ĐỀ TÀI số 01: Thiết kế Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò

ĐỀ TÀI số 01: Thiết kế Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò Đại học công nghiệp hà nội Đo nhiệt độ tại điểm đo T1 và T2 với nhiệt độ ổn định làm việc tại 310ºC, do đó cần có hệ thống điều khiển được nhiệt độ chính xác và ổn định. Từ yêu cầu trên nhóm em đi xây dựng Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò bao gồm các thành phần: 1. PC: Dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC, hoạt động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống. 2. PLC S7300: Điều khiển trực tiếp đối tượng. 3. WINCC màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc. 4. Đối tượng điều khiển: Lò hơi Điều khiển sự hoạt động của đối tượng thông qua module điều khiển analog bao gồm việc xuất tín hiệu điều khiển và thu nhận tín hiệu phản hồi (module này được gắn trên bộ S7300). Trong lò có 2 cảm biến để đo nhiệt độ của lò : • T1: Điểm đo 1 có dải đo 0400 º C, điểm làm việc là 310ºC • T2: Điểm đo 2 có dải đo 0800 º C Và hệ thống đèn báo: • RUN : Đèn báo hệ thống đang làm việc • LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ thấp ( nhỏ hơn 280ºC) • HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ cao ( lớn hơn 340ºC) • HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ cao ( lớn hơn 700ºC)

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI số 01: Thiết kế Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò

MÔN : ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

BỘ MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂNGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN VĂN HÙNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Nguyễn Văn LộcNguyễn Văn NghĩaNguyễn Duy NamHoàng Đình LươngLiểu Văn Minh

Mục lục

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Phân tích hệ thống và mô tả công nghệ 4

1.2 Phương pháp đo 5

1.2.1 Phương pháp đo tiếp xúc 5

1.2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu ( Thermocouples ) 5

1.2.1.2 Cặp điện trở 5

1.2.1.3 Nhiệt kế bán dẫn 5

1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc 5

1.2.2.1 Nhiệt kế bức xạ 5

1.2.3 Lựa chọn phương pháp đo 5

1.3 Tìm hiểu về PLC 6

1.3.1 Khái quát chung 6

1.3.2 Tìm hiểu PLC S7300 10

1.3.3 Các module và đối tượng mở rộng 11

1.3.3.1 Các module của PLC S7300 11

1.3.3.2 Module mở rộng SM334 15

1.4 Tìm hiểu về HMI ( WINCC, OPC) 15

1.4.1 Tìm hiểu về HMI 16

1.4.2 Tìm hiểu về Wincc 18

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20

2.1 Sơ đồ khối 20

2.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống 20

2.2.2 Thiết bị thu nhiệt độ trong lò 22

2.2.3 Chọn module analog cho PLC s7300 24

2.2.4 Chọn van điện tử 25

2.2.5 Các khối chức năng trong S7300 26

2.3 Sơ đồ ghép nối, giao tiếp giữa các thiết bị 29

2.3.1 Thiết bị giao tiếp máy tính 29

2.3.2 Sơ đồ đấu nối cảm biến vào module analog 30

2.3.3 Sơ đồ đấu dây 31

2.4 Xây dưng thuật toán 31

2.5 Xây dựng phần mềm 36

2.5.1 Bảng địa chỉ 36

2.5.2 Xây dựng chương trình 36

2.6 Thiết kế giao diện HMI 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 42

3.1 Kết quả đạt được 42

3.1.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết 42

3.1.2 Kết quả thực nghiệm 42

3.2 Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 42

3.2.1Hạn chế tồn tại 42

3.2.2 Phương hướng khắc phục 42

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Dựa vào hình vẽ công nghệ, phân tích yêu cầu và mô tả hoạt động.

 Yêu cầu:

Đo nhiệt độ tại điểm đo T1 và T2 với nhiệt độ ổn định làm việc tại 310ºC,

do đó cần có hệ thống điều khiển được nhiệt độ chính xác và ổn định

Từ yêu cầu trên nhóm em đi xây dựng Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò bao gồm các thành phần:

1 PC: Dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC, hoạt động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống

2 PLC S7-300: Điều khiển trực tiếp đối tượng

3 WINCC màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông

số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc

4 Đối tượng điều khiển: Lò hơi

Điều khiển sự hoạt động của đối tượng thông qua module điều khiển analog bao gồm việc xuất tín hiệu điều khiển và thu nhận tín hiệu phản hồi (module này được gắn trên bộ S7-300)

