Thiết Kế Hệ Thống Cân Định Lượng

Các thiết bị định lượng có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm… Tự độn

Chương 3: Giới thiệu PLC S7 300

Chương 4: Tổng quan hệ thống SCADA phần mềm WINCC

PHẦN 2: Mô phỏng và lập trình

Chương 1: Mô phỏng WINCC

Chương 2: Lập trình PLC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu định lượng vô cùng quan trọng Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất Các thiết bị định lượng

có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm…

Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của cac doanh nghiệp nhằm nâng cao năng suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh trongquá trình hội nhập hiện nay

Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất lớn vì vậy em đã lựa chọn để tài “ thiết kế hệ thống cân định lượng” Thông qua những tìm hiểu của em về hệthống cân định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp ý của thầy cô

Em xin trân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Page 2

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

1.1 Giới thiệu chung

Cùng với sự phát triển kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp ứng dụng của hệ thốngcân định lượng ngày càng lớn Yêu cầu cho hệ thống ngày càng đòi hỏi độ chình xác cao,sản lượng lớn Những ứng dụng của hệ thống cân định lượng là rất nhiều, em đã chon cânđịnh lượng trong khâu định lượng bán thành phẩm nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi làhướng tìm hiểu sâu về đề tài của mình

1.1.1 Sản xuất thức ăn chăn nuôi

Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi Ở nước ta hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng thức ăn chăn nuôi truyền thống Thức ăn công nghiệp cần sản xuất tại các nhà máy thức

ăn chăn nuôi quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống cân tự động trong phối trộn nguyên liệu thức ăn Việc áp dụng cân định lượng trong khâu sản xuất giúp giảm lao động, nâng cao hiệu quả, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm chăn nuôi

Thức ăn chăn nuôi gồm nhiều thành phần với tỷ lệ khác nhau vì vậy cân định lượng cần đảm bảo tính chính xác và hiệu quả

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

1.1.2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ

2.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỈ THỊ KHỐI LƯỢNG:

Thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khácnhau Tuỳ mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khácnhau Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân vẫn là lấy tín hiệu điện áp từ

Page 4

loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặcmàn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in Ngoài ra còn cócác chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”… Để thực hiện các chức năng như trênvới độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho loadcell vàA/D Thông thường A/D sử dụng là loại 16 bits hoặc cao hơn sẽ cho độ phân giải là lớnhơn một phần 65536 (216) và như vậy độ chính xác sẽ rất cao Ngoài bộ vi xử lý đủmạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh.

Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa haykhông

Sau đây giới thiệu hình ảnh một số đầu cân và thiết bị hiển thị từ xa trong thực tế:

Hình 2.1: Giới thiệu hình ảnh một số loại đầu cân có trong thực tế

2.1.1 Đặc điểm đầu cân BDI –9301:

- Điều chỉnh hoàn toàn dùng kỹ thuật số làm cho việc chỉnh điểm 0 và định bước cân(span) trở nên dễ dàng Không cần phải nạp và xoá trọng lượng đặt một cách liên tục

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

- Có 16 hàm chức năng được điều chỉnh thông qua 16 phím nhấn Có thể sử dụng chorất nhiều ứng dụng cân tĩnh cũng như cân động

- Cho phép khởi động lại các giá trị mặc định tạo bởi nhà sản xuất khi có sự cố đốivới hoạt động bình thường

- Chức năng kiểm tra hệ thống sẽ kiểm tra từng bộ phận của hệ thống để bảo đảmhoạt động đúng

- Hai chương trình chứa các giá trị như: Final Weight (SETPOINT), Upper Limit(HI), Lower Limit (LO), Preliminary Weight (PRELIM) và tầm bù rơi tự do (FreeFall) cóthể được lưu trữ

2.1.2 Giải thích cách chỉnh cân:

- Chỉnh độ phân giải: Khối lượng hiển thị lên màn hình thì dựa vào độ phân giải này.Đây là khoảng thay đổi nhỏ nhất mà thiết bị có thể nhận biết được Ví dụ nếu đặt độ phângiải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103.… Nếu

độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ hiển thị 100, 102, 104… Có thể lựa chọn độ phân giảinày là 1, 2, 5, 10, 20 hay 50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trongcatalogue của BDI-9301

- Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân Thực hiện việcnày là để BDI-9301 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với khối lượng thêm vào Cóthể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường xuyên để tránh ảnh hưởng của việcthay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng khác

- Khối lượng tối đa: Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người sử dụng muốncân Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là những giới hạn khác mà ngườidùng đặt Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối lượng lớn nhất này

- Cân chỉnh bước cân (Span Calibration): Với việc chỉnh Zero nhằm mục đích đặt giátrị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm giới hạn mà có thể cân được(khối lượng lớn nhất) Điều này là để cho BDI-9301 biết hai đầu mút mà có thể cân đượcchính xác BDI-9301 sẽ tính toán giá trị cân được nếu khối lượng cần cân nằm trong haigiới hạn này Tuy nhiên, trong thực tế có thể dùng các khối lượng chuẩn để cân chỉnh choviệc này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối lượng chuẩn cànggần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác)

- Sở dĩ cần cân chỉnh Zero là để A/D đọc giá trị sai lệch điện áp ban đầu khi không cóvật gì ở trên bàn cân Chỉnh bước cân là cho A/D biết được giá trị điện áp ứng với một

Page 6

khối lượng chuẩn đặt lên bàn cân Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá trị điện áp này vàchia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu các giá trịnày vào bộ nhớ Khi có khối lượng cần cân, bộ xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và trừ đi điện

áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ số đã lưu trước đó sẽ ra được khối lượng cần cân

Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu điện áp ngõ ra loadcell quá lớn lúc chỉnh Zero thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG- của Loadcell như hình 2.2a Hoặc ngược lại nếu tín hiệu ra của Loadcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh Zero thì trong trường hợp này phải mắc thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và SIG+ như trong hình 2.2b

Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ 50KΩ đến 500KΩ); cóchất lượng cao và có hệ số nhiệt thấp Các lỗi khi cân chỉnh trên đây và một số lỗi khác sẽ đượcbáo lên màn hình và cách xử lý đã được hướng dẫn trong “Operation Manual” của BDI-9301

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh điện áp đầu cân ngõ ra loadcell 2.2 GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL

2.2.1 Lý thuyết về loadcell:

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell Đây

là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi,lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết Sauđây là giới thiệu về loại cảm biến này

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở làmột phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điệntrở Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệvới mức độ thay đổi của điện trở Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầuWheatstone

Exc+

Sig+

Exc- a)

Sig-Exc+

Sig+

Exc- b)

Sig-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

- Nguyên lý:

Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiênđiện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng Phần lớncác thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầuWheatstone đã được sàng lọc Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạchnày là một điều cần thiết

Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầuWheatstone như trên hình trên Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậccao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:

Em = (V)

Với: - Ġ là biến đổi đơn

vị của mỗi điện trở Ri

43

32

21

1[)1(

R R

R R

R R

R Zm R

V ∆ −∆ +∆ −∆+

xoay chiều Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giảiđiều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu.

Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộkhuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:

Em = (V)

Phương trình trên cho

thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ làcộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại

là trừ khử nhau Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổnđịnh nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt

2.2.2 Một số Loadcell thực tế:

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật),Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loạiloadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéohay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loạiloadcell

Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây Sơ đồnối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:

a Dạng nối dây1 b.Dạng nối dây 2

Hình 2.4: Các dạng nối dây của loadcell

Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây -veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt.

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau Do đó cách kếtnối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp

Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell

]4

43

32

21

1[

R R

R R

R R

R

V ∆ −∆ +∆ −∆

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này cóthể là từ 2 miliVolt/Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độhoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải (Với giá trị điện

áp ra danh định là 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20miliVolt ứng với khối lượng tối đa)

Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khácnhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng Sauđây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PLC S7-300

3.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHẢ TRÌNH PLC:

3.1.1 Giới thiệu chung:

PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.

