Xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định áp suất và cảnh báo áp suất trên đường ống với dải đo: 0 ÷ 5bar

Trong quá trình Công nghiệp hóa, Hiện đại hóa ngày này, cùng với sự phát triển của Ngành Điện, Điều khiển và Tự động hóa cũng đang ngày được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của cuộc sống. Nhờ vậy, điều khiển giám sát cũng trở nên quan trọng hơn.Được Thầy Nguyễn Bá Khá giao cho đề tài “Xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định áp suất và cảnh báo áp suất trên đường ống với dải đo: 0 ÷ 5bar”, Chúng em đã nỗ lực hết sức để hoàn thành đồ án này dưới sự hướng dẫn của thầy.Trong quá trình làm đề tài chúng em đã tích cực tích lũy một số kiến thức về Cảm biến, PLC, WinCC, Biến tần. . .vv. để có thể nâng cao kiến thức của mình và hoàn thành đồ án này tốt nhất có thể.Hiện tại, chúng em đã hoàn thành xong đồ án mà thầy đã giao cho. Tuy nhiên với thời gian và kiến thức có hạn cho dù chúng em đã cố gắng hết mình song khó tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô, để đồ án của chúng em được hoàn thành hơn nữa.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 4

1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO 4

1.3 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 7

1.3.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 7

1.3.2 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha 8

1.4 TÌM HIỂU VỀ PLC 8

1.5 TÌM HIỂU VỀ HMI (WINCC, OPC) 12

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31

2.1 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 31

2.1.1 Chọn PLC 31

2.1.2 Giới thiệu về module EM235 33

2.1.3 Biến tần MM440 36

2.1.4.Cáp kết nối RS485 39

2.1.5 Cảm biến áp suất 41

2.2 XÂY DỤNG SƠ ĐỒ KHỐI, SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 42

2.2.1 Sơ đồ khối 42

2.2.2 Sơ đồ đấu dây 43

2.3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 44

2.4.1 Trên PLC 46

2.4.2 Cài đặt thông số cho biến tần 53

2.5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI 54

2.5.1 Giới thiệu về WinCC: 54

2.5.2 Trình tự tạo một Project: 54

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 65

3.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 65

3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM (CHẠY MÔ HÌNH THỰC NẾU CÓ) 65

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình Công nghiệp hóa, Hiện đại hóa ngày này, cùng với sự phát triển của NgànhĐiện, Điều khiển và Tự động hóa cũng đang ngày được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vựccủa cuộc sống Nhờ vậy, điều khiển giám sát cũng trở nên quan trọng hơn

Được Thầy Nguyễn Bá Khá giao cho đề tài “Xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định ápsuất và cảnh báo áp suất trên đường ống với dải đo: [0 ÷ 5]bar”, Chúng em đã nỗ lực hết sức

để hoàn thành đồ án này dưới sự hướng dẫn của thầy.Trong quá trình làm đề tài chúng em

đã tích cực tích lũy một số kiến thức về Cảm biến, PLC, WinCC, Biến tần .vv để có thểnâng cao kiến thức của mình và hoàn thành đồ án này tốt nhất có thể

Hiện tại, chúng em đã hoàn thành xong đồ án mà thầy đã giao cho Tuy nhiên với thời gian

và kiến thức có hạn cho dù chúng em đã cố gắng hết mình song khó tránh khỏi những thiếusót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô, để đồ án của chúng em đượchoàn thành hơn nữa

Qua đây chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Khoa Điện trường ĐH Côngnghiệp Hà Nội và đặc biệt là thầy Nguyễn Bá Khá đã hướng dẫn nhóm chúng em trong quátrình làm đề tài đồ án vừa qua

Ngày 24, tháng 12, năm 2015.

Sinh viên thực hiện Nhóm 12

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Trên thế giới và ở Việt Namhiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiêm năng lượng Các nghành công nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp,điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước( 30-35%) Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu

tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả thiết thực Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho công tác quản lý vạn hành thiết bị.Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng Trong phạm vi đồ

án , chúng ta chỉ đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm và ổn định áp suất trong đường ống cấp nước

1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO

Phương pháp đo áp suất

Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất

Đo áp suất tĩnh

Đo trực tiếp chất lưu thong qua 1 lỗ khoan trên thành bình

Đo gián tiếp thong qua biến dạng của thành bình dưới tác động của áp suất

Đo áp suất động

Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh

Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là đọ chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa)

Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa)

Công thức xác định

dF: lực tác dụng

dS: diện tích thành ống chịu lực tác dụng

Phương pháp đo mức chất lỏng

Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng

Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thôngtin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:

- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện

- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu

Một số loại cảm biến đo mức chất lưu

* Cảm biến độ dẫn

Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~

50μScmScm-1) Trên hình 20.22 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng

Hình 20.22: Cảm biến độ dẫn

a) Cảm biến hai điện cực

b) Cảm biến một điện cực

Sơ đồ cảm biến hình 20.22a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực) Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ vớichiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng.