Trong lò có 2 cảm biến để đo nhiệt độ của lò :

 T1: Điểm đo 1 có dải đo [ 0-400] º C, điểm làm việc là 310ºC

 T2: Điểm đo 2 có dải đo [ 0-800] º C

Và hệ thống đèn báo:

 RUN : Đèn báo hệ thống đang làm việc

 LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ thấp ( nhỏ hơn 280ºC)

 HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ cao ( lớn hơn 340ºC)

 HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ cao ( lớn hơn 700ºC)

Tín hiệu đầu ra cảm biến đo nhiệt độ là tín hiệu tương tự sẽ được đưa và modul analog SM334 chuyển đổi tương tự - số A\D, tuân theo tín hiệu chuẩn

đồng thời truyền dữ liệu thu được hiển thị trên màn hình giám sát.

1.2 Phương pháp đo.

1.2.1 phương pháp đo tiếp xúc

1.2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu ( Thermocouples ).

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh một sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh,điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy đã cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T

1.2.1.2 Nhiệt kế nhiệt điện trở (THERMISTOR)

Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt

độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;

Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

1.2.1.3 Nhiệt kế bán dẫn

Nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loạicảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản và rẻ tiền

1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc

1.2.2.1 Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).

Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)

1.2.3 Lựa chọn phương pháp đo

Sau khi phân tích các phương pháp và thiết bị đo về ứng dụng thực tế và

sự phù hợp với yêu cầu của đồ án nên chúng em sử dụng cặp nhiệt ngẫu: Đây là dụng cụ đo nhiệt độ rộng rãi trong công nghiệp với nguyên lý làm việc :

 Hiệu ứng thomson: qua 1 dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây dẫn là T1-T2 thì sẽ có 1 sự hấp thụ - tỏa nhiệt

 Hiệu ứng pentier: khi đóng điện đi qua 1 mối nối của 2 dây dẫn thì tại

vị trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa t0

 Hiệu ứng seebeck: trong 1 dây dẫn bất kì khi có sự chênh lệch nhiệt độ tại 1 điểm thì ngay tại điểm đó xuất hiện 1 suất điện động

 Hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau

Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt ngẫu Cụ thể, chênh lệch nhiệt

độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và

ngược lại Hiệu ứng này là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và máyphát điện, không có các bộ phận chuyển động

Nguyên tắc, cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu dựa theo cơ sở thực nghiệm Khi nungnóng 1 dây kim loại hay 1 đoạn dây, tại đó tập trung điện tử tự do và có

khuynh hướng khuếch đại từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít Có nghĩa là từ đầu nóng (+) sang (-) (hiệu ứng seebeck) ở đoạn dây xuất hiện một suất điện động thomson phụ thuộc vào bản chất kim loại

Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, và có ít nhất là 2 mối nối một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lạitiếp xúc với đối tượng đo Cặp nhiệt ngẫu có cực âm và cực dương đánh dấu mầu đo tùy theo vật liệu chế tạo

1.3 Tìm hiểu PLC

1.3.1 Khái quát chung

PLC, (viết tắt của programable logic controller) là thiết bị điều khiển

logic lập trình được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Như vậy với chương trình điều khiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển và trao đổi thông tin với môi

trường bên ngoài ( PLC khác hoặc máy tính )

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAMbên 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

 Khối xử lý trung tâm:

Là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: Thực hiệnchương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống làmột phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số củaTimer, Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu củangười dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:

1 Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạpđược một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác

2 Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa cácchương trình ứng dụng cũng như dữ liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mấtđiện Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin

3 Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cầndùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tiacực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằngmáy nạp

4 Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này cóthể xóa và nạp bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanhghi (registers) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạpkhác nhau Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằmtrong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiểnngõ ra

 Cấu trúc PLC

Hình 1.1 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic

khả trình (PLC)

Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải

có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như

bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng (hình 1.8)

 Cách thức PLC thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi

là vòng quét (scan), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữliệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thựchiện chương trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từlệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End) Sau giai đoạnthực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Qtới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội

bộ và kiểm soát lỗi

Hình 1.2 Vòng quét chương trình

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thờigian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định tức là không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian như nhau Có vòng quét thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó

Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

Truyền thông và

kiểm tra nội bộ

VÒNG QUÉT

Thực hiện chương trình Chuyển dữ liệu từ Q

tới cổng ra

quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao

 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

Bảng 1.1 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

BOOL Với dung lượng 1 bit và có giá trị 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai)

BYTE Gồm 8 bit, thường được dùng để biểu diễn 1 số nguyên dương

trong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của 1 kí tự

WORD Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535

INT Cũng có dung lượng là 2 bytes dùng để biểu diễn số nguyên trong

khoảng -32768 đến 32767

DINT Gồm 4 bytes dùng để biểu diễn 1 số nguyên từ -2147483648 đến

2147483647

REAL Gồm 4 bytes dùng để biểu diễn 1 số thực dấu phẩy động

S5T Khoảng thời gian, được tính theo giờ/ phút/ giây/mili giây

TOD Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây

DATE Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày

CHAR Biểu diễn 1 hoặc nhiều ký từ (nhiều nhất là 4 ký tự)

 Các hãng sản xuất PLC:

- PLC ABB

- PLC Mitsubishi

Lựa chọn PLC sử dụng trong đề tài:

PLC SIEMENS SIMATIC S7 300 có ưu điểm sau:

- Tốc độ xử lý nhanh

- Cấu hình các tín hiệu I/O đơn giản

- Có nhiều loại module mở rộng cho CPU và cả cho các trạm remote I/O

- Cổng truyền thông Ethernet được tích hợp trên CPU, hổ trợ cấu hình mạng

và truyền dữ liệu đơn giản

- Kích thước CPU và Module nhỏ giúp cho việc thiết kế tủ điện nhỏ hơn

- Có các loại CPU hiệu suất cao tích hợp cổng profinet, tích hợp các chứcnăng công nghệ, và chức năng an toàn (fail-safe) cho các ứng dụng cao

- Bao gồm 7 loại CPU tiêu chuẩn, 7 loại CPU tích hợp I/O, 5 loại CPU safe cho chức năng an toàn, 3 loại CPU công nghệ

fail-1.3.2 Tìm hiểu PLC S7 300

 Cấu trúc bộ nhớ của CPU S7–300

Bộ nhớ của S7–300 được chia làm 3 vùng chính:

Bảng 1.2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU

Vùng

chứa

chương

trình ứng

OB (Organisation Block): miền chứa chương trình tổ chức

FC (Funcion): miền chứa chương trình con được tổ chức thành

FB (Function Block): miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này được xây dựng thành khối dữ liệu riêng (gọi là DB- Data Block)

Q (process image output): miền bộ nhớ đệm các dữ liệu cổng ra

số Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giátrị logic của bộ đệm Q đến các cổng ra số

M (Miền các biến cờ): chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu dữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M) byte(MB) từ (MW) hay từ kép (MD)

T : miền nhớ phục vụ miền nhớ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị thời gian tức thời (CV- Current value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian

C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter ) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước ( PV - Preset value ),giá trị đếm tức thời (CV - current value ) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm

PI: Miền địa chỉ cổng vào các module tương tự (I/O: external input ).Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ Chươngtrình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng kép (PID)

PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O - externaloutput) Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương

tự chuyển tới các cổng ra tương tự Chương trình ứng dụng có

thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ kép (PQD).

DB (Data block) Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành

khối, kích thước cũng như số lượng, khối do người sử dụng qui định và phù hợp với từng bài toán điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), từ kép (DBD)

L ( Local data block ): Đây là miền dữ liệu địa phương được các

khối chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biếnnháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với nhữngkhối chương trình đã gọi nó Nội dung của một số dữ liệu trongmiền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứngtrong OB, FC FB

Miền nhớ này có thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte(LB), từ kép LD

1.3.3 Các Module, đối tượng mở rộng

1.3.3.1 Các module của PLC S7-300

Module chính là module CPU Các module còn lại là các modulenhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyêndụng như các module PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung làmodul mở rộng Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack)

Hình 1.3 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300

 Module CPU

Hình 1.4 Hình ảnh module CPU 312Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có mộtvài cổng vào/ra số Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là

cổng vào/ra onboard.

