đề tài giám sát thời gian thực bằng plc s7 300 và wincc Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần tăng hiệu quả lao động của con người. Tự động hóa đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của nghành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của nghành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giám sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế cao. Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế một mạch ứng dụng của PLC đó là thiết hệ hệ thống điều khiển và giám sát thời gian thực trên S7 – 300.
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI SỐ 3 : GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA BĂNG
TẢI BẰNG THỜI GIAN
Hà Nội, Ngày 24 Tháng 8 Năm 2018.
Trang 2Lời nói đầu
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến của thế giới, chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặcđiểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tốrất cần thiết góp phần tăng hiệu quả lao động của con người
Tự động hóa đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa
đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của nghành, lĩnh vực khác nhaucho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Mộttrong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng củanghành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giám sát các hệ thống vớinhững thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế cao.Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế một mạch ứng dụngcủa PLC đó là thiết hệ hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suấtcủa một nồi hơn trên S7 – 300
Trang 3MỤC LỤC
PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
1.1 Mô tả công nghệ 4
1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ .5
1.2.1 Tìm hiểu về cảm biến quang 5
PHẦN 2 : Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu 9
1.1 Mạng công nghiệp là gì ? 9
1.2 Mạng profibus-DP là gì ? 11
PHẦN 3: WINCC VÀ PLC S7-300 12
3.1 PLC S7-300 12
3.2 Module CPU 13
3.3 Các module 15
3.4 Module truyền thông 16
3.5 WINCC 18
3.6 Quy trình tạo một project trên wincc 19
PHẦN 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20
4.1 Lưu đồ thuật toán 22
4.2 Chương trình điều khiển 23
4.3 Kết quả thực hiện 25
Trang 4PHẦN 1 : CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1) Phân tích và mô tả công nghệ
1.1) Mô tả công nghệ
Một băng tải chuyển sản phẩm được truyền động thông qua một động cơ Sản phẩm trên băng tải được nhận biết bằng hai cảm biến “S2” và “S3” Thời gian tối thiểu để sản phẩm di chuyển từ “S2” đến”S3” là 3s Nếu vượt quá thời gian này thì băng tải xem như bị lỗi Khi bị lỗi thì động cơ kéo băng tải dừng ngay lập tức và chuông báo kêu
-Băng tải khởi động bằng nút nhấn “S1”(NO)
-Băng tải dừng nút nhấn “S0”(NC)
Trang 51.2) PHÂN TÍCH YÊU CẦU HỆ THỐNG
S0: Nút nhấn dừng,NC S1: Nút nhấn mở máy,NOS2: Cảm biến giám sát sảm phẩm 1,NOS3: Cảm biến giám sát sảm phẩm 2,NOK1: Contactor điều khiển động cơ băng tải H1: Chuông báo
Trong đề tài này chúng em chỉ xin trình bày cảm biến quang vì dễ dàng sử dụng đơngiản , chi phí giá thành thấp , đơn giản
1.2.1) Cảm biến quang :
2.1 Hình ảnh về cảm biến quang
Trang 6Hiện nay, có các loại cảm biến quang như:
-Cảm biến quang thu phát
-Cảm biến quang phản xạ gương
-Cảm biến quang khuếch tán
Công dụng và vai trò của cảm biến quang
Công dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để phát hiện nhiều dạng vật thểkhác nhau, từ việc phát hiện một chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tayrobot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa
Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự độnghóa Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa , giống như làmviệc mà không nhìn được vậy
Trang 71.2.2) Cấu trúc thiết kế
Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:
Bộ Phát sáng
Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting
Diode) Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắngmặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng
Bộ Thu sáng
Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này cảmnhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý
và chức năng vào một vi mạch (IC) Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ
bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán)
Mạch xử lý tín hiệu ra
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt Mặc dù một số loại cảm biến thế
hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm
Trang 8Điều chỉnh độ nhạy
Các loại cảm biên quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:
Chỉnh ngưỡng
Người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu
ra Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật trong mờ Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có một biến trở vặn vít đểđiều chỉnh ngưỡng Một số khác còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể
Công tắc chuyển Light-On/Dark-On
Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến
Trang 9CHƯƠNG 2: Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu 2.1) Mạng truyền thông công nghiệp là gì ?
Đây là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty
Mạng công nghiệp và mạng viễn thông khác nhau như thế nào?
Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có các điểm khác biệt sau:
- Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng, thời gian thực, ) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông ( truyền tải dải rộng/dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng công nghiệp
Trang 10- Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong
đó con người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy, các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất
là dữ liệu Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp của mạng công nghiệp
Mạng công nghiệp và mạng máy tính: giống và khác nhau ra sao?