Sơ đồ cảm biến hình 20.22b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại

Sơ đồ cảm biến hình 20.22c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng vớimột mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh

về biên độ

* Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi)

Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai

1.3 ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Khái quát chung về động cơ không

đồng bộ ba pha:

Động cơ không đồng bộ là động cơ

điện hoạt động với tốc độ quay của

Rotor chậm hơn so với tốc độ quay

của từ trường Stator Ta thường gặp

động cơ không đồng bộ Rotor lồng

sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt

hơn dạng dây quấn.

1.3.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

trường đi qua lõi thép là từ trường quay lên

giảm bớt tổn hao, lõi thép được làm bằng

những lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm ép lại

 Dây quấn stator được đưa vào rãnh của lõi thép và được cách điện tốt với lõi thép Dây quấn phần ứng là phần dây bằng đồng được đặt trong các rãnh phần

ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện

Hình ảnh động cơ không đồng bộ 3 pha

b Phần quay ( ROTOR).

Phần này gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor :

- Lõi thép: thường dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài là thép có sẻ rãnh để đặt dây quấn.

- Dây quấn rotor: Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc :

Rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bở hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ , dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn , vành ngắn mạch , cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vành ngắn mạch

1.3.2 Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha.

Khi dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất

hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60 (f1 là tần số lưới điện ; p là số cặp cực; n1

là tốc độ từ trường quay ) Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện I2 chạy qua Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng

điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra moment Tác dụng

đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ vào mạch rôto

- Điều chỉnh tốc độ bằng nối cấp

 Ưu điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đông bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế do ưu điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so với động cơ một chiều.

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha…

1.4 TÌM HIỂU VỀ PLC

- PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại.

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi

sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp.

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi.

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém.

Cấu trúc bên trong của PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm

(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

1.5 Tìm hiểu về HMI (wincc, opc)

Sơ lược về WinCC

Tổng quan về WinCC

WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và Việt Nam WinCC hiện

có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, théo, dầu khí,…

WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và tự động hóa quá trình Hệ thống này đưa ra những module chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo, những lưu trữ và những báo cáo Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các ảnh và những chức năng lưu trữ an toàn, bảo đảm một tính lợi íchcao đem lại cho người vận hành một giao diện trực quan dễ sử dụng, có khả năng giám sát

và điều khiển quá trình công nghệ theo chế độ thời gian thực

Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho các giải pháp của người dùng Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở Sự truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL, sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE2.0 và OLE Custom Controls (OCX) Những cơ chế này làm cho WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows

Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của máy tính cho việc sử dụngphần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việc truyền thông

WinCC hỗ trợ cho tất cả các máy tính – Những nền tảng PC thích hợp Mặc dù giá trị đưa

ra cho cấu hình tối thiểu nhưng bạn phải đạt được cấu hình khuyến cáo để đạt hiệu quả tối

ưu WinCC dựa trên hệ điều hành MS32 bit – Windows 95 hoặc NT, bảo đảm phản ứng nhanh để xử lý những sự kiện và chống lại sự mất mát dữ liệu bên trong, tạo ra một sự an toàn cao một dự án nhiều người dùng Windows NT cũng đưa những hàm được tạo ra cho

sự an toàn và phục vụ như những thao tác cơ sở cho Server trong một dự án WinCC nhiều người sử dụng Phần mềm WinCC là một ứng dụng 32 bit phát triển với công nghệ phần mềm hiện đại, hướng đối tượng nhất

Cấu trúc của WinCC

Control Center làm cho ta có thể định hướng xuyên qua những ứng dụng WinCC và

dữ liệu của nó với chỉ một ít thao tác Control Center thao tác tương tự giống như Explorer trong Windows Trong WinCC bao gồm 2 cơ sở dữ liệu: một dành cho việc định dạng hệ thống CS (Configuration System), một dành cho việc chạy thời gian thực

RT (Run time) Khi chạy WinCC, 2 cơ sở dữ liệu này luôn được tải vào và chạy song song với nhau

