BTL Hệ thu thập dữ liệu và truyền số liêu Hệ thống đếm và đóng gói sản phẩm

Nhằm giảm sức lao động của con người tăng cao năng suất hiệu quả kinh tế cao nhờ có những dây chuyền hệ thống tự động ngày càng hoàn thiện, từ đơn giản đến phức tạp từ tự động hoá từng p

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới và phát triển nền khoa học kỹ thuật ngày càng được chú trọng, do vậy ngành công nghiệp hoá và hiện đại hoá được quan tâm hàng đầu Nhằm giảm sức lao động của con người tăng cao năng suất hiệu quả kinh tế cao nhờ có những dây chuyền hệ thống tự động ngày càng hoàn thiện, từ đơn giản đến phức tạp từ tự động hoá từng phần đến toàn bộ dây chuyền nhờ sự phát triển vượt bậc của các linh kiện điện tử gọn nhẹ và đa năng làm việc ổn định

độ tin cậy lớn đã giúp các nhà thiết kế và chế tạo ra những sản phẩm với chất lượng cao giá thành hạ Được sự hỗ trợ phát triển mạnh của công nghệ thông tin cùng với yêu cầu về tự động bộ thiết bị khả lập trình PLC ra đời đã trở thành một công cụ hoàn hảo để phục vụ cho hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất Ngoài

ra máy tính cũng được dùng như một thiết bị điều khiển vạn năng, nó được đặt trực tiếp trên các dây chuyền công nghệ để giám sát và quản lý các quá trình Để trợ giúp con người điều khiển một cách tối ưu của quá trình sản xuất với hiệu quả cao.

Trong quá trình học và được sự đồng ý của thầy hướng dẫn nhóm chúng em

được giao nhiệm vụ: "Thiết Kế Hệ Điều Khiển Và Giám Sát Thiết Bị Hệ “Đếm

và đóng gói sản phẩm”

Song do thời gian có hạn và kinh nghiệm chưa có, nên trong bản đồ án của chúng em còn có nhiều sai sót Nhưng được sự giúp đỡ của bạn bè trong lớp và đặc biệt được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Nguyễn Thu Hà đã giúp đỡ và sửa chữa để chúng em hoàn thiện bộ đồ án tốt nghiệp này.

Em xin chân thành cảm ơn !

1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Phân tích công nghệ

Phân phối liệu một trong những sản phẩm là quan trọng trong các doanh nghiệp chếbiến, sản xuất hiện nay. Phân phối liệu có tác dụng xác định chính xác các mức khốilượng nguyên liệu định sẵn cho sản phẩm Nó sẽ được xác định đồng thời tất cả các loạinguyên liệu sau đó tập trung lại tại một băng tải hoặc máy trộn nguyên liệu để tạo ra hỗnhợp nguyên liệu Sản phẩm đầu ra khi sử dụng hệ thống phân phối liệu sẽ đảm bảo đượcchất lượng tiêu chuẩn cao nhất theo đúng tỉ lệ thành phần mong muốn Hiện hệ thống cânphối liệu đang được ứng dụng phổ biến trong các nhà máy, doanh nghiệp sản xuất như: ximăng, nhà máy thức ăn chăn nuôi, phân bón, bột thạch cao, bột trét tường, xi măngtươi Hầu hết các sản phẩm cần được trộn nguyên liệu theo một tỉ lệ nhất định sẽ cầnđến một hệ thống phân phối liệu để làm việc này

Ưu điểm:

 Nhỏ gọn

 Dễ thay đổi thuật toán

 Dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quang (với PLC khác hoặc với máytính)

 Ứng dụng nhiều ngôn ngữ lập trình: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH,HiGrap

 Các bộ phận của PLC

 Bộ vi xử lí trung tâm (CPU)

 Hệ điều hành

 Bộ nhớ chương trình

 Các cổng vào ra

Hình 1 - Cấu trúc bên trong của PLC S7-300

 Các tín hiệu kết nối với PLC S7-300

 Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2 trị 0hoặc 1

Đối với PLC Siemens:

 Mức 0: Tương ứng với 0V hoặc mạch hở

 Mức 1: Tương ứng với 24V

Ví dụ: Tín hiệu từ nút nhấn, từ các công tắc hành trình, đều là những tín hiệu số

 Tín hiệu tương tự: Là tín hiệu liên tục từ 0-10V hoặc 4-20mA

Ví dụ: Tín hiệu đọc từ cảm biến loadcell, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất

 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

3

 Kiểu BOOL: Có độ dài là 2 và dung lượng một bit có giá trị 0 hoặc 1.