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính,
có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống và khác nhau như sau:
- Kỹ thuật truyền thông số hay truyền thông dữ liệu là đặc trưng chung của cả 2 lĩnh vực
- Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần ( ở các cấp điều khiển và giảm sát , điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp
- Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thông thường đòi hỏi cao hơn về độ bảo mật
- Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác, có thể nhỏ như mạng LAN cho mộtvài máy tính hoặc rất lớn như mạng internet Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vihoạt động tương đối hẹp
Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế Ví dụ, do yêucầu kết nối nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến thức giao thức của mạng máy tính khác nhau phổ thông thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức các mạng công nghiệp Đối với các hệ thống truyền thông trong công nghiệp, đặc biệt là ở cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản , giá thành hạ lại luôn được đặt ra hàng đầu
Trang 112.2) Mạng PROFIBUS-DP là gì ?
Profibus là một chuẩn thông tin công nghiệp mở phù hợp với nhiều ứng dụng tự
động hóa và điều khiển các quá trình công nghiệp Profibus có 3 Communication Profiles: FMS (Fieldbus Message Specification) thường được sử dụng cho Bus hệ thống ở cấp điều khiển giám sát; DP (Distributed Peryphery) sử dụng để kết nối thiết bị điều khiển với các ngoại vi phân tán; PA (Process Automation) là sự mở rộng của DP sử dụng trong môi trường chống cháy, nổ
Profibus DP được thiết kế để trao đổi dữ liệu ở cấp thiết bị trường Ở đó, các thiết
bị điều khiển như PLC/PC hay các thiết bị điều khiển quá trình khác có thể thông tin với các thiết bị trường phân tán như I/O, các bộ driver và van cũng như các thiết
bị đo thông qua một Bus thông tin nối tiếp tốc độ cao Dữ liệu trao đổi với các thiết
bị phân tán này chủ yếu là theo chu kỳ Các chức năng thông tin cần thiết đó được định nghĩa trong hàm DP cơ bản DP cũng mở rộng với các dịch vụ thông tin không theo chu kỳ cho việc thông số hóa, giám sát và cảnh báo đối với các thiết vị trường "thông minh"
Profibus DP sử dụng chuẩn RS-485 và cáp quang cho phần truyền dẫn tín hiệu
Trong đó chuẩn RS-485 thông dụng hơn vì nó cú giá thành thấp, dễ đấu nối, tốc độ truyền cao RS-485 có cấu trúc dạng Bus, sử dụng cáp đôi xoắn có vỏ bọc chống nhiễu làm môi trường truyền dẫn
Tốc độ truyền có thể chọn từ 9,6 kbps đến 12Mbps Khoảng cách truyền lớn nhất
1200 m
Trang 12CHƯƠNG 3 : WINCC VÀ PLC S7-300
3.1) PLC S7-300
- Cấu trúc PLC S7-300
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic
Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điềukhiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình PLC là một bộ điều khiển sốnhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môitrường xung quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chươngtrình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối
chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ vòngquét
Hình 3.1.Nguyên lý hoạt động chung của PLC
Trang 13Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC
phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU),một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải
có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổithông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toánđiều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như
bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng
3.2) Các Module
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đóphần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau màcác bộ điều khiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình.Chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được chia nhiềuhay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính làmodule CPU Các module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu vớitín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như các modulePID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung là modul mở rộng Tất
cả các module được gá trên những thanh ray (Rack)
Hình 3.2 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
Trang 143.3) Module CPU
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có một
vài cổng vào/ra số Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là
cổng vào/ra onboard.Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau
Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul314,modul 315
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn
trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng
Trang 15Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong
đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạngphân tán Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phầnmềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành Cácloại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng thêm cụm từ
DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP
3.5)Module nguồn – PS ( Power supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic
S7_300 Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A
Trang 16Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60hz
3.4) Module truyền thông CP ( Communication module)
Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa
PLC với máy tính
Cách thức PLC thực hiện 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 dữliệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thựchiện chương trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từlệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End) Sau giai đoạnthực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Qtới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thôngnội bộ và kiểm soát lỗi
Hình 5 : Vòng quét chương trình
Trang 17Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thờigian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định tức làkhông phải vòng quét nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian nhưnhau Có vòng quét thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộcvào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu đượctruyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việcgửi tín hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúngbằng thời gian vòng quét Nói cách khác thời gian vòng quét quyết địnhtính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòngquét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao
3.6) Tìm hiểu về WINCC
WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA vàHMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thếgiới và Việt Nam WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sảnxuất xi măng, giấy, théo, dầu khí,…
WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và cótính kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụtrong 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 thôngbáo, 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, bảođảm một tính lợi ích cao đem lại cho người vận hành một giao diện trựcquan dễ sử dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình công nghệtheo chế độ thời gian thực
Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mởcho các giải pháp của người dùng Những giao diện này làm cho nó có thểtích hợp trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp chocông ty mở Sự truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện