- Nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất nhôm định hình
Trang 1điểm nổi bật so những bộ điều khiển khác:
- Cạnh tranh được giá thành với các bộ điều khiển khác
- Thời gian lắp đặt công trình ngắn
- Dễ dàng thay đổi mà không gây tổn thất tài chính
- Cần ít thời gian huấn luyện
- ứng dụng điều khiển trong phạm vị rộng
- Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm
- Dễ bảo trì Các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ hơn và nhanh hơn
- Độ tin cậy cao
- Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển
- Thích ứng trong môi trường khắc nhiệt: Nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao
Nước ta là nước đang phát triển trên thế giới, muốn đi lên nước có nền công nghiệp phát triển khi Đảng và Nhà nước ta chủ động ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại trong quá trình sản xuất đấy nhanh công nghiệp hóa - hiện đại hóa
Trang 2đất nước Một trong những phương án tốt nhất và được sử dụng rộng hiện nay là thay thế những hệ thống cũ và lạc hậu bằng bộ điều khiển PLC Để phát triển mạnh hơn nữa, nhiệm vụ đặt ra hàng đầu là đào tạo những chuyên gia về tự động
điều khiển nói chung và về PLC nói riêng
Là một kỹ sư điện, công việc sẽ gắn liền với điều khiển, vận hành hệ thống sản xuất Như vậy, những hiểu biết về PLC sẽ tạo nhiều thuận lợi để làm việc tốt hơn Khi đang còn ngồi trên ghế nhà trường, việc tìm hiểu, nghiên cứu vững phương pháp lập trình bộ PLC rất có ý nghĩa và là điều kiện tốt nhất học hỏi, tích lũy kinh nghiệm
2 Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất nhôm định hình
- Nghiên cứu bộ điều khiển PLC của simatic S7 - 200, CPU 224
- ứng phần mềm Simatic S7 - 200 để thành lập điều khiển tự động quá trình cắt nhôm của dây chuyền sản xuất nhôm định hình
3 Nội dung đề tài
- Tổng quan về Nhà máy Nhôm Đông Anh thuộc Công ty Cơ khí Đông Anh
- Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất
- Cơ sở lý thuyết để thiết kế mô hình điều khiển tự động quá trình cắt nhôm
- Xây dựng mô hình điều khiển
4 Phương pháp nghiên cứu
- Các kết quả nghiên cứu kế thừa
+ Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của phần mềm lập trình Simatic S7 - 200
+ Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn
- Định hướng nghiên cứu
+ Nghiên cứu các phần mềm lập trình trên máy tính
+ Thay đổi phương pháp lập trình để tìm ra các phương pháp đơn giản,
dễ sử dụng và hiệu quả hơn
+ Thành lập chương trình điều khiển
Trang 3- Ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm kiÓm chøng
+ Ch¹y thö ch−¬ng tr×nh, ph¸t hiÖn lçi vµ hoµn thiÖn ch−¬ng tr×nh
- Dông cô thùc hµnh
+ M¸y tÝnh PC (Personal Computer)
+ Bé ®iÒu khiÓn Logic kh¶ tr×nh PLC S7 - 200, CPU 224
+ Bé m« pháng, cæng truyÒn th«ng RS485 vµ RS232
Trang 4Chương I Tổng quan 1.1 Tổng quan về Nhà máy nhôm Đông Anh thuộc Công ty Cơ khí Đông Anh 1.1.1 Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy và Công ty
Công ty Cơ khí Đông Anh (CKĐA) - một doanh nghiệp Nhà nước thuộc Tổng Công ty Xây dựng và phát triển hạ tầng - Bộ Xây dựng Ngày 26 tháng 6 năm 1963, theo quyết định số 955/BKT của Bộ Kiến trúc, Nhà máy cơ khí Kiến trúc Đông Anh được thành lập trên cơ sở thống nhất xưởng sửa chữa Công ty thi công cơ giới, bán cơ giới và tổ chức sản xuất một số phụ tùng thay thế để phục vụ cho việc sửa chữa
Năm 1978, Nhà máy cơ khí Kiến trúc Đông Anh được đổi tên thành Nhà máy cơ khí Xây dựng Đông Anh
Ngày 05 tháng 12 năm 1989, theo quyết định số 1010/BXD-TCLĐ của
Bộ Xây dựng, Nhà máy cơ khí Xây dựng Đông Anh được đổi tên thành Nhà máy cơ khí và đại tu ô tô máy kéo Đông Anh thuộc liên hiệp các xí nghiệp thi công cơ giới, Bộ Xây dựng
Ngày 20 tháng 01 năm 1995 theo quyết định số 998/BXD-TCLĐ của Bộ Xây dựng, Nhà máy cơ khí và đại tu ôtô máy kéo được đổi tên thành Công ty cơ khí Đông Anh
- Chế tạo sản phẩm đúc chất lượng cao và gia công cơ khí cho các ngành
Xi măng, nhiệt điện và các ngành khác trong nền kinh tế quốc dân
Trang 5- Sản xuất các thiết bị phi tiêu chuẩn, chế tạo các giàn không gian khớp cầu khẩu độ lớn
- Kinh doanh xăng dầu và dịch vụ cho hãng KOMAT’SU ( Nhật Bản)
- Liên doanh cùng tập đoàn SUMITOMO (Nhật Bản) đầu tư cơ sở hạ tầng khu công nghiệp Thăng Long
* Nhà máy nhôm Đông Anh có ba dây chuyền đùn ép nhôm tự động
được nhập từ Hàn Quốc ( 650 tấn, 1350 tấn, 1800 tấn) đã và đang sản xuất các sản phẩm nhôm định hình chính sau:
- Cửa sổ lùa hệ ĐA 70
- Cửa đi cánh lùi hệ ĐA 76
- Cửa đi cánh lùi và khung cố định hệ ĐA 76
- Cửa sổ cánh đơn hệ ĐA 40
- Cửa đi cánh đơn hệ ĐA 40
- Cửa sổ hai cánh hệ ĐA 40
- Cửa đi 2 cánh hệ ĐA 48
Trong đó có các nhóm sản phẩm đứng đầu Việt Nam đó là:
- Nhóm sản phẩm hợp kim đúc: Bi nghiền, vật nghiền và nhiều loại phụ tùng khác nhau chế tạo bằng thép đúc, gang đúc và các loại vật liệu khác phục
vụ cho ngành xi măng, nhiệt điện, sản xuất phân hoá học, mía đường, giấy và các ngành công nghiệp khác Công ty chiếm khoảng 85% tổng thị phần trong
Trang 6nước của nhóm sản phẩm này với tổng sản lượng bán xấp xỉ 5000 tấn sản phẩm/năm Và công ty xuất khẩu được hơn 500 tấn/năm