Page 10

Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lậptrình được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 cà được sửdụng chủ yếu để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sảnxuất trong công nghiệp Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nócũng giống như con vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh hơn

và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng

Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm dongười dùng lập nên và cài vào Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán tựđộng hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển và chỉ thayđổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau

Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn

- Dễ dàng thay đổi nhưng không tốn kém về mặt chính

- Có thể tính toán chính xác giá thành

- Cần ít thời gian làm quen

- Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo công nghệ thì dễ dàng

- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng

- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếngồn

Đứng đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của Mỹ,công ty MitSubiShi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ, Schnider củaPháp…

Cấu trúc chung của một hệ thống PLC được thể hiện trên sơ đồ hình 3.1

Nguồn pin CPU

bộ vi

xử lý

Clock

Bộ nhớ hệ thống ROM

Bộ nhớ

Dữ liêu RAM

Khối vào ra

Bộ

đệm

Bus điều khiển

Bus a ch đị ỉ Bus hệ thống vào/ra

Panel lập trình

Bộ đệm Mạch cách ly Mạch chốt

Mạch cách ly Mạch giao tiếp

Kênh ngõ vào Kênh ngõ ra

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Page 12

3.1.2 Bộ nguồn:

Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòng tiêuthụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC) Dòng tiêu thụ của các phân tử PLCphải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải

3.1.3 CPU:

Thành phần cơ bản của PLC là khối vi xử lý CPU Sản phẩm của mỗi hãng có đặctrưng cho tính linh hoạt, tốc độ xử lý khác nhau Về hình thức bên ngoài, các hệ CPU củacùng một hãng có thể được phân biệt nhờ các đầu vào, ra và nguồn cung cấp

Tốc độ xử lí của CPU là tốc độ xử lý từng bước lệnh của chương trình PLC đòi hỏiCPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lý xảy ranhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao Tuy nhiên tốc

độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC

3.1.3.1 Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thờigian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)

… và có thể còn có một vài cổng vào ra

số Các cổng vào ra số có trên module

CPU được gọi là cổng vào ra onboard

PLC S7_300 có nhiều loại

module CPU khác nhau Chúng được đặt

tên theo bộ vi xử lý có trong nó như

module

CPU312, module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/raonboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điềuhành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trongtên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ như ModuleCPU312 IFM, Module CPU314 IFM…

Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyềnthông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Các loại modulenày phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là moduleCPU315-DP

3.1.3.2 Module mở rộng:

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các

Hình 3.2: Module CPU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúcmodule rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng

hệ thống Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng nhưng tốithiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, các module còn lại lànhững module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ,các đèn báo, các rơle, các van từ Chúng được gọi chung là các module mở rộng

Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:

3.1.3.2.1 Module nguồn nuôi (PS - Power supply):

Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.

3.1.3.2.2 Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module):

Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.

- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng

có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số Số cáccổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại module

- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự Số các cổng vàotương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module

- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cổng ra tương tự Số các cổng ra tương

tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module

- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương tự

Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đềuphải được chuyển đổi thành tín hiệu số Cũng như các module số, người sử dụng cũng cóthể thiết lập các thông số cho các module analog

3.1.3.2.3 Module ghép nối (IM - Interface module):

Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản

lý chung bởi 1 module CPU Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhautrên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mở rộng (không

kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếpvới nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM

Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình.S7-300 cung cấp 3 loại module ghép nối sau:

Page 14

- IM 360: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ

CPU

- IM 361: Là module ghép nối có thể mở

rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8

module với khoảng cách tối đa là 10 m đòi

hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi

tầng

- IM 365: Là module ghép nối có thể mở

rộng thêm một tầng chứa 8 module trên

đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU

3.1.3.2.4 Module chức năng (FM - Function module):

Module có chức năng điều khiển riêng Ví dụ như module PID, module điều khiểnđộng cơ bước…

3.1.3.2.5 Module truyền thông (CP - Communication module):

Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLCvới máy tính

Hình 3.3: Module ghép nối

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Hình 3.4: Mô hình kết nối của SIMATIC S7-300

3.1.4 Bộ nhớ:

Dung lương bộ nhớ nói lên khả năng nhớ của PLC đo bằng đơn vị Kbyte nhưng

cũng có thể là số tối đa dòng lệnh có khi được viết chương trình

kiểu non-volatile đọc ghi được Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:

• OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức

• FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hìnhthức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

• FB (Function block): Miền chưa chương trình con được tổ chức thành hàm và cókhả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu nàyphải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB)

+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chiathành 7 miền khác nhau:

• I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số

• Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số

• M: Miền biến cờ

• T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)