Cấu trúc của WinCC

WinCC Explorer trong Control Center: giao diện đồ họa cho cấu hình dưới Windows 95 và NT

Quản lý dữ liệu: cung cấp hình ảnh quá trình với những Tag giá trị theo các loại sau

Chu kỳ

Chu kỳ với sự thay đổi

Điều khiển sự kiện thời gian

Truyền dữ liệu từ những hệ thống tự động hóa theo những cách sau

Nhận

Yêu cầu

Những module chức năng

Hệ thống đồ họa (Graphic Designer): trình bày và nối quá trình bằng đồ họa

Soạn thảo hoạt động (Global Scrip): làm một dự án động cho những yêu cầu đặc biệt

Hệ thống thông báo (Alarm Logging): những thông báo đầu ra và báo đã nhận được thông tin ở đầu ra

Soạn thảo và lưu trữ những giá trị phép đo (TagLogging)

Soạn thảo những giá trị phép đo và cất giữ chúng trong thời hạn lâu dài

Soạn thảo dữ liệu hướng người dfùng và cất giữ chúng lâu dài

Hệ thống báo cáo (Report Designer): báo cáo những trạn thái của hệ thống

Các khái niệm thường dùng trong WinCC

WinCC Explorer

Nó được xuất hiện khi khởi động WinCC Tất cả các phần của WinCC đều được khởi động

từ đây Từ cửa sổ WinCC Explorer có thể xâm nhập vào tất cả các thành phần mà một dự ángiao diện người máy cần có cũng như việc xây dựng cấu hình cho các phần riêng rẽ đóChức năng của WinCC Explorer

WinCC Explorer gồm tất cả các chức năng quản lý phục vụ việc vào hệ thống của WinCC Tại đây bạn có thể đặt cấu hình (Computer, Tag,…) và khởi động mode Run-time

Đây là một phần của WinCC Explorer, nó cung câp các hình ảnh quá trình, bộ đệm (ProcessImage) cho các tag

Nhiệm vụ của WinCC Explorer

Tạo một dự án mới

Đặt cấu hình trọn vẹn

Gọi và lưu trữ dự án

Quản lí dự án: Mở, lưu, di chuyển và sao chép

Chức năng ấn bản mạng cho nhiều người sử dụng (Client-Server Environment)

Hiển thị cấu hình dữ liệu

Điều khiển và đặt cấu hình của cấp bậc của các ảnh, cấu trúc hệ thống, chẳng hạn như bằng cách thể hiện cây thư mục

Cài đặt thông số tổng thể như ngôn ngữ, hệ thống đường dẫn người dùng

Đặt cấu hình cho vị trí các chức năng đặc biệt của người dùng

Phản hồi tài liệu (feedback documentation)

Lập báo cáo các trạng thái của hệ thống

Chuyển đổi giữa đặt cấu hình và chạy thực (run time)

Thử các mode như mô phỏng khi chạy (simulation), trợ giúp hoạt động đặt cấu hình dữ liệu,chuyển đổi các picture, thể hiện trạng thái và tạo thông báo

Các loại Project

WinCC cung cấp nhiều loại dự án khác nhau tùy theo yêu cầu công viẹc và quy mô của dự án

Dự án đơn (Single-User Project)

Một dự án đơn thực chất là một trạm vận hành đơn, việc tạo cấu hình, chạy thời gian thực, cũng như kết nối với bus quá trình và lưu trữ dữ liệu của dự án đều được thực hiên trên máy tính này.

Dự án nhiều người dùng (Multi-User Project)

Một dự án nhiều người dùng có đặc điểm cấu hình nhiều máy khách (client) và một mày chủ (server), tất cả chúng làm việc trong cùng một dự án Tối đa 16 client được truy nhập vào một server.

Cấu trúc của dự án nhiều người dùng

Dự án nhiều máy khách (Multi-Client Project)

Một server có thể được truy nhập tối đa 16 client Một dự án multi-client có thể truy nhập được tối đa 6 server Có nghĩa là dữ liệu của 6 server có thể được giám sát và điều khiển trên một màn hình của dự án multi-client

Cấu trúc dự án multi-client

Các thành phần cơ bản trong WinCC

Computer: Quản lý tất cả các WorkStation và Server nằm trong Project

Tag Managerment: Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ Logic, các Tag Process, Tag Internal và Tag Groups

Data Type: Chứa các loại dữ liệu được gán cho các Tag và các kênh khác

Editor (Các trình soạn thảo): Các trình biên tập được liệt kê trong vùng này dùng để soạn thảo và điều khiển một dự án hoàn chỉnh bao gồm Graphics System (Graphics Designer) dùng để làm các giao diện ảnh, Global Scrips dùng hiển thị động cho các yêu cầu đặc biệt, các Message System như cảnh báo (Alarm Logging), thu thập và lưu trữ các giá trị đo (Tag Logging), hệ thống báo cáo (Report Designer), giấy phép sử dụng (User administration) và các Text library Tất cả các module này đều thuộc hệ thống WinCC nhưng nếu không cần thiết thì không nhất thiết phải cài đặt hết

Trong phần mềm WinCC có một khái niệm đặc biệt quan trọng mà chúng ta cần phải nắm vững khi xây dựng 1 hệ thống điều khiển giám sát bằng WinCC đó là khái niệm về Tag và Tag Group Tag là một thành phần trung gian cho việc truy nhập các biến quá trình, Tag Group dùng để tổ chức các Tag thành các cấu trúc, tất cả các Tag đều có thể được tổ chức trong các nhóm Tag để tăng sự rõ ràng của dự án WinCC mô tả 1 dạng dữ liệu thành phần

đó là loại duy nhất trong 1 dự án và những luật cho phép truy cập dữ liệu này Dữ liệu quản

lý có sự khác nhau giữa 2 loại Tag:

Internal Tag (Tag nội): là các khối nhớ trong WinCC được phân chia theo chức năng như một PLC Chúng có thể được tính toán và chỉnh sửa trong WinCC và không có địa chỉ trên lớp PLC

External Tag (Tag ngoại): gán các địa chỉ và kết nối trong các lớp PLC

Sơ lược về truyền thông mạng

Kiểu cấu hình Daisy-chain trong cấu trúc Bus

Ưu điểm của mạng cấu trúc kiều này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại (repeater) Do đó, kiều này có thể thực hiện với khoảng cách rất lớn và số trạm rất lớn Mỗi trạm đều có khả năng nhận và phát tín hiệu cùng một lúc

Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông toàn mạng Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Tương tự như cáu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở điều kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm – điểm Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực Nó có vai trò đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng còn nếu không thì nó như một bộ chuyển mạch

Nhược điểm của cấu trúc là tốn dây dẫn và khoảng cách giữa các trạm với nhau là nhỏ

Cấu trúc mạng hình sao

Cấu trúc cây

Mạch có cấu trúc hình cây chính là sự liên kết nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc là sự liên kết của nhiều mạng còn có cấu trúc đưởng thẳng, mạch vòng hoặc hình sao

Đặc trưng nhất của cấu trúc hình sao là sự phân cấp đường dẫn

Các giao thức truyền thông

và tốc độ truyền dữ liệu thấp

Ưu điểm

Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp

Nhược điểm

Tín hiệu không thể truyền đi xa, do việc mất mát tín hiệu không thể phục hồi được

Chỉ thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (điểm – điểm) nên hạn chế số lượng thiết bị có trong mạng

Cổng RS 232 trên PC

Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổng COM hay cổng nối tiếp RS232 Số lượng cổng COM có thể lên tới 4 tùy thuộc loại main máy tính Khi đó, các cổng COM đó được đánh dấu là COM1, COM2, COM3… Trên đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9) hoặc 25 chân (DB25) Tuy hai loại đầu nối này có cùng song song nhưng hai loại đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25)

Sơ đồ chân cổng COM 9 chân

Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi 1 bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gii đến trong lần truyền bit tiếp theo Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (data bits) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5, 6, 7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một parity bit (kiểm tra bit chẵn, lẻ) và cuối cùng là bit dùng – bit stop

Đặc điểm truyền dẫn của RS 232

Chuẩn RS 422

Một cái tiến quan trọng của chuẩn RS 232C là chuẩn RS 422A Chuẩn này sử dụng việc truyền dữ liệu sai lệch (differential data) trên những đường truyền cân bằng Một dữ liệu sai lệch cần hai dây, một cho dữ liệu không đảo (non-inverted) và một đường cho dữ liệu đảo (inverted) Dữ liệu được truyền trên đường dây cân bằng, thường là cặp dây xoán với một trở ở đầu cuối Một IC lái (driver) sẽ biến đổi các mức logic thông thường thành một cặp tín hiệu sai lệch để truyền Bên nhận sẽ có một mạch chuyển đổi tín hiệu sai lệch thành các mức logic tương ứng Các IC lái RS 422A hầu hết hoạt động với nguồn +5V như các chip logic khác