- Nhóm sản phẩm giàn không gian: Phục vụ cho việc xây dựng các công trình công cộng và nhà công nghiệp đòi hỏi khẩu độ rộng lớn không cần cột như các khu liên hợp thể thao, sân vân động, chợ, siêu thị, nhà máy Công Ty là doanh nghiệp duy nhất của Việt Nam đã đầu tư thiết bị đồng bộ, hiện đại của CHLB Đức để sản xuất, chế tạo 100% các thiết bị chi tiết của giàn không gian tại Việt Nam theo tiêu chuẩn Châu Âu Đồng thời, Công ty chiếm khoảng 95% tổng thị phần trong nước của nhóm sản phẩm này và bắt
đầu xúc tiến việc xuất khẩu sang các nước ASEAN
- Nhóm sản phẩm nhôm hợp kim định hình: Được sử dụng cho các tòa nhà cao tầng hay hộ gia đình Đây là nhóm sản phẩm mới được chế tạo bằng một dây chuyền công nghệ, thiết bị hiện đại như dây chuyền thiết bị đùn ép của hãng sản xuất hàng đầu trên thế giới UBE - Nhật bản và hệ thống dây chuyền anốt hoá, mạ cầu, phủ bóng E.D, sơn tĩnh điện, phủ film do tập đoàn Decoral System SRL Italia cung cấp Sản phẩm có chất lượng cao và đạt tiêu chuẩn Châu Âu
- Nhóm sản phẩm khác: Sản phẩm trục cán được chế tạo bằng thép đúc, gang cầu đúc và các loại hợp kim khác phục vụ cho các ngành luyện cán thép, mía đường, giấy Các sản phẩm phi tiêu chuẩn, nắp cống, máy nghiền quay, xilô các loại, coffa, cột chống, xích tải xích treo và kết cấu thép khác như hàng rào, đường ống, cầu thang
- Thương mại và dịch vụ: Công ty là đại lí bán hàng và thực hiện dịch vụ bảo hành máy xây dựng của hãng KOMATSU (Nhật Bản ), sửa chữa, đại tu xe máy, các sản phẩm nhập ngoại của ngành Xi măng, kinh doanh xăng dầu
- Hợp tác và liên doanh: Công ty cơ khí Đông Anh đã liên doanh với tập
đoàn SUMITOMO (Nhật Bản ) theo tỉ lệ vốn góp là 42/58 là chủ đầu tư Khu công nghiệp Thăng Long tại Hà Nội
Trang 71.1.3 Ưu điểm vượt trội của sản phẩm nhôm
1.1.4 Những thành tựu của Công ty
Trong hơn 40 năm hoạt động Cơ khí Đông Anh luôn tự hào là doanh nghiệp đứng đầu Việt Nam trên lĩnh vực: Sản xuất, kinh doanh dịch vụ và cả trên lĩnh vực cộng đồng CKĐA đã được Đảng, Nhà nước nhiều tổ chức có uy tín trong nước và quốc tế chứng nhận và trao tặng những chứng chỉ, bằng khen cao quý:
1 Nhà nước trao tặng: Huân chương lao động hạng nhất, nhì ba vào các năm 1999, 1992, 1984
2 Từ năm 1990 đến nay đã có 10 lần nhận bằng khen, cờ thi đua của
Bộ trưởng Bộ Xây Dựng
3 Bộ Khoa học, Công nghệ và môi trường trao tặng:
Năm 1997 bằng khen thưởng theo quyết định số 782/QĐ-KH ngày 20/6/1997 về nghiên cứu sản xuất bi nghiền xi măng
Năm 1998 tập thể cán bộ khoa học công nghệ được tặng giải nhì giải thưởng VIFOTEC
Trang 8Các Huy chương vàng tham gia Hội chợ triển lãm:
Ngày 22/3/2002 Bộ công nghiệp tặng cúp “Ngôi sao chất lượng” của Ban tổ chức Hội chợ triển lãm cơ khí - điện - điện tử - luyện kim 2002
Ngày 22/3/2002 Bộ Công nghiệp tặng huy chương vàng sản phẩm phụ tùng máy nghiền xi măng (bi đạn, tấm lót) và sản phẩm “Giàn lưới không gian dùng trong xây dựng”
Năm 2002 Tại Hội chợ Doanh nghiệp Việt Nam hướng tới ngàn năm Thăng long Hà Nội Doanh nghiệp được “Cúp Hà Nội vàng” cho sản phẩm bi đạn nghiền, phụ tùng máy nghiền, giàn lưới không gian dùng trong xây dựng
Tại Hội chợ Ngành Xây dựng Việt Nam 2003 Công ty được tặng cúp vàng VIET NAM CONEXPO 2003 cho đơn vị về các sản phẩm bi, đạn nghiền; sản phẩm tấm lót máy nghiền; sản phẩm giàn lưới không gian dùng trong xây dựng
Tại Hội chợ hàng VN chất lượng cao được tặng Cúp vàng Made in Viet Nam 2003 và chứng nhận hàng Việt Nam chất lượng cao phù hợp tiêu chuẩn cho sản phẩm bi, đạn nghiền; sản phẩm phụ tùng máy nghiền - Tấm lót; sản phẩm giàn lưới không gian dùng trong xây dựng; và chứng nhận quyền sử dụng dấu hiệu hàng Việt Nam chất lượng cao phù hợp tiêu chuẩn bi đạn nghiền, phụ tùng máy nghiền, giàn lưới không gian trong xây dựng
Năm 2004 tại Hội chợ “Hải phòng Hội nhập và phát triển” Bộ Khoa học công nghệ trao tặng cúp vàng cho sản phẩm giàn lưới không gian và trao tặng cúp vàng của triển lãm
4 Năm 2004: Cúp vàng vì sự phát triển cộng đồng
5 Năm 2004: Giải thưởng sao vàng đất Việt
6 Năm 2005: Ông Lại Văn Đàm - giám đốc công ty đạt danh hiệu doanh nhân Việt Nam
1.1.5 Tình hình sản xuất nhôm trong nước và ngoài nước
Những sản phẩm nhôm càng ngày càng có vị trí quan trọng trong cuộc sống và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Bởi vì, nhôm có những ưu điểm
Trang 9hơn so với nhiều vật liệu khác Sản phẩm nhôm được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp cần có vật liệu nhẹ đảm bảo độ chính xác
ứng dụng của việc sản xuất trên thế giới:
Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên
tố như đồng, kẽm, magiê, mangan Khi được gia công cơ - nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể
+ Các hợp kim nhôm tạo thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối luợng
+ Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bi hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn bị Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thuỷ tinh Các gương cầu, kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương
+ Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ
điện tử cảu mặt trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp
+ Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, tàu hoả, tàu biển, v.v.)
