Kèm code PLC và file word Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường áp suất sử dụng TIA và điều khiển bằng PLC s71200 Sử dụng khối hàm FB. Chi tiết code PLC và mô phỏng WinCC. Chương trình viết chi tiết sử dụng khối hàm FB để đọc giá trị áp suất theo mô phỏng thực tế lên WinCC.
PLCViet.com BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : HỆ THỐNG SCADA, DCS VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP NỘI DUNG Thiết kế giao diện cho mơ hình đo lường áp suất sử dụng phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-1200 (Sử dụng khối hàm FB) PHẦN THUYẾT MINH Chương 1- Tìm hiểu cảm biến đo áp suất Chương 2- Giới thiệu tổng quan phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-1200 Chương 3- Lập trình cho điều khiển thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống Chương 4- Kết mô GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PLCViet.com PLCViet.com Mục lục CHƯƠNG : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT A Khái niệm B Cảm biến áp suất dựa phần tử biến dạng C Ứng dụng CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM TIA- PORTAL VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 12 2.1 Giới thiệu PLC 12 2.2 PLC S7-1200 14 2.3 Phần mềm TIA Portal 17 2.4 Giới thiệu hệ SCADA 31 CHƯƠNG : LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 34 CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34 PLCViet.com PLCViet.com CHƢƠNG : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT A Khái niệm Trong vật lý học,áp suất (thường viết tắt p) đại lượng vật lý thể cường độ thành phần lực tác động vng góc đơn vị đo diện tích vi thành phần bề mặt vật chất : p = F/A Đơn vị đo áp suất Trong hệ SI: N/m2 hay gọi Pa: 1Pa=1N/m2 Đơn vị hệ SI bar, atmotphe, milimét thuỷ ngân (mmHg), kgl/cm2; bar = 105 Pa; atm = 101,325 Pa; mmHg = 133,322 Pa; mm H2O = 9,80665 Pa; 1psi=6,89kpa; Phƣơng pháp đo áp suất - Áp suất tuyệt đối: đo so với chân khơng tuyệt đối, hồn tồn bỏ qua ảnh hưởng áp suất khí Phương pháp đo sử dụng chủ yếu để nghiên cứu thiết kế, có số ứng dụng mà giá trị đọc tuyệt đối lại có ích đặt điều kiện cụ thể trình Bởi thực tế khó hút chân không tuyệt đối bên vỏ cảm biến, cảm biến thường điều chỉnh giá trị đọc thiết bị đo cách sử dụng hệ số sửa cố định đơn vị phức tạp sử dụng áp suất khí áp đo - Áp suất vi sai: áp suất khu vực đường ống so với áp suất khác - Giá trị đọc chênh lệch hai áp suất khơng tính đến áp suất hai bên so với áp suất khí chân không - Áp suất calip: dạng áp suất vi sai, áp suất khu vực đường ống so với áp suất khí Loại áp dụng phổ biến Áp kế chất lỏng - Áp kế chữ U Cấu tạo : Gồm ống thủy tinh hình chữ u Bên chứa chất lỏng ( thường thủy ngân ) PLCViet.com PLCViet.com Nguyên lý hoạt động: Do khác biệt áp suất áp suất áp dụng Pa tham khảo áp suất Pb ống áp kế U Làm chênh lệch mực chât lỏng giũa hai ống từ tính đươc áp suất cần đo Dải làm việc từ:100pa đến 1000000pa Áp kế bình Cấu taọ: gồm bình thủy tinh hình vẽ chứa chất lỏng Áp suất bình thường bar Nguyên lý hoạt động: dựa vào chênh lệch áp suất bình ngồi bình làm cho mực chất lỏng thay đổi từ tính đươc áp suất B Cảm biến áp suất dựa phần tử biến dạng Các phần tử biến dạng Lò xo - Cấu tạo: Lò xo ơng ống kim loại uốn cong ,giữ đàu cố định đầu để tự PLCViet.com PLCViet.com Cơng thức tính biến thiên góc tâm y - R: bán kính cong - h: bề dày thành ống - v: hệ số poission - Y: mô đun Young - a,b: bán trục chia tiết ôvan A,B: hệ số phụ thuôc vào hình dáng tiết diện ngang ống x=Rh/ : tham số ống