PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI LIỆUHệ thống gồm 1 siloHai nút ấn START và STOP để khởi động và dừng hệ thốngHai van V1, V2.S1, S2 là cảm biến báo trạng thái của siloS3 là cảm biến báo oto đủ cân nặng(đầy nhiên liệu)2 động cơ SM1, SM22 băng tải BT1 và BT2
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Nhóm thực hiện đề tài : Nhóm 2
Hà Nội - 2017
Trang 2PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI LIỆU
Giáo Viên Bộ Môn:
Cô: Nguyễn Thu Hà
Nhóm 2: Lớp Điện 4 – K9 gồm:
Hoàng Văn Tuấn Nguyễn Thị Tuyết
Hoàng Thị Thu Hoàng Thị Nhung
Phan Hồng Sơn
Nhận xét của giáo viên bộ môn
MỤC LỤC
Trang
Trang 3Lời nói đầu
Chương 1 : Cơ sở lý thuyết 4
1.1 Phân tích công nghệ 4
1.2 Tìm hiểu về PLC S7-300 4
1.2.1 Khái quát về PLC S7-300 4
1.2.2 Các modul mở rộng 6
1.3 Tìm hiểu về HMI (Wincc của simen) 8
1.3.1 Giới thiệu phần mềm Wincc 8
1.3.2 Những ưu điểm của Wincc 12
Chương 2: Thiết kế hệ thống 13
2.1 Lựa chọn thiết bị 13
2.2 Xây dựng sơ đồ khối 17
2.3 Mạch lực, bảng định địa chỉ và sơ đồ đấu dây, thực hiện bài toán điều khiển 20
2.3.1 Mạch lực 20
2.3.2 Bảng định địa chỉ 20
2.3.3 Sơ đồ đấu dây 21
2.3.4 Thực hiện bài toán điều khiển 22
2.4 Trình bày về giao thức truyền thông trong hệ thống 24
2.4.1 Các thiết bị trong hệ thống thuộc phân cấp nào trong mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống mạng công ty 24
2.4.2 S7-300 được hỗ trợ giao thức truyền thông nào 25
2.4.3 Lựa chọn, trình bày về giao thức sử dụng trong hệ thống 30 Chương 3: Kết luận 34
3.1 Các nội dung đã đạt được trong đề tài 34
3.2 Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 34
Lời Nói Đầu
Trang 4 Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đạihơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tốrất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng caohơn
Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa
đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhaucho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao
Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế mộtmạch ứng dụng của PLC, điều khiển hệ thống phân phối liệu
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáotrong khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 4-K9 đặc biệt là giảng viênNguyễn Thu Hà - giảng viên khoa điện trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nộingười đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn họcnày Mong cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này
Em xin chân thành cảm ơn !
Chương 1: Cơ sở lý thuyết1.1 Phân tích công nghệ
Với đề tài số 2 được đưa ra “ điều khiển hệ thống phân phối liệu “ cho thấy
hệ thống toàn bộ được điều khiển tự động với phần mềm giúp cho hệ thống sẽ tựđộng làm việc mà không cần phải sử dụng bằng tay Do vậy ta thêm cảm biến S4 dùng để phát hiện ô tô , xem ô tô đã vào đúng vị trí chưa (vị trí của cảm biếnS3) và đèn RUN báo hệ thống đang hoạt động
Với mô hình hệ thống phân phối liệu được đưa ra trong đề tài ta có thể thấykhi nhấn nút START thì hệ thống bắt đầu khởi động, đèn RUN sáng
Trang 5 Giả sử 1: Ban đầu Silo chưa có nguyên liệu, cảm biến báo cạn nguyên liệuS1 tác động làm van V2 mở, nguyên liệu được đổ vào Silo.