+ Nhôm siêu tinh khiết chứa 99,980%-99,999% nhôm được sử dụng trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD
+ Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn Các bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ, khi khô đi các bông nhôm sẽ tạo ra lớp kháng nước rất tốt
+ Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa và nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng
Trang 10+ Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao
ở Việt Nam, do nước ta chưa có đủ công nghệ để chế tạo ra các phôi nhôm đạt tiêu chuẩn quốc tế nên phần lớn các phôi nhôm đều được nhập từ các nước phát triển như Nhật, Hàn Quốc, úc Hiện nay, nước ta đang sản xuất các sản phẩm nhôm để phục vụ xây dựng hạ tầng, các công trình phục vụ đời sống con người trong nước, và cũng có xuất khẩu sang các nước khác với số lượng chưa lớn
1.2 Mục đích, ứng dụng và ý nghĩa của tự động hóa trong sản xuất nhôm định hình
- Mục đích
Việc Công ty thành lập ra Nhà máy Nhôm đã giải quyết phần lớn những sản phẩm nhôm xây dựng trước đây nước ta phải nhập từ nước ngoài, làm cho các công trình trong nước ngày được nội địa hóa và đồng thời giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm
Các sản phẩm mà Nhà máy sản xuất ra đều đạt tiêu chuẩn quốc tế ISO 9001: 2000
Trong khi phôi nhôm cấu tạo là hình trụ (có đường kính: 4 inch, 5 inch, 6 inch và dài 5,8 m) rất lớn nên khi thực hiện bằng phương pháp thủ công rất phức tạp và có độ chính xác không cao Chính vì vây, Nhà máy
đã sử dụng dây chuyền SUNK YUNG MACHINERY CO.LTD ( Đây là dây chuyền tự động hóa sản xuất nhôm hiện đại của Hàn Quốc) Dây chuyền được vận hành bằng hai chế độ: chế đô tự động (Auto) và chế độ bán tự động (Manu) Khi áp dụng dây chuyền tự động hoá này sẽ được
Trang 11thực hiện một cách dễ dàng và cho ra nhưng sản phẩm đảm bảo chất lượng
tự điều khiển quá trình sản xuất nhôm dựa trên những thông số mà con người nhập vào Khi có lỗi ở một khâu nào đó, ví dụ như phôi nhôm không đủ chiều dài để
đưa vào quá trình ép do người điều khiển đặt sẽ có đèn báo lỗi
Một ưu điểm rõ nét khi áp dụng công nghệ mới là giảm được nhân công đáng kể, chỉ có một số người rất ít đứng kiểm tra và điều khiển Chính vì vậy mà chi phí cho nhân công giảm đi rất nhiều Đặc biệt hơn là năng suất và chất lượng sản phẩm rất cao Các chỉ tiêu kỹ thuật được đảm bảo tuyệt đối
1.3 Mục đích và ý nghĩa điều khiển tự động quá trình cắt trong dây chuyền
Trang 12- Độ dài nhôm cần cắt phải đảm bảo độ chính xác
- Bộ phận ép chặt thanh nhôm để cắt phải đảm bảo chắc chắn trong quá trính cắt và không làm thay đổi hình dạng trước và sau khi cắt
1.5 Vai trò của ngành tự động hoá
1.5.1 Sự hình thành và phát triển của ngành tự động hoá
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành điện tử và công nghệ thông tin, các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng có những bước tiến vượt bậc Ngoài các dạng hệ điều khiển truyền thống, còn xuất hiện thêm các dạng hệ mới, ngày càng đáp ứng tốt hơn yêu cầu công nghệ
Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển tiến hành rộng rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ khí của thế giới trong những năm cuối của thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt (Agile Engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình (Visual Manufacturing System) kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) công nghệ Nanô đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà còn trong sản xuất loại nhỏ và đơn chiếc Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới như các loại máy móc điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ thống điều khiển theo chương trình lôgic PLC (Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất
Trang 13linh hoạt FMS (Flexble Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Integadted Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản phẩm hiện đại
1.5.2 Thành tựu và kết quả mang lại do áp dụng tự động hoá
- Dẫn hướng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm máy bay dân dụng, tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ tinh Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo được tính ổn định và chính xác dưới tác động của nhiễu
và môi trường và chính hệ thống
- Hệ điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự động đến mạch tích hợp Những thiết bị điều khiển bằng máy tính đã có độ chính xác định vị trí và lắp ráp rất cao để tạo ra nhiều sản phẩm có chất lượng tốt
- Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá trình sản xuất Hydrocacbon và nhiều chất hoá học khác Hệ điều khiển này xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành: van, cấp nhiệt, bơm để cho sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật
- Điều khiển hệ truyền thông bao gồm: hệ thống điện thoại và Internet Hệ thống
điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng lượng đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những sự cố đa dạng, phức tạp thường xẩy ra trong truyền thông
1.5.3 Công nghệ thông tin với tự động hoá
Công nghiệp luôn gắn với tự động hoá từ thủa sơ khai, khi đó công nghệ TĐH phát triển trên nền tảng kỹ thuật Analog Vài chục năm trở lại đây các thiết bị tính toán tốc độ cao ra đời, kỹ thuật số ứng dụng trong tự động hoá đã cho phép thay thế hầu hết những bộ điều khiển cứng xưa kia bằng thiết bị số
và phần mềm điều khiển Các thiết bị thu thập và xử lý số liệu ngày càng được ứng dụng rộng rãi, cấu thành những hệ thông minh điều khiển xử lý hàng chục ngàn tín hiệu vào/ra Khái niệm tin học công nghiệp (Industrial IT) đã chính thức khẳng định vai trò của công nghệ thông tin trong tự động hoá
Trang 14Tin học công nghiệp bao gồm phần cứng, phần mềm, thiết bị mạng và cả Internet Các hệ thống tự động hoá đã được chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam, chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ
điện, mạch điện tử tương tự, mạch điện tử số Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lí và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của công nghệ thông tin
Trong khi các hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ và tự động hoá quá trình quản lý, thì các hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để