 Kiểu BYTE: gồm 8 bits, được dùng để biểu diễn số nguyên dương trongkhoảng từ 0 đến 255

 Kiểu WORD: gồm 2 bytes, biểu diễn một số nguyên dương từ 0 đến 65535

 Kiểu INT: gồm 2 bytes, biểu diễn số nguyên trong khoảng từ -32768 đến32767

 Kiểu DINT: gồm 4 bytes, biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến2147483648

 Kiểu S5T (hay S5TIME): khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/miligiây

 Kiểu TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây

 Kiểu DATE : biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/ tháng/ ngày

 Kiểu CHAR: biểu diễn một hoặc nhiều kí tự (nhiều nhất là 4 kí tự)

 Cấu trúc bộ nhớ của CPU

Bộ nhớ của S7-300 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 biếnhình thức để dễ trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó

 FB (Function Block): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm cókhả 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 lưu trữcác tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), từ (MW)hoặc từ kép (MD)

 T: Miền nhớ phụ vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gianđặt trước (PV: Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV: CurrentValue).

 C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (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 của các Module tương tự

 Vùng chứa các khối dữ liệu:

Được chia thành 2 loại:

 DI (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích thước

và số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điềukhiển

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

OB, FC, FB tổ chức, sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu củabiến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của một số dữliệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa đi sau khi kết thúc chương trình tương ứngtrong OB, FC, FB

1.2.2 Các module mở rộng

Được chia thành 5 loại chính sau:

 PS: ( Power Supply): Nguồn nuôi Cung cấp nguồn cho CPU và các modulekhác

 SM ( Signal Module): Module tín hiệu vào ra, bao gồm:

 DI/DO: Digital Input/ Output

 AI/AO: Analog Input/ Output

 IM (Interface Module): Module ghép nối

 FM (Function Module): Module điều khiển riêng: điều khiển servo,

 CP (Communication Module): Module truyền thông

5

Hình 2 - Ghép nỗi Module mở rộng của PLC S7-300

Đối với yêu cầu của hệ thống này, do chỉ sử lý các tín hiệu là tín hiệu số lên em chỉcần sử dụng PS, CPU, IM và SM

Do đó không cần thêm model mở rộng mà chỉ cần dùng các đầu vào/ra số sẵn cócủa PLC

1.3 Tìm hiểu về HMI ( Phần mềm WinCC của SIEMENS )

Hình 3 - Giao diện của phần mềm WinCC 7.4

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm tích hợp giao diện người máyIHMI (Integrated Human Machine Inteface ) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điềukhiển với quá trình tự động hóa Những thành phần dễ sử dụng của Wincc giúp tích hợpnhững ứng dụng mới hoặc có sãn mà không gặp bất kì trở ngại nào.

Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúpquan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng

Phần mềm này có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều lọi PLC của các hãng khácnhau như Siemens, Mitsubishi, Allen Bradlay, nhưng đặc biệt nó truyền thông rất tốtvới PLC của hãng Siemems Nó được cài đặt trên máy tính và giao tiếp với PLC thôngqua cổng COM! hoặc COM2 (chuẩn RS-232) của máy tính Do đó, cần phải có một bộchuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC

WinCC còn có đặc điểm là đặc tính mở Nó có thể sử dụng một các dễ dàng với cácphần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người máy đáp ứngnhu cầu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứngdụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống.Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống quy mô lớn nhỏ khácnhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công tynhư việc tích hợp vớ những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing ExcutionSystem- Hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp củaSiemems có mặt trên khắp thế giới

7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Lựa chọn thiết bị

 Cảm biến: Sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện sản phẩm

 Màn hình Led 7 thanh để hiển thị số lượng sản phẩm và số lượng thùng

 Các nút ấn: Ở đây ta chỉ cần lựa chọn nút ấn thường mở sử dụng với điện áp hoạtđộng 24V

 Đèn LED: Lựa chọn đèn LED hoạt động trên điện áp 24VDC

 Động Cơ: Có thể sử dụng động cơ 1 chiều điện áp 220V hoặc động cơ xoay chiềukhông đồng bộ 3 pha thông qua 1 rơ le trung gian để điều khiển

Qua các thông số trên em lựa chọn

 PLC

Em chọn PLC với CPU314C – 2DN/DP và chỉ cần 1 module mở rộng cho các đầuvào/ra số DI16/Do16