Sau khi nguyên liệu được đổ đầy Silo, cảm biến báo đầy nguyên liệu S2 tácđộng làm đóng van V2 ngừng cung cấp nguyên liệu cho Silo Đồng thời mở van V1 và khởi động băng tải BT1 BT2 để chuyển nguyên liệu đến oto, nếu oto đang
số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số
Ưu điểm:
Nhỏ gọn
Dễ thay đổi thuật toán
Dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính)
Trang 6Hình 1.2.1.1: Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả
trình (PLC)
Cấu trúc bộ nhớ của CPU Bộ nhớ của S7 – 300 được chia làm 3 vùng chính:
Vùng chứa chương trình ứng dụng: được chia làm 3 miền:
OB (Organization block): Miền chứa chương trình tổ chức
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó
FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm, có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác
Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng
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 các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưugiữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), bit (M), byte (MB), từ (MW) hay (MW) hay từ kép (MD)
T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV: Preset value), (PV: Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV: Current value) (CV: Current value)
+ DO: Digital Output
Trang 7+ DI/DO: Digital In/Output
+ AI: Analog Input
+ AO: Analog Output C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter), (Counter), bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước, giá trị đếm tức thời, giá trị logic đầu ra của bộ đếm
PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự
Vùng chứa các khối dữ liệu Được chia thành 2 loại:
DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kính thước và số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển
L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình
OB, FC, FB OB, FC, FB tổ chức, sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi
dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứngtrong OB, FC, FB
1.2.2 Các modul mở rộng
Được chia thành 5 loại chính sau:
Nguồn nuôi (PS: Power Supply): Cung cấp nguồn cho CPU và các module khác
SM (Signal Module): Module tín hiệu vào ra, bao gồm:
DI: Digital Input
AI/AO: Analog In/Output
IM (Interface Module): Module ghép nối
FM (Function Module): Module điều khiển riêng: điều khiển Servo,
…
CP (Communication Module): Module truyền thông
Trang 8Module nguồn PS (3 loại: 2A, 3A, 5A)
Module ghép nối IM (Intefare Module): Hệ thu thập dữ liệu và truyền số liệu
Module tín hiệu SM (Signal Module):
Vào số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh
Ra số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh
Vào, ra số: 8 kênh vào 8 kênh ra, 16 kênh vào 16 kênh ra
Vào tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh
Ra tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh
Vào, ra tương tự: 2 kênh vào 2 kênh ra, 4 kênh vào 4 kênh ra
Module hàm FM (Function Module)
Đếm tốc độ cao
Truyền thông CP 340, CP340-1, CP341
Module điều khiển CP (Control Module):
Module điều khiển PID
Module điều khiển Fuzzy
Module điều khiển rô bot
Module điều khiển động cơ bước
Trong PLC có những bộ phận được gán địa chỉ đơn như bộ thời gian (T),
bộ đếm (C) chỉ cần một chữ cái đó kèm theo một số là đủ, ví dụ: T1, C32 Các địa chỉ đầu vào và đầu ra cùng với các module chức năng có cách gán địa chỉ giống nhau Địa chỉ phụ thuộc vào vị trí gá của module trên Panen Chỗ gá module trên panen gọi là khe (Slot), các khe đều có đánh số, khe số 1 là khe đầu tiên của và cứ thế tiếp tục
Khi gá module số vào, ra lên một khe nào lập tức nó được mạng địa chỉ byte của khe đó, mỗi khe có 4 byte địa chỉ
Trên mỗi module thì mỗi đầu vào, ra là một kênh, các kênh đều có địa chỉ bit là 0 đến 7
Trang 9Địa chỉ của mỗi đầu vào, ra là số ghép của địa chỉ byte và địa chỉ kênh, địa chỉ byte đứng trước, địa chỉ kênh đứng sau, giữa hai số có dấu chấm Khi
module gá trên khe thì địa chỉ được tính từ byte đầu của khe, các đầu vào và ra của một khe có cùng địa chỉ
Địa chỉ khe và kênh trên module số
Ví dụ: Module 2 đầu vào, 2 đầu ra số gá vào khe số 5 rãnh 0 có địa chỉ là I4.0, I4.1 và Q4.0, Q4.1
Module số có thể được gá trên bất kỳ khe nào trên panen của PLC
Địa chỉ vào ra trên module tương tự Trong PLC S7-300 người ta dùng 16 bit (một word) cho một kênh Một khe có 8 kênh với địa chỉ đầu tiên là PIW256 hoặc PQW256 (byte 256 và 257) cho đến PIW766 hoặc PQW766
Module tương tự có thể được gá vào bất kỳ khe nào trên panen của PLC, các khe trống bao giờ cũng có trạng thái tín hiệu “0”
Ví dụ: Một module tương tự 2 vào, 1 ra gá vào khe số 6 rãnh 0 có địa chỉ làPIW288, PIW290, PQW288
1.3 Tìm hiểu về HMI (Wincc của simen)
1.3.1 Giới thiệu phần mềm Wincc.
Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa
WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như
Hình 1.3.1.1: Giao diện phần mềm wincc
Trang 10Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.