điều khiển và tự động hoá quá
Trước kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ tham số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4 - 20mA để truyền tín hiệu đo về trung tâm xử lý Hiện nay đầu đo đã được tích hợp chíp vi xử lý, biến đổi ADC, bộ truyền dữ liệu số với phần mềm đo đạc, lọc số, tính toán và truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm Như vậy đầu đo đã
Rơle
Bán dẫn PLC
Trang 15được số hoá và ngày càng thông minh do chức năng xử lý từ máy tính trung tâm trước kia nay đã được chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng chương trình nhúng trong đầu đo Tương tự như vậy cơ cấu chấp hành như môtơ đã được chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ servo với các thuật toán điều chỉnh PID (Proportional Integral Derivative) tại chỗ và khả năng nối mạng số tới máy chủ Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển nay
được co gọn trong các PLC (Programmable Logic Controller) Các bàn điều khiển với hàng loạt đồng hồ chỉ báo, các phím, nút điều khiển, các bộ tự ghi trên giấy cồng kềnh nay được thay thế bằng một vài PC (Personal Computer)
Hệ thống cáp truyền tín hiệu Analog 4 - 20mA, 10V từ các đầu đo cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển bằng nhịp trước đây đã được thay thế bằng vài cáp đồng trục hoặc cáp quang truyền dữ liệu số Có thể nói công
nghệ thông tin “chiếm phần ngày càng nhiều” vào các phần tử, hệ thống tự
động hoá
Trang 161.6 Kết luận chương I
Trong tiến trình phát triển công nghiệp tự động hoá đóng một vai trò rất quan trọng, thuật ngữ này không còn xa lạ với nhiều người TĐH đã thâm nhập vào hầu hết các nghành nghề trong cuộc sống, từ sản xuất nông nghiệp, gia đình, giao thông vận tải Đặc biệt, TĐH không thể thiếu trong sản xuấtcông nghiệp Nó quyết định đến năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng và bảo đảm môi trường sống, dây chuyền càng hiện đại thì phế liệu càng ít, ô nhiễm càng giảm Công nghệ tự động hoá không những mang lại dây chuyền công nghệ cao tăng năng suất chất lượng sản phẩm mà còn phải giảm giá thành, tăng thu nhập cho người lao động Đó là những tiêu chí mà mọi ngành sản xuất phải đạt tới nhất là khi hoà nhập vào môi trường cạnh tranh quốc tế
Xuất phát từ tầm quan trọng của thực tiễn cuộc sống mà tôi đã tiến hành nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất nhôm của Nhà máy nhôm thuộc Công ty Cơ khí Đông Anh Qua nghiên cứu tổng quan chúng ta thấy được mục
đích và ý nghĩa to lớn của việc sản xuất nhôm định hình đối với các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng của nước ta Đặc biệt hơn, việc ứng dụng tự động hoá vào điều khiển một dây chuyền có quy mô sản xuất lớn, hiện đại là yêu cầu không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp Trên cơ sở kế thừa dây chuyền hiện có và những định hướng phát triển của Nhà máy là tiền đề quan trọng để tôi tiến hành nghiên cứu và thiết kế dây chuyền công nghệ mới cho phù hợp với yêu cầu sản xuất ngày càng cao của đất nước
Trang 17Chương I Xây dựng thuật toán điều khiển tự động
quá trình cắt nhôm 2.1 Quy trìn h côn g ngh ệ và ho t độn g củ a dây chuyền sản xuất nhôm định hìn h 2.1.1 Sơ đồ công nghệ của dây chuyền sản xuất nhôm định hình
Trang 20Chú thích:
KT 1: Kiểm tra sau ép
KT 2: Kiểm tra sau kéo
KT 3: Kiểm tra sau cắt thanh
KT 4: Kiểm tra khi hóa già
KT 5: Kiểm tra nhiệt độ dung dịch, độ PH, nồng độ hóa chất, chất lượng rửa nước
KT 6: Kiểm tra quá trình tiền xử lý sơn tĩnh điện
KT 7: Kiểm tra sản phẩm sau khi sơn
KT 8: Kiểm tra sản phẩm sau khi phủ Film
KT 9: Kiểm tra chuyển công đoạn bao gói sản phẩm sơn tĩnh điện
KT 10: Kiểm tra chuyển công đoạn bao gói sản phẩm Anốt
: Sản phẩm bạc
: Sản phẩm Anốt mạ màu không phủ bóng
: Sản phẩm Anốt mạ màu phủ bóng E.D
Trang 212.1.2 Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất nhôm định hình
Phôi nhôm có 3 loại φ 4 inch, φ 6 inch, φ 7 inch và dài 5.8 m (do nhà máy đặt hàng) được đưa vào lò gia nhiệt, trong lò nhiệt độ lên đến 5000C Sau
đó, phôi nhôm chuyển vào bộ phận cắt phôi (cắt bằng dao cắt thuỷ lực) Khi
có tín hiệu cắt thì bộ phận cắt sẽ tác động (phôi nhôm có chiều dài khoảng 27 cm), phôi được cắt sẽ chuyển xuống giá đỡ, đồng thời pittông thuỷ lực đẩy phôi nhôm còn lại về ống dẫn hướng (ống cấp phôi ban đầu) và tấm chắn được hạ xuống chắn bên ngoài ống dẫn hướng
Trong thời gian đó phần phôi được cắt chuyển xuống giá đỡ và chuyển sang máy đùn nhôm Khi giá đỡ nhôm được nâng lên đồng trục với pittông và pittông này sẽ đẩy phôi nhôm vào buồng nung (buồng nung làm nhôm được nung mềm và nhiệt độ trong buồng từ 5000C đến 6000C) để thực hiện việc ép
dễ dàng
Khi pittông ép nhôm với lực rất lớn, phôi nhôm đi qua khuôn để tạo hình với vận tốc 10 -70m/phút và nhiệt độ ở đó là 4730C sẽ có bộ phận kéo nhôm, bộ phận này chạy trên các rulô với tốc độ 28mm/sec đến độ dài xác định (do người vận hành đặt hay hết phôi) thì ở phía đầu có bộ phận ép thanh nhôm làm thanh nhôm cố định và dao cắt chuyển động tịnh tiến và cắt thanh nhôm
Khi cắt xong hệ thống rulô hạ xuống băng tải sẽ chuyển nhôm ra ngoài Khi đó bộ phận kéo thanh nhôm chạy về vị trí ban đầu với tốc độ 80mm/sec tiếp xúc với 3 tiếp điểm làm cho động cơ chuyển động chậm và bộ phận kéo thanh này dừng lại ở đối diện với bộ phận cắt
Nếu trong buồng nung hết phôi thì pittông ép được kéo ra và buồng nung nóng nhôm cũng được tịnh tiến lùi và gạt công tắc hành trình làm cho dao phía trên cắt sát phần phôi nhôm thừa ở đầu khuôn nhôm, phần thừa này sẽ được chuyển xuống thùng phế liệu làm dưới lòng đất Sau khi cắt xong buồng nung
được tịnh tiến sát với khuôn nhôm và tác động vào tiếp điểm làm bộ phận chuyển phôi từ giá đỡ lên đồng trục pittông ép và tiếp tục quá trình ép nhôm
Trang 22Khi giá đỡ chuyển xuống thì tác động cho bộ phận cắt nhôm tiếp tục hoạt động cắt phôi nhôm
Khi băng tải chuyển nhôm sang khâu kéo căng thanh nhôm (kéo bằng thuỷ lực) gồm một đầu giữ chặt một đầu của thanh nhôm, đầu kia giữ và kéo căng thanh nhôm với một lực được nhà sản xuất đặt sẵn tương ứng với từng loại thanh nhôm Kéo căng thanh nhôm có tác dụng làm thẳng và tăng mômen uốn Sau khi kéo căng sẽ có bộ phận (con người) kiểm tra sau kéo