Hình 4 - PLC S7-300 CPU314C – 2DN/DP

 Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại

Hình 7 - Cảm biến hồng ngoại

 Rơ le trung gian hỗ trợ điểu khiển động cơ

Rơ le trung gian 24VDC

Hình 8 - Rơ le trung gian 24VDC

 Nút ấn

Nút ấn nhả 24VDC

Hình 9 - Nút ấn nhả 24VDC 2.2 Xây dựng sơ đồ khối

Khối chấphành

Lưu đồ thuật toán

Hình 11 - Lưu đồ thuật toán

2.3 Mạch lực, bảng địa chỉ và sơ đồ đấu dây, thực hiện bài toán điều khiển

- Bảng định địa chỉ các đầu vào:

1 S1 I 0.2 BOOL Cảm biến đếm sản phẩm

2 S2 I 0.3 BOOL Cảm biến phát hiện thùng

3 S3 I 0.4 BOOL Cảm biến đếm số lượng thùng

4 START I 0.0 BOOL Khởi động hệ thống

5 STOP I 0.1 BOOL Dừng hệ thống

Bảng 1 - Bảng định địa chỉ các đầu vào PLC

- Bảng định địa chỉ các đầu ra:

STT

1 Băng tải1 Q 0.1 BOOL

2 Băng tai2 Q 0.2 BOOL

Bảng 2 - Bảng định địa chỉ các đầu ra của PLC

13

- Sơ đồ đấy dây:

L+

S7 – 300 CPU 314C - 2PN/DP

Mô phỏng trên WinCC

15

2.4 Trình bày về giao thức truyền thông trong hệ thống

2.4.1 Phân cấp các thiết bị trong hệ thống và mô hình phân cấp chức năng trong hệthống mạng công ty

Có mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp:

Hình 13 - Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp

Tương ưng với 5 cấp chức năng là 4 cấp của hệ thống truyền thông:

- Cấp quản lý: ( Management Level ) thu thập dữ liệu quá trình, phân tích vàtối ưu quá trình, thực hiện các báo cáo Thiết bị sử dụng ở mức này là máytính

- Cấp tế bào: ( Cell Level ) thực hiện các chức năng điều khiển, tự động hoá vàtối ưu hoá Các thiết bị sử dụng là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP

- Cấp trường: ( Field Level ) ghép nối các bộ điều khiển với thiết bị trong dâychuyền sản xuất

- Cấp Cảm biến/ Chấp hành: ( Actuator – sensor Level ) ghép cảm biến, chấphành với PLC

2.4.2 Các giao thức truyền thông của PLC S7-300 CPU315 -2DP

Đối với mạng truyền thông công nghiệp của SIMENS thì ta có:

- Mạng Ethernet công nghiệp: tương tự mạng máy tính

- Mạng Profibus/ mạng MPI (Multipoint Interface)

- Mạng ASI

 Mạng Ethernet công nghiệp

Mạng Ethernet công nghiệp phát xuất từ mạng Ethernet, mạng này được đề xuất bởiIEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) năm 1985 gọi là chuẩn IEEE802.3.Đầu tiên mạng LAN này là sản phẩm kết hợp của ba công ty Xerox, DEC và Intelnăm 1976 (Ether: môi trường truyền sóng ánh sáng theo quan niệm xưa, Net: mạng).Chuẩn này dùng cáp đồng trục trở kháng 50 Ohm, truyền tin với vận tốc 10 Mb/stheo kỹ thuật CSMA/CD, thường gọi là chuẩn 10BASE5 (10 có nghĩa 10Mb/s, BASE làBaseband tín hiệu truyền đi không điều chế, 5 ứng với khoảng cách truyền 500m) Saunày dùng cáp đồng trục loại nhỏ RG58A/U chuẩn 10BASE2 Các máy tính nối với nhautheo cấu hình tuyến qua các đoạn cáp có đầu nối BNC đực (đầu nối BNC, Bayonet NeillConcelman), nối với đầu nối hình T cắm vào card mạng Hai đầu tuyến có đầu nốiTerminator là điện trở 50 Ohm để tránh phản xạ đầu cuối, khoảng cách tối đa đoạn cáp

là 185m Các phát triển tiếp theo là Fast Ethernet (802.3u) 100BASE-T (T: cáp dây đôixoắn không bọc giáp; còn gọi là UTP : unshielded twisted pair), các máy tính nối vớinhau theo cấu hình sao (hay cây) qua các hub (hay switch) với các đầu nối RJ45 Đầu nối

17

này có 8 tiếp điểm, nối hai cáp mạng với nhau theo kết nối thẳng hay chéo Dùng kết nốithẳng khi nối máy tính với hub, kết nối chéo được dùng khi nối hai máy tính trực tiếp haynối hai hub với nhau Chiều dài cáp nối tối đa từ máy tính đến hub hay hub - hub là100m, tối đa 3 hub được sử dụng Hiện nay đã phát triển Gigabit Ethernet (802.3z,802.3ab, 802.3ae) với vận tốc truyền 1GB và 10GB.

