ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ NHIỆT S7300

đề tài giám sát nhiệt độ lò đốt trường đh công nghiệp hà nôi dùng s7300 có full file chương trình plc và mô phỏng wincc hệ thống hoạt động ổn đinh sử dụng các cảm biến nhiệt PT100 và các PLC Van chương trình được lập trình và chạy ổn định

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU ĐỀ TÀI SỐ 1: THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ CỦA MỘT LÒ NHIỆT Hà Nội ngày tháng năm 2018 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là yếu tố cần thiết góp phần tăng hiệu lao động người Tự động hóa trở thành nghành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa đáp ứng đòi hỏi không ngừng nghành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hàng ngày Một sản phẩm tiên tiến PLC Ứng dụng quan trọng nghành cơng nghệ tự động hóa việc điều khiển, giám sát hệ thống với thiết bị điều khiển từ xa tinh vi đạt suất, kinh tế cao Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế toán ứng dụng PLC thiết hệ hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò nhiệt S7 - 300 Mặc dù kiến thức nhiều hạn chế chúng em cố gắng để hoàn thành đồ án Chúng em xin cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo TH.S Đỗ Duy Phú giúp chúng em hoàn thành đề tài giao Em mong lời góp ý thầy để đồ án chúng em hoàn thiện hơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Nhiệt độ đại lượng vật lý diện khắp nơi nhiều lĩnh vực, công nghiệp sinh hoạt Nhiệt độ trở nên mối quan tâm hàng đầu cho nhà thiết kế máy điều khiển nhiệt độ trở thành mục tiêu ngành Điều Khiển Tự Động Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn đề đo kiểm soát nhiệt độ q trình khơng thể thiếu được, công nghiệp Đo nhiệt độ công nghiệp gắn liền với quy trình cơng nghệ sản xuất , việc đo kiểm soát nhiệt độ tốt định nhiều đến chất lượng sản phẩm ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động đốt Tùy theo tính chất , u cầu q trình mà đòi hỏi phương pháp điều khiển thích hợp Tính ổn định xác nhiệt độ đòi hỏi đặt vấn đề cần phải giải Một điều thực cần thiết ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mơ hình tốn học cụ thể Từ giải toán điều khiển sở lý thuyết nghiên cứu sẵn 1.2 1.2.1 Mô tả cơng nghệ phân tích hệ thống Mơ tả cơng nghệ Hình 1 Hệ thống điều khiển giám sát lò nhiệt độ - Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát nhiệt độ lò nhiệt - - Trong đó: • T1: Điểm đo ( có điều khiển ON/OFF, PID, cảnh báo) có dải đo [0400]°C, Điểm làm việc 310°C • T2: Điểm đo 2(Cảnh báo): có dải đo [0-800]°C • RUN: Đèn báo hệ thống làm việc • LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ Thấp (Nhỏ 280°C) • HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ Cao (Lớn 340°C) • HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ Cao (Nhỏ 700°C) • START, STOP: Hai nút ấn khởi động dừng hệ thống Nhấn nút START hệ thống hoạt động đèn RUN sáng báo hệ thống làm việc Nếu nhiệt độ T1 nhỏ 280°C đèn cảnh báo nhiệt độ Thấp LA1 sáng Nếu nhiệt độ T1 lớn 340°C đèn cảnh báo nhiệt độ Cao HA1 sáng Nếu nhiệt độ T2 lớn 700°C đèn cảnh báo nhiệt độ Cao HA2 sáng Nhiệt độ ổn định điểm làm việc 310°C điều khiển ON/OFF Nhấn nút STOP hệ thống ngừng hoạt động 1.2.2 Phân tích hệ thống + Phương pháp đo nhiệt độ Có phương pháp đo chính: - - Ở dải nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo phương pháp tiếp xúc, nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn, cảm biến Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo phương pháp không tiếp xúc( công cụ đặt ngồi mơi trường đo) Các thiết bị đo như:hỏa kế quang học, hỏa kế quang điện => Trong đề tài Chúng em đo nhiệt độ cách sử dụng cảm biến nhiệt độ Với ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, bảo dưỡng định kỳ, phù hợp với yêu cầu toán + - - Các thiết bị phần cứng PLC S7-300, CPU 314C-2PN/DP PC: Phần mềm giám sát WinCC Cảm biến nhiệt độ • PT100 dải -50 đến 500°C (T1) • PT100 dải -200 đến 800°C (T2) Đèn báo RUN, HA1, HA2, LA1 Van Nút ấn START, STOP CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan PLC 2.1.1 PLC gì? PLC (viết tắt Programmable Logic Controller) thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Hình PLC S7-300 Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định hay kiện đếm PLC dùng để thay mạch relay (rơ le) thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi đầu vào đầu thay đổi theo Ngơn ngữ lập trình PLC Ladder hay State Logic Hiện có nhiều hãng sản xuất PLC Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell, Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục "lặp" chương trình "người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình 2.1.2 Cấu trúc, phân loại nguyên lý hoạt động PLC a) Cấu trúc: Tất PLC có thành phần là: Một nhớ chương trình RAM bên (có thể mở rộng thêm số nhớ ngồi EPROM) Một vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra Bên cạnh đó, PLC hồn chỉnh kèm thêm đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trình dạng hồn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị xách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phòng, chỉ chương trình kiểm tra sẵn sàng sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, … b) Phân loại PLC phân loại theo cách: - Hãng sản xuất: Gồm nhãn hiệu Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly - Version: Ví dụ: PLC Siemen có họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo PLC Misubishi có họ: Fx, Fxo, Fxon c) Nguyên lý hoạt động: CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực thứ tự lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết để thực thi Và tồn hoạt động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ Hệ thống Bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến Modul khác - Data Bus: Bus dùng để truyền liệu - Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền tín hiệu định điểu khiển đồng hoạt động PLC Trong PLC số liệu trao đổi vi xử lý modul vào thông qua Data Bus Address Bus Data Bus gồm đường, thời điểm cho phép truyền bit byte cách đồng thời hay song song Nếu modul đầu vào nhận địa chỉ Address Bus, chuyển tất trạnh thái đầu vào vào Data Bus Nếu địa chỉ byte đầu xuất Address Bus, modul đầu tương ứng nhận liệu từ Data bus Control Bus chuyển tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động PLC Các địa chỉ số liệu chuyển lên Bus tương ứng thời gian hạn chế Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạch đó, CPU cung cấp xung Clock có tần số từ 1¸8 MHz Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố định thời, đồng hồ hệ thống 2.1.3 Các ưu điểm sử dụng hệ thống điều khiển với PLC - Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic kiểu dùng rơ le - Có độ mềm dẻo sử dụng cao, chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển - Chiếm vị trí khơng gian nhỏ hệ thống - Nhiều chức điều khiển - Tốc độ cao - Công suất tiêu thụ nhỏ - Không cần quan tâm nhiều vấn đề lắp đặt - Có khả mở rộng số lượng đầu vào/ra nối thêm khối vào / chức - Tạo khả mở lĩnh vực áp dụng - Giá thành khơng cao Chính nhờ ưu đó, PLC sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao suất sản xuất, chất lượng đồng sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi thoải mái lao động Đồng thời cho phép nâng cao tính thị trường sản phẩm 2.1.4 Ứng dụng PLC Hiện PLC ứng dụng thành công nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp dân dụng Từ ứng dụng để điều khiển hệ thống đơn giản, chỉ có chức ON/OFF thơng thường đến ứng dụng cho lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi xác cao, ứng dụng thuật tốn trình sản xuất Một số lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC sau: - - Hóa học dầu khí: định áp suất, bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn… Chế tạo máy sản xuất: tự động hóa chế tạo máy, điều khiển nhiệt độ lò nhiệt luyện kim… Cơng nghiệp giấy, xi măng: Tự động hóa qua trình sản xuất nghiền bột giấy, bột đá, trộn hỗn hợp… Thực phẩm, sản xuất bia, rượu, thuốc lá: đóng gói sản phẩm, phân loại,… Kim loại: Điều khiển qua trình luyện, cán thép,… Năng lượng, giao thông,… 2.2 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-300 2.2.1 Khái niệm PLC S7-300 thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình hãng Siemens Thiết kế dựa tính chất PLC S7-200 bổ sung tính Kết cấu theo kiểu module xếp rack 2.2.2 Cấu trúc PLC S7-300 Hình 1: 2Cấu Cấutrúc trúcPLC PLCS7-300 S-300 Để thực chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), hệ điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển tất nhiên phải có cổng vào/ để giao tiếp với đối tượng điều khiển để trao đổi thông tin với mơi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ tốn điều khiển số, PLC cần phải có thêm khối chức đặc biệt khác đếm (Counter), thời gian (Timer)và khối hàm chuyên dụng 2.2.3 Cấu hình phần cứng Để tăng tính mềm dẻo ứng dụng thực tế mà phần lớn đồi tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu chủng loại tín hiệu vào/ra khác mà điều khiển PLC thiết kế khơng bị cứng hóa cấu hình Chúng chia nhỏ thành module Số lượng module sử dụng nhiều hay tùy theo tốn, song tối thiểu phải có module module