Nếu kiểm tra kéo đạt yêu cầu, băng tải chuyển sang khâu cắt thanh Bộ phận này sẽ cắt thanh nhôm theo nhiều đoạn khác nhau (3m, 4m, 5m, 6m, 7m) Và sau khi cắt xong các thanh nhôm sẽ được kiểm tra xem có đạt yêu cầu hay không Nếu không đạt các thanh nhôm sẽ được chuyển xuống thùng phế liệu
Nếu đạt yêu cầu các thanh nhôm sẽ được đưa vào lò hóa già bằng gas nung đến 2000C trong thời gian 4 giờ Hoá già xong sản phẩm chuyển sang phun nhãn logo cho sản phẩm Anốt Sau khi phun xong sẽ có khâu kiểm tra hoá già và phun nhãn sản phẩm Hoàn thành khâu phun nhãn sẽ được chuyển công đoạn:
Nếu sản phẩm cần Anốt hoá sẽ được chuyển sang xưởng Anốt hoá
Sản phẩm được đưa vào Anốt hoá mạ mầu phủ ED (Electric Deposition) Khi
mạ mầu phủ ED xong chuyển sang khử Acid, sau đó rửa nước (độ PH >6), khắc mòn S.A, rửa nước, ăn mòn kiềm, rửa nước, trung hoà A.R, rửa nước, Anốt, Anốt, rửa nước, rửa nước Nếu cần sản phẩm tráng bạc thì chuyển sang rửa nước DI và đưa vào các khâu làm kín, rửa nước nóng DI (độ PH >5,5; To từ
700 ữ 750), sấy, kiểm tra chuyển công đoạn bao gói sản phẩm Anốt, cuối cùng bao gói và chuyển vào kho thành phẩm Còn nếu không cần sản phẩm tráng bạc ta đưa vào khâu mạ mầu điện hoá, rửa nước DI, rửa nước nóng DI Nếu ta cần lấy sản phẩm Anốt mạ màu không phủ bóng thì chuyển sang khâu làm kín, sau đó được rửa nước nóng DI, sấy, kiểm tra chuyển công đoạn bao gói sản phẩm Anốt, rồi đến bao gói và chuyển vào kho thành phẩm Nếu không
Trang 23cần sản phẩm Anốt mạ màu không phủ bóng ta đưa vào khâu rửa nước DI, phủ bóng
ED (%ED 6±0,2(%); độ PH 7,6 ữ 8,1; To: 18o ữ 20oC), rửa thu hồi R01 (độ PH 7,8ữ 8,5; độ dẫn điện <250, %ED <0,35%), rửa thu hồi R02 (độ PH 7,8 ữ 8,5; độ dẫn điện
<180) Sau khâu rửa thu hồi R02 sẽ được chuyển sang các khâu sấy, kiểm tra chuyển công đoạn bao gói sản phẩm Anốt, bao gói và chuyển vào kho thành phẩm Trong quá trình này từ khi khử Acid đến rửa thu hồi R02 đều được kiểm tra nhiệt độ dung dịch làm việc, độ PH, nồng độ hoá chất, chất lượng nước rửa
Nếu sản phẩm cần sơn tĩnh điện, phủ Film thì chuyển sang xưởng sơn và phủ Film
Sản phẩm đưa vào khử kiềm, khử kiềm xong chuyển sang rửa nước, khử Acid, rửa nước, rửa nước DI, cromat tự do, rửa nước DI, sấy khô Từ khâu khử kiềm đến rửa nước DI đều được kiểm tra nhiệt độ dung dịch làm việc, độ PH, nồng độ hoá chất, chất lượng nước rửa Sau khi sấy khô sản phẩm đưa vào kiểm tra quá trình tiền xử lý sơn tĩnh
điện, và sau đó được đưa vào các khâu sơn tĩnh điện, lò trùng hợp cuối cùng được kiểm tra sau khi sơn và chuyển công đoạn bao gói sơn tĩnh điện Còn sản phẩm cần bao Film
sẽ được đưa vào các khâu bao Film, sau đó hàn Film và hút chân không, hấp Film, cuối cùng sản phẩm được kiểm tra sau khi phủ Film và chuyển công đoạn bao gói sản phẩm sơn tĩnh điện
2.2 Thuật toán điều khiển mô hình điều khiển tự động quá trình cắt nhôm
2.2.1 Yêu cầu công nghệ
Trong dây chuyển sản xuất nhôm định hình, các khâu trong dây chuyền đều có
ý nghĩa quyết định đến sản phẩm cuối cùng Trong đó quá trình cắt nhôm cũng là một khâu quan trọng Ta muốn có sản phẩm đẹp và có độ dài đạt tiêu chuẩn mà nhà sản xuất yêu cầu thì quá trình cắt nhôm phải đạt độ chính xác và có độ thẩm mỹ cao
Muốn đạt được những yêu cầu đó thì trong quá trình cắt nhôm phải đạt độ chính xác trong từng khâu của quá trình Trong đó khâu ép chắt thanh nhôm, và khâu chuyển
động dao cắt phải hợp lý Nếu nhôm không được ép chặt thì nhôm cắt không được bằng phẳng, khi đó thanh nhôm sẽ bị chéo, và làm cong thanh nhôm Chính vì vậy, quá trình cắt nhôm là một khâu quan trọng trong dây chuyền sản xuất nhôm định hình
Trang 242.2.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán
Để tiến hành điều khiển quá trính cắt nhôm tự động, tôi xây dựng thuật toán
điều khiển của chương trình bằng PLC
Trang 26Hoạt động của quá trình:
Ta chọn chiều dài mà ta cần cắt Khi bắt đầu thì băng tải 1 chuyển nhôm (nhôm được đặt sát rãnh dao cắt) để đo chiều dài bằng ENCODER Khi thanh nhôm đã chạy được một chiều dài mà ta đặt cố định trong từng bộ counter của PLC, thì băng tải 1 chuyển nhôm sẽ dừng và tác động đến bộ phận
ép nhôm ép chặt nhôm, khi bộ phận ép chặt tắc động đến công tắc hành trình thì động cơ cắt chạy đẩy động cơ chuyển động dao cắt chạy từ từ đi vào và cắt nhôm Khi cắt xong động cơ đẩy động cơ cắt sẽ tác động vào công tắc hành trình cuối rồi nhả động cơ ép, đồng thời dừng động cơ dao cắt Trễ 5 giây sau thì đảo chiều động cơ chuyển động dao cắt, đưa động cơ cắt ra ngoài đến khi gặp công tắc hành trình đầu làm động cơ chuyển động dao cắt dừng lại và khởi động động cơ băng tải 2 chuyển sản phẩm ra ngoài kết thúc quá trình cắt
2.3 Kết luận chương II
Qua nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất nhôm định hình chúng ta thấy được vai trò to lớn của tự động hoá trong sản xuất công nghiệp và đó cũng là mục tiêu mà mọi ngành sản xuất đều hướng tới Song do quá trình hội nhập và khả năng tài chính của nhà máy còn nhiều hạn chế nên việc áp dụng tự động hoá toàn nhà máy chưa được hoàn thiện Vì vậy trong toàn bộ quá trình sản xuất còn
có những khâu phải làm việc bán tự động Chính vì điều đó tôi tiến hành nghiên cứu và viết sơ đồ thuật toán điều khiển, để phần nào hoàn thiện tự động hoá dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm
Qua phân tích và xây dựng thuật toán tôi nhận thấy Đối với các bài toán
điều khiển lớn, việc giải quyết nó phải do nhiều người cùng làm Chính phương pháp module hoá sẽ cho phép tách bài toán ra thành các phần độc lập tạo điều kiện cho các nhóm giải quyết phần việc của mình Với chương trình được xây dựng trên cơ sở của các thuật toán (giải thuật) được thiết kế theo cách này thì việc tìm hiểu cũng như sửa chữa chỉnh lý sẽ dễ dàng hơn Đây là tiền đề,
là cơ sở để chúng tôi tiến hành nghiên cứu mô phỏng hệ thống trên phần mềm Step 7 - Micro/Win 32
Trang 27Chương III Thiết kế mô hình điều khiển tự động
quá trình cắt nhôm 3.1 ứng dụng phần mềm Simatic S7 – 200
3.1.1 Giới thiệu chung về PLC
PLC (viết tắt từ tiếng Anh của từ: Programmable Logic Controller) được gọi
