Nghiên cứu ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển công nghiệp

Luận văn thạc sỹ khoa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Những có số liệu kết nêu luận văn hoàn thành trung thức chưa công bố trước LUMPHONE KOUNLAVONGSA Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng cảm ơn Chính phủ CHDCND Lào Chính phủ nước CHXHCH Việt Nam tạo điều kiện cho nghiên cứu khoa học Việt Nam xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Koa Hà Nội,tham tán giáo dục văn hóa – Đại quán Lào Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình học tập Việt Nam Nhân dịp này,em xin bày tỏ lòng biết ơn sêu sắc chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG người dẫn giúp đỡ tận tình cho hoàn thành luận văn thạc sĩ tốt đẹp chân thành cảm ơn nhà khoa học, thầy cô trường đóng góp ý kiến quí bán luận văn đầy đủ hoàn thiện Cũng xin tỏ lòng biết ơn đến nhà máy Bia Lào giúp đỡ cung cấp số liệu cần thiết cho để nghiên cứu cuối xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình tôi,họ hàng bạn thân biết bạn bè động viên nhiệt trình giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần khích lệ giúp vượt qua khó khăn trở ngại thực luận văn Luận văn hoàn thành Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2013 Quá trình làm luận văn thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu rộng phức tạp, trình độ bạn thân hạn nêu chắn luận văn không tránh khỏi nhung thiếu sót,tôi mong nhận báo đóng góp ý kiến ban gíam khảo để luận văn hoàn thiện chưa làm sâu xin tiếp tục nghiên cứu thêm Sâu hoàn thành luận văn,tôi trở phục vụ Tổ Quốc thân yêu cưa đóng góp xây dụng đất nước Trường Cao đẳng Lào Đức Xin chuc quan hệ hữu nghị, tình đoàn kết đặc biệt hợp tác hoàn diện Đảng nước dân tộc Lào – Việt Nam mãi xanh tươi đời đời bền vững Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA LÀO 14 1.1 Thành phần 14 1.1.1 Gạo 14 1.1.2 Malt 15 1.1.3 Men 15 1.1.4 Hoa Hupblon 15 1.1.5 Nước 16 1.2 Quy trình công nghệ sản xuất bia 16 1.3 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất bia 18 1.3.1 Nhà nghiền 18 1.3.2 Nhà nấu 21 1.3.3 Nhà lên men lọc bia 26 1.3.4 Nhà chiết 29 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC S7- 300 39 2.1 Giới thiệu chung 39 2.2 Các modul PLC S7-300 42 2.2.1 Modul CPU 43 2.2.2 Modul mở rộng 44 2.3 Ngôn ngữ lập trình 46 2.4 Tập lệnh 48 2.4.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm 48 2.4.2 Nhóm lệnh so sánh với số nguyên số thực 48 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 2.4.3 Các lệnh toán học 49 2.4.4 Lệnh đổi kiểu liệu 50 2.5 Bộ nhớ 51 2.5.1 Vùng nhớ chương trình 51 2.5.2 Vùng nhớ hệ thống 52 2.5.3 Vùng nhớ liệu 52 2.6 Trao đổi liệu CPU modul mở rộng 53 2.7 Bộ thời gian (Timer) 55 2.8 Bộ đếm (Counter) 56 2.9 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC 57 2.9.1 Xác định quy trình công nghệ 57 2.9.2 Xác định ngõ vào, ngõ 57 2.9.3 Viết chương trình 58 2.9.4 Nạp chương trình vào nhớ 58 2.9.5 Chạy chương trình 58 2.10 Truyền thông PLC PC 58 2.11 Soạn thảo Project 60 2.11.1 Cài đặt phần mềm 61 2.11.2 Lập trình 61 2.11.3 Download mô 66 2.12 Truyền thông MPI 67 2.12.1 Công dụng 67 2.12.2 Tính 70 CHƢƠNG 3: HỆ SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC 71 3.1.Tổng quan hệ SCADA 71 3.2 Tổng quan phần mềm thiết kế WinCC 73 3.2.1 Giới thiệu chung 73 3.2.2 Các đặc điểm 74 3.2.3 Các cấu hình hệ thống 76 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 3.2.4 Các chức SCADA 77 3.2.5 Các chức 78 3.3 Truyền thông môi trường WinCC 82 3.3.1 Bản chất truyền thông máy tính (PC) PLC 82 3.3.2 Hàm truyền thông 84 3.4 Cài đặt phần mềm 86 3.5 Thiết kế giao diện 86 3.6.Chương trình lập trình điều khiển giám sát cho lò nhiệt nhà máy bia Lào