Hình 14 - Đầu nối RJ45 cho Ethernet

Chuẩn 10BASE- FL, 100BASE-FL sử dụng khi truyền bằng sợi quang với chiều dàiđến 2000m

Mạng công nghiệp Ethernet dùng cáp ba lớp triaxial cable để tăng tính chống nhiễu,thayđầu nối RJ45 bằng đầu nối D 9 chân hay 15 chân với cáp 727.1 gồm 4 cặp dây xoắn.Các hub gọi chung là thành phần mạch (network component) gồm các module kếtnốiquang OLM (Optical Link module), điện ELM (Electrical Link Module) và OSM(OpticalSwitch module) Cách thức nối dây mạng cũng theo phương pháp thẳng và chéo.Máy tính và PLC ghép với nhau trên mạng Ethernet qua card hay module EthernetCP(CP: Communication Processor) trao đổi lượng thông tin lớn Trong công nghiệp

mạng Ethernetthường dùng để kết nối mạng máy tính công ty với mạng PLC ở phânxưởng.

Hình 15 - Kết nối các thiết bị qua mạng truyền thông Ethernet

Kỹ thuật truy cập mạng là CSMA/CD, các trạm đều có quyền ngang nhau, giao thứctruyền tin có thể là ISO hay TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol).Lập trình giao tiếp cho các trạm trên mạng thực hiện theo các cách sau:

- Các hàm giao tiếp SFC và SFB, cài sẵn trong phần mềm Step7, thuộc lớp 7của mô hình ISO

- Giao diện SEND/ RECEIVE với các hàm FC AG_SEND, AG_RECV

- Phần mềm NCM S7 for industrial Ethernet để cấu hình các module CP

- Các hàm SAPI-S7 ngôn ngữ C cho máy tính

- Phần mềm SCADA giao diện người -máy (Win CC, Intouch, citech)

 Mạng Profibus

Mạng Profibus được phát triển đầu tiên tại Đức, sau đó áp dụng rộng rãi ở Châu Autheo chuẩn EN 50170 Đây là mạng ở mức tế bào và mức trường, thông tin truyền trêncáp hai sợi hay sợi quang, vận tốc truyền thấp hơn so với mạng Ethernet,từ 9.6kb/s đến12Mb/s theo chuẩn RS485

Kỹ thuật truy cập là truyền thẻ giữa các trạm chủ và truyền thông tin giữa chủ tớ,mỗi trạm có thể gán là chủ hay tớ Trên mạng có thể có nhiều trạm chủ

19

Trên mạng có máy tính, PLC, panel điều khiển OP… Các PLC hay máy tính trongmạng phải được trang bị module Profibus- CP.

Hình 16 - Kết nối các thiết bị qua truyền thông Profibus

Số trạm trong một đoạn tối đa là 32 với chiều dài 1000m ở vận tốc truyền 93.75kb/svà100m ở vận tốc truyền 3Mb/s đến 12Mb/s Nếu dùng bộ lặp lại thì số trạm tối đa trongmạng là127 Sử dụng cáp quang với bộ ghép OLM (Optical link module) khoảng cách cóthể lên đến 15000m

Mạng Profibus có các biến thể sau:

- Profibus DP (Distributed periphery, Decentralized periphery): dùng cho tựđộng hoá sản xuất ở mức trường, liên kết với các tín hiệu quá trình

- Profibus FMS (Field bus Message Specifications): dùng cho tự động hoátổng quát ở mức tế bào, liên kết với PLC và PC, dùng chung mạng DP

- Profibus PA (Process Automation): áp dụng tự động hoá cần độ an toàn cao,kết nối trực tiếp cảm biến và chấp hành

Hình 17 - Kết nối Profibus – DP

Hình 18 - Kết nối Profibus DP – PA

Phần mềm cho mạng Profibus bao gồm:

- NCMS7 cho Profibus đặt cấu hình cho CP

21