bài tập lớn môn hệ thu thập đề tài “Điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt mô phỏng bằng Wincc

đề tài “Điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt mô phỏng bằng win cc với s7 300LỜI NÓI ĐẦU3Chương 1. Tổng quan xây dựng HMI41.1. Tiêu chí thiết kế HMI41.1.1.Khái niệm41.1.2.Vai trò của HMI41.1.3.Nguyên tắc thiết kế giao diện người máy51.2. Giới thiệu một số HMI mẫu111.3. Các bước thiết kế HMI trên Wincc13Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển quan sát172.1. Xây dựng cấu trúc của hệ thống điều khiển172.1.1.Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát nhiệt độ172.1.2.Xây dựng sơ đồ khối hệ thống182.2. Cấp trường182.2.1.Xác định yêu cầu công nghệ182.2.2.Tính chọn thiết bị và sơ đồ nối dây182.2.3.Bảng biến điều khiển212.3. Cấp điều khiển222.3.1.Chọn thiết bị222.3.2.Mạch ghép nối cảm biến với PLC292.3.3.Thiết lập lqu đồ thuật toán và viết chương trình trên S7300302.3.4.Bảng biến trên PLC342.4. Cấp điều khiển giám sát342.4.1.Các biến điều khiển giám sát kết nối với PLC S7300 và PC352.4.2.Thiết kế HMI trên Win CC352.5. Kết quả mô phỏng39Một số hình ảnh khi chạy mô phỏng392.5.1.Kết quả nghiên cứu lí thuyết:402.5.2.Kết quả thực nghiệm.40PHỤ LỤC41

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1 Tổng quan xây dựng HMI 4

1.1 Tiêu chí thiết kế HMI 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Vai trò của HMI 4

1.1.3 Nguyên tắc thiết kế giao diện người máy 5

1.2 Giới thiệu một số HMI mẫu 11

1.3 Các bước thiết kế HMI trên Wincc 13

Chương 2 Thiết kế hệ thống điều khiển quan sát 17

2.1 Xây dựng cấu trúc của hệ thống điều khiển 17

2.1.1 Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát nhiệt độ 17

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống 18

2.2 Cấp trường 18

2.2.1 Xác định yêu cầu công nghệ 18

2.2.2 Tính chọn thiết bị và sơ đồ nối dây 18

2.2.3 Bảng biến điều khiển 21

2.3 Cấp điều khiển 22

2.3.1.Chọn thiết bị 22

2.3.2.Mạch ghép nối cảm biến với PLC 29

2.3.3.Thiết lập lqu đồ thuật toán và viết chương trình trên S7-300 30

2.3.4.Bảng biến trên PLC 34

2.4 Cấp điều khiển giám sát 34

2.4.1.Các biến điều khiển giám sát kết nối với PLC S7300 và PC 35

2.4.2.Thiết kế HMI trên Win CC 35

2.5 Kết quả mô phỏng 39

Một số hình ảnh khi chạy mô phỏng 39

2.5.1.Kết quả nghiên cứu lí thuyết: 40

2.5.2.Kết quả thực nghiệm 40

PHỤ LỤC 41

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay sản phẩm công nghiệp đang đóng một vai trò quan trọngtrong nền kinh tế quốc dân.Đặc biệt là những thành tựu khoa học kỹ thuật lạiđang phát triển mạnh mẽ và được áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vựccông nghiệp.Nước ta đang trong thời kỳ quá độ lên chủ nghĩa xã hội vì vâyviệc áp dụng những thành tựu khoa học của thế giới là mục tiêu công nhiệphóa và hiện đại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa xã hội

Là sinh viên nghành điện,điện tử, sau những năm tháng học tập tạitrường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Chúng em đã nhận thức được ngành

cơ điện tử là rất qua trọng và không thể thiếu cho bất kỳ môt lĩnh vực nào,quốc gia nào

Khi đươc giao bài tập lớn, xác định đây là công việc quan trọng đểnhằm đánh giá toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài “Điều khiển

và giám sát nhiệt độ lò nhiệt”.Đây là một đề tài khá phổ biến nhưng là mộtsản phẩm của nghành điện

Trong quá trình làm việc, với trình độ còn non trẻ về kiến thức và kinhnghiệm thực tiễn nên chúng em không thể tránh được những sai sót Do đóchúng em rất mong muốn chỉ bảo thêm của các thầy và đóng góp của bạn bè

để chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn !

Chương 1 Tổng quan xây

dựng HMI

1.1 Tiêu chí thiết kế HMI

1.1.1 Khái niệm

HMI là viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao

tiếp giữa người thi hành, thiết kế và máy móc.Là hệ thống phần mềm hỗ trợcon người theo dõi quá trình các biến của kỹ thuật ,trạng thái và các thông sốlàm việc của các thiết bị trong hệ thống ,qua đó có thể thực hiện được cácthao tác vận hành và can thiệp từ xa tới hệ thống điều khiển phía dưới

Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiểnqua nhiều dạng: hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng …

HMI có thể là màn hình GOT(Graphic Operation Terminal) củaMitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềmSoftGOT của Mitsubishi…

Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” vớimột máy móc thì đó là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảnghướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI

1.1.2 Vai trò của HMI

-Hiển thị quá trình :Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI.Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động Điều này được dựa trên các

sự chuyển tiếp quá trình

-điều khiển vận hành cảu quá trình :người vận hành có thể điều khiển quá trình bởi GUI.Ví dụ ,người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ

-Hiển thị các cảnh báo :các quá trình nghiêm trọng tự động hởi phát báo

-Lqu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình :hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình Tính năng này cho phép bạn lqu trữ các dãy quá trình và lấy ra các dữ liệu của sản xuất từ trước.

-Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình :HMI có thể đưa ra các báo cáo giá trị quá trình và các cảnh báo Tính năng này cho phép bạn in ra các

dữ liệu sản xuất ở cuối ca là việc

-quản lí thông số máy móc và quá trình : Hệ thống HMI có thể lqu trữ các thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức

1.1.3 Nguyên tắc thiết kế giao diện người máy

a, Yêu cầu chung

• Đơn giản, dễ sử dụng (easy-to-use)

• Bền vững, khó gây lỗi (robustness)

• Tính thông tin cao (informativeness)

Yêu cầu cấu trúc các màn hình

• Gần với các máy móc, thiết bị, công nghệ thực

• Khoa học, kết hợp hợp lý phương pháp sử dụng chuyển cấp hoặc lựa chọn nhanh

Phân cấp màn hình

• Tổng quan hệ thống (system overview),

• hệ thống con (subsystem overview)

• Tổng quan nhóm (group overview)

• Hiển thị nhóm (group display)

• Hiển thị chi tiết (details display)

• Hình ảnh hệ thống, hình ảnh phạm vi/công đoạn/máy móc dưới dạng lqu đồ công nghệ (process diagram) hoặc hình ảnh dây chuyền sản xuất

• Đồ thị (trends): Đồ thị thời gian thực, đồ thị quá khứ

• Cửa sổ báo động (alarm windows)

d, Nguyên tắc thiết kế

 Màu sắc

Trước khi quyết định đặt các nút lên màn hình, bạn cần hiểu rõ về màusắc cho từng loại nút Màu sắc là công cụ hữu ích giúp vận hành viên tăngkhả năng quan sát đối với các dữ liệu quan trọng Nếu sử dụng màu quá nhạtđối với các nút biểu tượng cho trường hợp khẩn cấp, sẽ không thu hút được

sự chú ý của vận hành viên Còn nếu sử dụng màu sắc sặc sỡ cho nhiều loạinút sẽ gây ra tình trạng lộn xộn hoặc quá tải thông tin

Thông thường, màu cho các nút trên màn hình thường là 3 màu: đỏ,xanh và xanh da trời hoặc màu thứ sinh (do hai màu cơ bản trộn vào tạo ra)

Vòng tròn màu sắc: Mục đích của vòng tròn màu sắc là để diễn tả mốiquan hệ giữa các màu Ví dụ tạo độ sáng cho màu bằng cách kết hợp màu thứsinh với màu đối diện trong vòng màu sắc