sử dụng PLC – S7- 300 94 3.6.1 Lập trình điều khiển nhiệt độ Tank nấu gạo 94 3.6.2 Lựa chọn thiết bị 95 3.6.3 Xác định địa vào, cho PLC 98 3.6.4 Chương trình điều khiển 101 3.7 Thiết kế giao diện điều khiển sử dụng phần mềm WinCC 105 3.7.1 Giao diện điều khiển hệ thống 105 3.7.2 Xây dựng chương trình liên kết WinCC PLC 108 3.7.3 Thử nghiệm hệ thống điều khiển, giám sát 115 KẾT LUẬN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Một số loại cặp nhiệt thông dụng .97 Bảng: 3.2: Định địa đầu vào 99 Bảng 3.3: Định địa đầu 100 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1.Quy trình công nghệ sản xuất bia 16 Hình 1.2: Sơ đồ khối công nghệ sản xuất bia 18 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị nhà nghiền 19 Hình 1.4: Quá trình trao đổi nhiệt Tank nấu gạo 22 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Tank nấu 23 Hình 1.6 : Nguyên lý hoạt động khâu trộn 25 Hình 1.7 : Quá trình hạ nhiệt 26 Hình 1.8 : Nguyên lý hoạt động 27 Hình 1.9: Nguyên lý hoạt động nhà chiết 29 Hình 1.11: Hoạt động cấu nâng chai cam lăn 31 Hình 1.12: Hoạt động máy chiết bia 32 Hình 1.13: Nguyên lý hoạt động máy đóng nắp 33 Hình 1.14: Hình chiếu hoạt động máy đóng nắp chai 33 Hình 1.15: Sơ đồ hoạt động máy trùng 34 Hình 1.16: Bố trí nhiệt độ ngăn 36 Hình 1.17: Nguyên lý hoạt động máy dán nhãn 37 Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động máy in ngày sản xuất 38 Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển PLC 40 Hình 2.2 : Cấu hình rack modul trạm PLC S7-300 42 Hình 2.3: Một số CPU PLC S7-300 43 Hình 2.4 : Một số modul mở rộng PLC S7-300 46 Hình 2.5: Phân chia vùng ô nhớ CPU 53 Hình 2.6: Nguyên lý trao đổi liệu CPU modul mở rộng 54 Hình 2.7: Mô tả PC đọc thông tin nhớ trạng thái hoạt động PLC 59 Hình 2.8: PC ghi liệu nhớ trạng thái hoạt động PLC 59 Hình 2.9: PC gửi liệu đến máy tính 60 Hình 2.10: Cách mở dự án 61 Hình 2.11: Chọn Next hình để mở dự án 62 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 2.12: Chọn CPU dùng dự án 62 Hình 2.13: Chọn khối, ngôn ngữ dùng dự án 63 Hình 2.14: Đặt tên cho dự án 63 Hình 2.15: Khai báo cấu hình phần cứng 64 Hình 2.16: Chọn Install HW Updates hộp thoại Options 64 Hình 2.17: Chọn Install hộp thoại Install Hardware 65 Hình 2.18: Chọn loại CPU, IO Modul, dùng dự án 65 Hình 2.19: Mở cửa sổ để viết chương trình 66 Hình 2.20: Thực download chương trình 66 Hình 2.21: Cấu trúc mạng MPI 67 Hình 2.22 : Các lựa chọn địa truyền thông 68 Hình 2.23 : Màn hình sau chọn địa truyền thông 69 Hình 2.24 : Chọn địa truyền thông 69 Hình 2.25 : Download địa truyền thông xuống PLC 70 Hình 3.1: Cấu hình hệ SCADA điển hình 72 Hình 3.2: Đặc tính mở phần mềm WinCC 73 Hình 3.3: Bản chất trình truyền thông WinCC 82 Hình 3.4: Biểu tượng WinCC 86 Hình 3.5: Tạo Project 87 Hình 3.6: Các cách kết nối PC PLC 87 Hình 3.7: Chọn kết nối PC PLC 88 Hình 3.8: Đưa thư viện vào dự án 88 Hình 3.9: Chọn kiểu hình HMI 89 Hình 3.10: Lựa chọn thiết bị cần lập trình 89 Hình 3.11: Màn hình giao diện WinCC 90 Hình 3.12: Cửa sổ khai báo trường Project 91 Hình 3.13: Cách lấy công cụ 91 Hình 3.14: Thanh công cụ 92 Hình 3.15: Các cách kết nối 93 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 3.16: Thông tin kết nối 93 Hình 3.17: Sơ đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ Tank nấu gạo 94 Hình 3.18: Giao diện giám sát nhiệt độ, thời gian 95 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý Thermocouple 96 Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý Thermocouple nối với dụng cụ đo 97 Hình 3.21: Giao diện khởi động hệ thống 105 Hình 3.22: Đặt tên cho Button_2 105 Hình 3.23: Chọn hình nhấn nút Start 106 Hình 3.24: Đặt tên cho Button_4 106 Hình 3.25: Thoát khỏi hình nhấn nút Exit 107 