Bài tập lớn môn hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu. Đề tài thiết kế hệ thống trộn nhiên liệu sử dụng WinCC và S7300. Điện Điện tử Đại học Công nghiệp Hà Nội. Bài tập lớn môn hệ thu thập dữ liệu điều khiển và truyền số liệu. Đề tài thiết kế hệ thống trộn nhiên liệu sử dụng WinCC và S7300.
Trang 1Mục lục
I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2
1 Lý thuyết cơ bản về PLC S7-300 2
2 Lý thuyết về HMI (dùng WinCC của SIEMENS) 5
II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 8
1 Phân tích công nghệ 8
2 Vẽ giao diện HMI 9
3 Thực hiện bài toán điều khiển (mạch lực, bảng định địa chỉ, sơ đồ đấu dây) 9
4 Trình bày về vai trò của các thiết bị và giao thức truyền thông giữa chúng theo mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống mạng công ty 14
III KẾT LUẬN 17
1 Các nội dung đã đạt được trong đề tài 17
2 Các hạn chế tồn tại và phương pháp khắc phục 17
Trang 2I CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 Lý thuyết cơ bản về PLC S7-300
a Giới thiệu PLC S7-300:
PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình
Thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung các tính năng mới
Kết cấu theo kiểu các module sắp xếp trên các thanh rack
b Ứng dụng:
Điều khiển robot công nghiệp
Hệ thống xử lý nước sạch
Điều khiển trong các cẩu trục
Điều khiển dây chuyền băng tải
Máy chế tạo công cụ
Máy dệt may v.v
c CPU S7-300:
Chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào/ra số onboard
PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…
Với các CPU có hai cổng truyền thông, cổng thứ hai có chức năng chính là phục
vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP Ví dụ Module CPU 314C-2DP…
Hình 1.1: CPU PLC Siemens
d Các module mở rộng
Các module mở rộng của PLC S7-300 chia làm 5 loại:
Trang 3 Power Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A
Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự
DI: Digital Input
DO: Digital Output
DI/DO: Digital Input/Output
AI: Analog Input
AO: Analog Output
AI/AO: Analog Input/Output
Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành phần mở rộng lại với nhau Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack tối đa 8 Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM
Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng Ví dụ module điều khiển động cơ bước, module điều khiển PID
Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính
Hình 1.2: Module mở rộng của PLC S7-300
Tùy theo quá trình tự động hóa đòi hỏi số lượng đầu vào và đầu ra ta phải lắp thêm bao nhiêu module mở rộng cũng như loại module cho phù hợp Tối đa có thể gá thêm 32 module vào ra trên 4 panen (rãnh), trên mỗi panen ngoài module nguồn, CPU và module ghép nối còn gá được 8 các module về bên phải Thường STEP 7-300 sử dụng các module sau:
Module nguồn PS (3 loại 2A, 3A, 5A)
Module ghép nối IM (Interfere Mudule): hệ thu thập dữ liệu và truyền số liệu
Module tín hiệu SM (Signal Module):
Trang 4 Vào số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh
Ra số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh
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, 8 kênh vào 8 kênh
ra
Module hàm FM (Function Module)
Đếm tốc độ cao
Truyền thông CP340, CP340-1, CP341
Module điều khiển (Control Module)
Module điều khiển PID
Module điều khiển Fuzzy
Module điều khiển robot
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 các 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 và cứ thế tiếp tục
Khi gá module số vào, ra lên một khe nào lập tức nó được mang 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
Địa chỉ của mỗi đầu vào, ra là số ghép của địa chỉ byte và địa chỉ kênh Địa chỉ byte đứng trước, địa chỉ kệnh đứng sau, giữa 2 số là 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 16bit (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
Trang 5Module 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 là PIW288, PIW290, PQW288
2 Lý thuyết về HMI (dùng WinCC của SIEMENS)
a 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 Windows 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 chạy trong 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 trên màn 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