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau Nói chung chúngđược đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314,modul 315

Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau vềcổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵntrong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổngvào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm

cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ modul 312 IFM,

modul 314 IFM

Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong

đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạngphân tán Các loại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng

thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ modul 315-DP,

315-2DP

CPU S7 – 300 cần dùng trong đề tài:

Bảng 1.3 CPU S7 - 300

CPU 312 Bộ nhớ làm việc 16KB, chu kì lệnh 0.1us, tích hợp sẵn

10DI/6DO, 2 xung tốc độ cao 2.5 Khz, 2 kênh đọc xungtốc độ cao 10 Khz

PS 307 2A: dòng ra 2A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230V tần số 50/60 Hz)

PS 307 5A: dòng ra 5A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230V tần số 50/60 HZ)

PS 307 10A: dòng ra 10A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha( điện áp vào 120/230V tần số 50/60 Hz)

DO (Digital output): modul mở rộng các cổng ra số, số các cổng

ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tùy theo từng loại modul Ví dụ:

SM 322 D0 16xDC24V/0.5A, SM 322 DO16xAC120/0.5A

DI/DO ( digital input, digital output): modul mở rộng các cổng vào ra số

Ví dụ: SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A, SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A

AI (Analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất chúng chỉ là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một tín hiệu số nguyên có độ dài 12bit Số các cổng vào có thể là 2,4 hoặc 8 tùy từng loại modul

AI/AO(Analog input, analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương tự Ví dụ: SM 334 AI4/AO2x12bit, SM 335 AO4/AO2x14/12bit

SM 334 modul mở rộng 4 ngõ vào 2 ngõ ra analog 12bit cho S7-300

có tích hợp bộ chuyển đổi ADC ( analog to digital converter)

Hình 1.6 Sơ đồ khối của module analog SM334Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông quaviệc xử lý các tín hiệu số

 Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nóchuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng đểkết 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 tínhiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiểncác thiết bị với dải đo tương tự Chẳng hạn như điều khiển Van mởvới góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0- 50Hz

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện

áp hoặc dòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lạithường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng,khối lượng Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian đểchuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết

bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến Để tiện dụng và đơn giản cáctín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module AnalogOutput tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến

là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện

- Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, ±5V…

- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ±10mA

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn

Vì vậyngười ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng vềchuẩn công nghiệp Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổinày thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảmbiến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo bộ transducer

1.4 Tìm hiểu vể HMI ( WINCC, OPC)

1.4.1 Tìm hiểu vể HMI

HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị Nói một cáchchính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc thì

đó là một HMI Cảm ứng trên lò viba là một HMI, hệ thống số điều

khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI,…

Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn thuần

Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra Một số có một HMI thô sơ: một hiển thị ASCII đơn hoặc hai dòng ASCII với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ Có rất ít các thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự

có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có độ phân giải cao cho quá trình lập trình

Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị

dạng cảm ứng Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điềukhiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình thiết kế

Một ưu điểm khác nữa của HMI hiện đại là hiển thị dạng tinh thể lỏng Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT , và do đó có thể Được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn

Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên

bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng

Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy

 HMI truyền thống bao gồm:

Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm… Thiết bị xuấtthông tin,đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy

 Nhược điểm của HMI truyền thống:

Thông tin không đầy đủ, không chính xác Khả năng lưu trữ thông tin hạnchế Độ tin cậy và ổn định thấp , đối với hệ thống rộng và phức tạp: độ

Do sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghệ điện tử, HMI ngày nay sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ.

 HMI hiện đại chia làm 2 loại chính:

HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác MobileHMI dùng Palm , PoketPC.,

 Các ưu điểm của HMI hiện đại:

Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin Tính mềm dẻo, dễ thayđổi bổ xung thông tin cần thiết Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng,

dễ vận hành và sửa chữa Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức Khả năng lưu trữ cao

 Các thành phần của HMI:

Phần cứng,Màn hình, Các phím bấm, vi xử lí Phần

Firmware:CPU,ROM,RAM,EPROM/Flash, …• Các đối tượng

Các hàm và lệnh Phần mềm phát triển: Các công cụ xây dựng HMI Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối Các công cụ mô phỏng Truyền thông: Các cổng truyền thông Các giao thức truyền thông

 Các thông số đặc trưng của HMI:

Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI.Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ Số lượng các đối tượng, hàm lệnh mà HMI hỗ trợ Các cổng mở rộng: Printer, USB , CF, PCMCIA, PC100

 Quy trình xây dựng hệ thống HMI:

 Lựa chọn phần cứng:

Lựa chọn kích cỡ màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông tin cảm biến hiển thị đồng thời Nhu cầu về đồ thị, đồ họa(lưu trình công nghệ ) Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển thị

 Xây dựng giao diện:

Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức Xây dựng các

màn hình Gán các biến số (tag) cho các đối tượng Sử dụng các đối tượng đặc biệt Viết các chương trình script (tùy chọn) Mô phỏng và chỉnh sửa chương trình Nạp phần mềm xuống HMI.