Với chuẩn mới này, tốc độ cũng như khoảng cách truyền được cái thiện rất nhiều RS

422 truyền tối đa 1200m mà không cần bộ lặp

Chuẩn RS 485

Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên 2 dây A, B Chuẩn này truyền tín hiệu theo phương pháp lấy vi sai cân bằng Có nghĩa là tín hiệu truyền đi nhờ cả 2 dây Dữ liệu nhận được được căn cứ theo sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này

Ưu điểm:

Giảm được sự sai lệch dữ liệu ở thiệt nhận

Truyền thông tin đi được xa hơn

Có thể kết nối được nhiều thiết bị trên cùng một mạng (do sử dụng cách kết nối multidrop)

Đặc điểm truyền dẫn của RS 485

Giới thiệu về OPC server

OLE for Process Control (OPC) được xây dựng và phát triển bởi OPC Foundation (gồm 150

ty thành viên trong đó có Microsoft Corporation) OPC dựa trên kỹ thuật Microsoft’s ObjectLinking and Embeddeding (OLE) và Component Object Model (COM) OLE cung cấp một chuẩn giao tiếp chung cho những thiết bị và những ứng dụng dùng để giao tiếp Những thiết

bị mà thu thập hoặc hình thành dữ liệu trở thành OPC server, nó cung cấp cho những ứng dụng của OPC client

Trọng tâm của OPC là mô hình client/server trong đó OPC server cung cấp và giao tiếp đến đối tượng của OPC, cho phép những ứng dụng trên client điều khiển thiết bị và quản lý dữ liệu của thiết bị Những OPC server có thể được truy cập thông qua hầu hết các phần mềm HMI và dùng các ngôn ngữ khác nhau bao gồm C++, Visual Basic và Delphi OPC server tập hợp dữ liệu từ các thiết bị vật lý để phân tán đến những ứng dụng của OPC client và cũng có trách nhiệm cập nhật dữ liệu của thiết bị khi OPC client thay đổi

OPC client kết nối và giao tiếp với OPC server thông qua một trong hai giao thức được địnhnghĩa trong đặc điểm của OPC Giao tiếp OLE cho phép người dùng truy cập dữ liệu thông qua việc sử dụng ngôn ngữ chung Giáo tiếp COM thì phức tạp hơn, nhưng cung cấp cấp điều khiển mới hơn và mềm dẻo cho người phát triển và người dùng thành thạo ngôn ngữ lập trình, như là C hoặc C++ Những ứng dụng của OPC client có thể truy cập OPC server cục bộ trong máy tính hoặc mạng server

Đối tượng của OPC

OPC client có thể kết nối đến OPC server được cung cấp bởi một hoặc nhiều nhà cung cấp Nhà cung cấp cấp mã xác định thiết bị và dữ liệu mà trên server truy cập

Mối quan hệ giữa OPC server/client

OPC Data Access

Ở mức độ cao, OPC Data Access server bao gồm nhiều đối tượng: server, group và item Đối tượng OPC server duy trì thông tin từ server và server như là một nơi chứa các nhóm đối tượng OPC Nhóm đối tượng OPC lưu trữ thông tin của chính nó và cung cấp cơ cấu lưu trữ, sắp xép các OPC item cục bộ

Mối quan hệ giữa Server và Group

Nhóm OPC cung cấp cách thức cho các client sắp xếp dữ liệu Dữ liệu có thể được đọc hoặcghi Ngoài ra, các kết nối cơ bản được tạo ra giữa client và item trong group còn có cho phép hoặc không cho phép kết nối OPC client có thể cấu hình tốc độ để OPC server cung cấp dữ liệu truyền đến OPC client

Có 2 loại group: nhóm công cộng và nhóm cục bộ Nhóm công cộng thì dùng chia sẻ cho nhiều client, nhóm cục bộ thì chia sẻ cho client cục bộ Trong mỗi nhóm client có thể có một hoặc nhiều OPC item

Mối quan hệ giữa Group/Item

OPC item đại diện cho kết nối nguồn dữ liệu bên trong server Giao diện người dùng không thể truy cập OPC item như là đối tượng bằng OPC client Vì thế không có định nghĩa giao tiếp bên ngoài cho OPC item Tất cả các OPC item được truy cập thông qua nhóm đổi tượngOPC mà chứa OPC item, hoặc một cách đơn giản hơn là nới đó có định nghĩa OPC itemChú ý rằng, item không phải là nguồn dữ liệu mà nó chỉ là phương tiện kết nối đến dữ liệu