Trang 6WinCC 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 hình ảnh (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 thống với 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
Một 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 trong PLC (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:
Chương trình soạn thảo Giải thích
Alarm Logging
(Báo động)
Nhận các thông báo từ các quá trình để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ các thông báo này
User Administrator
(Quản lý người dùng)
Cho phép các nhóm và người sử dụng điều khiển truy nhập
Text Library
(Thư viện văn bản)
Chứa các văn bản tùy thuộc ngôn ngữ do người dùng tạo ra
Report Designer
(Báo cáo)
Cung cấp hệ thống báo cáo được tích hợp có thể sử dụng để báo cáo dữ liệu, các giá trị, thông báo hiện hành và đã lưu trữ, hệ thống tài liệu của chính người
sử dụng
Trang 7Global Script
(Viết chương trình)
Cho phép tạo các dự án động tùy thuộc vào từng yêu cầu đặc biệt Bộ soạn thảo này cho phép tạo các hàm
và các thao tác có thể được sử dụng trong một hay nhiều dự án tùy theo kiểu của chúng
Tag Logging
(Hiển thị giá trị xử lý)
Xử lý các giá trị đo lường và lưu trữ chúng trong thời gian dài
Graphics Designer
(Thiết kế đồ họa)
Cung cấp các màn hình hiển thị và kết nối đến các quá trình
Bảng 1.1: Bộ soạn thảo trong WinCC
Tất cả các Module 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
Các 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:
Trang 8 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 chuẩn IEEE
754
Floating Point Number 64 bit IEEE 754: kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩn IEEE
754
Text Tag 8 bit character set: kiểu ký tự 8 bit
Text Tag 16 bit character set: kiểu ký tự 16 bit
b Những ưu điểm của WinCC
WinCC 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 có quy 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
II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
1 Phân tích công nghệ
Tổng số cuối MSV của các thành viên trong nhóm: 1 + 5 + 3 + 1 = 10
→ N = 2
Tỷ lệ trộn nguyên liệu 1:2
Ấn nút START để khởi động hệ thống Ấn AUTO để trộn nguyên liệu theo chế độ tự động Ấn nút MANUAL để điều khiển trộn bằng tay
Trong chế độ tự động, đầu tiên, hệ thống sẽ bơm nhiên liệu bằng 2 máy bơm Trong
đó, máy bơm 1 sẽ bơm trong 6 giây và máy bơm 2 sẽ bơm trong 12 giây Sau đó hệ thống
sẽ tiến hành trộn nhiên liệu Hệ thống sẽ lần lượt trộn theo chiều thuận và trộn theo chiều nghịch trong 5 giây Sau khi trộn xong, sẽ tiến hành mở van để xả nhiên liệu trong 5 giây Trong chế độ trộn bằng tay, người dùng có thể sử dụng 3 nút BƠM, TRỘN, XẢ để điều khiển theo yêu cầu
Trang 9Để dừng hệ thống, ta nhấn nút STOP
2 Vẽ giao diện HMI
Hình 1.2: Giao diện HMI hệ thống trộn nhiên liệu
3 Thực hiện bài toán điều khiển (mạch lực, bảng định địa chỉ, sơ đồ đấu dây)
a Bảng định địa chỉ
Symbol Address Comment
Trang 1012 XA Q0.4 Xả
b Chương trình điều khiển
Trang 12c Sơ đồ đấu dây
Trang 13Hình 2.1: Sơ đồ đấu dây
Trang 144 Trình bày về vai trò của các thiết bị và giao thức truyền thông giữa chúng theo
mô hình phân cấp chức năng trong hệ thống mạng công ty
a Các cấp chức năng cơ bản
Cấp chấp hành:
Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (smart device) có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển
Cấp điều khiển:
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử
lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Trong một hệ thống điều khiển tự động, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính
Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin, nên khái niệm cấp
xử lý (process level) cũng hay được sử dụng Tuy nhiên, khái niệm này không được chính xác vì trong các hệ thống tự động hoá hiện đại, việc xử lý thông tin không phải là độc quyền ở cấp này Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/chấp hành cũng có thể đảm nhận một phần việc này Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên trên đều mang bản chất là xử lý thông tin
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường (field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật
Cấp điều hành quá trình:
Điều hành quá trình tức là điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo trì hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và
xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi động/ dừng và điều khiển theo công thức (ví dụ như trong chế biến dược phẩm, hoá