụng với thiết bị này Các cảm biến trọng lượngdùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là Loadcell Đây là một kiểucảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng diđộng của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết

2.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOADCELL)

2.2.1 Cấu tạo của một Loadcell

- Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ được

xử lý đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage Khi vật chứng bị biến dạng dướitác dụng của trọng lượng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bịtác động

- Strain gage hay còn gọi là cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trởsuất (thường dùng hợp kim của Niken) có chiếu dài l và có tiết diện s, được cố địnhtrên một phiến cách điện như hình sau:

Hình 2 2 Cấu tạo Strain gage [1]

- Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng Strain gage, người ta dán chặt strain gagelên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biếndạng

- Các strain gage được dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng bềmặt của chi tiết cơ khí, đo ứng suất,…và được dùng để lắp mạch cầu Wheatstone đểchế tạo ra các loadcell

2.2.2 Mạch cầu Wheatstone

- Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Mạchcầu Wheatstone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở củacác strain gage) dưới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéocủa cầu

đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.

Hình 2 4 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp [7]

− + −

=

∆

∆+

R V

R R

R R

22

.2

1

0

∆+

∆+

Hình 2 5 Một số dạng loadcell [1]

2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài

Qua nghiên cứu và khảo sát các loại Loadcell hiện đang có trên thị trường, vàvào mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống định lượng nên chúng em đãnghiên cứu và sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơkhí và chịu tải trọng

Hình 2 6 Loadcell UWE dạng thanh

Bảng 2 1 Thông số Loadcell UWE

2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI LOADCELL CHUẨN CÔNG NGHIỆP

- Trong thực tế và trong sản xuất công nghiệp nếu liên quan đến định lượng dùngloadcell thì thiết bị thường đi kèm là bộ khuếch đại chuẩn cho loadcell Hoặc có thể

sử dụng bộ đầu cân chuẩn có tích hợp bộ khuếch đại cho loadcell, thông thường giácủa bộ đầu cân rất đắt tiền, nếu có ngõ ra analog thường giá rất cao, thích hợp dùngcho công nghiệp như: đầu cân MP30, XK3190-A9, FS1200a, FS8000a,

- Bộ khuếch đại loadcell thường có 2 loại: khuếch đại cho ra dòng hoặc áp, và loạichỉ cho ra áp như MKcells KM02, KM02A,

- Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại MKcells loại KM02A

Dãy đầu vào 0-1mV/V, 0-2mV/V, 0-3mV/V, 0-4mV/V, 0-10mV/V,

0-20mV/V, 0-30mV/V, 0-40mV/V

Dãy tín hiệu đầu ra 0-5V, 0-10V, 1-5V

Điện áp nguồn nuôi 12 – 24 VDC

Điện áp nguồn nuôi

loadcell

10VDC, 100mA

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật KM02A

2.4 MODUL MỞ RỘNG ANALOG EM231

2.4.1 Cấu tạo

- Trong thực tế các modul analog được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong cácnhà máy có dây chuyền sản xuất hiện đại, trong công nghiệp, trong các lĩnh vựcđiều khiển liên tục Ví dụ như điều khiển biến tần, điều khiển lưu lượng, nhiệt độ,

áp suất,…Trong đề tài này, chúng em ứng dụng modul analog EM 231 vào việc đokhối lượng, lấy tín hiệu khuếch đại từ Loadcell, biến đổi AD và truyền dữ liệu vềCPU 224 xử lý sau đó xuất kết quả lên giao diện WinCC

(Nguồn: www.candaithanh.com)

Hình 2 8 Modul Analog EM231 [9]

2.4.2 Thông số kỹ thuật

Hãng Siemen có rất nhiều loại modul analog mở rộng cho các loại PLC Dòng EM

231 của S7 200 có rất nhiều loại như: EM 231 TC, EM 231 RTC, EM 231

- Trong các loại trên thì mỗi modul được ứng dụng vào việc thiết kế riêng nhưmodul EM231 TC là modul chuyên dùng để đọc nhiệt độ từ thermocouple, EM231RTC modul chuyên dùng đoc nhiệt độ từ các cảm biến mà đầu ra của nó là điện trở,EM231 là modul đọc các tính hiệu analog nói chung có độ phân giải 12 bit

- Thông số kỹ thuật modul EM 231

Bảng 2 3 Thông số modul Analog EM 231 và EM 235 [9]