là Bộ điều khiển logic lập trình được Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học, cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC có thể thay thế được cả một mảng rơle, hơn thế nữa PLC giống như một máy tính nên có thể lập trình được Chương trình của PLC có thể thay đổi rất dễ dàng, các chương trình con cũng
có thể sửa đổi nhanh chóng
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp Trước đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau, để nâng cao năng suất và chất lượng
- Modul đầu vào
- Modul đầu ra
Trang 28- Modul phối ghép
- Modul chức năng phụ
* Modul nguồn: nhận từ nguồn điện lưới công nghiệp để tạo ra nguồn
điện một chiều cung cấp cho hoạt động của toàn bộ PLC
* Modul đơn vị xử lý trung tâm CPU: trong mỗi thiết bị PLC Modul
đơn vị xử lý trung tâm gồm nhiều hệ thống vi xử lý bên trong, có hai loại đơn
vị xử lý trung tâm đó là: đơn vị xử lý một bít và đơn vị xử lý bằng từ ngữ
* Modul bộ nhớ chương trình: Chương trình điều khiển hiện hành
được giữ lại trong bộ nhớ chương trình bằng các bộ phận lưu giữ điện tử như ram, prom hoặc eprom Chương trình được tạo ra với sự trợ giúp của một
đơn vị lập trình chuyên dụng, rồi được chuyển vào bộ nhớ chương trình Một nguồn điện dự phòng cần thiết cho RAM để duy trì chương trình ngay cả trong trường hợp mất nguồn điện chính
* Modul đầu vào: Modul đầu vào có chức năng chuẩn bị các tín hiệu
bên ngoài để chuyển vào trong PLC có chứa các bộ lọc và bộ thích ứng mức năng lượng Một mạch phối ghép có lựa chọn được dùng để ngăn cách điện giải mạch trong ra khỏi mạch ngoài Các Modul đầu vào được thiết kế để có thể nhận nhiều đầu vào và có thể cắm thêm các Modul đầu vào mở rộng Việc chuẩn đoán các sai sót hư hỏng sẽ được thực hiện rất dễ dàng với mỗi đầu vào
được trang bị một Điốt phát sáng (Led) bộ chỉ thị ánh sáng báo hiệu cho sự có mặt của điện thế đầu vào
* Modul đầu ra: Modul đầu ra có cấu tạo tương tự như Modul đầu vào
Nó gửi thẳng các thông tin đầu ra đến các phần tử kích hoạt (cho dẫn động) của máy làm việc Vì vậy mà nhiều Modul đầu ra thích hợp với hàng loạt mạch phối ghép khác nhau đã được cung cấp Điốt phát sáng (Led) cũng có thể giúp quan sát điện thế đầu ra
* Modul phối ghép: Modul phối ghép dùng để nối bộ điều khiển khả
trình PLC với các thiết bị bên ngoài như màn hình, thiết bị lập trình hoặc các
Trang 29Panel mở rộng Thêm vào đó, nhiều chức năng phụ cũng cần thiết hoạt động song song với những chức năng thuần tuý logic của một bộ PLC cơ bản Cũng có thể ghép thêm những thẻ điện tử phụ đặc biệt để tạo ra các chức năng phụ đó Trong những trường hợp này đều phải dùng đến mạch phối ghép
* Modul chức năng phụ: Những chức năng phụ điển hình nhất của PLC
là bộ nhớ duy trì có cùng chức năng như rơle duy trì nghĩa là bảo tồn tín hiệu trong quá trình mất điện Khi nguồn điện trở lại thì bộ chuyển đổi của bộ nhớ nằm ở tư thế như trước lúc mất điện Bộ thời gian của PLC có chức năng tương tự như các rơle thời gian, việc đặt thời gian được lập trình hoặc điều chỉnh từ bên ngoài Bộ đếm được lập trình bằng các lệnh logic cơ bản hoặc thông qua các thẻ
điện tử phụ Bộ ghi tương ứng với cơ cấu nút bấm Bước tiếp theo được thả ra bởi
bộ phát thời gian hoặc bằng xung của mạch chuyển đổi Chức năng số học được thiết kế để thực hiện bốn chức năng số học cơ bản: cộng, trừ, nhân, chia và các chức năng so sánh: lớn hơn, nhỏ hơn, bằng và không bằng Chức năng điều khiển
số của PLC để điều khiển các quá trình công nghệ trên các máy công cụ hoặc trên các tay máy, người máy công nghiệp
2 Chức năng của PLC
Chức năng của bộ điều khiển logic khả trình cũng giống như các bộ điều khiển khác thiết kế trên cơ sở các rơle hoặc các thành phần điện tử:
- Thu nhận các tín hiệu đầu vào và phản hồi ( từ các cảm biến )
- Liên kết, ghép nối lại và đóng mở mạch phù hợp với chương trình
- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu được
- Phân phát các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp
3 Ưu điểm của việc ứng dụng PLC
Việc ứng dụng các bộ PLC vào các hệ thống đã gặp rất nhiều thuận lợi như:
Trang 30- Thời gian lắp đặt ngắn
- Độ tin cậy cao và ngày càng tăng
- Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo chương trình không gây tổn thất tài chính
- Cần ít thời gian để huấn luyện
- Có thể tính toán được chính xác giá thành
- Xử lý dữ liệu tự động
- Tiết kiệm không gian
- Chuẩn hoá được phần cứng điều khiển
- Khả năng tái tạo
- Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn
- Ghép nối máy tính
- Ghép nối máy in
3.1.2 Vai trò của PLC trong điều khiển tự động
Trong một hệ thống thiết bị điều khiển tự động, bộ điều khiển PLC
được coi như bộ não có khả năng điều hành toàn bộ hệ thống điều khiển Với một chương trình ứng dụng điều khiển (lưu dữ trong bộ nhớ PLC) trong khâu chấp hành, PLC giám sát chặt chẽ, ổn định chính xác trạng thái của hệ thống qua tín hiệu của thiết bị đầu vào Sau đó nó sẽ căn cứ trên chương trình Logic
để xác định tiến trình hoạt động đồng thời truyền tín hiệu đến thiết bị đầu ra
PLC có thể được sử dụng để điều khiển những thao tác ứng dụng đơn giản, lặp đi lặp lại hoặc một vài thiết bị trong số chúng có thể được nối mạng cùng với hệ thống điều khiển trung tâm hoặc những máy tính trung tâm thông qua một phần của mạng truyền dẫn, với mục đích để tổ hợp việc điều khiển một quá trình xử lý phức tạp
Trang 31Trước kia bộ PLC giá rất đắt 99USD với ít đầu vào/ra (I/O), khả năng hoạt động bị hạn chế và qui trình lập trình rất phức tạp Vì những lý do đó mà nó chỉ
được dùng cho những máy và thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và luận chứng
Ngày nay, với những tiến bộ vượt bậc của điện tử và tin học đã đem lại hiệu năng cao, tối thiểu hoá kích thước và chức năng xử lý quá trình nhiều hơn như các chức năng điều khiển chuyển động PID Analog, chúng đã mở ra thị trường mới cho PLC Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên PC (Personal Computer) được mở rộng với các tính năng thực
Thị trường cho bộ điều khiển logic khả trình (PLC) trên toàn thế giới đang phát triển mạnh mẽ do các khu vực kinh tế tăng trưởng nhanh và sự mở rộng ứng dụng ra ngoài lĩnh vực sản xuất Thuật ngữ PLC hiện nay không chỉ nằm gọn trong tính năng lập trình và điều khiển Logic Các tính năng truyền thông, bộ nhớ dung lượng lớn, và các CPU tốc độ cao đã làm cho PLC trở thành phần tử TĐH thông dụng đáp ứng tất cả các ứng dụng thị trường PLC đang được mở rộng trên mọi lĩnh vực