Thị giác của chúng ta rất nhạy cảm với các màu gốc như đỏ, xanh vàxanh sáng, còn các màu xanh còn lại ít nhạy cảm hơn Đó là lý do tại saonhững đường kẻ mảnh màu xanh lại khó quan sát Nên tránh dùng màu xanhcho các nút/ biểu tượng nhỏ, nhưng nó lại rất tốt nếu sử dụng làm màu nền.Điều quan trọng trong quá trình chọn màu là làm sao phối hợp giữa màutrạng thái của nhà máy và màu trạng thái cảnh báo Một số quy chuẩn màu sửdụng trong thiết kế HMI:

Đỏ = Dừng lại, cấm, nguy hiểm

có vấn đề về màu sắc Như vậy, khi thiết kế không nên chỉ dựa vào màu sắc

để hiển thị trạng thái nhà máy

Màu đen trắng cung cấp độ tương phản cho các text, nhưng chúng lạikhông phù hợp làm nền cho nhiều loại màu khác Một số màu phù hợp làm

Có thể sử dụng màu nền khác nhau nhằm tạo hiệu ứng để dễ phân biệtcác nhóm màn hình Chẳng hạn như màu xám sáng sử dụng cho nhà máychính, màu nâu sáng cho khu vực tank, và màu xanh sáng cho nhà máy nước.

Tóm lại cách chọn màu sắc :

• Chỉ dùng màu sắc khi thật cần thiết

• Nền: màu tối, ví dụ xám sẫm hoặc xanh lam đậm

• Máy móc, thiết bị: Sử dụng hình phẳng, màu và độ sáng khác ít so với nền, cố gắng tránh 3D, tránh các mẫu hoa văn

• Hình tĩnh (đường ống, máy móc): tránh các màu tươi, chói

• Tín hiệu trạng thái, hình động: Chọn các màu tươi, chói

 Giá trị dữ liệu và text

Có lẽ các đoạn text thường là nhân tố gây phàn nàn nhiều nhất vì nókhó đọc Điều này thật tệ vì text chính là cách truyền tải thông tin hiệu quảnhất tới vận hành viên

Có hàng trăm loại font, nhưng chỉ có một vài trong đó phù hợp Nênchọn loại font thông dụng mà nhiều máy tính đều hỗ trợ như Arial,Helvetica, System… Nếu bạn đang thiết kế HMI trên hệ điều hành Windows

và sử dụng font không thông dụng thì khi bạn copy kết quả thiết kế từ máynày sang máy khác có thể sẽ xảy ra hiện tượng lỗi font không mong muốn

Do vậy, không nên dùng những loại font thông dụng

Sau việc chọn font là đến chọn cỡ chữ Đối với HMI, vận hành viênphải đọc được thông tin dù có cách đó vài mét Font Arial với cỡ 16 là phùhợp nhất cho những loại chữ thông thường Đối với tiêu đề nên tăng lên 2 cỡ.Một điều cần chú ý là nên sử dụng 1 loại font đồng nhất và không nên sửdụng quá 3 cỡ font Trong trường hợp cần miêu tả chi tiết ứng dụng bằng

Tránh sử dụng quá nhiều chữ in hoa vì nó có thể gây khó đọc và nhứcmắt, đặc biệt là sử dụng gạch chân Chữ in hoa chỉ nên sử dụng cho tiêu đềlớn Còn các đoạn text chỉ nên dùng chữ thường.

Đối với giá trị dữ liệu text thì nên nhóm text, và đặc biệt là giá trị dữliệu vào cùng khu vực trên màn hình Nếu đặt giá trị dữ liệu tùy tiện cạnh cácảnh/biểu tượng sẽ gây khó quan sát Nếu bạn muốn người sử dụng so sánh

dữ liệu, thì nên nhóm chúng vào một bảng Nếu bạn có nhiều bảng có loại dữliệu giống nhau ví dụ như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, thì bạn bố trí chúng saocho dễ tìm kiếm và theo dõi

Tóm lại cách chọn chữ viết :

• Hạn chế số font chữ, kiểu chữ, chênh lệch độ lớn

• Chân phương, tránh các hiệu ứng đặc biệt (3D, lượn sóng, đường viền, )