WinCC là một hệ thống HMI (Human Machine Interface: tức là giao diện giữa người và máy) cho phép các hoạt động và chấp hành của các quy trình chạytrong máy Truyền thông giữa WinCC và máy diễn ra thông một hệ thống tự động
WinCC được dùng để hiện thị quá trình và cấu hình một giao diện đồ hoạ người dùng Bạn sẽ sử dụng giao diện người dùng để hoạt động và quan sát quá trình WinCC cung cấp các khả năng sau:
WinCC cho phép bạn quan sát quá trình Quá trình này được hiển thị đồ hoạ trên màn hình Màn hình hiển thị được cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quá trình thay đổi
WinCC cho phép bạn vận hành quy trình Ví dụ, bạn có thể chỉ ra một điểm đặt từ giao diện người dùng hoặc bạn có thể mở một van
WinCC cho phép bạn giám sát quá trình Một cảnh báo sẽ báo hiệu một cách tự động trong sự kiện của một trạng thái quá trình nghiêm trọng Nếu một giá trị được định nghĩa trước bị vượt quá, một thông báo sẽ xuất hiện trênmàn hình
WinCC cho phép bạn lưu trữ quá trình Khi làm việc với WinCC, những giá trị quá trình có thể hoặc được in ra hoặc được lưu trữ theo kiểu điện tử Điều này tạo điều kiện cho thu thập thông tin của quy trình và cho phép truy cập tiếp theo đến dữ liệu sản sinh ra trong quá khứ
WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu
Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA
Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hìnhảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report)
có thể dễ dàng được thiết lập
Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp
WinCC là một mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử dụng
nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thốngvới một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server)
Có thể phát triển tùy theo từng lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ
Trang 11Một loạt các mô đun phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần.
Máy tính (Computer): Quản lý tất cả các trạm (WorkStation) và trạm chủ (Server) nằm trong Project
Quản lý tag (Tag Managerment): Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ Logic, các tag (biến) quá trình (Tag process), tag (biến) trung gian trongPLC (Tag Internal) và nhóm các nhóm tag (Tag Groups)
Loại dữ liệu (Data Types): Chứa các loại dữ liệu được gán cho các Tag và các kênh khác nhau
Các trình soạn thảo Editor: Các trình soạn thảo được liệt kê trong vùng này dùng để soạn thảo và điều khiển một dự án hoàn chỉnh, chức năng các bộ soạn thảo cho như bảng sau:
Tất cả các Modul này đều thuộc hệ thống WinCC nhưng nếu không cần thiết thì không nhất thiết phải cài đặt hết
Tag (Biến) Tags WinCC là phần tử trung tâm để truy nhập các giá trị quá trình Trong một dự án, chúng nhận một tên và một kiểu dữ liệu duy nhất Kết nối logic sẽ được gán với WinCC Kết nối này xác định rằng kênh nào sẽ
chuyển giao giá trị quá trình cho các biến
Hình 1.3.1.2: Bộ soạn thảo trong wincc
Trang 12Các biến được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu toàn dự án Khi một chế độ của WinCC khởi động, tất cả các biến trong một dự án được nạp và cấu trúc Run – time tương ứng được thiết lập Mỗi biến được lưu trữ trong quản lí dữ liệu theo một kiểu dữ liệu chuẩn.
WinCC làm việc với 3 loại Tag:
Tag nội (Internal Tag): Là Tag không được kết nối với quá trình dùng để quản lý dữ liệu bên trong 1 project
Tag quá trình (Process Tag): Là Tag được dùng để trao đổi dữ liệu giữa WinCC và quá trình tự động Thuộc tính của Tag phụ thuộc vào driver sử dụng
Tag hệ thống (System Tag): Bắt đầu với ký tự , dùng để quản lý Project, không thể xóa hay chỉnh sửa System Tag
WinCC quản lý các tag này theo 2 kiểu:
Kiểu nhóm (Tag group)
Kiểu cấu trúc (Structure Type)
Nhóm biến chứa tất cả các biến có kết nối logic lẫn nhau Các kiểu dữ liệu biến phải gán một trong các kiểu dữ liệu sau cho mỗi biến được định cấu hình Việc gán kiểu dữ liệu cho biến được thực hiện trong khi tạo một biến mới Kiểu
dữ liệu của một biến độc lập với kiểu biến (biến nội hay biến quá trình) Trong WinCC, một kiểu dữ liệu nào đó cũng đều có thể được chuyển đổi thành kiểu khác bằng cách điều chỉnh lại dạng Các kiểu dữ liệu (data Types) có trong WinCC:
Binary Tag: kiểu nhị phân
Signed 8 – Bit Value: kiểu 8 bit có dấu
Unsigned 8 – Bit Value: kiểu 8 bit không dấu
Signed 16 – Bit Value: kiểu 16 bit có dấu
Unsigned 16 – Bit Value: kiểu 16 bit không dấu
Signed 32 – Bit Value: kiểu 32 bit có dấu
Unsigned 32 – Bit Value: kiểu 32 bit không dấu
Floating Point Number 32 bit IEEE 754: kiểu số thực 32 bit theo tiêu chuẩnIEEE 754
Floating Point Number 64 bit IEEE 754: kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩnIEEE 754
Text Tag 8 bit character set: kiểu ký tự 8 bit
Text Tag 16 bit character set: kiểu ký tự 16 bit
1.3.2 Những ưu điểm của Wincc.
Trang 13WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống cóquy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên
cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức
Động cơ điện.