3.1.3 ưu điểm của việc sử dụng PLC trong tự động hóa
Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính Logic với tốc độ cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ ms/vòng) rất nhanh so với thời gian vòng quét của một hệ DCS (Distributed Computer System) Ban đầu PLC chỉ quản lý được các đầu vào/ra số Qua quá trình phát triển, ngày nay PLC đã được bổ sung thêm nhiều chức năng
* Khả năng quản lý đầu vào/ra Analog: Tuy có khả năng quản lý được đầu
vào/ra Analog nhưng số lượng quản lý được khá hạn chế, thuật toán xử lý trên các biến Analog kém, làm thời gian vòng quét tăng lên rất nhiều
* Khả năng truyền thông: Nhiều PLC hiện nay hỗ trợ giao thức truyền
thông công nghiệp, chẳng hạn như: PROFIBUS, AS - I, DeviceNet Các đặc điểm này giúp cho PLC có thể nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn như DCS (Distributed Computer System), hoặc cũng có thể kết nối với máy tính có phần mềm HMI tạo thành hệ PLC/HMI (Hypermedia Manufacturing Integrated) điều khiển giám sát và thu thập số liệu
Trang 32* Chuẩn bị vào tác động nhanh: Thiết kế module cho phép thích nghi
đơn giản với bất kỳ mọi chức năng điều khiển Khi bộ điều khiển và các phụ kiện đã được lắp ghép thì bộ PLC vào tư thế sẵn sàng làm việc ngay
* Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: Các linh kiện điện tử và bán dẫn
có tuổi thọ dài hơn so với các thiết bị cơ Độ tin cậy của PLC ngày càng cao
và tuổi thọ ngày càng tăng do được thiết kế và tăng bền để chịu được rung
động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn Việc bảo dưỡng định kỳ thường là cần thiết đối với điều khiển rơle nhưng với PLC thì điều này được loại bỏ
* Dễ dàng thay đổi chương trình: Những thay đổi cần thiết cả khi bắt
đầu khởi động hoặc những lúc tiếp theo đều có thể thực hiện dễ dàng mà không cần bất kỳ thao tác nào ở phần cứng Chương trình được đưa vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình, thiết bị này không kết nối cố định với PLC và
có thể chuyển từ thiết bị điều khiển này đến thiết bị điều khiển khác mà không làm xáo trộn các hoạt động PLC có thể vận hành mà không cần kết nối với thiết bị lập trình sau khi chương trình được tải vào bộ nhớ của PLC
* Đánh giá nhu cầu sử dụng: Nếu biết chính xác số đầu vào và đầu ra
thì có thể xác định kích cỡ yêu cầu bộ nhớ (độ dài chương trình) tối đa là bao nhiêu Từ đó có thể dễ dàng, nhanh chóng lựa chọn loại PLC phù hợp Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy tính Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng Các thiết bị
để bàn có thể có bộ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và màn hình hiển thị Các máy tính cá nhân được lập cấu hình như các trạm làm việc phát triển chương trình
* Khả năng tái tạo: Bộ điều khiển logic khả trình PLC được ưa dùng
hơn các bộ điều khiển khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các
hệ thống đã làm việc ổn định mà còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà người ta có thể thay đổi cải tiến trong quá trình vận hành
* Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với điều
khiển rơle tương ứng, kích thước nhỏ cũng có nghĩa là tiết kiệm không gian tủ
Trang 33và đặc biệt là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, giảm thiểu đáng kể yêu cầu về làm mát, nhất là trong điều kiện khí hậu của Việt Nam hiện nay
* Sự cải biến thuận tiện: Các PLC có thể sử dụng cùng một thiết bị
điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các qui tắc đang sử dụng, người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, không cần nối lại dây Nếu chỉ muốn thay đổi một bộ phận nhỏ trong dãy chức năng, có thể được cải tạo một cách đơn giản bằng cách sao chép cải biến thêm những phần mới So với kỹ thuật điều khiển bằng rơle ở đây có thể giảm phần lớn tổng thời gian lắp ráp Nhờ đó, hệ thống rất linh hoạt, hiệu quả
So với hệ thống điều khiển logic thông thường (dạng kinh điển) thì hệ thống dùng PLC có những chỉ tiêu ưu việt
3.1.4 Khả năng và những ứng dụng của bộ điều khiển logic khả trình PLC
Sự phát triển nhanh chóng của các loại PLC đã đem đến sức mạnh và sự tiện dụng cho người dùng Nó đã trở thành phần tử tự động không thể thiếu
được trong tự động hoá với những chức năng và ứng dụng rộng rãi
* Thu thập tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (từ các cảm biến) từ đó
xử lí các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ
* Thực hiện liên kết, ghép nối và đóng mạch phù hợp qua các chuẩn truyền thông
Trong các nhà máy công nghiệp, hệ thống TĐH đóng vai trò hết sức quan trọng Với tính năng nổi bật của mình bộ điều khiển lập trình PLC được ứng dụng rất phổ biến
Trang 34Bảng 3.1: Chức năng của PLC trong một số kiểu điều khiển
Điều khiển chuyên gia giám sát
-Thay thế điều khiển kiểu Rơle
- Thời gian đếm
- Thay cho các Panel điêu khiển mạch in
- Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình
Điều khiển dãy
- Thực hiện các phép toán số học
- Cung cấp thông tin (Bus truyền thông)
- Điều khiển động cơ chấp hành
- Điều khiển động cơ bước
Điều khiển mềm dẻo
- Điều hành quá trình và báo động
- Phát hiện lỗi và điều hành
- Ghép nối máy tính (RS232/RS485)
- Ghép nối máy in
- Mạch TĐH xí nghiệp
Dưới đây chúng tôi đưa ra một số ứng dụng cơ bản:
* Hệ thống điều khiển tự động trộn bê tông: Sử dụng phần mềm
điều khiển Simatic S7 - 200 và phần mềm WinCC, quản lý toàn bộ các quá trình thi công, sản xuất và giao hàng tiết kiệm nguyên liệu, chi phí đầu tư
Hệ thống cân định lượng của trạm trộn đảm bảo chính xác cao đã giải quyết triệt để các sai lệch động nhờ ứng dụng các thuật toán bù khối lượng Thực
tế sản xuất cho thấy, sai số sau bù lệch là 16Kg/11,95 tấn bê tông tươi, một kết quả vượt quá sự mong đợi Hệ thống trộn bê tông tự động đã được các chuyên gia Nhật Bản và Cu Ba đánh giá cao, cho phép áp dụng ngay vào các dự án lớn của thành phố Hà Nội
Trang 35* Mô hình đóng mở cửa tự động: Cửa tự động sẽ mở khi có người