Lò xo ống vòng có góc quay nhỏ , để tăng góc quay người ta thường dùng lò xo có nhiều ống Đối với lò xo kiểu thường phải có cấu khí để tăng góc quay Xi phơng Ống xi phơng ống trụ xếp nếp có khả biến dang tác dụng cua áp suất Độ dịch chuyển đáy biểu diện theo công thức sau : PLCViet.com PLCViet.com ho :chiêù dày thành ống n: số nếp nhăn làm việc : góc bịt kín A,B :các hệ số phụ thuộc R Rn Rt bán kính ngồi xi phơng r: bán kính cong nếp uốn Lưc tác dụng lên đáy tính theo cơng thức Màng Màng dùng để đo áp suất chia màng đan hồi màng dẻo *)Màng dàn hồi : Cấu tạo: Dạng tròn phẳng chế tạo thép +)Nguyên lý hoạt động: áp suất tác dụng lên hai mạt màng gây biến dạng biến dạng màng hàm phia tuyến áp suất +)Độ võng tính theo công thức sau: PLCViet.com PLCViet.com *)Màng nếp uốn đặc tuyến phi tuyến nhỏ màng phẳng nên sử dụng với độ võng lớn +)Công thức xác định a,b hệ số phụ thuộc vào hình dạng màng +)Lực tác dụng D: đường kính ổ đỡ màng +)Độ xác 1% c)ống trụ +)Cấu tạo: Ống có dạng hình trụ , thành mỏng , đầu bịt kín làm băng kim loại +) Biến dạng ngang a1 a2 biến dạng dọc tác dụng lên thành ống xác định công thức : P: áp suất Y :mô đun Young v :hệ số poission r :bán kính ống Cảm biến áp suất dựa phép đo biến dạng Đặc điểm + Có tính đáp ứng tốt + Có thể bị nhiễu từ trường + Thường chia làm hai nhóm: PLCViet.com PLCViet.com - Biến đổi sử dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu điện - Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo Bộ chuyển đổi kiểu áp điện Nguyên lý hoạt động: Khi có áp suất tác dụng vào khối vật liệu áp điện sinh điện tích tỷ lệ với áp suất cần đo k số áp điện Một số đặc điểm: +Tần số cao(400kHz) +Độ nhạy cao +Khơng thích hợp với đo áp suất tĩnh +Phạm vi đo lớn(2 đến 20000psi) +Nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ Bộ chuyển đổi kiểu điện cảm a) Cấu tạo Tấm sắt từ động gắn màng nam châm điên b) Nguyên lý Dưới tác dụng áp suất đo làm dịch chuyển màng làm thay đổi khe hở từ dẫn đến thay đổi độ tự cảm cuộn dây +Làm việc theo nguyên tắc cảm ứng +Việc nối nam châm phụ tuộc vào vị trí lõi +Khi lõi sắt thay đổi vị trí điện thay đổi +Độ xác 0.5%FS +Phạm vi làm việc từ tới 10,000psi PLCViet.com PLCViet.com Bộ chuyển đổi kiểu điện dung a)Cấu tạo Gồm màng kim loại đặt hai cực tụ điện b)Nguyên lý: Dịch chuyển hai tụ điện phẳng làm thay đổi điện dung Sự phụ thuộc điện dung C vào độ dịch chuyển màng lọc c)Phạm vi làm viêc Phạm vi làm việc rộng (áp suất chân khơng tới 10,000psi) Đo áp suất sai thấp(0.25mm H2O) Thời gian đáp ứng nhanh Độ xác 0.01%FSvà hiệu ứng nhiệt độ 0.25% C Ứng dụng Kiểm tra hút: +Giám sát áp suất cho trình gắp thả phơi +Kiểm tra hút chai q trình đóng gói +Kiểm tra q trình hút phơi vào vòng hình O PLCViet.com PLCViet.com +Kiểm tra hút trình đặt chip +Kiểm tra hút trình dán nhãn Điều khiển áp suất nguồn: Điều khiển áp suất máy hàn vết Giám sát áp suất khí máy nén Kiểm tra định vị: Sử dụng để kiểm tra xem đối tượng phơi có bàn máy hay khơng Ưu điểm không sợ ảnh hưởng bụi,hơi nước hay va chạm q trình gia cơng Xác nhận chi tiết có nằm máy hàn vết hay khơng Nhận biết diện/thiếu thành phần động Kiểm tra rò rỉ: Trong kiểm tra rò rỉ,một bình chứa làm đầy với khơng khí đến giá trị áp suất cài đặt Sau lượng khí rò rỉ xác định cách nhận biết thay đổi áp suất Dụng cụ đo độ cao Mơt số loại cảm biến thường gặp Có loại cảm biến áp suất sử dụng rộng rãi công nghiệp Pressure transmitter: dùng nhiều hệ thống có điều khiển PLC Input: Pressure Output: current - 20 mA Có loại: Loại thường: Range