Trang 14Hình 2.1.2: Động cơ không đồng bộ ba phaVới đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ 3 pha có thông số sau:
Hãng sản xuất: Seimens
Điện áp định mức : 400(V)
Dòng điện định mức 0.56A
Công suất định mức của động cơ: 0.18(kW)
Hệ số công suất Cosphi=0,77
Tần số định mức :50Hz
Tốc độ định mức của động cơ: 1350vòng/phút
Van điện từ.
Hình 2.1.3: Van điện từ
Trang 15Căn cứ vào nội dung của đề tài nhóm chúng em chọn và sử dụng loại van
đó là van điện từ
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Van điện từ - Solenoid Valve
Van điện từ có nhiều loại, cấu tạo cũng khác biệt nhau Van điện từ là van hoạt động điện cơ Van được điều khiển bởi dòng điện thông qua tác dụng của lực điện từ Đối với loại van 2 cửa, cửa ra và cửa vào sẽ được đóng mở thay phiên nhau (nghĩa là cửa vào đóng thì cửa ra mở và ngược lại)
Cảm biến: Gồm 3 loại cảm biến.
Cảm biến đo mức: Lựa chọn cảm biến tiệm cận.
Hình 2.1.4: Cảm biến tiệm cận Omron
Nguyên tắc hoạt động: Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật
Mặc dù khá đa dạng về chủng loại, song cơ bản thì van điện từ hoạt động theo một nguyên lý chung
Là có 1 cuộn điện, trong đó có 1 lõi săt và 1 lò so nén vào lõi sắt đó, lõi sắt
đó lại tỳ vào đầu 1 gioăng cao su Như vậy, bình thường không có điện thì lò so
ép vào lõi sắt, để đóng van Khi có dòng điện vào, cuộn dây sinh từ trường hút lõi sắt ra, từ trường này đủ mạnh thắng được lò so, khi đó van mở ra (Loại Van điện từ thường đóng – NC)
Cảm biến thu phát độc lập: Lựa chọn cảm biến hồng ngoại thu phát độc lập.
Trang 16Hình 2.1.5: Cảm biến thu phát độc lập.
Nguyên tắc hoạt động: Có 2 đầu 1 đầu phát tín hiệu và 1 đầu thu tín hiệu, khi có vật cảm ở giữa hai đầu tín hiệu thu – phát, cảm biến sẽ tác động Dùng đểphát hiện vật cảm (oto)
Cảm biến khối lượng
Hình 2.1.6: Cảm biến khối lượng
Nguyên tắc hoạt động: Khi đặt một vật đủ nặng (vd: 5 tấn) lên trên cảm biến, cảm biến sẽ tác động
Khởi động từ
Khởi động từ là một loại khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng – ngắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có lắp thểm rơle nhiệt) các động cơ khôngđồng bộ ba pha rôto lồng sóc Khởi động từ có một Contactor gọi là khởi động
từ đơn thường để đóng – ngắt động cơ điện Khởi động từ có hai Contactor là
Trang 17khởi động từ kép dùng để thay đổi chiều quay của động cơ gọi là khởi động từ đảo chiều Muốn bảo vệ ngắn mạch phải lắp thêm cầu chì.
Hình 2.1.7:Khởi động từ
Khi cung cấp điện áp cho cuộn dây bằng nhấn nút khởi động M, cuộn hây Contactor có điện hút lõi thép di động và mạch từ khép kín lại: Làm đóng các tiếp điể chính để khởi động động cơ và đóng tiếp điểm phụ thường hở để duy trì mạch điều khiển khi buông tay khỏi nút nhấn khởi động Khi nhấn nút dừng D, khởi động từ bị ngắt điện, dưới tác dụng của lò xo nén làm phần lõi di động trở
về vị trí ban đầu; các tiếp điểm trở về trạng thái thường hở Động cơ dừng hoạt động Khi có sự cố quá tải động cơ, Rơle nhiệt sẽ thao tác làm ngắt mạch điện cuộn dây, do đó cũng ngắt khởi động từ và dừng động cơ điện
2.2 Xây dựng sơ đồ khối
Thuật toán chương trình điều khiển hệ thống