• C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)

• PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input)

• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output)

+ Vùng dữ liệu: là miền để sử dụng để cất giữ các khối dữ liệu của chương trình baogồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộ đệmtruyền thông Một phần của bộ nhớ này thuộc kiểu đọc ghi được

Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:

• DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thướccũng như khối lượng do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển.Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW),hoặc từ kép (DBD)

• L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,

FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hìnhthức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của dữ liệu trong miền nhớ này sẽ

bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB

- Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau Cấu trúc

bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:

+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi

+ Vùng system memory

+ Vùng Load memory

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG+ Vùng Work memory

Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU

Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao

gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thưviện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB

System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh

ghi T-Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter

Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB,

FC, FB, SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho nhữngtham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và vớicác khối chương trình khác (Local Block) Tại một thời điểm nhất định vùng Workmemory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đó được thực hiệnxong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kếtiếp đến lược thực hiện

Page 18

Systerm memory

Bộ đệm ra số Q

Bộ đệm vào số I Vùng nhớ cờ M

• User program (EEPROM)

• User program (RAM)

3.1.5 Vòng quét chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét(scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tớivùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quétchương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (BlockEnd) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm

ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ vàkiểm tra lỗi

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét

(Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng thực

hiện trong một khoảng thời gian như nhau Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trìnhđược thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó

Hình 3.6: Vòng quét chương trình

Như vậy, việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điềukhiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cáchkhác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiểntrong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng

Truyền thông và kiểm tra nội bộ Chuyển dữ liệu

từ cổng vào tới I

Thực hiện chương trình

Chuyển dữ liệu từ cổng vào Q

VÒNG QUÉT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNGcao.

Chương trình xử lí ngắt có thể xâm nhập vào bất kì giai đoạn nào của chu trình vòngquét Vì thế, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiệntrong vòng quét Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển,tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụngchế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổngvào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo Việc truyền thông gữa bộ đệm ảo với ngoại vi trongcác giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý Ở một số module CPU, khi gặp lệnhvào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lýngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra

3.1.6 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng:

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thôngqua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số (DI)

sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I) Cuối mỗi vòng

quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển tớicổng ra của các module ra số (DO) Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thựchiện bởi chương trình ứng dụng Nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc

cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi trong

quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị từ I vàgiá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét Cũng như vậy, nếuchương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đốinội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự đưatới cổng ra vật lý của module DO

Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại đượcCPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO) Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị từđịa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có

ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh

Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bits) tới địa chỉ của vùng

PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ đươc gửi ngay tới cổng ra tương tự của module

Page 20

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ratương tự có thể có của một trạm Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số vớinhững địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trựctiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không cần thôngqua bộ đệm I và Q

Module DO

Module AO

Đọc/ghi gián tiếp

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNGnhững bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.

+ Loại khối OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều

khiển Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng được phân biệt vớinhau bằng một số nguyên đi sau nhóm kí tự OB, ví dụ OB1, OB35, OB40, OB80, Trongkhi khối OB1 được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét trong giai đoạn thực hiện chươngtrình (giai đoạn 2) thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi xuất hiện tín hiệu báongắt tương ứng, nói cách khác chương trình viết trong khối OB này chính là chương trình

xử lý tín hiệu ngắt (event)

+ Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng riêng giống

như một chương trình con hoặc một thủ tục (chương trình con có biến hình thức) Mộtchương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được phân biệt vớinhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự FC, chẳng hạn như FC1, FC2,…

+ Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một Page 22

Lệnh 2 Lệnh 1

Lệnh cuối cùng

lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chứcthành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block Một chương trình ứng dụng có thể cónhiều khối FB và các khối FB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên saunhóm ký tự FB, chẳng hạn như FB1, FB2,…

+ Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương

trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt Một chương trình ứng dụng có thể cónhiều khối DB và các khối DB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên saunhóm ký tự DB, chẳng hạn như DB 1, DB 2,…

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyểnkhối Xem những phần chương trình trong các khối như là chương trình con thì S7-300cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là từ chương trình con này gọi đến mộtchương trình con khác và từ chương trình con này lại gọi tới chương trình con thứ 3 Sốcác lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng Ví dụnhư đối với module CPU314 thì số lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất có thể cho phép là 8.Nếu số lần gọi lồng nhau vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyển sang chế độSTOP và đặt cờ báo lỗi