- Đối với modul analog EM231 có thể nhận tính hiệu analog là dòng hoặc áp Dạng

dữ liệu sau khi chuyển đổi từ tính hiệu analog sang digtal từ -32000 đến +32000hoặc từ 0 đến 32000, tất cả các thông số này có thể lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầucủa mỗi cảm biến và người dùng muốn cài đặt [8]

Hình 2 9 Các switch cho phép cấu hình modul EM231 [9]

Hình 2 10 Cấu trúc dữ liệu của word ngõ vào [9]

Bảng 2 4 Bảng cấu hình modul EM 231 [9]

2.5 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH

2.5.1 Khái niệm chung

PLC là chữ viết tắt của từ Programmable Logic Control, là bộ điều khiển logic

có thể lặp trình loại nhỏ của hãng Siemens (Cộng Hoà Liên Bang Đức) PLC S7 200

có cấu trúc kiểu module và có nhiều module mở rộng Các module này được sử

dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Thành phần cơ bản của PLC S7 200 là khối vi

xử lý CPU S7 200 có đến 7 module mở rộng, nếu dùng cho các ứng dụng cần đến

việc tăng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra analog, kết nối mạng (AS –I, Profibus) [2]

Hình 2 11 Hình dáng bên ngoài của PLC S7 200 [3]

- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính

- Độ tin cậy cao, kích thước gọn nhỏ

- Bảo trì dễ dàng

2.5.3 Phân loại PLC S7 200

Việc phân loại S7 200 dựa vào loại CPU mà nó được trang bị Các loại PLC

thông dụng như CPU 222, CPU 224, CPU 224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226

(có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 XP

Cổng mở rộng các ngõ vào ra của PLC

Led ngõ ra của PLC

Led ngõ vào của PLC

Thông thường S7 200 được phân ra làm hai loại chính dựa vào nguồn điện áp cấpcho CPU hoạt động

+ Loại cấp điện áp 220 VAC:

- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC)

Sau đây là bảng cung cấp cho chúng ta các thông số của các loại CPU của S7 200

Kích thước

(mm) 90x80x62 90x80x62 120,5x80x62 190x80x62

Bộ nhớ ROM 2048 Words 2048 Words 4096 Words 4096 Words

Bộ nhớ RAM 1024 Word 1024 Word 2056 Word 2056 Word

2.5.4 Chức năng hình dạng bên ngoài PLC S7 200 CPU 224

CPU 224 có 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng kết nối thêm 7 modul mở rộng

- Các đèn báo trên S7 200 CPU 224 (Hình 2.11)

+ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi

+ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN, chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiệnchương trình đã nạp vào máy

+ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP, chỉ PLC đang ở chế độ dừng chương trình vàđang thực hiện lại

2.5.5 Cấu trúc bên trong

Cũng như các loại PLC tiêu biểu khác, PLC S7 200 gồm có 4 bộ phận cơ bản:

bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất

- Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tínhiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong

bộ nhớ, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24 VDC) cầnthiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất

PLC

Sensors

SW

Bộ xử lý( CPU)

Bộ nguồncông suất

Giao diện nhập

Giao diệnxuất

Bộ nhớ

Thiết bị điều khiểnThiết bị lập trình

- Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới

sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Các thành phần giao diện nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bịngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từ cáccông tắc, các bộ cảm biến, nút ấn, Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộkhởi động động cơ, các van solenoid, bơm, đèn, chuông,

2.5.6 Đặc điểm ngõ vào ra của PLC S7 200

- Điện trở cách ly nhỏ nhất là : 100Mega Ohm

- Điện trở công tắc là: 200 mili Ohm

- Thời gian chuyển mạch tối đa: 10 ms

Hình 2 13 Sơ đồ I/O của CPU 224 với nguồn cấp là 24VDC [2]

kiểm tra lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộđếm ảo tới các cổng ra.

- Trong STEP7 MicroWin có 3 cách soạn thảo một chương trình: soạn thảo chươngtrình dưới dạng thang (Ladder), dạng câu lệnh STL (Statement list) và sơ đồ khốiFBD (Function Block Diagram) Trong 3 cách soạn thảo trên, soạn thảo chươngtrình bằng ladder là thông dụng nhất vì cho phép người lập trình quan sát đượcchương trình đang chạy một cách trực quan, việc chuyển đổi từ dạng soạn thảo nàysang dạng soạn thảo khác một cách dễ dàng

- Cấu trúc chương trình gồm: chương trình chính (Main program), chương trình con(Subroutine) và chương trình con phục vụ ngắt (Interrupt)

3 Truyền thông và

tự kiểm tra lỗi

4 Chuyển dữ liệu từ

bộ đệm ảo ra ngoại vi

Hình 2 16 Mô tả lệnh Load

+ Load Not (LDN): tiếp điểm thường đóng NC Lệnh LOAD NOT được dùng khitín hiệu vào không cần hiện hữu vẫn làm output ON Chương trình thí dụ: khi I0.0OFF thì Q0.0 ON

Hình 2 17 Mô tả lệnh Load Not

+ And (A): lệnh đấu nối tiếp một tiếp điểm NC Chương trình thí dụ: khi I0.0 ON,I0.1 OFF thì ngõ ra Q0.0 ON Nếu I0.0 và I0.1 đều OFF thì ngõ ra Q0.0 sẽ OFF

Hình 2 18 Mô tả lệnh đấu nối tiếp

+ Or (O): lệnh đấu song song một tiếp điểm NO Chương trình thí dụ: khi I0.0 vàM0.0 đều ON thì ngõ ra sẽ ON, nếu một trong hai tiếp điểm ON thì ngõ ra ON, nếu

cả hai đều OFF thì ngõ ra sẽ OFF

Hình 2 19 Mô tả lệnh đấu song song

+ Set – Reset (S - R): SET (Một khi điều kiện ON, hàm này sẽ giữ tiếp điểm ở ngõ

ra trạng thái ON cho dù điều kiện vào có OFF) RESET (Một khi điều kiện vào ON,hàm sẽ giữ trạng thái OFF cho dù điều kiện vào có ON)

+ Và còn nhiều lệnh về bít khác (Xem thêm phần phụ lục).

- Các lệnh về Timer: Có chức năng tương tự như các rơle thời gian, PLC S7-200 có

3 loại timer: TON (Timer ON Delay), TOFF (Timer OFF Delay) và TONR (Timer

ON Delay có nhớ) Và còn nhiều lệnh timer khác

+ Timer ON Delay: lệnh đếm thời gian khi ngõ vào cho phép ON, bit của Timer ONkhi giá trị hiện tại lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước (PT) và bit OFF khi ngõ vàoOFF hoặc gặp lệnh Reset

Hình 2 21 Mô tả lệnh TON

+ Timer OFF Delay: lệnh đếm thời gian giống như Timer ON Delay, nhưng khác ởchỗ bit của lệnh sẽ ON ngay lặp tức khi ngõ vào cho phép ON, khi ngõ vào chophép OFF thì sau khoảng thời gian đặt trước timer sẽ OFF

Hình 2 22 Mô tả lệnh Timer Off delay

+ Timer ON có nhớ (TONR): nguyên tắc hoạt động giống như Timer ON delay,nhưng khác nhau ở chỗ giá trị đặt của timer có thể được giữ mặc dù ngõ vào chophép đã OFF

Hình 2 23 Mô tả lệnh Timer ON có nhớ

- Giá trị độ phân giải

Timer Độ phân giải(ms) Giá trị đếm cực đại (s) Số hiệu Timer

TON, TOFF 1 32.767 T32, T96

Bảng 2 6 Các loại Timer và độ phân giải tương ứng [3]

- Các lệnh điều khiển Counter: Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xungtrong S7-200 Các bộ đếm của S7-200 được chia làm 3 loại: Bộ đếm lên (CTU), bộđếm xuống (CTD) và bộ đếm lên/xuống (CTUD) Và còn nhiều lệnh đếm khác+ Bộ đếm lên CTU: đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số lầnthay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu Số sườn xung đếm được, được ghivào thanh ghi 2 byte của bộ đếm

Hình 2 24 Lệnh đếm lên được trình bày dưới dạng Ladder

+ Bộ đếm xuống CTD: nguyên tắc hoạt động giống như lệnh đếm lên nhưng đếm sốxung xuống ở giá trị đặt trước đến khi bằng 0 thì bit của số hiệu sẽ chuyển trạngthái từ OFF lên ON Nếu ngõ vào LD lên mức 1 thì bộ đếm sẽ load giá trị đặt trước

và không thể đếm được

Hình 2 25 Lệnh đếm xuống được trình bày dưới dạng Ladder

+ Bộ đếm lên/xuống CTUD: đếm lên khi gặp sườn lên của xung vào, ký hiệu là CU

và đếm xuống khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm xuống, ký hiệu là CD Đầuvào Reset đặt lại trạng thái đầu của bộ đếm