CPU Các module lại module nhận/truyền tín hiệu đối tượng điều khiển, module chức chuyên dụng PID, điều khiển động cơ, … Chúng gọi chung module mở rộng Tất module gá ray (Rack) Hình 2 Cấu trúc Rack PLC S7-300 + Module CPU Modul CPU modul có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, thời gian, đếm, cổng truyền thông (RS 485) có vài cổng vào/ra số Các cổng vào/ra số có modul CPU gọi cổng vào/ra onboard Hình Module CPU 312C 10  Module nguồn ( PS ) Hình Module nguồn + Thơng tin thiết bị: - Tên sản phẩm: Bộ nguồn PLC S7-300 PS307 5A – 6ES7307-1EA01-0AA0 - Mã sản phẩm: 6ES7307-1EA01-0AA0 - SIMATIC S7-300 stabilized power supply PS307 input: 120/230 V/AC - Output: 24 V DC/5 A - Hãng: Siemens - Xuất xứ nước: Đức  Module Analog Module analog công cụ để xử lý tín hiệu tương tự thơng qua việc xử lý tín hiệu số Analog input: Thực chất biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự đầu vào thành số đầu Dùng để kết nối thiết bị đo với điều khiển: chẳng hạn đo nhiệt độ Analog output: Thực chất biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số đầu vào thành tín hiệu tương tự đầu Dùng để điều khiển thiết bị với dải đo tương tự 27 Module analog Thiết bị cảm biến Thiết bị chuyển đổi – 10V Đầu đo Tín hiệu vào khơng điện 4-20 mA Tín hiệu tương tự – 10 V – 20 mA Analog Input ( A/D) Các số Analog Output ( D/A) Các số Hình: Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter) Module analog SM334 AI/ 2AO x 12/12 bits (6ES7334-0CE01-0AA0) Hình 3 Hình Module analog SM334 28 + Thơng số kỹ thuật: - Điện áp nguồn 24VDC Có ngõ vào, ngõ Độ phân giải 12 bits Đo từ đến 10V từ đến 20mA Ngõ từ đến 10V từ đến 20 mA Kích thước W x H x D: 40 x 125 x 117 Hình 3.4Sơ đồ đấu dây với ngõ vào điện áp ngõ điện áp Hình3.5 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ dòng điện Chú thích: Nguồn nội Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Các kênh đầu vào Các kênh đầu Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 29 Mạch ghép nối bus Chân nối chung Chân nối mass Chú ý: Kết nối chân MANA (chân 15 18) với chân mass M CPU sử dụng dây có tiết diện tối thiểu 1mm2 Nếu chân không nối với module tắt Ngõ vào lúc có giá trị 7FFFH, ngõ có giá trị Nếu để module hoạt động không nối mass thời gian dẫn tới hư hỏng Tuyệt đối tránh đấu nguồn ngược cực Việc nguyên nhân làm cháy module 3.2.2 Cảm biến nhiệt độ Pt 100 Cảm biến nhiệt độ Pt100 hay gọi nhiệt điện trở ( Resistance Thermometer) có giá trị 100 ohm Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ đo thành phần đầu dò cảm biến platinum ( ký hiệu Pt ) Chính cảm biến nhiệt độ Pt100 viết tắt vật liệu Platinum & 100 ohm oC Cảm biến nhiệt độ Pt 100 (3 dây PT100-WZPM) Hình + Thơng số kỹ thuật: - Đường kính dầu dò: x 50 mm 30 - Kiểu nối đầu dò: M8 Cáp dài: 1.5m, thép chịu nhiệt Dải đo: 0~400 độ C Cảm biến nhiệt độ Pt 100/CU50 Hình + - Thơng số kỹ thuật: Chất liệu dây: Thép không gỉ shiellded Dải đo: 0℃～800℃ Đường kính chiều dài đầu dò Φ6 x 200mm, Φ5 x 100mm, Φ4 x 60mm 3.2.3 Van điện từ mặt bích DN 150 Round Star Hình + Thông số kỹ thuật: 31 - Xuất xứ: Đài Loan - Kích cỡ: DN150 - Điện áp: 24V, 220V - Áp suất làm việc: DN16 (16 bar), PN25 (25 bar) - Nhiệt độ làm việc: Từ 00C đến – 2200C - Vật liệu: Gang - Liên kết: Mặt bích - Dạng: Dạng thường đóng thường mở 3.2.4 Nút ấn Hình + Thơng số kỹ thuật: - Mã hiệu: GB1404B - Ui: 400V, Ith: 10A - AC: 220V - 5.5A - AC: 380V - 4A 3.3 Lưu đồ thuật toán Lưu đồ thuật toán hệ thống 32 33 Lưu đồ xử lý start/stop: 34 Lưu đồ thuật tốn q trình cảnh báo 35 Lưu đồ thuật tốn q trình điều khiển van 3.4 3.4.1 Chương trình điều khiển Các biến vào/ra Kẻ bảng chép vào nhá bố ^^ 36 3.4.2 Chương trình S7-300 Chương trình S7-300 37 38 39 2.5 Thiết kế giao diện HMI Mô tả hệ thống phần mềm WinCC 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết đạt Qua đề tải vừa qua chúng em thực theo yêu cầu thầy, chúng em học nhiều kiến thức bổ ích biết thêm phần mềm Wincc để mô chương trình thực tế hiểu thêm tính ứng dụng PLC S7-300 Hy vọng sau chúng em áp dụng kiến thức học vào công việc thực tế sau 4.2 Hạn chế tồn phương hướng khắc phục Do kiến thức kỹ hạn chế nên tồn số sai sót vướng mắc Trong trình làm chúng em gặp số khó khăn như: khó khăn viết chương trình điều khiển, mô phần mềm WinCC, cách chọn lựa thiết bị cho phù hợp với yêu cầu tốn… Chúng em tìm tòi tài liệu mạng qua giúp đỡ tận tình thầy cô nên hiểu nhiều kiến thức cần thiết đề tài Bài tập lớn có nhiều hạn chế nhóm chúng em mong nhận góp ý chỉ bảo thầy để làm hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn thầy ! 41