1.4.2 Tìm hiểu WinCC

WinCC (Windows Control Center) là một phần chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển (Human Machine Interface), xử lí và lưu trữ dữ liệu cho một hệ thống SCADA trên nền Windows (WinNT, WinXP,

WinVista 32bit ) WinCC là sản phẩm mà Siemens đã thuê Microsoft xây dựng và hiện tại bản mới nhất là bản WinCC7.0 Và vì vậy mà WinCC đã thừa hưởng bí quyết của Siemens - một công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa quá trình và năng lực của Microsoft - công ty hàng đầu trong lĩnh vực phát triển phần mềm cho PC WinCC có thể dễ dàng tích hợp trong các

hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau và cả những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lí việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) Thực tế thì WinCC đã và đang được ứng dụng trên khắp các hệ thống của Siemens trên toàn cầu

Các đặc điểm chính của WinCC:

 WinCC sử dụng các công nghệ và phần mềm tiên tiến do Microsoft luôn là người dẫn đầu trong phát triển công nghệ phần mềm

 WinCC có thể mở rộng một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp một cách linh hoạt, từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống với nhiều máy tính giám sát hay hệ thống có tính phân tán với nhiều máy chủ

 WinCC có hàng loạt các module phần mềm kèm theo giúp định hướng theo từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần

Tích hợp trong các bộ WinCC thường có các hệ quản trị cơ sở dữ liệu ODBC/SQL như Sysbase SQL hay SQL Server (ví dụ SQL Server2005 trong WinCC 7) Và có thể dễ dàng truy cấp tới CSDL của hệ thống bằng ngôn ngữSQL hoặc ODBC

WinCC cũng được tích hợp các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùngchuyển đổi các chương trình chạy trên nền Windows Các tính năng khác nhưActiveX control và OPC server chúng được tích hợp sẵn trong WinCC

Để lập trình sự kiện thì WinCC hỗ trợ ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI- C

WinCC hỗ trợ đa ngôn ngữ như Anh, Pháp, Đức và thậm chí cả một số ngôn ngữ châu Á, Mĩ cũng được tích hợp làm ngôn ngữ sử dụng

WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC do nó đã gắn sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp các loại PLC của Siemens như S5,S7,505 cũng như thông qua các giao thức chung như Profibus DP, DDE hay OPC Thêm vào đó các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn hay được lựa chọn bổ sung

WinCC là phần tử SCADA trong hệ thống PCS7 của Siemens (là một hệ thống điều khiển quá trình, một giải pháp tự động hóa được tích hợp toàn diện)

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối

2.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

 Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã đượcchuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình đã

có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC S7-300 CPU 313C)

 Khối cảm biến: là cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại JK và chuyên để

đo nhiệt độ trong lò

 Khối lò nhiệt là đối tượng cần đo, điều khiển có điểm đo nhiệt độ lò, và nhiệt độ đầu ra của lò , khi nhận thấy giá trị vượt ngưỡng cho phép thì có tín hiệu cảnh báo và thông qua khối giao tiếp người điều khiển có thể đóng/mở van nhiên liệu để thay đổi nhiệt độ trong lò

 Khối chương trình là máy tính giám sát, là môi trường trao đổi dữliệu giữa người vận hành và khâu xử lý trung tâm (ở đây ta sử dụngphần mềm WinCC v7.0 dùng để giám sát và Step7 dùng để quản lýPLC)

 Khối van điện từ điều khiển nhiệt độ lò bằng cách đóng mở theo %được điều khiển thông qua PLC

 Khối module Analog nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ chuyển tínhiệu về PLC

2.2 Chọn thiết bị cho các khối

2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm:

Thiết bị điều khiển lập trình (PLC – Programable logic controler) là thiết

bị điều khiển đặc biệt dự trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu giữ các lệnh, thực hiện các chức năng và thuật toán để điều khiển các quá trình có thể mô tả thiết bị như sau:

Chương trình

Tín hiệu Tín hiệu

ngõ vào ngõ raPLC