Ví dụ, các tag trong hệ thống DCS tồn tại bất chấp sự truy cập hiện tại của OPC client OPCitem hiểu rằng đó là địa chỉ của dữ liệu chứ không phải là nguồn dữ liệu vật lý

OPC Alarm and Event Handling

Phương thức giao tiếp này cung cấp cơ chế cho OPC client để thông báo sự cố của những sựkiện đặc biệt và điều kiện đưa ra cảnh báo Nó cũng cung cấp công cụ cho phép OPC client giải quyết sự kiện và điều kiện được hỗ trợ bởi OPC server, và biết tình trạng hiện tại Trong OPC, cảnh báo xuất hiện trong điều kiện bất thường và đặc biệt Cảnh báo có tên gọi

là OPC Event Server

Mặt khác, sự kiện là sự cố có thể phát hiện mà nó là tâm điểm của OPC server, thiết bị và OPC client Sự kiện có thể được liên kết hoặc không liên kết với điều kiện Ví dụ, trạng thái chuyển từ HighAlarm sang Normal là sự kiện liên kết với điều kiện Tuy nhiên, hành động của người điều khiển, cấu hình hệ thống thay đổi và lỗi hệ thống là ví dụ của sự kiện không liên quan đến điều kiện OPC client có thể góp phần báo sự kiện đặc biệt của sự cố

Giáo tiếp OPC Event Server cung cấp phương thức cho phép OPC client:

Giải quyết các sự kiện mà OPC server hỗ trợ

Gia nhập vào nơi lưu trữ các sự kiện đặc biệt, để OPC client có thể nhận thông báo sự cố

Bộ lọc có thể được sử dụng để định nghĩa tập con các sự kiện mong muốn

Truy cập và vận động bổ sung điều kiện vào OPC server

OPC Historical Data Accsess

Hệ thống truy nhập quá khứ tạo ra nguồn thông tin bổ sung để phân tấn đến người dùng Hiện tại các hệ thống truy nhập quá khứ sử dụng giao thức riêng để phổ biến dữ liệu

Có 2 loại Historical server Đặc điểm từng loại như sau:

Simple Trend data servers: những server này cung cấp dữ liệu lưu trữ thô (dữ liệu đặc thù cósẵn từ OPC Data Access server)

Dữ liệu nén và phân tích server phức tạp: những server này cung cấp dữ liệu nén cũng như

dữ liệu lưu trữ thô Nó có khả năng cung cấp dữ liệu tổng hợp hoặc có chức năng phân tích

dữ liệu như là giá trị trung bình, lớn nhất và nhỏ nhất…; có thể hỗ trợ cập nhật dữ liệu và lích sử cập nhật; có thể hỗ trợ lưu trữ chú thích cùng với lưu trữ dữ liệu quá khứ

Ưu điểm của việc sử dụng OPC

Cho phép các ứng dụng khai thác, truy nhập dữ liệu theo 1 cách đơn giản, thống nhất

Hỗ trợ truy nhập dữ liệu theo cơ chế hỏi tuần tự (polling) hoặc theo sự kiện (event-driven)

Linh hoạt và hiệu suất cao

Sử dụng được từ hầu hết các công cụ phần mềm SCADA thông dụng hoặc một ngôn ngữ bậc cao (C++, Visual Basic, Delphi,…)

Chương II: Thiết kế hệ thống 2.1 Lựa chọn thiết bị

2.1.1 Chọn PLC

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC 47-63Hz

- Kích thướt: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện.

- Xuất sứ: Siemens Germany

- Giá: 5.396.500 VND

- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức

0 là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay.

™ Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy.

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng,

không thực hiện chương trình hiện có.

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng tương

ứng mức logic là 1.

- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng tương

ứng mức logic là 1.

™

Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:

- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối Hai đầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối đa 7 module.

2.1.2 Giới thiệu về module EM235

Với đề tài này em sử dụng module EM235

Một số thông số của EM235:

- SIMATIC S7-200, ANALOG I/O

- EM 235, FOR S7-22X CPU ONLY

- 4 AI, 1AQ, 12 BIT CONVERTER

- Xuất sứ: Manufacturer: Siemens / Germany

- Giá: 3.913.000 VND

EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các

bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).

a.Các thành phần của module analog EM235.

1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra

Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ

phân giải