P vào cố định chỉnh tay giá trị thay đổi Loại Smart: dùng HART thay đổi range P vào Các hãng sản xuất tiếng là: Rosemount, ABB, Siemens, Endress & Haus, Honey Well, Yokogawa, Giá loại smart 500 USD tùy loại hãng SX nào, nơi SX (nếu USA, EU, G7 đắt có đặc tính kĩ thuật cao nơi khác), môi trường sử dụng, Pressure transducer: dùng nhiều hệ thống rời máy nén khí, máy phát điện, Input: Pressure 10 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.2.3a: biểu tượng phần mềm TIA PORTAL Bước : Click chuột vào Create new project để tạo dự án Hình 2.3.2.3b: hình phần mềm TIA PORTAL Bước : Nhập tên dự án vào Project name sau nhấn create Hình 2.3.2.3c: Tạo dự án phần mềm TIA PORTAL Bước : Chọn configure a device 20 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.2.3d: Chọn configure a device Bước : Chọn add new device Hình 2.3.2.3e: Chọn add new device Bước : Chọn loại CPU PLC sau chọn add 21 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.2.3f: Chọn loại CPU PLC Bước : Project Hình 2.3.2.3f:loại CPU PLC chọn 2.3.2.4 TAG PLC / TAG local 22 PLCViet.com PLCViet.com *Tag PLC -Phạm vi ứng dụng : giá trị Tag sử dụng khối chức PLC -Ứng dụng : binary I/O, Bits of memory -Định nghĩa vùng : Bảng tag PLC -Miêu tả : Tag PLC đại diện dấu ngoặc kép *Tag Local -Phạm vi ứng dụng : giá trị ứng dụng khối khai báo, mơ tả tương tự sử dụng khối khác cho mục đích khác -Ứng dụng : tham số khối, liệu static khối, liệu tạm thời -Định nghĩa vùng : khối giao diện -Miêu tả : Tag đại diện dấu # Sử dụng Tag hoạt động Hình 2.3.2.4a: bảng định địa -Layout : bảng tag PLC chứa định nghĩa Tag số có giá trị CPU Một bảng tag PLC tự động tạo cho CPU sử dụng project 23 PLCViet.com PLCViet.com -Colum : mơ tả biểu tượng nhấp vào để di chuyển vào hệ thống kéo nhả lệnh chương trình -Name : khai báo sử dụng lần CPU -Data type : kiểu liệu định cho tag -Address : địa tag -Retain : khai báo tag lưu trữ lại -Comment : comment miêu tả tag Nhóm tag : tạo nhóm tag cách chọn add new tag table Hình 2.3.2.4b: tạo bảng tag Tìm thay tag PLC 24 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.2.4b: Ngồi có số chức sau: -Lỗi tag -Giám sát tag plc -Hiện / ẩn biểu tượng -Đổi tên tag : Rename tag -Đổi tên địa tag : Rewire tag -Copy tag từ thư viện Global 2.3.3 Làm việc với trạm PLC 2.3.3.1 Quy định địa IP cho module CPU IP TOOL thay đổi IP address PLC S7-1200 cách Phương pháp thích hợp tự động xác định trạng thái địa IP đó: -Gán địa IP ban đầu : Nếu PLC S7-1200 khơng có địa IP, IP TOOL sử dụng chức thiết lập để cấp phát địa IP ban đầu cho PLC S7-1200 -Thay đổi địa IP : địa IP tồn tại, công cụ IP TOOL sửa đổi cấu hình phần cứng (HW config) PLC S7-1200 2.3.3.2 Đổ chƣơng trình xuống CPU Đổ từ hình soạn thảo chương trình cách kích vào biểu tượng download cơng cụ hình 25 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.3.2a: biểu tượng download chương trình lên PLC Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface PG/PC interface hình sau nhấn chọn load Hình 2.3.3.2b: Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface PG/PC interface Chọn start all hình vẽ nhấn finish 26 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.3.2b: Chọn start all hình vẽ nhấn finish 2.3.3.3 Giám sát thực chƣơng trình Để giám sát chương trình hình soạn thảo kích chọn Monitor cơng cụ Hình 2.3.3.3a: giám sát chương trình hình cách Hoặc cách làm hình 27 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.3.3.3b: giám sát chương trình hình cách Sau chọn monitor chương trình soạn thảo