Hình 3.26: Viết chữ vào Text Field 107 Hình 3.27: Giao diện điều khiển hệ thống 108 Hình 3.28: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho cảm biến nhiệt độ PT100 110 Hình 3.29: Tạo Tag cho cảm biến nhiệt 110 Hình 3.30: : Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho nhiệt độ đặt ngưỡng 111 Hình 3.31: Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngưỡng 111 Hình 3.32: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho nhiệt độ đặt ngưỡng 112 Hình 3.33: Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngưỡng 112 Hình 3.34: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho Timer 113 Hình 3.35: Tạo Tag cho Timer 113 Hình 3.36: Đặt tên cho Button_6 114 Hình 3.37: Đặt tên cho Button_6 114 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 10 PHẦN MỞ ĐẦU  -Trong nghiệp công nghiệp hoá đại hoá, tự động hoá thiếu lĩnh vực ngành kinh tế quốc dân nhằm tạo sản phẩm có chất lượng cao cho xã hội khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Ngay từ đời PLC trở thành sở công nghiệp tự động hoá, đặc trưng PLC sử dụng vi xử lý để xử lý thông tin, nối ghép logic cần thiết trình điều khiển xử lý phần mềm người sử dụng lập nên cài vào Do đó, người ta giải nhiều toán tự động hoá khác điều khiển mà không cần phải biến đổi việc nạp chương trình khác PLC giám sát thường xuyên trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu báo thiết bị vào, PLC chương trình logic để định tiến hành hoạt động đầu Việc trao đổi thông tin liệu trung tâm điều khiển với giới bên thực thông qua hệ thống giao diện, điều khiển trung tâm trao đổi thông tin với máy tính khác So sánh với hệ thống điều khiển hệ cũ dùng rơle kỹ thuật PLC có ưu tuyệt đối khả linh động khả giải toán tự động hoá phức tạp Lý chọn đề tài Nền kinh tế nước ta ngày phát triển, nhu cầu tự động hoá ngày cao để đáp ứng đòi hỏi trình công nghiệp hoáhiện đại hoá Chính em chọn đề tài nhằm giúp em đánh giá khả tích luỹ kiến thức lâu nhà trường, từ mà nắm vững kiến thức chuyên ngành, áp dụng tốt Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 103 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 104 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 105 3.7 Thiết kế giao diện điều khiển sử dụng phần mềm WinCC 3.7.1 Giao diện điều khiển hệ thống a) Giao diện khởi động hệ thống Hình 3.21: Giao diện khởi động hệ thống Button_2: Ta lấy Button từ Tools sau nháy đúp chuột trái xuất cửa sổ Hình 3.22: Đặt tên cho Button_2 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 106 Khi kích vào Start chọn đến hình sau: Hình 3.23: Chọn hình nhấn nút Start Button_4: Ta lấy Button từ Tools sau nháy đúp chuột trái xuất cửa sổ Hình 3.24: Đặt tên cho Button_4 Khi kích vào Exít thoát khỏi chương trình sau: Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 107 Hình 3.25: Thoát khỏi hình nhấn nút Exit Text_Field: Ta lấy Text Field từ Tools sau nháy đúp chuột trái xuất cửa sổ, viết tên vào cửa sổ Text Hình 3.26: Viết chữ vào Text Field Các Text khác tạo tương tự b) Giao diện điều khiển hoạt động hệ thống Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 108 Hình 3.27: Giao diện điều khiển hệ thống 3.7.2 Xây dựng chƣơng trình liên kết WinCC PLC a) Giới thiệu chức Switch Muốn bật nguồn ta gạt switch lên ON, tắt nguồn gạt switch xuống OFF Hệ thống điều khiển chế độ tay tự động MAN: Bằng tay AUT: Tự động Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 109 Các Switch để mở đóng cho van V8, V9, V10, V11, V12 Đóng, cắt động cho động bơm dịch gạo sang khâu trộn Ngoài van đặt đèn báo, để báo trạng thái van mở hay đóng L1: Cảm biến mức cao, L2: Cảm biến mức thấp L3: Cảm biến nhiệt độ, M’2 : Động khuấy b) Cách kết nối WinCC PLC Gía trị nhiệt độ lấy từ cảm biến nhiệt độ PT100, nháy đúp chuột vào đối tượng viết tên vào Tag, chọn kiểu Mode Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 110 Hình 3.28: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho cảm biến nhiệt độ PT100 Tạo Tag cho cảm biến nhiệt Hình 3.29: Tạo Tag cho cảm biến nhiệt Nhiệt độ đặt ngưỡng dưới, nháy đúp chuột vào đối tượng xuất cửa sổ: Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 111 Hình 3.30: : Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho nhiệt độ đặt ngƣỡng dƣới Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngưỡng Hình 3.31: Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngƣỡng dƣới Nhiệt độ đặt ngưỡng trên, nháy đúp chuột vào đối tượng xuất cửa sổ: Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 112 Hình 3.32: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho nhiệt độ đặt ngƣỡng Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngưỡng Hình 3.33: Tạo Tag cho nhiệt độ đặt ngƣỡng Thời gian đặt Nháy đúp chuột vào đối tượng viết tên vào Tag, chọn kiểu Mode Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 113 Thời gian đếm thời gian đặt V12 đóng Nháy đúp chuột vào đối tượng viết tên vào Tag, chọn kiểu Mode Hình 3.34: Đặt tên vào Tag, chọn kiểu Mode cho Timer Tạo Tag cho Timer Hình 3.35: Tạo Tag cho Timer Nháy đúp chuột vào đối tượng viết tên vào Text OFF Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 114 Hình 3.36: Đặt tên cho Button_6 Nháy đúp chuột vào đối tượng viết tên vào Text OFF Hình 3.37: Đặt tên cho Button_6 Một cách tương tự ta tạo Tag thông số cho On_off_motor, On_off_van_8, On_off_van_9, On_off_van_10, On_off_van_11, On_off_van_12, VAN8, VAN9, VAN10, VAN11,VAN12 Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 115 Nguyên lý hoạt động điều khiển ổn định nhiệt độ tank nấu gạo sau: Ban đầu ta bật công tắc cấp nguồn cho hệ thống, sau chọn chế độ làm việc Nhiệt độ từ cảm biến nhiệt PT100 hiển thị PV Ta tiến hành đặt nhiệt độ ngưỡng dưới(SP MIN) ngưỡng (SP MAX) Nếu nhiệt độ cảm biến nhỏ ngưỡng lớn ngưỡng đóng V12.Ngược lại mở V12 Khi V12 đóng S_TIMER bắt đầu đếm thời gian từ giá trị đặt H_TMER xuống giá trị 0, ta mở V10 (đèn báo V10 mở) cho dịch gạo sang khâu trộn nhờ bơm M3 3.7.3 Thử nghiệm hệ thống điều khiển, giám sát Sau thiết kế xong hệ thống điều khiển, giám sát cho lò nhiệt nhà máy bia mô phần mền giao diện WinCC em thấy hệ thống làm việc bình thường ổn định theo yêu cầu công nghệ Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 116 KẾT LUẬN  -Sau tháng nghiên cứu thực luận văn, với giúp đỡ thầy giáo, cô giáo môn đặc biệt hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG với nỗ lực thân đến em hoàn thành đầy đủ công việc mà luận văn tốt nghiệp yêu cầu Trong trình thực em tích luỹ số kiến thức để nhanh chóng nắm bắt việc điều khiển, giám sát cho lò nhiệt nhà máy bia để đáp ứng tính liên tục quy trình sản xuất bia phù hợp với thực tế Mặc dù thân em cố gắng, trình thực gặp nhiều khó khăn, nội dung luận văn thiếu sót Vì em mong nhận bảo thầy, cô bạn để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội Ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực LUMPHONE KOUNLAVONGSA Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH Luận văn thạc sỹ khoa học 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] “Tự động hoá với Simatic S7-300’’, Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2006 [2] “Tự động điều khiển trình công nghệ’’, Trần Doãn Tiến, Nhà xuất Giáo Dục, 1998 [3] “ Điểu khiển logic lập trình PLC’’, Tăng Văn Minh, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [4] Website: HTTP://WWW.GOOGLE.COM.VN/ [5] WEBSITE: HTTP://WWW.VIRTUALMC.COM/ [6] WEBSITE: HTTP://WWW.EBOOK.COM.VN/ Học viên: Lumphone KOUNLAVONGSA/11BKTĐT.KH