đến gần và kéo dài trong khoảng thời gian xác định, trước khi đóng Các tín hiệu vào hệ thống điều khiển xuất phát từ các bộ cảm biến dùng để phát hiện có người đến gần từ bên ngoài và sự đến gần của người từ bên trong Các bộ cảm biến này là các linh kiện bán dẫn cảm biến nhiệt cung cấp tín hiệu điện áp khi bức xạ hồng ngoại tác động lên chúng Ngoài ra, còn có các tín hiệu nhập đi vào thiết bị điều khiển này có thể phát ra từ công tắc giới hạn để cho biết thời điểm cửa mở hoàn toàn và thiết bị định giờ để duy trì cửa mở trong thời gian yêu cầu Tín hiệu ra của thiết bị điều khiển có thể dẫn đến các van điều khiển, van khí nén vận hành bằng Solenoid sử dụng chuyển động của các pittông trong xi lanh để mở và đóng cửa Mô hình này
đã được ứng dụng vào toà nhà văn phòng Chính phủ và đã được những ý kiến phản hồi đáng khích lệ
3.1.5 Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển lập trình PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập xuất và thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình
Bộ nhớ
Bộ xử lí
Giao diện xuất
Giao diện nhập
Nguồn công suất
Hình 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống PLC
Trang 361 Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy
được phát tới các thiết liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi
đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ
2 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
điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào
ra thông qua Data Bus, Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời gian cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song
Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus,
nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu Data Bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC
Các địa chỉ và số liệu được chuyền lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1ữ8 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yêu cầu về định thời, đồng hồ hệ thống
Trang 373 Bộ nhớ
Là nơi lưu dữ chương trình cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành
và dữ liệu cố định được CPU sử dụng
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho chương trình của người dùng đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của thiết bị nhập/xuất, các giá trị của đồng hồ thời gian chuẩn, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào và ngõ
ra, cùng với trạng thái các ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu
được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn
- Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) là các ROM có thể lập trình, sau đó trương trình này được thường trú trong ROM
Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình Tuy nhiên, để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM, chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là các module có khoá với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có bộ đệm tạm thời, lưu trữ các kênh nhập/xuất
4 Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (5 V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong module giao diện nhập/xuất Nguồn cung cấp cho PLC được cấp từ nguồn 220V~ hoặc 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz)
hoặc 24 DCV
Trang 385 Thiết bị nhập/xuất
Thiết bị nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại
vi và truyền thông tin tới thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến Các thiết bị xuất có thể đến cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van Solenoid Các thiết bị nhập/xuất có thể
được phân loại theo kiểu tín hiệu cung cấp, rời rạc Digital hoặc Analog Các thiết bị cung cấp tín hiệu rời rạc hoặc Digital là các thiết bị có tín hiệu
on hoặc off Các thiết bị Analog cung cấp các tín hiệu có độ lớn tỷ lệ với giá trị của biến đang được giám sát
6 Thiết bị lập trình
Được sử dụng để nhập chương trình cần thiết vào bộ nhớ của bộ xử lý Chương trình được viết trên thiết bị này, sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC
3.1.6 Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PLC
Việc lập trình cho PLC đã ngày càng trở nên phổ biến ở Việt Nam hiện nay nhờ sự phổ cập PLC cho rất nhiều ứng dụng Người lập trình có thể lập trình trên máy tính và viết ra các chương trình theo yêu cầu cụ thể rồi nạp vào PLC để điều khiển 1 hệ thống nào đó
Quy trình thực hiện là :
- Nghiên cứu yêu cầu điều khiển
- Phân định đầu vào và đầu ra
- Viết chương trình điều khiển
- Nạp chương trình vào bộ nhớ PLC
- Cho PLC chạy thử để điều khiển đối tượng
Trang 391 Nghiên cứu yêu cầu điều khiển của thiết bị
Điều đầu tiên chúng ta phải quyết định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng tao muốn điều khiển Mục đích chủ yếu của bộ điều khiển được lập trình hoá là để
điều khiển 1 hệ thống bên ngoài Hệ thống được điều khiển này có thể là 1 thiết bị, máy móc, hoặc quá trình xử lý và thường được gọi là hệ thống điều khiển
Trang 402 Phân định những đầu vào và những đầu ra
Tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra bên ngoài được nối với những bộ
điều khiển PLC phải được xác định Những thiết bị đầu vào là những chủng loại chuyển mạch, thiết bị cảm ứng những thiết bị đầu ra là những thiết bị từ tính, những van điện từ, động cơ và đèn chỉ báo
Sau việc nhận dạng những chủng loại thiết bị đầu vào và đầu ra đó, phân công những số lượng phù hợp với số đầu vào (Input) và đầu ra (Output) nối dây thực tế sẽ kế tiếp theo số lượng của bộ điều khiên PLC Sự phân định
số lượng những đầu vào và những đầu ra phải được đưa ra ngoài trước việc nối
đầu dây theo sơ đồ ladder bởi vì số lệnh là giá trị chính xác của những tiếp
điểm trong sơ đồ ladder
3 Viết chương trình điều khiển
Tiếp theo, viết chương trình dưới dạng sơ đồ ladder thông qua thứ tự thao tác hệ thống điều khiển như đã xác định, theo từng bước 1 Từ sơ đồ ladder có thể dịch sang các dạng khác để tiên theo dõi chương trình
5 Chạy thử các chương trình điều khiển
Để đảm bảo cấu trúc chương trình và các tham số đã cài đặt là chính xác trước khi đưa vào hệ điều khiển, ta cần chạy thử chương trình điều khiển Nếu có lỗi hoặc chưa hợp lý thì sửa khi chạy chương trình điều khiển, tốt nhất
ta nên ghép nối với đối tượng và hoàn chỉnh chương trình điều khiển