xuất sau: Hình 2.3.3.3b: hình giám sát 2.3.4 Kỹ thuật lập trình 2.3.4.1 Vòng quét chƣơng trình PLC thực chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi vòng qt Mỗi vòng quét bắt đầu giai đoạn chuyển liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, giai đoạn thực chương trình Trong vòng qt chương trình thực từ lệnh đến lệnh kết thúc khối OB1 Sau giai đoạn thực chương trình giai đoạn chuyển nội dụng đệm ảo Q tới cổng số Vòng quét kết thúc giai đoạn truyền thông nội kiểm tra lỗi Chú ý đệm I Q không liên quan tới cổng vào/ra tương tự nên lệnh truy nhập cổng tương tự thực trực tiếp với cổng vật lý không thông qua đệm 28 PLCViet.com PLCViet.com 2.3.4.2 Cấu trúc lập trình Hình 2.3.4.2: Cấu trúc lập trình 2.3.4.2.a Khối tổ chức OB – ORGANIZATION BLOCKS - Organization blocks (OBs) : giao diện hoạt động hệ thống chương trình người dùng Chúng gọi hệ thống hoạt động, điều khiển theo trình: +Xử lý chương trình theo q trình +Báo động – kiểm sốt xử lý chương trình +Xử lý lỗi - Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB Diagnosis OB: chèn lập trình khối project Khơng cần phải gán thông số cho chúng không cần gọi chúng chương trình - Process Alarm OB Time Interrupt OB : Các khối OB phải tham số hóa đưa vào chương trình Ngồi ra, q trình báo động OB 29 PLCViet.com PLCViet.com gán cho kiện thời gian thực cách sủ dụng lệnh ATTACH, tách biệt với lệnh DETACH - Time Delay Interrupt OB : OB ngắt thời gian trễ đưa vào dự án lập trình Ngồi ra, chúng phải gọi chương trình với lệnh SRT_DINT, tham số không cần thiết - Start Information : Khi số OB bắt đầu, hệ điều hành đọc thơng tin thẩm định chương trình người dùng, điều hữu ích cho việc chẩn đốn lỗi, cho dù thông tin đọc cung cấp mô tả khối OB 2.3.4.2.b Hàm chức – FUNCTION - Funtions (FC) khối mã không cần nhớ Dữ liệu biến tạm thời bị sau FC xử lý Các khối liệu tồn cầu sử dụng để lưu trữ liệu FC - Functions sử dụng với mục đích +Trả lại giá trị cho hàm chức gọi +Thực cơng nghệ chức ví dụ : điều khiển riêng với hoạt động nhị phân +Ngồi ra, FC gọi nhiều lần thời điểm khác chương trình Điều tạo điều kiện cho lập trình chức lập lặp lại phức tạp - FB (function block) : lần gọi, FB cần khu vực nhớ Khi FB gọi, Data Block (DB) gán với instance DB Dữ liệu Instance DB sau truy cập vào biến FB Các khu vực nhớ khác gán cho FB gọi nhiều lần - DB (data block) : DB thường để cung cấp nhớ cho biến liệu Có hai loại khối liệu DB : Global DBs nơi mà tất OB, FB FC đọc liệu lưu trữ, tự ghi liệu vào DB, instance DB gán cho FB định 30 PLCViet.com PLCViet.com 2.4 Giới thiệu hệ SCADA 2.4.1 Định nghĩa SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Nhằm hỗ trợ người trình giám sát điều khiển từ xa Hệ thống SCADA thu thập liệu từ trạm giám sát điểm kiểm sốt khác Một máy tính trung tâm xử lí liệu kiểm sốt hệ thống khác Hệ thống đóng vai trò quan trọng nghành công nghiệp đại như: nhà máy sản xuất, trạm dầu mỏ khí đốt v.v… 2.4.2 Xu hƣớng phát triển Vào năm thập niên 90 kỉ trước, sử dụng thiết bị vào/ra (I/O) thu thập liệu cũ, nên kết nối ưu tiên sử dụng chuẩn kết nối phù hợp với khoảng cách truyền dẫn RS-485, nhiên điều lại hạn chế việc lựa chọn thiết bị yêu cầu thay đổi Do nhược điểm nêu mà đến cuối năm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng chuẩn truyền thông mở IEC870-5-101/104 DNP 3.0 ngày phổ biến việc sản xuất thiết bị nhà cung cấp giải pháp cho hệ SCADA Đến năm 2000 hầu hết nhà sản xuất thiết bị vào/ra liệu đồng loạt chuyển sang giao thức mở Modicon MODBUS dựa chuẩn TCP/IP