Hình 2 26 Lệnh đếm lên xuống

- Lệnh gọi chương trình con và lệnh nhảy:

+ Chương trình con (Subroutine) là tập hợp một số lệnh để thực hiện một công việcnào đó, chương trình con được thực thi khi và chỉ khi có chương trình khác gọi nó

Có thể là chương trình chính hoặc từ một chương trình con khác

Hình 2 27 Mô tả lệnh gọi chương trình con

+ Lệnh nhảy (Jumper): Khi ngõ vào cho phép chương trình sẽ thực hiện lệnh nhảy,

sẽ nhảy tới nhãn tương ứng, khi đó đoạn chương trình ở giữa lệnh nhảy và nhãn sẽđược bỏ qua ở chu kỳ đó Ký hiệu của nhãn nhảy phải là một số nguyên n

Hình 2 28 Mô tả lệnh nhảy

- Các lệnh so sánh (Compare): Lệnh so sánh số học, so sánh hai byte, so sánh 2 số nguyên đơn hoặc số nguyên kép, so sánh 2 số thực,…Khi IN1 và IN2 thỏa điều kiện

so sánh trước đó thì tiếp điểm ngõ ra sẽ kín mạch

+ IN1 >= IN2 so sánh lớn hơn hoặc bằng

+ IN1 <= IN2 so sánh nhỏ hơn hoặc bằng

+ IN1 > IN2 so sánh lớn hơn

+ IN1 < IN2 so sánh nhỏ hơn

+ IN1 <> IN2 so sánh khác

- Các lệnh di chuyển (Move): Trong S7-200 có các hàm Move sau:

+ Move_B: di chuyển các giá trị cho nhau trong giới hạn 1 Byte

+ Move_W: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Word

+ Move_DW: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Dword

+ Move_R: di chuyển các giá trị thực cho nhau trong giới hạn 1 Dint

- Các lệnh số học (Integer Math, Floating-Point Math):

+ Lệnh ADD_I: cộng 2 số nguyên 16 bit

+ Lệnh SUBB_I: trừ 2 số nguyên 16 bit

+ Lệnh Mul_I, DIV_I: nhân, chia 2 số nguyên 16 bit

Tương tự ta có các lệnh đối với số thực, số nguyên 32 bit

- Các hàm chuyển đổi

+ B_I: Đổi từ Byte sang Int và ngược lại

+ I_DI: Đổi từ số nguyên 16 bit sang số nguyên 32 bit và ngược lại

+ DI_R: Đổi số nguyên 32 bit sang số thực

+ BCD_I: Đổi số BCD 16 bit sang số nguyên 16 bit và ngược lại

- Trong trường hợp việc đổi từ số dung lượng nhỏ sang dung lượng lớn hơn (như từByte sang Int, từ Int sang Dint, ) thì chương trình luôn thực thi

- Còn trường hợp ngược lại: Nếu giá trị chuyển bị tràn ô nhớ thì chương trình sẽkhông thực thi và Bit tràn SM1.1 sẽ bật lên 1

+ Phương pháp lập trình điều khiển

- Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình,cấu trúc của bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình

- Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển,không cần thay đổi cách đấu dây bên ngoài, đó là ưu điểm của phương pháp điều

- Phương pháp điều khiển lập trình thực hiên theo các bước sau

Hình 2 29 Các bước điều khiển chương trình

2.6 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC 6.0 SP2

2.6.1 Các đặc điểm chính của WinCC

- WinCC (Windows Control Center) là một phần mềm của hãng Siemens dùng đểđiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹpWinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế các giao diện Người vàMáy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (SupervisoryControl And Data Acquisition), với các chức năng chính là thu thập dữ liệu, giámsát và điều khiển quá trình sản xuất Những thành phần trong WinCC dễ sử dụng,giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trởngại nào [5]

- WinCC cung cấp các modul chức năng thường dùng trong công nghiệp như: hiểnthị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo

- Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của cáchãng khác như Misubishi, Allen Braddly, Siemens, thông qua cổng COM với

Xác định thật kỹ yêu cầu công nghệ

Liệt kê số đầu vào/ra cho PLC

Thiết kế giải thuật (Lập lưu đồ cho PLC thực hiện)

Viết chương trình điều khiển

Nạp chương trình vào bộ nhớ

Kiểm tra phần cứng cách đấu dây với thiết bị

Chạy thử - Kiểm tra

quá trình sản xuất Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển vàthu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ratrong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi các sự kiện.

- WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồhọa, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, các bảng ghi báo cáo, đápứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứngdụng trong thiết kế giao diện Người và Máy (HMI)[4]

2.6.2 Các chức năng chính của WinCC

+ Graphics Designer (Bộ thiết kế đồ họa): Thực hiện dễ dàng các chức năng môphỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC với nhiềuthuộc tính động

+ Alarm Logging (Cảnh báo): thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáotrong khi hệ thống vận hành Đảm trách các thông báo nhận được và lưu trữ Nóchứa các chức năng để nhận các thông báo từ các quá trình, để chuẩn bị, hiển thị,hỏi đáp và lưu trữ chúng Ngoài ra chức năng Alarm Logging còn giúp chúng ta tìm

ra nguyên nhân của lỗi

+ Tag Logging (Đồ thị): Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới dạng khácnhau Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiểnthị và lưu trữ các dữ liệu đó Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ

và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống

+ Report Designer (Báo cáo): Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kếtquả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện

+ User Achivers (Lưu trữ dữ liệu): Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từchương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động khác Điều

này có nghĩa các công thức, thông số trong chương trình WinCC có thể được soạnthảo, lưu giữ và sử dụng trong hệ thống

+ Web Navigator: Hệ thống quản lý, điều khiển và giám sát thông qua Internet giúpngười dùng có thể truy cập vào mạng hệ thống, có thể điều khiển hệ thông ở bất cứnơi đâu

+ WinCC sử dụng bộ công cụ thiết kế giao diện đồ họa mạnh như: Toolbox, cáccontrol, được đặt dễ dàng trên giao diện thiết kế Ngoài ra, để phục vụ cho côngviệc giám sát điều khiển tự động WinCC còn trang bị thêm nhiều tính năng mới màcác công cụ khác không có như:

- Các control thông qua hệ thống quản trị dữ liệu có thể gắn với một biến theo dõitrạng thái của hệ thống điều khiển Thông qua đó, tác động đến việc giám sát cáctrạng thái

- Thông qua hệ thống, thông điệp có thể thực hiện được những hành động tươngứng khi trạng thái thay đổi

WinCC tạo ra một giao diện Người-Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữacon người với các hệ thống máy tính, thiết bị điều khiển (PLC) thông qua các hìnhảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn Có thể giúp người vận hànhtheo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức, quá trình hoạtđộng, thể hiện các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thôngqua các hệ thống tự động.

Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các qui trình sản xuất vàcảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố Do đó WinCC là chương trình thiết kếgiao diện Người – Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống có quátrình tự động hóa phức tạp và hiện đại [6]

CHƯƠNG III: THI CÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Sơ đồ các bước thiết kế hệ thống:

CBHD: Ths Nguyễn Hoàng Dũng Trang 38 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp

Nguyễn Văn Tâm

Xác định yêu cầu của hệ thống

Vẽ sơ đồ chung cho hệ thống

Đấu dây cho PLC

Viết chương trình điều khiển

Nạp chương trình, kiểm tra

Kết nối PLC và WinCC thông qua PC

Tạo giao diện và điều khiển

Hình 3 1 Các bước thiết kế mô hình định lượng

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1.1 Đấu nối PLC S7-200 CPU224 với Modul Analog EM231

- Modul EM231 có 4 ngõ vào Analog RA, A+, A-, RB, B+, B-, RC, C+, C-, RD,D+, D- Do đề tài chỉ sử dụng duy nhất 1 loacell nên nhóm chỉ sử dụng ngõ vàoAnalog RA, A+, A-

Cách đấu nối như sau: L+ và M của EM231 đấu trực tiếp từ nguồn 24VDC trênboard thí nghiệm hoặc có thể lấy nguồn từ CPU 224 trên board thì nghiệm

Hình 3 3 Sơ đồ đấu nối PLC, EM 231 và bộ khuếch đại

Hình 3 4 Sơ đồ đấu dây cho modul EM231 [9]

- Kết nối port mở rộng (jack cắm cái) của EM231 vào port mở rộng của CPU 224