Đỏ = Dừng lại, cấm, nguy hiểm

Vàng = Cẩn thận

Xanh lá cây = An toàn

Xanh đậm = Hành đồng bắt buộc

Vì cứ 12 người lại có 1 người có vấn đề về cảm nhận màu sắc, vậy đểphòng tránh không nên chỉ sử dụng màu để hiển thị cảnh báo mà nên kết hợpvới hình ảnh, hoặc trong trường hợp quan trọng ta kết hợp với cả âm thanh.Hiển thị cảnh báo bằng hình ảnh gồm thay đổi kích cỡ nút/biểu tượng,thay đổi vị trí hiển thị, xuất hiện text hoặc vật nếu có cảnh báo Hiển thị âmthanh là phương pháp rất hữu ích, đặc biệt nếu hệ thống được trang bị những

âm vực cao thấp khác nhau Âm vực truyền tải mức độ khẩn cấp của cáctrường hợp cảnh báo

Dù chọn hình thức thể hiện cảnh báo nào đi nữa thì các biểu tượng nàycần được đặt những nơi dễ quan sát nhất Một vị trí đề nghị đó là trên đầumàn hình

Điều hướng và điều khiển

Điều hướng

Để giám sát các màn hình, vận hành viên phải chuyển từ trang này sangtrang khác dễ dàng và nhanh chóng Với sự phổ biến của MicrosoftWindows, thiết bị điều khiển chính cho vận hành viên là chuột và bàn phím.Bên cạnh đó, màn hình cảm ứng đang được ưa chuộng

Dù đó là công cụ nào đi nữa thì các “điểm nóng” trên màn hình cũngphải rõ ràng và đủ lớn để có thể kích chuột dễ dàng Có hai cách thườngđược dùng để hiển thị “điểm nóng”, đó là sử dụng nút và hình ảnh Với cách

sử dụng hình ảnh, khi vận hành viên “di chuột” qua khu vực hình ảnh, thì nó

sẽ hiện ra một màn hình chi tiết

Sự điều hướng giữa các màn hình nên được thiết kế đơn giản, rõ ràng vàthuận tiện Có thể thiết kế theo kiểu cấu trúc hình cây Giữa các bước chuyểntiếp nên đặt nút “next step” ở phía dưới bên phải màn hình Tất cả các trang

trong màn hình nên bố trí nút “Overview” — tương đương nút “Trang chủ”trong các trình duyệt web Nút này nên đặt vị trí dễ quan sát và tại cùng một

vị trí ở các trang khác nhau

Nếu có thể, nên nhóm các nút điều hướng lại để vận hành viên thuậntiện trong thao tác, không phải di chuột nhiều Nếu người sử dụng có nhu cầuchuyển đổi giữa các trang liên tục trong quá trình sử dụng, nên đặt các nútnhư “Next page” ở cùng một vị trí giúp họ dễ dàng click hơn mà không phải

di chuột nhiều

Điều khiển

Đối với các nút điều khiển, nên có pop-up như kiểu “Khởi động bơmcấp liêu — OK or Cancel” nhằm tránh sai sót vô tình, và giúp những nhânviên mới tiếp cận hệ thống mà không lo sợ gây thiệt hại hay hỏng hóc chonhà máy

• Biểu diễn các đơn vị vật lý với giá trị số và đơn vị, không dùng %

1.2 Giới thiệu một số HMI mẫu

-Hệ thống bơm nước và đóng nắp chai tự động:

-hệ thống điều khiển phân loại đóng gói sản phẩm

-hệ thống giám sát và điều khiển đèn giao thông

1.3 Các bước thiết kế HMI trên Wincc

Bước 1: khởi động

 Từ Window chọn Start  Simatic  Window Control Center Cửa

sổ WinCC Explorer hiện ra

Bước 2: Tạo dự án mới (New Project)

 Chọn File  New hoặc click vào biểu tượng New để tạo mới Project.

Hộp thoại WinCC Explorer xuất hiện với bốn lựa chọn:

Single_User Project: Project đơn một người dùng.

Multi_User Project: Project nhiều người dùng hay cùng một Project mà

nhiều máy tính khác nhau sử dụng Các máy tính này phải có quyền qu tiên ngang nhau (đều ở cấp độ Server).

Muti_Client Project: nhiều người sử dụng (ở cấp độ Client) có thể truy

cập cùng một cơ sở dữ liệu của một project (ở cấp độ Server).

Open an Existing project: mở một project đã có sẵn.

Tuỳ theo ứng dụng mà bạn có thể có lựa chọn khác nhau Ơ đây ta chọnSingle-User Project và click chọn OK

Tiếp theo sẽ gặp hộp thoại Creat a new project, ta được yêu cầu nhập tênproject và đường dẫn nơi lqu trữ project Project vừa tạo có tên với phần mở

rộng “.mcp” (master control program).

Bước 3: Kết nối với PLC

- Để tạo một Driver từ Navigation Window của WinCC Explorer ta right_click vào Tag Management chọn Add New Driver…

- Cửa sổ Add new driver hiện lên, ta chọn loại Driver tương thích Với việc giao tiếp họ PLC SIMATIC S7 300/400 chọn kênh “SIMATIC S7 protocol Suite.CHN”.

- Sau khi chọn kênh Driver xong, double_click vào kênh Driver vừa tạo và tuỳ theo cấu hình mạng đang sử dụng ta chọn loại giao tiếp tương thích Giả sử mạng PROFIBUS chẳng hạn, ta right_click vào và chọn “New Driver Connection…”

Bước 4:Tạo tag group

Tag group dùng để nhóm các tag thành từng nhóm tag tốt hơn

* Cách tạo một tag group:

- Right_click vào Driver Connection vừa tạo và chọn “New Group…”

-Trong cửa sổ Properties of tag group ta đặt tên cho tuỳ ý cho nhóm tag groupcần tạo, và click chọn OK

Bước 5: Tạo tag:

- Right_click vào tag group vừa tạo và chọn “New Tag…”

Bước 6:.Tạo picture:

Từ Navigation Window của WinCC Explorer, right_click vào Graphics Designer và chọn New Picture

Chương 2 Thiết kế hệ thống điều khiển quan sát

2.1 Xây dựng cấu trúc của hệ thống điều khiển

2.1.1 Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát nhiệt độ

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnhvực trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở nên là mối quantâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành mộttrong những mục tiêu của ngành Điều khiển tự động Trong nhiều lĩnh vực

Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ củasản xuất ,việc đô và kiểm soát nhiệt độ quyết định rất nhiều đến chất lượngcủa sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm ,luyện kim ,ximăng,gốm sứ ,công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong….

Do đặc thù của bài tập lớn nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế

sẽ gặp nhiều khó khăn Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tàiliệu và kiến thức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học đểhoàn thiện phần lý thuyết của bài tập lớn, kết hợp mô phỏng từng phần dựatrên phần mềm mô phỏng trên máy tính

Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo nhiệt

độ chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau:

- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng

- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo nhiệt độ và loại được

sử dụng

- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển

- Mô phỏng chạy trên Win cc

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

Khi có tín hiệu điều khiển từ bảng điều khiển, PLC tiến hành đọc s7 300đọc tín hiệu alalog từ cảm biến để tính toán để tính ra giá trị nhiệt độ trong lò.PLC sẽ so sánh giá trị đọc được với các giá trị định ngưỡng để xuất tín hiệuđiều khiển đèn cảnh báo và điều khiển burner tương ứng.

2.2 Cấp trường

2.2.1 Xác định yêu cầu công nghệ

Các chức năng chính của cấp trường là đo lường, truyền động vàchuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảmbiến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêngcho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Cácthiết bị thông minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trước khiđưa lên cấp điều khiển

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo đại lượng vật lý không điệnthành các tín hiệu điện Mà ở đây nhiệt độ là 1 tín hiệu không điện, qua cảmbiến nó sẽ trở thành 1 dạng tín hiệu khác (điện áp, điện trở…) Sau đó các bộphận xử lí trung tâm sẽ thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xửlí

2.2.2 Tính chọn thiết bị và sơ đồ nối dây

Cảm biến nhiệt độ

Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trênnhiều nguyên lý đo khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điềukiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng Trong khuôn khổ bài tập lớnchúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo nhiệt độ và loại