Hiện nay, hệ SCADA xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông Ethernet TCP/IP chuẩn dần thay chuẩn cũ Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa thơng tin phần mềm Wonderware cơng ty tự động hóa Rockwell hệ chuẩn OPC-UA, có nhiều ưu điểm từ việc hỗ trợ công nghệ thông tin sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), dịch vụ web công nghệ web đại khác 2.4.3 Cấu trúc hệ SCADA 31 PLCViet.com PLCViet.com Hình 2.4.3: Cấu trúc hệ SCADA Cấu trúc hệ SCADA có thành phần sau: -Trạm điều khiển giám sát trung tâm: hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server) -Trạm thu thập liệu trung gian: Là khối thiết bị vào đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức giao tiếp với thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, hộp điều khiển đóng cắt van chấp hành…) -Hệ thống truyền thông: bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức truyền liệu cấp trường đến khối điều khiển máy chủ -Giao diện ngƣời - máy HMI (Human - Machine Interface): Là thiết bị hiển thị q trình xử lí liệu để người vận hành điều khiển trình hoạt động hệ thống 2.4.4.Cơ chế thu thập liệu Trong hệ SCADA, trình thu thập liệu thực trước tiên trình RTU qt thơng tin có từ thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ gọi thời gian quét bên Các máy chủ quét RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập liệu từ RTU 32 PLCViet.com PLCViet.com Để điều khiển, máy chủ gửi tín hiệu u cầu xuống RTU, từ cho phép RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ 2.4.5 Xử lí liệu Dữ liệu truyền tải hệ SCADA dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse) Giao diện sở để vận hành thiết bị đầu cuối hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn hệ thống điều khiển giám sát thiết bị hệ thống Tại thời điểm, liệu thị dạng hình ảnh tĩnh, liệu thay đổi hình ảnh thay đổi theo Trong trường hợp liệu hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường thị trình thay đổi liệu hình giao diện đồ họa (GUI) dạng đồ thị Một ưu điểm lớn hệ SCADA khả xử lí lỗi tốt hệ thống xảy cố Nhìn chung, có cố xảy SCADA lựa chọn cách xử lí sau: -Sử dụng liệu cất giữ RTU: Trong hệ SCADA có RTU có dung lượng nhớ lớn, hệ thống hoạt động ổn định liệu lưu vào nhớ RTU Do đó, hệ thống xảy lỗi RTU sử dụng tạm liệu hệ thống hoạt động trở lại bình thường - Sử dụng phần cứng dự phòng hệ thống: hầu hết hệ SCADA thiết kế thêm phận dự phòng, ví dụ hệ thống truyền thông hai đường truyền, RTU đôi hai máy chủ…do vậy, phận dự phòng đưa vào sử dụng hệ SCADA có cố hệ thống trạng thái đóng (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…) 33 PLCViet.com PLCViet.com CHƢƠNG : LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG Xây dựng cơng thức tính áp suất Chương trình viết cụ thể file đính kèm (.ap13) CHƢƠNG : KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Màn hình HMI 34 PLCViet.com ... dụng áp suất khí áp đo - Áp suất vi sai: áp suất khu vực đường ống so với áp suất khác - Giá trị đọc chênh lệch hai áp suất khơng tính đến áp suất hai bên so với áp suất khí chân khơng - Áp suất. .. 1psi=6,89kpa; Phƣơng pháp đo áp suất - Áp suất tuyệt đối: đo so với chân khơng tuyệt đối, hồn tồn bỏ qua ảnh hưởng áp suất khí Phương pháp đo sử dụng chủ yếu để nghiên cứu thiết kế, có số ứng dụng mà giá... LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 34 CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34 PLCViet.com PLCViet.com CHƢƠNG : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT A Khái