Số các lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất cho phép tuỳ từng loại module CPU

Hình 3.9: Lập trình có cấu trúc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

3.1.8 Bộ thời gian (Timer):

Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ τ mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào u(t) vàtín hiệu logic đầu ra y(t)

S7-300 có 5 loại Timer khác nhau Thời gian trễ τ mong muốn được khai báo vớiTimer bằng 1 giá trị 16 bits trong đó 2 bits cao nhất không sử dụng, 2 bits cao kế tiếp là

độ phân giải của Timer, 12 bits thấp là 1 số nguyên BCD trong khoảng 0999 được gọi là

Counter là bộ đếm có chức năng đếm sườn xung của tín hiệu đầu vào Có tối đa

256 Counter được kí hiệu từ C0C255 Có 2 loại:

÷

Hình 3.10: Cấu hình giá trị thời gian trễ đặt trước

cần khai báo với timer

lên 1 của tín hiệu Số sườn xung đếm được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm Nộidung của thanh ghi này gọi là giá trị đếm tức thời luôn so sánh với giá trị đặt trước của bộđếm nếu giá trị đếm tức thời bằng hoạc lớn hơn Giá trị đặt trước thì bộ đếm dặt giá trịlogic bằng 1 và một bit đặc biệt của nó, còn nhỏ hơn thì đặt giá trị logic 0.

Bộ đếm tiến đều có chân nối với tín hiệu điều khiển để đặt lại chế độ ban đầu Bộ đếmđược Reset khi tín hiệu xoá này có giá trị logic1 Khi bộ đếm được Reset thì thanh ghi vàBit đều có giá trị logic 0

- Bộ đếm tiến lùi:

Bộ đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng tiến, đếm lùi khi gặp sườn lên củaxung vào cổng lùi Bộ đếm cũng có Reset như bộ đếm tiến Nó có giá trị tức thời lớn hơnhoặc bằng giá trị đặt trước khi thanh ghi 2 byte có giá trị logic 1 ngược lại có giá trị 0

- S: tín hiệu đặt(BOOL), khi có sườnlên thì giá trị đặt đượcnạp cho CV

- PV: giá trị đặt (WORD)

- R : tín hiệu xoá (BOOL), khi có sườn lên thì giá trị CV được xoá về 0

- Q: ngõ ra

- V: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng Integer

- CV_BCD: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng BCD

3.1.10 Truyền thông với thiết bị khác:

3.1.10.1 Giới thiệu chung:

Truyền thông là phần khá phức tạp trong việc làm chủ PLC PLC họ S7 sử dụng cổngtruyền thông nối tiếp RS485 với phích cắm 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết

bị lập trình (PC) hoặc với các trạm PLC khác Ghép nối với PC qua cổng RS232 cần cócáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485

Hình 3.11: Bộ đếm tiến lùi

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau Đối tácnày có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác Các đối tác truyềnthông người hoặc hệ thống kĩ thuật là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc cácchương trình phần mềm (đối tác logic)

Để thực hiện tín hiệu truyền thông ta cần các tín hiệu thích hợp có thể là tín hiệutương tự hay tín hiệu số Sự phân biệt giữa các thông tin và tín hiệu số dẫn tới sự phânbiệt xử lý tín hiệu và xử lý thông tin giữa truyền tín hiệu với truyền thông Có thể sửdụng dạng tín hiệu khác nhau để truyền tải một nguồn thông tin, cũng như một tín hiệu cómang nhiều nguồn thông tin khác nhau

Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện đại ta chỉ quan tâm tới truyền tínhiệu số, hay nói cách khác là truyền dữ liệu Các chuẩn giao tiếp hệ thống này là cácchuẩn giao tiếp số

3.1.10.2 Các phương thức truyền thông:

- Điểm đối điểm: Point-to-Point Interface (PPI) (Đối với S7-200)

- Đa điểm: Multi Point Interface (MPI) (Đối với S7-300)

- PROFIBUS (Process Field Bus)

Đối tác truyền thông Đối tác truyền thông

Hình 3.12: Nguyên tắc cơ bản của truyền thông